一种顺磁性手性石墨烯量子点及其制备方法和用途与流程

本发明涉及复合纳米材料技术领域，特别是涉及一种顺磁性手性石墨烯量子点及其制备方法和用途。

背景技术：

石墨烯量子点作为一种新型的零维碳纳米材料，在生物成像、体外诊断、肿瘤治疗等领域具有重要应用前景。石墨烯量子点本身具有的量子限域效应使得它具有荧光效应。因石墨烯量子点比表面积大，表面官能团丰富且易调制，故其具有可调制的荧光效应。

手性分子一般含有手性碳原子，即一个碳原子上连接了4种不同的原子或基团，两种异手性的分子不能通过旋转、平移等操作重合。在大多数情形下，仅有一种手性分子具有活性或特定功能，另一种手性异构体往往不具有效用，甚至会导致一些副作用。手性分子可由手性前驱体的合成获得，可以通过手性氨基酸的缩合来获得手性石墨烯量子点，目前，已有利用电化学方法获取手性石墨烯量子点的报道。

然而如何拓展石墨烯量子点材料的应用领域和应用一直是本领域技术人员探索和想要解决的技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种顺磁性手性石墨烯量子点及其制备方法和用途，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。

本发明首先提供一种顺磁性手性石墨烯量子点，所述顺磁性手性石墨烯量子点的原料组分包括手性石墨烯量子点、螯合剂和顺磁性金属离子，所述手性石墨烯量子点与螯合剂通过相互之间官能团反应形成共价键，所述螯合剂与所述顺磁性金属离子通过配位键键合。

优选地，所述螯合剂为1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸(记为dota)和二亚乙基三胺五乙酸二酐(记为dtpa)中的任意一种或两种。

优选地，所述顺磁性离子为钆离子。

更优选地，所述钆离子为由选自硝酸钆和氯化钆中的任意一种或两种提供。

本发明还公开了一种如上述所述的顺磁性手性石墨烯量子点的制备方法，手性氨基酸通过水热反应缩合获得手性石墨烯量子点，然后与螯合剂反应，再加入顺磁性离子形成顺磁性手性石墨烯量子点材料。

优选地，所述手性氨基酸为l-组氨酸、d-组氨酸、l-精氨酸、d-精氨酸、l-谷氨酸、d-谷氨酸中的任意一种或多种。

优选地，每0.1～25g手性氨基酸添加1mmol的螯合剂。

优选地，螯合剂与钆离子的摩尔比为1:(0.8～1.2)。

优选地，所述水热反应的温度为120～200℃；和/或，水热反应时间为3～12h。

优选地，还包括纯化，纯化时采用透析袋透析纯化，所述透析袋的截留分子量为100～100000da。

优选地，还包括干燥。更优选地，干燥时，采用冷冻干燥，真空度为0.1～1kpa，温度为15～30℃。

本发明还公开了如上述所述的顺磁性手性石墨烯量子点用于监测手性分子之间相互作用的用途。

根据上述所述的用途，所述顺磁性手性石墨烯量子点分散于水溶液中，感应手性分子之间相互作用并输出磁信号和/或光信号。本申请上述技术方案的有益效果为：

本申请中顺磁性手性石墨烯量子点稳定性强，能够将荧光特性、手性、顺磁性集合于同一材料上。具有顺磁性的手性石墨烯量子点可用于手性分子之间相互作用过程的监测，并将手性相互作用过程转换为磁信号(弛豫时间)由核磁共振设备读出，或将手性相互作用过程转换为光信号(荧光强度、荧光发射波长、荧光寿命等)读出，或同时使用磁信号与光信号进行双模式信号读出。

附图说明

图1是本发明的顺磁性手性石墨烯量子点制备方法流程图；

图2是本发明的实施例1制备的顺磁性手性石墨烯量子点水溶液的弛豫率拟合曲线；

图3是本发明的实施例1制备的顺磁性手性石墨烯量子点水溶液的光致发光谱线；

图4是本发明的实施例1、2制备顺磁性手性石墨烯量子点过程中各产物水溶液的圆二色谱；

图5是本发明的实施例2制备的顺磁性手性石墨烯量子点水溶液的时间磁稳定性数据；

图6是本发明的实施例2制备的顺磁性手性石墨烯量子点在盐溶液中的磁稳定性数据；

图7是本发明的实施例3制备的顺磁性手性石墨烯量子点水溶液的时间光稳定性数据；

图8是本发明的实施例3制备的顺磁性手性石墨烯量子点在盐溶液中的光稳定性数据；

图9是本发明的实施例4制备的顺磁性手性石墨烯量子点与手性蛋白质相互作用前后的弛豫时间对比；

图10是本发明的实施例5制备的顺磁性手性石墨烯量子点与手性蛋白质相互作用前后的荧光强度对比。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

本发明的顺磁性手性石墨烯量子点的原料组分包括手性石墨烯量子点、螯合剂和顺磁性金属离子，所述手性石墨烯量子点与螯合剂通过相互之间官能团反应形成共价键，所述螯合剂与所述顺磁性金属离子通过配位键键合。

在一个优选的实施例方式中，所述螯合剂为1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸和二亚乙基三胺五乙酸二酐中的任意一种或两种；在一个优选的实施例方式中，所述顺磁性离子为钆离子。螯合剂表面含有羧基基团，能够与手性石墨烯量子点表面的氨基发生酰胺化作用，进而实现结合。同时，螯合剂中含有的氧、氮原子能够提供电子对，该电子对能够促进螯合剂与含有电子空轨道的钆离子稳定结合。

在一个优选的实施方式中，以水热反应为方法，将手性氨基酸缩合成为手性石墨烯量子点，通过螯合剂将手性石墨烯量子点与顺磁性钆离子连接形成复合结构，从而制备出顺磁性手性石墨烯量子点。

本发明获得的具有顺磁性的手性石墨烯量子点可用于手性相互作用过程监测，并将手性相互作用过程转换为磁信号(弛豫时间)由核磁共振设备读出，或将手性相互作用过程转换为光信号(荧光强度、荧光发射波长、荧光寿命等)读出，或同时使用磁信号与光信号进行双模式信号读出，其可以作为检测探针使用。

本申请中的顺磁性手性石墨烯量子点的制备方法包括：手性氨基酸通过水热反应缩合获得手性石墨烯量子点，然后与螯合剂反应，再加入顺磁性离子形成顺磁性手性石墨烯量子点材料。

为了进一步说明本申请中顺磁性手性石墨烯量子点的制备方法和应用效果，本申请实施例中提供了一种如图1所示的具体的顺磁性手性石墨烯量子点制备方法，包括以下步骤：

将手性氨基酸水溶液进行水热反应，得到第一混合溶液；

将第一混合溶液与螯合物水溶液混合，得到第二混合溶液；

将第二混合溶液与钆盐水溶液混合，得到第三混合溶液；

将第三混合溶液透析纯化后，再冷冻干燥处理，得到具有顺磁性的手性石墨烯量子点。

各步骤均在水溶液环境下进行，有助于反应进行及反应完全。

优选地，所述手性氨基酸为l-组氨酸、d-组氨酸、l-精氨酸、d-精氨酸、l-谷氨酸、d-谷氨酸中的任意一种或多种。

优选地，所述手性氨基酸水溶液的浓度为1～20mg/ml。

优选地，所述螯合剂为1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸和二亚乙基三胺五乙酸二酐中的任意一种或两种。

优选地，螯合剂水溶液的浓度为1～40mmol/l。

优选地，所述顺磁性离子为钆离子。

更优选地，所述钆离子为由选自硝酸钆和氯化钆中的任意一种或两种提供。

优选地，钆盐水溶液的浓度为1～40mmol/l。

优选地，手性氨基酸通过水热反应缩合获得手性石墨烯量子点。

更优选地，所述水热反应的温度为120～200℃。更优选地，水热反应时间为3～12h。

优选地，还包括纯化，纯化时采用透析袋透析纯化，所述透析袋的截留分子量为100～100000da。更优选地，透析时间为6～72h。

优选地，还包括干燥，干燥时，真空度为0.1～1kpa，温度为15～30℃。

优选地，所述第一混合溶液与螯合物水溶液混合温度为20～60℃。更优选地，所述混合时间为6～24h。

优选地，所述第二混合溶液与钆盐水溶液混合温度为室温20～60℃。更优选地，所述混合时间为6～24h。

以下通过具体实施例及应用效果来对本申请技术方案及技术效果进行进一步阐释和说明。

实施例1

本实施例提供了一种顺磁性手性石墨烯量子点制备方法，包括以下步骤：

s1、提供10ml浓度为2mg/ml的l-组氨酸水溶液，提供1ml浓度为10mmol/l的dtpa水溶液，1ml浓度为10mmol/l的硝酸钆水溶液；

s2、将10ml浓度为2mg/ml的l-组氨酸水溶液进行水热反应以得到第一混合溶液，反应温度为180℃，反应时间为6h；

s3、将第一混合溶液与1ml浓度为10mmol/l的dtpa水溶液混合以得到第二混合溶液，混合温度为20℃，混合时间为12h；

s4、将第二混合溶液与1ml浓度为10mmol/l的硝酸钆水溶液混合以得到第三混合溶液，混合温度为50℃，混合时间为6h；

s5、对第三混合溶液透析纯化，使用的透析袋截留分子量为100da，透析时间为72h，然后冷冻干燥，冷冻干燥过程真空度为0.5kpa，温度为室温，时间为8h，获得顺磁性手性石墨烯量子点。

如图2所示，为本实施例获得的顺磁性手性石墨烯量子点的弛豫特性测试结果，其中，t1表示弛豫时间，单位为ms，横坐标表示钆离子的浓度，单位为mmol/l(等同于mm)，纵坐标表示弛豫时间的倒数(1/t1)，单位为s^-1，弛豫率为线性拟合结果中的斜率，用r1表示，单位为mm^–1s^–1；由线性拟合结果可知，本实施例制备的顺磁性手性石墨烯量子点的弛豫率约为11.73mm^–1s^–1，说明获得的顺磁性手性石墨烯量子点具有顺磁性。如图3所示，为本实施例获得的顺磁性手性石墨烯量子点的光致发光谱线，f表示荧光强度，其发光波长为423.55nm，说明获得的顺磁性手性石墨烯量子点具有荧光特性。

实施例2

为方便对比手性差异，本实施例仅在实施例1的基础上更换l-组氨酸水溶液为d-组氨酸水溶液，其他各项参数与实施例1中提及的参数一致，包括以下步骤：

s1、提供10ml浓度为2mg/ml的d-组氨酸水溶液，提供1ml浓度为10mmol/l的dtpa水溶液，1ml浓度为10mmol/l的硝酸钆水溶液；

s2、将10ml浓度为2mg/ml的d-组氨酸水溶液进行水热反应以得到第一混合溶液，反应温度为180℃，反应时间为6h；

s3、将第一混合溶液与1ml浓度为10mmol/l的dtpa水溶液混合以得到第二混合溶液，混合温度为20℃，混合时间为12h；

s4、将第二混合溶液与1ml浓度为10mmol/l的硝酸钆水溶液混合以得到第三混合溶液，混合温度为50℃，混合时间为6h；

s5、对第三混合溶液透析纯化，使用的透析袋截留分子量为100da，透析时间为72h，然后冷冻干燥，冷冻干燥过程真空度为0.5kpa，温度为室温，时间为8h，获得顺磁性手性石墨烯量子点。

如图4所示，为实施例1、2制备顺磁性手性石墨烯量子点过程中第一混合溶液、第二混合溶液、第三混合溶液的圆二色谱，纵坐标表示手性强度，单位为mdeg；由圆二色谱数据可知，第一混合溶液、第二混合溶液、第三混合溶液均具有手性。如图5所示，为本实施例获得的顺磁性手性石墨烯量子点水溶液(钆离子浓度0.20mmol/l)的时间磁稳定性数据，t1表示弛豫时间，单位为ms，可见，在制备完成后0～30天，顺磁性手性石墨烯量子点的t1未发生显著变化，说明制备的顺磁性手性石墨烯量子点具有良好的稳定性。如图6所示，本实施例获得的顺磁性手性石墨烯量子点在不同盐溶液(钆离子浓度0.20mmol/l)中的磁稳定性数据(盐溶液浓度为1mmol/l，t1测试时间为制备后12h)，t1表示弛豫时间，单位为ms，可见，顺磁性手性石墨烯量子点在多种复杂盐溶液中t1均未发生显著变化，说明制备的顺磁性手性石墨烯量子点在复杂环境中具有高的磁稳定性。

实施例3

本实施例提供了一种顺磁性手性石墨烯量子点制备方法，包括以下步骤：

s1、提供20ml浓度为20mg/ml的l-精氨酸水溶液，提供2ml浓度为20mmol/l的dota水溶液，2ml浓度为20mmol/l的氯化钆水溶液；

s2、将20ml浓度为20mg/ml的l-精氨酸水溶液进行水热反应以得到第一混合溶液，反应温度为200℃，反应时间为3h；

s3、将第一混合溶液与2ml浓度为20mmol/l的dota水溶液混合以得到第二混合溶液，混合温度为30℃，混合时间为24h；

s4、将第二混合溶液与2ml浓度为20mmol/l的氯化钆水溶液混合以得到第三混合溶液，混合温度为30℃，混合时间为24h；

s5、对第三混合溶液透析纯化，使用的透析袋截留分子量为10000da，透析时间为48h，然后冷冻干燥，冷冻干燥过程真空度为0.1kpa，温度为室温，时间为2h，获得顺磁性手性石墨烯量子点。

如图7所示，为本实施例获得的顺磁性手性石墨烯量子点水溶液(石墨烯量子点浓度为1mg/ml)的时间光稳定性数据，可见，在制备完成后0～30天，顺磁性手性石墨烯量子点的荧光强度(记为f/f0，其中f为荧光强度，f0为制备完成后0天时的荧光强度)未发生显著变化，说明制备的顺磁性手性石墨烯量子点具有良好的稳定性。如图8所示，本实施例获得的顺磁性手性石墨烯量子点在不同盐溶液中的光稳定性数据(盐溶液浓度为1mmol/l，荧光强度测试时间为制备后12h)，可见，顺磁性手性石墨烯量子点(石墨烯量子点浓度为1mg/ml)在多种复杂盐溶液中f/f0(f0为顺磁性手性石墨烯量子点水溶液的荧光强度)均未发生显著变化，说明制备的顺磁性手性石墨烯量子点在复杂环境中具有高的光稳定性。

实施例4

本实施例提供了一种顺磁性手性石墨烯量子点制备方法，包括以下步骤：

s1、提供2ml浓度为1mg/ml的l-或d-精氨酸水溶液，提供0.5ml浓度为40mmol/l的dota水溶液，0.5ml浓度为40mmol/l的硝酸钆水溶液；

s2、将2ml浓度为1mg/ml的l-或d-精氨酸水溶液进行水热反应以得到第一混合溶液，反应温度为120℃，反应时间为6h；

s3、将第一混合溶液与0.5ml浓度为40mmol/l的dota水溶液混合以得到第二混合溶液，混合温度为60℃，混合时间为6h；

s4、将第二混合溶液与0.5ml浓度为40mmol/l的硝酸钆水溶液混合以得到第三混合溶液，混合温度为20℃，混合时间为12h；

s5、对第三混合溶液透析纯化，使用的透析袋截留分子量为100000da，透析时间为6h，然后冷冻干燥，冷冻干燥过程真空度为1kpa，温度为室温，时间为24h，获得顺磁性的l型或d型手性石墨烯量子点。

如图9所示，为本实施例获得的顺磁性手性石墨烯量子点(钆离子浓度为0.15mmol/l)与手性蛋白质(牛血清白蛋白，浓度为10μg/ml)相互作用前后的弛豫时间对比(评价指标为δt1＝t1-作用后–t1-作用前)，t1表示弛豫时间，单位为ms。可见，顺磁性的l型手性石墨烯量子点在牛血清蛋白出现前后δt1＝–9.50±5.60ms，顺磁性的d型手性石墨烯量子点在牛血清蛋白出现前后δt1＝–210.00±7.80ms，两种不同手性的顺磁性手性石墨烯量子点对用一种手性蛋白质的响应不同，说明制备得到的顺磁性手性石墨烯量子点能够有效地将手性相互作用过程转换为磁信号(弛豫时间)读出。

实施例5

本实施例提供了一种顺磁性手性石墨烯量子点制备方法，包括以下步骤：

s1、提供5ml浓度为15mg/ml的l-或d-谷氨酸水溶液，提供5ml浓度为1mmol/l的dtpa水溶液，5ml浓度为1mmol/l的硝酸钆水溶液；

s2、将5ml浓度为15mg/ml的l-或d-谷氨酸水溶液进行水热反应以得到第一混合溶液，反应温度为150℃，反应时间为12h；

s3、将第一混合溶液与5ml浓度为1mmol/l的dtpa水溶液混合以得到第二混合溶液，混合温度为40℃，混合时间为18h；

s4、将第二混合溶液与5ml浓度为1mmol/l的硝酸钆水溶液混合以得到第三混合溶液，混合温度为60℃，混合时间为18h；

s5、对第三混合溶液透析纯化，使用的透析袋截留分子量为5000da，透析时间为24h，然后冷冻干燥，冷冻干燥过程真空度为0.8kpa，温度为室温，干燥时间为72h，获得顺磁性的l型或d型手性石墨烯量子点。

如图10所示，为本实施例获得的顺磁性手性石墨烯量子点与手性蛋白质(卵清白蛋白)相互作用前后的荧光对比(评价指标为f/f0，f0与f分别为顺磁性手性石墨烯量子点与卵清白蛋白作用前后的荧光强度)。可见，顺磁性的l型手性石墨烯量子点在卵清白蛋白出现前后f/f0＝0.51±0.02，顺磁性的d型手性石墨烯量子点在卵清白蛋白出现前后f/f0＝1.05±0.03，两种不同手性的顺磁性手性石墨烯量子点对用一种手性蛋白质的响应不同，说明制备得到的顺磁性手性石墨烯量子点能够有效地将手性相互作用过程转换为光信号(如荧光强度)读出。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。