水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点、制备方法及应用与流程

本申请涉及一种水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点、制备方法及应用。

背景技术：

由于量子限域效应和边界效应，石墨烯量子点在荧光材料中受到人们的重视。石墨烯量子点(gqds)可以看作小的石墨碎片，通常是横向尺寸小于100nm的单层，双层或多层(3～10)的零维石墨纳米材料，具有独特的荧光性质。目前，所合成的石墨烯量子点多为亲水性或亲油性，只能在单一溶剂中使用，大大限制了石墨烯量子点细胞成像的使用条件。传统的亲水性碳点或石墨烯量子点，由于疏水界面的存在，在成像时与细胞膜的亲和力不够好，无法得到清晰的图像。因而如何提高在成像时与细胞膜的亲和力，得到清晰的图像尤为重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高亲和力的应用广泛的水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的制备方法及应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是按以下方案实现的：

本发明实施例提供一种水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点，将两亲性石墨烯量子点用水溶性柱芳烃修饰后获得水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。

本发明实施例还提供一种水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的制备方法，取两亲性石墨烯量子点分别与水溶性柱芳烃在水溶液中混合，获得了水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。其中两亲性石墨烯量子点与水溶性柱芳烃通过疏水作用和静电作用相结合形成水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。

一种水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的制备方法，包括以下步骤：(1)制备两亲性石墨烯量子点；(2)制备水溶性柱芳烃；(3)将所述两亲性石墨烯量子点与水溶性柱芳烃在水溶液中混合，两亲性石墨烯量子点上的烷基链与柱芳烃的空腔通过疏水作用相结合，柱芳烃上带阳离子的铵盐与两亲性石墨烯量子点上的羟基通过静电作用相结合，获得水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。

进一步地，所述步骤(3)中的混合为：两亲性石墨烯量子点与水溶性柱芳烃的质量比为：1:1-4。只有在上述质量比范围内，才可使水溶性柱芳烃与两亲性石墨烯量子点很好地结合，进而提高两亲性石墨烯量子点的荧光性能。

进一步地，所述步骤(1)中得到两亲性石墨烯量子点的制备过程为：选择可生成亲水基团的化合物、可生成疏水基团的化合物和碳源化合物，在溶剂中溶解得到混合液体，通过水热法合成两亲性石墨烯量子点。

进一步地，所述碳源化合物为1,3,6-三硝基芘；所述可生成疏水基团的化合物为月桂酸；所述可生成亲水基团的化合物为氢氧化钠。

进一步地，所述步骤(1)为：将1,3,6-三硝基芘、月桂酸、氢氧化钠的混合水溶液水热反应一定时间后,所得到的溶液透析提纯后冷冻干燥制得两亲性石墨烯量子点固体；其中1,3,6-三硝基芘浓度为2.0mg/ml,月桂酸的浓度为10.0mg/ml,氢氧化钠的浓度为5.0mg/ml,水热反应温度为200℃,反应时间为10h；反应产物经截留分子量为1000da的透析袋透析,收集得到两亲性石墨烯量子点。

进一步地，所述步骤(2)中的所述水溶性柱芳烃的制备过程为：(2.1)将1,4-双(2-溴乙氧基)苯，溶解于1，2-二氯乙烷，并在氮气环境下加入多聚甲醛形成溶液一；(2.2)再将的三氟化硼二乙醚加入步骤(2.1)中的溶液一中，搅拌，最后得到绿色溶液；(2.3)将步骤(2.2)得到绿色溶液中的溶剂移除后，以石油醚/二氯甲烷为洗脱液，硅胶柱层析纯化得到白色粉末，即为化合物一；

(2.4)将化合物一和三甲胺加入乙醇中，回流；然后蒸发去除溶剂，加入去离子水；过滤后得到清澈的溶液；最后将水蒸发掉，得到无色固体，即为目标产物水溶性柱芳烃。

进一步地，所述化合物一的具体制备方法为：将3.37g，11.5mmol的1,4-双(2-溴乙氧基)苯，溶解于200ml的1，2-二氯乙烷，并在充满氮气的环境下加入0.349g，11.5mmol的多聚甲醛；再将1.63g，11.5mmol的三氟化硼二乙醚加入溶液中，在室温下搅拌3小时，最后得到绿色溶液；将溶液的溶剂移除后，以石油醚/二氯甲烷为洗脱液，硅胶柱层析纯化得到1.6g白色粉末，即为化合物一。

进一步地，所述1,4-双(2-溴乙氧基)苯的制备方法为：将3.303g，30mmol对苯二酚和11.056g，80mmol无水碳酸钾混合，在60℃氮气气氛下搅拌2h；然后，加入40ml过量的1，2二溴乙烷；反应混合物在60℃氮气气氛下搅拌24h，过滤；滤液用旋转蒸发器蒸发，除去1，2-二溴乙烷和溶剂；残留物用100ml氯仿溶解，用50ml氢氧化钠溶液洗涤、50ml水洗涤；提取液在无水硫酸镁上干燥；除去chcl3，在40℃下真空干燥，得到1，4-双(2-溴乙氧基)苯为淡棕色粉末。

进一步地，根据上述所述得到方法制备的所述的水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的应用，其特征在于，用于细胞的成像、生物传感。

本申请的方法获使两亲性石墨烯量子点与水溶性柱芳烃通过疏水作用和静电作用相结合形成水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。可借助两亲性石墨烯量子点，扩宽了石墨烯量子点细胞成像的使用条件，且利用有机水溶性柱芳烃修饰两亲性石墨烯量子点，使在成像时与细胞膜的亲和力提升，得到清晰的图像；此外水溶性柱芳烃修饰两亲性石墨烯量子点结合力较高，还提高两亲性石墨烯量子点的荧光性能，可用于细胞成像。且本申请的制备水溶性柱芳烃的方法可以高产率地(95％)获得水溶性柱芳烃，可直接用于后期修饰，避免杂质的引入。且本申请的方法较为简单，重复性较好。

附图说明

图1a和图1b为本申请实施例中水溶性柱芳烃合成图。

图2为本申请实施例水溶性柱芳烃核磁共振图。

图3a为本申请实施例两亲性石墨烯量子点透射电镜图。

图3b为本申请实施例两亲性石墨烯量子点高分辨透射电镜图。

图4为本申请实施例两亲性石墨烯量子点的荧光发射光谱图。

图5为本申请实施例水溶性柱芳烃、两亲性石墨烯量子点和水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的zeta电位图。

图6为本申请实施例水溶性柱芳烃、两亲性石墨烯量子点和水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的紫外可见吸收光谱图。

图7为本申请实施例两亲性石墨烯量子点和水溶性柱芳烃以1：1～4的质量比混合制得的水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的荧光发射光谱。

图8为本申请实施例水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点和两亲性石墨烯量子点在激光共聚焦显微镜下的细胞成像图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明实施例提供一种水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点，将两亲性石墨烯量子点用水溶性柱芳烃修饰后获得水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。其中两亲性石墨烯量子点与水溶性柱芳烃通过疏水作用和静电作用相结合形成水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。

所述水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点与细胞膜有较强的亲和力，在细胞成像时，能得到清晰的图像。

本发明实施例还提供一种水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的制备方法，取两亲性石墨烯量子点分别与水溶性柱芳烃在水溶液中混合，获得了水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。其中两亲性石墨烯量子点与水溶性柱芳烃通过疏水作用和静电作用相结合形成水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。提高了两者的结合力，利于水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的稳定性的提高。

一种水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的制备方法，包括以下步骤：(1)制备两亲性石墨烯量子点；(2)制备水溶性柱芳烃；(3)将所述两亲性石墨烯量子点与水溶性柱芳烃在水溶液中混合，两亲性石墨烯量子点上的烷基链与柱芳烃的空腔通过疏水作用相结合，柱芳烃上带阳离子的铵盐与两亲性石墨烯量子点上的羟基通过静电作用相结合，获得水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。

所述步骤(3)中的混合为：两亲性石墨烯量子点与水溶性柱芳烃的质量比为：1:1-4。只有在上述质量比范围内，才可使水溶性柱芳烃与两亲性石墨烯量子点很好地结合，进而提高两亲性石墨烯量子点的荧光性能。

所述步骤(1)中得到两亲性石墨烯量子点的制备过程为：选择可生成亲水基团的化合物、可生成疏水基团的化合物和碳源化合物，在溶剂中溶解得到混合液体，通过水热法合成两亲性石墨烯量子点。所述碳源化合物为1,3,6-三硝基芘；所述可生成疏水基团的化合物为月桂酸；所述可生成亲水基团的化合物为氢氧化钠。

所述步骤(2)中的所述水溶性柱芳烃的制备过程为：(2.1)将1,4-双(2-溴乙氧基)苯溶解于1，2-二氯乙烷，并在氮气环境下加入多聚甲醛形成溶液一；(2.2)再将的三氟化硼二乙醚加入步骤(2.1)中的溶液一中，搅拌，最后得到绿色溶液；(2.3)将步骤(2.2)得到绿色溶液中的溶剂移除后，以石油醚/二氯甲烷为洗脱液，硅胶柱层析纯化得到白色粉末，即为化合物一。

(2.4)将化合物一和三甲胺加入乙醇中，回流；然后蒸发去除溶剂，加入去离子水；过滤后得到清澈的溶液；最后将水蒸发掉，得到无色固体，即为目标产物水溶性柱芳烃。

实施例1

本发明实施例提供一种水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：将3.3.3g，30mmol对苯二酚和11.056g，80mmol无水碳酸钾混合在250ml三圆底烧瓶中，在60℃氮气气氛下搅拌2h。然后，加入40ml过量的1，2二溴乙烷。反应混合物在60℃氮气气氛下搅拌24h，过滤。滤液用旋转蒸发器蒸发，除去1，2-二溴乙烷和溶剂。残留物用100ml氯仿溶解，用50ml氢氧化钠溶液洗涤三次、50ml水洗涤两次。提取液在无水硫酸镁上干燥。除去chcl3，在40℃下真空干燥，得到35％纯度的1，4-双(2-溴乙氧基)苯为淡棕色粉末，其合成图如图1a所示。

步骤2：将3.37g，11.5mmol的1,4-双(2-溴乙氧基)苯，溶解于200ml的1，2-二氯乙烷，并在充满氮气的环境下加入0.349g，11.5mmol的多聚甲醛。再将1.63g，11.5mmol的三氟化硼二乙醚加入溶液中，在室温下搅拌3小时，最后得到绿色溶液。将溶液的溶剂移除后，以石油醚/二氯甲烷为洗脱液，硅胶柱层析纯化得到1.6g白色粉末(41％)即为化合物一。

步骤3：将1.0克，0.595mmol的化合物一和6.43ml，23.8mmol的三甲胺(33％的乙醇溶液)加入50ml乙醇中，回流。然后蒸发出去溶剂，加入20ml去离子水。过滤后得到清澈的溶液。最后将水蒸发掉，得到1.28g无色固体(95％)，即为目标产物水溶性柱芳烃。

步骤4：将1,3,6-三硝基芘、月桂酸、氢氧化钠的混合水溶液水热反应一定时间后,所得到的溶液透析提纯后进一步冷冻干燥制得两亲性石墨烯量子点固体。其中1,3,6-三硝基芘浓度为2.0mg/ml,月桂酸的浓度为10.0mg/ml,氢氧化钠的浓度为5.0mg/ml,水热反应温度为200℃,水热反应时间为10h。反应产物经截留分子量为1000da的透析袋充分透析,收集得到两亲性石墨烯量子点。

步骤5：取两亲性石墨烯量子点5mg，分别与水溶性柱芳烃以1:1，1:2，1:3，1:4的质量比在5ml水溶液中混合，获得了水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点。

对实施例1中亲水性柱芳烃、两亲性石墨烯量子点和亲水性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点进行核磁共振、透射电镜、x射线光电子能谱、静电相互作用、荧光光谱和激光共聚焦显微镜等测试表征，得到的测试结果如图1～图8所示。

图1a和图1b为水溶性柱芳烃合成图。图1a的反应制得1,4-双(2-溴乙氧基)苯，产率为85％，图1b中的第一步制得化合物一，产率为41％，最后一步制得水溶性柱芳烃，产率为95％。通过本申请的制备方法可以较为简单地获得高产率的水溶性柱芳烃。

图2为水溶性柱芳烃核磁共振图。在400mhz，室温下，用d2o当溶剂，测得6.986(s，10h)，4.489(s，20h)，3.960(s，10h)，3.844(s，20h)，3.248(s，90h)。很明显本申请的方法获得了高纯度的水溶性柱芳烃。

图3a为两亲性石墨烯量子点透射电图，图3b为两亲性石墨烯量子点高分辨透射电镜图。图3a的标尺为100nm，图3b的标尺为10nm。从图3a中可以看出亲水性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点存在一定程度上的团聚，团聚后的粒径范围在10-80nm，从图3b中可以看出亲水性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的尺寸约为2～5nm,平均粒径为3.5nm，晶格间距为0.24nm，尺寸较为均匀。

图4为两亲性石墨烯量子点的荧光发射光谱图。激发波长的范围是410nm～490nm，在最佳激发波长490nm下得到最大发射波长为540nm。可以看出，两亲性石墨烯量子点具有激发波长不依赖的荧光特性,证明粒径均一。

图5为水溶性柱芳烃(wp5)、两亲性石墨烯量子点(gqds)和水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点(wp5/gqds)的zeta点位图。从图5中可知，两亲性石墨烯量子点带负电，水溶性柱芳烃带正电，水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点最终带负电，可以使水溶性柱芳烃与两亲性石墨烯量子点通过静电和疏水作用，进而提高了其结合力。

图6为水溶性柱芳烃(wp5)、两亲性石墨烯量子点(gqds)和水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点(wp5/gqds)的紫外可见吸收光谱图。溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点(wp5/gqds)在小于550nm时有宽的吸收带。由于柱芳烃增加了刚性结构，复合之后纳米粒子吸收峰红移，且增强了两亲性石墨烯量子点的光吸收性能。

图7为两亲性石墨烯量子点和水溶性柱芳烃以1:1～4的质量比混合制得的水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的荧光发射光谱，其中，分别为两亲性石墨烯量子点和水溶性柱芳烃以1:1、1:2、1:3和1:4，以及两亲性石墨烯量子点(blank)的荧光发射光谱，从图7中可以看出水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点荧光强度有一定的增加。在两亲性石墨烯量子点和水溶性柱芳烃以1:1～4的质量比为1:2时，其荧光强度最强。

图8为水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点(wp5/gqds)和两亲性石墨烯量子点(gqds)在激光共聚焦显微镜下的细胞成像图。可以看出，在488nm的激光下，未经修饰的两亲性石墨烯量子点在细胞膜处有比较明亮的荧光，少部分进入细胞质中。经过水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点在整个细胞中都有明亮的荧光，表明本申请获得的水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点在成像时与细胞膜的具有较高的亲和力，得到清晰的图像。

本申请实施例还包括第二种技术方案，本申请实施例的法制备的所述的水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点的应用，水溶性柱芳烃修饰的两亲性石墨烯量子点可以用于细胞的成像、生物传感。