一种基于金属有机框架的荧光碳量子点及其制备方法与流程

1.本发明属于碳量子点及其制备，具体涉及一种基于金属有机框架的荧光碳量子点(mof
‑
cds)及其制备方法。


背景技术：

2.金属有机框架(mofs)是由金属结点和有机配体连接而成的具有多孔结构的新型纳米材料，其具有结构多变灵活、孔径大小易调节、表面修饰简单、合成过程便捷可控等优点，被广泛应用于气体分离和储存、能量储存与转换、离子交换、催化、传感、药物递送等领域。mofs材料的一个特征性优势就是其具有独特的孔径结构和较大的比表面积，这使得其可以作为绝佳的药物载体来负载不同的药物。和传统的药物载体相比，mofs具有更大的优势。首先，孔径结构和较大的比表面积使其具有负载更多药物的潜能；其次，结构、尺寸、形状的多样性可以提供更多的选择，可以根据药物性质不同、疾病特征不同来选择不同的mofs，而且，通过对mofs进行表面修饰可以增强其和药物的结合能力及对特定疾病的靶向能力；此外，不同的金属元素还赋予了不同mofs一些独特的性质，例如，基于铁和铜的mofs能够发生(类)芬顿反应，可以催化h2o2反应生成具有强氧化能力的oh
·
，而基于锌的mofs具有较高的生物相容性和生物可降解性，可在酸性条件下降解。利用以上提到的mofs的各种优越性质，研究者们开发出了多种基于mofs的载药系统，在药物递送领域显示出巨大的应用潜能。但是，mofs的应用还存在着一些问题，当前应用的mofs材料难以被检测到，因此，其体内分布和代谢过程不易掌控。
3.碳点(cds)是近年来备受关注的一组新型材料，其粒径小于10nm，主要包括：石墨烯量子点、碳量子点、碳纳米点以及聚合物点。碳点具有合成简单、原料易得、化学性质稳定、体内循环时间长、水溶性好、容易修饰等优点，更重要的是，碳点具有优越的荧光性质，这使得其被广泛应用在化学传感、生物传感、发光二极管、光催化、荧光成像等各个领域。和传统的半导体量子点及荧光染料相比，碳点具有更稳定的荧光性质，对光漂白有很强的耐性，并且具有更好的生物相容性及安全性。因此，碳点在生物成像方面具有更大的应用潜能。
4.将mofs和cds结合是解决mofs材料难监测性的可行方法。当前应用的结合mofs和cds的方法主要是将cds装载在mofs的孔径结构中，进而通过cds的荧光性质实现对mofs的监控。但是这种方法有其局限性，首先，这种方法需要先分别合成mofs和cds，再将cds装载到mofs中，操作过于繁杂；其次，将mofs作为药物载体来递送各种治疗药物是其应用的一个主要方面，而装载cds则可能会影响药物的装载效率，限制了mofs的应用；最后，mofs在特定疾病部位(如肿瘤酸性条件下)崩解释药，则其内部装载的cds也会被释放出来，因此，cds和mofs在体内的空间分布并不是完全一致的，cds的荧光不能真实的反映mofs的体内分布情况。因此，设计出合成简单、载药量高、监测准确的基于mofs的荧光cds的制备方法迫在眉睫。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于金属有机框架的荧光碳量子点(mof
‑
cds)及其制备方法。
6.所述mof
‑
cds同时具有金属有机框架(mofs)材料和碳点(cds)的双重优势。作为mofs，mof
‑
cds能够实现较大量的药物负载，并能通过被动靶向特异性地分布到肿瘤等特定疾病部位；作为cds，在适当激发光的照射下，mof
‑
cds能够发射出强烈的荧光，能够监测其在疾病部位的富集和体内分布情况。
7.所述mof
‑
cds的制备方法通过直接碳化mofs材料合成具有荧光性质的mof
‑
cds，操作简单。通过该方法制备而来的mof
‑
cds具有较好的水溶性、较高的荧光量子产率、良好的稳定性和出色的抗光漂白性质，更重要的是，通过该方法制备而来的mof
‑
cds保留了mofs的骨架结构，不会影响其载药性能，并且mof
‑
cds本身具有荧光，其荧光性质能够准确反映mofs在体内的分布及代谢过程。
8.为了实现上述目的，本发明所述的基于金属有机框架的荧光碳量子点(mof
‑
cds)的制备方法具体为：a)以金属元素作为结点、有机配体作为桥连合成金属有机框架(mofs)；b)通过离心、弃去上清液、反复清洗得到纯净的mofs；c)将得到的mofs溶解在超纯水中；d)通过高温碳化的方法一步合成mof
‑
cds。
9.上述的mof
‑
cds的制备方法，所述步骤a)中的金属元素为锌、铁、铜、钴、铬、铝、镍中的一种或两种以上；所述步骤a)中的有机配体为富含杂原子(如n、o、s)的有机物，包括2
‑
甲基咪唑、4
‑
咪唑二硫代羧酸、三氮唑中的一种或两种以上。
10.上述的mof
‑
cds的制备方法，所述步骤b)中离心转速为5000rpm，离心时间为3min，离心、清洗后收集沉淀即为所得mofs。
11.上述的mof
‑
cds的制备方法，所述步骤d)中高温碳化时间为6h。
12.上述的mof
‑
cds的制备方法，对所述步骤d)中高温碳化温度和反应溶液ph进行了优化，优化的碳化温度为180℃和200℃，优化的反应溶液ph为碱性(ph 12)和中性(ph7)。
13.上述不同优化条件下合成的mof
‑
cds均有较强的蓝绿色荧光，通过对各种条件下荧光强度的对比发现，ph为12、温度为200℃条件下合成的mof
‑
cds荧光最强，因此，以ph为12、温度为200℃作为后续合成mof
‑
cds的最佳条件。
14.与现有技术相比，本发明具有如下优势：
15.(1)本发明以金属有机框架(mofs)中的有机配体作为碳源，直接将其碳化制备出具有荧光的碳点，直接赋予mofs荧光，无需额外装载碳点，简化了mof
‑
cds的制备过程，节约了制备所需的时间。同时，由于没有引入新的碳点，该方法制备的mof
‑
cds安全性高，避免了引入碳点可能带来的毒性问题。
16.(2)常规用mofs装载cds的方法虽然同样能够向mofs中引入荧光性质，但是由于mofs释药的同时释放出cds，cds和mofs在空间上并不在同一位置，因此，cds的荧光不能反映mofs的分布。而本发明所述方法直接赋予mofs出色的荧光性质，荧光既是mofs，荧光信号能够准确反映出mofs在体内的分布情况。
17.(3)本发明所述方法制备的mof
‑
cds在保留mofs优越载药性质的同时，为其引入了出色的荧光性质。一方面，利用mofs的多孔结构和纳米尺寸可以装载相当可观数量的治疗药物，并且可以利用mofs本身的优越性质增强治疗药物的治疗效果，例如，mofs可以通过实
体瘤组织的高渗透性和滞留效应(epr效应)特异性靶向到肿瘤组织，促进抗肿瘤药物对肿瘤组织的杀伤；另一方面，碳化赋予mofs荧光性质，可以通过荧光监测mofs在体内的分布情况。
附图说明
18.图1基于金属有机框架的荧光碳量子点的合成示意图
19.图2金属有机框架的透射电镜结果
20.图3基于金属有机框架的荧光碳量子点的透射电镜结果
21.图4金属有机框架和基于金属有机框架的荧光碳量子点的粒径对比
22.图5金属有机框架和基于金属有机框架的荧光碳量子点的电位对比
23.图6金属有机框架和基于金属有机框架的荧光碳量子点的紫外
‑
可见吸收光谱图
24.图7金属有机框架合成原料、金属有机框架和基于金属有机框架的荧光碳量子点的红外对比图
25.图8基于金属有机框架的荧光碳量子点的荧光发射光谱图
26.图9不同激发波长下的基于金属有机框架的荧光碳量子点的荧光发射光谱图
27.图10不同反应条件下合成的基于金属有机框架的荧光碳量子点的荧光发射光谱图
具体实施方式
28.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例是为了便于对本发明的理解，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员可以根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的调整和改进。
29.以下实施例中所采用的仪器与设备如下：
30.紫外
‑
可见分光光度计ultra 6600a(rigol，中国)；荧光分光光度计rf
‑
5301(shimadzu，日本)；傅里叶变换红外光谱仪nicolet is5(thermo fisher scientific，美国)；透射电子显微镜jem
‑
1200ex tem(jeol，日本)；激光粒度仪zetasizer nano zs90(malvern，英国)。
31.以下实施例中所述金属有机框架为zif
‑
8，所述基于金属有机框架的荧光碳量子点为zif
‑
8碳点(zcd)。
32.实施例1一种基于金属有机框架的荧光碳量子点的制备
33.(1)zif
‑
8的制备
34.称取568.2mg的硝酸锌于圆底烧瓶中，加入20ml甲醇溶解。称取2463.12mg的2
‑
甲基咪唑于离心管中，加入40ml甲醇溶解。将2
‑
甲基咪唑溶液滴加到硝酸锌溶液中，500rpm搅拌、40℃条件下反应2h。反应结束后，取出反应溶液于两个50ml离心管中，转速为5000rpm条件下离心3min，弃去上清液，分别加30ml甲醇清洗3次后加入30ml去离子水溶解。
35.(2)zcd的制备
36.取上述zif
‑
8溶液10ml于ep管中，调节溶液ph为7，转入高压釜中，置于马弗炉内，180℃条件下反应6h。
37.实施例2一种基于金属有机框架的荧光碳量子点的制备
38.(1)zif
‑
8的制备
39.称取568.2mg的硝酸锌于圆底烧瓶中，加入20ml甲醇溶解。称取2463.12mg的2
‑
甲基咪唑于离心管中，加入40ml甲醇溶解。将2
‑
甲基咪唑溶液滴加到硝酸锌溶液中，500rpm搅拌、40℃条件下反应2h。反应结束后，取出反应溶液于两个50ml离心管中，转速为5000rpm条件下离心3min，弃去上清液，分别加30ml甲醇清洗3次后加入30ml去离子水溶解。
40.(2)zcd的制备
41.取上述zif
‑
8溶液10ml于ep管中，调节溶液ph为12，转入高压釜中，置于马弗炉内，180℃条件下反应6h。
42.实施例3一种基于金属有机框架的荧光碳量子点的制备
43.(1)zif
‑
8的制备
44.称取568.2mg的硝酸锌于圆底烧瓶中，加入20ml甲醇溶解。称取2463.12mg的2
‑
甲基咪唑于离心管中，加入40ml甲醇溶解。将2
‑
甲基咪唑溶液滴加到硝酸锌溶液中，500rpm搅拌、40℃条件下反应2h。反应结束后，取出反应溶液于两个50ml离心管中，转速为5000rpm条件下离心3min，弃去上清液，分别加30ml甲醇清洗3次后加入30ml去离子水溶解。
45.(2)zcd的制备
46.取上述zif
‑
8溶液10ml于ep管中，调节溶液ph为7，转入高压釜中，置于马弗炉内，200℃条件下反应6h。
47.实施例4一种基于金属有机框架的荧光碳量子点的制备
48.(1)zif
‑
8的制备
49.称取568.2mg的硝酸锌于圆底烧瓶中，加入20ml甲醇溶解。称取2463.12mg的2
‑
甲基咪唑于离心管中，加入40ml甲醇溶解。将2
‑
甲基咪唑溶液滴加到硝酸锌溶液中，500rpm搅拌、40℃条件下反应2h。反应结束后，取出反应溶液于两个50ml离心管中，转速为5000rpm条件下离心3min，弃去上清液，分别加30ml甲醇清洗3次后加入30ml去离子水溶解。
50.(2)zcd的制备
51.取上述zif
‑
8溶液10ml于ep管中，调节溶液ph为12，转入高压釜中，置于马弗炉内，200℃条件下反应6h。
52.以zif
‑
8作为金属有机框架的代表，zif
‑
8碳点(zcd)作为基于金属有机框架的荧光碳量子点的代表，对其进行表征如下：
53.图1为zcd的合成示意图。
54.图2为zif
‑
8的透射电镜图，从结果看，zif
‑
8大小均一，呈多面体状，粒径在100nm左右。
55.图3为zcd的透射电镜图，结果表明，zcd呈中空纳米花状，粒径在200nm左右，大小较为均一。
56.图4为马尔文激光粒度仪测出的zif
‑
8和zcd的粒径，结果表明，zif
‑
8粒径在260nm左右，zcd粒径在270nm左右，zcd粒径略大。两者粒径比图2和图3中透射电镜结果偏大，是由于马尔文粒度仪测定的是材料的水合粒径。
57.图5为马尔文激光粒度仪测出的zif
‑
8和zcd的电位对比，结果表明，zif
‑
8电位在4mv左右，而zcd电位
‑
45mv左右，碳化成碳点之后，材料的电位明显下降，这是由于碳化后碳点表面有大量羧基存在。
58.图6为zif
‑
8和zcd的紫外
‑
可见吸收光谱图，和zif
‑
8相比，zcd的紫外吸收峰发生了轻微的蓝移，这是由于碳化破坏了zif
‑
8中的部分咪唑环结构。
59.图7为zif
‑
8和zcd的红外对比图，结果表明，zif
‑
8的红外峰显示出强的咪唑环的结构特征，425cm
‑1附近的zn
‑
n键表明zn的掺杂，而zcd的红外峰的咪唑环的结构特征较弱，表明碳化破坏了部分咪唑环，而3300cm
‑1和3570cm
‑1之间强烈的羧基特征峰表明成功碳化。
60.图8为在365nm激发下的zcd的荧光发射光谱图，结果表明，zcd在370
‑
600nm光谱范围内能够发射出强烈的蓝绿色荧光，其最大发射峰在450nm左右。
61.图9为不同激发波长下的zcd的荧光发射光谱图，结果表明，在不同波长激光的激发下，zcd的发射峰有一定的偏移，即zcd的荧光发射具有激发波长依赖性，这也是碳点的特征性质之一，能够证明碳点的成功合成。
62.图10为不同反应条件下合成的zcd的荧光发射光谱图，结果表明，不同条件下合成的zcd的荧光发射峰的位置几乎一致，而在温度为200℃、ph为12条件下合成的zcd具有最强的荧光发射峰，因此，以此条件作为合成zcd的最佳条件。