一种铁掺杂碳点及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及荧光碳点，具体涉及一种铁掺杂碳点及其制备方法，以及该碳点可作为荧光探针用于ph的灵敏检测。


背景技术：

2.ph值对所有生命体而言都至关重要，环境中ph值的微小变化可以给动物和植物带来致命的危害。ph值更是调节许多细胞器功能的重要参数，人体细胞内的ph值与很多重要的生理过程如细胞的凋亡和增殖、多种药物的耐药性、离子的运输等活动都有着紧密的联系。ph值异常可能引起各种疾病，如癌症和神经系统疾病。因此，ph值的精确测量对于研究生理病理过程和细胞功能而言至关重要。
3.碳点由于其突出的优点如优良荧光特性、易于功能化、制备原料来源广泛、制备方法多样且制备流程简单等诸多显著优点，受到越来越多的关注，并被广泛应用于各个领域。在碳点的众多优点中，其优异的光学性质最为突出，例如较大的斯托克斯位移、激发波长依赖性、较高的荧光量子产率和良好的光稳定性等。但虽然碳点拥有多样的光电性能，对于未经修饰的碳点仍然存在量子产率较低、表面功能基团较少等问题，这些缺陷大大影响了其应用范围。
4.为了克服这些缺点，金属离子掺杂是修饰碳点性质的一种有效策略。当金属离子掺杂到碳点中，金属离子与具有良好电子迁移率的碳点相结合，有利于促进改变碳点的电荷密度和电子转移形式，有效调节碳点的物理化学性质。大量研究表明，金属离子的引入可以改变碳点的原始电子结构，不仅实现了碳点荧光量子产率的增强和荧光发射的调节，还可能会诱发碳点的新性质如催化性质。不同金属掺杂剂对碳点的荧光量子产率有不同程度的增强，并且该碳点仍然拥有良好的光学稳定性。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种性质优异的铁掺杂荧光碳点及其制备方法；制备方法应简便快速；所制备的碳点具有良好的发光性能，可作为荧光探针用于ph的检测和细胞内ph的荧光成像。
6.本发明提供的一种铁掺杂碳点的制备方法，包括以下步骤：
7.1)、将血红素和邻苯二胺置于锥形瓶中，加入无水乙醇，充分搅拌后超声溶解10
‑
20分钟，将反应混合物转移至水热反应釜中，并置于烘箱内，160
‑
200℃反应8
‑
12h，得到褐色碳点溶液，所述血红素和邻苯二胺的质量比为：0.005
‑
0.020∶0.050
‑
0.200；
8.2)、取出水热反应釜，自然冷却，将反应产物过滤并旋蒸去掉乙醇溶剂，再用去离子水溶解，用0.22μm滤膜过滤后得到黄褐色碳点溶液；
9.3)、将上述碳点水溶液冷冻干燥后得到黄褐色的碳点固体状粉末。
10.上述方法制备的黄色荧光碳点性质稳定，具有良好的水溶性和分散性，通过tem表征可看出其形貌为单分散准球形颗粒，通过xps表征可以看出fe元素成功掺杂进碳点结构。
所述碳点制备方法简便快速，只需利用一步反应即可得到目标碳点，无需繁琐的纯化过程。由于原料中的血红素含有具有大环结构，利于碳点在合成过程形成大的共轭平面；并且微量的铁元素掺杂可以改善碳点电子分布，进而大幅提高了碳点的荧光量子产率，最高可达26.8％。此外，碳点的荧光强度随ph呈现规律性的改变，在中性到弱酸性环境荧光强度最大，随着ph逐渐降低，碳点荧光逐渐被猝灭。通过玻尔兹曼函数拟合曲线，得到碳点的pka为5.05
‑
5.32，在ph为4.4
‑
6.2范围内，碳点荧光强度与ph具有良好的线性相关性。所述碳点具有良好的生物相容性，可用于细胞内的荧光成像，并易于监测溶酶体中的ph变化。
11.本发明提供的一种用铁掺杂碳点检测ph的方法，步骤为：
12.1)、配置浓度为0.1mg/ml的上述碳点溶液；
13.2)、配置不同ph值(2
‑
7)的br缓冲溶液；
14.3)、把150μl碳点(0.1mg/ml)溶液，分别分散到2.0ml不同ph值的(2
‑
7)br缓冲液中，测量并记录碳点的荧光强度变化，根据ph和碳点荧光强度值通过玻尔兹曼函数拟合曲线，计算pka值，并计算获得检测ph的标准曲线；
15.4)、定量检测：测定待测样品和碳点反应后的荧光强度，步骤3中获得的标准曲线，得到待测样品的ph值。
16.本发明具有以下有益技术效果：
17.(1)本发明提供的碳点选用含有微量铁元素的生物分子血红素为前驱体，不仅在碳点中通过金属元素调节碳点发光性能，更有利于合成生物相容性好的碳点。并且，由于血红素含有大环结构，有利于制备具有大共轭平面的碳点，大大提高了碳点的荧光量子产率(最高为26.8％)。
18.(2)本发明提供的碳点通过一步水热法制备所得，方法简便快速。且制得的碳点具有良好的水溶性和稳定的光学性能，良好的抗盐及抗干扰能力。
19.(3)本发明所述的铁掺杂碳点由于其表面丰富的氨基、羧基等官能团及fe元素的掺杂，该碳点可以作为荧光检测试剂用于酸性环境下的ph检测。由于所得碳点具有良好的生物相容性及低毒性，可通过荧光成像监测细胞内特别是溶酶体中ph的水平变化。
附图说明
20.图1为实施例1制备的碳点的tem图谱；
21.图2为实施例1制备的碳点的红外图谱；
22.图3为实施例1制备的碳点的xps图谱；
23.图4为实施例1制备的碳点的紫外吸收光谱，荧光激发和发射光谱；
24.图5为实施例1制备的碳点在ph为2
‑
12的荧光强度变化；
25.图6为实施例1制备的碳点在ph为2
‑
7的荧光强度变化；
26.图7为不同金属离子对实施例1制备的碳点荧光强度的影响；
27.图8为不同氨基酸对实施例1制备的碳点荧光强度的影响；
28.图9为hela细胞与实施例1制备的碳点共孵育后的激光共聚焦扫描显微镜图像。
具体实施方式
29.下面结合实施例对本发明做详细说明，实施例给出了详细的实施方式和具体的操
作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
30.实施例1
31.铁掺杂碳点的制备方法：
32.1)、分别取0.01g血红素和0.1g邻苯二胺置于锥形瓶中，加入20ml无水乙醇，充分搅拌后超声溶解10min，将反应混合物转移至水热反应釜中，并置于烘箱内，180℃反应10h，得到黄褐色碳点溶液；
33.2)、取出水热反应釜，自然冷却，将反应产物过滤并旋蒸去掉乙醇溶剂，再用20ml去离子水溶解，用0.22μm滤膜过滤后得到黄褐色碳点溶液；
34.3)、将上述碳点水溶液冷冻干燥后得到黄褐色的碳点固体状粉末，所制得的荧光量子产率为26.8％。
35.实施例2
36.将实施例1制备的荧光碳点进行tem，红外和xps表征(见图1
‑
3)，结果表明碳点为单分散准球形颗粒，主要含有c、n、o、fe四种元素。
37.实施例3
38.扫描实施例1制备的碳点的紫外吸收光谱，荧光激发和发射光谱(见图4)。该碳点的最佳激发和发射波长分别为449nm和571nm。
39.实施例4
40.取实施例1制备的荧光碳点(0.1mg/ml)水溶液150μl，分别分散到2.0ml不同ph值的(2
‑
12)br缓冲液中，混合均匀，在荧光光度计中扫描发射光谱(λex＝449nm，λem＝571nm)，测量并记录不同ph值的碳点的荧光强度。从而研究ph对碳点荧光的强度的影响。如图5
‑
6，ph在酸性范围内，碳点的荧光强度随着ph的减小类似线性的减小，当ph降低至2时，碳点95％的荧光强度被猝灭。当ph为7时碳点荧光达到最高值，而在碱性条件下随着ph的逐渐增大，碳点荧光强度几乎不变。通过玻尔兹曼函数拟合曲线，得到碳点的pka为5.32，在ph 4.4
‑
6.2范围内，碳点荧光强度与ph具有良好的线性相关性，y＝4086ph
‑
16800.5。
41.实施例5
42.取实施例1制备的荧光碳点(0.1mg/ml)水溶液150μl，分散到2.0ml ph值为7的br缓冲液中，混合均匀，分别加入在生物体中共存的各种金属离子及氨基酸，测量并记录碳点的荧光强度变化，研究共存物质对碳点荧光的影响。如图7
‑
8，碳点荧光强度几乎不受各种金属离子及氨基酸的影响，表明碳点具有良好的光稳定性，可用于复杂生物体系的荧光成像。
43.实施例6
44.选用人宫颈癌hela细胞为模型，将浓度为0.1mg/ml的不同ph值的(ph＝2，5，7)碳点与hela细胞共孵育进行细胞成像实验，观察细胞内的荧光变化。如图9，当ph为7时，细胞内的荧光强度最强(c和f)；当ph为5时，碳点的荧光强度部分猝灭(b和e)；当ph为2时，碳点的荧光强度几乎全部被猝灭(a和d)。a
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c是暗场图，激发波长405nm，d
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e是明场与a
‑
c的叠加图。