本發(fā)明屬于功能納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鑭摻雜碳點的制備方法及其產(chǎn)品、應(yīng)用。

背景技術(shù)：

功能納米材料所具備的各種效應(yīng)，并且獨特的性質(zhì)使其在生物醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。其中使用最多的熒光納米粒子就是量子點。量子點是近年來發(fā)展起來的一類半導(dǎo)體納米粒子，是半導(dǎo)體介于分子與晶體之間的一種過渡態(tài)，具有獨特的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。但是量子點的毒性和潛在的環(huán)境危害性限制了它的應(yīng)用。因此尋找適合于生物標(biāo)記、藥物輸送以及重金屬檢測等生物醫(yī)學(xué)以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中所需的納米材料具有重要意義。碳點的出現(xiàn)是納米材料領(lǐng)域的一個新的突破，除了具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點所擁有的優(yōu)良光學(xué)性能如熒光穩(wěn)定性、激發(fā)波長依賴性和尺寸小等優(yōu)點外，還具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點無法比擬的高生物相容性、低細(xì)胞毒性、無光閃爍、低制備成本及制作工藝相對簡單等優(yōu)點，在生物醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢，因而越來越多地受到科學(xué)家的關(guān)注。

碳作為一切生物有機體的骨架元素，相對于其他元素構(gòu)成的熒光納米材料，碳點具有良好的生物相容性，可以通過細(xì)胞內(nèi)吞，進入細(xì)胞內(nèi)部而不影響細(xì)胞核，還可以與DNA生物大分子相互作用，從而可以進行DNA的識別與檢測。碳點作為一種新型的金屬離子熒光探針，在溶液中易被電子受體高效猝滅，據(jù)此能夠有效地檢測溶液中金屬離子，并在一定范圍內(nèi)確定金屬離子的濃度，然后進行痕量分析，這在農(nóng)業(yè)重金屬檢測上也有很廣泛的應(yīng)用。

三磷酸腺苷，也稱腺苷-5’-三磷酸(Adenosine-5’-triphosphate)是一類重要的核苷酸，其基本結(jié)構(gòu)由腺苷和連續(xù)三個磷酸基組成，是體內(nèi)組織細(xì)胞一切生命活動所需能量的直接來源，被譽為細(xì)胞內(nèi)的“能量貨幣”。通過高能磷酸鍵的生成和水解，三磷酸腺苷儲存和傳遞著大量化學(xué)能，并參與蛋白質(zhì)、脂肪、糖和核酸的合成，調(diào)節(jié)細(xì)胞的生命過程。因此，三磷酸腺苷及其衍生物被認(rèn)為可以促使機體各種細(xì)胞的修復(fù)和再生，增強細(xì)胞代謝活性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本部分的目的在于概述本發(fā)明的實施例的一些方面以及簡要介紹一些較 佳實施例。在本部分以及本申請的說明書摘要和發(fā)明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發(fā)明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用于限制本發(fā)明的范圍。

鑒于上述和/或現(xiàn)有鑭摻雜碳點的制備方法的技術(shù)空白，提出了本發(fā)明。

因此，本發(fā)明其中的一個目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可以特異性檢測Hg²⁺的存在的鑭摻雜碳點的制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：一種鑭摻雜碳點的制備方法，將LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二鈉加入到水中，在15～25℃攪拌反應(yīng)20～40min，然后在170～190℃的條件下反應(yīng)6～10h，待其冷卻后過濾，將濾液透析，然后對透析液進行冷凍干燥后得到產(chǎn)品。

作為本發(fā)明所述鑭摻雜碳點的制備方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二鈉的質(zhì)量比為0.5～2：1。

作為本發(fā)明所述鑭摻雜碳點的制備方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述水的質(zhì)量為底物質(zhì)量的20～40倍。

作為本發(fā)明所述鑭摻雜碳點的制備方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述攪拌反應(yīng)，其攪拌速度為400～600r/min。

作為本發(fā)明所述鑭摻雜碳點的制備方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述冷凍干燥，其是在-40～50℃下冷凍干燥20～28h。

作為本發(fā)明所述鑭摻雜碳點的制備方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述待其冷卻，其是待其溫度冷卻到20～25℃。

作為本發(fā)明所述鑭摻雜碳點的制備方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述過濾，其是用0.22μm的濾膜過濾產(chǎn)物。

作為本發(fā)明所述鑭摻雜碳點的制備方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述透析，其是將濾液置于透析袋中透析20～28h。

本發(fā)明的另外一個目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種具有良好的生物相容性的鑭摻雜碳點的產(chǎn)品。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：鑭摻雜碳點組分以質(zhì)量百分比計，包括碳68～70％、氧10～13％、氮15～17％、磷1.5～3％以及鑭2～2.5％，碳點的直徑尺寸為2.3～2.7nm。

本發(fā)明還有一個目的是提供一種鑭摻雜碳點應(yīng)用于PVA膜方面的方法。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：將鑭摻雜碳點超聲處理1～3h，稱取PVA顆粒于水中，95～100℃至其完全溶解，得到澄清透明的溶液，將鑭摻雜碳點溶液與PVA水溶液充分?jǐn)嚢杌旌希糜谑覝丨h(huán)境下干燥成膜，得到PVA/鑭摻雜碳點復(fù)合材料。

本發(fā)明所具有的有益效果：

(1)本發(fā)明制備的碳點不僅可以特異性檢測Hg²⁺的存在，并且隨著Hg²⁺的濃度增加，碳點的熒光強度不斷地降低，可應(yīng)用于重金屬檢測。

(2)該碳點可以有效的抑制細(xì)菌的生長，并且通過細(xì)胞毒性試驗證明其具有良好的生物相容性，能夠很好地應(yīng)用于醫(yī)用傷口敷料以及食品包裝中。

(3)本發(fā)明制備碳點的產(chǎn)率很高，最高可至57％。

(4)本發(fā)明制備的碳點熒光具有激發(fā)波長依賴性，這一系列的結(jié)果為碳點藥物運輸、生物成像、發(fā)光材料的制備等方面的應(yīng)用提供了新的平臺。

(5)本發(fā)明制備的碳點在水溶液中具有良好的分散性，其生物相容性優(yōu)越，在生物醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。其中：

圖1是本發(fā)明制備的La-CDs的反應(yīng)過程示意圖。

圖2是本發(fā)明制備的La-CDs的透視電鏡圖(插圖為碳點的粒徑分布圖)?？梢院芎玫目闯?，該碳點表現(xiàn)為相對均一的球形顆粒，具有很好的分散性，且碳點的粒徑呈正態(tài)分布，納米碳點的直徑尺寸大約為2.5nm。

圖3A和3B是本發(fā)明制備的碳點的激發(fā)波長依賴發(fā)射光譜和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)射光譜圖(實施例6)。La-CDs的熒光強度隨著激發(fā)波長的增加呈先上升后下降的趨勢，且最大的激發(fā)波長為350nm，最大發(fā)射波長為470nm。碳點的發(fā)射波長隨著激發(fā)波長的增加而逐漸紅移，呈現(xiàn)多元激發(fā)、多元發(fā)射的光譜特性。

圖4A和4B是實施例7中不同金屬離子對碳點的熒光強度的影響和不同濃度的Hg²⁺對碳點的熒光相應(yīng)圖。在Hg²⁺，Ag⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，F(xiàn)e³⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Ca²⁺，Na⁺，Pb²⁺和Zn²⁺的存在下，只有Hg²⁺對碳點的熒光有淬滅作用，并且隨著Hg²⁺的濃度增加，碳點的熒光強度不斷下降。表明了所制備的碳點對Hg²⁺有著特異的識別。

圖5A和5B是本發(fā)明制備的碳點表面粘附大腸桿菌以及金色葡萄球菌的SEM圖(實施例8)。我們可以很明顯的看出單純的PVA表面有著大量的正常生長的大腸桿菌以及金色葡萄球菌，但是含有La-CDs的PVA膜表面則大腸桿菌以及金色葡萄球菌粘附含量較少，均呈現(xiàn)死亡狀態(tài)，且大腸桿菌已經(jīng)金色葡萄球菌的形態(tài)發(fā)生了一些變化，結(jié)構(gòu)逐漸塌陷。

圖6為實施例1～4制得的La-CDs的熒光強度對比圖。

圖7為實施例9中相對增殖率的柱狀圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。

其次，此處所稱的“一個實施例”或“實施例”是指可包含于本發(fā)明至少一個實現(xiàn)方式中的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。在本說明書中不同地方出現(xiàn)的“在一個實施例中”并非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。

實施例1

摻雜鑭元素的碳點采用如下方法制備：

第一步：將0.5g LaCl₃·2H₂O和1g三磷酸腺苷二鈉(ATP)分別加入30g去離子水中溶解；

第二步：將LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二鈉(ATP)的水溶液混合，在20℃下，以600r/min攪拌30min。

第三步：將溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，在180℃的條件下反應(yīng)8h。

第四步：待到反應(yīng)釜冷卻到20℃時，用0.22μm的濾膜過濾產(chǎn)物，再將濾液置于透析袋中透析24h，然后將得到的透析液在-50℃下冷凍干燥24h得到固 態(tài)的La-CDs(lanthanum-carbon dots)。

用X射線光電子能譜分析(XPS)直接測試所制得的La-CDs，其檢測結(jié)果為，該La-CDs包括碳68.85％、氧11.85％、氮15.32％、磷1.58％以及鑭2.40％。

通過得到的產(chǎn)物質(zhì)量比上反應(yīng)物的質(zhì)量，得碳點產(chǎn)率為55.65％。

實施例2

摻雜鑭元素的碳點采用如下方法制備：

第一步：將1.0g LaCl₃·2H₂O和1g三磷酸腺苷二鈉(ATP)分別加入40g去離子水中溶解；

第二步：將LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二鈉(ATP)的水溶液混合，在20℃下，以500r/min攪拌25min。

第三步：將溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，在190℃的條件下反應(yīng)8h。

第四步：待到反應(yīng)釜冷卻到25℃時，用0.22μm的濾膜過濾產(chǎn)物，再將濾液置于透析袋中透析24h，然后將得到的透析液在-55℃下冷凍干燥24h得到固態(tài)的La-CDs。

用X射線光電子能譜分析(XPS)直接測試所制得的La-CDs，其檢測結(jié)果為，該La-CDs包括68.22％、氧10.45％、氮16.46％、磷2.85％以及鑭2.02％。

通過得到的產(chǎn)物質(zhì)量比上反應(yīng)物的質(zhì)量，得碳點產(chǎn)率為54.89％。

實施例3

摻雜鑭元素的碳點采用如下方法制備：

第一步：將1.5g LaCl₃·2H₂O和1g三磷酸腺苷二鈉(ATP)分別加入50g去離子水中溶解；

第二步：將LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二鈉(ATP)的水溶液混合，在20℃下，以600r/min攪拌40min。

第三步：將溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，在180℃的條件下反應(yīng)8h。

第四步：待到反應(yīng)釜冷卻到20℃時，用0.22μm的濾膜過濾產(chǎn)物，再將濾液置于透析袋中透析24h，然后將得到的透析液-55℃下冷凍干燥28h得到固態(tài)的La-CDs。

用X射線光電子能譜分析(XPS)直接測試所制得的La-CDs，其檢測結(jié)果為，該La-CDs包括碳69.02％、氧10.43％、氮16.52％、磷1.56％以及鑭2.47％。

通過得到的產(chǎn)物質(zhì)量比上反應(yīng)物的質(zhì)量，得碳點產(chǎn)率為57.03％。

實施例4

摻雜鑭元素的碳點采用如下方法制備：

第一步：將2.0g LaCl₃·2H₂O和1g三磷酸腺苷二鈉(ATP)分別加入60g去離子水中溶解；

第二步：將LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二鈉(ATP)的水溶液混合，在15℃下，以500r/min攪拌30min。

第三步：將溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，在170℃的條件下反應(yīng)9h。

第四步：待到反應(yīng)釜冷卻到20℃時，用0.22μm的濾膜過濾產(chǎn)物，再將濾液置于透析袋中透析24h，然后將得到的透析液-50℃下冷凍干燥24h得到固態(tài)的La-CDs。

用X射線光電子能譜分析(XPS)直接測試所制得的La-CDs，其檢測結(jié)果為，該La-CDs包括碳68.02％、氧12.00％、氮16.02％、磷1.70％以及鑭2.26％。

通過得到的產(chǎn)物質(zhì)量比上反應(yīng)物的質(zhì)量，得碳點產(chǎn)率為56.11％。

將實施例1～4制得的La-CDs配制0.5mg/ml的溶液，用熒光分度計測量其熒光強度如圖6所示。其結(jié)果為，實施例3中制得的La-CDs熒光強度最高。

實施例5

取適量稀濃度La-CDs水溶液滴于覆蓋碳膜的銅網(wǎng)上，室溫晾干后用透射電鏡(日本Hitachi公司生產(chǎn)的H-7650型)觀察樣品形態(tài)，見附圖2。可以看出，該碳點的直徑大約在2.3～2.7nm，且分散均勻，由此可見，該發(fā)明制得的La-CDs具有尺寸均一以及很好的分散性優(yōu)點。

實施例6

用去離子水配制0.5mg/ml合成的碳點溶液，用熒光分度計測量不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射譜圖。如附圖3所示，在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射波發(fā)生了轉(zhuǎn)移。La-CDs的熒光強度隨著激發(fā)波長的增加呈先上升后下降的趨勢，且最大的激發(fā)波長為350nm，最大發(fā)射波長為470nm。碳點的發(fā)射波長隨著激發(fā)波長的增加而逐漸紅移，呈現(xiàn)多元激發(fā)、多元發(fā)射的光譜特性。

由此可見，利用本發(fā)明提供的制備方法制得的碳點具有激發(fā)波長依賴性，可以在不同的激發(fā)下呈現(xiàn)出不同的顏色。

實施例7

將合成的碳點溶液配制0.1mM的Hg²⁺，Ag⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，F(xiàn)e³⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Ca²⁺，Na⁺，Pb²⁺和Zn²⁺溶液，然后用熒光分度計測量其溶液的熒光強度(如圖4A)。

用合成的碳點溶液配制了不同濃度的Hg²⁺溶液，然后用熒光分度計測量其熒光強度(如圖4B)。我們發(fā)現(xiàn)只有汞離子溶液的熒光有大幅度的降低，其他離子溶液熒光強度沒有明顯的變化。并且隨著汞離子的濃度增加，其熒光強度不斷下降。在Hg²⁺，Ag⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，F(xiàn)e³⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Ca²⁺，Na⁺，Pb²⁺和Zn²⁺的存在下，只有Hg²⁺對碳點的熒光有淬滅作用，并且隨著Hg²⁺的濃度增加，碳點的熒光強度不斷下降。表明了所制備的碳點對Hg²⁺有著特異的識別。

由此可見，利用本發(fā)明提供的制備方法制得的碳點可以特異性識別汞離子，并且可以檢測出其濃度。

實施例8

將合成的La-CDs于去離子水中超聲分散2h。稱取適量PVA顆粒于去離子水中，96℃恒溫水浴至其完全溶解，得到澄清透明的溶液。將不同體積的改性氧化石墨烯溶液與PVA水溶液充分?jǐn)嚢杌旌?，倒入聚四氟乙烯表面皿，置于室溫環(huán)境下干燥成膜，得到PVA/鑭摻雜碳點復(fù)合材料：PVA/La-CDs。

將PVA、PVA/La-CDs薄膜裁成直徑為8mm的膜片，浸泡于PBS中24h，自然晾干，紫外照射殺菌30min后放入24孔板中，加入2ml液體培養(yǎng)基和20μl活化24h的大腸桿菌(E.coli)和金黃色葡萄球菌(S.aureus)菌液，用塞子封口，置于37℃恒溫振蕩培養(yǎng)24h。然后用大量PBS沖去粘附不牢的細(xì)菌，用2.5％的戊二醛溶液(v/v，PBS稀釋)固定膜片上的細(xì)菌4h，之后分別用50％、60％、70％、80％、90％和100％梯度濃度的乙醇溶液逐級脫水，每次浸泡30min。最后將膜片置于超凈臺自然干燥，噴金后用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-5610LV型的掃描電子顯微鏡觀察材料表面的細(xì)菌粘附情況。

如附圖5所示，我們可以很明顯的看出單純的PVA表面有著大量的正常生長的大腸桿菌以及金色葡萄球菌，但是含有La-CDs的PVA膜表面則大腸桿菌以及金色葡萄球菌粘附含量較少，均呈現(xiàn)死亡狀態(tài)，且大腸桿菌已經(jīng)金色葡萄球菌的形態(tài)發(fā)生了一些變化，結(jié)構(gòu)逐漸模糊。其結(jié)果為，PVA/La-CDs薄膜表面的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的數(shù)目明顯少于對照組PVA薄膜。

由此可見，含有本發(fā)明制得的La-CDs的PVA膜表面對革蘭氏陽性與陰性 菌具有抑制作用。

實施例9

用DMEM配制待測樣品的梯度濃度溶液，依次為500μg/mL、250μg/mL、100μg/mL和50μg/mL。

將培養(yǎng)好的NIH3T3細(xì)胞用0.25％的胰蛋白酶進行消化，充分吹打使其形成均勻地單細(xì)胞懸液后，以100μL/well的量加入96孔板中。將96孔板置于CO₂培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)至細(xì)胞鋪滿孔底80％～90％時，吸出原有培養(yǎng)液，加入等量的不同濃度的樣品溶液，每組接種3～6孔。給藥后將孔板置于CO₂培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h，拿出后每孔加入20μL濃度為5mg/mL的MTT溶液，37℃恒溫接觸4h后，小心除去孔內(nèi)液體，并加入150μL DMSO，室溫下輕微振蕩，使底部晶體充分溶解，用酶標(biāo)儀在570nm波長下測定每孔的O.D.值。然后利用O.D.值來計算細(xì)胞相對增殖率。

如附圖7所示，其結(jié)果為，La-CDs沒有明顯的細(xì)胞毒性，生物相容性良好，可用作生物醫(yī)用材料。

綜上所述，通過本發(fā)明所述的制備方法制得的碳點添加到膜中，不僅可以特異性檢測Hg²⁺的存在，并且隨著Hg²⁺的濃度增加，碳點的熒光強度不斷地降低；該碳點可以有效的抑制細(xì)菌的生長，并且通過細(xì)胞毒性試驗證明其具有良好的生物相容性，添加到膜中能夠很好地應(yīng)用于醫(yī)用傷口敷料以及食品包裝中；同時本發(fā)明制備的碳點的產(chǎn)率很高，大約在57％；由于該碳點熒光具有激發(fā)波長依賴性，這一系列的結(jié)果為碳點藥物運輸、生物成像、發(fā)光材料的制備等方面的應(yīng)用提供了新的平臺；最后，本發(fā)明制備的碳點在水溶液中具有良好的分散性，生物相容性優(yōu)越，在生物材料領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。