一种用于pH比率测定的红色荧光碳量子及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料，具体属于一种pH比率测定的红色荧光碳量子及其制备方法和应用。

背景技术

无论是对于环境或生物细胞，pH值都是一个重要的参数。在细胞水平上，pH在许多细胞事件中起着至关重要的作用，例如增殖、凋亡、离子转运、钙调节、细胞迁移和对治疗的反应。当然，各种生理过程的正常进行也需要pH值保持在特定范围内。如果pH值发生轻微变化，就会导致细胞功能、生长和分裂不正常。因此构建灵敏和选择性监测活细胞pH值的探针对于更好地了解与pH梯度相关的生物学效应至关重要。

在测量pH值的各种方法中，荧光探针因其操作简单、灵敏度高、响应时间短和成本低而显示出重要的优势。此外，荧光技术在大多数情况下对检测物是非破坏性的。结合荧光显微成像技术，pH荧光探针显示出独特的原位实时动态监测特性。

碳点，作为在光致发光材料领域的后起之秀，具有多色发射，可调节的光学特性，出色的光稳定性和突出的生物相容性，这些优越性能使其得以广泛应用于生物传感支架，生物成像，医学诊断，实时追踪药物和肿瘤治疗等领域。由于其易于表面功能化和出色的生物相容性，碳点还可以用作视觉监控生物过程和分析药物释放动力学的有效工具。但目前合成的碳量子点大多以蓝绿光发射为主，而且大多均为单指标测定，并且光稳定性差，不利于其在多领域的应用。基于上述问题，本发明提供了一种以无水肌酸和柠檬酸为原料通过一步水热法合成碳量子点的方法，最终将其用于环境水中pH的监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于环境水中pH的红色碳量子点及其制备及应用。

本发明为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种用于监测环境水中pH的红色荧光碳量子点的制备方法

（1）称取8.40 g的柠檬酸和1.31 g无水肌酸溶于50 mL甲酰胺中，得到无色透明液体；

（2）将上述溶液置于高压反应釜中，在200 ºC下反应10 h，反应停止后冷却至室温，将粗产品以10000 r/min的速度离心15 min，然后将上清液通过针式过滤器（0.22 µm）过滤；

（3）在上述所得溶液中加入250 mL丙酮沉淀产物。用丙酮/甲醇混合溶剂反复洗涤，得到固体产品；

（4）在60 ºC下真空干燥12 h后，用真空蒸馏器除去溶剂，得到红棕色的纯净碳点粉末；

（5）取上一步得到的碳点粉末溶于去离子水中，待充分混合均匀后，用HCl或NaOH溶液分别将这些溶液的pH值调整到2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12，用准备好的pH值为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12的去离子水溶液分别将上述溶液固定到5 mL。随后，用PTI-QM40-laser-NIR分光光度计分别测试上述溶液的荧光发射光谱。该碳点溶液在pH为2时，呈现亮蓝色；该碳量子点在pH为12时，呈显明亮的深红色。说明该碳量子点可以作为监测探针用于常见环境中pH的比率测定。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明所制得得碳量子点具有长波发射、双发射位点，良好的水溶性及高光稳定性等特点；

本发明所制备的碳量子点对pH具有宽的响应范围及随pH变化而可视化的可逆荧光变化，可将制备的碳点用于pH比率双色生物传感平台，实现环境pH的灵敏、高效及准确测定。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的荧光碳量子点的透射电镜图；

图2为本发明实施例1制备的荧光碳量子点的荧光激发-发射光谱；

图3为本发明实施例1制备的荧光碳量子点其比率荧光强度随pH变化而变化的拟合曲线（2~12）；

图4为本发明实施例1制备的碳量子点在不同pH值下的荧光图像。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的一种用于检测环境水中pH的红色荧光碳量子点的制备，包括以下步骤：

（1）称取8.40 g的柠檬酸和1.31 g无水肌酸溶于50 mL甲酰胺中，得到无色透明液体；

（2）将上述溶液置于高压反应釜中，在200 ºC下反应10 h，反应停止后冷却至室温，将粗产品以10000 r/min的速度离心15 min，然后将上清液通过针式过滤器（0.22 µm）过滤；

（3）在上述所得溶液中加入250 mL丙酮沉淀产物。用丙酮/甲醇混合溶剂反复洗涤，得到固体产品；

（4）在60 ºC下真空干燥12 h后，用真空蒸馏器除去溶剂，得到红棕色的纯净碳点粉末。测定该量子点的量子产率为15%。

将所得的碳量子点分别溶于pH=2和pH=12的缓冲液中，配成20 mg/mL的溶液，待充分混合均匀后，使用稳态荧光分光光度计来记录其双发射峰各自的荧光强度。

对上述合成的碳量子点进行结构表征，如图1。该碳量子点在形态上呈现良好的单分散性，平均粒径为6.44 nm。

对上述合成的碳点进行荧光性能研究，如图2。该碳量子点两发射位点的最佳发射峰波长分别为490 nm和640 nm。

上述碳量子点在不同pH下呈现的荧光强度变化，如图3。该碳量子点荧光强度变化在pH=2-12的范围内呈现S型曲线。

通过荧光分光光度计及紫外灯可以实时观测合成的碳量子点溶液颜色及荧光强度随pH的改变而逐渐变化的过程。如图4。该碳量子点在pH=12时，碳点溶液呈现明亮的红色荧光，这说明此时其长波发射位点成为主要的活性反应位点。该碳量子点在pH=2时，碳点溶液呈现为蓝绿色，说明此刻其长波发射位点被猝灭，另一发射位点成为主荧光发射点。不同pH值下的荧光颜色的可逆转变说明该碳量子点可成功用于环境中pH的比率测定。

实施例2

（1）称取8.40 g的柠檬酸和1.31 g无水肌酸溶于50 mL甲酰胺中，得到无色透明液体；

（2）将上述溶液置于高压反应釜中，在160 ºC下反应10 h，反应停止后冷却至室温，将粗产品以10000 r/min的速度离心15 min，然后将上清液通过针式过滤器（0.22 µm）过滤；

（3）在上述所得溶液中加入250 mL丙酮沉淀产物。用丙酮/甲醇混合溶剂反复洗涤，得到固体产品；

（4）在60 ºC下真空干燥12 h后，用真空蒸馏器除去溶剂，得到红棕色的纯净碳点粉末。测定该量子点的量子产率为10%。

实施例3

（1）称取8.40 g的柠檬酸和1.31 g无水肌酸溶于50 mL甲酰胺中，得到无色透明液体；

（2）将上述溶液置于高压反应釜中，在180 ºC下反应10 h，反应停止后冷却至室温，将粗产品以10000 r/min的速度离心15 min，然后将上清液通过针式过滤器（0.22 µm）过滤；

（3）在上述所得溶液中加入250 mL丙酮沉淀产物。用丙酮/甲醇混合溶剂反复洗涤，得到固体产品；

（4）在60 ºC下真空干燥12 h后，用真空蒸馏器除去溶剂，得到红棕色的纯净碳点粉末。测定该量子点的量子产率为12%。

实施例4

（1）称取8.40 g的柠檬酸和1.31 g无水肌酸溶于50 mL甲酰胺中，得到无色透明液体；

（2）将上述溶液置于高压反应釜中，在220 ºC下反应10 h，反应停止后冷却至室温，将粗产品以10000 r/min的速度离心15 min，然后将上清液通过针式过滤器（0.22 µm）过滤；

（3）在上述所得溶液中加入250 mL丙酮沉淀产物。用丙酮/甲醇混合溶剂反复洗涤，得到固体产品；

（4）在60 ºC下真空干燥12 h后，用真空蒸馏器除去溶剂，得到红棕色的纯净碳点粉末。测定该量子点的量子产率为8%。

对比例

（1）称取8.40 g的柠檬酸和1.31 g无水肌酸溶于50 mL甲酰胺中，得到无色透明液体；

（2）将上述溶液置于高压反应釜中，在200 ºC下反应2 h，反应停止后冷却至室温，将粗产品以10000 r/min的速度离心15 min，然后将上清液通过针式过滤器（0.22 µm）过滤；

（3）在上述所得溶液中加入250 mL丙酮沉淀产物。用丙酮/甲醇混合溶剂反复洗涤，得到固体产品；

（4）在60 ºC下真空干燥12 h后，用真空蒸馏器除去溶剂，得到红棕色的纯净碳点粉末。测定该量子点的量子产率为4%。

所得碳量子点与实施例1所得的碳量子点相比，量子产率和产量都明显降低，且及其不稳定。