一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法

摘要

本发明涉及一种原位法制备的具有溶胶‑凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法。其特征在于，它包括如下步骤：1)明胶溶液的配制；2)碳点/明胶复合物的制备：取步骤1)所得到的明胶溶液40～100mL加入烧杯中，用锡箔纸封住烧杯口，并用针头在锡箔纸上扎小孔后，放入微波炉中微波处理，待反应结束，自然冷却至室温，取出烧杯，然后在微波反应产物中加入50～200mL蒸馏水，在35～60℃的恒温水浴中磁力搅拌3～12小时，使微波产物充分溶解在水中后，放入离心机中离心，离心速度为5000～10000转/分钟，离心时间为10～30分钟，离心后取其上清液，得到碳点/明胶复合物。得到的碳点/明胶复合物不仅具有碳点的荧光性能，而且还保留明胶的温度刺激响应性溶胶‑凝胶转变性能。

权利要求

1.一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)明胶溶液的配制：称取4～10g明胶粉末，加入到盛有40～250ml蒸馏水的烧杯中，在

35～60℃的恒温水浴中磁力搅拌10～60分钟使明胶充分溶解，再采用真空抽滤去除不溶性杂质，得到明胶溶液；

2)碳点/明胶复合物的制备：取步骤1)所得到的明胶溶液40～100mL加入烧杯中，用锡箔纸封住烧杯口，并用针头在锡箔纸上扎小孔后，放入微波炉中微波处理，待反应结束，自然冷却至室温，取出烧杯，然后在微波反应产物中加入50～200mL蒸馏水，在35～60℃的恒温水浴中磁力搅拌3～12小时，使微波产物充分溶解在水中后，放入离心机中离心，离心速度为5000～10000转/分钟，离心时间为10～30分钟，离心后取其上清液，得到碳点/明胶复合物。

2.根据权利要求1所述的一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法，其特征在于，步骤1)中，明胶溶液的质量体积比浓度为4％～10％。

3.根据权利要求1所述的一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法，其特征在于，步骤2)中，微波处理是放入功率为700～800W的微波炉中进行微波反应，明胶溶液在微波炉中微波反应时间为10～40分钟。

说明书

一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合

物的方法

技术领域

[0001] 本发明属于高分子材料、生物医用材料、纳米材料和光学材料领域，特别是涉及一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法。

背景技术

[0002] 碳点(Carbon dots，CDs)，又叫碳量子点，是指粒径小于10nm且具有光致发光性能的碳纳米粒子，是一种新型的荧光碳纳米材料。与传统的荧光量子点(如硫化镉等量子点)相比，碳点的基本骨架为碳元素且不含重金属类元素，具有无毒性、荧光稳定性高且抗光漂白性、荧光波长可调、易于功能化、生物相容性好等优良性能[Journal of Materials Chemistry,2012,22(46):24230～24253]。因此，自2004年被发现以来，碳点在生物标记、生物成像、药物载体、生物传感器、发光材料和光催化等诸多领域得到了广泛的应用[Chemical Society Reviews,2015,44(1):362～381]。明胶是由胶原通过碱性处理或者酸性处理加热后得到的变性产物，其基本组成成分是氨基酸,具有良好的生物相容性、无毒性以及可生物降解性。另外，明胶还具有来源广、成本低、易加工等特点。最值得注意的是明胶具有温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能，当温度再升高时明胶可以溶解在水体系中形成明胶溶液，此时的溶液具有流动性；当溶液的温度降低时，明胶的胶体溶液会变成凝胶状态从而失去流动性；当温度再升高时，明胶又会从凝胶状态变为溶胶状态而具有流动性。明胶的这种溶胶-凝胶可逆转变性能极大的增加了其在生物材料和生物医用方面的用途[Food Chemistry,2015,184:203～206]。此外，明胶作为一种天然高分子，其主要组成元素中含有碳，因此可以作为制备碳点的碳源物质。

[0003] 由于明胶与碳点具有上述优良的性能特点，因此近年来关于明胶与碳点复合物研究引起了研究者的兴趣。有研究表明，采用水热的方法并以明胶水溶液为反应物制备得到碳点，再将碳点与明胶共混后得到碳点/明胶复合物[Carbon,2013,60:421～428]。值得注意的是，采用水热法先用明胶水溶液制备出碳点，再将碳点与明胶共混得到碳点/明胶复合物的方法，由于该水热方法具有反应温度高、反应时间长、反应条件较苛刻、反应产物后处理过程复杂等特点，以及制备碳点/明胶复合物所采用的共混方法具有需要增加仪器设备和操作步骤从而延长生产周期和提高生产成本等特点，都限制了碳点/明胶复合物在生产实际中的应用。而采用微波法制备碳点具有制备过程方便，操作简单，易于控制；反应时间短，反应效率高，后处理过程简单，绿色环保；仪器设备简单和成本低廉等优点。值得注意的是，采用简单方便的微波原位方法处理明胶水溶液制备碳点/明胶复合物，将会简化生产过程和仪器设备，使产物后处理过程简单，能有效降低生产周期和生产成本。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法；该碳点/明胶复合物采用简单方便的微波原位方法处理明胶水溶液制备得到，在对明胶溶液微波处理的过程中发生反应生成了碳点，而未反应或反应不完全的明胶仍保留在反应体系中，使最终的反应产物中既含有新生成的碳点，又含有原来的明胶，从而使得到的碳点/明胶复合物不仅具有碳点的荧光性能，而且还保留明胶的温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

[0006] 1)明胶溶液的配制：称取4～10g明胶粉末，加入到盛有40～250ml蒸馏水的烧杯中，在35～60℃的恒温水浴中磁力搅拌10～60分钟使明胶充分溶解，再采用真空抽滤去除不溶性杂质，得到明胶溶液；

[0007] 2)碳点/明胶复合物的制备：取步骤1)所得到的明胶溶液40～100mL加入烧杯中，用锡箔纸封住烧杯口，并用针头在锡箔纸上扎小孔后，放入微波炉中微波处理，待反应结束，自然冷却至室温，取出烧杯，然后在微波反应产物中加入50～200mL蒸馏水，在35～60℃的恒温水浴中磁力搅拌3～12小时，使微波产物充分溶解在水中后，放入离心机中离心，离心速度为5000～10000转/分钟，离心时间为10～30分钟，离心后取其上清液，得到碳点/明胶复合物。

[0008] 步骤1)中，明胶溶液的质量体积比浓度为4％～10％。

[0009] 步骤2)中，微波处理是放入功率为700～800W的微波炉中进行微波反应，明胶溶液在微波炉中微波反应时间为10～40分钟。

[0010] 碳点/明胶复合物的应用：本发明的碳点/明胶复合物，可应用于药物载体、控制释放、生物成像、生物检测器、荧光生物材料等生物材料和生物医学领域。

[0011] 本发明的碳点/明胶复合物采用原位法进行制备，即对明胶进行微波原位方法处理得到碳点/明胶复合物。明胶是一种生物相容性良好、可生物降解的天然高分子，且具有来源广、成本低、可再生等特点。采用该微波原位方法制备得到的碳点/明胶复合物，不仅具有碳点的荧光性能，而且还保留明胶的温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能。

[0012] 本发明通过对明胶溶液进行微波处理后，制备得到碳点/明胶复合物。这是因为明胶作为一种天然高分子，其主要组成元素中含有碳，在微波处理过程中，明胶可以作为制备碳点的碳源物质，经过微波处理后发生反应生成碳点，而未反应或者反应不完全的明胶仍然保留在体系中，使最终的微波产物中既含有新生成的碳点，又保留了原来体系中的明胶，从而得到碳点/明胶复合物。从而使得到的碳点/明胶复合物不仅具有碳点的荧光性能，而且还保留明胶的温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能。

[0013] 本发明制备所得到的碳点/明胶复合物具有荧光性能和荧光稳定性，可以应用于生物成像、生物检测器、荧光生物材料等领域。

[0014] 本发明制备所得到的碳点/明胶复合物具有温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能，且这种溶胶-凝胶转变可发生在30～40℃左右，因此特别有利于其在生物材料和生物医学领域的应用，如用于药物载体、控制释放和生物成像等领域。

[0015] 本发明的有益效果是：

[0016] 1)本发明采用微波原位法处理明胶水溶液制备得到碳点/明胶复合物，该方法制备过程方便，操作简单，易于控制；反应时间短，反应效率高，绿色环保；仪器设备简单，成本低廉等。

[0017] 2)采用原位法制备碳点/明胶复合物，其优点在于：产物无需进行分离提纯和共混复合等后处理步骤即可直接进行后续应用，使产物后处理过程简化，并能简化生产过程和减少仪器设备，从而有效降低生产周期和生产成本。

[0018] 3)本发明制备碳点/明胶复合物只使用明胶水溶液作为原料，明胶具有良好的生物相容性、无毒性以及可生物降解性。另外，明胶还具有来源广、可再生、成本低等特点。特别是，明胶还是具有温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能，且这种溶胶-凝胶转变可发生在30～40℃左右。因此，明胶的这些优良特性都十分有利于其在生物材料和生物医学领域的应用。

[0019] 4)本发明采用微波处理明胶水溶液的原位法制备得到碳点/明胶复合物，在微波处理过程中，明胶用作制备碳点的碳源物质，经过微波处理后发生反应生成碳点，而未反应或者反应不完全的明胶仍然保留在体系中，使最终的微波产物中既含有新生成的碳点，又含有原来的明胶，从而得到一种同时具备碳点性能和明胶性能的碳点/明胶复合物。因此，该碳点/明胶复合物不仅具有碳点的荧光性能，还能保留明胶的温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能。

[0020] 5)本发明制备的碳点/明胶复合物，可应用于药物载体、控制释放、生物成像、生物检测器、荧光生物材料等生物材料和生物医学领域。

附图说明

[0021] 图1是本发明实施例1所制备的碳点/明胶复合物的透射电镜照片。

[0022] 图2是本发明实施例1所制备的碳点/明胶复合物的荧光发射光谱图，激发光波长分别为330nm、370nm、410nm。

[0023] 图3是本发明实施例1所制备的碳点/明胶复合物在365nm紫外光下温度刺激响应性溶胶-凝胶转变的照片(a：碳点/明胶复合物在37℃下溶胶状态的照片；b：降低温度后碳点/明胶复合物处于凝胶状态的照片；c：37℃水浴加热后碳点/明胶复合物处于溶胶状态的照片)。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，当然下述实施例不应理解为对本发明的限制。

[0025] 本发明提供一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

[0026] 实施例1

[0027] 一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法，它包括如下步骤：

[0028] 1)明胶溶液的配制：称取6g明胶粉末，加入到盛有150ml蒸馏水的烧杯中，在37℃的恒温水浴中磁力搅拌30分钟使明胶充分溶解，再采用真空抽滤去除不溶性杂质，得到质量体积比浓度为4％的明胶溶液；

[0029] 2)碳点/明胶复合物的制备：取步骤1)所得到的明胶溶液50mL加入烧杯中，用锡箔纸封住烧杯口，并用针头在锡箔纸上扎小孔后，放入功率为700W微波炉中，微波反应时间为20分钟，待反应结束，自然冷却至室温，取出烧杯，然后在微波反应产物中加入100mL蒸馏水，在40℃的恒温水浴中磁力搅拌6小时，使微波产物充分溶解在水中后，放入离心机中离心，离心速度为8000转/分钟，离心时间为20分钟，离心后取其上清液，得到碳点/明胶复合物。

[0030] 图1是采用实施例1方法制备的碳点/明胶复合物的透射电镜照片。具体测试步骤是：首先将上述采用微波原位方法制备所得的碳点/明胶复合物超声分散后，滴加在干净的透射电镜专用铜网表面，再将铜网烘干后采用高分辨透射电镜(HRTEM，JEM-2100F STEM/EDS，JP)进行检测。从图1可以看出，图中黑色的点为碳点，其平均粒径在3nm左右，碳点在体系中分未发生团聚现象。该结果表明通过微波原位方法处理明胶水溶液，可以制备得到碳点，并且碳点在复合物体系中分散良好。

[0031] 图2是采用实施例1方法制备的碳点/明胶复合物的荧光发射光谱，激发光波长分别为330nm、370nm、410nm。具体测试步骤是：将1mL的碳点/明胶复合物稀释至几乎无色透明，大约稀释20倍，之后注入到石英比色皿中，放入荧光分光分度计中(RF-5301PC，SHIMADZU，JP)进行检测，设置不同的激发光波长(330nm、370nm、410nm)，分别得到碳点/明胶复合物的荧光发射光谱。由图2可以看出，当激发光波长分别为330nm、370nm和410nm时，碳点/明胶复合物对应的发射光谱的波峰分别在410nm、450nm和480nm左右，并且发射光强度也不同，在370nm激发光激发时对应的发射光强度最大。该结果表明采用上述方法制备的碳点/明胶复合物中的碳点具有荧光性能，并且这些碳点在不同波长的激发光作用下能够发出不同波长的荧光。

[0032] 图3是采用上述方法制备的碳点/明胶复合物在365nm紫外光下温度刺激响应性溶胶-凝胶转变的照片(a：碳点/明胶复合物在37℃下溶胶状态的照片；b：降低温度后碳点/明胶复合物处于凝胶状态的照片；c：37℃水浴加热后碳点/明胶复合物处于溶胶状态的照片)。具体实验步骤是：将碳点/明胶复合物稀释至在波长为365nm紫外光照射下荧光均匀，大约稀释3倍，然后加入到玻璃小瓶中并拧紧瓶盖，再将小瓶置于37℃恒温水浴中加热30分钟，待碳点/明胶复合物转变成溶胶状态时将小瓶取出，并使瓶盖朝下、瓶底朝上将小瓶倒置放在紫外灯下，拍摄小瓶在365nm紫外光下的荧光照片，得到图3中的a；然后将小瓶瓶盖朝上、瓶底朝下正置，室温下放置2小时，待碳点/明胶复合物由转变为凝胶状态后，将小瓶瓶盖朝下、瓶底朝上倒置放在紫外灯下，拍摄小瓶在365nm紫外光下的荧光照片，得到图中的b；再将小瓶瓶盖朝上、瓶底朝下正置，放入37℃恒温水浴中加热30分钟，待碳点/明胶复合物转变为溶胶状态后，再将小瓶瓶盖朝下、瓶底朝上倒置，并拍摄小瓶在365nm紫外光下的荧光照片，得到图3中的c。由图3中的a可以看出，碳点/明胶复合物在37℃时处于溶胶状态，具有流动性，当小瓶倒置后碳点/明胶复合物流至小瓶底部，该溶胶在365nm紫外光下能发出明显的荧光。由图3中的b可以看出，碳点/明胶复合物降低温度至室温20℃时能发生溶胶-凝胶转变，流动性变差，形成凝胶，小瓶倒置后凝胶仍处于小瓶顶部，在365nm紫外光下该凝胶能发出明显的荧光。由图3中的c可以看出，当碳点/明胶复合物再次升温至37℃时能发生凝胶-溶胶转变，又转变成可流动的溶胶，小瓶倒置后流至小瓶底部，该溶胶在365nm紫外光下能发出明显的荧光。以上结果说明，采用上述方法制备的碳点/明胶复合物不仅具有碳点的荧光性能，而且还具有温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能。

[0033] 实施例2

[0034] 一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法，它包括如下步骤：

[0035] 1)明胶溶液的配制：称取4g明胶粉末，加入到盛有40ml蒸馏水的烧杯中，在35℃的恒温水浴中磁力搅拌60分钟使明胶充分溶解，再采用真空抽滤去除不溶性杂质，得到质量体积比浓度为10％的明胶溶液；

[0036] 2)碳点/明胶复合物的制备：取步骤1)所得到的明胶溶液40mL加入烧杯中，用锡箔纸封住烧杯口，并用针头在锡箔纸上扎小孔后，放入功率为700W微波炉中，微波反应时间为30分钟，待反应结束，自然冷却至室温，取出烧杯，然后在微波反应产物中加入50mL蒸馏水，在35℃的恒温水浴中磁力搅拌12小时，使微波产物充分溶解在水中后，放入离心机中离心，离心速度为5000转/分钟，离心时间为30分钟，离心后取其上清液，得到碳点/明胶复合物。

[0037] 采用实施例1的实验方法，检测碳点/明胶复合物的性能。通过碳点/明胶复合物的透射电镜照片，结果表明通过微波原位方法处理明胶水溶液，可以制备得到碳点，并且碳点在复合物体系中分散良好。

[0038] 通过制备的碳点/明胶复合物的荧光发射光谱，结果表明采用上述方法制备的碳点/明胶复合物中的碳点具有荧光性能，并且这些碳点在不同波长的激发光作用下能够发出不同波长的荧光。

[0039] 通过制备的碳点/明胶复合物在365nm紫外光下温度刺激响应性溶胶-凝胶转变的照片，结果说明，采用上述方法制备的碳点/明胶复合物不仅具有碳点的荧光性能，而且还具有温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能。

[0040] 实施例3

[0041] 一种原位法制备的具有溶胶-凝胶转变性能的碳点/明胶复合物的方法，它包括如下步骤：

[0042] 1)明胶溶液的配制：称取10g明胶粉末，加入到盛有250ml蒸馏水的烧杯中，在60℃的恒温水浴中磁力搅拌10分钟使明胶充分溶解，再采用真空抽滤去除不溶性杂质，得到质量体积比浓度为4％的明胶溶液；

[0043] 2)碳点/明胶复合物的制备：取步骤1)所得到的明胶溶液100mL加入烧杯中，用锡箔纸封住烧杯口，并用针头在锡箔纸上扎小孔后，放入功率为800W微波炉中，微波反应时间为40分钟，待反应结束，自然冷却至室温，取出烧杯，然后在微波反应产物中加入200mL蒸馏水，在60℃的恒温水浴中磁力搅拌3小时，使微波产物充分溶解在水中后，放入离心机中离心，离心速度为10000转/分钟，离心时间为10分钟，离心后取其上清液，得到碳点/明胶复合物。

[0044] 采用实施例1的实验方法，检测碳点/明胶复合物的性能。通过碳点/明胶复合物的透射电镜照片，结果表明通过微波原位方法处理明胶水溶液，可以制备得到碳点，并且碳点在复合物体系中分散良好。

[0045] 通过制备的碳点/明胶复合物的荧光发射光谱，结果表明采用上述方法制备的碳点/明胶复合物中的碳点具有荧光性能，并且这些碳点在不同波长的激发光作用下能够发出不同波长的荧光。

[0046] 通过制备的碳点/明胶复合物在365nm紫外光下温度刺激响应性溶胶-凝胶转变的照片，结果说明，采用上述方法制备的碳点/明胶复合物不仅具有碳点的荧光性能，而且还具有温度刺激响应性溶胶-凝胶转变性能。

[0047] 需要说明的是，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或是等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。