基于水杨酸的碳纳米点及其在细胞成像或LED封装中的应用

摘要

一种基于水杨酸的碳纳米点制备及其在细胞成像或LED封装中的多功能应用，属于纳米材料技术领域。是将1.0～2.5g水杨酸及1.0～2.5g硫脲加入到20～30mL去离子水中，而后将溶液放入微波炉中，微波功率为80～100W，微波加热时间为3～5分钟，得到具有黄色荧光的碳纳米点固体产物；随后将固体产物用去离子水离心洗涤，离心产物再用氯仿离心洗涤3～5次，进而除去未反应的原料；而后将离心产物在‑30～‑15℃条件下预冻20～30小时，再在1.5～3Pa，‑80～‑90℃条件下冷冻干燥后得到基于水杨酸的碳纳米点黄色粉末。经过分离提纯后，其乙醇/水溶液可以应用于细胞成像，且无明显细胞毒性。而其在凝结为固态时，荧光性质能够得到保持，进而可以作为荧光粉应用到LED封装中。

权利要求

1.一种基于水杨酸的碳纳米点，其特征在于：是将1.0～2.5g水杨酸及1.0～2.5g硫脲加入到20～30mL去离子水中，而后将溶液放入微波炉中，微波功率为80～100W，微波加热时间为3～5分钟，得到具有黄色荧光的碳纳米点固体产物；随后将固体产物用去离子水离心洗涤，离心产物再用氯仿离心洗涤3～5次，进而除去未反应的原料；而后将离心产物在-30～-15℃条件下预冻20～30小时，再在1.5～3.0Pa，-80～-90℃条件下冷冻干燥后得到基于水杨酸的碳纳米点黄色粉末。

2.权利要求1所述的一种基于水杨酸的碳纳米点在细胞成像或LED封装中的应用。

说明书

基于水杨酸的碳纳米点及其在细胞成像或LED封装中的应用

技术领域

[0001] 本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种基于水杨酸的碳纳米点，通过微波加热水杨酸和硫脲的混合水溶液，即可获得大量具有强荧光的碳纳米点，同时其克服了传统碳纳米点的聚集诱导荧光猝灭的问题，因而可以应用于细胞成像或LED封装方面。

背景技术

[0002] 近些年来，荧光纳米材料受到人们广泛关注，特别是其中一类基于碳材料的新型荧光碳纳米点，由于其具有荧光量子效率高、低制备成本、低生物毒性等独特优势，进而被应用在诸多领域中，如光电装置、光伏装置、传感器、智能材料以及生物荧光标记等。与传统的荧光纳米材料(如半导体量子点)相比，碳纳米点具有良好的生物相容性和低毒性，因此，在纳米医学中具有良好的应用前景。但由于当前的碳纳米点在凝结为固态时普遍具有聚集诱导荧光猝灭的问题，因而很难同时实现其在溶液和固态时的多功能应用，这也是目前碳纳米点在多功能应用的发展方向上所遇到的瓶颈。

[0003] 因此，解决问题的关键是发明一种新型的荧光碳纳米点，通过结构优化实现其在固态时荧光能够得到保持，最终获得既能在溶液中进行细胞成像的应用，也能实现在固态时作为强荧光材料的应用。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于水杨酸的多功能碳纳米点。通过微波加热方法，使得水杨酸在硫脲的钝化作用下，形成氮、硫掺杂的强荧光碳纳米点，得到的碳纳米点尺寸分布在4～7nm，并且经过分离提纯后，其乙醇/水溶液可以应用于细胞成像。而其在凝结为固态时，荧光性质能够得到保持，进而可以作为荧光粉应用到LED封装中。

[0005] 本发明采用的原料都是商业上可以直接买到的物质，不需要进一步处理，按照一定比例直接混合即可，因此实验操作简便，危险性小，并且具有良好的实验重复性，可以批量生产，同时得到的碳纳米点具有高荧光量子效率。

[0006] 本发明所述的一种基于水杨酸的碳纳米点，其由如下方法制备得到：

[0007] 将1.0～2.5g水杨酸及1.0～2.5g硫脲加入到20～30mL去离子水中，而后将溶液放入微波炉中，微波功率为80～100W，微波加热时间为3～5分钟，得到具有黄色荧光的碳纳米点固体产物；随后将固体产物用去离子水离心洗涤，离心产物再用氯仿离心洗涤3～5次，进而除去未反应的原料；而后将离心产物在-30～-15℃条件下预冻20～30小时，再在1.5～3Pa、-80～-90℃条件下冷冻干燥后得到基于水杨酸的碳纳米点黄色粉末。

附图说明

[0008] 图1为本申请实施例1中制备的基于水杨酸的碳纳米点的高透射电镜照片(a)，粉末X射线衍射谱图(b)，元素分析谱图(c)，以及红外吸收谱图(d)，说明所制备的碳纳米点是通过水杨酸与硫脲发生酰胺化反应，并进一步碳化形成的，其尺寸分布较窄、单分散性好，具有明显的晶格；

[0009] 图2为本申请实施例2中制备的基于水杨酸的碳纳米点乙醇溶液的紫外吸收谱图(a中实线)，375nm光激发下的荧光发射谱图(a中虚线)，碳纳米点在室光下和紫外光下的照片(b、c)，以及三维荧光光谱图(d)，说明所制备的碳纳米点乙醇溶液具有很强的黄绿色荧光；

[0010] 图3为本申请实施例3中制备的基于水杨酸的碳纳米点固体粉末的紫外吸收谱图(a中实线)，375nm光激发下的荧光发射谱图(a中虚线)，以及固体粉末在室光下(b)和紫外光下的照片(c)，说明所制备的碳纳米点克服了聚集诱导荧光猝灭，保留了碳纳米点的荧光性质；

[0011] 图4为本申请实施例4中碳纳米点固体粉末在紫外光(a)、蓝光(b)以及绿光(c)下的荧光显微镜光学照片，可以观测到来自于碳纳米点全表面的黄光图(a)、橙光图(b)以及红光图(c)发射，说明所制备的碳纳米点具有明显的激发波长依赖的发光特性；

[0012] 图5为本申请实施例5中制备的碳纳米点分别放入水(a)和氯仿(b)中的稳定性，浸泡一定时间后的室光下(a1和b1)和紫外光下的照片(a2和b2)，相对应的375nm光激发下的荧光发射谱图(c)，以及利用碳纳米点制备的强荧光体相材料(d)，说明所制备的碳纳米点具有很好的稳定性，可以应用于LED封装中；

[0013] 图6为本申请实施例6中制备的碳纳米点和传统荧光染料(荧光色素钠)放置于强紫外光下的光稳定性，碳纳米点(a中方点曲线)和荧光色素钠(a中圆点曲线)照射不同时间时荧光强度变化曲线，以及相对应不同照射时间的碳纳米点(b)和荧光色素钠(c)的荧光显微镜光学照片，说明所制备的碳纳米点具有良好的光稳定性，适用于生物成像以及LED器件中；

[0014] 图7为本申请实施例7中将基于水杨酸的碳纳米点与RAW264.7细胞共培养24小时，细胞增殖实验检测基于水杨酸的碳纳米点的生物毒性，说明基于水杨酸的碳纳米点没有明显细胞毒性，当浓度达到200μg/mL时对细胞增殖仍无影响；

[0015] 图8为本申请实施例8所制备的基于水杨酸的碳纳米点与RAW264.7细胞共培养24小时后的荧光显微镜图片。蓝光激发下的暗场图片(a)，明场图片(b)，在蓝光激发下细胞浆呈黄绿色(a)，说明碳量子点能够进入细胞内，对细胞进行有效标记，可以用于细胞成像；

[0016] 图9为本申请实施例9中制备的碳纳米点粉末与聚二甲基硅氧烷的预聚物共混后，作为封装材料制备的发光为正白光LED光源的室光下照片(a中插图)，通电时的正白光LED光源的照片(a)，暖白光LED光源的室光下照片(b中插图)，通电时的暖白光LED光源的照片(b)，(c)为正白光LED光源的发光光谱，(d)为暖白光LED光源的发光光谱，(e)为正白光LED光源(e图中Sample 2)以及暖白光LED光源(e图中Sample 1)的色坐标谱图，正白光LED光源的CIE坐标为(0.31，0.33)，暖白光LED光源的CIE坐标为(0.41，0.45)，说明所制备的碳纳米点粉末能够应用于LED封装中，并通过调节其含量，可以实现不同色温的白光LED光源。

具体实施方式

[0017] 下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，而不是要以此对本发明进行限制。

[0018] 实施例1

[0019] 称取1.0g水杨酸以及1.0g硫脲，而后加入到20mL的去离子水中，微波功率为100W，时间为3分钟。得到具有黄色荧光的基于水杨酸的碳纳米点固体产物。随后向产物中加入去离子水，利用离心机离心，倒掉上清液，保留离心管底部的产物，再采用氯仿按照相同方法洗涤产物3次。而后放入冰箱冷冻层(-20℃)预冻24小时，最后放入冷冻干燥机中(2Pa，-84℃)，冻干后得到0.8g基于水杨酸的碳纳米点粉末(黄色)。

[0020] 透射电镜下观察可见所得到的基于水杨酸的碳纳米点尺寸分布在4～7nm，如图1a所示。其晶体结构为类石墨烯结构，如图1b所示。

[0021] 实施例2

[0022] 称取1.0g水杨酸以及2.5g硫脲，而后加入到20mL的去离子水中，微波功率为100W，时间为4分钟。得到具有黄色荧光的基于水杨酸的碳纳米点固体产物。随后向产物中加入去离子水，利用离心机离心，倒掉上清液，保留离心管底部的产物，再采用氯仿按照相同方法洗涤产物3次。而后放入冰箱冷冻层(-20℃)预冻24小时，最后放入冷冻干燥机中(2Pa，-84℃)，冻干后得到1.0g基于水杨酸的碳纳米点粉末(黄色)。

[0023] 将提纯后的碳纳米点溶于乙醇溶液中，可以得到具有强黄绿光的碳纳米点乙醇溶液，如图2c所示。

[0024] 实施例3

[0025] 称取1.5g水杨酸以及2.5g硫脲，而后加入到30mL的去离子水中，微波功率为100W，时间为5分钟。得到具有黄色荧光的基于水杨酸的碳纳米点固体产物。随后向产物中加入去离子水，利用离心机离心，倒掉上清液，保留离心管底部的产物，再采用氯仿按照相同方法洗涤产物3次。而后放入冰箱冷冻层(-20℃)预冻24小时，最后放入冷冻干燥机中(2Pa，-84℃)，冻干后得到1.1g基于水杨酸的碳纳米点粉末(黄色)。

[0026] 将所得碳纳米点粉末放置于紫外下可以观察到强黄色荧光，说明所制备的碳纳米点克服了聚集诱导荧光猝灭的问题，有望作为荧光粉应用于LED封装中，如图3c所示。

[0027] 实施例4

[0028] 称取2g水杨酸以及2.5g硫脲，而后加入到30mL的去离子水中，微波功率为100W，时间为5分钟。得到具有黄色荧光的基于水杨酸的碳纳米点固体产物。随后向产物中加入去离子水，利用离心机离心，倒掉上清液，保留离心管底部的产物，，再采用氯仿按照相同方法洗涤产物3次。而后放入冰箱冷冻层(-20℃)预冻24小时，最后放入冷冻干燥机中(2Pa，-84℃)，冻干后得到1.3g基于水杨酸的碳纳米点粉末(黄色)。

[0029] 图4为本申请实施例4制备得到的所述碳纳米点在紫外光(a)、蓝光(b)以及绿光(c)下的光学照片，从图4可以看出，当用不同激发光，例如紫外光，蓝光以及绿光激发所述碳纳米点时，可以观测到来自于碳纳米点全表面的黄光图(a)、橙光图(b)以及红光图(c)发射，说明所制备的碳纳米点具有明显的激发波长依赖的发光特性。

[0030] 实施例5

[0031] 基于水杨酸的碳纳米点的制备和提纯如实施例3所述。图5为将所得的碳纳米点粉末放置于去离子水以及氯仿中的室光、紫外光以及荧光发射谱图。从图5c中可以看出，在375nm光的激发下，其荧光发射波长为560nm，这与放入前的碳纳米点的荧光性质是一致的。
而上清液无荧光(图5a2和b2)，说明所述碳纳米点在这两种溶剂中能够保持结构稳定。并且所述碳纳米点粉末可以与商用的封装材料环氧树脂共混聚合，得到荧光性质与碳纳米点自身一致的体相块，说明所述碳纳米点粉末有望作为LED封装中的荧光粉。

[0032] 实施例6

[0033] 称取1.5g水杨酸以及2.4g硫脲，而后加入到20mL的去离子水中，微波功率为80W，时间为5分钟。得到具有黄色荧光的基于水杨酸的碳纳米点固体产物。随后向产物中加入去离子水，利用离心机离心，倒掉上清液，保留离心管底部的产物，，再采用氯仿按照相同方法洗涤产物3次。而后放入冰箱冷冻层(-20℃)预冻24小时，最后放入冷冻干燥机中(2Pa，-84℃)，冻干后得到1.1g基于水杨酸的碳纳米点粉末(黄色)。

[0034] 图6a为将所得的碳纳米点及传统荧光染料(荧光色素钠)放置于功率为1.5W/cm2的紫外光下照射的荧光强度随时间变化曲线，碳纳米点粉末(图6b)和荧光色素钠(图6c)的荧光显微镜光学照片。从图6中可以看出，经过65min的照射后，荧光色素钠的荧光强度下降超过80％，而碳纳米点的荧光强度仅下降不到10％，说明所述碳纳米点具有良好的光稳定性，适用于细胞成像以及LED器件中。

[0035] 实施例7

[0036] 基于水杨酸的碳纳米点的制备和提纯如实施例3所述。将小鼠单核巨噬细胞RAW264.7细胞以8×103/孔接种于96孔板，细胞贴壁后，加入水杨酸碳纳米点磷酸缓冲盐溶液(PBS)(浓度分别是0、10、20、50、100、200μg/mL)，于37℃、5％(体积分数)CO2培养箱内孵育24小时后，每孔加入20μL噻唑蓝液(MTT，5mg/mL)，孵箱内培养4小时后，弃掉原培养液，每孔加入150μL DMSO溶液，用酶标仪测定各孔在490nm处吸光值，平行实验重复3次。MTT结果显示，基于水杨酸的碳纳米点没有明显细胞毒性，当浓度达到200μg/mL时对细胞增殖仍无影响(图7)。

[0037] 实施例8

[0038] 基于水杨酸的碳纳米点的制备和提纯如实施例3所述。将RAW264.7细胞以20万/孔接种于6孔板中，于37℃、5％(体积分数)CO2培养箱内孵育24小时后，弃掉原培养基，加入水杨酸碳纳米点的PBS溶液(100μg/mL)。过夜培养后，弃原培养液，PBS溶液冲洗2遍，荧光显微镜下观察细胞摄取可见，在蓝光激发下细胞浆呈黄绿色(图8)，说明碳量子点能够进入细胞内，对细胞进行有效标记。

[0039] 实施例9

[0040] 称取1.6g水杨酸以及2.4g硫脲，而后加入到20mL的去离子水中，微波功率为80W，时间为5分钟。得到具有黄色荧光的基于水杨酸的碳纳米点固体产物。随后向产物中加入去离子水，利用离心机离心，倒掉上清液，保留离心管底部的产物，，再采用氯仿按照相同方法洗涤产物3次。而后放入冰箱冷冻层(-20℃)预冻24小时，最后放入冷冻干燥机中(2Pa，-84℃)，冻干后得到1.2g基于水杨酸的碳纳米点粉末(黄色)。

[0041] 将碳纳米点粉末研磨成粉。取研磨好的荧光粉与聚二甲基硅氧烷的预聚物按照质量比为1：1以及2：1进行共混，然后涂覆在市售的未封装的LED上，再放置于80℃烘箱中，3小时后，即得到封装好的发光分别为正白光和暖白光的LED光源。从图9中可以看出，本发明中碳纳米点粉末可以作为LED的荧光粉，并实现正白光以及暖白光LED光源，其CIE坐标分别为(0.31，0.33)以及(0.41，0.45)。