纳米标记材料荧光碳点的制备研究
荧光碳点作为纳米标记材料的制备全文如下:
近年来，半导体荧光量子点因其优异的光电性能而被广泛应用于生物、医学和光电器件等领域。然而，在生物和医学上应用最成熟的量子点大多是CdTe、CdSe和CdS，它们含有重金属镉，限制了它们在生物医学领域的应用。因此，降低和消除荧光量子点的毒性一直是研究人员密切关注的课题。直到2006年，孙等人利用激光烧蚀碳靶，经历了一系列酸化和CDs。碳点。
作为一种新型荧光碳纳米材料，碳量子点不仅具有优异的光学性能和小尺寸的特点，而且具有良好的生物相容性、良好的水溶性、低廉的价格和较低的细胞毒性，是替代传统重金属量子点的良好选择。水溶性碳点因其表面含有大量的羧基、羟基等水溶性基团，且与许多有机、无机和生物分子相容而受到广泛关注。这些性质决定了碳点在生物成像和生物探针领域具有更大的应用前景。朱宏和王珊珊通过微波加热处理PEG-200和糖类的水溶液，得到了具有不同荧光性质的碳点。虽然微波可以一步合成和修饰碳点，但荧光量子的产率与水热法相比并没有显著提高。目前，该领域的研究工作主要集中在三个方面:碳点的形成机理及其性质，特别是光致发光机理，如何简单快速地制备性能优异的碳点，以及如何成功高效地将碳点应用于实际。
本文采用单因素法分析了影响荧光碳点合成的几个因素，找到了高性能荧光碳点的最佳合成条件。比较了微波合成和水热合成荧光碳点的优缺点，为制备高性能荧光纳米标记材料提供了一定的实验依据和科学方法。
1实验部分
1.1试剂和仪器
葡萄糖(AR，中国医药集团上海化学试剂公司)、聚乙二醇(PEG-200，AR，中国医药集团上海化学试剂公司)、巯基乙酸(TGA，AR，国药集团化学试剂有限公司)、CS(大连新蝶)、牛血清白蛋白(BSA >: 99%，默克)来自武汉凌飞生物技术公司)；盐酸(HCl，AR，信阳化学试剂厂)；十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4？12H2O，AR，国药集团化学试剂有限公司)；磷酸二氢钠二水合物(NaH2PO4？2H2O，AR，化学试剂有限公司)；氢氧化钠(NaOH，AR，国药化学试剂有限公司)。
荧光分光光度计(LS55型，珀金埃尔默，美国)；紫外-可见吸收光谱仪(U-3010，日立，日本)；纯水仪器(UP型，上海优普实业有限公司)；台式电热恒温干燥箱(型号202-00A，天津测试仪器有限公司)；傅里叶变换红外光谱仪(德国布鲁克公司vertex 70)；透射电子显微镜(JEM -2100UHR STEM/EDS型，日本)；微波反应器(意大利Milestone)；电子天平(梅特勒-托利多，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)；电动搅拌器(DJIC-40，金坛迪达自动化仪表厂)；智能恒温电加热套(ZNHW型，武汉科尔仪器设备有限公司)；数显恒温水浴锅(HH-S2s，金坛迪达自动化仪表厂)；紫外线灯。
所有光谱分析都是在室温下进行的。实验中使用的水是电阻率大于18 Mcm的高纯水。紫外-可见吸收光度计设置如下:间隙为2 nm，扫描速度为600 nm/min，扫描范围为200 ~ 600 nm。荧光分光光度计设置为:激发波长350 nm，扫描范围350 ~ 650 nm，扫描速度600 nm/min，激发间隙10 nm，发射间隙15 nm。
1的编制。2个碳点
影响碳点荧光性能的因素很多，主要是反应物的摩尔比、反应温度和反应时间。为了更好地控制实验条件，提高碳点的性能，采用了三因素三水平的正交实验方法。该方法以较少的实验完成了多条件下的最优选择。碳源为葡萄糖，表面修饰剂为PEG，温度分别为65438±050℃。在160℃和180℃时，时间为1。5分钟，2。5分3秒。PEG与葡萄糖的摩尔比分别为4、5和6。此外，在确定最佳条件时，除了考虑碳点的荧光强度外，还应综合考虑实验条件、产物的毒性和生物相容性。称取2克葡萄糖，溶于3毫升水中，与不同体积的聚乙二醇(PEG-200)混合，得到澄清溶液，然后置于微波反应器或电热恒温水浴锅中，设定一定的温度和反应时间，微波辐射或水浴加热，得到不同的棕红色溶液，即碳点原液；然后在不同转速下离心分离纯化碳点原液，并测量和比较其光学性质。最后选择转速为6000 r /min的离心分离纯化，取上清液稀释不同时间进行表征。
1的刻画。3个碳点
将上述得到的碳点稀释不同倍后，分别用U-3010紫外-可见吸收光谱仪和LS55荧光分光光度计测试其光致发光性能。
紫外-可见吸收光谱的测定:将制备的碳点稀释几倍(在激发波长处的吸收值为0。1)，并通过紫外扫描确定其吸收峰位置。通过将碳点的紫外吸收峰波长作为激发波长，确定激发波长为3500nm，激发和发射狭缝均为5。PMT电压设置为700 V，激发波长为290 ~ 435 nm。
荧光光谱测量:取约2。将5 mL待测碳点溶液置于荧光比色皿中，在室温下用LS55荧光光谱仪检测其荧光。激发波长为350 nm，激发和发射狭缝宽度为5 nm，扫描波长范围为300 ~ 650 nm，扫描速度为65438±0200nm/min。
用透射电子显微镜(加速电压200 kV)观察碳点样品的微观形貌和尺寸。将得到的碳点原液与等体积的无水乙醇混合，然后滴在KBr压片上，在台式电热恒温干燥箱中干燥至干，然后放入傅里叶变换光谱仪中获得红外光谱。
2结果和讨论
2.1微波合成碳点的因素分析。
本实验选取三个影响因素(反应物摩尔比(n)、反应温度(t)、反应时间(t))，每个因素选取三个不同水平，即采用三因素三水平正交实验方法安排实验。讨论了微波法制备碳点荧光强度的影响因素，找到了最佳合成条件。根据三因素三水平的条件，选择正交表34。
在碳点的合成中，不同影响因素的趋势在不同的水平上变化。在同一因素下，随着水平的变化，实验指标也发生变化。根据图中趋势，微波合成碳点的最佳条件为:PEG与葡萄糖的摩尔比为6，反应温度为180℃，反应时间为2。5分钟。在此条件下合成的碳量子的荧光强度最好。从趋势图也可以看出，微波辅助反应时间越长越好。然而，当反应时间少于3。随着反应时间的减少，碳点的荧光强度有增加的趋势。
通过对上述正交实验的直观分析，得到了优化条件，并在此条件下利用微波合成了荧光碳点。获得了实验组中在优化条件下制备的碳点和在最佳实验条件9下制备的碳点的荧光发射光谱。在其他条件相同的情况下，优化碳点的荧光强度为234，远大于实验组9号碳点的荧光强度(153。17).
通过改变前体溶液的pH值(分别为3、7和9)来分析实验结果。随着溶液pH值的增大，碳点的荧光强度先减小后增大。前驱体在碱性条件(pH = 9)下，碳点的荧光强度最大，酸性条件(pH = 3)下次之，中性条件(pH = 7)下最小。原因可能是在葡萄糖-PEG体系中，制备的碳点表面富含羟基和羧基官能团(如图8所示)。在酸性条件下，由于碳点表面的大量羟基与H+形成大量氢键，体系相对稳定，碳点可以很好的分散，所以发出很好的荧光。在碱性条件下，羧基与碳点表面的OH-相互作用，使体系更加稳定，碳点可以很好的分散。然而，在中性条件下，生成的碳点由于其高表面能而聚集，导致粒径增加和粒径分布变宽。
2.2微波法和水热法的比较
在相同的优化条件下，分别用微波法和水热法合成了碳点，并对其光学性质进行了初步比较。
2.2.1碳点的紫外-可见吸收光谱
两种方法得到的碳点的紫外-可见吸收光谱，两种方法的吸收峰位置都在280 nm左右，且吸收峰位置不随加热方法的改变而改变，表明两种加热方法形成碳点的机理可能是一致的。此外，在相同的合成条件下，微波法制备的碳点的紫外-可见吸收光谱强度小于水热法。
2.2.2碳点的荧光发射光谱
将一组微波优化合成的碳点稀释后，依次增加激发波长，观察其荧光发射波长的变化。微波合成的碳点在不同激发波长(340 ~ 450 nm)下的荧光发射光谱表明，随着激发波长的增加，荧光发射峰位红移，荧光强度先增大后减小。其中，当激发波长为350 nm时，碳点的荧光发射强度最大。因此，选择350 nm作为本实验。
2.2.3碳点荧光机理的探讨
碳点的荧光性能主要来源于两种不同类型的发射，一种是其表面能陷阱发射，另一种是其内态发射，即电子和空穴复合产生的发射，也就是我们熟知的量子点的量子尺寸效应导致的碳点的TEM图像。本文一方面是葡萄糖高温热解产生的碳点的表面能陷阱发射产生荧光；另一方面，PEG可以用作碳点的表面钝化剂。在这项研究中，前体是葡萄糖和PEG的混合物。因此，PEG一方面起稳定剂的作用，另一方面起表面改性剂的作用。PEG含有大量的羟基和其他官能团。在碱性条件下，羟基等官能团被引入碳点表面，抑制了碳点中缺陷的发射，使得能够产生荧光的电子和空穴的辐射结合更加方便。
2.2.碳点中的4透射电镜
可以看出，碳点类似于半导体量子点，外观呈球形，分散性好，尺寸分布均匀，平均粒径约为5 ~ 8 nm。说明聚乙二醇在葡萄糖热解制备碳点的过程中起到了很好的分散剂和表面改性剂的作用，可以有效防止碳点的团聚。
2.2.5碳点的红外光谱
不同方法制备的碳点的红外光谱(a .微波法；b .水热法)在相同的优化条件下，微波法和水热法。
两种方法得到的碳点红外光谱的峰位和峰形基本一致，但吸收峰强度略有不同，这可能与碳点的浓度有关。
羟基的伸缩振动谱出现在3 700 ~ 3 100 cm ~ 1。在大多数含羟基化合物中，由于强的分子间氢键，在3 500 ~ 3 100 cm-1区域出现一个很强很宽的谱带。在3 370cm-1附近，两种方法制备的碳点都有一个增宽的吸收峰，这是O-H键伸缩振动的特征峰。同时在1 101cm-1和1 247cm-1的指纹区有强吸收峰，分别属于C-O-C的对称收缩和不对称膨胀振荡，证明了羟基的存在。同时在1 643 cm-1处观察到两者的吸收峰，为C = O的伸缩振动，证明了羧基的存在。由此判断，碳点表面具有羟基和羧基官能团，不仅增强了量子点的水溶性和生物相容性，也为此类碳点的后续修饰提供了有益的指导。
3结论
通过正交实验，确定了微波法制备纳米荧光碳点的适宜实验条件为:反应时间为2。反应温度为65438±080℃，PEG与葡萄糖的摩尔比为6，pH为9。合成中各影响因素的顺序为:反应时间>；摩尔比>；反应温度。同时，发现R空白> R温度的范围表明实验中还有其他重要因素需要讨论，其中最容易被忽略的因素是搅拌。
在相同的优化条件下，水热法合成的碳点的光学性能略好于微波合成的碳点。究其原因，除了本文提到的搅拌装置的使用外，还可能与合成过程中碳点的生长速度、表面修饰程度和状态有关。这些因素的综合作用导致无法很好地控制荧光碳点的晶格缺陷。但表面缺陷和边缘效应会导致俘获电子或空穴对的产生，进而影响量子点的发光性质，这需要进一步的实验验证。总之，两种加热法制备的荧光碳点具有良好的光学性质，有望应用于荧光标记领域。