一種用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熒光納米材料和高分子材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于復(fù)合殼層碳點(diǎn)的熒光納米溫度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]在物理、化學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域，溫度是最基本的物理量之一。測量溫度是科研和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)工作之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在微觀環(huán)境中測量溫度的要求也越來越高。例如，在一些生物研究領(lǐng)域，通過監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)一些微小的溫度改變，能夠精確地和定量地反映生理活動(dòng)信息。
[0003]目前，用于納米溫度計(jì)的納米材料的制備方法通常是在納米材料的表面引入化學(xué)發(fā)光基團(tuán)或者熒光基團(tuán)。然而這些方法通常涉及大量的化學(xué)合成反應(yīng)步驟，并且這些引入的發(fā)光基團(tuán)或者選取的納米材料通常帶有一定的毒性，大大限制了納米溫度計(jì)進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種沒有毒性，溶液穩(wěn)定性好，并且對溫度具有高靈敏性的用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)，用該復(fù)合殼層碳點(diǎn)作為納米溫度計(jì)對溫度具有可逆的響應(yīng)性，通過碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化可以監(jiān)測碳量子點(diǎn)溶液溫度的變化。
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)的制備方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)，所述的復(fù)合殼層碳點(diǎn)是粒徑為l_50nm且均勻分布的球狀顆粒，具有一個(gè)碳點(diǎn)核心和一個(gè)復(fù)合親水聚合物殼層；所述的復(fù)合親水聚合物殼層由兩種親水性聚合物鏈段組成，其中一種親水性聚合物具有溫敏性；另一種親水性聚合物不具有溫敏性；所述的兩種親水性聚合物的分子量分別為2-30kDa，且兩種親水性聚合物的分子量相差不超過5kDa。
[0007]上述的一種用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)，所述的具有溫敏性的親水性聚合物為聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAM);所述的不具有溫敏性的親水性聚合物為聚乙二醇(PEG) ο
[0008]上述的用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)的制備方法，包括以下步驟:
[0009]I)以氨基酸作為碳源，將適量氨基酸、聚異丙基丙烯酰胺和聚乙二醇，溶于氫氧化鈉溶液中；
[0010]2)將混合液置于微波爐中加熱；
[0011]3)待反應(yīng)結(jié)束，自然冷卻至室溫，用超純水溶解，離心，取上清液，調(diào)節(jié)pH值至中性，進(jìn)行透析，冷凍干燥，得到復(fù)合殼層碳點(diǎn)，于4°C保存。
[0012]上述的用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)的制備方法，所述的氨基酸為天門冬氨酸、賴氨酸、丙氨酸或精氨酸。
[0013]上述的用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)的制備方法，按摩爾比，氨基酸:聚異丙基丙烯酰胺:聚乙二醇:氫氧化鈉=1:0.01-0.05:0.01-0.05:0.01-0.05。優(yōu)選的，按摩爾比，氨基酸:聚異丙基丙烯酰胺:聚乙二醇:氫氧化鈉=1:10 2:10 2:10 2O
[0014]上述的用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)的制備方法，微波爐加熱功率為600-750W，加熱時(shí)間為1-10分鐘。
[0015]上述的用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)的制備方法，透析用透析袋的截留分子量為I?14kDa。
[0016]上述的用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層碳點(diǎn)作為熒光納米溫度計(jì)在生物工程學(xué)和生物化學(xué)中的應(yīng)用。
[0017]上述的應(yīng)用，方法如下:將制備的復(fù)合殼層碳點(diǎn)加入到適量溶劑中，得到含有復(fù)合殼層碳點(diǎn)的溶液，改變?nèi)芤旱臏囟?，監(jiān)測溶液的熒光強(qiáng)度。改變?nèi)芤旱臏囟龋瑥?fù)合殼層碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，隨溫度的降低而升高，并且這種熒光變化具有可逆性。
[0018]上述的應(yīng)用，所述的溶劑為水溶液、乙醇溶液、氯仿溶液或細(xì)胞溶液；所述的含有復(fù)合殼層碳點(diǎn)的溶液，復(fù)合殼層碳點(diǎn)濃度為0.1-lOOmg/mL。
[0019]本發(fā)明制備的復(fù)合殼層碳點(diǎn)作為熒光納米溫度計(jì)對溫度響應(yīng)的原理:
[0020]碳量子點(diǎn)，簡稱碳點(diǎn)，是以碳原子為骨架結(jié)構(gòu)，尺寸小于50nm的具有熒光性能的類球形的納米顆粒。本發(fā)明在熒光碳點(diǎn)的基礎(chǔ)上，制備了一種新型的納米溫度計(jì)。該納米溫度計(jì)具有一個(gè)碳點(diǎn)核心和一個(gè)復(fù)合親水聚合物殼層，復(fù)合殼層由兩種親水性的聚合物鏈段組成，其中一種聚合物是具有溫敏性的PNIPAM，另一種是非溫敏性的PEG。當(dāng)溫度高于PNIPAM的最低臨界溶解溫度時(shí)，處于殼層的PNIPAM發(fā)生相轉(zhuǎn)變，由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，疏水坍縮的PNIPAM形成了一個(gè)新的殼層，而親水性的PEG作為冠層穩(wěn)定在外部，阻止了復(fù)合殼層碳點(diǎn)之間的聚集，使新形成的核-殼-冠結(jié)構(gòu)，從而使復(fù)合殼層碳點(diǎn)能夠穩(wěn)定存在；不同溫度能夠影響PNIPAM的親疏水相變狀態(tài)以及分子鏈的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進(jìn)一步影響PNIPAM殼層與碳點(diǎn)核心之間的相互作用，最終導(dǎo)致碳點(diǎn)的熒光性能的變化，因此能夠通過碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化監(jiān)測碳點(diǎn)溶液溫度的變化。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明基于復(fù)合殼層碳點(diǎn)的熒光納米溫度計(jì)具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，生物相容性以及低毒性，同時(shí)光學(xué)性能良好，尤其適合在生物學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用，例如生物成像等方面；通過調(diào)節(jié)兩種聚合物的比例，可以靈活的調(diào)控該熒光納米溫度計(jì)對溫度的響應(yīng)靈敏性；這種熒光納米溫度計(jì)的熒光光譜能夠伴隨溫度的改變進(jìn)行重復(fù)可逆的變化，并且熒光強(qiáng)度在多次使用后仍沒有衰減；其制備方法工藝簡單、易于操作，制備成本低，易于推廣。
【附圖說明】
[0022]圖1是實(shí)施例1制備的丙氨酸碳點(diǎn)的電鏡掃描圖。
[0023]圖2是對比例I未用聚合物修飾的丙氨酸碳點(diǎn)在25°C與50°C下的熒光譜圖。
[0024]圖3是對比例2PEG修飾的丙氨酸碳點(diǎn)在25°C與50°C下的熒光譜圖。
[0025]圖4是對比例3PNIPAM修飾的丙氨酸碳點(diǎn)在25°C與50°C下的熒光譜圖。
[0026]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合殼層丙氨酸碳點(diǎn)在25°C與50°C下的熒光譜圖。
[0027]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合殼層丙氨酸碳點(diǎn)隨溫度逐漸變化的熒光變化譜圖。
[0028]圖7是本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合殼層丙氨酸碳點(diǎn)隨溫度逐漸變化的溫度-熒光強(qiáng)度曲線圖。
[0029]圖8是本發(fā)明復(fù)合殼層丙氨酸碳點(diǎn)在25°C與50°C之間反復(fù)升溫_降溫的熒光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下通過非限定性實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0031]實(shí)施例1用于熒光納米溫度計(jì)的復(fù)合殼層丙氨酸碳點(diǎn)
[0032](一)復(fù)合殼層丙氨酸碳點(diǎn)的制備
[0033]稱取0.5g丙氨酸，0.2g聚乙二醇(PEG分子量為4kDa)和0.4g聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAM分子量為8kDa)，溶于8mL(0.5M)氫氧化鈉溶液中，完全溶解后，在家用微波爐中于700W下加熱2分40秒，待樣品冷卻至室溫后，用1mL超純水溶解。在12000轉(zhuǎn)/分鐘下離心20分鐘，取上清液。調(diào)節(jié)pH值到中性。以截留分子量為14kDa的透析袋透析48小時(shí)，將溶液取出，冷凍干燥，得到復(fù)合殼層丙氨酸碳點(diǎn)，于4°C下保存。
[0034]將制備的復(fù)合殼層丙氨酸碳點(diǎn)，進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖1所示，從圖1可見，制備的復(fù)合殼層丙氨酸碳點(diǎn)平均粒徑為10nm，且分布均勻，成均勻分布的球形顆粒。
[0035]( 二)對比例I未用聚合物修飾的丙氨酸碳點(diǎn)的制備
[0036]稱取0.5g丙氨酸，溶于8mL(0.5M)氫氧化鈉溶液中，完全溶解后，在微波爐中于700W下加熱2分40秒，待樣品冷卻至室溫后，用1mL超純水溶解。在12000轉(zhuǎn)/分鐘下離心20分鐘，取上清液。調(diào)節(jié)pH值到中性。以截留分子量為14kDa的透析袋透析48小時(shí)。將溶液取出，冷凍干燥，得到未用聚合物修飾的丙氨酸碳點(diǎn)，于4°C下保存。
[0037](三)對比例2PEG修飾的丙氨酸碳點(diǎn)的制備
[0038]稱取0.5g丙氨酸，0.2g聚乙二醇(分子量為4kDa)，溶于8mL(0.5M)氫氧化鈉溶液中，完全溶解后，在微波爐中于700W下加熱2分40秒，待樣品冷卻至室溫后