1、 新型熒光碳點的制備及金屬離子的檢測摘 要越來越多的科學家開始關注碳納米結構，熒光碳點已經成為了碳納米材料家族的一位新成員，與其他納米材料相比，他們具有很多獨特和新穎的性質，如穩定的熒光性能，可自由調節的激發和發射波長。碳點的制備方法很多,本文主要研究熒光碳點的制備方法最終采用水熱和微波法制備出碳點，再用制備出的碳點來檢測金屬離子。關鍵詞：熒光碳點；條件探索;微波法；水熱法；金屬離子 ABSTRACTIn this research, an assay for liberation of drug has been developed based on the properties of lo

2、calized surface plasmon resonance (LSPR) of gold nanorods . The mechanism of liberation of drug resulted from gold nanorods has been investigated. On the other hand, the optimal experimental condition suitable for in vivo has also been conducted. The results illustrate that this approach is simple a

3、nd effective .Our research should offer a new technique in clinical treatment.Keywords: Gold nanorods; Localized surface plasmon resonance；Cysteien; Doxorubicin湖南科技大學本科生畢業設計（論文）目錄第一章 緒論11.1 金納米棒的光學性質11.2 金納米棒在生物科學的應用11.2.1 體外診斷11.2.2 體內治療11.2.3 體內成像11.2.4 光熱療法11.3 課題的提出2第二章 實驗部分32.1 引言32.2實驗試劑和主要儀器3

4、2.2.1主要試劑32.2.2 實驗儀器42.3 溶液的配置42.4 金納米棒的制備42.5 激光照射誘導阿霉素的釋放52.5.1 金納米棒的預處理及藥物阿霉素的負載52.5.2 透析袋的處理52.5.3 阿霉素的釋放52.6 金納米棒對半胱氨酸的負載及釋放過程52.6.1 半胱氨酸的負載52.6.2 半胱氨酸的釋放5 2.7 用化學方法對阿霉素的負載及釋放過程6 2.7.1 金納米棒的表面修飾和阿霉素的負載62.7.2 阿霉素的釋放6第三章 結果和討論73.1 激光照射誘導阿霉素的釋放73.1.1 阿霉素的負載73.1.2 阿霉素的釋放7 3.1.3 實驗機理探討83.2 金納米棒對半胱氨酸

5、負載及釋放11 3.2.1 半胱氨酸的負載11 3.2.2 半胱氨酸的釋放11 3.2.3 實驗機理探討143.3 用化學方法對阿霉素的負載和釋放11 3.3.1 阿霉素的負載11 3.3.2 阿霉素的釋放11 3.3.3 硫代硫酸鈉濃度考察12 3.3.4 實驗機理探討14第四章 結論15參考文獻16致 謝17ii第一章 前言1.1.納米材料的概述納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構成的材料，按空間形態來分,納米材料可包括如下三類：1. 零維納米材料:是指三維尺度上均在納米尺度,2. 一維納米材料:是指二維尺度上均在納米尺度,3. 二維納

6、米材料:是指一維尺度上在納米尺度.納米材料最近今年發展很迅速，是因為它有很多不同于其它材料的一些性質。1體積效應 當納米粒子的尺寸與傳導電子的德布羅意波相當或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內壓、光吸收、熱阻、化學活性、催化性及熔點等都較普通粒子發生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應2表面效應 表面效應是指納米粒子表面原子與總原子數之比隨著粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化 3量子尺寸效應 粒子尺寸下降到一定值時，費米能級接近的電子能級由準連續能級變為分立能級的現象稱為量子尺寸效應。4.量子隧道效應 微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。 納米材料的這些性質使得納米材料在

7、很多物理和化學方面都顯示出了特殊的性質。1.1 碳量子點的概述 納米碳點，也被叫做碳點（C-Dots)。它于2004年被人們通過電泳管凈化單層納米管首次發現，納米碳點的粒徑一般小于10nm。從理論上講，凡是含有碳元素的化合物都可以制成碳點，所以制備碳點的原料易得且價格優廉。與金屬量子點比較，碳量子點無毒，對環境危害較小。與傳統的碳材料相比，新型碳量子點具有很好的熒光性能，因為這一良好的性能，它也被稱為熒光碳點。除此之外，新型碳點還具有具有優異的水溶性，化學惰性，所以近年來，越來越多的科學家投入到這一領域的研究。碳點的表面通常有些羥基，羧基等功能性基團，這些基團在有機上被認為是親水性，所以碳點才

8、具有良好的水溶性。碳點還能與很多有機物，高分子聚合物、無機分子結合實現進一步功能化,這一性能使得它在在很多方面都得到了廣泛的應用。1.2 碳量子點的合成近年來，各國科學家采用不同的原材料，通過設計不同的合成路線和和采用不同的修飾方法，合成了具有優良性能的熒光碳點。而制備碳點的方法從大致上來講分為兩種：自下而上（Top-down）和自上而下(Bottom-up)。自下而上（Top-down）包括電弧放電法、激光消融法、電化學法等。它是指通過物理或化學的方法使塊體材料的尺寸由大變小,直至納米尺度的范圍內。另一種自上而下法（Bottom-up）包括熱解有機物法、微波合成、摻雜等。它傾向于采用化學合成

9、法使塊體材料的尺寸由小變大。下面將介紹幾種碳點的合成方法。1.2.1電弧放電法這種方法是比較早的，也是比較經典的一種。2004年，Xu等在用電泳分離并純化由電弧放電處理煙灰得到的單壁碳納米管(SWCNTs)時,偶然發現了一種未知名的具有熒光性能的碳納米顆粒。但是發現這種碳納米顆粒的親水性不是很好，為了提高它的親水性，采用了如下的方法進行處理。具體如下：他們用3.3M的HNO3來氧化這種碳納米材料，目的是引入親水性基團羧基。接著再用pH= 8.4的NaOH溶液來去掉沉淀物生成一個穩定的黑色懸浮液，最后再通過溶膠電泳的方法處理懸浮液分離得到SWCNTs,管狀碳和高熒光性碳點。但是他們發現這種高熒光

10、性碳點并不不是單一光，在366nm的激發波長下會產生橘色，黃色和綠色熒光。他們在對黃色熒光進行元素分析時，發現其中C、O、H、N的含量分別為53、93%，40、33%，2、56%，1、26%，所以他們得出結論是碳點主要是由C和O兩種元素組成的。1.2.2 激光消融法 2006年，Sun等采用激光消融石墨粉的方法制備出來一種碳納米顆粒，并把它稱為碳點。具體操作如下：將碳粉在氬氣的氛圍下通過一系列步驟制成碳靶，然后在流動的氬氣氛圍和900 °C水蒸氣中用Nd:YAG激光器進行消融,最后在銷酸中加熱回流12 h,得到了粒徑大小在4-5nm之間的碳點，但是他們發現這樣制成的碳點幾乎沒有熒光，

11、為了提高碳點的熒光性能，他們用一些如聚乙二醇(PEG-1500N) ，聚丙酰乙烯亞胺-乙煉亞胺(PPEI-EI)等一些以氨基封端的高分子化合物來鈍化碳點的表面。但是,這種制備方法的過程較為繁復耗時，條件苛刻，不適宜制備大批量的碳點。隨后，Hu改進了這一方法，將激光消融和鈍化相結合，通過一步激光消融法制備出了粒徑在3.2nm的碳點。這種方法不僅操作簡單，而且制出的碳點熒光性能很好。具體操作過程如下：他們將炭黑分散在三種鈍化試劑（水合肼、二乙醇胺、PEG-200）中，先將混合物超聲，然后再在Nd-YAG激光器下照射2h,最后再采用離心除去其中的大顆粒物質，這樣就制成了碳點。1.2.3 電化學法 首

12、次報道的熒光碳納米粒子是在電弧放電制備單壁碳納米管（引用文獻）時發現。在2007年,Zhou等在以上基礎上改進，采用相似的化學方法制備出了碳點。具體操作如下：他們將單壁碳納米管作為碳源和工作電極，,鉑絲為對電極,Ag/AgC104為參比電極以含有0.1 mol/L四丁基高氯酸(TBAP)的乙腈溶液為支持電解質, ,以0.5V/S的掃描速率施加-2.0 V到2.0 V的循環電壓,最后制得了發藍色熒光的碳點。但是這種方法制成的碳點量子產率不高且反應條件苛刻，不能在水溶液中進行。 隨后，Li等改進此種方法，以石墨棒為電極，以氫氧化鈉為電解質溶液,并在其中加入體積比為99.5:0.05的乙醇和水，這樣

13、便制得了粗碳點，粗碳點再用MgSO4溶液處理,并且攪拌20min,然后保存24 h最后再用有機溶劑石油醚和二乙烯基醚作為淋洗劑,用硅膠柱層析法純化得到粒徑為1.23.8nm的碳點。1.2.4熱解法高溫熱解有機法是制備功能性碳點最早的合成方法。2008年，Bourlinos等以檸檬酸為碳前體，以有機溶劑11-氨基十一酸或十八胺為修飾劑，再在300°C的溫度下炭化2h,最后得到了熒光碳點。今年來，Wang等以檸檬酸為碳源，以高溫有機溶劑為反應溶劑和修飾劑，最后合成油溶性的碳點。高溫熱解有機物法制備碳點雖然操作簡單，但是這種方法制出的碳點表面沒有特殊的功能基團，所以在很多方面的應用受到了限

14、制。1.2.5微波合成法 Zhu等在微波條件下合成碳點。他們將含碳化合物和PEG-200混合，在微波爐中加熱一段時間，一步就可合成碳點，這種方法制得的碳點的粒徑與加熱時間有關，通常加熱時間越長，制得的碳點粒徑越大，相應的發射波長會紅移。但是此種方法操作簡單，而且耗時很短。本文也主要采用了微波法制備碳點。1.2.6水熱法 水熱法的碳源經過了強酸或者強堿和鈍化試劑的處理,最終得到了具有熒光性質的碳點。首次使用該方法的是Liu等，他們采用的是強酸處理碳源，然后經過了離心、調節溶液PH、透析、凝膠電泳分離等后處理步驟最終得到了粒徑約1 nm的熒光碳點。此方法操作復雜，后處理步驟多。2011年，Liu等

15、改進了此方法，采用簡單快捷的方法在高溫高壓水熱反應釜中一步合成了熒光碳點，他們以蠟燭灰為碳源，再用強堿處理，然后將其轉移到水熱反應釜中，在高溫高壓的條件下反應，最終制得了表面羥基化的熒光碳點，雖然此種方法操作簡單，且不需鈍化處理，但是制出的碳點量子產率低，使它的應用收到了限制。1.3 課題的研究意義 碳點在2004年被發現以來，研究者們采用了各種各樣的方法來制備碳點，隨著制備方法的不斷改進，碳點的性能和應用都得到了很大的提高。碳點具有很好的熒光性能，良好的生物相容性，低毒性等，它的這些性能是它在生物醫學方面可以得到很好的應用，比如我們可以用它來標記成像，人體中各種離子的檢測，以及某種疾病診斷。

16、 隨著人們生活水平的不斷提高，科技的日新月異使得人們更注重生活的質量，目前環境污染已成為一個國際性的話題，環境污染包括水污染、噪聲污染、大氣污染和放射性污染。水污染最主要的就是重金屬離子的污染，當人們引用了被污染的水后就會造成一系列的疾病，常見的重金屬離子有Pb2+、Cu2+、Al3+、Hg2+、Cd2+等，Pb2+進入人體后會傷害人體的腦細胞致癌致突變，Hg2+進入人體后食入后直接沉入肝臟，對大腦神精視力破壞及大。天然水每升水中含0.01毫克，就會強烈中毒。Al3+積累多時，對兒童造成智力低下；對中年人造成記憶力減退；對老年人造成癡呆等。Cd2+進入人體后則會造成四肢麻木，精神異常。所以重金

17、屬離子對人體造成的危害是不可估量的。基于熒光碳點各種優良的性能，我們可以用它來檢測各種重金屬離子。 第二章 實驗部分2.1 引言 目前，熒光碳點受到越來越多科研者的青睞,它很多優良的的性能逐漸被探索出來,已在細胞標記丨4、催化離子檢測6及發光器件等方面開展了有意義的工作。基于此本文主要從以下兩個方面展開研究：第一：用簡單快捷的方法制備出熒光碳點并研究其熒光性質以及它的結構表征；第二：用制備出的碳點做各種金屬離子的檢測。2.2實驗試劑和主要儀器2.2.1 主要試劑表2.1 實驗所用化學試劑試劑名稱純度生產公司葡萄糖（Glu）分析純天津市科密歐化學試劑有限公司 半胱氨酸（cys）分析純國藥集團化學

18、試劑有限公司乙二胺四乙酸二鈉(EDTA) 分析純西隴化工股份有限公司檸檬酸分析純阿拉丁聚乙二醇(PEG200)注：實驗所有用水均為二次蒸餾水 2.2.2 實驗儀器表2.2 實驗所用主要儀器儀器名稱型號生產廠商臺式高速離心機TG16B湖南凱達科學儀器有限公司數控超聲波清洗器KQ2200DE昆山市超聲儀器有限公司熒光分光光度計F4500日本日立高科技有限公司微波爐透射電鏡Tecnai G2 20AEMUSA恒溫磁力攪拌器HG-3常州國華有限公司電子分析天平AB204-NMettler-Toledo Instr (shanghai) LtdR 系列旋轉蒸發器 R206 上海申生科技有限公司 2.3制

19、備碳量子點條件的探索稱取5份質量都為5.0000g的葡萄糖置于五個體積為250ml的錐形瓶中并表上1-5號，用50ml的去離子水溶解，然后轉移到微波爐中，1-5號分別加熱5min，10min，15min，20min，25min，待它們冷卻后取出然后再用50ml的去離子水溶解，用熒光分光光度計測其激發和發射波長和吸收峰的高度，找出熒光效率最強的加熱時間。稱取3份質量為5.0000g的葡萄糖置于三個體積為250ml的錐形瓶中表上，用50ml的去離子水溶解，然后轉移到微波爐中，1-3號分別采用中火，中高火，高火采用上述測出的最佳時間加熱，待其自然冷卻后將其取出，用50ml的去離子水溶解，用熒光分光光

20、度計測其激發和發射波長和吸收峰的高度，找出最佳的加熱溫度。 2.4 各種碳點的制備 2.4.1.以葡萄糖為原料水熱法制備碳點 前期采用的的是常規的葡萄糖，用水熱法制備，具體如下： 取4g葡萄糖溶于去離子水中，然后將其轉移到水熱釜中（容積率為80%），設置 溫度為180200，時間為812h，自然冷卻至室溫后，取出溶液離心，轉速越 高，純度越高，我們通常采用1000rpm，時間大概是30min，下層為碳球，上層為 橙黃色的清液就是碳點的水溶液，如要獲得固體樣品，可分級離心，最后采用 25000rpm，10min左右或者超濾方法，該方法制得的碳量子點樣品熒光強度比較 高。 2.4.2以EDTA為原

21、料水熱法制備 以2gEDTA-2Na溶于去離子水中，然后轉移到50ml的水熱釜中，容積率為80%，溫 度為210左右，反應24h（可更長時間反應），自然冷卻至室溫，取出即得碳點 溶液。2.4.3以葡萄糖為原料微波法制備碳點 稱取5.0000g葡萄糖于250ml的錐形瓶中，再加50ml的去離子水震蕩使其溶解， 將其放到微波爐中，用中高火加熱20min，待其冷卻后取出，再用50ml的水溶 解。 2.44以葡萄糖和半胱氨酸為原料微波法制備碳點 稱取5.5499g葡萄糖和3.3940g半胱氨酸加75ml的去離子水溶解，然后再用1mol/L的NaOH調節溶液的PH =5,在暗處密封30min，接著干燥自

22、然冷卻20min，這些工作做好了，然后就將其放到微波爐中，用中火加熱5min，等其自然冷卻后將其取出，再用75ml的去離子水溶解。 2.4.5以檸檬酸為原料微波法制備碳點 稱取30.0000g的檸檬酸放到250ml的錐形瓶中，然后用50ml的去離子水溶解，再將其放到微波爐中用中高火，加熱20分鐘，等其冷卻后將其取出，再加50ml的去離子水溶解。 2.4.6以葡萄糖和PEG-200為原料微波法制備碳點 稱取2.0000g的葡萄糖，然后再加20ml的PEG200，將其放到250ml的錐形瓶中,用75ml的去離子水超聲溶解后，將其轉移到微波爐中用中高火加熱15min，等其自然冷卻后將其取出用100m

23、l的水溶解。 2.4 碳量子點的處理 2.4.1透析袋的處理a將透析袋用蒸餾水沖洗3遍b加600ml蒸餾水，煮沸15minC 等冷卻后將其轉移到另一燒杯中，用去離子水浸泡,然后用保鮮膜將其封住放在 冰箱中2.4.2透析處理 采用微波法制備的碳點其中可能含有一些雜質，為了制得純凈的碳點，首先將其過濾，將其中不溶于水的物質過濾掉。然后再將碳點裝到透析袋中，在恒溫磁力攪拌器下透析24h（可更長時間），期間要不斷更換透析液。2.4.3 旋干處理透析過后的碳點如將其制成粉末對其表面基團進行表征則須將其旋干，首先將透析過濾后的碳點水溶液用旋轉蒸發器使其中大部分的水蒸發掉，然后再往里面加無水乙醇，繼續將溶液

24、旋至幾乎無水的狀態，然后再加無水乙醇，重復多次，直至將其中的水完全蒸發掉。2.5碳量子點熒光性質及表面基團研究2.5.1 碳量子點熒光性質研究取過濾透析過后的碳點溶液用熒光分光光度計測其激發和發射波長，先測其發射波長，設置一個激發波長，調節合適的狹縫，用測出來的發射波長再去測激發波長，重復多次，直到找出合適的激發和發射波長。然后再按照同樣的方法測量每一種碳量子點的激發和發射波長。2.5.2 紅外下對碳量子點表面基團的表征2.6探索各種碳量子點對金屬離子的響應 取過濾后的葡萄糖碳點，葡萄糖加PEG200碳點，過濾透析后的葡萄糖透析外液（截留分子量為8000-14000），葡萄糖透析內液（截留分子

25、量為8000-14000），檸檬酸碳點（截留分子量為1000），葡萄糖加半胱氨酸碳點（截留分子量為1000）分別測他們與金屬離子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+、Zn2+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Ag+、Cd2+、Co2+、Ni2+、Mn2+是否有響應。具體步驟如下：事先配好溶液，取3ml的碳點于離心管中，再加30ul的濃度為0.5mol/L的金屬離子并讓它們反應一段時間，用熒光分光光度計測量原始碳點的激發(EX)和發射(EM)波長，在激發波長一定的情況下，測量加了各種金屬離子的發射波長的高度,根據發射波長高度的變換來判斷碳量子點和金屬離子是否有響應. 第三章 結果和討論3.1

26、 碳點的熒光性質及表面基團的表征3.1.1不同制備條件下碳量子點的熒光性質比較3.1.2不同碳量子點的熒光性質比較3.1.3投射電鏡下碳量子點3.1.4紅外下的碳量子點表面基團的表征3.2各種金屬離子對碳量子點的響應情況 第四章 結論本實驗基于金納米棒的物理化學性質，探索了三種針對不同方式負載于金納米棒上的藥物釋放方法。第一種是通過靜電作用將抗腫瘤藥物負載在金納米棒上，通過激光誘導藥物的釋放；第二種是將藥物直接負載于金納米棒上，通過體內金屬銅離子和加入硫代硫酸鈉溶解金納米棒使藥物釋放；第三種是將藥物負載在活化后的金納米棒上，通過加入硫代硫酸鈉使金納米棒溶解，藥物得到釋放，并探索了用于藥物釋放的

27、最小硫代硫酸鈉濃度為0.0001mol/L。且從兩個角度驗證了藥物的釋放，一是用紫外可見分光光度計直接測連接有藥物的金納米棒溶液經過藥物釋放后該溶液的光譜變化，結果表明連有阿霉素和半胱氨酸的金納米棒溶液均有吸光度下降現象，說明金納米棒溶解，藥物得到釋放；二是阿霉素有熒光這一性質，我們通過取藥物釋放離心后的上清液用熒光分光光度計測定其熒光強度，結果表明有熒光強度，這兩個角度都說明了基于金納米棒表面等離子體體共振性質可用于對藥物的釋放。參考文獻1 KreibigU,Vollmer M. Optical Properties of Metal ClustersJ. Berlin :Springer.

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