荧光碳点的合成、表征及其在生化分析中的应用研究

作     者：刘利芹 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李原芳

授予年度：2011年

学科分类：0710[理学-生物学] 071010[理学-生物化学与分子生物学] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：碳点 荧光 金属离子 溶菌酶 共振光散射 

摘      要：碳点作为新型荧光碳纳米材料,不仅具有优良的光学性能与小尺寸特性,而且还具有低细胞毒性。近年来,量子点以其优异的荧光性能已经在生物,医疗等领域取得了广泛应用,但是研究发现量子点中的重金属离子具有较强的细胞毒性,同时量子点还具有光眨眼现象,这使得其实际应用受到了一定程度的限制。而碳点可以克服量子点细胞毒性及光眨眼现象的问题。因此,碳点是替代量子点的良好选择。然而,目前碳点的制备与应用还处于初级阶段,其荧光量子产率还尚未达到量子点的水平。因此,探索高荧光量子产率碳点的制备方法以及寻找其新的应用就显得尤为迫切。本文主要从荧光碳点的制备与应用两个方面出发,首先,探索出一种表面羟基化的荧光碳点合成新方法,实验经济便捷,且所得碳点具有优良的性能;其次,将表面羟基化的荧光碳点应用于金属离子的检测并探讨与金属离子的作用研究;最后,参考文献合成出了表面羧基功能化的荧光碳点,并将其成功应用于溶菌酶含片中溶菌酶的检测。论文的主要内容概括如下： (1)建立一种以蜡烛灰作碳源,水热法一步合成荧光碳点的新方法。合成的碳点具有良好的荧光特性、好的水溶性、抗光漂白性、抗盐及低细胞毒性。透射电子显微镜(TEM)结果显示所合成碳点均匀分布,粒径为3.1±0.5 nm,同时采用动态光散射(DLS)进一步表征了碳点在水溶液状态下的水合粒径约为10nm,且分布均匀;红外光谱表征结果显示现碳点表面有大量羟基和少量的其它基团。此外,测得碳点荧光光谱对称,最大激发与发射分别在310nm与450nm,且荧光量子产率达5.5%。然而,在以蜡烛灰作碳源经硝酸处理得到表面羧基化碳点的一系列实验中发现,即使通过复杂的分离、提纯或钝化过程,其荧光量子产率也小于3.0%。据此,我们推测,羧基是强吸电子基团,当其直接与碳核相连时会不利于碳点荧光的发射。然而,羟基具有一定的供电子能力,故比较有利于碳点荧光发射。 (2)研究了表面羟基化的碳点与金属离子的作用。氢氧化物溶度积极小的金属离子,易与碳点表面上的羟基结合,导致碳点聚集而发生荧光猝灭。基于此原理建立以碳点为荧光探针,实现对金属离子Cr3+、Fe3+、Al3+的痕量检测,方法的检测限分别为3.1、5.6、5.1 ng/mL。此外,实验还发现碳点的荧光会随着Al3+浓度的逐渐增大,出现先逐渐猝灭再逐渐恢复的现象。实验结果表明荧光猝灭过程为静态猝灭,荧光恢复过程为静态与动态相结合的猝灭;DLS测定结果表明荧光猝灭过程碳点逐渐聚集,而荧光恢复过程碳点又逐渐分散。我们推测这一特殊现象可能是由于Al3+是两性金属离子所导致。 (3)利用共振光散射(RLS)技术研究了碳点与溶菌酶的相互作用。在弱碱性条件下,带负电荷的碳点与带正电荷的溶菌酶通过静电作用相结合,形成大颗粒复合物,具有较强的共振光散射信号,并且信号不易受酸度和离子强度影响。在优化条件下,增强的RLS强度与溶菌酶浓度在71.5μg/L～14.3 mg/L范围内呈良好的线性关系,检出限为37.8μg/L(3σ)。此方法成功应用于溶菌酶含片中溶菌酶含量的检测,回收率在95.8%～98.9%之间,相对标准偏差小于4.4%。