一种金属元素掺杂型发光碳点及其制备方法与应用

本发明涉及碳纳米材料，具体涉及一种金属元素掺杂型发光碳点及其制备方法与应用。

背景技术：

1、碳纳米材料由于其元素无毒性质和独特的机械和光学性能而引起了广泛的关注。人们对促进碳纳米材料在生物应用中的应用产生了极大的兴趣。例如，碳纳米管和纳米石墨烯由于其优异的吸收和发射以及光稳定性而被广泛应用于生物荧光成像和光热治疗。然而，这些1/2d碳纳米材料不可避免的结构毒性，具有强烈炎症细胞浸润、肺水肿和肉芽肿形成的潜在风险，严重阻碍了其临床应用。

2、碳点(cd)是一种新兴的0d碳纳米材料，尺寸小于10纳米。与0d富勒烯不同，碳点具有良好的水溶性、优异的生物相容性和可调的光学性能。大量研究表明cd具有低细胞毒性或无细胞毒性，并且可以通过人体的肾脏过滤系统排出体外，使其成为生物医学应用的有希望的候选者。现有制备碳点的手段普遍存在以下问题：(1)产物难以分离且产量较低，难以有效利用。(2)碳点的红光量子聊率普遍偏低且缺乏近红外二区吸收带有效的调控手段。与近红外一区(niri700-1000nm)相比，近红外二区(nirii1000-1700 nm)窗口表现出优异的组织穿透性、较低的组织吸收、减少的热扩散和较高的生物相容性功率(808nm激光的允许功率为0.33w/cm2，而1064nm激光的允许功率为1w/cm2)。然而，目前缺乏将cds的吸收带隙调节至nirii的有效策略。理论上，增加共轭程度可以产生nirii吸收，但也会导致材料疏水性增加，从而降低材料在体内的排泄能力。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种金属元素掺杂型发光碳点。本发明的目的之二在于提供上述金属元素掺杂型发光碳点的制备方法。本发明的目的之三在于提供一种碳点复合材料。本发明的目的之四在于提供一种荧光成像制剂或光热制剂。本发明的目的之五在于提供荧光成像制剂或光热制剂的应用。本发明采用缺陷工程调整碳点光学带隙，在不改变碳点材料尺寸和水溶性的情况下构建nir ii中的吸收带隙，所制得的金属元素掺杂型发光碳点能够在保证较高荧光量子产率的基础上表现出极强的近红外二区光热转化能力，以解决上述技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种金属元素掺杂型发光碳点，包括碳点，负载在所述碳点表面的金属阳离子，分散在所述碳点内核的还原金属阳离子；所述还原金属阳离子是由所述金属阳离子通过光诱导制得；所述还原金属阳离子在所述碳点内核形成配位态能级结构。

4、优选地，所述金属阳离子为钠离子或锂离子。

5、优选地，所述碳点的粒径为2-6nm。

6、本发明第二方面提供了第一方面所述的金属元素掺杂型发光碳点的制备方法，包括如下步骤：

7、s1、将碳源、氮源与金属碳酸盐在有机溶剂中混合，进行溶剂热反应，制得表面含有金属阳离子的碳点；所述碳源具有还原性；

8、s2、将表面含有金属阳离子的碳点用强光进行光照诱导，制得金属元素掺杂型发光碳点。

9、优选地，所述碳源选自柠檬酸、草酸或抗坏血酸。

10、优选地，所述氮源为尿素或乙二胺。

11、优选地，所述金属碳酸盐为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸锂、碳酸氢锂中的一种或多种。

12、优选地，所述有机溶剂为甲酸。

13、优选地，所述碳源和氮源的质量比为1：(1-6)。

14、更优选地，所述柠檬酸和尿素的质量比为1：(1-6)。进一步优选地，所述柠檬酸和尿素的质量比为1：(2-3)。

15、优选地，所述碳源和氮源的总质量与有机溶剂的体积之比为(0.05-0.5)g：1ml。

16、更优选地，所述柠檬酸和尿素的总质量与甲酸的体积之比为(0.05-0.5)g：1ml。进一步优选地，所述柠檬酸和尿素的总质量与甲酸的体积之比为0.1g/ml、0.2g/ml、0.3g/ml或0.4g/ml。

17、优选地，所述金属碳酸盐与有机溶剂的摩尔比为1：(5-40)。

18、更优选地，所述碳酸钠与甲酸的摩尔比为1：(5-40)。进一步优选地，所述碳酸钠与甲酸的摩尔比为1:10、1:15、1:20、1:25、1:30或1:35。

19、优选地，步骤s1中，所述溶剂热反应的温度为160-200℃。

20、更优选地，步骤s1中，所述溶剂热反应的温度为180-190℃。

21、优选地，步骤s1中，所述溶剂热反应的时间为2-6h。

22、更优选地，步骤s1中，所述溶剂热反应的时间为2-4h。

23、优选地，步骤s1还包括如下步骤：在溶剂热反应之后进行离心分离，将得到的固体进行干燥以得到金属阳离子包裹的红光发射碳点。

24、更优选地，所述离心分离具体为：在溶剂热反应之后的体系中加入能促使碳点析出的且与水互溶的有机溶剂，然后进行离心析出固体。进一步优选地，所述有机溶剂选自无水乙醇、无水甲醇等，可以为一种也可以为多种。进一步优选地，所述有机溶剂的用量与反应后溶液的体积之比为1-4:1(如1:1、2:1、3:1、4:1等)，有机溶剂过量为宜(如体积比为2-3:1)，以充分分离固体产品。

25、更优选地，所述离心的过程分为多次进行，离心次数可以为2-4次，如2次、3次、4次。具体地，离心分离的转速优选为6000-12000转/分，更优选为8000转/分。在离心分离结束之后将得到的上层溶液去除，将下层沉淀物冷冻干燥，得到高效的红光发射碳点。

26、更优选地，采用冷冻干燥的方式进行干燥。

27、优选地，步骤s2中，所述光照诱导的时间为1-60min。

28、更优选地，步骤s2中，所述光照诱导的时间为2-10min。进一步优选地，步骤s2中，所述光照诱导的时间为4-6min。

29、优选地，步骤s2中，所述光照诱导的光照强度为0.1-5w/cm2。

30、更优选地，步骤s2中，所述光照诱导的光照强度为0.8-2w/cm2。

31、优选地，步骤s2中，所述强光为波段为530-980nm的激光。

32、更优选地，步骤s2中，所述激光的波段为730-980nm。

33、优选地，步骤s2还包括如下步骤：将碳点溶于水中，用波段为530-980nm的激光进行光照诱导在碳点水溶液吸收谱带波段范围内的光源进行光照处理。

34、优选地，步骤s2还包括如下步骤：在激光诱导之后进行去离子水透析纯化，将得到的液体进行冻干干燥。

35、更优选地，所述透析纯化所用的透析袋的截留分子量为500-5000da，

36、更优选地，所述透析时间为12-72h。

37、本发明第三方面提供了一种碳点复合材料，包括第一方面所述的金属元素掺杂型发光碳点和生物分子；所述生物分子包括氨基酸、多肽或蛋白质。

38、优选地，所述金属元素掺杂型发光碳点与生物分子的质量比为1：(10-100)。

39、本发明第四方面提供了一种荧光成像制剂或光热制剂，制备原料包括第一方面所述金属元素掺杂型发光碳点，或第三方面所述碳点复合材料。

40、本发明第五方面提供了第四方面所述荧光成像制剂或光热制剂在生物荧光成像、光声成像或制备光热治疗药物中的应用。

41、本发明的有益效果是：

42、1)本发明提供了一种金属元素掺杂型发光碳点，所述碳点的表面金属阳离子经光诱导还原反应迁移到碳点碳基内核，并与内核碳形成配位态能级结构，该能级结构产生增强的近红外二区吸收谱带，并具有二区波段增强的光热转换性能。所制备的光诱导金属元素掺杂型发光碳点与蛋白、多肽或氨基酸分子的复合制剂，具有增大的粒径，增强的荧光发光特性，并保持极好的近红外二区光热转换特性，可作为荧光成像制剂，光热制剂，应用于生物荧光成像、光声成像和光热治疗等领域。

43、2)本发明所制备的发光碳点具有高效水相红光和近红外二区光热效果，另外碳点复合材料的水溶液也可以通过静脉注射的方式进入小鼠体内，实现了小鼠肿瘤内的长时间滞留，进而达到了治疗引导的效果，进而可通过近红外二区激光的处理，实现了有效的近红外二区光热治疗。