一种碳量子点纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种碳量子点纳米材料及其制备方法和应用，该方法为：取柠檬酸、巯基乙胺、聚乙烯亚胺，溶于超纯水中，搅拌混匀，超声处理，在120‑170℃，微波加热处理，将反应合成完的混合物经透析袋在超纯水中透析，完成后真空旋转干燥仪干燥，收集材料即可。本发明专利技术在微波可控辅热条件下，由巯基乙胺调谐柠檬酸和聚乙烯亚胺水热合成多生物学功能的碳量子点，可获得具有高亮度荧光，或高电荷等不同材料表征性能的碳量子点，能够针对不同的生物学应用的需求，在改变合成条件的基础上优选出具有高水相分散性，低细胞毒性的植物活细胞的细胞壁荧光标记物，或促进动植物细胞内吞及高效吸收外界溶液的材料，或实现递送核酸转染具细胞壁的植物完整细胞的材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于具生物学功能的有机碳量子点合成
，涉及微波可控辅热促进巯基乙胺调谐柠檬酸与聚乙烯亚胺合成荧光聚合物或碳点的制备方法，具体涉及一种碳量子点纳米材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着基因组高通量测序技术的迅速发展，研究人员积累了许多物种的基因组序列，这些物种的研究也随之进入了功能基因组时代。其中，生物信息学预测出的许多基因需要进行功能鉴定及功能互作的研究，因此，多种新颖的，精准的基因功能研究技术不断涌现，如基因编辑技术，RNA干扰，基因定点突变，基因定点插入。这些技术都需要将构建的外源核酸分子递送进相应细胞内才能发挥作用，而且更重要的是能获得转基因植株。目前，植物转基因受体系统中，体细胞胚胎再生体系可以实现再生植株的目标，而且已在多种植物中成功构建，一些已经进行工厂化生产，并且获得的转基因植株的表型也能通过植物表型组学高通量性状分型及表型-基因组数据关联分析技术进行有效的收集分析。因此，高载荷量，稳定，高效甚至多种大片段核酸共转染的基因转染技术成为各个植物物种基因工程迫切需求的关键技术。但是传统的病毒，农杆菌介导的将外源遗传物质引入植物细胞内表达的技术，具有受体材料易污染，转染物种范围窄，转染质粒长短有限等局限性，而基因枪，显微注射，电击法，等常规物理方法存在转化成本高，效率低，难以转化具有细胞壁的植物细胞，细胞易损伤等问题，难以满足日趋迫切的植物完整细胞高效转基因的需求。表面能够修饰功能基团，具有多功能的纳米材料作为核酸运载工具在动物中已广泛开展研究，所研究出的材料具有吸附、压缩DNA，保护DNA不被酶切降解，转基因效率高等优点；而且纳米材料以其较小的粒径、表面活性，能够被植物细胞吸收至胞质内，由其结构与表面电荷的不同，能够特异性定位到不同的亚细胞结构中，甚至通过植株内运输系统，特异性地在分生组织中富集。一些纳米材料能够具有发射波长范围窄，荧光发射强度高等优异的荧光性能。因此，以纳米材料开发应用于植物的高载荷，高效率纳米基因递送载体势在必行。聚乙烯亚胺(PEI)，是一种含有丰富氮原子的聚阳离子高分子聚合物，其具有1KDa到1000KDa的宽分子量范围，它分为线状和分枝状两种分子结构，结构骨架(-CHI-CHZ-NH-)中每3个原子就存在一个氨基，其可以在生理条件下发生质子化，使得PEI具有较高的正电荷密度，通过静电吸附作用和带负电荷磷酸基团的核酸发生电性中和，能够有效地吸附，压缩带负电荷的核酸分子，形成稳定的纳米-核酸复合物，表面电荷呈中性或弱阳性，与表面带负电荷的细胞膜相互作用而进入细胞内，而且能够保护核酸分子免受细胞溶酶体中降解酶的降解，在酸性内涵体中发生质子化，吸附内涵体中离子，改变内外水势，导致外部离子内流，使内涵体膨胀破裂，即产生“质子海绵效应”，从而释放出从PEI游离出来的核酸分子或PEI与核酸分子的复合物，促进核酸转运至细胞核，实现基因稳定转染。经过进一步与其他功能性分子修饰，能够获得较高的靶向性和转染效率。所以聚乙烯亚胺是应用于动物细胞的一种具有较高转染效率的体外转染阳离子聚合物，被广泛用作核酸类基因药物的阳离子聚合物载体系统。但是PEI潜在的细胞毒性会随着分子量的增加，而明显增大，尤其是平均分子量为25000的PEI。其次PEI表面过多的具正电荷的基团以及分散的结构，在应用于外层具有细胞壁的植物完整细胞的核酸递送时，常常仅吸附在细胞壁表面。由于这些缺点的存在，限制了PEI的应用。但据文献报道，使用柠檬酸与低分子量的PEI水热反应合成高/超分子聚合物，在单个分子上富集PEI的带正电的基团，提高质粒吸附量，提高了转染效率；将亲水性的多聚物如PEG修饰在PEI上，降低了表面正电荷，同时也降低了毒性。目前，已有研究表明，利用分子量（MW）为25,000的PEI作为高效原生质体瞬时表达质粒递送载体，在pH为7.0的条件下50μL溶液中结合质粒DNA，TEM负染色检测其形成了100-200nm的纳米尺寸的复合物，在N/P比为5时转染拟南芥原生质体平均效率达到65%。而高正电荷基团的聚酰胺-胺型树枝状高分子（PAMAM）能够递送质粒进入具有细胞壁的植物细胞中，实现转基因。碳量子点（C-dots）作为具有独特物理化学性质，特别其具有良好的生物相容性的第四主族为原料合成的纳米材料，目前已被广泛应用到生物传感、药物载体和荧光成像等不同生物医学研究领域。相对于其他纳米材料而言，C-dots作为一种新型的具有荧光性质的零维碳纳米材料，具有以下优势：①C-dots的相对分子质量和粒径都小，直径一般在1~10nm；碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是构成地球上一切生命体最重要的元素。例如，生命体的基本结构单元氨基酸、蛋白质、核苷酸等的骨架都是由碳元素组成的，因此，C-dots通常对生命体是无毒的或低毒性的，具有良好的生物相容性和环境友好性；③具有一元激发多元发射的荧光性质，同时还具有优异的宽吸收窄发射特性。在C-dots具有生物学和材料学多个优点的基础上，以细胞自身存在的有机物结合已有的功能性大分子，或直接以特殊细胞内含物如硅藻等合成小粒径的碳量子点等纳米材料已有研究报道。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的不足，本专利技术的第一个目的是提供一种碳量子点纳米材料，具有转基因效率高，可降解，毒性低等特点。本专利技术的第二个目的是提供一种上述碳量子点纳米材料的制备方法。本专利技术第三个目的是提供上述碳量子点纳米材料的应用。技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种碳量子点纳米材料的制备方法：取柠檬酸、巯基乙胺、聚乙烯亚胺，溶于超纯水中，搅拌混匀，超声处理，在120–170℃，微波加热处理，将反应合成完的混合物经透析袋在超纯水中透析，完成后真空旋转干燥仪干燥，收集材料即可。所述的碳量子点纳米材料的制备方法，柠檬酸与巯基乙胺质量比不小于1，聚乙烯亚胺与巯基乙胺的质量比为1-5。所述的碳量子点纳米材料的制备方法，超声功率为200W、频率为28KHz，超声3min。所述的碳量子点纳米材料的制备方法，其特征在于：微波功率是500W，加热10min。所述的碳量子点纳米材料的制备方法，在45℃的超纯水中透析36h，10h换一次超纯水。所述的碳量子点纳米材料的制备方法所获得的碳量子点纳米材料。带正电荷，粒径小，具有高亮度荧光的碳量子点，其能吸附带负电荷的物质，如核酸分子，以适合的配比结合形成的复合物能够亲和细胞壁，并且与细胞膜互作，激活细胞内吞作用，进入细胞内，实现外源物质的递送。所述的碳量子点纳米材料作为细胞壁荧光标记物的应用。所述的碳量子点纳米材料作为促进动植物细胞内吞及高效吸收外界溶液的材料的应用。所述的碳量子点纳米材料作为实现递送核酸转染具细胞壁的植物完整细胞的材料的应用。有益效果：针对现有技术中存在的不足，本专利技术其有以下优势：一、合成方法简单高效：本专利技术所使用的反应底物都能够在水中溶解，因此采用水分散体系，溶解无苛刻条件，使用微波合成仪，可方便的调节参数实现巯基乙胺的调谐合成功能。二、产物性能可调谐：本专利技术合成的聚合物或碳量子点有在紫外光照下可以发出高亮度的蓝白色荧光，也有不具荧光的材料，但其在其他方面如正电性等性能会相对更加优异。具有高亮度荧光的材料可应用于荧光可视化分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳量子点纳米材料的制备方法，其特征在于：取柠檬酸、巯基乙胺、聚乙烯亚胺，溶于超纯水中，搅拌混匀，超声处理，在120‑170℃，微波加热处理，将反应合成完的混合物经透析袋在超纯水中透析，完成后真空旋转干燥仪干燥，收集材料即可。

【技术特征摘要】
1.一种碳量子点纳米材料的制备方法，其特征在于：取柠檬酸、巯基乙胺、聚乙烯亚胺，溶于超纯水中，搅拌混匀，超声处理，在120-170℃，微波加热处理，将反应合成完的混合物经透析袋在超纯水中透析，完成后真空旋转干燥仪干燥，收集材料即可。2.根据权利要求1所述的碳量子点纳米材料的制备方法，其特征在于：柠檬酸与巯基乙胺质量比不小于1，聚乙烯亚胺与巯基乙胺的质量比为1-5。3.根据权利要求1所述的碳量子点纳米材料的制备方法，其特征在于：超声功率为200W、频率为28KHz，超声3min。4.根据权利要求1所述的碳量子...

【专利技术属性】
技术研发人员：施季森，陈桢雨，夏兵，陈金慧，霍爱玲，王宾，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32