One-step Preparation of Novel Fluorescent Carbon Dots for Cell Imaging

doi:10.7503/cjcu20250166

Abstract

Abstract:

In this study， novel fluorescent carbon dots（CDs） were rapidly synthesized via a one-step hydrothermal method using 1，8-naphthalic anhydride（NA） and 1，2-phenylenediamine（OPD） as precursors. By optimizing reaction conditions， yellow fluorescent carbon dots（Y3-CDs） with superior luminescence performance were prepared. The particle sizes and morphology of the Y3-CDs were characterized by high-resolution transmission electron microscopy（HRTEM）， revealing an average diameter of approximately 2.6 nm and an interlayer spacing of 0.21 nm. This spacing corresponds to the d-spacing of graphene（100） planes and is consistent with the diffraction peak observed at 42.88^o in X-ray powder diffraction（XRD） analysis. X-ray photoelectron spectroscopy（XPS） confirmed the presence of sp² /sp³ hybridized carbons（C=C/C—C， 284.8 eV）， carbon-nitrogen bonds（C—N， 286.5 eV）， and carbonyl carbons（C=O， 288.4 eV）. The optical properties of the Y3-CDs were further investigated using fluorescence spectrometry（FL）， ultraviolet-visible absorption spectroscopy（UV-Vis）， and lifetime measurements. The fluorescence spectra exhibited non-excitation-dependent emission behavior， indicating a single emission center. Fourier-transform infrared spectroscopy（FTIR） and nuclear magnetic resonance（NMR） provided detailed structural insights. Due to their high purity， the characteristic hydrogen（H） and carbon（C） atoms could be clearly resolved and analyzed. ¹H NMR results demonstrated that all H atoms were located on the surface of the carbon core， exhibiting ortho-substitution patterns and coupling effects. ¹³C NMR and DEPT 135 spectra confirmed the presence of ten distinct tertiary carbon atoms. The cell-tracking and imaging performance of Y3-CDs were systematically evaluated. Results demonstrated that Y3-CDs possess excellent cell imaging capabilities and anti-photobleaching properties. Even after 180 minutes of continuous irradiation， Y3-CDs retained strong fluorescence， enabling long-term tracking of HeLa cells. Co-localization experiments further highlighted their selective lipid droplet imaging ability， with a Pearson’s correlation coefficient of 0.846.

Key words: Carbon dots, NMR analysis, Anti-photobleaching, Cell tracking, Lipid droplet imaging

CLC Number:

O657.3

TrendMD:

FAN Hongting, XU Jiatong, QI Chunxuan, MA Hengchang. One-step Preparation of Novel Fluorescent Carbon Dots for Cell Imaging[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(11): 20250166.

Figures/Tables 6

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Sample	Molar ratio	Time/h	Temperature/℃
Y1⁃CDs	5∶1	4	180
Y2⁃CDs	3∶1	4	180
Y3⁃CDs	1∶1	4	180
Y4⁃CDs	1∶3	4	180
Y5⁃CDs	1∶5	4	180
Y6⁃CDs	1∶1	4	140
Y7⁃CDs	1∶1	4	220
Y8⁃CDs	1∶1	8	180
Y9⁃CDs	1∶1	12	180

Sample	Molar ratio	Time/h	Temperature/℃
Y1⁃CDs	5∶1	4	180
Y2⁃CDs	3∶1	4	180
Y3⁃CDs	1∶1	4	180
Y4⁃CDs	1∶3	4	180
Y5⁃CDs	1∶5	4	180
Y6⁃CDs	1∶1	4	140
Y7⁃CDs	1∶1	4	220
Y8⁃CDs	1∶1	8	180
Y9⁃CDs	1∶1	12	180