王晨星，魏建航，白狀偉

(西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西西安710054)

碳量子點(diǎn)(CDs)因優(yōu)越的光學(xué)性質(zhì)、良好的生物相容性和多官能團(tuán)修飾特性[1-5]廣泛應(yīng)用在傳感、生物成像、藥物遞送、太陽能電池、光電子和光催化等研究領(lǐng)域[6，7]。傳統(tǒng)的單發(fā)射CDs，一般發(fā)射單色藍(lán)光，因?yàn)樯锏孜镌谧贤夤饧ぐl(fā)會產(chǎn)生藍(lán)色自熒光性質(zhì)，同時(shí)也會對生物組織造成一定程度的光損傷，所以限制了其在生物成像過程中的應(yīng)用。除此之外，這些單發(fā)射CDs也容易受到環(huán)境影響和激發(fā)波長，相似組份和傳感器濃度等因素的影響[8，9]。在另一方面，發(fā)紅光的CDs具有良好的器官穿透性，并且對生物組織光損傷是微乎其微的。所以，開發(fā)新的雙發(fā)射CDs可以有效避免單發(fā)射CDs的缺點(diǎn)，為生物或生物醫(yī)學(xué)分析提供更好的傳感策略。

本文采用一種簡單、低成本的水熱法，一步合成雙發(fā)射的碳量子點(diǎn)，該方法制備的CDs，水溶性良好，在465 nm和588 nm均有發(fā)射峰，并且發(fā)射峰在588 nm時(shí)，對pH有良好的響應(yīng)能力。文中所制備的碳點(diǎn)，尺寸均勻，粒徑在3～5 nm左右。該方法為大批量制備CDs提供了一條有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

苯并咪唑購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。甲酰胺、檸檬酸和聚乙二醇400、乙酸乙酯購于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。微孔過濾膜購于深圳市好質(zhì)全實(shí)驗(yàn)耗材有限公司。硅膠和透析袋均來自于青島海浪硅膠干燥劑有限公司和北京瑞達(dá)恒輝科技發(fā)展有限公司。

采用紫外-可見分光光度計(jì)(TU-1901北京普析儀器有限公司)、熒光光譜儀(LS55，Perkin Elmer，美國)、傅里葉變換紅外光譜儀(Perkin Elmer，美國珀金埃爾默)、英國Renishaw公司In Via Reflex型顯微激光拉曼光譜儀、透射電子顯微鏡(Tecnai G2，F(xiàn)EI，美國)和日本Rigaku XRD-7000S/L型X-射線衍射儀(XRD)用于光學(xué)及形貌表征。

1.2 碳量子點(diǎn)的制備

雙發(fā)射熒光碳量子點(diǎn)合成步驟如下：0.232 g苯并咪唑、3.0 mL聚乙二醇400和1.000 g檸檬酸溶于15.0 mL甲酰胺體系中，超聲5 min，使得剛配制的溶液充分溶解為均一的分散液，將其放入聚四氟乙烯內(nèi)膽中，并在恒溫烘箱中加熱12 h，保持180℃；冷卻至室溫并將其倒入燒杯，混合溶液的顏色從無色變?yōu)榱撕谏?，這時(shí)碳量子點(diǎn)已經(jīng)形成；將制備好的碳量子點(diǎn)進(jìn)行抽濾(0.2 μm微孔膜)和過柱子(V乙醇/V乙酸乙酯=1/4)；過柱子后將得到的溶液用超純水透析，最終得到含有雙發(fā)射熒光碳量子點(diǎn)的的溶液，冷凍干燥后避光保存。

1.3 制備碳量子點(diǎn)對pH值的敏感性

將制備好的CDs固體用超純水配置成0.25 g/mL的CDs溶液，然后用HCl和NaOH水溶液配置成不同pH值，將不同pH值的溶液裝成等量5.0 mL然后向其中加入10 μL之前所配置的CDs溶液。充分震蕩10 min后進(jìn)行熒光測定。當(dāng)激發(fā)波長為380 nm，測試發(fā)射波長為465 nm時(shí)的熒光強(qiáng)度；當(dāng)激發(fā)波長為540 nm，測試發(fā)射波長為588 nm時(shí)的熒光強(qiáng)度。所有的實(shí)驗(yàn)都在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光及紫外可見吸收光譜

在自然燈光下CDs水溶液為淺灰色液體(圖1插圖1)，365 nm的紫外燈照射下發(fā)出藍(lán)光(圖1插圖2)，在532 nm的綠光燈照射下發(fā)出淺紅色光(圖1插圖3)。圖1是CDs在水溶液中的熒光圖譜，可以看出，當(dāng)激發(fā)波長在λex=320 nm～380 nm時(shí)，CDs發(fā)射波長在465 nm，當(dāng)激發(fā)波長為380 nm得到最大發(fā)射強(qiáng)度。當(dāng)激發(fā)波長為400 nm～480 nm，CDs發(fā)射峰峰位隨著激發(fā)波長的紅移而紅移，展現(xiàn)出明顯的激發(fā)波長相依性，這與文獻(xiàn)報(bào)道過的碳點(diǎn)熒光性質(zhì)相似[10]。當(dāng)激發(fā)波長為λex=500 nm～540 nm時(shí)，最大發(fā)射波長為在588 nm。對合成碳點(diǎn)的紫外吸收光譜進(jìn)行了考察，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，CDs的水溶液有4條吸收帶，196 nm是因?yàn)棣?π*電子躍遷[11]，而在300～600 nm的低能量區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了332.5 nm、390 nm和589.5 nm處的三條吸收帶，可以歸結(jié)于C=O以及含有C=N/C=O和C-O結(jié)構(gòu)的表面態(tài)的躍遷[12-14]。對合成碳點(diǎn)的形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，制得的CDs擁有良好的分散性，尺寸集中在3 nm～5 nm左右。CDs的這種發(fā)射峰(λex=400 nm～480 nm)隨著激發(fā)波長而改變的現(xiàn)象，不僅是由尺寸大小引起的，更多的是由于CDs上發(fā)射位點(diǎn)被激發(fā)產(chǎn)生的熒光不同。

圖1水溶液中碳量子點(diǎn)在不同激發(fā)波長下的熒光光譜圖：激發(fā)波長在320 nm～380 nm(m，l，k，j)范圍；激發(fā)波長在400 nm～480 nm(d，e，f，g，h)范圍；激發(fā)波長在500 nm～540 nm(a，b，c)范圍

圖2 水溶液中碳量子點(diǎn)的紫外可見吸收光譜圖

2.2 其他表征

對合成碳點(diǎn)的形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，制得的CDs擁有良好的分散性，尺寸集中在3 nm～5 nm左右。CDs的這種發(fā)射峰(λex=400 nm～480 nm)隨著激發(fā)波長而改變的現(xiàn)象，不僅是由尺寸大小引起的，更多的是由于CDs上發(fā)射位點(diǎn)被激發(fā)產(chǎn)生的熒光不同。

利用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)(圖4)對CDs的表面官能團(tuán)進(jìn)行的考察，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，3318 cm-1和2876.4 cm-1處的吸收峰屬于-OH和-CH2伸縮振動，2360.5 cm-1處屬于-N=C=O伸縮振動，1476.3 cm-1～1255 cm-1、1111.8 cm-1和945.47 cm-1～669.68 cm-1的吸收峰分別歸屬C=O/C=C、C-N/C-O和C-H的伸縮振動[15-22]。說明合成碳點(diǎn)含有氮原子的摻雜。并且CDs表明存在大量的含有大量的含氧官能團(tuán)。

圖3碳量子點(diǎn)的透射電鏡圖

圖4碳量子點(diǎn)的紅外光譜圖

圖5(a)為CDs的XRD圖譜，其中位于2 θ=22°附近的寬峰，歸屬于CDs內(nèi)無序的類石墨微觀結(jié)構(gòu)并且在透射電鏡圖中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的晶格線，說明制得的CDs內(nèi)部碳源之間的無序性[23，24]。從CDs水溶液的拉曼圖譜(圖5b)可以看出對應(yīng)于碳材料中的無序或缺陷區(qū)域D峰位于1361 cm-1，石墨結(jié)構(gòu)的Sp2雜化碳的G峰位于1592 cm-1，D峰相強(qiáng)度明顯低于G峰相強(qiáng)度，D峰和G峰強(qiáng)度比值ID/IG=1362/1592=0.95，說明石墨化程度較高[12]。

圖5 碳量子點(diǎn)的XRD圖譜(a)和拉曼光譜圖(b)

2.3 pH敏感性

為了進(jìn)一步了解CDs的光學(xué)性質(zhì)，考察了CDs對介質(zhì)pH值的敏感性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6(i、k、m)。圖6詳細(xì)考察了CDs兩個(gè)發(fā)射峰在不同pH值下的熒光強(qiáng)度。從圖6(i，k)可以看出，激發(fā)波長為380 nm，在酸性條件下(pH2.03～5.25)熒光強(qiáng)度隨著pH值的增加而增強(qiáng)，在堿性介質(zhì)中pH值為10.62時(shí)，熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，這可能是由于制備的CDs表面基團(tuán)在強(qiáng)堿性條件下容易發(fā)生解離或者電荷轉(zhuǎn)移引起的[25]。激發(fā)波長為540 nm(圖6m)，當(dāng)pH值在2.03-11.46范圍內(nèi)，隨著pH值增加，CDs的熒光強(qiáng)度也增強(qiáng)。除此之外，還可以明顯的觀察到，隨著pH值的增加，CDs溶液的顏色也呈現(xiàn)出透明液體到由粉紅色變化的趨勢，并且，顏色逐漸由淺到深變化，如圖7所示。由此可初步建立可視化檢測pH的方法。這對熒光生物成像來檢測生物體內(nèi)pH值提供了重要的參考價(jià)值。

圖7 碳量子點(diǎn)在不同pH值時(shí)溶液顏色變化圖

3 結(jié)論

通過水熱法一步合成了具有雙發(fā)射發(fā)光性質(zhì)的CDs(發(fā)射藍(lán)光和紅光，發(fā)射波長為465 nm，588 nm)。合成的CDs尺寸均勻，具有很好的水溶液分散性和優(yōu)異的光學(xué)穩(wěn)定性。考察了pH值對CDs熒光性能的影響，無論是藍(lán)光，還是紅光，都在堿性介質(zhì)中展現(xiàn)較強(qiáng)的熒光強(qiáng)度，但是紅光在強(qiáng)酸性介質(zhì)中熒光淬滅，藍(lán)光在強(qiáng)酸介質(zhì)中熒光強(qiáng)度降低，但是沒有淬滅。此研究展現(xiàn)了合成CDs對酸堿介質(zhì)的敏感性，為其后續(xù)在生物體中標(biāo)記分析應(yīng)用提供參考。