張正偉，彭可睿，陳建秋，嚴(yán)拯宇

(中國藥科大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210009)

半導(dǎo)體量子點(Quantum dots,QDs)因其具有良好的光學(xué)、電學(xué)及光電學(xué)性質(zhì)[1-2]，在生物標(biāo)記、生物醫(yī)學(xué)和光電子器件等研究領(lǐng)域[3-4]有著廣泛的應(yīng)用前景。但是常規(guī)半導(dǎo)體量子點在制備的過程中必然會引入重金屬元素，對環(huán)境和人類健康具有潛在的危害性[5]，因此開發(fā)無毒、環(huán)境友好型、且具有與半導(dǎo)體量子點類似的新型熒光納米材料成為大家關(guān)注的焦點。近幾年來，新型碳量子點(Carbon quantum dots,CQDs)逐漸被研發(fā)和應(yīng)用。與半導(dǎo)體量子點相比，碳量子點不僅具有相似的優(yōu)良的光學(xué)特性，而且彌補(bǔ)了半導(dǎo)體量子點毒性大的缺點，具有毒性小，生物兼容性好，熒光穩(wěn)定性好的突出優(yōu)勢[6-8]。

本研究以廢棄木屑為前驅(qū)物制備的活性炭為碳源[9-10],采用化學(xué)氧化法，并通過微波和超聲結(jié)合法進(jìn)行鈍化，制備了水溶性的生物質(zhì)基碳量子點，對合成的生物質(zhì)基碳量子點進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征和分析，同時考察了所合成碳量子點的光學(xué)性質(zhì)。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

生物質(zhì)基活性炭(以楊木木屑為原料，參照文獻(xiàn)[9]方法實驗室自制)；30%過氧化氫(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；醋酸(南京化學(xué)試劑有限公司)；PEG2000(西隴化工股份有限公司)等，均為分析純，所有試劑使用前未做進(jìn)一步處理，實驗用水為超純水。

UV-2100紫外分光光度計、RF-5301熒光分光光度計、FTIR- 8400S傅里葉紅外分光光度計，均為日本島津公司；KH-250DB超聲儀，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；HD 23020光量子測定儀，Delta OHM Italy；GZP-300B光照培養(yǎng)箱，南京恒裕儀器有限公司，所有測試均在室溫下完成。

1.2 水溶性CQDs的制備

稱取生物質(zhì)基活性炭0.3 g，置于250 mL圓底燒瓶中，加入40 mL HAc和80 mL 30% H2O2作為混合氧化劑(V(HAc) ∶V(H2O2)=1 ∶2)，用微波超聲(功率250 W，頻率50 kHz)處理30 min使混勻，然后在恒溫磁力攪拌器上加熱回流，先控制體系溫度緩慢上升，然后在100 ℃下磁力攪拌回流12 h，得到亮黃色的溶液。將新鮮制備的CQDs溶液用濾紙過濾，以除去大顆粒的雜質(zhì)和未反應(yīng)完全的活性炭，然后在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上低溫(50 ℃)旋蒸至約2 mL，用乙醚洗滌萃取(2×20 mL)，再將萃取物旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干燥，用超純水復(fù)溶至原體積即可。

取提純后的CQDs溶液50 mL，加入10 mL濃度為100 g/L的PEG2000溶液，充分混勻，先用微波超聲(功率250 W，頻率50 kHz)處理30 min，再用低檔微波處理30 min；然后在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，最后真空干燥后制得CQDs粉末。

1.3 碳量子點的表征

采用透射電子顯微鏡觀察樣品的尺寸和形貌，采用傅里葉紅外光譜儀分析檢測樣品的化學(xué)組成，采用紫外可見分光光度計和熒光分光光度計測定樣品的發(fā)光性能。以硫酸奎寧為參比，測量合成所得CQDs溶液的量子產(chǎn)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成方法的選擇

為了得到發(fā)光性能優(yōu)異的CQDs，對反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化。在0.3 g生物質(zhì)基活性炭和40 mL HAc- 80 mL 30% H2O2混合氧化劑的條件下，首先考察反應(yīng)溫度分別為60、 80、 100、 120 ℃制備CQDs，測定其熒光發(fā)射光譜(圖1)。結(jié)果顯示，隨著反應(yīng)溫度的增加，熒光強(qiáng)度呈增大的趨勢；隨溫度的升高，熒光強(qiáng)度增大的幅度變小，故選擇反應(yīng)溫度為100 ℃，水浴反應(yīng)即可滿足條件，使反應(yīng)設(shè)備簡化。然后確定溫度為100 ℃，反應(yīng)時間分別為1、 2、 4、 6、 8、 10、 12、 14 h制備CQDs，測定其熒光發(fā)射光譜(圖2)。實驗結(jié)果表明，CQDs的熒光發(fā)射峰位置隨著反應(yīng)時間的延長并沒有發(fā)生紅移或者藍(lán)移，考慮到實驗過程操作的方便性，選擇最佳反應(yīng)時間為12 h。因此，CQDs的合成條件：0.3 g生物質(zhì)基活性炭和40 mL HAc- 80 mL 30% H2O2混合氧化劑，反應(yīng)溫度為100 ℃，反應(yīng)時間為12 h。

2.2 提純方法的選擇

由于作為碳源的生物質(zhì)基活性炭的粒徑不均一，且在CQDs的制備過程中，混合氧化劑與碳源之間復(fù)雜的相互作用，使得制備的CQDs的粒徑也不均一，從而使熒光強(qiáng)度減弱，熒光光譜展寬。如圖3所示，經(jīng)提取后乙醚層的CQDs熒光光譜，熒光強(qiáng)度增大，半峰寬減小，熒光光譜峰藍(lán)移，且熒光光譜圖比較對稱、平滑(圖3a)；相反提純后水層的CQDs的熒光強(qiáng)度減弱，半峰寬增大，熒光光譜峰紅移，且熒光光譜圖不平滑(圖3c)。原因可能是乙醚作為萃取溶劑提純CQDs時，除去了未反應(yīng)完全的炭顆粒和其它雜質(zhì)，使粒徑較大的CQDs留在了水層，從而使乙醚層的CQDs較純，且粒徑較小，較均勻。

2.3 鈍化方法的選擇

對提純后的CQDs溶液分別采用高溫回流(120 ℃、 14 h)、超聲(功率250 W、頻率50 kHz、 30 min)、微波(功率400 W、 30 min)方法進(jìn)行鈍化，同時嘗試采用超聲和微波相結(jié)合進(jìn)行鈍化。結(jié)果如圖4所示，經(jīng)鈍化后量子點的熒光強(qiáng)度均有所增大，高溫回流的增幅最小，其次是微波法，超聲法的效果較好，采用超聲和微波相結(jié)合法進(jìn)行鈍化效果最好，熒光強(qiáng)度顯著增大，量子產(chǎn)率也從12.1%提高到19.6%，且節(jié)省時間，故選擇超聲和微波相結(jié)合法對碳量子進(jìn)行鈍化。PEG2000的作用主要有兩個：一方面有效填補(bǔ)了碳納米顆粒表面缺陷，使其表面鈍化，從而使熒光強(qiáng)度增大，量子產(chǎn)率提高；另一方面在碳納米顆粒表面引入更多的羥基，不僅增加水溶性，還有利于與其它功能基團(tuán)結(jié)合，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍[11]。

圖1 不同反應(yīng)溫度下制備的碳量子點的熒光圖譜

圖3 乙醚提純制得的CQDs(a)、未經(jīng)提純的CQDs(b)及提純后水層的CQDs(c)的熒光光譜圖

2.4 碳量子點的表征

圖5為合成的CQDs的紫外吸收和熒光發(fā)射光譜圖，以及在暗箱式紫外燈下的照片。在280 nm附近出現(xiàn)了明顯的CQDs的紫外特征吸收峰(圖5a)[11-12]；在最佳激發(fā)波長316 nm下，CQDs的最大發(fā)射波長在435 nm左右，且熒光強(qiáng)度大(圖5b)，這同在暗箱式紫外燈下CQDs發(fā)射出明亮的藍(lán)色熒光(圖5c)相一致。

圖6是樣品的透射電鏡(TEM)照片，可以看出該法制備的CQDs分散性好，呈球形顆粒，粒徑為5～8 nm。

如圖7所示，在CQDs的紅外光譜圖a曲線中，在1702 cm-1處的強(qiáng)吸收峰歸屬于—COOH的伸縮振動峰；3415 cm-1的寬峰歸屬于—OH的伸縮振動峰；在活性炭的紅外光譜圖b曲線中，卻沒有羰基、羥基的特征吸收峰。結(jié)果表明，活性炭經(jīng)氧化劑處理后化學(xué)成分有所改變，化學(xué)氧化法制得的CQDs中氧含量明顯增高，有大量的羰基、羥基出現(xiàn)。

考慮到量子點溶液的最大熒光發(fā)射波長與硫酸奎寧更接近，選擇硫酸奎寧為參比物，參照文獻(xiàn)方法，測量制備的CQDs的熒光量子產(chǎn)率得，最大熒光量子產(chǎn)率為19.6%[13]。

2.5 碳量子點的光學(xué)性質(zhì)

2.5.1 碳量子點的穩(wěn)定性 將CQDs水溶液放置于實驗室環(huán)境中，不定期取相同濃度的CQDs溶液，測定熒光強(qiáng)度，考察其穩(wěn)定性情況。在考察的6個多月內(nèi)，CQDs的熒光強(qiáng)度基本沒有變化，表明制備的CQDs具有很好的穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用潛力。

2.5.2 pH值對碳量子點的影響 將CQDs用PBS緩沖液配制成一定濃度的溶液，使其pH值分別為2、 4、 6、 7、 8、 10、 12，在最佳激發(fā)波長316 nm下測定其熒光強(qiáng)度，結(jié)果如圖8所示，在偏酸或偏堿性條件下，CQDs的熒光強(qiáng)度均較低；在pH值為7附近時，溶液的熒光強(qiáng)度最大，此結(jié)果對于CQDs作為熒光標(biāo)記物應(yīng)用于細(xì)胞和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要價值。

圖5 CQDs溶液的紫外吸收(a)和熒光發(fā)射光譜圖(b)以及在暗箱式紫外燈下的照片(c)

圖7 與活性炭的紅外光譜圖

2.5.3 光照對碳量子點的影響 以CdTe和 CdTe/CdS量子點作為參照，來考察CQDs的抗光漂白性[14]。在光照培養(yǎng)箱(溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為50.12 μmol/(m2·s)內(nèi)，放置0、 2、 4、 6、 8、 10、 12 h后取樣，測定其熒光強(qiáng)度的變化。如圖9所示，連續(xù)光照12 h后，CQDs的熒光強(qiáng)度幾乎沒有變化；但是CdTe和 CdTe/CdS量子點的熒光強(qiáng)度隨著光照時間延長(0～8 h)緩慢的降低，8 h后迅速降低，至 12 h時降至零；結(jié)果表明CQDs的抗光漂白性優(yōu)于CdTe和CdTe/CdS量子點，光學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，有利于作為新的熒光標(biāo)記物。

2.5.4 溫度對碳量子點的影響 將CQDs粉末用超純水溶解配制成一定濃度的CQDs溶液，分別放置在25、 30、 35、 40、 50 ℃的水浴中平衡30 min，然后在最佳激發(fā)波長316 nm下立即測定其熒光強(qiáng)度。如圖10所示，當(dāng)溫度從25 ℃升至40 ℃，熒光強(qiáng)度幾乎沒有變化，但隨著溫度進(jìn)一步升高，CQDs的熒光強(qiáng)度稍微有些減弱。結(jié)果表明，溫度對CQDs的熒光強(qiáng)度影響較小，室溫條件下儲存能夠保持熒光穩(wěn)定，能夠滿足CQDs作為熒光標(biāo)記物應(yīng)用于生物成像等領(lǐng)域的需要。

圖9 光照對CQDs、CdTe與CdTe/CdS的影響

3 結(jié) 論

選用以木屑為前驅(qū)物制備的活性炭為碳源，采用化學(xué)氧化法，用聚乙二醇2000進(jìn)行表面鈍化，制備出了水溶性的生物質(zhì)基碳量子點。

3.1 優(yōu)化了CQDs的合成方法，確定合成條件：0.3 g生物質(zhì)基活性炭, 40 mL HAc- 80 mL 30% H2O2混合氧化劑，反應(yīng)溫度為100 ℃，反應(yīng)時間為12 h。

3.2 采用微波和超聲結(jié)合法進(jìn)行鈍化，修復(fù)了CQDs的表面缺陷，熒光強(qiáng)度和量子產(chǎn)率均得到了提高。

3.3 通過CQDs的表征，表明了該方法制得的CQDs粒徑小、分散均勻，水溶性好且易于表面功能化。

3.4 光學(xué)性質(zhì)考察，證實了CQDs的抗光漂白性強(qiáng)、光穩(wěn)定性好，熒光強(qiáng)度具有pH值依賴性，中性環(huán)境下熒光強(qiáng)度最大。另外，該合成方法的碳源豐富、廉價、簡單易得[15]，氧化劑的反應(yīng)產(chǎn)物為H2O和CO2，綠色環(huán)保，且易于大規(guī)模生產(chǎn)。

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