李順利, 劉 玉, 黃 飛, 劉 凱， 陳洪雷

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室，山東 濟南 250353)

近年來，隨著納米技術(shù)的日益發(fā)展，碳納米材料進入了人們的視線，引起了研究的熱潮。碳納米點(CNDs)是繼富勒烯、石墨烯、碳納米管之后出現(xiàn)的一種新型碳納米材料，其在三維尺寸上一般都低于10 nm，多數(shù)近似球形，可以是sp2和sp3的雜化碳結(jié)構(gòu)，也可以是無定型的聚集顆粒[1]。CNDs的表面含有一定的羥基、羧基和氨基等極性官能團，可通過官能化和鈍化進一步改良其性能[2]。CNDs具有合成工藝簡單、良好的水溶性和生物相容性、低毒性及熒光穩(wěn)定性等優(yōu)點，在光催化、生物傳感、醫(yī)療診斷、細胞標記、生物成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。國內(nèi)外研究人員對CNDs的合成方法進行了大量研究，常規(guī)方法如電化學(xué)氧化法、電弧放電和激光切割法、高溫?zé)峤夥?、微波法、水熱法與溶劑化學(xué)法等[3-7]，所使用的前驅(qū)體包括石墨烯片與碳纖維，氨基酸與芳香族化合物等[8-11]。但是這些前驅(qū)體成本高昂且易造成環(huán)境問題，同時這些CNDs的制備工藝通常耗時較長，能源消耗量大，設(shè)備技術(shù)要求高[12-13]。因此，探索簡便、經(jīng)濟、綠色的熒光CNDs的制備途徑是十分必要的。由于生物質(zhì)中含有豐富的雜原子，是優(yōu)異的可再生資源，利用生物質(zhì)制備碳納米材料已成為合成摻雜雜原子材料的發(fā)展趨勢。木質(zhì)纖維原料預(yù)水解是現(xiàn)代制漿工藝的重要環(huán)節(jié)，其根本目的是去除原料中的半纖維素，改良原料的制漿性能，提高半纖維素資源的利用效率[14]，同時減少制漿過程中半纖維素溶出，降低蒸煮廢液的污染負荷[15-16]。在此過程中會產(chǎn)生大量的預(yù)水解液，預(yù)水解液中含有豐富的糖源和芳香族化合物，這些糖源和芳香族化合物可為CNDs的合成提供碳源，并為后續(xù)的表面鈍化和原子摻雜提供了可能性。在CNDs的研究中有以氨基酸或者氨水作為摻雜劑成功進行了N摻雜，由于N原子的摻雜使得CNDs熒光強度顯著增強[17-18]。本研究以桉木片為原料，采用水熱方法進行預(yù)水解，在水解介質(zhì)中加入少許尿素為N摻雜劑，探討尿素對預(yù)水解效果的影響，并重點研究預(yù)水解液的熒光性能，以期實現(xiàn)木質(zhì)原料預(yù)水解過程中同步合成CNDs，提高預(yù)水解液的資源化、高值化利用。

1 實 驗

1.1 原料、試劑及儀器

桉木片由山東太陽紙業(yè)提供，尿素以及預(yù)水解液組分分析中所用硫酸、葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、半乳糖、甘露糖等均購置于上海國藥集團化學(xué)試劑公司。

F- 4600熒光分光光度計，日本HITACHI公司；Cary 8454紫外-可見光分光光度計，美國Agilent公司；JEM-2100型透射電鏡，日本電子株式會社；D8-ADVANCE型X射線衍射儀、MultiMode8型原子力顯微鏡、VERTEX70型紅外光譜儀，德國Bruker公司；ICS-5000型離子色譜測定儀、EscaLabXi+型X射線光電子能譜儀，美國賽默飛世爾公司；inVia-Reflex型激光共聚焦拉曼光譜儀，英國雷尼紹公司；FLS1000型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀，英國愛丁堡儀器公司。

1.2 桉木片的預(yù)水解及CNDs的制備

桉木片熱水預(yù)水解反應(yīng)在Greenwood 2201- 6旋轉(zhuǎn)式六罐蒸煮器中進行，每1 L容積罐內(nèi)放入50 g絕干木片，絕干木片與水分比為1 ∶7(g ∶ mL)，N摻雜時木片與尿素質(zhì)量比為500 ∶1，未摻雜N的則不必添加尿素，水解溫度180 ℃，水解時間180 min。水解結(jié)束后，收集預(yù)水解液，10 000 r/min條件下離心10 min去除懸浮雜質(zhì)，取上清液，用截留相對分子質(zhì)量為2 000的透析袋透析72 h后，得到預(yù)水解液。預(yù)水解液冷凍干燥后得到CNDs固體。

1.3 分析與表征

1.3.1熒光光譜分析 將待測預(yù)水解液以去離子水稀釋，使用熒光分光光度計對樣品進行光譜掃描。

1.3.2紫外-可見吸收光譜(UV-vis)分析 使用紫外-可見光分光光度計對CNDs的紫外-可見吸收光譜進行了表征，測試波長范圍200～650 nm。

1.3.3透射電鏡(TEM)分析 將待測預(yù)水解液以去離子水稀釋分散并滴于有超薄碳支持膜的銅網(wǎng)上，干燥后利用透射電鏡在200 kV的加速電壓下觀察。

1.3.4X射線衍射(XRD)分析 將冷凍干燥后的CNDs研磨得到粉末狀樣品，將粉末用載玻片壓實置于測試臺上使用X射線衍射儀進行表征，40 kV和100 mA，光源為Cu Kα，衍射角范圍為5～60°。

1.3.5原子力顯微鏡(AFM)分析 將預(yù)水解液以去離子水稀釋，將其滴在剛剝離的云母片上，干燥后使用原子力顯微鏡進行測試，數(shù)據(jù)利用NanoScope Analysis軟件進行分析。

1.3.6X射線光電子能譜(XPS)分析 對干燥研磨好的CNDs粉末使用壓力機將其壓平，通過導(dǎo)電膠粘在測試臺上，用X射線光電子能譜儀進行分析。

1.3.7水解液組分分析 取5 mL水解液清液與174 μL質(zhì)量分數(shù)為72%的硫酸放入耐壓瓶中，在121 ℃下酸解60 min。將酸解所得清液稀釋后利用離子色譜測定儀測定糖分含量。

1.3.8拉曼光譜(Raman)分析 將干燥研磨后的粉末狀樣品用激光共聚焦拉曼光譜儀測量，用以分析CNDs雜化結(jié)構(gòu)。

1.3.9紅外光譜(FT-IR)分析 將待測CNDs干燥粉末樣品與干燥后的溴化鉀按照1 ∶100的比例混合均勻并研磨，壓片后進行測試，掃描范圍為4000～400 cm-1。

1.4 CNDs的熒光壽命和量子產(chǎn)率的計算

利用FLS1000型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測定熒光壽命曲線，測定結(jié)束后使用Origin軟件基于非線性最小二乘函數(shù)分別使用單指數(shù)、雙指數(shù)和三指數(shù)函數(shù)對CNDs熒光壽命曲線進行擬合，并計算熒光平均壽命和不同熒光過程的權(quán)重，擬合公式見式(1)：

(1)

式中：Y(t)—時間為t時的熒光強度；α—時間衰減權(quán)重；β—與數(shù)據(jù)背景相關(guān)的擬合參數(shù)；τ—分子躍遷所用的時間；i—不同的熒光發(fā)射位點。

量子產(chǎn)率則是以硫酸奎寧為參比樣品來測定[19]，根據(jù)式(2)計算：

(2)

式中：Q—量子產(chǎn)率，%；I—熒光積分面積；A—吸光度；η—折射率，x和y分別代表待測樣品和參比樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)水解液的特性及光學(xué)性質(zhì)

2.1.1預(yù)水解液的特性 采用熱水預(yù)水解和摻雜尿素的熱水預(yù)水解方法分別水解木材原料，通過分析2種預(yù)水解液的酸堿性質(zhì)和成分組成，考察摻雜尿素對預(yù)水解過程的影響，結(jié)果見表1。由表1可知，無論是預(yù)水解液pH值，還是水解過程中溶出的有機組分(糖和木質(zhì)素)，2種預(yù)水解液都不存在明顯差異，可見少量尿素的添加不會影響桉木預(yù)水解過程中有機組分的溶出。

表1 不同預(yù)水解液的pH值和成分分析

然而，添加尿素條件下獲得的預(yù)水解液卻表現(xiàn)出明顯的熒光性能，如圖1所示。摻雜尿素的預(yù)水解液在自然光下呈現(xiàn)黃色，而在365 nm紫外光照射下，水解液呈現(xiàn)出藍綠色熒光。未摻雜尿素的預(yù)水解液在自然光下和摻雜尿素的預(yù)水解液并無明顯差異，而在365 nm的紫外光照射下其熒光強度明顯較弱。

將摻雜尿素后的預(yù)水解液濃縮或用去離子水稀釋后在365 nm紫外光下照射觀察，如圖2所示。

1.自然光visiblelight； 2.紫外光ultravioletlight

a.摻雜尿素with urea； b.未摻雜尿素without urea

圖1 預(yù)水解液的熒光性質(zhì)

Fig.1 Fluorescence properties of the PHL

a.1/5V; b.1/3V; c.V; d.5V; e.8V

圖2 紫外光下濃縮/稀釋至不同體積的尿素摻雜PHL

Fig.2 The PHL with urea at different concentration/dilution concentration under ultraviolet light

由圖2可以看出，摻雜尿素后的水解液具有顯著的熒光濃度猝滅性質(zhì)，隨著水解液濃度的降低，熒光強度明顯增強。這是由于在低濃度時，分子間能量交換極低，所吸收的外界光能主要以分子內(nèi)部的能量躍遷來消耗掉，激發(fā)出熒光；而當(dāng)濃度上升至一定程度，分子間會產(chǎn)生堆疊效應(yīng)，吸收外界光能后能量會更傾向于消耗在高低能分子間轉(zhuǎn)移，因此熒光有所減弱[20]。為進一步探討預(yù)水解液的熒光性能，以摻雜尿素預(yù)水解液為研究對象進行后續(xù)研究。

圖3 預(yù)水解液的紫外吸收及熒光光譜圖Fig.3 UV-vis and fluorescence(FL) spectra of PHL

為進一步研究預(yù)水解液的熒光特性，采用不同的激發(fā)波長對摻雜尿素的預(yù)水解液進行了熒光光譜掃描，得到熒光發(fā)射光譜見圖3。由圖3可以看出，當(dāng)激發(fā)波長從370 nm逐漸增加至410 nm時，最大熒光發(fā)射峰的位置也隨之從462 nm紅移至492 nm，當(dāng)激發(fā)波長為390 nm時，光譜強度在475 nm處達到峰值(3 000)。這是CNDs典型的熒光激發(fā)依賴性，不僅與CNDs的空間尺寸有關(guān)，每個粒子表面不同的發(fā)射位點或者缺陷也會導(dǎo)致這種現(xiàn)象的出現(xiàn)[23]。此外未摻雜尿素的水解液熒光強度明顯要低，最強發(fā)射峰位置也有所偏差，這與CNDs經(jīng)過氮源摻雜后其表面豐富的氨基官能團息息相關(guān)。氮原子與碳原子半徑接近，且有5個價電子可供鍵合，以硫酸奎寧為參比測得摻雜尿素的CNDs的量子產(chǎn)率為19.43%，未摻雜尿素的CNDs量子產(chǎn)率則為9.61%。經(jīng)過尿素小分子摻雜后使碳點表面官能化，大量N源的摻雜增強了CNDs表面官能團豐富性，并使其表面態(tài)產(chǎn)生能量缺陷，碳點的熒光產(chǎn)生在表面態(tài)相關(guān)的能級之中，從而導(dǎo)致了熒光強度的顯著增強，量子產(chǎn)率的大幅提升[17]。預(yù)水解液的熒光特性分析也進一步證實了CNDs存在的可能性。

2.2 預(yù)水解液中固形物CNDs的研究

2.2.1XRD和拉曼光譜分析 預(yù)水解液干燥后用瑪瑙研缽將含有CNDs的固形物研磨成粉末后進行XRD和拉曼光譜分析，結(jié)果見圖4。

A.未摻雜尿素without urea; B.摻雜尿素with urea圖4 預(yù)水解液固形物的XRD光譜(a)和拉曼光譜(b)圖Fig.4 XRD(a) and Raman(b) spectra of PHL solids

由圖4(a)可知，在2θ為20.9°處有一較寬的衍射峰，這與石墨結(jié)構(gòu)的(002)晶面相符合，表明預(yù)水解液固形物中含有石墨碳結(jié)構(gòu)。此外，摻雜尿素后的CNDs在10.9°處有一尖銳的衍射峰，這與氧化石墨烯的(001)晶面相一致，表明石墨碳發(fā)生了氧化反應(yīng)，含有大量含氧基團[24]。由圖4(b)預(yù)水解液固形物的拉曼光譜可知，在譜圖的1332和1576 cm-1處存在明顯的C原子晶體Raman特征峰(D峰和G峰)，1332 cm-1處的D峰為石墨的缺陷峰，是由其無序結(jié)構(gòu)所引起的，對應(yīng)著碳原子的sp3雜化結(jié)構(gòu)；1576 cm-1處的G峰對應(yīng)著有序的石墨碳sp2結(jié)構(gòu)，摻雜尿素的固形物其I(D)/I(G)更小，表明其石墨結(jié)構(gòu)更完美[25]。拉曼光譜分析與XRD分析結(jié)果一致，證明了預(yù)水解液中石墨碳結(jié)構(gòu)的存在。

2.2.2石墨碳形態(tài)表征 利用高分辨透射電子顯微鏡對制備的預(yù)水解液進行觀察，如圖5(a)所示，石墨碳呈圓球狀，沒有發(fā)生明顯的團聚現(xiàn)象，分散性較好，粒徑分布較為均一且有明顯的晶格結(jié)構(gòu)。隨機選取了184個碳點通過Nano Measurer軟件進行統(tǒng)計計算，得出：碳納米點的粒徑分布在1.5～5 nm，且呈高斯分布趨勢，平均粒徑為2.94 nm。由實驗結(jié)果可知：摻雜尿素的預(yù)水解過程中有石墨碳生成，且石墨碳以CNDs的形式存在于水解液中。圖5(b)為CNDs的原子力顯微鏡圖像，從圖中可以看出CNDs的尺寸均一且呈納米級別，經(jīng)NanoScope Analysis軟件分析可知，圖上兩條切線深度在1～2 nm之間，應(yīng)是數(shù)層石墨烯薄片相堆疊而成。

a. HRTEM；b.AFM圖5 預(yù)水解液中CNDs的HRTEM和原子力顯微鏡分析Fig.5 HRTEM and AFM images of CNDs in PHL

2.2.3碳納米點的結(jié)構(gòu)與成分表征 通過紅外光譜和X射線光電子能譜對CNDs進行表征，結(jié)果見圖6。

2.3 CNDs的熒光性質(zhì)分析

2.3.1CNDs的熒光壽命 CNDs的熒光壽命衰變圖如圖7所示，衰減曲線擬合為雙指數(shù)曲線，表明其具有2個不同壽命的熒光發(fā)射位點，分別是1.304 6 ns(57.89%)和5.490 3 ns(42.11%)，經(jīng)計算得出CNDs的平均壽命為3.07 ns，實驗結(jié)果也表明碳納米點具有不同的發(fā)光來源。

2.3.2pH值對CNDs熒光性質(zhì)的影響 由CNDs的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析可知，CNDs的表面富含與pH值有著極大關(guān)系的羥基、羧基等官能團。因此，有必要探究pH值對于CNDs熒光性質(zhì)的影響。將預(yù)水解液適當(dāng)稀釋，并通過調(diào)節(jié)pH值衍生出一系列不同pH值的水解液樣品(pH值分別為1.18、2.75、3.67、4.85、6.31、7.80、9.42、10.23、11.28和12.65)，研究pH值對預(yù)水解液熒光性質(zhì)的影響，結(jié)果見圖8。

圖7 CNDs的熒光壽命衰變圖

Fig.7 Fluorescence decay profile of CNDs

圖8 pH值對CNDs熒光性質(zhì)的影響

Fig.8 Effect of pH value on fluorescence properties of CNDs

由圖8可知，在3.67～9.42范圍內(nèi)CNDs的熒光強度較為穩(wěn)定，沒有對pH值產(chǎn)生強烈的依賴性，這是由于氮摻雜過程中含氧基團的減少所導(dǎo)致的。當(dāng)pH值下降至2.75以下時由于其酸性條件，粒子間的氫鍵增強，發(fā)生團聚使熒光強度降低，而在較高pH值12.65條件下羧基等官能團會受到破壞從而致使熒光強度大幅降低。但是CNDs的熒光發(fā)射峰的位置沒有隨pH值變化發(fā)生改變，展現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。與原始水解液不同，稀釋后的水解液具有2個激發(fā)峰，分別位于450和480 nm附近，這2個激發(fā)峰說明CNDs具有不同的發(fā)光源，與熒光壽命的分析結(jié)果相符[27]。

3 結(jié) 論

3.1在桉木片預(yù)水解過程中，加入少許尿素作為氮元素摻雜劑，探討了氮摻雜對預(yù)水解效果的影響，并對預(yù)水解液熒光性能進行研究。結(jié)果表明：預(yù)水解液具有顯著的熒光性能，且呈現(xiàn)出濃度猝滅和激發(fā)波長依賴性質(zhì)。在稀釋與濃縮的過程中，隨著濃度的降低，熒光強度明顯增強；當(dāng)激發(fā)波長從370 nm增加至410 nm時，熒光發(fā)射峰位置從462 nm紅移至492 nm，當(dāng)激發(fā)波長為390 nm時，熒光強度在475 nm處達到峰值(3 000)。

3.2XRD、拉曼光譜、TEM和AFM分析證實了預(yù)水解液中含有石墨碳，并以CNDs的形式存在，利用XPS和FT-IR表征可知：摻雜尿素后預(yù)水解液中的CNDs成功引入了N元素，并富含大量含氮、含氧官能團。CNDs具有兩種發(fā)光來源，平均熒光壽命為3.07 ns，且在pH值3.67～9.42的范圍內(nèi)其熒光強度較為穩(wěn)定。