王薇，韓帥，唐曉亮，郭禮榮，唐瑜,*

1蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，蘭州 730000

2甘肅省有色金屬化學(xué)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

3化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州大學(xué))，蘭州 730000

4河北工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)專業(yè)學(xué)生的應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)中有重要作用。綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)是為高年級本科生開設(shè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求具有設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性[1–3]。將本校教師的前沿研究項(xiàng)目引入本科教學(xué)，將最新科研成果轉(zhuǎn)化為綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，能夠訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，強(qiáng)化學(xué)生的綜合分析和判斷能力，提升學(xué)生的科研水平，為進(jìn)一步走進(jìn)科研與工作崗位奠定了基石。

碳量子點(diǎn)(Carbon quantum dots，CQDs)是一種新型熒光納米材料，通常是小于10 nm的離散準(zhǔn)球形粒子，其組成的碳原子以sp2雜化為主，粒子表面含有大量的－OH、－COOH、－NH2等基團(tuán)。碳量子點(diǎn)具有良好的發(fā)光性能與小尺寸特性，同時(shí)兼具生物低毒性及環(huán)境友好等性質(zhì)，在細(xì)胞成像、生化分析檢測和光電器件等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值[4–6]。研究表明，碳量子點(diǎn)的表面態(tài)對理化特性有重要影響，對碳量子點(diǎn)進(jìn)行有效的分離與純化，有助于學(xué)生探討表面態(tài)分布與激發(fā)依賴熒光特性之間的關(guān)系[7]。我們將本校教師的前沿科研工作轉(zhuǎn)化為綜合實(shí)驗(yàn)[8,9]，采用日常生活中常見的牛奶為前驅(qū)體，利用水熱還原法制備碳量子點(diǎn)，合成方法經(jīng)濟(jì)環(huán)保、操作簡單[10]。碳量子點(diǎn)表面的極性大小會影響其光致發(fā)光性能，為此設(shè)計(jì)利用梯度萃取法對牛奶碳量子點(diǎn)進(jìn)行分離，深入探討量子點(diǎn)的表面態(tài)與光物理性質(zhì)之間的關(guān)系，并對相關(guān)的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行探討。通過該綜合實(shí)驗(yàn)，可促進(jìn)學(xué)生熟練掌握各種儀器的原理、操作方法和數(shù)據(jù)分析方法，提升學(xué)生運(yùn)用相關(guān)知識解決實(shí)際問題的綜合能力。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 掌握水熱法合成功能材料的基本方法。

(2) 掌握傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)、紫外可見吸收光譜儀(UV-Vis)、熒光光譜儀(FL)、X射線光電子能譜(XPS)、透射電子顯微鏡(TEM)等儀器的原理和使用方法，學(xué)習(xí)分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)間關(guān)系的方法。

(3) 學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)施與總結(jié)的科研全過程。

(4) 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力。

2 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

牛奶購自內(nèi)蒙古伊利股份有限責(zé)任公司。

正己烷、四氯化碳、二氯甲烷均為分析純。

2.2 儀器與設(shè)備

(1) JEM-1200 EX/S透射電子顯微鏡(JEOL公司，日本)，電壓200 kV。

(2) Nicolet 360 FT-IR紅外光譜儀(Nicolet公司，美國)，KBr壓片，40–4000 cm?1攝譜。

(3) Edinburgh Instrument FLS-920型瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀(Edinburgh Instruments公司，英國)。

(4) Shimadzu X射線光電子能譜分析儀(島津公司，日本)。

(5) 雷磁pHS-3C型酸度計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國)。

(6) Perkin-Elmer Lambda 950紫外-可見光譜儀(PERKINELMER公司，美國)。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 水熱合成法制備碳量子點(diǎn)

將5 mL牛奶用去離子水稀釋至30 mL，轉(zhuǎn)移至50 mL高壓反應(yīng)釜中，180 °C反應(yīng)12 h后以轉(zhuǎn)速11000 r·m?1離心5 min，棄去灰黑色沉淀，用0.22 μm濾膜過濾淡黃色上清液，得到碳量子點(diǎn)(記為CQDs)水溶液，稀釋至50 mL，備用。

3.2 溶劑萃取法分離碳量子點(diǎn)

分別采用正己烷(溶劑極性參數(shù)ET[11]：30.9)、四氯化碳(溶劑極性參數(shù)ET[11]：32.5)、四氯化碳/二氯甲烷混合溶劑(V/V = 3 : 2)、二氯甲烷(溶劑極性參數(shù)ET[11]：41.1)萃取碳量子點(diǎn)溶液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將有機(jī)溶劑蒸干后真空干燥，得到的產(chǎn)品依次標(biāo)記為CQDs-a、CQDs-b、CQDs-c、CQDs-d。

3.3 碳量子點(diǎn)的合成與梯度萃取分離討論

牛奶富含多種營養(yǎng)成分，是一種水溶性良好的優(yōu)質(zhì)碳源，含有豐富的蛋白質(zhì)和脂肪，同時(shí)富含微量營養(yǎng)素，為摻雜碳量子點(diǎn)提供了低價(jià)、豐富的來源。水熱法是合成碳量子點(diǎn)最廣泛的方法，合成的碳量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率高、光穩(wěn)定性優(yōu)良。本文采用一步水熱法用牛奶合成綠色熒光碳量子點(diǎn)。

碳量子點(diǎn)表面富含大量的極性基團(tuán)，根據(jù)極性強(qiáng)弱利用梯度萃取法對碳量子點(diǎn)進(jìn)行分離。選擇溶劑時(shí)需考慮以下因素：(1) 溶劑分子無苯環(huán)結(jié)構(gòu)。苯環(huán)可能與碳量子點(diǎn)表面的苯環(huán)發(fā)生π–π堆積作用，影響梯度萃取的效果；(2) 溶劑分子中無O、N等原子。N、O原子可能與碳量子點(diǎn)表面產(chǎn)生氫鍵，影響XPS測試結(jié)果；(3) 溶劑低毒性。

萃取中混合溶劑四氯化碳與二氯甲烷體積比為3 : 2，是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得到的最佳配比。

4 碳量子點(diǎn)的形貌與表面化學(xué)分析表征

4.1 碳量子點(diǎn)的TEM分析

通過圖1的TEM圖像與粒徑分布圖可以看出，碳量子點(diǎn)CQDs的粒徑主要分布在2–5 nm。高分辨率TEM顯示其晶格條紋(0.206 nm)與石墨烯的<102>晶面吻合，表明碳量子點(diǎn)的石墨化程度高[12]。

圖1 CQDs的TEM圖片(A)與粒徑分布圖(B)

CQDs-a、CQDs-b、CQDs-c和CQDs-d的粒徑分布(表1)顯示四份樣品的平均粒徑分別為3.0、3.3、3.3和3.3 nm，均為球形顆粒狀，單分散性較好。但粒徑差異不明顯，這是由于梯度萃取法是按照表面極性的差異性進(jìn)行分離，故分離出的碳量子點(diǎn)在粒徑與形貌上差異不大。

表1 四種萃取碳量子點(diǎn)的粒徑分布比(%)

4.2 碳量子點(diǎn)的紅外分析

紅外光譜(圖2A)顯示，碳量子點(diǎn)CQDs表面O－H與N－H的伸縮振動峰位于3200–3700 cm?1，C－H伸縮振動峰位于 2923和 2850 cm?1，C＝C伸縮振動峰位于 1420 cm?1，C＝O伸縮振動峰位于1635 cm?1，N－H彎曲振動峰位于1570 cm?1，說明碳量子點(diǎn)表面具有豐富的羰基和羧基[13]。

隨著萃取溶劑極性增加，碳量子點(diǎn)表面極性官能團(tuán)O－H/N－H伸縮振動峰(3200–3700 cm?1)和C＝O伸縮振動峰(1630 cm?1)的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，弱極性C－H的伸縮振動峰(2923和2850 cm?1)、C＝C伸縮振動峰(1420 cm?1)以及C－O－C不對稱伸縮振動(1100 cm?1)的強(qiáng)度逐漸遞減(圖2B)，說明碳量子點(diǎn)表面極性隨萃取溶劑極性增加而增強(qiáng)。

圖2 (A) 碳量子點(diǎn)的FTIR譜圖；(B) 四種萃取碳量子點(diǎn)的FTIR譜圖

4.3 碳量子點(diǎn)的XPS分析

XPS分析結(jié)果(表2)表明，隨著萃取溶劑極性增加，分離得到的碳量子點(diǎn)表面O和N元素的百分含量逐漸增加，C元素的百分含量逐漸減少。

表2 萃取分離碳量子點(diǎn)XPS全譜表面化學(xué)構(gòu)成

高分辨XPS碳譜表明(圖3)，碳量子點(diǎn)中的碳原子有C－C/C＝C、C－N、C－O與C＝N/C＝O(284.6 eV、285.7 eV、286.1 eV和287.8 eV)等形式(以CQDs為例)，主要以C－C/C＝C形式存在[14,15]。萃取分離后碳量子點(diǎn)的XPS碳精細(xì)譜(表3)顯示，隨著萃取溶劑極性增加，越來越多的sp2碳被羰基或氨基等極性官能團(tuán)修飾，碳量子點(diǎn)表面C＝O/C＝O官能團(tuán)的含量逐漸增加，相應(yīng)C－C/C＝C官能團(tuán)的含量則逐漸減少。

表3 高分辨率XPS碳譜測定的峰位(eV)及碳點(diǎn)表面化學(xué)構(gòu)成(%)

圖3 CQDs的高分辨率碳譜

通過上述表征可知，利用梯度萃取法分離牛奶碳量子點(diǎn)時(shí)，隨著萃取溶劑極性的增加，表面有更多極性官能團(tuán)的碳量子點(diǎn)被萃取分離出來。

5 碳量子點(diǎn)的光物理性質(zhì)研究

5.1 碳量子點(diǎn)的紫外-可見吸收

CQDs的吸收光譜(圖4)出現(xiàn)在紫外區(qū)，來源于C＝C鍵的π–π*躍遷或C＝O鍵的n–π*躍遷[16]。梯度萃取分離后的碳量子點(diǎn)，吸收峰發(fā)生紅移且強(qiáng)度越來越大(圖5)，這是因?yàn)樘剂孔狱c(diǎn)表面極性官能團(tuán)作為助色團(tuán)連接在sp2共軛體系上，使共軛體系的電子云流動性增大，π–π*躍遷的能級差減小所致[17]。

圖4 CQDs溶液的紫外-可見吸收光譜

圖5 梯度萃取所得四種碳量子點(diǎn)溶液的紫外-可見吸收光譜

5.2 碳量子點(diǎn)的熒光光譜

碳量子點(diǎn)具有獨(dú)特的激發(fā)依賴熒光特性(excitation-dependency)，即隨著激發(fā)波長的改變，發(fā)射波長隨之改變，因此通過調(diào)節(jié)激發(fā)波長可實(shí)現(xiàn)碳量子點(diǎn)的連續(xù)全色發(fā)射，為其在多色成像等生物領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性[18]。

用鹽酸和氫氧化鈉水溶液調(diào)節(jié)碳量子點(diǎn)溶液的酸堿度，氯化鉀控制溶液體系的離子強(qiáng)度，在一定的激發(fā)條件下監(jiān)控碳量子點(diǎn)溶液的熒光強(qiáng)度。各碳量子點(diǎn)水溶液的熒光發(fā)射峰波長均隨著激發(fā)波長的增大而發(fā)生紅移，即出現(xiàn)了典型的激發(fā)依賴熒光特性(圖6，以CQDs為例)。分離后的碳量子點(diǎn)隨著表面極性基團(tuán)的增加，最佳激發(fā)峰與最高發(fā)射峰波長均增加(表4)，說明碳量子點(diǎn)表面態(tài)分布是影響熒光特性的因素之一。我們推測碳量子點(diǎn)表面的極性官能團(tuán)會使π–π*躍遷的能級差減小，因此隨著表面助色團(tuán)的增加，碳量子點(diǎn)的吸收光譜和熒光光譜均發(fā)生紅移[19]。

圖6 碳量子點(diǎn)CQDs的熒光光譜圖

表4 碳量子點(diǎn)的熒光性質(zhì)表

5.3 碳量子點(diǎn)表面的電化學(xué)性質(zhì)

為了驗(yàn)證助色團(tuán)與碳量子點(diǎn)表面能級差之間的關(guān)系，我們使用循環(huán)伏安法測試了樣品的HOMOLUMO能級差。采用三電極體系，以玻碳電極為工作電極，鉑絲作為對電極，甘汞電極作參比電極，電解液為0.1 mol·L?1的KCl水溶液。樣品的能級差由下式計(jì)算：

其中Eox是碳量子點(diǎn)的氧化電位，Ered是碳量子點(diǎn)的還原電位，Eg是能級差[20]。通過計(jì)算，可以看出四份萃取碳量子點(diǎn)的能級差隨著碳量子點(diǎn)表面極性的增加而逐漸降低(表5)，這與我們的設(shè)想相一致。

表5 萃取碳量子點(diǎn)表面能級差

5.4 碳量子點(diǎn)表面極性對熒光壽命的影響

在360 nm的激發(fā)條件下，測試了碳量子點(diǎn)的熒光壽命，平均壽命可以用如下公式計(jì)算得到：

Ai為各指數(shù)因子的統(tǒng)計(jì)比重，τi為各因子的壽命值。

各碳量子點(diǎn)的熒光衰減曲線(圖7，以CQDs為例)經(jīng)擬合符合三指數(shù)衰減關(guān)系(表6)，包括一個(gè)快速衰減的成分和兩個(gè)緩慢衰減的組分，這種三指數(shù)關(guān)系與碳量子點(diǎn)表面的sp2共軛體系間的能量傳遞有關(guān)[21]。隨著萃取溶劑極性增加，分離所得碳量子點(diǎn)的熒光壽命隨之變大，推測由于連接助色團(tuán)較少的能級較高，連接助色團(tuán)較多的能級較低，隨著碳量子點(diǎn)表面極性增加，助色團(tuán)逐漸增多，共軛體系的能級愈趨復(fù)雜化，能量傳遞的現(xiàn)象也會愈加明顯，對應(yīng)“吸收-傳遞-發(fā)射”會比“吸收-發(fā)射”的過程更加復(fù)雜[22]。因此隨著碳量子點(diǎn)表面極性增加，碳量子點(diǎn)內(nèi)部能量傳遞的現(xiàn)象增強(qiáng)，熒光壽命隨之增長。

圖7 CQDs的熒光衰減曲線

表6 碳量子點(diǎn)的熒光壽命與平均壽命(λex = 360 nm)

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)利用水熱還原法制備牛奶碳量子點(diǎn)，并基于表面極性的差異，利用梯度萃取法對碳量子點(diǎn)進(jìn)行了分離。實(shí)驗(yàn)通過TEM、XPS、IR對碳量子點(diǎn)進(jìn)行了形貌分析，結(jié)果表明，隨著萃取溶劑極性的增加，碳量子點(diǎn)表面極性基團(tuán)增加，并通過UV-Vis、熒光、電化學(xué)性質(zhì)深入探討了碳量子點(diǎn)表面化學(xué)與其光物理性質(zhì)之間的關(guān)系(圖8)。光物理性質(zhì)研究結(jié)果表明，碳量子點(diǎn)的表面極性與其光致發(fā)光性質(zhì)之間存在著密切的關(guān)系：隨著碳量子點(diǎn)表面極性的增大，碳量子點(diǎn)的吸收光譜、熒光光譜均發(fā)生紅移，熒光壽命增長。依據(jù)表面官能團(tuán)表征和能級測定的結(jié)果，推測該現(xiàn)象與碳量子點(diǎn)表面和sp2共軛體系連接的助色團(tuán)數(shù)量有關(guān)。

圖8 牛奶碳量子點(diǎn)的制備、梯度萃取以及與表面極性相關(guān)的光致發(fā)光現(xiàn)象

6 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)及教學(xué)組織運(yùn)行方式

本實(shí)驗(yàn)主題高度接近實(shí)際生活，易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合性強(qiáng)，學(xué)科覆蓋面廣，知識要點(diǎn)多。學(xué)生認(rèn)識和掌握納米材料獨(dú)特性能的同時(shí)，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的教學(xué)環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用理論知識和實(shí)驗(yàn)技術(shù)解決科研課題的能力，有利于提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力，創(chuàng)新意識和綜合運(yùn)用知識的能力。

本實(shí)驗(yàn)為16學(xué)時(shí)的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，每組學(xué)生6–8人。實(shí)驗(yàn)中采用以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式。教師在講解時(shí)運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)，調(diào)動學(xué)生的積極性，促進(jìn)學(xué)生深入思考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

首先學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)課前進(jìn)行碳量子點(diǎn)的文獻(xiàn)調(diào)研，內(nèi)容包括：

(1) 什么是量子點(diǎn)？碳量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與組成是什么？合成方法有哪些？

(2) 碳量子點(diǎn)的吸收光譜與熒光光譜有哪些特點(diǎn)？其作為熒光傳感器的最新研究進(jìn)展情況。

實(shí)驗(yàn)分為兩周，每周8學(xué)時(shí)。第一周學(xué)生先提前1天利用1學(xué)時(shí)配制溶液，并在反應(yīng)釜中反應(yīng)。第二天教師講解實(shí)驗(yàn)及儀器原理，學(xué)生進(jìn)行每人15–20分鐘的碳點(diǎn)研究進(jìn)展匯報(bào)，約需2學(xué)時(shí)。隨后的實(shí)驗(yàn)過程中碳點(diǎn)的過濾與萃取及干燥3學(xué)時(shí)，形貌與化學(xué)表面分析實(shí)驗(yàn)3學(xué)時(shí)。第二周利用3學(xué)時(shí)測定碳點(diǎn)的紫外光譜、熒光光譜和熒光壽命。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合形貌分析數(shù)據(jù)，對萃取結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論表面態(tài)與能級之間的關(guān)系，由小組提出驗(yàn)證方法的設(shè)計(jì)方案，此項(xiàng)環(huán)節(jié)約1學(xué)時(shí)。隨后的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)3學(xué)時(shí)。

學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求以論文的形式完成，內(nèi)容包括背景知識介紹與原理、采取的研究方法和技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與改進(jìn)等，以達(dá)到考查學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰妥珜懣萍颊撐哪芰Φ慕虒W(xué)目標(biāo)。

7 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)為前沿科研工作轉(zhuǎn)化成本科教學(xué)的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括了納米材料的合成、形貌表征和發(fā)光特性的表征與分析。通過該綜合型實(shí)驗(yàn)課程的開展，可以使學(xué)生了解功能材料的研究方法，加強(qiáng)對分析儀器的基本原理和使用方法的理解，掌握多種儀器的常規(guī)使用，并進(jìn)行根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法的科研訓(xùn)練，縮短科研與教學(xué)的距離，便于學(xué)生在本科期間參與前沿科學(xué)研究工作，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，提升科研能力。