采用炭黑水熱法制備熒光碳點

高小童，秦志龍

（1.山東省膠東調水工程棘洪灘水庫管理處，山東青島 266111；2.國家電網青島供電公司，山東青島 266001）

采用炭黑水熱法制備熒光碳點

高小童1，秦志龍2

（1.山東省膠東調水工程棘洪灘水庫管理處，山東青島 266111；2.國家電網青島供電公司，山東青島 266001）

主要采用水熱法來合成高熒光和高量子產率（QY=25.44%）的水溶性碳點。以炭黑作為主要原料，以乙二醇作為鈍化試劑和修飾試劑，在120℃溫度下加熱制備碳點。此方法合成的碳點具有激發依賴性，即發射波長會隨著激發波長的紅移而不斷紅移，從而發出藍色，綠色，黃色，紅色等不同顏色的熒光。而且合成的碳點的粒徑較小，只有2～3nm，方便進入細胞。利用洋蔥表皮細胞對合成的碳點進行細胞成像試驗，結果表明碳點可以順利地穿過細胞壁、細胞膜、核膜等三重障礙進入細胞核，并對細胞核進行特異性標記，有利于在生物醫學領域的應用。

碳點；水熱法；高量子產率；植物細胞成像

碳點（carbon dots）作為一類新興的碳納米材料[1]，由于其獨特的光學性質如激發波長依賴的發射波長可變性等和其在尺寸、成本及生物相容性上的獨到優勢，引起研究人員的廣泛興趣并迅速發展起來。因為碳點納米顆粒的表面包裹有很多羧酸基團，所以易溶于水，易結合其它的有機或者無機聚合物，因而在生物醫學等領域極具發展潛力。碳點除了粒徑很小、可以抗光漂白、激發波長和溶液酸度依賴性等特點，其合成過程和制備路線都相對簡單。碳點作為一類納米碳材料，可以用作碳基發射器，從而取代碳納米管、碳富勒烯，納米金剛石等傳統的碳材料[2]。碳點中沒有Cd、Hg等重金屬離子，細胞毒性低、對環境污染小，是傳統量子點的優良的替代品[3]。過去短短時間里，人們對碳點的研究已經獲得很多重大進展，未來，它必將在細胞及組織成像、藥物的靶向輸送、醫學生理診斷、生物傳感和材料間的能量傳遞轉換等方面取得更大的突破[4]。

碳點的制備方法分為自上而下合成法和自下而上合成法兩種。自上而下法主要是電化學氧化、電弧放電和激光消融等合成方法。合成步驟就是將前驅體粉碎成納米級的微小粒子，再用修飾試劑或者包覆特定的聚合物對其表面進行修飾鈍化，最后能夠發射熒光。Xu等制備單壁碳納米管，并對懸浮液通過凝膠電泳的方法分離純化時，第一次偶然發現熒光碳點[1]。Hu等先將石墨粉與PEG200N溶液或氨水化合物混合，然后通過超聲輔助法使混合溶液分散。將分散后的溶液用激光Nd：YAG進行處理，經過2h后對其離心，最終可以形成熒光碳納米粒子[5]。另外Yang 等將富勒烯作為前體，通過電化學法合成高量子產率的碳點，可以發出藍色熒光[6]。

本文主要采用廉價的炭黑作為主要原材料，通過簡單的一步水熱法在120℃下合成高熒光和高量子產率的水溶性碳點。在合成的過程中，將乙二醇作為修飾試劑和鈍化試劑，濃硝酸作為氧化劑。選用一步水熱法操作簡單、方便快捷，選用炭黑作為原料，經濟廉價，能夠降低成本。這種方法制備的碳點量子產率很高，可以達到25.44%，且顆粒均勻統一，粒徑很小，只有2～3nm，極易進入細胞，在生物醫學領域具有很大應用潛質和空間。制備的碳點同時具備激發依賴性等一般碳點的共性，當不斷紅移激發波長時，發射波長也會同時不斷紅移，繼而發射藍色，綠色，黃色，紅色等不同顏色的熒光，在細胞染色、生物標記、病理檢測、信號傳輸等方面都具有較大的發展潛力和廣闊的應用前景。最后使用洋蔥表皮細胞對合成的碳點進行細胞成像試驗，結果表明碳點可以很容易地通過細胞壁、細胞膜、核膜進入細胞核，并特異性標記細胞核。

1 實驗部分

1.1 化學試劑

硝酸（65%，CP）是從天津化學試劑研究所（中國天津）進行采購；炭黑購買于復瑞化工有限公司（中國上海）；乙二醇購買于天津光復精細化工研究所（中國天津）；硝酸（65%，CP）購買于天津化學試劑研究所（中國天津）；丙酮購買于利安隆博華醫藥化學有限公司（中國天津）；超純水是通過Milli-Q純水機（Millipore公司，Bedford MA）制得。

1.2 碳點的合成

首先將濃硝酸和乙二醇按照一定比例混合，配置成濃度為35%～65%的乙二醇/濃硝酸混合溶液，其中硝酸的濃度固定為5mol/L。然后稱取100mg的炭黑，將炭黑倒入不銹鋼高壓反應釜的聚四氟乙烯內膽中，同時加入20mL的乙二醇/濃硝酸混合溶液，搖勻，炭黑要全部浸沒于乙二醇/濃硝酸混合溶液中，將反應釜置于烘箱中恒溫加熱進行反應。

1.3 表征

熒光光譜是在F97 pro熒光分光光度計（上海棱光技術有限公司）上測得。UV-Vis光譜是在UV 2800 SPC UV-Vis分光光度計（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）上測得。熒光量子產率和熒光壽命均是在FLS 920熒光分光光度計（英國愛丁堡儀器公司）上測得。高分辨透射電鏡（HRTEM）照片是在200kV電壓下，在FEI Tecnai G2 F30透射電鏡儀上進行拍攝。X-射線衍射（XRD）圖譜是在X’Pert衍射計（荷蘭飛利浦）上測得。傅里葉變換紅外（FTIR）譜圖是通過Nicolet NEXUS 670完成。熱重分析（TGA）是通過PerkinElmer TGA-7 system（Norwalk，CT，USA）上測得。拉曼光譜是采用inVia激光共聚焦拉曼光譜儀（英國雷尼紹有限公司）測得。

2 結果與討論

2.1 碳點的熒光光譜圖

在開展績效目標管理考核的過程中，一個比較重要的環節就是考核反饋，考核反饋是指考核人員根據具體考核情況對學校內部存在的不足進行披露并提出相關應對措施予以解決，因此，考核反饋會在很大程度上影響到績效目標管理考核的整體質量。目前，在我國高職院校的績效目標管理考核中考核反饋缺失，考核結果利用不充分，使得高職院校的績效考核工作難以達到引導學校部門提高工作質量與工作效率的目的。這一問題的出現，究其原因，還在于高職院校缺乏考核反饋機制，對學校各部門的考察在很大程度上僅僅局限于通報考核結果，對考核結果不佳的部門難以找出問題根源，從而導致學校績效目標管理考核的最終目標難實現。

100mg的炭黑中加入20mL 55%乙二醇/濃硝酸混合水溶液，在120℃下反應10h，即可合成碳點。將制備的碳點置于激光下可以發出強烈的熒光。用超純水不斷稀釋碳點，稀釋至350nm處的吸光度為0.02，然后在FLS 920熒光分光光度計上測得碳點的量子產率為25.44%。同樣用超純水將碳點稀釋400倍后測其熒光光譜，從熒光光譜圖（見圖1）可以看出，制備的碳點具有激發依賴性，即將激發波長紅移，碳點的發射波長也會隨之紅移。在圖中可以看出激發波長從320nm開始，以20nm的間距不斷紅移至540nm，碳點的發射波長也會相應紅移，從420nm一直紅移至600nm，繼而發射藍色、綠色、黃色、橙色、紅色等不同顏色的熒光。

圖1 不同激發下的碳點的熒光光譜圖

2.2 高分辨透射電鏡照片

圖2 高分辨透射電鏡照片

如圖2所示，其中2a為未反應前原材料炭黑的電鏡照片；圖2b和2c均為120℃水熱法合成的碳量子點的電鏡照片。在2a電鏡照片中，商品化的原材料炭黑呈片狀，體積很大，且每一個顆粒的尺寸大小不均勻，且炭黑顆粒大都吸附堆積在一起，分散性很差。而圖2b和2c為制備的碳點的電鏡照片，可以看出，原材料炭黑經高溫水熱反應合成的碳點呈球形結構，體積很小，粒徑分布只有2～3nm，且單分散性很好，粒徑大小均勻。圖2d、2e、2f為電鏡下觀察到的少量的介孔碳結構，這是水熱法制備碳點生成的副產物，介孔排列有序，用nano measurer 1.2軟件測量其孔徑約為2nm，說明此副產物是介于微孔和介孔之間的。從電鏡圖中可以看出，用炭黑為原料，乙二醇為修飾劑，硝酸為氧化劑可以制備粒徑小、分散好的碳點，在此同時也產生了很少量的介孔碳。因為我們使用的炭黑為廉價的商品化炭黑，炭黑顆粒的質量并不統一，因此其中某些特殊的顆粒在水熱反應中可能產生介孔碳結構。

2.3 傅里葉變換紅外（FTIR）譜圖

在合成的碳點溶液中加入丙酮，沉淀離心，置于真空干燥箱抽真空常溫干燥，得到碳點粉末，進行FTIR譜圖的測定。在圖3中，（a）是炭黑原材料的FTIR譜圖，（b）是水熱法合成的碳點的FTIR譜圖。（a）中3 428cm-1處的吸收峰應為碳點表面修飾劑乙二醇的羥基的O-H伸縮振動峰，（b）中原材料炭黑在此處也有吸收峰，這應該是炭黑在空氣中吸潮，是水中的O-H伸縮振動峰。而（a）中1 611cm-1處出現很強的吸收峰，應為C==C的伸縮振動峰，1 429和1 365cm-1處同時出現較弱的吸收峰，說明碳點中含有甲基基團。產物碳點在1 166和1127cm-1處出現兩個新的吸收峰，應是環氧基的C—O—C特征吸收峰，前者是反對稱振動吸收峰，后者是對稱振動吸收峰。另外1 081cm-1處的峰是碳點表面乙二醇的C—O伸縮振動峰。

圖3 碳點的FTIR譜圖

2.4 拉曼光譜

圖4 碳點及原料的拉曼光譜圖

在圖4中，（a）圖表示制備的碳點的拉曼光譜，（b）圖表示原材料炭黑的拉曼光譜。在進行拉曼光譜測定過程中，我們使用633nm的激光作為激發光源，因為波長越長，穿透能力越強，633nm的激光可以完全穿透原料和產物的深層碳結構。1 344cm-1處的峰為D峰，1 574cm-1處的峰為G峰。G峰代表sp2型C==C伸縮振動，其寬度由結構的無序化程度決定，即無序化程度愈大，寬度越寬。而D峰則是結構的無序程度達到一定限度時才出現的。因此D峰、G峰二者的相對強度比（ID/ IG）可以用來表示結構的無序化程度。（ID/IG）值越高，代表材料結構的無序程度越大，即缺陷位點的數量越多。通過計算，原材料炭黑中ID/IG比值為1.124，而制備的碳點中ID/IG則為0.849，從ID/IG的比值來看，產物碳點仍為無定型結構，但比起原材料炭黑，產物碳點的結構無序程度明顯減弱，缺陷數量也明顯減少。

在制備的碳點溶液中加入丙酮，并沉淀離心，真空干燥后用瑪瑙研缽將碳點粉末研細，再進行XRD的測定。在XRD圖譜中，2θ=26°處出現一個寬峰，由此也可以證明制備的碳點是無定型結構的。

圖5 碳點的XRD譜圖

2.6 碳點的熒光壽命及熒光衰減曲線

在測定熒光壽命的過程中（見圖6），使用360nm的激光作為激發光源，最終測得此碳點有3個熒光壽命，分別為1.57ns，5.56ns，14.08ns，將三個熒光壽命分別乘以各自所占的百分比，可以得到平均熒光壽命為6.36ns。如此多的熒光壽命說明其電子躍遷機理的復雜性，而較短的平均熒光壽命證明制備的碳點的發光機理是激發后的電子發生輻射復合從而放出光子。

圖6 碳點的熒光衰減曲線

2.7 熱重分析（TGA）

圖7 碳點的熱重分析

熱重分析如圖7所示，當溫度升高到586.3℃時，制備的碳點的質量損失約為30%，證明水熱法制備的碳點具有很好的熱穩定性。

2.8 細胞成像試驗

水熱法制備的碳點粒徑小，穿透能力強，為了更好地驗證碳點的細胞穿透性，采用具有細胞壁的洋蔥表皮細胞來進行細胞成像試驗。將新鮮的洋蔥剝開，用鑷子剝下1cm2左右的洋蔥內表皮，并放入稀釋400倍的碳點溶液中，培養0.5h后取出，置于激光共聚焦顯微鏡下進行觀察。

圖8 碳點的細胞成像照片

碳點的細胞成像照片（見圖8）可以證明，由于制備的碳點粒徑小，完全可以穿過細胞壁、細胞膜、核膜三層阻礙最終進入細胞核。而且從圖中可以看到洋蔥表皮細胞的細胞核發出綠色熒光，而細胞質幾乎沒有熒光，由此證明制備的碳點可以與細胞核發生特異性結合，從而特異性標記細胞核，這可能是因為我們使用乙二醇作為表面鈍化劑，而乙二醇可能易于結合細胞核內的遺傳物質。

3 結論

本文主要是利用廉價的炭黑作為原材料通過一步水熱法制備了高量子產率的水溶性熒光碳點。其中乙二醇作為表面鈍化劑和修飾劑，可以有效減少表面缺陷位點的數量，提高碳點的熒光量子產率。水熱法合成的碳點發射波長表現出明顯的激發依賴性，可以隨著激發波長的紅移發射出藍色、綠色、黃色、橙色、紅色等不同顏色的熒光。制備的碳點顆粒較小，只有2～3nm，可以很容易地進入細胞乃至細胞核，并與細胞核特異性結合，從而特異性標記細胞核。又因為粒徑很小，從而使量子限域效應增強，導致熒光強度很強，有利于生物醫學領域的應用。

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[2]Trindade，T.P.，Pickett，N.L.Nanocrystalline Semiconductors：Synthesis，Properties，and Perspectives[J].Chemistry of Materials.2001，13：3843-3858.

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Hydrothermal Synthesis of Fluorescent Carbon Dots From Carbon Black

Gao Xiao-tong，Qin Zhi-long

Facile hydrothermal synthesis of water soluble carbon dots with high fluorescence and high quantum yield（QY=25.44%）using commercial carbon black as a precursor and glycol as a passivating agent at 120℃ was reported.The fluorescence changed from blue，green，yellow，orange and red with excitation wavelength shifting.Carbon dots with a particle size of 2～3nm are easy to get into cells.Onion epidermal cells were used to evaluate bioimaging and labeling capabilities of carbon dots here.The results showed carbon dots synthesized in this way can enter cells，and even cell nucleus through cell walls，cell membranes and nuclear membranes.The confocal fluorescence microphotographs demonstrate that the carbon dots can be used to label cell nucleus specifically and favour application in biomedical field.

carbon dots；hydrothermal synthesis；high quantum yield；plant cell imaging

TB383.1；O613.71

B

1003–6490（2016）04–0060–03

2016–04–10

高小童（1985—），女，山東青島人，工程師，主要研究方向為分析化學、納米材料、水質監測。