溶劑熱法合成橙-綠雙波段熒光碳點

劉 睿， 沈鴻烈， 崔樹松， 李樹兵， 葛加偉， 江耀華

(南京航空航天大學 材料科學與技術學院， 江蘇省能量轉換材料與技術重點實驗室， 江蘇 南京 210016 )

1 引 言

碳點(Carbon dots，CDs)作為一種原料廉價、合成便捷的新型碳納米材料，具有優良的發光性能、抗光漂白能力和良好的水溶性、化學穩定性以及生物相容性[1-5]，在分子傳感、離子檢測、光催化、藥物載體及生物成像等研究領域取得了重要進展[6-7]。通常條件下所合成的碳點在激發時只在藍光區域具有單一發射，而許多目前報道的具有綠、黃或更長波長熒光碳點的合成方法需具備苛刻的合成條件或復雜的分離方法，因此便捷低成本地合成具有多色發光特性的熒光碳點是擴大碳點應用的重要需求[8-9]。具有長波長發射的水溶性碳點尤其適合生物熒光成像領域的應用，長波長熒光探針相較于短波長熒光更不易被其他生物分子自發熒光干擾，具有更高的信噪比和靈敏度[10]。另外，長波長熒光具有相對更深的組織穿透性，并且相對能量較低，可以減少給生物樣品帶來的損傷[11]。所以，開發具有長波雙波段特性的CDs可以有效避免短波長單發射CDs的缺點，對疾病檢測和診斷、藥物發展及治療評估等方面具有重要意義。

監測pH值的變化在我們生活中有著重要作用。利用對pH具有不同響應的兩種熒光團的比率熒光探針定性地測量pH值是常見的熒光監測pH值技術，具有抗干擾能力強的特點。碳點由于具有良好的水溶性、寬的激發譜、大的比表面積和生物相容性而成為非常有潛力的熒光探針。

本文采用溶劑熱法，一步合成了具有500 nm和590 nm雙波段熒光特性的水溶性碳點，對溶液的pH具有良好的響應能力。文中所制備的碳點尺寸均一，粒徑分布在2.7～4.3 nm左右，具有作為pH傳感器及比率熒光探針的潛在應用價值。

2 實 驗

2.1 試劑與實驗用具

檸檬酸(分析純)和N,N-二甲基甲酰胺(分析純)購自南京化學試劑股份有限公司。尿素(分析純)購自國藥集團化學試劑有限公司。針式過濾器購于揚中賽錫實驗儀器。透析袋來自美國聯合碳化(Viskase)。

2.2 碳點的制備

雙發射水溶性熒光碳點合成方法如下：3.152 g檸檬酸、1.201 g尿素溶于20.0 mL DMF中，攪拌并超聲10 min，待固體全部溶解后，將其倒入50 mL聚四氟乙烯內膽并轉移至高壓反應釜中，在200 ℃恒溫烘箱中保溫12 h，冷卻至室溫后得到棕紅色溶液，表明碳點的生成。使用透析袋(MD44-1000D)透析72 h后，將得到的溶液進行離心處理(12 000 r/min，30 min)，取上清液用微孔濾膜(0.22 μm)過濾后，在40 ℃下真空干燥可得黑色碳點粉末。

2.3 碳點對pH值敏感性的測試

將制備好的CDs固體用超純水配制成1.00 mg·mL-1的CDs溶液，然后用HCl和NaOH水溶液配制成不同pH值，將不同pH值的溶液裝成等量5.0 mL，然后向其中加入2.0 μL CDs溶液。充分振蕩10 min后，測定當激發波長分別為440 nm和540 nm時的熒光發射峰的強度及位置變化，所有實驗都在室溫下進行。

2.4 測試儀器

采用紫外-可見分光光度計(UV-2550，Shimadzu，日本)、熒光光譜儀(PTI QM40-NIR)、傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Nicolet NEXUS 670 FT-IR，美國)、顯微激光拉曼光譜儀(Renishaw inVia,英國)、透射電子顯微鏡(HT-7700，日本日立公司)、X射線光電子能譜儀(Thermo ESCALAB 250XI，賽默飛)以及日本Rigaku XRD Smartlab型X射線衍射儀對材料的成分、結構和性能進行表征。所有測試均在常溫下進行。

3 結果與討論

3.1 熒光及紫外-可見吸收光譜

在自然光下所制備的CDs水溶液為淺黑色液體，在355 nm紫外激光照射下發出綠色熒光，在500 nm氙燈光源激發下發出橙色熒光。圖1是CDs在水溶液中的熒光發射峰值位置與強度隨激發波長變化圖譜，可以看出CDs發射峰位置展現出明顯的激發波長相依性，與文獻報道過的碳點熒光性質一致[12]。同時從圖1(a)可以看出，CDs發射峰位置隨著激發波長的增加主要集中于480～500 nm和580～600 nm兩個波段區間，呈現出雙熒光波段發射的特點。從圖1(b)中看出當激發波長為280～480 nm時，CDs熒光強度先上升后下降，最大值對應激發波長為440 nm，相應的最大發射波長位于500 nm的綠光區域附近。當激發波長為500～580 nm時相應發射峰隨之紅移，發射波長均超過了570 nm，熒光強度同樣呈現先上升后下降的趨勢，極大值對應激發波長為540 nm，相應的發射波長位于590 nm的橙光區域。插圖為440 nm和540 nm激發下CDs的熒光發射光譜。

圖1 碳點的熒光發射光譜峰值隨激發波長增加的位置變化(a)和強度變化(b)，插圖分別為發射譜為440 nm和540 nm激發下的發射譜。

Fig.1 Photoluminescence (PL) emission spectra of CDs. (a) Emission wavelength to excitation wavelength. (b)PL intensity to excitation wavelength. Inset graph is PL spectra under excitation of 440 nm and 540 nm.

圖2 碳點水溶液紫外-可見吸收光譜

圖3 合成碳點的TEM圖

Fig.3 Transmission electron microscope(TEM) image of synthesized CDs

3.2 合成碳點的微結構與組分分析

對所合成碳點的形貌進行了表征，結果如圖3所示。從圖中可看出所合成碳點分布均勻，成球狀，粒徑大小在2.7～4.3 nm之間，具有較好的分散性，量子點尺寸大小和表面態的差異可能是造成熒光激發波長依賴現象的原因[12]。

圖4是碳點的XRD和拉曼圖譜。X射線衍射圖表明，碳點在27.2°附近有一個寬峰，對應于典型的石墨的(002)晶面，這表明碳點核心的共軛結構以非常接近于石墨的方式(≈0.35 nm)進行層間堆疊，與其他文獻所報道的碳點的衍射峰位置十分接近[16]。

圖4 合成碳點的XRD圖譜(a)和拉曼光譜(b)

Fig.4 XRD pattern(a) and Raman spectrum(b) of synthesized CDs

從拉曼圖譜中可以看出代表碳材料缺陷區域的D峰位于1 340 cm-1，代表石墨結構的sp2雜化碳的G峰位于1 605 cm-1，D峰和G峰的強度比值ID/IG為1.18∶1，說明所合成的碳點具有一定的石墨化程度，同時在邊緣也存在著大量的缺陷，呈高度的無定型態[17]。

圖5 合成碳點的FT-IR光譜

Fig.5 Fourier transform infrared(FT-IR) spectrum of synthesized CDs

圖6 合成碳點的XPS全譜(a)及C 1s(b)、N 1s(c)、O 1s(d)的高分辨XPS譜圖。

3.3 對pH值的敏感性

為了進一步探究CDs的光學性質，考察了CDs的光學性能對溶液pH值的敏感性，實驗結果如圖7和 圖 8所示。當激發波長為440 nm和540 nm時，分別測試了碳點溶液發光峰隨pH值變化的情況，從圖7(c)中可以發現CDs的兩個發射峰熒光強度均隨pH值的增加整體呈上升趨勢。當pH值在2～5的酸性條件下，440 nm激發下碳點熒光發射峰位于515 nm左右，540 nm激發下則位于600 nm左右，均較中性條件出現了紅移，呈現出pH值依賴的特點。從圖8中可以發現pH=2時的吸收譜與pH=7時的吸收譜形狀相似，但是吸收強度有所下降，從而造成了發射強度的下降。比較440 nm激發下500 nm的熒光強度與540 nm激發下590 nm的熒光強度以及兩處熒光強度的比值與pH值的關系，發現pH值在2～6區間內，熒光強度比與pH值之間呈線性關系，線性回歸方程為：

I500/I590=60.8143-8.17697pH，

(1)

相關系數R2=0.979 94，由此可利用碳點制備比率熒光探針半定量地檢測酸性溶液的pH值，對利用熒光生物成像來檢測生物體內的pH值也提供了重要的參考。

圖7 合成碳點在不同pH值時的熒光發射光譜。(a)激發波長為440 nm；(b)激發波長為540 nm；(c)500 nm與590 nm的熒光強度與pH值的關系；(d)熒光強度比率與pH值的關系。

Fig.7 PL emission spectra of synthesized CDs at different pH conditions. (a)Under excitation of 440 nm. (b)Under excitation of 540 nm. (c)PL emission intensity at different pH conditions. (d)Linear relationship with pH value of PL emission intensity at pH 2-6.

圖8 合成碳點在不同pH值時的紫外-可見吸收光譜

Fig.8 UV-Vis absorption spectra of synthesized CDs at different pH conditions

另一方面，在強堿性條件(pH=11～12)下，440 nm和540 nm激發下的熒光強度均較中性條件下明顯增強：pH=12時，440 nm激發下最大熒光強度是pH=7條件下的1.91倍，540 nm激發下最大熒光強度則是pH=7條件下的6.71倍。此外，還可以觀察到自然光照下溶液外觀由中性時的淺黑色變為了強堿性條件下的粉紅色。從圖8中可以發現，pH=12時的吸收譜與pH=7時的吸收譜相比，415 nm的吸收峰藍移到了365 nm，560 nm的吸收峰藍移到了550 nm，同時不同波長下的吸收強度也發生了改變從而引起了溶液顏色的變化。因此所合成的碳點也具有一定強堿性指示劑的作用。

4 結 論

通過一步溶劑法合成了具有橙光和綠光雙波段發射熒光性質的CDs。合成的 CDs 尺寸均勻，分布在2.7～4.3 nm之間，主要由C、N、O三種元素組成，表面有大量極性官能團，具有很好的水溶液分散性。CDs在27.2°附近存在一個XRD寬峰，拉曼光譜中D峰與G峰的強度比為1.18∶1，表明CDs表面呈高度的無定型態。發現溶液的pH值對 CDs 光學性能有顯著的影響，CDs在440 nm和540 nm激發下的熒光強度隨pH值增加呈上升趨勢。當pH值在2～6區間內時，碳點500 nm與590 nm 處 的碳點熒光強度比與pH值之間呈線性遞減關系，有望據此制成比率熒光探針。在強堿性溶液中，500 nm和590 nm的熒光強度相比水溶液中分別提高了1.91倍和6.71倍，同時吸收峰出現了一定藍移造成自然光照下溶液顏色發生變化，具有強堿性指示劑的作用。