生物质基碳量子点的制备及其光谱性质研究

张正伟，彭可睿，陈建秋，严拯宇

(中国药科大学 理学院，江苏 南京 210009)

半导体量子点(Quantum dots,QDs)因其具有良好的光学、电学及光电学性质[1-2]，在生物标记、生物医学和光电子器件等研究领域[3-4]有着广泛的应用前景。但是常规半导体量子点在制备的过程中必然会引入重金属元素，对环境和人类健康具有潜在的危害性[5]，因此开发无毒、环境友好型、且具有与半导体量子点类似的新型荧光纳米材料成为大家关注的焦点。近几年来，新型碳量子点(Carbon quantum dots,CQDs)逐渐被研发和应用。与半导体量子点相比，碳量子点不仅具有相似的优良的光学特性，而且弥补了半导体量子点毒性大的缺点，具有毒性小，生物兼容性好，荧光稳定性好的突出优势[6-8]。

本研究以废弃木屑为前驱物制备的活性炭为碳源[9-10],采用化学氧化法，并通过微波和超声结合法进行钝化，制备了水溶性的生物质基碳量子点，对合成的生物质基碳量子点进行了结构表征和分析，同时考察了所合成碳量子点的光学性质。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

生物质基活性炭(以杨木木屑为原料，参照文献[9]方法实验室自制)；30%过氧化氢(国药集团化学试剂有限公司)；醋酸(南京化学试剂有限公司)；PEG2000(西陇化工股份有限公司)等，均为分析纯，所有试剂使用前未做进一步处理，实验用水为超纯水。

UV-2100紫外分光光度计、RF-5301荧光分光光度计、FTIR- 8400S傅里叶红外分光光度计，均为日本岛津公司；KH-250DB超声仪，昆山禾创超声仪器有限公司；HD 23020光量子测定仪，Delta OHM Italy；GZP-300B光照培养箱，南京恒裕仪器有限公司，所有测试均在室温下完成。

1.2 水溶性CQDs的制备

称取生物质基活性炭0.3 g，置于250 mL圆底烧瓶中，加入40 mL HAc和80 mL 30% H2O2作为混合氧化剂(V(HAc) ∶V(H2O2)=1 ∶2)，用微波超声(功率250 W，频率50 kHz)处理30 min使混匀，然后在恒温磁力搅拌器上加热回流，先控制体系温度缓慢上升，然后在100 ℃下磁力搅拌回流12 h，得到亮黄色的溶液。将新鲜制备的CQDs溶液用滤纸过滤，以除去大颗粒的杂质和未反应完全的活性炭，然后在旋转蒸发仪上低温(50 ℃)旋蒸至约2 mL，用乙醚洗涤萃取(2×20 mL)，再将萃取物旋转蒸发至干燥，用超纯水复溶至原体积即可。

取提纯后的CQDs溶液50 mL，加入10 mL浓度为100 g/L的PEG2000溶液，充分混匀，先用微波超声(功率250 W，频率50 kHz)处理30 min，再用低档微波处理30 min；然后在旋转蒸发仪上旋转蒸发，最后真空干燥后制得CQDs粉末。

1.3 碳量子点的表征

采用透射电子显微镜观察样品的尺寸和形貌，采用傅里叶红外光谱仪分析检测样品的化学组成，采用紫外可见分光光度计和荧光分光光度计测定样品的发光性能。以硫酸奎宁为参比，测量合成所得CQDs溶液的量子产率。

2 结果与讨论

2.1 合成方法的选择

为了得到发光性能优异的CQDs，对反应条件进行了优化。在0.3 g生物质基活性炭和40 mL HAc- 80 mL 30% H2O2混合氧化剂的条件下，首先考察反应温度分别为60、 80、 100、 120 ℃制备CQDs，测定其荧光发射光谱(图1)。结果显示，随着反应温度的增加，荧光强度呈增大的趋势；随温度的升高，荧光强度增大的幅度变小，故选择反应温度为100 ℃，水浴反应即可满足条件，使反应设备简化。然后确定温度为100 ℃，反应时间分别为1、 2、 4、 6、 8、 10、 12、 14 h制备CQDs，测定其荧光发射光谱(图2)。实验结果表明，CQDs的荧光发射峰位置随着反应时间的延长并没有发生红移或者蓝移，考虑到实验过程操作的方便性，选择最佳反应时间为12 h。因此，CQDs的合成条件：0.3 g生物质基活性炭和40 mL HAc- 80 mL 30% H2O2混合氧化剂，反应温度为100 ℃，反应时间为12 h。

2.2 提纯方法的选择

由于作为碳源的生物质基活性炭的粒径不均一，且在CQDs的制备过程中，混合氧化剂与碳源之间复杂的相互作用，使得制备的CQDs的粒径也不均一，从而使荧光强度减弱，荧光光谱展宽。如图3所示，经提取后乙醚层的CQDs荧光光谱，荧光强度增大，半峰宽减小，荧光光谱峰蓝移，且荧光光谱图比较对称、平滑(图3a)；相反提纯后水层的CQDs的荧光强度减弱，半峰宽增大，荧光光谱峰红移，且荧光光谱图不平滑(图3c)。原因可能是乙醚作为萃取溶剂提纯CQDs时，除去了未反应完全的炭颗粒和其它杂质，使粒径较大的CQDs留在了水层，从而使乙醚层的CQDs较纯，且粒径较小，较均匀。

2.3 钝化方法的选择

对提纯后的CQDs溶液分别采用高温回流(120 ℃、 14 h)、超声(功率250 W、频率50 kHz、 30 min)、微波(功率400 W、 30 min)方法进行钝化，同时尝试采用超声和微波相结合进行钝化。结果如图4所示，经钝化后量子点的荧光强度均有所增大，高温回流的增幅最小，其次是微波法，超声法的效果较好，采用超声和微波相结合法进行钝化效果最好，荧光强度显著增大，量子产率也从12.1%提高到19.6%，且节省时间，故选择超声和微波相结合法对碳量子进行钝化。PEG2000的作用主要有两个：一方面有效填补了碳纳米颗粒表面缺陷，使其表面钝化，从而使荧光强度增大，量子产率提高；另一方面在碳纳米颗粒表面引入更多的羟基，不仅增加水溶性，还有利于与其它功能基团结合，扩大了应用范围[11]。

图1 不同反应温度下制备的碳量子点的荧光图谱

图3 乙醚提纯制得的CQDs(a)、未经提纯的CQDs(b)及提纯后水层的CQDs(c)的荧光光谱图

2.4 碳量子点的表征

图5为合成的CQDs的紫外吸收和荧光发射光谱图，以及在暗箱式紫外灯下的照片。在280 nm附近出现了明显的CQDs的紫外特征吸收峰(图5a)[11-12]；在最佳激发波长316 nm下，CQDs的最大发射波长在435 nm左右，且荧光强度大(图5b)，这同在暗箱式紫外灯下CQDs发射出明亮的蓝色荧光(图5c)相一致。

图6是样品的透射电镜(TEM)照片，可以看出该法制备的CQDs分散性好，呈球形颗粒，粒径为5～8 nm。

如图7所示，在CQDs的红外光谱图a曲线中，在1702 cm-1处的强吸收峰归属于—COOH的伸缩振动峰；3415 cm-1的宽峰归属于—OH的伸缩振动峰；在活性炭的红外光谱图b曲线中，却没有羰基、羟基的特征吸收峰。结果表明，活性炭经氧化剂处理后化学成分有所改变，化学氧化法制得的CQDs中氧含量明显增高，有大量的羰基、羟基出现。

考虑到量子点溶液的最大荧光发射波长与硫酸奎宁更接近，选择硫酸奎宁为参比物，参照文献方法，测量制备的CQDs的荧光量子产率得，最大荧光量子产率为19.6%[13]。

2.5 碳量子点的光学性质

2.5.1 碳量子点的稳定性 将CQDs水溶液放置于实验室环境中，不定期取相同浓度的CQDs溶液，测定荧光强度，考察其稳定性情况。在考察的6个多月内，CQDs的荧光强度基本没有变化，表明制备的CQDs具有很好的稳定性，具有广阔的应用潜力。

2.5.2 pH值对碳量子点的影响 将CQDs用PBS缓冲液配制成一定浓度的溶液，使其pH值分别为2、 4、 6、 7、 8、 10、 12，在最佳激发波长316 nm下测定其荧光强度，结果如图8所示，在偏酸或偏碱性条件下，CQDs的荧光强度均较低；在pH值为7附近时，溶液的荧光强度最大，此结果对于CQDs作为荧光标记物应用于细胞和生物医学领域具有重要价值。

图5 CQDs溶液的紫外吸收(a)和荧光发射光谱图(b)以及在暗箱式紫外灯下的照片(c)

图7 与活性炭的红外光谱图

2.5.3 光照对碳量子点的影响 以CdTe和 CdTe/CdS量子点作为参照，来考察CQDs的抗光漂白性[14]。在光照培养箱(温度为25 ℃，光照强度为50.12 μmol/(m2·s)内，放置0、 2、 4、 6、 8、 10、 12 h后取样，测定其荧光强度的变化。如图9所示，连续光照12 h后，CQDs的荧光强度几乎没有变化；但是CdTe和 CdTe/CdS量子点的荧光强度随着光照时间延长(0～8 h)缓慢的降低，8 h后迅速降低，至 12 h时降至零；结果表明CQDs的抗光漂白性优于CdTe和CdTe/CdS量子点，光学性质更稳定，有利于作为新的荧光标记物。

2.5.4 温度对碳量子点的影响 将CQDs粉末用超纯水溶解配制成一定浓度的CQDs溶液，分别放置在25、 30、 35、 40、 50 ℃的水浴中平衡30 min，然后在最佳激发波长316 nm下立即测定其荧光强度。如图10所示，当温度从25 ℃升至40 ℃，荧光强度几乎没有变化，但随着温度进一步升高，CQDs的荧光强度稍微有些减弱。结果表明，温度对CQDs的荧光强度影响较小，室温条件下储存能够保持荧光稳定，能够满足CQDs作为荧光标记物应用于生物成像等领域的需要。

图9 光照对CQDs、CdTe与CdTe/CdS的影响

3 结 论

选用以木屑为前驱物制备的活性炭为碳源，采用化学氧化法，用聚乙二醇2000进行表面钝化，制备出了水溶性的生物质基碳量子点。

3.1 优化了CQDs的合成方法，确定合成条件：0.3 g生物质基活性炭, 40 mL HAc- 80 mL 30% H2O2混合氧化剂，反应温度为100 ℃，反应时间为12 h。

3.2 采用微波和超声结合法进行钝化，修复了CQDs的表面缺陷，荧光强度和量子产率均得到了提高。

3.3 通过CQDs的表征，表明了该方法制得的CQDs粒径小、分散均匀，水溶性好且易于表面功能化。

3.4 光学性质考察，证实了CQDs的抗光漂白性强、光稳定性好，荧光强度具有pH值依赖性，中性环境下荧光强度最大。另外，该合成方法的碳源丰富、廉价、简单易得[15]，氧化剂的反应产物为H2O和CO2，绿色环保，且易于大规模生产。

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