基于荧光碳纳米粒子化学发光创新实验设计

李 锋, 邓颖杰, 刘潇丹, 王桂燕

(1. 沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳 110044； 2. 沈阳药科大学 制药工程学院, 辽宁 沈阳 110016； 3. 抚顺市卫生学校, 辽宁 抚顺 113006)

高等学校应紧紧围绕“坚持研究、培养创新”这个中心,为国家不断培养适应现代化建设需要的高素质创新人才[1]。创新实验往往是多学科的相互渗透与交叉,是对学生的实验动手操作技能、科学思维、创新和解决实际问题能力的整体训练与提高[2]。化学是一门以实验为主的快速发展的前沿学科,通过创新实验教学向学生展示化学领域的前沿进展,培养学生的创新素养,已经成为紧迫而艰巨的任务[3-6]。

化学发光是伴随着化学反应而产生可见光的现象。以草酸酯、过氧化氢和荧光剂为主要组成的化学发光体系,是迄今为止最有效的化学发光体系[7]。采用这种发光体系可制成多种光源,应用前景十分广阔。然而,作为荧光剂的有机染料有着致畸、致癌的危险,发红光的罗丹明B,抛弃后的发光液给环境造成了巨大的危害。因此发展新的荧光剂取代有机染料、制备新型环境友好的发光液成为必然。近年来,荧光碳纳米粒子以其独特的光学性能和生物相容性引起了研究者的广泛关注[8-9]。与有机染料相比,荧光碳纳米粒子具有合成工艺简单、成本低廉、无毒、荧光性能优良并且稳定性好等优点。荧光碳纳米粒子作为一类新型的发光材料,在生物标记、光电器件及光催化方面得到了广泛的应用。

本文构建了一种荧光碳纳米粒子应用于化学发光液的创新实验教学模式。学生独立查阅文献资料,优选并拟定实验方案,测试记录实验数据,并对数据结果进行分析讨论,得出结论。将教师最新的研究成果引入到实验教学中，科研的思维方法和技能在创新实验教学中有机融合,增加了实验教学的探究性和创新性,提高学生自主学习的兴趣,充分发挥学生的积极性和创造性[10]。

1 实验

1.1 主要试剂与仪器

试剂：柠檬酸,酒石酸,尿素,双(2,4,5-三氯水杨酸正戊酯)草酸酯(CPPO),邻苯二甲酸二丁酯,叔丁醇,过氧化氢,均为分析纯试剂,购自国药集团化学试剂有限公司。

仪器：X’ Pert Pro型多晶X射线衍射仪(荷兰PANalytical公司),Spectrum One FTIR红外光谱仪(美国Perkin Elmer公司),UV-2601紫外可见分光光度计(北京瑞利公司),F-4600 荧光分光光度计(日本Hitachi公司),DHG-9036A电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司),ZF-C型三用紫外分析仪(上海康禾光电仪器有限公司)。

1.2 荧光碳纳米粒子的制备

称取3.0 g柠檬酸和3.0 g尿素混合,置于研钵中研磨均匀,将研磨后的混合物倒入烧杯中,然后转入干燥箱中在160 ℃反应90 min；反应结束后自然冷却至室温,得到棕黑色固体反应物,将该固体反应物研磨后备用。样品标记为CitCNP。3.0 g酒石酸取代柠檬酸,其他条件相同,可以制备酒石酸为碳源的荧光碳纳米粒子,样品标记为TarCNP。

1.3 化学荧光液的配制

在烧杯A中加入40 mg荧光碳纳米粒子和0.30 g的CPPO,再加入邻苯二甲酸二丁酯,混合后水浴加热,使之充分溶解,冷却至室温。在另一烧杯B中,加入30%(质量分数)H2O2和叔丁醇(体积比为2∶3),混合均匀,溶液呈透明。取等体积的A液与B液混合,快速摇匀,在无强光条件下可观测到化学发光。

2 结果与讨论

2.1 碳纳米粒子样品的X射线衍射图

图1为不同碳源制备的碳纳米粒子的X射线衍射图,由图1可见,CitCNP和TarCNP两样品在2θ=22°左右处都有宽而强的非晶态碳的衍射峰,说明得到的是无定型碳结构材料[11]。

图1 CitCNP和TarCNP样品的XRD图

2.2 碳纳米粒子的红外吸收光谱

样品的红外吸收光谱见图2。由图2可见：3 100～3 500 cm-1处宽而强的吸收带归属于υ(O—H) 和υ(N—H)；1 700 cm-1附近峰为υ(CO)；CitCNP样品1 614 cm-1为υ(CN),而TarCNP样品1 664 cm-1处的吸收带为υ(CC)；1 360 cm-1附近是υ(C—N)；1 170 cm-1附近是υ(C—O—C)。红外光谱表明,CitCNP和TarCNP样品表面官能团类型不同,预示着两样品的荧光发射光谱会有区别。

图2 CitCNP样品和TarCNP样品的FTIR图

2.3 碳纳米粒子的紫外-可见吸收光谱

图3 CitCNP和TarCNP样品的紫外-可见吸收光谱图

2.4 碳纳米粒子样品的光致发光光谱

图4为CitCNP和TarCNP样品水溶液在不同波长激发光照射下的荧光发射光谱图(λ为荧光波长)。从图4中可以看出,当激发波长从340 nm增加到440 nm时,CitCNP和TarCNP样品的荧光强度I随着激发光波长的增加而存在一个先升高、后降低的激发波长依赖的发光特性。以柠檬酸为碳源制备的CitCNP样品的最强峰值发射波长位于526 nm,为黄绿色荧光发射；而以酒石酸为碳源制备的TarCNP的最强峰值发射波长位于469 nm,为蓝色荧光发射。根据文献报道,碳点的荧光发射波长与CC、CN、CO和C—N 键相关官能团及结构有关[13]。目前,荧光碳纳米材料的发光机理还没有被完全研究透彻,详细的发光机理还有待进一步研究。

图4 (A)CitCNP和(B)TarCNP样品水溶液的光致发光光谱图

2.5 碳纳米粒子样品在365 nm下的照片

图5为CitCNP和TarCNP样品水溶液在365 nm紫外灯下的照片。由照片可见,在 365 nm紫外灯激发下,CitCNP样品水溶液呈明亮的黄绿色荧光,TarCNP样品水溶液呈亮蓝色荧光,与光致发光光谱测试结果一致。2个样品的荧光强、亮度高,说明以柠檬酸或酒石酸为碳源均可以获得发光性能优良的荧光碳样品。

图5 CitCNP和TarCNP样品水溶液在365 nm紫外灯下的照片

2.6 碳纳米粒子样品在草酸酯-过氧化氢激活体系中的荧光照片

图6为CitCNP和TarCNP样品在草酸酯-过氧化氢激活体系中的荧光照片。由图6可见,CitCNP样品呈现了明亮的黄绿色荧光,TarCNP样品呈现了明亮的蓝色荧光,并持续发光5 h后,两样品的荧光发射仍然清晰可见。化学发光反应的发光机理普遍认为是：过氧化氢对草酸酯的羰基亲核进攻,生成双氧基环状中间体二氧杂环丁二酮,中间体分解将能量传递给受体荧光剂,使之激发而产生荧光发射。这一结果表明,草酸酯-过氧化氢激活体系对制备的CitCNP和TarCNP样品的化学发光是适用的,荧光碳材料是潜在的荧光染料的替代品。这为开发成本低廉、环境友好、荧光性能稳定的以草酸酯-过氧化氢为主要组成的化学发光体系无毒荧光剂提供了新的途径。

图6 CitCNP和TarCNP样品在草酸酯-过氧化氢激活体系中的发光照片

在荧光光度计中(无激发光源条件下)测量了CitCNP和TarCNP样品在草酸酯-过氧化氢激活体系中的化学发光光谱图,如图7所示。由图可见,CitCNP样品的最大发射波长为520 nm,TarCNP样品的最大发射波长为472 nm。两样品在草酸酯-过氧化氢激活体系中最大发射波长与图6发光照片颜色相一致。

图7 CitCNP和TarCNP样品在草酸酯-过氧化氢激活体系中的发光光谱图

3 结语

本实验以柠檬酸、酒石酸和尿素为反应物,通过热分解法制备了黄绿色和蓝色发光的荧光碳纳米材料,将该荧光碳纳米材料应用于草酸酯-过氧化氢化学发光体系,实现了长时间的持续明亮发光。该实验将材料合成、表征、应用形成一套完整的科研训练过程,激发了学生的科研兴趣、培养了学生的实验技能、科研素养和创新精神。通过以荧光碳纳米粒子应用于化学发光为代表的创新实验教学的初步实践,取得了较好的教学效果和反馈。已有本科生在 Journal of alloys and compounds等国际期刊以主要参与者身份发表研究论文[14]。