水热法合成双发射碳点的研究

王晨星，魏建航，白状伟

(西安科技大学化学与化工学院，陕西西安710054)

碳量子点(CDs)因优越的光学性质、良好的生物相容性和多官能团修饰特性[1-5]广泛应用在传感、生物成像、药物递送、太阳能电池、光电子和光催化等研究领域[6，7]。传统的单发射CDs，一般发射单色蓝光，因为生物底物在紫外光激发会产生蓝色自荧光性质，同时也会对生物组织造成一定程度的光损伤，所以限制了其在生物成像过程中的应用。除此之外，这些单发射CDs也容易受到环境影响和激发波长，相似组份和传感器浓度等因素的影响[8，9]。在另一方面，发红光的CDs具有良好的器官穿透性，并且对生物组织光损伤是微乎其微的。所以，开发新的双发射CDs可以有效避免单发射CDs的缺点，为生物或生物医学分析提供更好的传感策略。

本文采用一种简单、低成本的水热法，一步合成双发射的碳量子点，该方法制备的CDs，水溶性良好，在465 nm和588 nm均有发射峰，并且发射峰在588 nm时，对pH有良好的响应能力。文中所制备的碳点，尺寸均匀，粒径在3～5 nm左右。该方法为大批量制备CDs提供了一条有效途径。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

苯并咪唑购自国药集团化学试剂有限公司。甲酰胺、柠檬酸和聚乙二醇400、乙酸乙酯购于天津市科密欧化学试剂有限公司。微孔过滤膜购于深圳市好质全实验耗材有限公司。硅胶和透析袋均来自于青岛海浪硅胶干燥剂有限公司和北京瑞达恒辉科技发展有限公司。

采用紫外-可见分光光度计(TU-1901北京普析仪器有限公司)、荧光光谱仪(LS55，Perkin Elmer，美国)、傅里叶变换红外光谱仪(Perkin Elmer，美国珀金埃尔默)、英国Renishaw公司In Via Reflex型显微激光拉曼光谱仪、透射电子显微镜(Tecnai G2，FEI，美国)和日本Rigaku XRD-7000S/L型X-射线衍射仪(XRD)用于光学及形貌表征。

1.2 碳量子点的制备

双发射荧光碳量子点合成步骤如下：0.232 g苯并咪唑、3.0 mL聚乙二醇400和1.000 g柠檬酸溶于15.0 mL甲酰胺体系中，超声5 min，使得刚配制的溶液充分溶解为均一的分散液，将其放入聚四氟乙烯内胆中，并在恒温烘箱中加热12 h，保持180℃；冷却至室温并将其倒入烧杯，混合溶液的颜色从无色变为了黑色，这时碳量子点已经形成；将制备好的碳量子点进行抽滤(0.2 μm微孔膜)和过柱子(V乙醇/V乙酸乙酯=1/4)；过柱子后将得到的溶液用超纯水透析，最终得到含有双发射荧光碳量子点的的溶液，冷冻干燥后避光保存。

1.3 制备碳量子点对pH值的敏感性

将制备好的CDs固体用超纯水配置成0.25 g/mL的CDs溶液，然后用HCl和NaOH水溶液配置成不同pH值，将不同pH值的溶液装成等量5.0 mL然后向其中加入10 μL之前所配置的CDs溶液。充分震荡10 min后进行荧光测定。当激发波长为380 nm，测试发射波长为465 nm时的荧光强度；当激发波长为540 nm，测试发射波长为588 nm时的荧光强度。所有的实验都在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 荧光及紫外可见吸收光谱

在自然灯光下CDs水溶液为浅灰色液体(图1插图1)，365 nm的紫外灯照射下发出蓝光(图1插图2)，在532 nm的绿光灯照射下发出浅红色光(图1插图3)。图1是CDs在水溶液中的荧光图谱，可以看出，当激发波长在λex=320 nm～380 nm时，CDs发射波长在465 nm，当激发波长为380 nm得到最大发射强度。当激发波长为400 nm～480 nm，CDs发射峰峰位随着激发波长的红移而红移，展现出明显的激发波长相依性，这与文献报道过的碳点荧光性质相似[10]。当激发波长为λex=500 nm～540 nm时，最大发射波长为在588 nm。对合成碳点的紫外吸收光谱进行了考察，结果如图2所示。从图2可以看出，CDs的水溶液有4条吸收带，196 nm是因为π-π*电子跃迁[11]，而在300～600 nm的低能量区域，发现了332.5 nm、390 nm和589.5 nm处的三条吸收带，可以归结于C=O以及含有C=N/C=O和C-O结构的表面态的跃迁[12-14]。对合成碳点的形貌进行了表征，结果如图3所示。从图3可以看出，制得的CDs拥有良好的分散性，尺寸集中在3 nm～5 nm左右。CDs的这种发射峰(λex=400 nm～480 nm)随着激发波长而改变的现象，不仅是由尺寸大小引起的，更多的是由于CDs上发射位点被激发产生的荧光不同。

图1水溶液中碳量子点在不同激发波长下的荧光光谱图：激发波长在320 nm～380 nm(m，l，k，j)范围；激发波长在400 nm～480 nm(d，e，f，g，h)范围；激发波长在500 nm～540 nm(a，b，c)范围

图2 水溶液中碳量子点的紫外可见吸收光谱图

2.2 其他表征

对合成碳点的形貌进行了表征，结果如图3所示。从图3可以看出，制得的CDs拥有良好的分散性，尺寸集中在3 nm～5 nm左右。CDs的这种发射峰(λex=400 nm～480 nm)随着激发波长而改变的现象，不仅是由尺寸大小引起的，更多的是由于CDs上发射位点被激发产生的荧光不同。

利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)(图4)对CDs的表面官能团进行的考察，结果如图4所示。从图4可以看出，3318 cm-1和2876.4 cm-1处的吸收峰属于-OH和-CH2伸缩振动，2360.5 cm-1处属于-N=C=O伸缩振动，1476.3 cm-1～1255 cm-1、1111.8 cm-1和945.47 cm-1～669.68 cm-1的吸收峰分别归属C=O/C=C、C-N/C-O和C-H的伸缩振动[15-22]。说明合成碳点含有氮原子的掺杂。并且CDs表明存在大量的含有大量的含氧官能团。

图3碳量子点的透射电镜图

图4碳量子点的红外光谱图

图5(a)为CDs的XRD图谱，其中位于2 θ=22°附近的宽峰，归属于CDs内无序的类石墨微观结构并且在透射电镜图中没有发现明显的晶格线，说明制得的CDs内部碳源之间的无序性[23，24]。从CDs水溶液的拉曼图谱(图5b)可以看出对应于碳材料中的无序或缺陷区域D峰位于1361 cm-1，石墨结构的Sp2杂化碳的G峰位于1592 cm-1，D峰相强度明显低于G峰相强度，D峰和G峰强度比值ID/IG=1362/1592=0.95，说明石墨化程度较高[12]。

图5 碳量子点的XRD图谱(a)和拉曼光谱图(b)

2.3 pH敏感性

为了进一步了解CDs的光学性质，考察了CDs对介质pH值的敏感性，实验结果如图6(i、k、m)。图6详细考察了CDs两个发射峰在不同pH值下的荧光强度。从图6(i，k)可以看出，激发波长为380 nm，在酸性条件下(pH2.03～5.25)荧光强度随着pH值的增加而增强，在碱性介质中pH值为10.62时，荧光强度最强，这可能是由于制备的CDs表面基团在强碱性条件下容易发生解离或者电荷转移引起的[25]。激发波长为540 nm(图6m)，当pH值在2.03-11.46范围内，随着pH值增加，CDs的荧光强度也增强。除此之外，还可以明显的观察到，随着pH值的增加，CDs溶液的颜色也呈现出透明液体到由粉红色变化的趋势，并且，颜色逐渐由浅到深变化，如图7所示。由此可初步建立可视化检测pH的方法。这对荧光生物成像来检测生物体内pH值提供了重要的参考价值。

图7 碳量子点在不同pH值时溶液颜色变化图

3 结论

通过水热法一步合成了具有双发射发光性质的CDs(发射蓝光和红光，发射波长为465 nm，588 nm)。合成的CDs尺寸均匀，具有很好的水溶液分散性和优异的光学稳定性。考察了pH值对CDs荧光性能的影响，无论是蓝光，还是红光，都在碱性介质中展现较强的荧光强度，但是红光在强酸性介质中荧光淬灭，蓝光在强酸介质中荧光强度降低，但是没有淬灭。此研究展现了合成CDs对酸碱介质的敏感性，为其后续在生物体中标记分析应用提供参考。