基于碳量子点的隐形荧光墨水制备及性能分析

刘艳红， 王 娜， 余孝其， 张 骥， 李 坤， 李 静

（四川大学a． 基础化学实验教学中心；b． 化学学院，成都610064）

0 引 言

2004 年，Xu等［1］从电弧放电灰中纯化单壁碳纳米管时，分离出一种直径小于10 nm的荧光纳米材料，后被称为碳量子点。这类新型的碳纳米材料具有水溶性好、尺寸小、光稳定、表面易于被修饰、功能集成、发射波长可调谐和生物毒性低等诸多优点［2-6］，在生物传感、能量存储、能量转化、药物及基因传输等领域都受到了广泛关注。目前，合成碳量子点的策略主要有自上而下法和自下而上法。自上而下是通过化学或物理的方法将尺寸较大的碳材料分解成粒径较小的碳量子点，包括激光剥蚀法、电弧放点法、化学消融法等。这类方法适合于碳量子点的大量制备，但制备的碳量子点水溶性差、量子产率低、表面官能团较少；自下而上的合成方法是将小分子有机化合物通过热解或化学反应缩合为碳量子点，包括微波法、水热合成法、电化学法等。该类方法操作简便、反应条件温和，合成的碳量子点表面保留了较丰富的官能团，量子产率高［7］，近年来广泛应用于碳量子点的合成。

荧光量子产率是衡量荧光纳米材料优越性的主要参数之一，首次分离的碳量子点相对荧光量子产率低于1%。研究发现在碳量子点中掺杂其他原子如N、P、B、S和F等，可以有效提高荧光量子产率［8-10］，改善其在复杂环境中的应用前景。

本实验以甲基纤维素和乙二胺为原料，采用水热法一步合成氮掺杂的碳量子点，并利用现代化的分析方法对其微观形貌、结构组成和光学性质进行表征。同时把该材料应用于隐形荧光墨水成像实验，将文字信息存储于无荧光滤纸中，通过紫外灯下成像实现隐形信息的可视化。

1 实验方法

1.1 实验试剂及仪器

甲基纤维素，美国MP 生物医疗公司；乙二胺，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；紫外-可见分光光度仪和荧光光谱仪，日本日立高新技术公司；透射电子显微镜、红外光谱仪和X 射线光电子能谱，赛默飞世尔科技有限公司。

1.2 氮掺杂碳量子点（N-CDs）的制备

称取1 g甲基纤维素溶解于10 mL 去离子水中，量取0． 8 mL乙二胺溶液加入上述溶液中，用玻璃棒搅拌均匀后，将溶液转移至容积为25 mL 的不锈钢反应釜聚四氟乙烯内衬中，拧紧釜盖，在180℃条件下反应12 h。待反应釜自然冷却后，将溶液倒入15 mL 离心管中，10 000 r／ min 离心10 min，去除较大的颗粒，然后将上清转移至截留相对分子质量为500 的透析袋中透析48 h，每4 ～6 h换一次水，收集透析袋中的溶液，冻干，得到的黑棕色固体粉末即为碳量子点，将粉末置于4℃冰箱内保存备用。

1.3 材料表征

配制浓度为0． 5 mg ／ mL的N-CDs溶液，将其滴加于铜网上，利用透射电镜（TEM）分析其形貌，统计颗粒的粒径大小，绘制粒径分布图。采用红外光谱及X射线能谱分析N-CDs的表面官能团和化学组成。

1.4 光学性质分析

（1）紫外-可见光谱及荧光光谱扫描。利用UV-vis光谱仪对N-CDs溶液（0． 5 mg ／ mL）进行光谱扫描，扫描范围200 ～700 nm。同时，检测溶液的荧光光谱性质，在370 ～700 nm范围内，测定N-CDs的最大激发波长和最大发射波长。在此基础上，进一步研究NCDs激发依赖的发射行为，采用300 ～400 nm 范围内的激发波长进行激发，记录荧光发射光谱的变化。

（2）N-CDs 荧光量子产率测定［11］。以1 μg ／ mL奎宁硫酸溶液（溶解于0． 1 mol／ L硫酸中）作为参比溶液，测定溶液在360 nm 处的光吸收及荧光强度，并利用下式计算N-CDs的荧光量子产率

式中：I、A 和η分别代表荧光强度、紫外吸收和溶液的折射率（两者均为1． 33）；S 代表参比溶液。为了减少误差，在360 nm处的紫外吸收值应低于0． 05。

（3）N-CDs 的稳定性考察。配制0． 01 mol／ L 的磷酸钠缓冲液（PBS），用1 mol／ L HCl 或NaOH 调节pH值，得到pH值分别为2、4、6、8、10 和12 的缓冲液。将N-CDs溶解于不同pH 的缓冲液中，配制成浓度为0． 5 μg ／ mL的溶液，用荧光光谱仪检测N-CDs在不同pH条件下的荧光光谱。

配制浓度分别为0． 2、0． 4、0． 6、0． 8 和1． 0 mol／ L的NaCl溶液，将N-CDs溶解于不同浓度的NaCl 溶液中，配制成浓度为0． 5 μg ／ mL 的溶液，用荧光光谱仪检测N-CDs在不同离子强度下的荧光光谱。

1.5 隐形墨水制备及成像

称取1 mg N-CDs溶解于2 mL 去离子水中，配制浓度为0． 5 mg ／ mL 的母液。然后用去离子水将其稀释为0． 5、1、5 和10 μg ／ mL 4 个浓度。用滴管分别取少量不同浓度的液体，在无荧光滤纸上写字，待滤纸在空气中自然风干后，置于紫外灯下观察，并进行拍照。

2 实验结果

2.1 N-CDs的形貌及粒径

N-CDs溶于水后形成浅棕色澄清的溶液，采用透射电子显微镜（TEM）分析其微观形态及粒径大小，结果见图1。从图中可见，N-CDs均匀地分散在水中，大部分碳点的形状接近球形，粒径分布在4 ～- 10 nm，平均粒径约为6 nm。

图1 N-CDs的形貌及粒径分布统计图

2.2 N-CDs的结构表征

图2 N-CDs的红外光谱图

利用红外光谱仪（FTIR）分析N-CDs 表面的官能团，结果如图2 所示。在3 500 ～3 000 cm-1处出现的较宽的吸收峰为N—H／ O—H 和C—H 键的伸缩振动，1 632-1处的吸收峰属于C ＝C ／ C ＝O 键的伸缩振动，1 349-1处的吸收峰归为C ＝N／ C—N的伸缩振动，1 120-1处的吸收峰为C—O 键的伸缩振动［12］。红外光谱分析结果显示氮原子已经成功掺杂至碳量子点的结构中，以—NH、—C—N／—C ＝N的形式存在于碳量子点的表面。

为了进一步分析碳量子点表面的元素组成，采用X-射线光电子能谱（XPS）对样品进行分析，结果如图3所示。N-CDs的总谱图显示有3 个特征信号峰285，398． 5 和531 eV，分别代表了C1s、N1s和O1s（见图3（a）），表明碳量子点主要有C、N、O 3 种元素。高分辨C1s能谱中存在3 种不同结合能的特征峰（图3（b）），分别为C—C ／ C ＝C（283． 4 eV），C—N（285． 3 eV）和C＝O（286． 0 eV）。N1s 的高分辨能谱显示N-CDs表面有两种形式的N，分别为C—N（397． 3 eV）和C ＝N（399． 5 eV）。高分辨O1s 的XPS 图谱显示存在两种不同结合能的特征峰，即C ＝O（529． 8 eV）和C—O（532． 5 eV）。XPS 能谱分析结果与FTIR 结果一致，进一步证实了N原子存在于碳量子点的表面。

图3 N-CDs的X射线光电子能谱图

2.3 N-CDs的光学性质表征

通过紫外-可见光谱扫描和荧光光谱扫描分析NCDs的光谱性质。图4（a）显示N-CDs在300 nm处有特异性的紫外吸收，这是由于C ＝O的n-π*跃迁引起的。荧光光谱扫描结果显示N-CDs 的最大激发波长为370 nm，对应的最大发射波长为460 nm。进一步研究发现，N-CDs的发射光谱随着激发波长的增加而出现红移现象，表明N-CDs 的光谱可调谐，具有激发依赖的发射性质，这与N-CDs 的粒径分布不均一、表面不同官能团分布导致表面态不均一以及表面发射缺陷相关［13-14］。N-CDs水溶液在白光灯下为浅棕色，当被360 nm的紫外灯照射时，可以发出明亮的蓝光。实验以奎宁硫酸溶液作为参比，测定N-CDs 在360 nm 处的吸光值和荧光强度，经计算得到N-CDs的荧光量子产率为9． 83%。

图4 N-CDs的紫外-可见光吸收和荧光发射光谱

2.4 N-CDs的光稳定性考察

为了探讨N-CDs化学结构和光学的稳定性，在不同pH和离子浓度下检测了N-CDs的荧光光谱。由图5 可见，当pH在4 ～10 时，N-CDs 的荧光强度和峰位没有明显的变化，表明N-CDs 在该pH 范围内具有很好的光稳定性。但是在强酸（pH 2）和强碱（pH 12）条件下，N-CDs 溶液的荧光强度明显降低，这可能与NCDs表面基团间质子／去质子化的变化有关［15-17］。研究离子强度对N-CDs化学结构和光稳定性的影响时，在N-CDs溶液中加入0 ～1 mol／ L的NaCl，结果显示在该浓度范围内，N-CDs 溶液的荧光强度和峰位均未有明显的变化。说明N-CDs具有较强的抗离子性，在高离子强度下依然可以保持化学结构的稳定性。光稳定性研究显示N-CDs适用于较宽的pH范围和高离子强度环境。

图5 pH和NaCl对N-CDs光稳定性的影响

2.5 隐形荧光墨水应用及成像

碳量子点具有发射波长可调谐、光稳定性强、抗光漂白、量子产率高、水中分散性好及毒性低等诸多优点，在图形信息存储、信息加密或防伪鉴定等领域具有广泛的应用前景。本实验将N-CDs 应用于隐形墨水的测试，将N-CDs 配制成不同浓度的溶液，通过滴管吸取后在无荧光滤纸上写字，室温干燥后，0． 5 和1 μg ／ mL两个较低浓度的溶液在滤纸上无任何颜色，5和10 μg ／ mL 两个较高浓度的溶液在滤纸上为浅黄色。将干燥后的滤纸置于360 nm的紫外灯下，隐形的文字显示为明亮的蓝色，且荧光的亮度与N-CDs溶液的浓度呈正相关（见图6）。

图6 隐形文字成像

3 结 语

实验以生物相容性良好的食品增稠剂甲基纤维素和乙二胺为先驱物，通过一步水热法制备了氮掺杂的碳量子点（N-CDs），该碳量子点在水中具有较好的分散性，平均的粒径为6 nm。制备的N-CDs具有光谱可调谐的性质，荧光量子产率为9． 83%，其最大的激发、发射波长分别为370 和460 nm。N-CDs的光稳定性良好，在pH（4 ～10）和强盐离子浓度环境下荧光光谱无变化。N-CDs可以作为隐形荧光墨水应用于文字信息的存储，荧光的亮度呈现浓度依赖的特性。

碳量子点是近年来出现的零维碳基荧光纳米材料，在能量传输、信息存储、生物检测、生物传感等诸多领域都有良好的应用前景。该材料合成过程简单、光学性质全面、应用范围宽广，适合作为探索型的创新实践项目应用于本科“双创”项目训练中。通过此类探索型项目的开发，可以将基础实验课的内容如小分子合成、光谱分析、物质结构解析等有机地整合在一起，扭转传统基础实验中知识点的人为分割和理论与实践相互脱离的困境，有效调动学生内在的学习动力，激发学生学习的兴趣，从根本上改善实践训练的效果；其次，将基础实践能力的训练与实际应用相结合，在实践中培养学生分析解决问题的能力和勇于尝试、敢于创新的精神，为学生今后参与项目或独立进行创新实践活动奠定基础。另外，紧跟学科发展前沿，将前瞻性、新颖性的内容转化为本科实践创新项目，有利于开阔学生的视野和启迪基础的科学思维。