柠檬酸催化木质素基CQDs的制备及其应用
2022-09-28李潇潇邱玉娟马晓军李冬娜于丽丽
李潇潇，邱玉娟，马晓军，李冬娜，于丽丽
(天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300222)
碳量子点(CQDs)是碳材料中的一颗新星，它的直径小于10 nm，形状为准球形[1]。CQDs具有良好的水溶性、低细胞毒性、独特的光致发光特性和易表面官能化等优点。其中，CQDs独特的光致发光特性使其在生物传感[2]、离子检测[3]、光电催化[4]和防伪[5]等领域中得到了广泛应用，被认为是一种非常有前景的替代材料。
CQDs的前驱体种类丰富，如含碳小分子物质、碳纳米管和生物质大分子资源[6-7]等。其中，木质素是天然可再生、无毒、价廉且储量丰富的生物质资源。木质素中含有较多的碳元素和丰富的芳香结构，可作为碳前驱体合成木质素CQDs[8]。相较于传统量子点，木质素CQDs的荧光更加稳定且具有优异的生物相容性。除此之外，木质素还可以有效减少CQDs的制备成本，同时实现废弃物的高值化利用。酶解木质素(EHL)作为酶解木质生物质制备能源酒精或生物天然气的残渣经过比较温和的工艺过程分离得到的废弃物，其来源广泛且附加值较低。相比造纸废液木质素等，EHL中保留了大量的酚羟基、醇羟基和羰基等活性官能团。因此，利用EHL制备CQDs可以赋予CQDs额外的抗紫外屏蔽和抗氧化等功能，实现CQDs的多功能化应用。但是，相较于使用柠檬酸[9]、氨基酸[10]、葡萄糖[11]等小分子物质制备的CQDs，属于大分子生物质的木质素，结构比较复杂，水热能耗大，且制备的CQDs往往因荧光强度较弱、荧光效率和得率较低，限制了其规模化生产。因此，木质素CQDs的发展面临巨大挑战。为提高木质素基CQDs的荧光强度和荧光效率，目前大量研究采用强酸(如硝酸、硫酸等)、强碱(氢氧化钠等)作为改性剂，提高其荧光性能，然而这些溶剂具有强腐蚀性，会对设备造成损坏，废液回收困难且对环境造成二次污染。柠檬酸，作为有机酸中的强酸，其结构式中含有3个羧基，具有优异的水溶性且对环境友好，无毒害。若用柠檬酸作为水热反应中的催化剂，可为体系提供酸性环境，促进生物质的水解，从而提高生物质的水热碳化程度。重要的是，柠檬酸可以在水热体系中充当第二碳源，以实现利用双碳源制备生物质CQDs。
以废弃的EHL为碳源，以柠檬酸为催化剂，通过绿色便捷的一步水热技术合成木质素基CQDs，并将制备的CQDs与聚乙烯醇混合，开发了一种新型的CQDs/聚乙烯醇(CQDs/PVA)纳米复合材料，对复合材料的荧光性能、透明性、紫外屏蔽性和抗氧化性能进行研究。
1 材料与方法
1.1 试验材料与仪器
EHL是橡胶木粉在纤维素酶的作用下水解后得到的残渣，实验室自制，使用前通过碱溶酸沉法进行提纯；柠檬酸(CA)，购自南京创世化工助剂有限公司；聚乙烯醇(PVA)，购自浙江丰虹新材料股份有限公司；去离子水，实验室自制。
DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱(上海申贤恒温设备厂)；SHB III型循环水式多用真空泵(天津科诺仪器设备有限公司)；Lab 1A 50E型真空冷冻干燥机(北京亚星仪科科技发展有限公司)；FEL Tecnai F20型透射电子显微镜(TEM，美国Thermo)；Nicolet iS5型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR，美国Thermo)；ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱仪(XPS，美国Thermo)；UV-2700型紫外可见光分光光度计(UV-vis，日本岛津)；D8型多功能X射线衍射仪(XRD，德国布鲁克)；ZF-1A型紫外分析仪(济南恒品机电技术有限公司)；F-7100型荧光分光光度计(PL，美国瓦里安)。
1.2 CQDs的制备
将不同质量的柠檬酸(0，0.4，0.8和1.2 g)分别溶于20 mL的质量浓度为50 mg/mL的EHL水溶液中，超声30 min，搅拌均匀后将混合溶液转移至100 mL反应釜容器中，在220 ℃的烘箱中反应12 h。等待反应釜内溶液冷却，使用0.22 μm的滤膜抽滤，以除去未反应的木质素，将浅黄色的滤液转移至截留分子量为500 Da的透析袋中，放入1 L的去离子水，每隔6 h换水，以除去未反应的小分子。透析完成后，在-20 ℃下冷冻12 h，再在冷冻干燥机(-60 ℃，20 MPa)里干燥72 h，获得木质素基CQDs粉末。根据柠檬酸的添加量不同分别标记为EHL CQDs、0.4CA-EHL CQDs、0.8CA-EHL CQDs、1.2CA-EHL CQDs和1.6CA-EHL CQDs。
1.3 CQDs/PVA荧光纳米复合材料的制备
分别量取33 mL的去离子水、EHL CQDs、0.4CA-EHL CQDs和0.8CA-EHL CQDs溶液于4个烧杯中，之后加入2.5 g PVA。使用玻璃棒搅拌均匀后放在90 ℃的水浴锅中磁力搅拌2 h。关闭磁力搅拌，保温消泡30 min后取出溶液，并缓慢倒在尺寸为200 mm×200 mm(长×宽)的洁净玻璃板上。自然干燥一段时间后揭膜，获得不同的CQDs/PVA纳米复合薄膜，放入干燥器里备用。分别对应于纯PVA、EHL CQDs/PVA、0.4CA-EHL CQDs/PVA和0.8CA-EHL CQDs/PVA纳米复合材料。
1.4 CQDs的表征
通过TEM观察CQDs的表面形貌和尺寸分布，XRD、FT-IR和XPS分析CQDs的化学结构、元素组成和元素含量，PL测量CQDs水溶液的荧光强度，UV-vis测量CQDs水溶液在不同波长下的吸光值。CQDs的荧光效率(Y)是用硫酸奎宁作为参考计算的。具体计算公式如下：
(1)
式中：Y、A、I和η分别为荧光效率(%)、合适激发波长下的吸光度、发射光谱强度和水溶液的折射率。其中x为待测样品。选择溶解在0.1 mol/L H2SO4(Yre=54%，ηre=1.33)中的硫酸奎宁作为参考。为保证实验数据具有真实可靠性，在激发波长处保持吸光值<0.1。
1.5 CQDs/PVA纳米复合材料的性能测试
使用型号为UV-2007的紫外可见光分光光度计表征复合材料的紫外线透过率。根据1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基清除方法[12]评估复合材料的抗氧化能力。具体操作：将0.5 g复合材料切成小碎片溶解于10 mL甲醇溶液中，室温下浸泡24 h；然后取2 mL上清液和2.5 mL DPPH甲醇溶液(40 mg/L)混合均匀，避光保存1 h；记录不同混合溶液在517 nm处的吸光度值。CQDs/PVA纳米复合材料的DPPH自由基清除率(RSA)公式如下：
(2)
式中：Ac为DPPH甲醇水溶液的紫外吸光度；As为复合材料/DPPH混合溶液的紫外吸光度。
2 结果与分析
2.1 EHL的红外光谱
酶解残渣成分包含综纤维素和木质素。实验中通过碱溶酸沉法提纯EHL残渣，以去除残渣中的综纤维素，获得纯木质素。酶解木质素提纯前后的FT-IR见图1。3 424 cm-1处的宽峰是O—H的拉伸振动引起的，表明EHL中存在大量羟基。2 933 cm-1处的吸收峰反映了甲基、亚甲基的拉伸振动；1 031 cm-1处为二烷基醚键的特征吸收峰，说明提纯后的木质素仍然保留较多醚键结构。然而，提纯后的EHL在1 703 cm-1处出现了强的共轭、非共轭羰基吸收带，说明提纯后的酶解木质素中保留了更多酯键结构。提纯后的酶解木质素保存了更多木质素的官能团。
图1 酶解木质素的FT-IR图Fig. 1 FT-IR spectrum of enzymatically hydrolyzed lignin
2.2 柠檬酸的添加量对CQDs荧光强度的影响
不同质量柠檬酸催化木质素制备的CA-EHL CQDs的荧光强度变化及其水热残渣的SEM分析见图2。由图2a可知，几种碳量子点的荧光强度符合CA CQDs
图2 不同质量柠檬酸制备CA-EHL CQDs的荧光强度和水热残渣的SEM分析Fig. 2 Fluorescence intensities and SEM analysis of hydrothermal residues of CA-EHL CQDs prepared with different qualities of citric acid
a，b) TEM; c) XRD; d) FT-IR。图3 EHL CQDs和CA-EHL CQDs的TEM图，XRD图和FT-IR图Fig. 3 TEM image, XRD and FT-IR spectrums of EHL CQDs and CA-EHL CQDs
2.3 CQDs的结构表征
2.4 CQDs的XPS分析
a) XPS宽扫描全谱图；b) C1s高分辨图谱; c) O1s高分辨图谱。图4 EHL CQDs和CA-EHL CQDs的高分辨率XPS谱图Fig. 4 XPS spectra of EHL CQDs and CA-EHL CQDs
2.5 CQDs的光学性能分析
综上，本研究方法制备的CA-EHL CQDs具有优异的光致发光特性。
a) 紫外可见吸收光谱和荧光光谱; b) 发射光谱; c) 不同pH对荧光强度的影响; d) 不同紫外照射时间对荧光强度的影响。注：a插图是CQDs水溶液在日光(左)和365 nm紫外灯下(右)的对比图。图5 CA-EHL CQDs水溶液的紫外可见吸收光谱、荧光光谱、发射光谱以及在不同pH溶液和不同时间紫外灯照射下的荧光强度变化Fig. 5 UV-vis absorption and fluorescence spectra, emission spectra at different excitation wavelengths, solutions at different pH and after irradiation under a 365 nm UV lamp for a period of time fluorescence intensity changes of CA-EHL CQDs aqueous solutions
2.6 CQDs/PVA纳米复合材料的光学性能分析
CQDs/PVA复合材料在365 nm紫外灯照射下，纯PVA膜透明无荧光，而CQDs/PVA复合材料表现出强荧光性(图6a)。利用CQDs的光致发光特性可以制备荧光纳米复合材料，有望应用于防伪包装领域。进一步研究了纯PVA膜和CQDs/PVA荧光纳米复合材料的透明性、紫外线屏蔽能力和抗氧化性。由图6b可知，在550 nm下，纯PVA膜的光透过率达到90%，而 0.8CA-EHL CQDs/PVA纳米复合材料的光透过率能达到87%，0.4CA-EHL CQDs/PVA纳米复合材料的光透过率也达到83%，说明本研究开发的荧光纳米复合材料具有优异的透明度。一般来说，紫外线波长对塑料制品造成损害的范围在275～400 nm。因此，抗紫外线强度的测量主要在UVA(400～320 nm)、UVB(320～275 nm)和UVC(275～200 nm)[16-17]。由图6c可知，纯PVA膜的紫外透过率可达90%，无阻隔紫外能力。而CQDs/PVA纳米复合材料几乎完全屏蔽了UVC、UVB和大部分的UVA，表现出优异的紫外线屏蔽性能。根据复合材料对DPPH自由基的清除率表征其抗氧化能力，如图6d所示。不同CQDs/PVA荧光纳米复合材料的DPPH自由基清除率依次为41.8%，69.2%，90.2%和91.2%。纯PVA膜对DPPH自由基的清除率很低，而CQDs/PVA复合材料则明显提高。其中0.8CA-EHL CQDs/PVA复合材料对自由基清除效果最好。综上，本研究制备了一种具有优异荧光性、透明性、紫外线屏蔽性和强抗氧化性的CQDs/PVA纳米复合材料，为木质素基CQDs在包装领域的应用提供思路。同时,复合材料的开发丰富了PVA膜功能，从而拓宽了PVA膜的应用范围。
a) CQDs/PVA复合材料在365 nm紫外灯照射下的照片; b,c) 紫外-可见光透射曲线图; d) DPPH自由基清除率图。注：b插图为复合材料在日光下的效果；A～D分别代表PVA、EHL CQDs/PVA、0.4CA-EHL CQDs/PVA、0.8CA-EHL CQDs/PVA。图6 纳米复合材料在365 nm紫外灯下的数码照片、紫外-可见光透射曲线和DPPH自由基清除率曲线Fig. 6 The digital photos in 365 nm UV light, UV-vis transmittance curves and DPPH free radical scavenging rate curves of nanocomposites
3 结 论
以废弃的酶解木质素为碳源，通过在水热体系中添加有机酸作催化剂，以提高其CQDs的荧光强度，进一步制备了CQDs/PVA复合材料。具体结论如下：
1)木质素在柠檬酸的催化下，获得了高荧光性能的CA-EHL CQDs。其中0.8CA-EHL CQDs的水热反应强烈，碳化程度高，荧光性能最优异。与EHL CQDs相比，0.8CA-EHL CQDs的荧光强度是EHL CQDs的6.1倍，荧光效率从0.8%提高到5.0%。
2)透射电镜和X射线衍射数据表明CA-EHL CQDs具有高度结晶化结构且平均粒径为2.4 nm。红外光谱和X射线能谱数据分析CQDs表面富含羟基和羧基官能团，具有优异的水溶性。此外，丰富的氧基官能团增加了CQDs表面的缺陷程度，荧光性能也因此而增强。
3)紫外可见吸收光谱和荧光光谱分析CQDs的最佳激发波长为365 nm，最佳发射波长为449 nm。CQDs水溶液在365 nm的紫外灯下呈现明亮的蓝色荧光。
4)CQDs良好的水溶性，使其在PVA中有更好的相容性，从而更大程度上保留了CQDs的光致发光特性，进而赋予了CQDs/PVA纳米复合材料优异的荧光性能、紫外线屏蔽性能和抗氧化性能，为木质素基CQDs的功能化应用提供借鉴。
