雪莲果皮衍生多模式碳量子点的制备及其防伪应用

朱锋利 杨 玲 杨 沛 王亚虎 谭海湖

湖南工业大学 包装与材料工程学院 湖南 株洲 412007

1 研究背景

假冒产品在各行各业普遍存在，在食品、服装、医药和电子等领域更为常见[1-3]。因此，开发性能可靠且防伪力度高的防伪技术迫在眉睫。在众多防伪技术中，荧光防伪技术因其易识别、印刷速度快、设计多样性和适用多种对象等优点而受到广泛关注[4-5]。

传统的荧光材料如半导体量子点[6]、有机染料[7]和稀土掺杂上转换荧光纳米颗粒[8]等存在毒性大、光稳定性较差以及生产成本高等问题。碳点（carbon dots，CDs）[9]是新型荧光材料，是尺寸小于10 nm的零维碳基材料，其制备原料来源广泛，具有良好的生物相容性、光稳定性、水溶性，易于功能化，光学性能可调谐等优点，且能实现动态荧光防伪。S.Kalytchuk等[10]以柠檬酸和乙二胺（ethylenediamine，EDA）为原料，采用水热法制备CDs，研究结果表明，在反应温度分别为200, 220 ℃下获得的CDs具有相同发射波长，但具有不同荧光寿命，利用CDs荧光油墨可制备通过荧光寿命进行编码的防伪标签。Guo J.Z.等[11]以龟壳作为碳源制备了CDs，并将其与羧基功能化的聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸）微球复合，通过微流控技术组装成了荧光光子晶体微球，研究结果表明，由荧光光子晶体微球构建的防伪图案不仅能呈现出CDs的荧光，还具有随观测角度变色的结构色。Wu Y.F.S.等[12]分别以间苯二胺与叶酸为碳源，通过尿素功能化得到具有蓝色荧光及绿色超长室温磷光发光的两种CDs，研究结果表明，以CDs制备的丝网印刷油墨可以构建具有荧光与磷光效果的防伪图案。

用化学试剂合成的CDs具有高量子产率、高均一性等优点[13]，但其合成原料成本较高，制备过程易造成环境污染。而以李子[14]、树叶[15]、桔皮[16]等生物质作为CDs的前体可以降低生产成本和环境污染。故本研究拟以生物质废弃物（雪莲果皮）为碳源、乙二胺（EDA）为氮源，通过一步水热法制备氮掺杂荧光碳量子点（N-CQDs），并探索N-CQDs对Fe3+和pH的响应性能以及在荧光/磷光防伪中的应用。研究技术路线如图1所示。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

雪莲果购于株洲水果市场，雪莲果皮在烘箱烘干后研磨成粉备用。乙二胺，分析纯；六水合氯化铁，分析纯；氢氧化钠，分析纯；盐酸，质量分数为36%；聚丙烯酸（polyacrylic acid，PAA），平均分子量约为3000。上述试剂均购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

荧光光谱仪，F-4500型，日立公司；透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM），TF-20型，FEI公司；X射线光电子能谱仪（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS），K-Alpha 型，赛默飞世尔科技公司；傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIS），Nicolet 380型，赛默飞世尔科技公司；紫外-可见分光光度计，TU-1801型，北京普析通用仪器有限责任公司。

2.2 N-CQDs的制备

将0.2 g雪莲果皮粉末分散在10 mL去离子水中，加入300 μL乙二胺超声振荡以混合均匀，然后将混合溶液转移至25 mL的带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在烘箱中加热至180 ℃，反应4 h，反应结束后自然冷却至室温。将反应液以8000 r/min离心10 min，去除溶液中的固体残渣，在去离子水中透析24 h（透析袋截留分子量为1000）去除未反应的小分子，得到N-CQDs溶液，4 ℃下保存备用。

2.3 荧光油墨的制备

取 1 mL 去离子水、1 mL 无水乙醇及 18 mL PAA于烧杯中，经磁力搅拌20 min后形成简易油墨，再加入1 mL N-CQDs溶液，充分混合后形成N-CQDs/PAA荧光油墨。随后即可通过丝网印刷在无荧光纸上印制图案。

2.4 表征与性能测试

采用透射电子显微镜对N-CQDs的微观形貌进行表征。通过傅里叶变换红外光谱仪和X射线光电子能谱仪对N-CQDs进行化学组成分析。利用紫外-可见分光光度计和荧光光谱仪对N-CQDs的吸光特性与荧光特性进行测试。

取0.5 mL的N-CQDs溶液，用去离子水稀释至40 mL，再取0.5 mL稀释后的N-CQDs溶液分别与1 mL 不同浓度（0.1, 0.5, 1, 5, 10 mmol/L）的 Fe3+溶液充分混合，静置10 min后，进行荧光测试。

用氢氧化钠和浓盐酸溶液配置不同pH值（1, 4, 7,10, 13）的水溶液。取 0.5 mL稀释后的N-CQDs溶液分别与1 mL的不同pH值水溶液充分混合，静置10 min后，进行荧光测试。

3 结果与讨论

3.1 N-CQDs制备条件优化

在N-CQDs的合成过程中，反应时间的长短会影响N-CQDs碳核的大小[17]，而碳核中共轭域的尺寸又会影响荧光效率[18]。因此，为了研究反应时间对N-CQDs荧光效率的影响，本研究只改变水热反应时间，其他制备条件保持不变（同2.2节），制备了不同的N-CQDs。不同水热反应时间下制备的N-CQDs在380 nm激发波长下的荧光发射光谱图如图2a所示。由图2a可知，随着水热反应时间的增加，N-CQDs的荧光强度呈现先上升后下降的趋势；当水热反应时间为4 h时，N-CQDs的荧光强度达到最大。这可能是由于反应时间的增加使N-CQDs的碳化程度增加，利于形成更大尺寸的共轭结构，因而荧光强度增加。但是当反应时间进一步增加时，碳核过大导致量子限域效应减弱甚至消失，因而荧光强度下降。

氮原子可以增加CQDs中相邻碳原子的电荷密度，并能提供新的辐射弛豫途径，进而提高荧光效率，因此，对CQDs进行氮原子掺杂是研究者们经常使用的策略[17]。为了研究N-CQDs中氮掺杂量对荧光强度的影响，本研究只改变氮源（乙二胺）的加入量，其他制备条件保持不变（同2.2节），制备不同的 N-CQDs。不同乙二胺加入量（0, 100, 300,500 µL）下制备的N-CQDs在380 nm激发波长下的荧光发射光谱图如图2b所示。由图2b可知，随着乙二胺加入量的增加，N-CQDs的荧光强度呈现先增加后下降的趋势；当乙二胺加入量为300 μL时，N-CQDs的荧光强度达到最大。这可能是由于氮原子提高了N-CQDs中碳原子的电荷密度和自旋密度，提供了新的辐射弛豫途径，进而提高荧光强度[19-20]，但是氮掺杂量超过一定值就会破坏碳核的共轭结构，从而使荧光强度下降[21]。

图2 N-CQDs荧光光谱图Fig.2 Fluorescence spectra of N-CQDs

彩图

综上所述，以雪莲果皮为碳源、乙二胺为氮源，采用水热法制备N-CQDs的最佳实验条件为：雪莲果皮为 0.2 g，水为 10 mL，乙二胺加入量为 300 μL，反应时间为4 h，反应温度为180 ℃。

3.2 N-CQDs的微观形貌

采用透射电子显微镜对N-CQDs进行微观形貌表征，结果如图3所示。

图3 N-CQDs的微观形貌Fig.3 Microscopic morphology of N-CQDs

由图3可知，N-CQDs为球状，分散良好，无团聚现象。使用ImageJ软件对约60个量子点的粒径进行统计，得到N-CQDs的粒径在1.32～2.99 nm之间，平均粒径为1.88 nm。从高倍率透射电子显微镜（见图3c）可观察到清晰的晶格条纹，晶格间距为0.22 nm，与石墨烯（100）面间距一致[22]，表明N-CQDs形成了良好的结晶结构。

3.3 N-CQDs的化学组成

N-CQDs的XPS能谱图如图4所示。由图4可知：1）位于 284.8, 532.2, 399.5 eV 的 3 个尖锐峰分别归属于C1s、O1s和N1s，占比分别为74.71%、6.41%和18.88 %。2）在C1s的高分辨率能谱图（见图 4b）中，284.8, 285.5, 288.7 eV 处的峰分别对应 C—C/C==C、C—N[23]和 C==O 键[24]。3）N1s和 O1s的高分辨率能谱（见图4c和4d）证实了C—OH/C—O—C（532.2 eV）[24]、H—O—H（533.72 eV）[25]和C—N键（399.47 eV）[24]存在于N-CQDs中，这表明N-CQDs中存在羟基、羧基和氨基等基团。

图4 N-CQDs的XPS能谱图Fig.4 XPS spectra of N-CQDs

图5为N-CQDs的FTIR谱图。由图5可知，在3437 cm-1处的特征吸收峰为O—H和N—H的伸缩振动[26]；在2923 cm-1处附近，出现了特征吸收峰，为C—H的伸缩振动[23]；在1645 cm-1处具有明显的吸收峰，归属于C==O的伸缩振动和N—H的弯曲振动[26]；在1045 cm-1处的吸收峰，则归属于C—O的拉伸振动[27]。这表明N-CQDs表面形成了羰基、羧基和氨基等极性官能团，这也是N-CQDs具有优异水溶性的原因。

图5 N-CQDs的FTIR谱图Fig.5 FTIR spectrum of N-CQDs

3.4 N-CQDs的荧光性能

图6为N-CQDs在不同激发波长下的荧光光谱图。由图6a可知，N-CQDs的最佳激发波长为432 nm；最佳激发波长下，N-CQDs的最佳发射波长为527 nm；紫外-可见吸收光谱在335 nm处有一个吸收峰，这可以归因于C==C和C==O中电子的n→π*跃迁[28]。在自然光的照射下，N-CQDs溶液呈现淡黄色，而在紫外灯（365 nm）的照射下呈现亮蓝色，因而N-CQDs能用于包装、证券及票据的荧光防伪。图6b为不同激发波长下N-CQDs的发射光谱图。由图可知，在300～500 nm波长激发下N-CQDs的发射峰位置出现明显的红移，从475 nm红移到575 nm，呈现典型的激发波长依赖型，这可能是由于N-CQDs表面发射能量陷阱的不同分布导致的[29]。

图6 N-CQDs的紫外-可见光吸收、激发-发射光谱及在不同激发波长下的荧光发射光谱Fig.6 UV-Vis absorption, excitation-emission spectra and fluorescence emission spectra at different excitation wavelengths of N-CQDs

彩图

3.5 N-CQDs的Fe3+、pH响应

为测试Fe3+对N-CQDs荧光强度的影响，向N-CQDs中加入不同浓度的Fe3+（0.1, 0.5, 1.0, 5.0,10.0 mmol/L）。图7a为Fe3+存在下N-CQDs的荧光发射光谱图。由图7a可知，随着Fe3+浓度的增大，N-CQDs的荧光强度逐渐降低，其原因可能是Fe3+与N-CQDs的氨基、羧基及羟基之间存在较强的相互作用，使N-CQDs聚集，导致荧光淬灭[30]；当Fe3+浓度为10.0 mmol/L时，N-CQDs的荧光强度降低幅度最大。

图 7b 为 N-CQDs 在不同 pH 值（1, 4, 7, 10, 13）下的荧光发射光谱图。由图7b可知，随着pH值的增加，N-CQDs的荧光强度逐渐下降，当pH值为13时，N-CQDs的荧光强度最弱，这可能是由N-CQDs在酸碱条件下的可逆质子化/去质子化造成的。在酸性条件下，碳点的氮原子被质子化，质子可能从质子化的氮原子转移到共轭碳结构从而增强了荧光。而在碱性条件下，共轭碳结构上的去质子化导致荧光减弱[31]。

图7 不同Fe3+浓度、pH值下N-CQDs的荧光发射光谱Fig.7 Fluorescence emission spectra of N-CQDs at different Fe3+ concentrations and pH

彩图

3.6 N-CQDs在防伪领域中的应用

将N-CQDs作为荧光填料制备简易油墨，采用丝网印刷方式在无荧光纸上印刷了3种图案，如图8所示。在自然光下3种图案无明显痕迹（见图8a1～a3），而在365 nm的紫外光照射下则显现出清晰的蓝色荧光图案（见图8b1～b3），图案饱满，边缘细节清晰，辨识度较高。将碱液与Fe3+溶液分别喷涂在防伪图案表面，在365 nm的紫外光照射下，其荧光强度明显降低，图案变得模糊、难以分辨（见图 8c1～c3、8d1～d3）。可见，N-CQDs可以实现动态响应防伪，具备更好的防伪效果。

图8 不同光学模式下的防伪图案照片Fig.8 Photograph of anti-counterfeiting patterns under different optical modes

彩图

图8e1～e4显示了关闭紫外灯之后荧光图案不同的显示状态。由图8b可知，在紫外灯关闭瞬间，图案整体清晰可见，呈现绿色磷光（见图8e1）；当紫外灯关闭3 s后，绿色磷光图案消失（图8e4）。荧光图案呈现出磷光特性的原因可能是：较长的聚合物链有利于限制激发态电子的运动，抑制非辐射跃迁造成的能量损失[32]，因而N-CQDs/PAA可有效增强材料的室温磷光效率；同时，PAA表面的羧基可与N-CQDs表面的亲水性官能团形成氢键，有效固定荧光团，使磷光特性增强[33]。

4 结论

1）以生物质材料雪莲果皮为碳源，乙二胺为氮源，去离子水为溶剂，采用水热法制备高荧光强度的N-CQDs。最佳实验条件为：碳源为0.2 g，氮源为300 μL，溶剂水为 10 mL，反应温度为 180 ℃，反应时间为4 h。N-CQDs具有类石墨烯结构的碳核，平均粒径为1.88 nm。其表面含有氨基、羧基和羟基等基团，因而具有良好的水溶性，易与水性油墨复合制成荧光防伪油墨。N-CQDs的荧光光谱表现出激发波长依赖现象，最佳激发波长为432 nm，最佳发射波长为 527 nm。

2）N-CQDs对Fe3+和pH具有响应性，且与PAA共混后呈现磷光效应。浓度为5.0 mmol/L的Fe3+溶液与碱液，可以淬灭荧光防伪图案的蓝色荧光，实现动态响应防伪；移除紫外光源后，呈现绿色磷光图案并持续发光2 s，多模态发光的防伪图案具有更好的防伪效果。同时，以生物质废弃物为主要原料制备荧光防伪材料，可以实现资源的循环利用，也为生物质基碳量子点材料的制备、性能调控及应用研究提供参考。