绿色荧光碳点检测有机溶剂中的水含量

邓敏，叶满萍，姜欣

（中国计量大学 光学与电子科技学院，杭州 310018）

0 引言

在部分工业生产中有机溶剂内的水是需要去除的杂质，它的存在将影响反应的效率、产率和催化剂效果［1］，例如，在湿敏化学反应过程（如格氏反应）中必须严格控制水含量，不然轻则影响反应效果，重则危及实验室安全［2］。传统的检测方法卡尔·费歇尔滴定法由于需要专业的仪器和操作人员、使用有毒试剂、不能实时快速检测等无法被广泛推行［3］。为此，寻求一种绿色环保、灵敏简便、成本低的方法来快速测定有机溶剂中的水含量具有重要意义。荧光传感以其选择性强、灵敏度高、可快速无损检测和实时检测等特点受到广泛关注。在过去十年中，研究者们相继开发了各种荧光探针用于检测有机溶剂中的水，包括有机荧光染料［4］、荧光共轭聚合物［5］、金属有机框架［6］、共价有机框架［7］、发光纳米铜簇［8］等，但这些材料的毒性以及复杂耗时的合成路径限制了它们的广泛应用。

碳点（Carbon Dots，CDs）是一种尺寸介于1 到10 nm 之间的光致发光零维碳纳米材料，与传统的荧光材料量子点和有机染料相比，CDs 具有生物相容性好、毒性低、易于表面功能化、光热稳定性强、耐光漂白等优点，被广泛应用于细胞成像与药载、离子［9］或小分子检测［10］、环境传感、防伪［11］、光催化［12］和照明［13］等领域。近几年CDs 的合成方法和碳源的选取都在朝着绿色环保、可再生的方向靠拢，CDs 已成为能够快速简易合成的光致发光材料。目前CDs 的发光机制尚不明确，碳核态、表面态和分子态是三种被普遍认可的机理［14］。由于CDs 的发光易受溶剂影响，近五年陆续有研究者利用CDs快速测定有机溶剂中的水含量。WEI Jianfei等使用柠檬酸钠、尿素和氯化钴作为前驱体，甲苯作为溶剂，通过溶剂热法制备黄色荧光CDs，随着水含量的增加CDs 的荧光强度降低，根据荧光强度变化实现定量检测乙醇、四氢呋喃和1，4-二恶烷中的痕量水，检测范围为0.01%～10%，检测限（Limit of Detection，LOD）低至0.01%［15］。MU Xiaowei 等使用中性红和酒石酸通过水热法得到红色荧光CDs，基于荧光强度变化在含水量1.2%～35%范围内定量检测二甲基甲酰胺（Dimethylformamide，DMF）中的水，LOD 为0.36%；由于CDs 具有明显的溶剂化效应，将CDs 制备成纸基传感器，利用视觉检测技术对试纸条的荧光颜色进行识别，在0%～100%范围内定量检测DMF 中的水含量［16］。研究者们常利用CDs 的荧光强度、发射峰位和裸眼可见的颜色变化中的一点或两点来实现有机溶剂内水含量的定量检测，但是往往检测范围较窄，还需要进一步优化［15-21］。为了解决上述问题，本文制备了一种绿色荧光CDs，发现CDs 在不同溶剂中具有不同的发光特性，利用CDs 的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命三者随体系内含水量的增加产生的变化来检测有机溶剂中的水。

1 实验

1.1 化学药品和试剂

柠檬酸（99.5%）、尿素（99.0%）、甲醇（Methanol，99.9%）、乙醇（Ethanol，99.7%）、乙二醇（Ethylene glycol，EG，99.0%）、二甲基甲酰胺（Dimethylformamide，DMF，99.9%）、乙酸乙酯（Ethyl acetate，99.5%）、二氯甲烷（Dichloromethane，DCM，99.5%）均购自上海麦克林生化科技股份有限公司。所有使用的试剂和溶剂无需进一步纯化处理，实验所用超纯水通过超纯水系统（Heal Force，上海）净化。

1.2 CDs 的制备

以柠檬酸和尿素为前驱体通过水热法制备绿色荧光CDs，具体操作为：称取0.288 g 柠檬酸和0.600 g 尿素（摩尔比为0.15）于50 mL 烧杯中，加入30 mL 水后搅拌、超声得到均匀混合溶液。将烧杯放入真空干燥箱在200 ℃条件下加热3.5 h 后取出，冷却至室温得到黑色固体。加入乙醇重溶固体，在28 kHz 条件下超声20 min，随后在10 000 r/min 条件下离心20 min 去除大颗粒和不溶性杂质。取上清液过0.22 μm 过滤器，获得CDs 的乙醇溶液，溶液4 ℃避光保存。

1.3 CDs 的表征

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）及高分辨率透射电子显微镜（High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM）图像使用场发射透射电子显微镜Tecnai G2 F20，（FEI，美国）获得。紫外可见吸收光谱使用紫外可见分光光度计TU-1901（北京普析，中国）获得，扫描范围为200～700 nm。激发和发射光谱使用荧光分光光度计F-2700（Hitachi，日本）获得，激发和发射狭缝宽度为5 nm，光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）电压为400 V。荧光寿命使用时间分辨荧光光谱仪Tempro-01（Horiba，英国）获得，受仪器条件限制选用407 nm 脉冲发光二极管（Light-Emitting Diode，LED），设光子数为3 000。

1.4 不同溶剂中CDs 的检测

取CDs 的乙醇溶液于5 mL 试管中，待风干后加入不同的溶剂（包括水、甲醇、乙醇、EG、DMF、乙酸乙酯、DCM）重溶，使体系内CDs 的终浓度为32.0 μg/mL。受仪器条件限制，选用395 nm 紫外灯照射得到不同溶剂中CDs 的荧光图片，选用407 nm 脉冲LED 测得CDs 在不同溶剂中的荧光寿命（设光子数为3 000）。设入射光波长为407 nm，得到CDs 在不同溶剂中的发射光谱。

1.5 有机溶剂中水含量的检测

甲醇、乙醇、EG 中水含量检测：取CDs 的乙醇溶液风干并加溶剂重新溶解，使混合溶液中CDs 终浓度为32.0 μg/mL，水含量（体积比）分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。测量发射光谱时入射波长设置为400 nm，每种样品测量3 次。

DMF 中水含量检测：取CDs 的乙醇溶液风干并加溶剂重新溶解，使DMF-水混合溶液中CDs 终浓度为6.4 μg/mL，水含量（体积比）分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。测量发射光谱时入射波长设置为415 nm，每种样品测量3 次。

2 结果和讨论

2.1 绿色荧光CDs 的表征

对CDs 进行表征，结果如图1 所示。图1（a）为CDs 的TEM 图像，插图为HRTEM 图像。由图可知CDs的形貌均一，为类球形，分散性良好，具有清晰的晶格条纹，晶格间距为0.20 nm，这与石墨烯（100）平面的间距d相近，表明CDs 具有石墨化结构［22］。由图1（b）粒径分布直方图可知，CDs 的粒径大小在3.4～10.6 nm 范围内，平均尺寸为6.5 nm，有较宽的尺寸分布。

图1 CDs 的形貌和光谱表征Fig.1 Morphological and spectroscopic characterization of CDs

图1（c）为CDs 水溶液的紫外可见吸收光谱、激发光谱和发射光谱，插图为CDs 溶液在日光和365 nm 紫外光下的照片。由图1（c）可知，CDs 的水溶液在日光下为淡黄色，在紫外光照射下发出绿色荧光，最佳激发和最佳发射波长分别为400 nm 和517 nm。CDs 在252 nm、273 nm 和410 nm 处存在三个吸收峰，在252 nm、273 nm 处的吸收峰归因于CDs 的π→π*跃迁，与C=C 键有关；在410 nm 处的吸收峰归因于n→π*跃迁，这与CDs 的C=O/C=N 键或表面缺陷有关［23］。CDs 吸收光谱中吸收峰的位置与激发光谱中激发峰的位置相对应，这意味着其具有相同的吸收和发光中心。另外，将图1（c）的表征结果与前人研究进行对比，推测CDs的荧光由分子态主导，主要来源于绿色荧光分子4-羟基-1H-吡咯并［3，4-c］吡啶-1，3，6（2H，5H）-三酮（4-hydroxy-1H-pyrrolo ［3，4-c］ pyridine-1，3，6 （2H，5H）-trione，HPPT）［24］。图1（d）为CDs 在不同波长入射光激发下的发射光谱。由图可知，CDs 具有激发依赖性，当激发波长从360 nm 变化到480 nm 时，发射峰位也从509 nm 变化到536 nm，这可能是CDs 粒径不均一或者CDs 具有不同的表面缺陷导致的［23］。值得注意的是，在360 nm 光激发下CDs 除主荧光峰外在450 nm 附近存在次荧光峰，这可能是因为由分子态主导发射的CDs 内存在蓝色荧光分子柠嗪酸［25］。

2.2 CDs 的溶剂化效应

将CDs 溶于不同溶剂（水、甲醇、乙醇、EG、DMF、乙酸乙酯和DCM）中发现CDs 具有不同的发光特性，如图2 所示。图2（a）为CDs 在自然光和395 nm 光照射下不同溶剂中CDs 的图片，溶剂从左到右依次为DMF、乙醇、甲醇、EG、水、乙酸乙酯，CDs 的DCM 溶液由于荧光极弱没有进行比较。由图可知，所有溶液在日光下均为淡黄色，但在395 nm 光照射下却发出不同颜色的荧光，CDs 在DMF 和乙酸乙酯中荧光为蓝绿色，在乙醇、甲醇和EG 中为绿色，在水中偏黄绿色。这种溶剂致色效应类似于有机染料中的“溶剂化色度”，一般归因于溶剂的极性以及分子内的相互作用［26］。

图2（b）为407 nm 光激发下CDs 在不同溶剂中的发射光谱。如图所示，CDs 在DMF 中的荧光强度最强，其次是乙醇、甲醇、EG、水、乙酸乙酯和DCM。将CDs 风干重溶于不同溶剂时发现CDs 在乙酸乙酯和DCM 溶液中溶解度低，这也导致对应溶液荧光强度较低。图2（c）为归一化发射光谱，在407 nm 光激发下CDs 在质子溶剂（水、EG、甲醇、乙醇）、偶极溶剂（DMF）和非极性溶剂（DCM、乙酸乙酯）中的发射峰位分别为518 nm、513 nm、510 nm、509 nm、495 nm、492 nm 和480 nm。CDs 依赖于溶剂具有不同发光特性，这主要是由于CDs 周围溶剂分子的溶剂弛豫或偶极复合导致，它们会进一步促进斯托克斯位移到更高的值［27，28］。根据Lippert-Mataga 方程，溶剂的极性越大，红移越大［29］。除此之外，通过检测还发现CDs 在不同溶剂中的荧光寿命各不相同，受仪器条件限制，选用407 nm 脉冲LED 测量CDs 的荧光寿命，图2（d）为407 nm 入射光下CDs 在不同溶剂中的时间分辨荧光光谱和对应的衰减拟合曲线。如图所示，CDs 在水中的荧光衰减最快（荧光寿命为5.29 ns），其次是EG（8.64 ns）、甲醇（9.56 ns）、DCM（10.15 ns）、乙醇（10.93 ns）、乙酸乙酯（11.22 ns），CDs 在DMF 溶液中荧光衰减最慢，荧光寿命为13.47 ns。由表征结果可知，将CDs 溶于不同溶剂中其荧光强度、发射峰位以及荧光寿命各不相同。

2.3 有机溶剂中水含量的检测

由于CDs 在不同溶剂中的荧光强度、发射峰位和荧光寿命都具有特异性，具有明显的溶剂化效应，推测CDs 在快速定量测定有机溶剂中水含量方面具有极大的潜力。由于乙酸乙酯和DCM 微溶于水，这意味着无法进行水含量的定量检测，最终选择具有代表性的质子溶剂乙醇和非质子溶剂DMF 作为实验对象，从CDs 的荧光强度、发射峰位和荧光寿命三个方面进行实验来验证CDs 定量检测有机溶液中水含量的可行性。

利用CDs 检测乙醇中水含量，结果如图3 所示。图3（a）为400 nm 最佳激发波长下不同含水量的乙醇-水混合溶液中CDs（32.0 μg/mL）的发射光谱。如图所示，随着体系内水含量的增加，CDs 的荧光强度从2 008 逐渐降低至706，发射峰位从509 nm 红移到518 nm，发射光谱变宽，半高全宽由76 nm 变为79 nm。水含量的增加导致溶液体系中极性的增加，CDs 周围溶剂分子的溶剂弛豫或偶极复合会进一步促进斯托克斯位移到更高的值，导致峰位红移，与溶剂化效应的现象相一致，并且在高极性溶剂中较长的非辐射弛豫可能是发射带加宽的原因［30］。图3（b）为CDs 的荧光强度与溶液中水含量的关系，可以看到在水含量0～100%范围内两者之间存在良好的线性响应关系，拟合曲线为y=2 127.54-13.74x（R2=0.984），LOD 为2.11%，其中y是荧光强度，x是水含量（体积百分比）。再看CDs 的发射峰位与水含量之间的关系，如图3（c）所示，在水含量0～100% 范围内CDs 的发射峰位与水含量呈线性关系，拟合曲线为y=508.193-0.101x（R2=0.977），LOD 为7.01%，其中y是发射峰位波长，x是水含量。有趣的是，随着水含量的增加，乙醇-水混合溶液中CDs 的荧光衰减加快，荧光寿命从10.70 ns 缩短至5.11 ns。图3（d）为CDs 的荧光寿命与水含量之间的关系。由图可知，在水含量10%～100%范围内，CDs 的荧光寿命与水含量存在线性响应，拟合曲线为y=11.664 7-0.063 7x（R2=0.988），其中y是CDs 的荧光寿命，x是水含量。

图3 水含量对乙醇-水混合溶液中CDs 的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命的影响Fig.3 Effect of water content on fluorescence intensity，emission peak position and fluorescence lifetime of CDs in ethanolwater mixed solution

利用CDs 检测DMF 中水含量，结果如图4 所示。图4（a）为415 nm 最佳激发波长下不同含水量的DMF-水混合溶液中CDs（6.4 μg/mL）的发射光谱。如图所示，随着体系内水含量的增加，CDs 的荧光强度从1 099 下降到207，发射峰位从495 nm 红移到519 nm，半高全宽由73 nm 变为78 nm。图4（b）为CDs 的荧光强度与水含量的关系，可以看到在水含量0～100%范围内两者之间存在线性响应关系，拟合曲线为y=1 099.74-9.57x（R2=0.992），线性拟合良好，LOD 为3.10%，其中y是荧光强度，x是水含量。图4（c）为CDs 的发射峰位与水含量之间的关系，由图可知在水含量10%～100%范围内发射峰位与水含量呈线性关系，拟合曲线为y=500.203-0.196x（R2=0.979），LOD 为2.00%，其中y为发射峰位波长，x是水含量。图4（d）为CDs 的荧光寿命与水含量之间的关系。由图可知，在混合溶液水含量0～10%范围内荧光寿命从12.89 ns增加到14.00 ns；在10%～20%范围内从14.00 ns 减小到13.91 ns；在20%～100%范围内，荧光寿命从13.91 ns 逐渐减小到5.24 ns 并与水含量呈线性关系，拟合曲线为y=16.215-0.109x（R2=0.999），其中y是荧光寿命，x是水含量。

图4 水含量对DMF-水混合溶液中CDs 的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命的影响Fig.4 Effect of water content on fluorescence intensity，emission peak position and fluorescence lifetime of CDs in DMF-water mixed solution

结合图3 和图4 可以看到，部分低含水量的CDs 溶液其荧光强度、发射峰位和荧光寿命与体系内水含量并不存在线性关系，CDs 的混合溶液中低含水量体系要比高含水量体系对水含量的变化更加敏感。他人研究中在水含量0～100%范围内甚至会给出两条线性拟合曲线，表明在不同范围内CDs 对水含量变化的灵敏度不一［17］，这些现象可能是因为CDs 会优先被二元溶剂混合物中不同的极性组分所溶剂化［18］。上述结果都表明，水的存在导致有机溶液中CDs 的荧光强度降低，发射峰位红移以及荧光寿命变短。

为了验证基于CDs 检测有机溶剂中水含量的方法是否具有普适性，对甲醇和EG 中的水也进行了检测，结果如图5 所示。图5（a）为甲醇-水、EG-水混合溶液中CDs 的荧光强度与水含量之间的关系，可以看到在含水量0～100%范围内两者存在线性响应，拟合曲线分别为y=1 561.38-9.38x（甲醇，R2=0.993）、y=1 303.72-6.88x（EG，R2=0.984），其中y是荧光强度，x是水含量。图5（b）为发射峰位与水含量之间的关系，在含水量0～100%范围内两者存在线性响应，拟合曲线分别为y=509.798-0.083x（甲醇，R2=0.997）、y=512.888-0.051x（EG，R2=0.985），其中y是发射峰位波长，x是水含量。受仪器条件限制，发射光谱中的波长间隔固定，导致发射峰位波长数据误差较大。图5（c）为荧光寿命与水含量的关系，两者之间存在线性响应，拟合曲线分别为y=9.903 3-0.049 2x（甲醇，水含量10%～100% 范围内，R2=0.993）、y=8.404 1-0.033 4x（EG，水含量0～100%范围内，R2=0.997），其中y是荧光寿命，x是水含量。甲醇、乙醇、EG 和DMF 与水的混合溶液中碳点的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命三者与水含量之间均存在线性响应关系，本方法具有普适性。

图5 水含量对甲醇-水和EG-水混合溶液中CDs 的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命的影响Fig.5 Effect of water content on fluorescence intensity，emission peak position and fluorescence lifetime of CDs in methanolwater and EG-water mixed solution

随着水含量的增加，混合溶液中原溶剂组分被水取代，CDs 的荧光强度、发射峰位和荧光寿命逐渐从相应的有机溶液过渡到水，推测溶剂的极性以及CDs 与溶剂之间形成的氢键是造成这些变化的原因：随着有机溶剂-水混合溶液中水含量的增加，CDs 与水之间形成的氢键逐渐取代CDs 与有机溶剂之间形成的氢键［19］；由于溶剂中水的极性最高，混合溶液的极性会随着水含量的增加而增加，这些都会影响到CDs 的表面基团导致CDs 出现溶剂致色效应［20］。此外，还有部分研究者认为是CDs 在水溶液中发生的聚集诱导猝灭导致了CDs 的荧光强度降低和发射峰位红移［21］。无论溶剂的类型是质子溶液还是非质子溶液，混合溶液中荧光强度的增减、发射峰位的移动和荧光寿命的长短都可用于定量检测有机溶剂内的水含量，尤其是荧光寿命与水含量之间的线性关系，证明了该CDs 在检测有机溶剂内水含量方面的强大潜力。

3 结论

以柠檬酸和尿素为前驱体在开放容器中通过水热法制备得到绿色荧光CDs，CDs 的粒径尺寸为6.5 nm，在252 nm、273 nm 和410 nm 处存在吸收峰，最佳激发和发射波长分别为400 nm 和517 nm，推测CDs 荧光主要来源于绿色荧光分子HPPT。将CDs 溶于水、甲醇、乙醇、EG、DMF、乙酸乙酯和DCM 中发现CDs 具有不同的发光特性，据此将CDs 用于乙醇、DMF、甲醇和EG 中检测水含量，发现在混合溶液中CDs 的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命都与水含量之间存在线性响应，检测范围最宽为0～100%，推测这是由溶剂的极性以及CDs 与溶剂之间形成的氢键变化造成的。荧光寿命与水含量之间的线性响应为有机溶剂中水含量的确定提供了一种新的检测途径，CDs 的荧光强度、发射峰位和荧光寿命三者与水含量之间的线性关系表明该CDs 有望实现有机溶剂中水含量的快速灵敏检测。