一種簡單的高量子產率氮摻雜熒光碳點的光譜研究及量子產率計算

王惠英， 陳丁龍*， 張紹巖， 李 爽， 楊 旭， 梁 莉

(石家莊學院化工學院，河北石家莊 050035)

碳點(Carbon Dots，CDs)是一種新型的熒光碳納米材料，因其容易合成、不易光漂白、優異的生物相容性和低毒性等特點，在生物標記[1]、光催化[2]、光學探針[3]、細胞器成像[4]、藥物控釋[5]和發光器件[6]等領域引起了科學研究工作者的廣泛關注。Jiao等[7]通過調整溶液的pH，用水熱法合成了多重顏色的CDs點并將其應用于生物成像。Hua等[8]采用一步合成的CDs，研究了核仁成像、增強胞漿及核藥物輸送等內在的核仁靶向能力。Wang等[9]將合成的CDs與不同的聚合物制成各種顏色的CD膜，應用于多重色LED器件的構建。然而合成方法簡單、發射波長較長、量子產率高的熒光CDs仍然是研究的熱點。

摻氮后CDs的熒光強度和量子產率可以提高很多。Zhu等選用富含氨基的小分子作為氮源，通過水熱的方法制備了高量子產率的CDs，并開發了CDs在多方面的應用[10]。Jiang等[11]以丙三醇作為碳源，乙二胺作為摻氮分子，用一步微波法制得熒CDs點并將其應用于痕量Pb2+的檢測。然而具體影響合成條件的影響因素及量子產率的計算卻沒有更多的提及。我們以檸檬酸銨作為碳源和氮源，乙二胺作為摻雜劑，采用簡單的一步水熱法合成了熒光CDs。研究了合成CDs的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜，考察了反應條件對CDs熒光強度的影響，最后詳細研究了合成CDs的熒光量子產率。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

F-4500型熒光分光光度計(日本，日立)；TU-1950紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器)；紫外燈(上海驥輝科學分析儀器)。

檸檬酸銨(分析純，上海阿拉丁)；乙二胺(分析純，上海阿拉丁)；其它試劑均為分析純。硫酸奎寧(上海阿拉丁)先溶解于稀H2SO4中，再配制成100 μg·L-1硫酸奎寧儲備溶液。再將其用0.05 mol·L-1H2SO4稀釋定容，所得溶液的吸光度要盡量接近或小于0.05。實驗用水均為二次蒸餾水。

1.2 CDs的合成

CDs參照文獻報道用水熱法合成[10]。首先，2.0 g檸檬酸銨溶解于25 mL的蒸餾水中，再向其中加入800 μL的乙二胺，漩渦混合均勻，溶液澄清透明，然后將其轉移至50 mL的聚四氟乙烯內襯中，置于反應釜中在180 ℃下反應5 h。待其冷卻至室溫后，離心除去較大的顆粒，隨后將反應溶液透析(500 Da) 24 h除去未反應的殘留化合物。取少量CDs溶液，將其用紫外燈照射，觀察其熒光顏色。

1.3 熒光量子產率計算

配制一定濃度的CDs和硫酸奎寧溶液，使兩者的吸光度相近且小于0.05，掃描紫外-可見吸收光譜，記錄一定波長下的吸光度A。再掃描CDs和硫酸奎寧溶液在不同激發波長下的熒光光譜，計算其積分熒光強度。配制合適濃度的CDs和硫酸奎寧溶液，使兩者的吸光度相近且不大于0.05，以消除自吸收的影響[12]。

以硫酸奎寧在313 nm激發波長下熒光量子產率0.54為基準，計算硫酸奎寧在其他波長下的熒光量子產率和CDs的熒光量子產率。

2 結果與討論

2.1 CDs的光譜

我們采用檸檬酸銨作為碳源和氮源，同時輔以乙二胺合成了熒光CDs，研究了合成CDs的吸收光譜和熒光光譜。從圖1a紫外-可見吸收光譜可知，CDs在波長240 nm和350 nm處有兩個吸收峰，分別對應C=C的π-π*電子躍遷和C=O的n-π*電子躍遷。圖1a中的內插圖表明CDs在日光下是棕黃色，而在365 nm的紫外燈下為亮藍色。圖1b表明在最大激發波長360 nm下合成CDs的熒光發射峰在446 nm，根據分子軌道理論，可能是由于電子從σ和π的最高占據分子軌道(HOMO)向最低未占據分子軌道(LUMO) 躍遷引起的[1]。

圖1 合成CDs的紫外-可見吸收光譜(a)和熒光光譜(b)(圖a中的插入圖片為合成的CDs在日光(左)和365 nm的紫外光(右)下的照片)Fig.1 UV-Vis spectrum (a) and fluorescence spectrum (b) of the as-prepared carbon dots (Inset of Fig.1 a is the photos of the carbon dots under sunlight(left) and 365 nm UV light(right),respectively)

2.2 實驗條件的優化

2.2.1 水熱溫度和反應時間的影響考察了在140～220 ℃之間合成的CDs熒光光譜，發現在180 ℃時所得的CDs熒光強度最大(圖2a)。同時考察了反應時間的影響，發現在5 h后熒光強度達到最高，之后隨時間延長增加很少，所以選擇5 h的反應時間用于后續實驗。

圖2 合成碳點的條件優化Fig.2 Optimization of the hydrothermal temperature(a),reaction time (b) and ratio of the reagents(c)

2.2.2 反應物質量比對合成碳點熒光的影響研究了碳源和氮源檸檬酸銨和摻氮劑乙二胺的質量比對熒光強度的影響，如圖2c，發現檸檬酸銨的加入量(乙二胺為800 μL)在2.0 g，即質量比在2.6∶1時，熒光強度最大，故以此作為后續實驗的質量比。

2.2.3 pH對合成CDs的影響研究了CDs在不同pH條件下的熒光光譜，如圖3a。發現在pH=4～9范圍內，熒光強度保持穩定。說明合成的CDs可以應用于酸性或者堿性體系中。

2.2.4 CDs的穩定性為了考察CDs的穩定性和應用于生物標記的可行性，將合成的CDs經過紫外燈(365 nm)照射，每隔10 min取樣測定一次熒光強度，連續測定60 min，發現照射前后的熒光強度幾乎沒有變化(圖3b)。表現出很好的抗漂白性，適用于長時間的檢測和示蹤實驗。

圖3 pH對碳點熒光強度的影響(a)和碳點的熒光穩定性測試(b)Fig.3 Influence of pH on the fluorescence intensity of the carbon dots (a),and test of the photostability of the carbon dots (b)

2.3 CDs的熒光量子產率

從圖4可看出，硫酸奎寧與CDs溶液吸收光譜形狀基本一致。分別記錄硫酸奎寧標準溶液與碳點溶液的吸光度AR和A，列于表1中。

圖4 硫酸奎寧(a)和合成CDs(b)溶液的紫外-可見吸收光譜Fig.4 UV-Vis spectra of quinine sulfate(a) and the as-prepared carbon dots(b)

從圖5可看出，硫酸奎寧與CDs溶液在不同激發波長下的熒光光譜形狀基本不變。分別記錄硫酸奎寧標準溶液與CDs溶液的熒光積分強度，列于表1中。

圖5 硫酸奎寧(a)和合成的CDs(b)溶液在不同激發波長下的熒光光譜Fig.5 Fluorescence spectra of quinine sulfate(a) and the as-prepared carbon dots(b) at different excitation wavelengtha：(1→10)：380,370,300 ,310,313,360,320,330,340,350 nm；b(1→10)：300,310,380,313,320,370,330,360,340,350 nm.

由表1可知，激發波長在310～380 nm之間，CDs溶液的熒光量子產率變化不大。在不同激發波長下，計算的熒光量子產率出現稍微不同的原因可能是由于儀器(光柵對于不同波長的光有不同的通過率)、光學測量誤差、樣品(CDs的溶解度不好或者產物不純)以及氧效應等原因引起的[15]。在最大激發波長360 nm處的量子產率為0.63。

表1 硫酸奎寧和碳點溶液的熒光量子產率

表2列出了文獻報道中合成CDs的熒光量子產率，可以看出本文合成的CDs的量子產率優于大部分的研究報道。

表2 各種方法合成碳點的熒光量子產率的比較

3 結論

熒光CDs優異的光電學性能使其在生物標記、成像、催化和發光材料方面引起廣泛重視。我們以檸檬酸銨為碳源和氮源，乙二胺為摻氮劑采用水熱法合成的熒光CDs具有合成方法簡單、熒光強度高、pH影響小、不易光漂白的特點，其在最大激發波長360 nm處的量子產率達到0.63。同時合成的CDs受酸堿體系和紫外光照射的影響較小。將合成的CDs在生物傳感及成像方面的研究工作正在進行中。