劉艷紅, 王 娜, 余孝其, 張 驥, 李 坤, 李 靜
(四川大學(xué)a. 基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心;b. 化學(xué)學(xué)院,成都610064)
2004 年,Xu等[1]從電弧放電灰中純化單壁碳納米管時(shí),分離出一種直徑小于10 nm的熒光納米材料,后被稱(chēng)為碳量子點(diǎn)。這類(lèi)新型的碳納米材料具有水溶性好、尺寸小、光穩(wěn)定、表面易于被修飾、功能集成、發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)諧和生物毒性低等諸多優(yōu)點(diǎn)[2-6],在生物傳感、能量存儲(chǔ)、能量轉(zhuǎn)化、藥物及基因傳輸?shù)阮I(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注。目前,合成碳量子點(diǎn)的策略主要有自上而下法和自下而上法。自上而下是通過(guò)化學(xué)或物理的方法將尺寸較大的碳材料分解成粒徑較小的碳量子點(diǎn),包括激光剝蝕法、電弧放點(diǎn)法、化學(xué)消融法等。這類(lèi)方法適合于碳量子點(diǎn)的大量制備,但制備的碳量子點(diǎn)水溶性差、量子產(chǎn)率低、表面官能團(tuán)較少;自下而上的合成方法是將小分子有機(jī)化合物通過(guò)熱解或化學(xué)反應(yīng)縮合為碳量子點(diǎn),包括微波法、水熱合成法、電化學(xué)法等。該類(lèi)方法操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和,合成的碳量子點(diǎn)表面保留了較豐富的官能團(tuán),量子產(chǎn)率高[7],近年來(lái)廣泛應(yīng)用于碳量子點(diǎn)的合成。
熒光量子產(chǎn)率是衡量熒光納米材料優(yōu)越性的主要參數(shù)之一,首次分離的碳量子點(diǎn)相對(duì)熒光量子產(chǎn)率低于1%。研究發(fā)現(xiàn)在碳量子點(diǎn)中摻雜其他原子如N、P、B、S和F等,可以有效提高熒光量子產(chǎn)率[8-10],改善其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用前景。
本實(shí)驗(yàn)以甲基纖維素和乙二胺為原料,采用水熱法一步合成氮摻雜的碳量子點(diǎn),并利用現(xiàn)代化的分析方法對(duì)其微觀(guān)形貌、結(jié)構(gòu)組成和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。同時(shí)把該材料應(yīng)用于隱形熒光墨水成像實(shí)驗(yàn),將文字信息存儲(chǔ)于無(wú)熒光濾紙中,通過(guò)紫外燈下成像實(shí)現(xiàn)隱形信息的可視化。
甲基纖維素,美國(guó)MP 生物醫(yī)療公司;乙二胺,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;紫外-可見(jiàn)分光光度儀和熒光光譜儀,日本日立高新技術(shù)公司;透射電子顯微鏡、紅外光譜儀和X 射線(xiàn)光電子能譜,賽默飛世爾科技有限公司。
稱(chēng)取1 g甲基纖維素溶解于10 mL 去離子水中,量取0. 8 mL乙二胺溶液加入上述溶液中,用玻璃棒攪拌均勻后,將溶液轉(zhuǎn)移至容積為25 mL 的不銹鋼反應(yīng)釜聚四氟乙烯內(nèi)襯中,擰緊釜蓋,在180℃條件下反應(yīng)12 h。待反應(yīng)釜自然冷卻后,將溶液倒入15 mL 離心管中,10 000 r/ min 離心10 min,去除較大的顆粒,然后將上清轉(zhuǎn)移至截留相對(duì)分子質(zhì)量為500 的透析袋中透析48 h,每4 ~6 h換一次水,收集透析袋中的溶液,凍干,得到的黑棕色固體粉末即為碳量子點(diǎn),將粉末置于4℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>
配制濃度為0. 5 mg / mL的N-CDs溶液,將其滴加于銅網(wǎng)上,利用透射電鏡(TEM)分析其形貌,統(tǒng)計(jì)顆粒的粒徑大小,繪制粒徑分布圖。采用紅外光譜及X射線(xiàn)能譜分析N-CDs的表面官能團(tuán)和化學(xué)組成。
(1)紫外-可見(jiàn)光譜及熒光光譜掃描。利用UV-vis光譜儀對(duì)N-CDs溶液(0. 5 mg / mL)進(jìn)行光譜掃描,掃描范圍200 ~700 nm。同時(shí),檢測(cè)溶液的熒光光譜性質(zhì),在370 ~700 nm范圍內(nèi),測(cè)定N-CDs的最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究NCDs激發(fā)依賴(lài)的發(fā)射行為,采用300 ~400 nm 范圍內(nèi)的激發(fā)波長(zhǎng)進(jìn)行激發(fā),記錄熒光發(fā)射光譜的變化。
(2)N-CDs 熒光量子產(chǎn)率測(cè)定[11]。以1 μg / mL奎寧硫酸溶液(溶解于0. 1 mol/ L硫酸中)作為參比溶液,測(cè)定溶液在360 nm 處的光吸收及熒光強(qiáng)度,并利用下式計(jì)算N-CDs的熒光量子產(chǎn)率
式中:I、A 和η分別代表熒光強(qiáng)度、紫外吸收和溶液的折射率(兩者均為1. 33);S 代表參比溶液。為了減少誤差,在360 nm處的紫外吸收值應(yīng)低于0. 05。
(3)N-CDs 的穩(wěn)定性考察。配制0. 01 mol/ L 的磷酸鈉緩沖液(PBS),用1 mol/ L HCl 或NaOH 調(diào)節(jié)pH值,得到pH值分別為2、4、6、8、10 和12 的緩沖液。將N-CDs溶解于不同pH 的緩沖液中,配制成濃度為0. 5 μg / mL的溶液,用熒光光譜儀檢測(cè)N-CDs在不同pH條件下的熒光光譜。
配制濃度分別為0. 2、0. 4、0. 6、0. 8 和1. 0 mol/ L的NaCl溶液,將N-CDs溶解于不同濃度的NaCl 溶液中,配制成濃度為0. 5 μg / mL 的溶液,用熒光光譜儀檢測(cè)N-CDs在不同離子強(qiáng)度下的熒光光譜。
稱(chēng)取1 mg N-CDs溶解于2 mL 去離子水中,配制濃度為0. 5 mg / mL 的母液。然后用去離子水將其稀釋為0. 5、1、5 和10 μg / mL 4 個(gè)濃度。用滴管分別取少量不同濃度的液體,在無(wú)熒光濾紙上寫(xiě)字,待濾紙?jiān)诳諝庵凶匀伙L(fēng)干后,置于紫外燈下觀(guān)察,并進(jìn)行拍照。
N-CDs溶于水后形成淺棕色澄清的溶液,采用透射電子顯微鏡(TEM)分析其微觀(guān)形態(tài)及粒徑大小,結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖中可見(jiàn),N-CDs均勻地分散在水中,大部分碳點(diǎn)的形狀接近球形,粒徑分布在4 ~- 10 nm,平均粒徑約為6 nm。
圖1 N-CDs的形貌及粒徑分布統(tǒng)計(jì)圖
圖2 N-CDs的紅外光譜圖
利用紅外光譜儀(FTIR)分析N-CDs 表面的官能團(tuán),結(jié)果如圖2 所示。在3 500 ~3 000 cm-1處出現(xiàn)的較寬的吸收峰為N—H/ O—H 和C—H 鍵的伸縮振動(dòng),1 632-1處的吸收峰屬于C =C / C =O 鍵的伸縮振動(dòng),1 349-1處的吸收峰歸為C =N/ C—N的伸縮振動(dòng),1 120-1處的吸收峰為C—O 鍵的伸縮振動(dòng)[12]。紅外光譜分析結(jié)果顯示氮原子已經(jīng)成功摻雜至碳量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中,以—NH、—C—N/—C =N的形式存在于碳量子點(diǎn)的表面。
為了進(jìn)一步分析碳量子點(diǎn)表面的元素組成,采用X-射線(xiàn)光電子能譜(XPS)對(duì)樣品進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。N-CDs的總譜圖顯示有3 個(gè)特征信號(hào)峰285,398. 5 和531 eV,分別代表了C1s、N1s和O1s(見(jiàn)圖3(a)),表明碳量子點(diǎn)主要有C、N、O 3 種元素。高分辨C1s能譜中存在3 種不同結(jié)合能的特征峰(圖3(b)),分別為C—C / C =C(283. 4 eV),C—N(285. 3 eV)和C=O(286. 0 eV)。N1s 的高分辨能譜顯示N-CDs表面有兩種形式的N,分別為C—N(397. 3 eV)和C =N(399. 5 eV)。高分辨O1s 的XPS 圖譜顯示存在兩種不同結(jié)合能的特征峰,即C =O(529. 8 eV)和C—O(532. 5 eV)。XPS 能譜分析結(jié)果與FTIR 結(jié)果一致,進(jìn)一步證實(shí)了N原子存在于碳量子點(diǎn)的表面。
圖3 N-CDs的X射線(xiàn)光電子能譜圖
通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜掃描和熒光光譜掃描分析NCDs的光譜性質(zhì)。圖4(a)顯示N-CDs在300 nm處有特異性的紫外吸收,這是由于C =O的n-π*躍遷引起的。熒光光譜掃描結(jié)果顯示N-CDs 的最大激發(fā)波長(zhǎng)為370 nm,對(duì)應(yīng)的最大發(fā)射波長(zhǎng)為460 nm。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),N-CDs的發(fā)射光譜隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加而出現(xiàn)紅移現(xiàn)象,表明N-CDs 的光譜可調(diào)諧,具有激發(fā)依賴(lài)的發(fā)射性質(zhì),這與N-CDs 的粒徑分布不均一、表面不同官能團(tuán)分布導(dǎo)致表面態(tài)不均一以及表面發(fā)射缺陷相關(guān)[13-14]。N-CDs水溶液在白光燈下為淺棕色,當(dāng)被360 nm的紫外燈照射時(shí),可以發(fā)出明亮的藍(lán)光。實(shí)驗(yàn)以奎寧硫酸溶液作為參比,測(cè)定N-CDs 在360 nm 處的吸光值和熒光強(qiáng)度,經(jīng)計(jì)算得到N-CDs的熒光量子產(chǎn)率為9. 83%。
圖4 N-CDs的紫外-可見(jiàn)光吸收和熒光發(fā)射光譜
為了探討N-CDs化學(xué)結(jié)構(gòu)和光學(xué)的穩(wěn)定性,在不同pH和離子濃度下檢測(cè)了N-CDs的熒光光譜。由圖5 可見(jiàn),當(dāng)pH在4 ~10 時(shí),N-CDs 的熒光強(qiáng)度和峰位沒(méi)有明顯的變化,表明N-CDs 在該pH 范圍內(nèi)具有很好的光穩(wěn)定性。但是在強(qiáng)酸(pH 2)和強(qiáng)堿(pH 12)條件下,N-CDs 溶液的熒光強(qiáng)度明顯降低,這可能與NCDs表面基團(tuán)間質(zhì)子/去質(zhì)子化的變化有關(guān)[15-17]。研究離子強(qiáng)度對(duì)N-CDs化學(xué)結(jié)構(gòu)和光穩(wěn)定性的影響時(shí),在N-CDs溶液中加入0 ~1 mol/ L的NaCl,結(jié)果顯示在該濃度范圍內(nèi),N-CDs 溶液的熒光強(qiáng)度和峰位均未有明顯的變化。說(shuō)明N-CDs具有較強(qiáng)的抗離子性,在高離子強(qiáng)度下依然可以保持化學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。光穩(wěn)定性研究顯示N-CDs適用于較寬的pH范圍和高離子強(qiáng)度環(huán)境。
圖5 pH和NaCl對(duì)N-CDs光穩(wěn)定性的影響
碳量子點(diǎn)具有發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)諧、光穩(wěn)定性強(qiáng)、抗光漂白、量子產(chǎn)率高、水中分散性好及毒性低等諸多優(yōu)點(diǎn),在圖形信息存儲(chǔ)、信息加密或防偽鑒定等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本實(shí)驗(yàn)將N-CDs 應(yīng)用于隱形墨水的測(cè)試,將N-CDs 配制成不同濃度的溶液,通過(guò)滴管吸取后在無(wú)熒光濾紙上寫(xiě)字,室溫干燥后,0. 5 和1 μg / mL兩個(gè)較低濃度的溶液在濾紙上無(wú)任何顏色,5和10 μg / mL 兩個(gè)較高濃度的溶液在濾紙上為淺黃色。將干燥后的濾紙置于360 nm的紫外燈下,隱形的文字顯示為明亮的藍(lán)色,且熒光的亮度與N-CDs溶液的濃度呈正相關(guān)(見(jiàn)圖6)。
圖6 隱形文字成像
實(shí)驗(yàn)以生物相容性良好的食品增稠劑甲基纖維素和乙二胺為先驅(qū)物,通過(guò)一步水熱法制備了氮摻雜的碳量子點(diǎn)(N-CDs),該碳量子點(diǎn)在水中具有較好的分散性,平均的粒徑為6 nm。制備的N-CDs具有光譜可調(diào)諧的性質(zhì),熒光量子產(chǎn)率為9. 83%,其最大的激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)分別為370 和460 nm。N-CDs的光穩(wěn)定性良好,在pH(4 ~10)和強(qiáng)鹽離子濃度環(huán)境下熒光光譜無(wú)變化。N-CDs可以作為隱形熒光墨水應(yīng)用于文字信息的存儲(chǔ),熒光的亮度呈現(xiàn)濃度依賴(lài)的特性。
碳量子點(diǎn)是近年來(lái)出現(xiàn)的零維碳基熒光納米材料,在能量傳輸、信息存儲(chǔ)、生物檢測(cè)、生物傳感等諸多領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景。該材料合成過(guò)程簡(jiǎn)單、光學(xué)性質(zhì)全面、應(yīng)用范圍寬廣,適合作為探索型的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目應(yīng)用于本科“雙創(chuàng)”項(xiàng)目訓(xùn)練中。通過(guò)此類(lèi)探索型項(xiàng)目的開(kāi)發(fā),可以將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容如小分子合成、光譜分析、物質(zhì)結(jié)構(gòu)解析等有機(jī)地整合在一起,扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中知識(shí)點(diǎn)的人為分割和理論與實(shí)踐相互脫離的困境,有效調(diào)動(dòng)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,從根本上改善實(shí)踐訓(xùn)練的效果;其次,將基礎(chǔ)實(shí)踐能力的訓(xùn)練與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力和勇于嘗試、敢于創(chuàng)新的精神,為學(xué)生今后參與項(xiàng)目或獨(dú)立進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。另外,緊跟學(xué)科發(fā)展前沿,將前瞻性、新穎性的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為本科實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目,有利于開(kāi)闊學(xué)生的視野和啟迪基礎(chǔ)的科學(xué)思維。