一種簡(jiǎn)單的高量子產(chǎn)率氮摻雜熒光碳點(diǎn)的光譜研究及量子產(chǎn)率計(jì)算

王惠英， 陳丁龍*， 張紹巖， 李 爽， 楊 旭， 梁 莉

(石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北石家莊 050035)

碳點(diǎn)(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(yōu)異的生物相容性和低毒性等特點(diǎn)，在生物標(biāo)記[1]、光催化[2]、光學(xué)探針[3]、細(xì)胞器成像[4]、藥物控釋[5]和發(fā)光器件[6]等領(lǐng)域引起了科學(xué)研究工作者的廣泛關(guān)注。Jiao等[7]通過(guò)調(diào)整溶液的pH，用水熱法合成了多重顏色的CDs點(diǎn)并將其應(yīng)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(qiáng)胞漿及核藥物輸送等內(nèi)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(yīng)用于多重色LED器件的構(gòu)建。然而合成方法簡(jiǎn)單、發(fā)射波長(zhǎng)較長(zhǎng)、量子產(chǎn)率高的熒光CDs仍然是研究的熱點(diǎn)。

摻氮后CDs的熒光強(qiáng)度和量子產(chǎn)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(guò)水熱的方法制備了高量子產(chǎn)率的CDs，并開(kāi)發(fā)了CDs在多方面的應(yīng)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(diǎn)并將其應(yīng)用于痕量Pb2+的檢測(cè)。然而具體影響合成條件的影響因素及量子產(chǎn)率的計(jì)算卻沒(méi)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(jiǎn)單的一步水熱法合成了熒光CDs。研究了合成CDs的紫外-可見(jiàn)吸收光譜和熒光光譜，考察了反應(yīng)條件對(duì)CDs熒光強(qiáng)度的影響，最后詳細(xì)研究了合成CDs的熒光量子產(chǎn)率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

F-4500型熒光分光光度計(jì)(日本，日立)；TU-1950紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器)；紫外燈(上海驥輝科學(xué)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

1.2 CDs的合成

CDs參照文獻(xiàn)報(bào)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(zhuǎn)移至50 mL的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，置于反應(yīng)釜中在180 ℃下反應(yīng)5 h。待其冷卻至室溫后，離心除去較大的顆粒，隨后將反應(yīng)溶液透析(500 Da) 24 h除去未反應(yīng)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(chǎn)率計(jì)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(jiàn)吸收光譜，記錄一定波長(zhǎng)下的吸光度A。再掃描CDs和硫酸奎寧溶液在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光光譜，計(jì)算其積分熒光強(qiáng)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(fā)波長(zhǎng)下熒光量子產(chǎn)率0.54為基準(zhǔn)，計(jì)算硫酸奎寧在其他波長(zhǎng)下的熒光量子產(chǎn)率和CDs的熒光量子產(chǎn)率。

2 結(jié)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(shí)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(jiàn)吸收光譜可知，CDs在波長(zhǎng)240 nm和350 nm處有兩個(gè)吸收峰，分別對(duì)應(yīng)C=C的π-π*電子躍遷和C=O的n-π*電子躍遷。圖1a中的內(nèi)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(lán)色。圖1b表明在最大激發(fā)波長(zhǎng)360 nm下合成CDs的熒光發(fā)射峰在446 nm，根據(jù)分子軌道理論，可能是由于電子從σ和π的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)向最低未占據(jù)分子軌道(LUMO) 躍遷引起的[1]。

圖1 合成CDs的紫外-可見(jiàn)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(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.2.1 水熱溫度和反應(yīng)時(shí)間的影響考察了在140～220 ℃之間合成的CDs熒光光譜，發(fā)現(xiàn)在180 ℃時(shí)所得的CDs熒光強(qiáng)度最大(圖2a)。同時(shí)考察了反應(yīng)時(shí)間的影響，發(fā)現(xiàn)在5 h后熒光強(qiáng)度達(dá)到最高，之后隨時(shí)間延長(zhǎng)增加很少，所以選擇5 h的反應(yīng)時(shí)間用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

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

2.2.2 反應(yīng)物質(zhì)量比對(duì)合成碳點(diǎn)熒光的影響研究了碳源和氮源檸檬酸銨和摻氮?jiǎng)┮叶返馁|(zhì)量比對(duì)熒光強(qiáng)度的影響，如圖2c，發(fā)現(xiàn)檸檬酸銨的加入量(乙二胺為800 μL)在2.0 g，即質(zhì)量比在2.6∶1時(shí)，熒光強(qiáng)度最大，故以此作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量比。

2.2.3 pH對(duì)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(fā)現(xiàn)在pH=4～9范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度保持穩(wěn)定。說(shuō)明合成的CDs可以應(yīng)用于酸性或者堿性體系中。

2.2.4 CDs的穩(wěn)定性為了考察CDs的穩(wěn)定性和應(yīng)用于生物標(biāo)記的可行性，將合成的CDs經(jīng)過(guò)紫外燈(365 nm)照射，每隔10 min取樣測(cè)定一次熒光強(qiáng)度，連續(xù)測(cè)定60 min，發(fā)現(xiàn)照射前后的熒光強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化(圖3b)。表現(xiàn)出很好的抗漂白性，適用于長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)和示蹤實(shí)驗(yàn)。

圖3 pH對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響(a)和碳點(diǎn)的熒光穩(wěn)定性測(cè)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)溶液與碳點(diǎn)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(jiàn)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(fā)波長(zhǎng)下的熒光光譜形狀基本不變。分別記錄硫酸奎寧標(biāo)準(zhǔn)溶液與CDs溶液的熒光積分強(qiáng)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(fā)波長(zhǎng)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(fā)波長(zhǎng)在310～380 nm之間，CDs溶液的熒光量子產(chǎn)率變化不大。在不同激發(fā)波長(zhǎng)下，計(jì)算的熒光量子產(chǎn)率出現(xiàn)稍微不同的原因可能是由于儀器(光柵對(duì)于不同波長(zhǎng)的光有不同的通過(guò)率)、光學(xué)測(cè)量誤差、樣品(CDs的溶解度不好或者產(chǎn)物不純)以及氧效應(yīng)等原因引起的[15]。在最大激發(fā)波長(zhǎng)360 nm處的量子產(chǎn)率為0.63。

表1 硫酸奎寧和碳點(diǎn)溶液的熒光量子產(chǎn)率

表2列出了文獻(xiàn)報(bào)道中合成CDs的熒光量子產(chǎn)率，可以看出本文合成的CDs的量子產(chǎn)率優(yōu)于大部分的研究報(bào)道。

表2 各種方法合成碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率的比較

3 結(jié)論

熒光CDs優(yōu)異的光電學(xué)性能使其在生物標(biāo)記、成像、催化和發(fā)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?jiǎng)┎捎盟疅岱ê铣傻臒晒釩Ds具有合成方法簡(jiǎn)單、熒光強(qiáng)度高、pH影響小、不易光漂白的特點(diǎn)，其在最大激發(fā)波長(zhǎng)360 nm處的量子產(chǎn)率達(dá)到0.63。同時(shí)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(jìn)行中。