以生物質(zhì)基為碳源制備碳量子點(diǎn)的研究

周 措，吳順薇，王志明，孫春艷

(青海大學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

碳量子點(diǎn)(Carbon Quantum Dots,CQDs)作為一種新興的零維納米材料，于2004年在分離單壁碳納米管時(shí)首次被發(fā)現(xiàn)[1]，之后Sun等[2]在2006年通過(guò)激光燒蝕合成了具有強(qiáng)發(fā)光性質(zhì)的CQDs，尺寸在10 nm以下，具有良好的水溶性、低毒性、熒光性、環(huán)境友好性等特點(diǎn)[3]，使它們成為光催化[4]、化學(xué)探針[5]、生物成像[6]、藥物傳遞[7]等領(lǐng)域中有毒金屬量子點(diǎn)的優(yōu)良替代品。生物質(zhì)CQDs不僅可以有效降低CQDs制備過(guò)程中的原料成本，實(shí)現(xiàn)廢棄資源的高質(zhì)量循環(huán)利用，而且還具有優(yōu)異的生物相容性和穩(wěn)定的熒光發(fā)射。然而，目前以天然生物質(zhì)碳源制備CQDs的主要方法是水熱法和氧化法，但最大的問(wèn)題在于收率和熒光量子產(chǎn)率普遍偏低[8-12]，且氧化條件苛刻。主要原因是水熱處理后會(huì)產(chǎn)生大量的氫碳固體副產(chǎn)物，而留在液相中的CQDs非常少。由于在水熱條件下生物質(zhì)資源可以很容易地生產(chǎn)出氫碳。氫碳作為一種宏觀碳材料，具有“自上向下”合成CQDs的潛力。利用溫和氧化法將副產(chǎn)物氫碳資源轉(zhuǎn)化為增值材料是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中一個(gè)值得研究的課題。該方法在綠色、大規(guī)模制備熒光CQDs材料領(lǐng)域?qū)⒕哂辛己玫膽?yīng)用前景。因此，本研究分別選用化學(xué)純或天然生物質(zhì)碳源，采用多種方法制備CQDs，對(duì)所得CQDs進(jìn)行表征及熒光性能測(cè)試，比較和調(diào)整碳化及納米化工藝，確定綜合性能最優(yōu)的制備方法，為實(shí)現(xiàn)天然生物質(zhì)綠色大規(guī)模合成CQDs奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試劑及材料

分析純(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)： 鹽酸(HCl)、過(guò)氧化氫(H2O2)、氫氧化鈉(NaOH)、無(wú)水乙醇、D-(+)-葡萄糖(D-(+)-Glucose)；藜麥(高遠(yuǎn)錦和生態(tài)農(nóng)牧科技有限公司)；纖維素透析膜：截留分子量500 MW(上海聯(lián)碩生物科技有限公司)。

1.2 儀器設(shè)備

傅立葉變換紅外光譜儀：Spectrum BXII(美國(guó)Perkin-Elmer)；掃描電子顯微鏡：JSM6610LV(日本電子)；透射電子顯微鏡：JEM-2100F(日本電子)；熒光分光光度計(jì)：F7000(日本株式會(huì)社日立技術(shù)公司)；紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)：T6新世紀(jì)(北京普析儀器有限責(zé)任公司)；真空冷凍干燥機(jī)：SCIENTZ-12N(中國(guó)寧波新芝生物股份有限公司)。

1.3 碳量子點(diǎn)的制備

1.3.1 傳統(tǒng)水熱法 以葡萄糖為生物質(zhì)碳源，利用水熱法制備CQDs。具體步驟:將4.0 g生物質(zhì)底物分散在40 mL去離子水中，轉(zhuǎn)移至100 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜內(nèi)，在馬弗爐中于200 ℃下反應(yīng)6 h，然后冷卻至室溫。將所得懸濁液進(jìn)行離心分離，分別得到黃色上清液和下層黑色水熱副產(chǎn)物氫碳。將黃色上清液用0.22 μm過(guò)濾膜過(guò)濾，將濾液轉(zhuǎn)移至截留分子量為500MW的透析膜中，室溫條件下，在去離子水中透析24 h，同時(shí)用磁力攪拌器，以60 r/min的速度攪拌去離子水，期間每間隔8 h更換一次去離子水。之后收集透析膜內(nèi)液體即為純化的CQDs溶液。將CQDs溶液進(jìn)行冷凍干燥得到CQDs粉末。以高原特色作物藜麥為碳源的制備步驟與上述相同，只是將藜麥進(jìn)行超聲清洗，干燥，研磨成粉后作為碳源使用。

1.3.2 水熱/溫和氧化法 將上述傳統(tǒng)水熱法中所得的副產(chǎn)物氫碳作為碳源，分別用去離子水和乙醇將氫碳材料洗滌3次，然后在60 ℃的恒溫干燥箱中干燥24 h。取0.1 g碳材料分散于50 mL、0.3 mol/L NaOH溶液中，隨后加入4 mL H2O2(30%)，室溫下攪拌8 h，得到金黃色透明溶液。用1 mol/L HCl，將該溶液pH調(diào)至8～9，透析3.5 d，凍干得到純CQDs粉末。

1.3.3 熱分解/溫和氧化法 取2 g研磨后的藜麥粉，置于管式爐的樣品管中，在氮?dú)夥諊幸?50 ℃碳化2 h，其中升溫速率為7.5 ℃/min。取0.1 g碳化后的產(chǎn)物分散于50 mL、0.3 mol/L NaOH溶液中，隨后加入4 mL H2O2(30%)，室溫下攪拌8 h，得到金黃色透明溶液。然后用1 mol/L HCl將該溶液調(diào)至pH至8～9，透析3.5 d，凍干得到純CQDs粉末。

1.4 相對(duì)熒光量子產(chǎn)率的測(cè)定

熒光量子產(chǎn)率是衡量材料熒光性質(zhì)的重要參數(shù)之一。以硫酸奎寧溶液作為標(biāo)準(zhǔn)參照物計(jì)算CQDs水溶液的相對(duì)熒光量子產(chǎn)率。具體操作步驟：將硫酸奎寧溶解于濃度為0.1 mol/L的H2SO4水溶液中，配制成所需濃度的標(biāo)準(zhǔn)參照溶液。再將CQDs溶解于去離子水中，配制成所需濃度的CQDs待測(cè)溶液。將待測(cè)CQDs溶液置于石英比色皿中，放入紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)中。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)參照溶液與待測(cè)溶液的濃度，確保當(dāng)波長(zhǎng)在366 nm處的吸光度為0.08～0.1。隨后將待測(cè)CQDs溶液置于玻璃比色皿中，放入熒光分光光度計(jì)，設(shè)置激發(fā)波長(zhǎng)為366 nm，檢測(cè)熒光光譜，并按下式計(jì)算熒光量子產(chǎn)率。

式中：φu為待測(cè)碳量子點(diǎn)溶液的熒光量子產(chǎn)率；φs為參比物(硫酸奎寧溶液)的熒光量子產(chǎn)率；Iu為待測(cè)碳量子點(diǎn)溶液熒光強(qiáng)度的積分面積；Is為參比物(硫酸奎寧溶液)熒光強(qiáng)度的積分面積；Au為待測(cè)碳量子點(diǎn)溶液的吸光度；As為參比物(硫酸奎寧溶液)的吸光度。

1.5 熒光測(cè)試條件優(yōu)化

1.5.1 CQDs的熒光激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)的確定 將CQDs配制成溶液，利用F-7000型熒光分光光度計(jì)，設(shè)置入射波長(zhǎng)狹縫寬度2.5 nm，發(fā)射波長(zhǎng)狹縫寬度5.0 nm，掃描速率12 000 nm/min，光電倍增管電壓400 V 的條件下進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，記錄樣品的熒光發(fā)射光譜圖，以此來(lái)確定該CQDs的最佳的激發(fā)波長(zhǎng)與發(fā)射波長(zhǎng)。

1.5.2 影響CQDs熒光強(qiáng)度因素的研究 以CQDs的熒光強(qiáng)度為考察指標(biāo)，分別研究CQDs的濃度、pH對(duì)溶液熒光性質(zhì)的影響，配制一系列不同濃度的CQDs溶液，利用熒光分光光度計(jì)測(cè)定其熒光強(qiáng)度隨濃度的變化情況，在實(shí)驗(yàn)中利用0.1 mol/L的HCl、0.1 mol/L的NaOH，調(diào)節(jié)CQDs溶液的pH為2～12，分別測(cè)定其熒光強(qiáng)度，分析其熒光發(fā)射光譜。

1.5.3 金屬離子對(duì)CQDs的熒光猝滅實(shí)驗(yàn) 為了探討CQDs對(duì)金屬離子的熒光猝滅效果，分別配制10 μg/mL 的K+、Li+、Rb+、Ni2+、Zn2+、Pb2+、Cu2+、Mg2+、Cr3+金屬離子原溶液。首先測(cè)量1 g/L的CQDs溶液的熒光強(qiáng)度作為空白對(duì)照，然后滴加10 μL金屬離子原溶液，測(cè)量混勻后溶液的熒光強(qiáng)度，確定金屬離子對(duì)CQDs的熒光猝滅效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 CQDs制備方法比較

在采用傳統(tǒng)水熱法制備CQDs的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，除用于制備碳量子點(diǎn)的上清液外，還會(huì)得到大量黑色粉末狀固體，該副產(chǎn)物不溶于水和乙醇。有研究表明，生物質(zhì)在水熱處理過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷水解、脫水、脫羧、芳構(gòu)化和再縮合等一系列過(guò)程，最終導(dǎo)致大量副產(chǎn)物——?dú)涮嫉男纬蒣13]。目前已有研究人員通過(guò)高溫碳化處理此類副產(chǎn)物，獲得多功能碳材料[14]。溫和氧化法是指采用稀釋后的NaOH/H2O2溶液(在室溫下)進(jìn)行溫和氧化，大規(guī)模地從生物質(zhì)氫碳中合成CQDs。與傳統(tǒng)化學(xué)氧化法中采用的其他氧化試劑如濃硫酸、硝酸等相比，NaOH/H2O2更環(huán)保，腐蝕性更小。據(jù)此，本研究提出利用氫碳副產(chǎn)物作為碳源，采用溫和氧化法制備CQDs的合成路線，并綜合比較研究了3種不同制備方法得到的CDQs的收率及熒光量子產(chǎn)率(表1)。后續(xù)CQDs的表征，除特殊說(shuō)明外，均針對(duì)以葡萄糖為原料采用熱分解/溫和氧化法制備的產(chǎn)物進(jìn)行。

表1 CQDs制備方法比較

2.2 碳量子點(diǎn)的表征

2.2.1 形貌表征 圖1a為以葡萄糖為原料，經(jīng)過(guò)管式爐高溫碳化后的熱解產(chǎn)物的SEM照片。從照片中可以看到，葡萄糖熱解產(chǎn)物呈微球狀，直徑約為0.2～1 μm，與文獻(xiàn)[13]報(bào)道的生物質(zhì)熱解產(chǎn)物氫碳的形貌相一致，表明該葡萄糖熱解產(chǎn)物為氫碳。以該產(chǎn)物為碳源，進(jìn)一步采用溫和氧化法可制備得到CQDs，產(chǎn)物的TEM照片如圖1b所示。從照片中可以看出，CQDs分散性較好，粒徑均勻，形狀似球形顆粒。最大粒徑為5.78 nm，最小粒徑為1.07 nm，平均粒徑為3.54 nm，尺寸范圍在1.07～5.78 nm。由正態(tài)分布圖可得知其主要粒徑為3.5 nm。說(shuō)明所制備的材料是小于10 nm的碳量子點(diǎn)。

圖1 葡萄糖熱解產(chǎn)物(氫碳)的SEM圖與CQDs的TEM圖及粒徑分布圖

2.2.2 CQDs的紅外光譜分析 通過(guò)FT-IR分別對(duì)氫碳和CQDs進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖2所示。3 423 cm-1附近的特征吸收譜帶是—OH的伸縮振動(dòng)；1 705 cm-1附近的吸收譜帶是C=O的伸縮振動(dòng)；1 633 cm-1附近的吸收譜帶是C=C的伸縮振動(dòng)；1 384 cm-1附近的吸收譜帶是C—H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)；1 119 cm-1附近的吸收譜帶是C—O的伸縮振動(dòng)；977 cm-1附近的吸收譜帶是C—H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)。這說(shuō)明，碳量子點(diǎn)表面已被羧基、羥基等大量親水性基團(tuán)覆蓋，與文獻(xiàn)[15]報(bào)道一致。

圖2 葡萄糖碳化熱解產(chǎn)物和CQDs的紅外光譜圖

2.2.3 CQDs的紫外可見(jiàn)光譜分析 為了研究 CQDs 的光學(xué)性質(zhì)，對(duì)其紫外—可見(jiàn)吸收光譜進(jìn)行了研究(圖3)。CQDs表現(xiàn)出較寬的紫外吸收波段，在250 nm和350 nm附近具有特征吸收，分別是由C=C基團(tuán)的π-π*躍遷和C=O基團(tuán)的n-π*躍遷所導(dǎo)致[16]。從插圖可以看出，制備的CQDs水溶液在自然光照下幾乎無(wú)色(左)，當(dāng)用365 nm紫外燈照射時(shí)可以發(fā)出藍(lán)色熒光(右)，說(shuō)明制備的CQDs有很強(qiáng)的熒光。

圖3 CQDs溶液的紫外可見(jiàn)吸收光譜

2.3 熒光光譜分析

2.3.1 最佳激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)的確定 為了確定制備的CQDs的最佳激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)，采用F-7000型熒光分光光度計(jì)對(duì)CQDs進(jìn)行了熒光發(fā)射光譜的測(cè)定(圖4)。由圖中可以看出，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為340 nm激發(fā)時(shí)，CQDs發(fā)出的熒光強(qiáng)度可以達(dá)到最大，在測(cè)試條件下可達(dá)92.2 a.u.，且在該激發(fā)波長(zhǎng)下的發(fā)射波長(zhǎng)為 445 nm，故CQDs的最佳激發(fā)波長(zhǎng)定為340 nm，最佳發(fā)射波長(zhǎng)定為445 nm。

圖4 CQDs溶液的熒光光譜

從圖5a中可以觀察到，當(dāng)CQDs的激發(fā)波長(zhǎng)從270 nm 增加至400 nm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的發(fā)射波長(zhǎng)由410 nm紅移至495 nm。與此同時(shí)，從圖5b中可以明顯地看到，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)由270 nm增加至400 nm時(shí)，CQDs的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象可能是CQDs 的不同粒徑分布和一些表面的官能團(tuán)所造成的，還有可能是高溫下所制備的CQDs，其表面含有較多的表面缺陷位點(diǎn)，這使得CQDs的發(fā)射波長(zhǎng)具有激發(fā)依賴性[17]。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)處理中，激發(fā)波長(zhǎng)設(shè)置為 340 nm，發(fā)射波長(zhǎng)檢測(cè)范圍為370～600 nm。

圖5 熒光發(fā)射光譜及激發(fā)波長(zhǎng)與熒光強(qiáng)度關(guān)系圖

2.3.2 影響CQDs熒光強(qiáng)度的因素的研究 通過(guò)配制不同濃度的CQDs溶液，分別檢測(cè)其熒光強(qiáng)度，以探討在檢測(cè)過(guò)程中CQDs濃度對(duì)熒光強(qiáng)度的影響，從而確定CQDs溶液的最佳濃度。稱取相應(yīng)量的CQDs粉末，加入少量水?dāng)嚢枞芙?，轉(zhuǎn)移至容量瓶中，加去離子水定容至刻度線，震蕩搖勻，將該溶液超聲分散8 min，取出后檢測(cè)其熒光強(qiáng)度。濃度為0.1～2 g/L的CQDs溶液熒光強(qiáng)度如圖6所示。當(dāng)濃度小于1 g/L時(shí)，熒光強(qiáng)度隨著CQDs濃度的增加而增強(qiáng)，當(dāng)濃度為1～1.5 g/L時(shí)，熒光強(qiáng)度基本無(wú)變化。當(dāng)濃度大于1.5 g/L時(shí)，隨著CQDs濃度的增加，熒光強(qiáng)度略有下降，這是由于發(fā)生了熒光自吸收現(xiàn)象，所以此時(shí)CQDs濃度增大熒光強(qiáng)度反而降低。因此，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，CQDs的濃度均選擇1 g/L。

酸堿度是影響CQDs應(yīng)用的重要理化參數(shù)之一。本實(shí)驗(yàn)研究了CQDs在pH為2～12下的熒光強(qiáng)度，以確定CQDs最佳pH的應(yīng)用范圍。如圖7所示，當(dāng)溶液pH小于4或高于9時(shí)，熒光強(qiáng)度較低，當(dāng)pH為6時(shí)，CQDs溶液的熒光強(qiáng)度可以達(dá)到最高值。堿性條件下，溶液熒光強(qiáng)度的下降可能是由于CQDs發(fā)生了團(tuán)聚引起的。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將溶液的pH調(diào)整為6，以獲得最佳的熒光強(qiáng)度。

2.3.3 CQDs的熒光猝滅研究 CQDs對(duì)金屬離子的熒光猝滅性能有利于實(shí)現(xiàn)其對(duì)金屬離子的選擇性檢測(cè)。將K+、Li+、Ni+、Rb+、Zn2+、Pb2+、Cu2+、Mg2+、Cr3+標(biāo)準(zhǔn)溶液分別配制成濃度為10 μg/mL、pH約為6的溶液。首先測(cè)量濃度為1 g/L CQDs溶液的熒光強(qiáng)度(F0)作為空白對(duì)照。然后向碳點(diǎn)溶液中分別加入10 μL上述金屬離子溶液，混勻后靜置2 min，測(cè)量溶液的熒光強(qiáng)度(F)，以得到金屬離子對(duì)CQDs的熒光猝滅效果(圖8)。Pb2+的熒光猝滅系數(shù)(F/F0)低至0.53，其熒光猝滅效果明顯高于其他金屬離子。

圖8 不同的金屬離子對(duì)CQDs熒光猝滅選擇性

用Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液分別配制成濃度為2～12 μg/mL的待測(cè)液，分別測(cè)定其對(duì)CQDs的熒光猝滅效果(圖9a)。并繪制Pb2+濃度—熒光猝滅效果工作曲線(圖9b)。從圖9b中可以明顯看出，Pb2+濃度與熒光猝滅強(qiáng)度呈良好的線性相關(guān)性，可以利用方程F/F0=-0.011 95C(Pb2+)+0.996 26進(jìn)行擬合，線性回歸系數(shù)R2=0.995 38。說(shuō)明所得CQDs在Pb2+檢測(cè)方面有潛在的應(yīng)用前景。

圖9 不同濃度的Pb2+對(duì)CQDs的熒光猝滅光譜圖及CQDs對(duì)Pb2+的滴定工作曲線

3 討論與結(jié)論

目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)CQDs的制備，且使用可再生的生物質(zhì)資源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，不但可以節(jié)約成本、降低能耗，還能極大地降低對(duì)環(huán)境的破壞。郭穎等[8]以黃瓜為碳源采用傳統(tǒng)水熱法制備了CQDs，并將其應(yīng)用于銅離子的檢測(cè)；楊子康等[9]以油茶果殼為碳源，采用一步水熱法也已成功制備性能優(yōu)良的CQDs，但也存在著收率和CQDs問(wèn)題。采用溫和氧化法可以有效提高CQDs的收率以及CQDs，與文獻(xiàn)報(bào)道的傳統(tǒng)化學(xué)氧化法[11-12]相比，具有制備條件溫和，腐蝕性小，符合綠色合成要求的優(yōu)勢(shì)。因此本實(shí)驗(yàn)分別通過(guò)水熱合成法，水熱/溫和氧化法和熱分解/溫和氧化法制備CQDs，并對(duì)以上3種合成方法進(jìn)行探究并做對(duì)比表明，以氫碳副產(chǎn)物為碳源，以熱分解/溫和氧化法制備CQDs時(shí)的收率和CQDs最高(葡萄糖的收率及CQDs分別為61.40%、9.8%)。此外，以天然作物藜麥為碳源時(shí)其產(chǎn)物收率和CQDs都與化學(xué)純葡萄糖相當(dāng)，表明本研究所提出的制備方法切實(shí)可行，在提高收率及CQDs的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了副產(chǎn)物的高值化利用。所合成的CQDs，在365 nm紫外燈下呈藍(lán)綠色，最佳激發(fā)波長(zhǎng)是340 nm，最佳pH為6，濃度為1 g/L時(shí)熒光強(qiáng)度最佳。該CQDs對(duì)Pb2+有很好的熒光猝滅效果，在溶液中鉛離子檢測(cè)方面具有一定的潛在應(yīng)用價(jià)值。