采用炭黑水熱法制備熒光碳點(diǎn)

高小童，秦志龍

（1.山東省膠東調(diào)水工程棘洪灘水庫(kù)管理處，山東青島 266111；2.國(guó)家電網(wǎng)青島供電公司，山東青島 266001）

采用炭黑水熱法制備熒光碳點(diǎn)

高小童1，秦志龍2

（1.山東省膠東調(diào)水工程棘洪灘水庫(kù)管理處，山東青島 266111；2.國(guó)家電網(wǎng)青島供電公司，山東青島 266001）

主要采用水熱法來(lái)合成高熒光和高量子產(chǎn)率（QY=25.44%）的水溶性碳點(diǎn)。以炭黑作為主要原料，以乙二醇作為鈍化試劑和修飾試劑，在120℃溫度下加熱制備碳點(diǎn)。此方法合成的碳點(diǎn)具有激發(fā)依賴性，即發(fā)射波長(zhǎng)會(huì)隨著激發(fā)波長(zhǎng)的紅移而不斷紅移，從而發(fā)出藍(lán)色，綠色，黃色，紅色等不同顏色的熒光。而且合成的碳點(diǎn)的粒徑較小，只有2～3nm，方便進(jìn)入細(xì)胞。利用洋蔥表皮細(xì)胞對(duì)合成的碳點(diǎn)進(jìn)行細(xì)胞成像試驗(yàn)，結(jié)果表明碳點(diǎn)可以順利地穿過(guò)細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、核膜等三重障礙進(jìn)入細(xì)胞核，并對(duì)細(xì)胞核進(jìn)行特異性標(biāo)記，有利于在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

碳點(diǎn)；水熱法；高量子產(chǎn)率；植物細(xì)胞成像

碳點(diǎn)（carbon dots）作為一類(lèi)新興的碳納米材料[1]，由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)如激發(fā)波長(zhǎng)依賴的發(fā)射波長(zhǎng)可變性等和其在尺寸、成本及生物相容性上的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，引起研究人員的廣泛興趣并迅速發(fā)展起來(lái)。因?yàn)樘键c(diǎn)納米顆粒的表面包裹有很多羧酸基團(tuán)，所以易溶于水，易結(jié)合其它的有機(jī)或者無(wú)機(jī)聚合物，因而在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿?。碳點(diǎn)除了粒徑很小、可以抗光漂白、激發(fā)波長(zhǎng)和溶液酸度依賴性等特點(diǎn)，其合成過(guò)程和制備路線都相對(duì)簡(jiǎn)單。碳點(diǎn)作為一類(lèi)納米碳材料，可以用作碳基發(fā)射器，從而取代碳納米管、碳富勒烯，納米金剛石等傳統(tǒng)的碳材料[2]。碳點(diǎn)中沒(méi)有Cd、Hg等重金屬離子，細(xì)胞毒性低、對(duì)環(huán)境污染小，是傳統(tǒng)量子點(diǎn)的優(yōu)良的替代品[3]。過(guò)去短短時(shí)間里，人們對(duì)碳點(diǎn)的研究已經(jīng)獲得很多重大進(jìn)展，未來(lái)，它必將在細(xì)胞及組織成像、藥物的靶向輸送、醫(yī)學(xué)生理診斷、生物傳感和材料間的能量傳遞轉(zhuǎn)換等方面取得更大的突破[4]。

碳點(diǎn)的制備方法分為自上而下合成法和自下而上合成法兩種。自上而下法主要是電化學(xué)氧化、電弧放電和激光消融等合成方法。合成步驟就是將前驅(qū)體粉碎成納米級(jí)的微小粒子，再用修飾試劑或者包覆特定的聚合物對(duì)其表面進(jìn)行修飾鈍化，最后能夠發(fā)射熒光。Xu等制備單壁碳納米管，并對(duì)懸浮液通過(guò)凝膠電泳的方法分離純化時(shí)，第一次偶然發(fā)現(xiàn)熒光碳點(diǎn)[1]。Hu等先將石墨粉與PEG200N溶液或氨水化合物混合，然后通過(guò)超聲輔助法使混合溶液分散。將分散后的溶液用激光Nd：YAG進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)2h后對(duì)其離心，最終可以形成熒光碳納米粒子[5]。另外Yang 等將富勒烯作為前體，通過(guò)電化學(xué)法合成高量子產(chǎn)率的碳點(diǎn)，可以發(fā)出藍(lán)色熒光[6]。

本文主要采用廉價(jià)的炭黑作為主要原材料，通過(guò)簡(jiǎn)單的一步水熱法在120℃下合成高熒光和高量子產(chǎn)率的水溶性碳點(diǎn)。在合成的過(guò)程中，將乙二醇作為修飾試劑和鈍化試劑，濃硝酸作為氧化劑。選用一步水熱法操作簡(jiǎn)單、方便快捷，選用炭黑作為原料，經(jīng)濟(jì)廉價(jià)，能夠降低成本。這種方法制備的碳點(diǎn)量子產(chǎn)率很高，可以達(dá)到25.44%，且顆粒均勻統(tǒng)一，粒徑很小，只有2～3nm，極易進(jìn)入細(xì)胞，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很大應(yīng)用潛質(zhì)和空間。制備的碳點(diǎn)同時(shí)具備激發(fā)依賴性等一般碳點(diǎn)的共性，當(dāng)不斷紅移激發(fā)波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)也會(huì)同時(shí)不斷紅移，繼而發(fā)射藍(lán)色，綠色，黃色，紅色等不同顏色的熒光，在細(xì)胞染色、生物標(biāo)記、病理檢測(cè)、信號(hào)傳輸?shù)确矫娑季哂休^大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。最后使用洋蔥表皮細(xì)胞對(duì)合成的碳點(diǎn)進(jìn)行細(xì)胞成像試驗(yàn)，結(jié)果表明碳點(diǎn)可以很容易地通過(guò)細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、核膜進(jìn)入細(xì)胞核，并特異性標(biāo)記細(xì)胞核。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)試劑

硝酸（65%，CP）是從天津化學(xué)試劑研究所（中國(guó)天津）進(jìn)行采購(gòu)；炭黑購(gòu)買(mǎi)于復(fù)瑞化工有限公司（中國(guó)上海）；乙二醇購(gòu)買(mǎi)于天津光復(fù)精細(xì)化工研究所（中國(guó)天津）；硝酸（65%，CP）購(gòu)買(mǎi)于天津化學(xué)試劑研究所（中國(guó)天津）；丙酮購(gòu)買(mǎi)于利安隆博華醫(yī)藥化學(xué)有限公司（中國(guó)天津）；超純水是通過(guò)Milli-Q純水機(jī)（Millipore公司，Bedford MA）制得。

1.2 碳點(diǎn)的合成

首先將濃硝酸和乙二醇按照一定比例混合，配置成濃度為35%～65%的乙二醇/濃硝酸混合溶液，其中硝酸的濃度固定為5mol/L。然后稱取100mg的炭黑，將炭黑倒入不銹鋼高壓反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中，同時(shí)加入20mL的乙二醇/濃硝酸混合溶液，搖勻，炭黑要全部浸沒(méi)于乙二醇/濃硝酸混合溶液中，將反應(yīng)釜置于烘箱中恒溫加熱進(jìn)行反應(yīng)。

1.3 表征

熒光光譜是在F97 pro熒光分光光度計(jì)（上海棱光技術(shù)有限公司）上測(cè)得。UV-Vis光譜是在UV 2800 SPC UV-Vis分光光度計(jì)（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）上測(cè)得。熒光量子產(chǎn)率和熒光壽命均是在FLS 920熒光分光光度計(jì)（英國(guó)愛(ài)丁堡儀器公司）上測(cè)得。高分辨透射電鏡（HRTEM）照片是在200kV電壓下，在FEI Tecnai G2 F30透射電鏡儀上進(jìn)行拍攝。X-射線衍射（XRD）圖譜是在X’Pert衍射計(jì)（荷蘭飛利浦）上測(cè)得。傅里葉變換紅外（FTIR）譜圖是通過(guò)Nicolet NEXUS 670完成。熱重分析（TGA）是通過(guò)PerkinElmer TGA-7 system（Norwalk，CT，USA）上測(cè)得。拉曼光譜是采用inVia激光共聚焦拉曼光譜儀（英國(guó)雷尼紹有限公司）測(cè)得。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳點(diǎn)的熒光光譜圖

在開(kāi)展績(jī)效目標(biāo)管理考核的過(guò)程中，一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)就是考核反饋，考核反饋是指考核人員根據(jù)具體考核情況對(duì)學(xué)校內(nèi)部存在的不足進(jìn)行披露并提出相關(guān)應(yīng)對(duì)措施予以解決，因此，考核反饋會(huì)在很大程度上影響到績(jī)效目標(biāo)管理考核的整體質(zhì)量。目前，在我國(guó)高職院校的績(jī)效目標(biāo)管理考核中考核反饋缺失，考核結(jié)果利用不充分，使得高職院校的績(jī)效考核工作難以達(dá)到引導(dǎo)學(xué)校部門(mén)提高工作質(zhì)量與工作效率的目的。這一問(wèn)題的出現(xiàn)，究其原因，還在于高職院校缺乏考核反饋機(jī)制，對(duì)學(xué)校各部門(mén)的考察在很大程度上僅僅局限于通報(bào)考核結(jié)果，對(duì)考核結(jié)果不佳的部門(mén)難以找出問(wèn)題根源，從而導(dǎo)致學(xué)?？?jī)效目標(biāo)管理考核的最終目標(biāo)難實(shí)現(xiàn)。

100mg的炭黑中加入20mL 55%乙二醇/濃硝酸混合水溶液，在120℃下反應(yīng)10h，即可合成碳點(diǎn)。將制備的碳點(diǎn)置于激光下可以發(fā)出強(qiáng)烈的熒光。用超純水不斷稀釋碳點(diǎn)，稀釋至350nm處的吸光度為0.02，然后在FLS 920熒光分光光度計(jì)上測(cè)得碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率為25.44%。同樣用超純水將碳點(diǎn)稀釋400倍后測(cè)其熒光光譜，從熒光光譜圖（見(jiàn)圖1）可以看出，制備的碳點(diǎn)具有激發(fā)依賴性，即將激發(fā)波長(zhǎng)紅移，碳點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)也會(huì)隨之紅移。在圖中可以看出激發(fā)波長(zhǎng)從320nm開(kāi)始，以20nm的間距不斷紅移至540nm，碳點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)紅移，從420nm一直紅移至600nm，繼而發(fā)射藍(lán)色、綠色、黃色、橙色、紅色等不同顏色的熒光。

圖1 不同激發(fā)下的碳點(diǎn)的熒光光譜圖

2.2 高分辨透射電鏡照片

圖2 高分辨透射電鏡照片

如圖2所示，其中2a為未反應(yīng)前原材料炭黑的電鏡照片；圖2b和2c均為120℃水熱法合成的碳量子點(diǎn)的電鏡照片。在2a電鏡照片中，商品化的原材料炭黑呈片狀，體積很大，且每一個(gè)顆粒的尺寸大小不均勻，且炭黑顆粒大都吸附堆積在一起，分散性很差。而圖2b和2c為制備的碳點(diǎn)的電鏡照片，可以看出，原材料炭黑經(jīng)高溫水熱反應(yīng)合成的碳點(diǎn)呈球形結(jié)構(gòu)，體積很小，粒徑分布只有2～3nm，且單分散性很好，粒徑大小均勻。圖2d、2e、2f為電鏡下觀察到的少量的介孔碳結(jié)構(gòu)，這是水熱法制備碳點(diǎn)生成的副產(chǎn)物，介孔排列有序，用nano measurer 1.2軟件測(cè)量其孔徑約為2nm，說(shuō)明此副產(chǎn)物是介于微孔和介孔之間的。從電鏡圖中可以看出，用炭黑為原料，乙二醇為修飾劑，硝酸為氧化劑可以制備粒徑小、分散好的碳點(diǎn)，在此同時(shí)也產(chǎn)生了很少量的介孔碳。因?yàn)槲覀兪褂玫奶亢跒榱畠r(jià)的商品化炭黑，炭黑顆粒的質(zhì)量并不統(tǒng)一，因此其中某些特殊的顆粒在水熱反應(yīng)中可能產(chǎn)生介孔碳結(jié)構(gòu)。

2.3 傅里葉變換紅外（FTIR）譜圖

在合成的碳點(diǎn)溶液中加入丙酮，沉淀離心，置于真空干燥箱抽真空常溫干燥，得到碳點(diǎn)粉末，進(jìn)行FTIR譜圖的測(cè)定。在圖3中，（a）是炭黑原材料的FTIR譜圖，（b）是水熱法合成的碳點(diǎn)的FTIR譜圖。（a）中3 428cm-1處的吸收峰應(yīng)為碳點(diǎn)表面修飾劑乙二醇的羥基的O-H伸縮振動(dòng)峰，（b）中原材料炭黑在此處也有吸收峰，這應(yīng)該是炭黑在空氣中吸潮，是水中的O-H伸縮振動(dòng)峰。而（a）中1 611cm-1處出現(xiàn)很強(qiáng)的吸收峰，應(yīng)為C==C的伸縮振動(dòng)峰，1 429和1 365cm-1處同時(shí)出現(xiàn)較弱的吸收峰，說(shuō)明碳點(diǎn)中含有甲基基團(tuán)。產(chǎn)物碳點(diǎn)在1 166和1127cm-1處出現(xiàn)兩個(gè)新的吸收峰，應(yīng)是環(huán)氧基的C—O—C特征吸收峰，前者是反對(duì)稱振動(dòng)吸收峰，后者是對(duì)稱振動(dòng)吸收峰。另外1 081cm-1處的峰是碳點(diǎn)表面乙二醇的C—O伸縮振動(dòng)峰。

圖3 碳點(diǎn)的FTIR譜圖

2.4 拉曼光譜

圖4 碳點(diǎn)及原料的拉曼光譜圖

在圖4中，（a）圖表示制備的碳點(diǎn)的拉曼光譜，（b）圖表示原材料炭黑的拉曼光譜。在進(jìn)行拉曼光譜測(cè)定過(guò)程中，我們使用633nm的激光作為激發(fā)光源，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透能力越強(qiáng)，633nm的激光可以完全穿透原料和產(chǎn)物的深層碳結(jié)構(gòu)。1 344cm-1處的峰為D峰，1 574cm-1處的峰為G峰。G峰代表sp2型C==C伸縮振動(dòng)，其寬度由結(jié)構(gòu)的無(wú)序化程度決定，即無(wú)序化程度愈大，寬度越寬。而D峰則是結(jié)構(gòu)的無(wú)序程度達(dá)到一定限度時(shí)才出現(xiàn)的。因此D峰、G峰二者的相對(duì)強(qiáng)度比（ID/ IG）可以用來(lái)表示結(jié)構(gòu)的無(wú)序化程度。（ID/IG）值越高，代表材料結(jié)構(gòu)的無(wú)序程度越大，即缺陷位點(diǎn)的數(shù)量越多。通過(guò)計(jì)算，原材料炭黑中ID/IG比值為1.124，而制備的碳點(diǎn)中ID/IG則為0.849，從ID/IG的比值來(lái)看，產(chǎn)物碳點(diǎn)仍為無(wú)定型結(jié)構(gòu)，但比起原材料炭黑，產(chǎn)物碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)無(wú)序程度明顯減弱，缺陷數(shù)量也明顯減少。

在制備的碳點(diǎn)溶液中加入丙酮，并沉淀離心，真空干燥后用瑪瑙研缽將碳點(diǎn)粉末研細(xì)，再進(jìn)行XRD的測(cè)定。在XRD圖譜中，2θ=26°處出現(xiàn)一個(gè)寬峰，由此也可以證明制備的碳點(diǎn)是無(wú)定型結(jié)構(gòu)的。

圖5 碳點(diǎn)的XRD譜圖

2.6 碳點(diǎn)的熒光壽命及熒光衰減曲線

在測(cè)定熒光壽命的過(guò)程中（見(jiàn)圖6），使用360nm的激光作為激發(fā)光源，最終測(cè)得此碳點(diǎn)有3個(gè)熒光壽命，分別為1.57ns，5.56ns，14.08ns，將三個(gè)熒光壽命分別乘以各自所占的百分比，可以得到平均熒光壽命為6.36ns。如此多的熒光壽命說(shuō)明其電子躍遷機(jī)理的復(fù)雜性，而較短的平均熒光壽命證明制備的碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理是激發(fā)后的電子發(fā)生輻射復(fù)合從而放出光子。

圖6 碳點(diǎn)的熒光衰減曲線

2.7 熱重分析（TGA）

圖7 碳點(diǎn)的熱重分析

熱重分析如圖7所示，當(dāng)溫度升高到586.3℃時(shí)，制備的碳點(diǎn)的質(zhì)量損失約為30%，證明水熱法制備的碳點(diǎn)具有很好的熱穩(wěn)定性。

2.8 細(xì)胞成像試驗(yàn)

水熱法制備的碳點(diǎn)粒徑小，穿透能力強(qiáng)，為了更好地驗(yàn)證碳點(diǎn)的細(xì)胞穿透性，采用具有細(xì)胞壁的洋蔥表皮細(xì)胞來(lái)進(jìn)行細(xì)胞成像試驗(yàn)。將新鮮的洋蔥剝開(kāi)，用鑷子剝下1cm2左右的洋蔥內(nèi)表皮，并放入稀釋400倍的碳點(diǎn)溶液中，培養(yǎng)0.5h后取出，置于激光共聚焦顯微鏡下進(jìn)行觀察。

圖8 碳點(diǎn)的細(xì)胞成像照片

碳點(diǎn)的細(xì)胞成像照片（見(jiàn)圖8）可以證明，由于制備的碳點(diǎn)粒徑小，完全可以穿過(guò)細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、核膜三層阻礙最終進(jìn)入細(xì)胞核。而且從圖中可以看到洋蔥表皮細(xì)胞的細(xì)胞核發(fā)出綠色熒光，而細(xì)胞質(zhì)幾乎沒(méi)有熒光，由此證明制備的碳點(diǎn)可以與細(xì)胞核發(fā)生特異性結(jié)合，從而特異性標(biāo)記細(xì)胞核，這可能是因?yàn)槲覀兪褂靡叶甲鳛楸砻驸g化劑，而乙二醇可能易于結(jié)合細(xì)胞核內(nèi)的遺傳物質(zhì)。

3 結(jié)論

本文主要是利用廉價(jià)的炭黑作為原材料通過(guò)一步水熱法制備了高量子產(chǎn)率的水溶性熒光碳點(diǎn)。其中乙二醇作為表面鈍化劑和修飾劑，可以有效減少表面缺陷位點(diǎn)的數(shù)量，提高碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率。水熱法合成的碳點(diǎn)發(fā)射波長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯的激發(fā)依賴性，可以隨著激發(fā)波長(zhǎng)的紅移發(fā)射出藍(lán)色、綠色、黃色、橙色、紅色等不同顏色的熒光。制備的碳點(diǎn)顆粒較小，只有2～3nm，可以很容易地進(jìn)入細(xì)胞乃至細(xì)胞核，并與細(xì)胞核特異性結(jié)合，從而特異性標(biāo)記細(xì)胞核。又因?yàn)榱胶苄。瑥亩沽孔酉抻蛐?yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度很強(qiáng)，有利于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

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Hydrothermal Synthesis of Fluorescent Carbon Dots From Carbon Black

Gao Xiao-tong，Qin Zhi-long

Facile hydrothermal synthesis of water soluble carbon dots with high fluorescence and high quantum yield（QY=25.44%）using commercial carbon black as a precursor and glycol as a passivating agent at 120℃ was reported.The fluorescence changed from blue，green，yellow，orange and red with excitation wavelength shifting.Carbon dots with a particle size of 2～3nm are easy to get into cells.Onion epidermal cells were used to evaluate bioimaging and labeling capabilities of carbon dots here.The results showed carbon dots synthesized in this way can enter cells，and even cell nucleus through cell walls，cell membranes and nuclear membranes.The confocal fluorescence microphotographs demonstrate that the carbon dots can be used to label cell nucleus specifically and favour application in biomedical field.

carbon dots；hydrothermal synthesis；high quantum yield；plant cell imaging

TB383.1；O613.71

B

1003–6490（2016）04–0060–03

2016–04–10

高小童（1985—），女，山東青島人，工程師，主要研究方向?yàn)榉治龌瘜W(xué)、納米材料、水質(zhì)監(jiān)測(cè)。