微波輔助熒光碳量子點(diǎn)制備及其在防偽墨水中應(yīng)用

顏 磊 喻彥林

（1 西南政法大學(xué)刑事偵查學(xué)院 重慶 401120；2 重慶高校物證技術(shù)工程研究中心 重慶 401120）

1 引言

隨著納米材料和納米技術(shù)的不斷發(fā)展，具有獨(dú)特光致發(fā)光特性、電化學(xué)活性的納米材料受到了法庭科學(xué)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注[1-7]。如CdS、CdSe等半導(dǎo)體量子點(diǎn)、YVO4∶Eu等稀土摻雜的熒光納米、金納米團(tuán)簇等納米材料，被廣泛應(yīng)用于多種客體物上的油潛、汗?jié)?、血潛指印的顯現(xiàn)中；基于金納米材料及其納米復(fù)合物材料構(gòu)建的比色型、電化學(xué)型、熒光型、高分子聚合物型、分子印跡型等多種傳感器被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物Hg2+、Pb2+等重金屬離子、芳香硝基類爆炸物、可卡因等毒品的分析檢測中；基于銀膠、金膠等納米粒子的表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)也被應(yīng)用于墨水、墨跡、紙張等書寫材料，毒物、毒品及油漆、纖維等微量物證的分析檢驗(yàn)中。其中，碳量子點(diǎn)由于具有激發(fā)及發(fā)射光可調(diào)、毒性小、生物相容性好、表面有豐富的官能團(tuán)，以及反應(yīng)物來源廣泛、合成條件相對簡單易行等特點(diǎn)，在離子檢測、催化反應(yīng)、生物成像及光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，相關(guān)的研究也備受矚目[8-11]。通過表面鈍化和摻雜的處理可以提高碳量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率和光學(xué)性質(zhì)，因此，摻雜的碳量子點(diǎn)成為了近幾年的研究熱點(diǎn)，并應(yīng)用于法庭科學(xué)領(lǐng)域[12-14]。如本研究組曾采用微波輻射輔助的水熱合成法快速制備了氮、硫摻雜的具有強(qiáng)烈熒光的碳量子點(diǎn)溶液，并通過靜電吸附方式將其固載在蒙脫土上，制得具有強(qiáng)烈熒光的納米復(fù)合物粉末。該碳量子點(diǎn)納米復(fù)合物粉末具有較好的化學(xué)及光學(xué)穩(wěn)定性，便于儲存、攜帶和使用，已成功應(yīng)用于復(fù)雜色彩背景上潛在指印的顯現(xiàn)，所顯指印紋線清晰可辨、細(xì)節(jié)特征豐富，可用于指印遺留者的人身認(rèn)定[12]。

有機(jī)熒光染料和稀土摻雜的熒光染料是目前熒光防偽油墨中最為常見的兩類。在制備和使用過程中，前者存在抗光漂白能力較弱、穩(wěn)定性相對較差、使用有機(jī)溶劑、環(huán)境不友好等缺點(diǎn)；后者盡管具有發(fā)射光譜窄、熒光效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，卻常常需要復(fù)雜的反應(yīng)步驟和制備程序，相對耗時(shí)、耗能。張曉安研究組[13]以不同的氯代烴（三氯甲烷、二氯甲烷）和不同的胺類（二乙胺、乙二胺）為反應(yīng)原料，在沸騰回流60h的條件下制備了兩類激發(fā)光依賴的熒光碳量子點(diǎn)，并將其中一種在長波處具有較高發(fā)射強(qiáng)度的碳量子點(diǎn)應(yīng)用于多重防偽油墨的構(gòu)建中。但此法所用反應(yīng)物具有較大的毒性，且反應(yīng)時(shí)間較長。因此，開發(fā)快速、高效、綠色的制備方法合成具有獨(dú)特光致發(fā)光性能的納米材料，并將其應(yīng)用于水性熒光防偽墨水的研制具有重要意義。

本文發(fā)展了一種基于微波輻射快速制備硫、氮摻雜的碳量子點(diǎn)的方法。實(shí)驗(yàn)中以檸檬酸為碳源、N-乙酰半胱氨酸為氮源和硫源，通過微波輻射的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了摻雜碳量子點(diǎn)的綠色合成，產(chǎn)物具有良好的水溶性、分散性及強(qiáng)烈的熒光發(fā)射，有望用于新型熒光防偽墨水的構(gòu)建，并應(yīng)用于書寫、噴墨打印防偽字跡及精細(xì)防偽圖案的制作。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用的檸檬酸（C6H8O7·H2O，CA）、氫氧化鈉（NaOH）、磷酸二氫鈉（NaH2PO4·2H2O）、磷酸氫二鈉 （Na2HPO4·12H2O）均購自重慶川東化學(xué)試劑廠；N-乙酰半胱氨酸（C5H9NO3S，NAC，生化試劑）購于阿拉丁試劑。實(shí)驗(yàn)用水為超純水（18.2 MΩ），使用Milli-Q system (Millipore，Bedford，MA，USA)制備。實(shí)驗(yàn)中所用試劑除標(biāo)出的以外均為分析純，使用時(shí)未進(jìn)行任何純化處理。

實(shí)驗(yàn)中采用UV2450型紫外—可見分光光度計(jì)（Shimadzu Corporation，Japan）和Rf-6000PC型熒光光譜儀（Shimadzu Corporation，Japan）對產(chǎn)物的紫外光譜和熒光光譜進(jìn)行表征；采用Tecnai F-20 場發(fā)射透射電子顯微鏡（FEI Corporation，USA，加速電場200 kV）和Vario EL cube元素分析儀（Elementar，Germany）對產(chǎn)物的微觀形態(tài)和元素構(gòu)成進(jìn)行觀察和表征。此外，在樣品的制備和干燥過程中還使用了D8023CSL-K4 家用微波爐（Galanz，China），PHS-25型pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國），DZF-6050 型真空干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司，中國）。ZF5型手提式紫外分析儀（上海嘉鵬科技有限公司，中國）用于提供紫外激發(fā)光源（λ=365 nm）。此外，使用VSC8000文檢儀工作站（Foster & Freeman Ltd.，UK）對手寫字跡進(jìn)行觀察和拍照固定。

2.2 碳量子點(diǎn)的制備與表征

實(shí)驗(yàn)中分別以檸檬酸為碳源、N-乙酰半胱氨酸為氮源和硫源，通過微波輻射輔助加熱的方式制備了具有熒光發(fā)射的碳量子點(diǎn)納米材料。具體步驟如下：室溫下稱取2.000g 檸檬酸鈉和1.304g N-乙酰半胱氨酸于100mL 燒杯中，加入10.0mL超純水超聲溶解。隨后將上述澄清透明的混合溶液置于家用微波爐中，高火（800W）條件下微波輻射5min。反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物不再具有流動性，為焦糖色固體粘附在燒杯底部，并在365nm的紫外光激發(fā)下發(fā)射出明亮的熒光。待產(chǎn)物冷卻至室溫后，加少許超純水將產(chǎn)物完全溶解，用0.22μm微孔濾膜過濾后備用。

采用紫外—可見吸收光譜、熒光光譜分析方法對制備的碳量子點(diǎn)的光譜特性進(jìn)行檢測和表征。采用透射電子顯微鏡、元素分析儀對產(chǎn)物的微觀形貌和元素構(gòu)成進(jìn)行表征。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳量子點(diǎn)的合成與表征

合成過程中以水為介質(zhì)，以檸檬酸和N-乙酰半胱氨酸為反應(yīng)物，通過微波輻射輔助合成“一鍋法”制備具有熒光發(fā)射的硫、氮摻雜的碳量子點(diǎn)納米材料。為使產(chǎn)物具有高強(qiáng)度的熒光發(fā)射，實(shí)驗(yàn)中對反應(yīng)物濃度的比例、微波輻射加熱的時(shí)間等條件進(jìn)行了優(yōu)化，考察了上述反應(yīng)條件對產(chǎn)物熒光強(qiáng)度的影響情況。如圖1（a）所示，保持檸檬酸濃度不變，隨著N-乙酰半胱氨酸濃度不斷增加，即隨著N-乙酰半胱氨酸和檸檬酸摩爾濃度比例的增加，產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度迅速增加。當(dāng)N-乙酰半胱氨酸濃度為0.5～0.8mol/L時(shí)，產(chǎn)物熒光強(qiáng)度增加的速率降低。進(jìn)一步增加N-乙酰半胱氨酸濃度，反應(yīng)物難以完全溶解。因此，在隨后的實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)物摩爾濃度比例為[NAC]∶[CA]=1∶1.19。

圖1 N-乙酰半胱氨酸濃度（a）和微波時(shí)間（b）對產(chǎn)物熒光強(qiáng)度的影響

微波合成具有對反應(yīng)溶液加熱均勻、快速等特點(diǎn)，能使體系中的反應(yīng)位點(diǎn)產(chǎn)生局部高溫，有加快反應(yīng)速度的能力，可大幅節(jié)省反應(yīng)時(shí)間并提高反應(yīng)效率。此外，在微波輻射條件下還能選擇性地合成具有一定特殊形貌的納米材料[15-16]。因此，實(shí)驗(yàn)中對微波輻射的時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，考察了時(shí)間長短對產(chǎn)物熒光強(qiáng)度的影響情況。圖1（b）顯示了分別在1，2，5，7min連續(xù)微波輻射條件下，所制備碳納米材料的熒光強(qiáng)度。從圖中可以看出：在微波輻射時(shí)間較短（≤60sec）的條件下，反應(yīng)產(chǎn)物幾乎沒有熒光；隨著微波輻射時(shí)間的增加，產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度亦隨之增加；連續(xù)微波加熱5min，在354nm激發(fā)條件下，制備的碳量子點(diǎn)在437nm處獲得了最大發(fā)射；繼續(xù)增加微波輻射時(shí)間，產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度反而降低。其原因可能為：微波加熱的時(shí)間過長導(dǎo)致反應(yīng)的溫度較高，可能加快了碳納米材料生長速度，從而使生成的產(chǎn)物具有較大尺寸；同時(shí)較高的溫度可能改變了碳納米材料表面元素的氧化狀態(tài)，從而影響了產(chǎn)物的光譜特性。為了得到具有較強(qiáng)熒光發(fā)射的碳量子點(diǎn)，在后面的實(shí)驗(yàn)中微波輻射加熱的時(shí)間均為5min。

反應(yīng)結(jié)束后，無色透明的反應(yīng)溶液在微波輻射的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榻固巧腆w，并在紫外光（λ=365 nm）下發(fā)出強(qiáng)烈的熒光（如圖2（b）插入圖所示）。利用元素分析（EA）對制備的碳量子點(diǎn)的元素構(gòu)成及各自的相對含量（wt%）進(jìn)行測定，碳、氮、硫、氫、氧（計(jì)算值）的相對含量分別為：41.52%、4.83%、10.4%、4.2%、39.05%。其中，碳含量超過了前驅(qū)體檸檬酸的碳含量（理論值為34.26%），說明在微波反應(yīng)過程中前驅(qū)體發(fā)生了一定程度的碳化。氮、硫、氧等摻雜元素在碳量子點(diǎn)表面不同程度的氧化，為其表面帶來了豐富的官能團(tuán)，從而使其具有獨(dú)特的熒光發(fā)射。

圖2為產(chǎn)物的熒光光譜和紫外—可見吸收光譜圖。從圖2（a）中可以看出：反應(yīng)物在進(jìn)行微波輻射之前并無明顯的熒光發(fā)射；而經(jīng)微波輻射加熱之后，產(chǎn)物在354nm激發(fā)條件下有最大發(fā)射（λem=437nm），發(fā)射光譜具有較好的對稱性，且無顯著的激發(fā)光依賴。圖2（b）為制備的碳量子點(diǎn)的紫外—可見吸收光譜圖，產(chǎn)物在240nm和300～350nm范圍內(nèi)有明顯的吸收峰。

圖2 微波輻射前后反應(yīng)物的熒光發(fā)射光譜（a）和S,N-CDs的紫外光譜圖（b）

利用透射電子顯微鏡（TEM）對所合成的碳量子點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和表征，如圖3所示。從TEM圖中可以明顯看出，制備的碳量子點(diǎn)均為球形顆粒狀結(jié)構(gòu)，顆粒間具有良好的分散性，并未出現(xiàn)大范圍的團(tuán)聚現(xiàn)象，有利于使構(gòu)建的熒光防偽墨水具有良好的分散性和穩(wěn)定性。

圖3 制備的S, N-CDs的透射電鏡圖

實(shí)驗(yàn)中還對制備的硫、氮摻雜碳量子點(diǎn)在不同pH值條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了考察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在磷酸鹽緩沖液構(gòu)成的pH 6.0～10.0范圍的溶液中，該碳量子點(diǎn)能保持較好的穩(wěn)定性，其中，當(dāng)pH=8.0時(shí)，熒光強(qiáng)度最大。較寬的pH值耐受范圍有利于將該碳量子點(diǎn)溶液與其他物質(zhì)混合，構(gòu)建適用范圍較廣的防偽墨水。

3.2 碳量子點(diǎn)在防偽墨水中的應(yīng)用

制備的硫、氮摻雜碳量子點(diǎn)在紫外燈（λ=365 nm）的激發(fā)下具有強(qiáng)烈的熒光發(fā)射，且具有非常好的水溶性和分散性，以及良好的穩(wěn)定性，因此，可應(yīng)用于防偽墨水的構(gòu)建中。實(shí)驗(yàn)中以制備的硫、氮摻雜碳量子點(diǎn)溶液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的書寫墨水，通過鋼筆在不同類型和粗糙程度的紙張上書寫字跡。碳量子點(diǎn)水溶性良好，書寫過程中出墨流暢。由于溶液本身呈現(xiàn)出淡黃色，因此，淺藍(lán)色木漿紙和普通文印紙上的字跡在日光下勉強(qiáng)可見，而在牛皮紙上書寫的字跡在日光下幾乎不可見，如圖4所示，當(dāng)在紫外光（λ=365nm）照射條件下，上述幾種紙張上的手寫字跡均發(fā)射出明亮的藍(lán)色熒光，字跡清晰可見。將熒光成像的圖片進(jìn)行進(jìn)一步的處理之后，降低了背景熒光的干擾，增強(qiáng)了字跡和紙張背景之間的對比度，有利于實(shí)現(xiàn)對字跡筆畫的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行觀察，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)碳量子點(diǎn)在水中具有非常好的分散性和穩(wěn)定性，因此，可從圖4的手寫字跡中看出字跡的連筆、轉(zhuǎn)折、用筆的輕重等細(xì)節(jié)特征，以及起筆、收筆等書寫習(xí)慣。這一特性提示該碳量子點(diǎn)溶液有望用于精細(xì)防偽圖案的打印和制作。

4 結(jié)論

以檸檬酸和N-乙酰半胱氨酸為反應(yīng)物，采用微波輻射加熱合成了具有熒光的硫、氮摻雜的碳量子點(diǎn)。反應(yīng)過程操作簡單、高效快速、綠色無毒，產(chǎn)物具有良好的水溶性和分散性，在紫外光的激發(fā)下發(fā)射出強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光。與傳統(tǒng)的加熱方式相比，微波輻射的方法更為快速節(jié)能、操作更為簡便，具有較大的應(yīng)用前景?；谄洫?dú)特的熒光發(fā)光特性，制得的硫、氮摻雜的碳量子點(diǎn)被應(yīng)用于構(gòu)建水溶性熒光防偽墨水。與常用的有機(jī)熒光染料和稀土摻雜熒光染料相比，該碳量子點(diǎn)溶液具有合成過程簡單、快速、高效、無毒，制備及使用過程環(huán)境友好，熒光發(fā)射穩(wěn)定、強(qiáng)度高，水溶性好等特點(diǎn)，有望應(yīng)用于書寫墨水、噴墨打印墨水等熒光防偽墨水的研制。

圖4 以制備的S, N-CDs溶液作為防偽墨水在不同紙張上的手寫字跡圖像