熒光碳點(diǎn)的制備及其熒光特性的研究和應(yīng)用

楊雅儒，陸灃，胡敏，吳宥伸，向丹，高培紅，張?chǎng)?/p>

西安交通大學(xué)化學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，西安 710049

無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課程。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證和制備實(shí)驗(yàn)為主，內(nèi)容較為陳舊，與當(dāng)今科技的迅速發(fā)展不相匹配。故我校近兩年正著手推進(jìn)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的改革，即以科學(xué)性為基礎(chǔ)，將涉及科技前沿的材料納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性、實(shí)用性和時(shí)代感，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增強(qiáng)專(zhuān)業(yè)技能，了解科技前沿，全身心地融入到實(shí)驗(yàn)中。

多色熒光碳量子點(diǎn)作為近幾年新興的熒光材料，具有綠色環(huán)保、發(fā)光性能好、制備簡(jiǎn)單易操作等特點(diǎn)，現(xiàn)有的熒光碳點(diǎn)制備方法主要分為兩大類(lèi)，即以電解、刻蝕石墨烯等大分子的“自上而下”法和以有機(jī)小分子為前驅(qū)體的“自下而上”法，其中應(yīng)用較多的為“自下而上”法，如基于碳點(diǎn)的發(fā)光特性將其應(yīng)用于生物體系的檢測(cè)和成像[1]，或是熒光防偽[2]?！盁晒馓键c(diǎn)的制備及其熒光特性”綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，可以幫助學(xué)生理解光致發(fā)光理論，掌握電熱恒溫干燥箱、真空干燥箱、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、熒光分光光度計(jì)以及origin數(shù)據(jù)軟件的使用方法，實(shí)驗(yàn)最后設(shè)計(jì)了熒光碳點(diǎn)應(yīng)用于防偽墨水這一項(xiàng)內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)以致用，強(qiáng)化在科研實(shí)踐中根據(jù)材料特點(diǎn)設(shè)計(jì)運(yùn)用到各種不同生產(chǎn)實(shí)踐場(chǎng)景的意識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)和專(zhuān)業(yè)報(bào)國(guó)情懷。熒光碳點(diǎn)的制備及熒光特性表征實(shí)驗(yàn)已在我校2018和2019級(jí)化學(xué)、宗濂等專(zhuān)業(yè)學(xué)生中開(kāi)設(shè)，受到學(xué)生的一致好評(píng)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 掌握“自下而上”法制備熒光碳點(diǎn)，理解熒光的產(chǎn)生機(jī)制；

(2) 熟練掌握熒光分光光度計(jì)的使用方法和相對(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)定方法；

(3) 探索熒光激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜的關(guān)系，以及溶液濃度和pH對(duì)熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響；

(4) 掌握采用origin數(shù)據(jù)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖分析。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 熒光碳點(diǎn)的制備

熒光碳材料是一種典型的無(wú)機(jī)熒光納米材料，為目前熱點(diǎn)研究的功能納米材料之一。熒光碳點(diǎn)指的是一種尺寸小于10 nm的零維納米材料，其中碳元素采用sp2雜化，并可進(jìn)行N、P、O、S等元素的摻雜。通過(guò)調(diào)節(jié)熒光碳點(diǎn)的尺寸大小、元素組成和表面結(jié)構(gòu)，可制備出不同發(fā)光特性的熒光碳點(diǎn)。熒光碳點(diǎn)的制備分為“自上而下”法和“自下而上”法?！白陨隙隆狈ㄊ侵赣秒娊狻⒓す饪涛g等方法，將塊狀石墨粉碎成納米尺寸的熒光碳點(diǎn)，“自下而上”法是指以有機(jī)物為前驅(qū)體，在高溫條件下合成熒光碳點(diǎn)。相較于“自上而下”的合成方法，“自下而上”法具有簡(jiǎn)單、快捷、產(chǎn)率高的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于本科生實(shí)驗(yàn)，可重復(fù)性強(qiáng)、成功率高，故本實(shí)驗(yàn)采用“自下而上”法，即以有機(jī)物檸檬酸、檸檬酸銨、尿素和多乙烯多胺作為前驅(qū)體，分別制備藍(lán)色熒光碳點(diǎn)(BC-dot)和氮摻雜的綠色熒光碳點(diǎn)(GC-dot)，如圖1所示[3]。

圖1 熒光碳點(diǎn)的固相合成(改編自Inorg. Chem出版社) [3]

2.2 碳點(diǎn)熒光發(fā)射原理

碳點(diǎn)發(fā)射的熒光屬于光致發(fā)光，它的發(fā)光過(guò)程為吸收光和發(fā)射光兩個(gè)過(guò)程，如圖2所示，物質(zhì)在吸收激發(fā)光后，電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，通過(guò)振動(dòng)弛豫和內(nèi)轉(zhuǎn)移，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍遷回第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)后，電子由第一激發(fā)單重態(tài)躍遷回基態(tài)，同時(shí)發(fā)出熒光，熒光的壽命為10?7–10?8s，這兩個(gè)過(guò)程分別對(duì)應(yīng)熒光物質(zhì)的熒光激發(fā)、發(fā)射光譜[4]，其中最大發(fā)射和激發(fā)峰之差為Stokes位移。由于電子在由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)，有部分能量損失，故而發(fā)射光的能量小于激發(fā)光的能量，即λem>λex。同時(shí)，物質(zhì)熒光強(qiáng)度與物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)、濃度、外部溶劑、pH等因素有關(guān)。在本實(shí)驗(yàn)中將進(jìn)一步考察濃度、溶劑和pH對(duì)物質(zhì)熒光強(qiáng)度的影響。

圖2 熒光碳點(diǎn)的發(fā)光原理(改編自ACS Nano出版社) [4]

2.3 熒光量子產(chǎn)率

熒光量子產(chǎn)率是表示物質(zhì)發(fā)射熒光的能力的一個(gè)基本參數(shù)，指的是熒光物質(zhì)吸光后所發(fā)射的熒光的光子數(shù)與吸收的激發(fā)光的光子數(shù)的比值，可采用絕對(duì)法和相對(duì)法測(cè)定，用Yf表示：

本實(shí)驗(yàn)采用相對(duì)法測(cè)定熒光碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率，即以羅丹明6G(R6G)的乙醇溶液作為本實(shí)驗(yàn)的參比物質(zhì)。通過(guò)比較熒光碳點(diǎn)溶液和R6G的乙醇溶液在同樣測(cè)試條件下所測(cè)得的積分熒光面積和對(duì)該激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的吸光度，測(cè)量熒光碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率，用Yu表示：

其中，F(xiàn)u、Au、nu分別表示熒光碳點(diǎn)的積分熒光強(qiáng)度、吸光度和溶劑的折射率；Ys、Fs、As、ns分別表示R6G乙醇溶液的熒光量子產(chǎn)率、積分熒光面積、吸光度和溶劑的折光率[5]。

3 試劑和儀器

3.1 試劑

多乙烯多胺(275MW)、尿素(AR)、檸檬酸(AR)、檸檬酸銨(AR)、羅丹明6G(AR)、pH為4–10的緩沖溶液、無(wú)水乙醇、去離子水、聚乙烯醇(PVA)。

3.2 儀器

研缽、坩堝、坩堝鉗、燒杯、玻璃棒、電熱恒溫干燥箱、真空干燥箱、離心機(jī)、石英比色皿、F-2700型熒光分光光度計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 熒光碳點(diǎn)的制備

(1) 分別稱(chēng)取0.2 g檸檬酸銨和0.2 g尿素，用研缽充分研磨，將研磨后的粉末轉(zhuǎn)移至坩堝中，在200 °C下反應(yīng)1 h，將反應(yīng)后的產(chǎn)物溶于50 mL去離子水中，離心(12000 rpm，20 min)，即可得到GC-dot溶液，凍干備用。

(2) 稱(chēng)取1.25 g檸檬酸，量取0.5 mL多乙烯多胺和10 mL去離子水于坩堝中，攪拌使其混合均勻，在200 °C下加熱1 h，將產(chǎn)物溶于水，再經(jīng)過(guò)離心(12000 rpm，20 min)，即可得到BC-dot溶液，凍干備用。

4.2 熒光光譜的測(cè)定及熒光量子產(chǎn)率的測(cè)定

4.2.1 熒光激發(fā)與熒光發(fā)射光譜

(1) 選擇450 nm左右的光為激發(fā)光，測(cè)定470–670 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的稀釋100倍的GC-dot溶液熒光發(fā)射光譜，選擇最大發(fā)射波長(zhǎng)λem為發(fā)射光，測(cè)定300–550 nm范圍內(nèi)的熒光激發(fā)光譜，在最大激發(fā)波長(zhǎng)λex處，GC-dot溶液有最大熒光激發(fā)強(qiáng)度，并在此最大激發(fā)波長(zhǎng)λex下，掃描熒光發(fā)射光譜，此時(shí)在最大發(fā)射波長(zhǎng)處碳點(diǎn)溶液的熒光發(fā)射強(qiáng)度最大。

(2) BC-dot的熒光激發(fā)光譜與熒光發(fā)射光譜的測(cè)定同理，不同之處在于初始激發(fā)光為380 nm左右，熒光發(fā)射光譜的測(cè)定范圍為400–650 nm，熒光激發(fā)光譜的測(cè)定范圍為300–450 nm。

4.2.2 相對(duì)熒光量子產(chǎn)率的測(cè)定

(1) 配制濃度約為5 × 10?6mol·L?1R6G乙醇溶液，測(cè)定其在405 nm波長(zhǎng)處的吸光度。用去離子水稀釋碳點(diǎn)溶液，使其分別在405 nm波長(zhǎng)處具有與R6G乙醇溶液近似的吸光度。

(2) 在405 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，分別測(cè)定R6G乙醇溶液、稀釋后的GC-dot溶液、稀釋后的BC-dot溶液和稀釋后的RC-dot溶液在415–700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的熒光發(fā)射強(qiáng)度，繪制成曲線(xiàn)，計(jì)算相應(yīng)的積分熒光強(qiáng)度，將其值帶入式(2)中計(jì)算。

4.3 熒光發(fā)射強(qiáng)度熒光強(qiáng)度的影響因素

4.3.1 熒光發(fā)射強(qiáng)度與濃度的關(guān)系

配制不同濃度的碳點(diǎn)溶液測(cè)量其熒光激發(fā)和發(fā)射光譜并采用origin軟件繪制光譜圖和根據(jù)最大熒光發(fā)射強(qiáng)度與碳點(diǎn)溶液的濃度關(guān)系圖。

4.3.2 熒光發(fā)射強(qiáng)度與溶液pH的關(guān)系

以最大吸收波長(zhǎng)λm為激發(fā)波長(zhǎng)，測(cè)定碳點(diǎn)溶液在pH為4.72、5.48,、6.44、7.69、9.59下的熒光強(qiáng)度。

4.3.3 熒光發(fā)射強(qiáng)度與溶劑的關(guān)系

分別配置體積分?jǐn)?shù)為0%，20%，40%，60%，80%和100%的水的乙醇溶液，觀察同濃度的碳點(diǎn)在不同溶劑中的熒光發(fā)光情況并測(cè)定熒光強(qiáng)度。

4.4 熒光墨水的配制

分別計(jì)算BC-dot溶液和GC-dot溶液的濃度，將其稀釋為3 mg·mL?1的溶液。

分別取1.5 mL碳點(diǎn)溶液、1 mL無(wú)水乙醇和7.5 mL PVA水溶液(200 mg·mL?1)，充分?jǐn)嚢?，使其混合均勻，即得藍(lán)色熒光墨水和綠色熒光墨水[6]。

5 結(jié)果與討論

5.1 熒光碳點(diǎn)的熒光激發(fā)光譜與熒光發(fā)射光譜

本實(shí)驗(yàn)制備所得的熒光碳點(diǎn)分別是GC-dot和BC-dot，如圖3所示(學(xué)生作品展示)，其中熒光峰值位于400–500 nm的熒光碳點(diǎn)發(fā)藍(lán)光，熒光峰值位于500–540 nm的熒光碳點(diǎn)發(fā)綠光。

圖3 紫外光照射下的綠色碳點(diǎn)溶液和藍(lán)色碳點(diǎn)溶液

如圖4所示，GC-dot和BC-dot最大發(fā)射波長(zhǎng)λem都相對(duì)于最大激發(fā)波長(zhǎng)λex發(fā)生了紅移，即λem>λex，如圖4a中，Δλ= 103 nm，圖4b中，Δλ= 84 nm，即GC-dot和BC-dot的Stokes位移分別為103 nm和84 nm。

圖4 綠色碳點(diǎn)溶液(a)和藍(lán)色碳點(diǎn)溶液(b)的熒光激發(fā)光譜與熒光發(fā)射光譜的關(guān)系

5.2 熒光量子產(chǎn)率的測(cè)定

采用相對(duì)測(cè)量法測(cè)定熒光量子產(chǎn)率時(shí)，要在測(cè)定熒光發(fā)射光譜前將待測(cè)溶液的吸光度調(diào)整到和R6G乙醇溶液的吸光度一致，公式變?yōu)椋?/p>

利用origin軟件對(duì)各熒光發(fā)射光譜(圖5)進(jìn)行積分運(yùn)算和查表，可得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

圖5 相對(duì)熒光量子產(chǎn)率

表1 熒光量子產(chǎn)率的計(jì)算

由表1可知，GC-dot與BC-dot的熒光量子產(chǎn)率分別為0.51與0.50，文獻(xiàn)報(bào)道的GC-dot水溶液的熒光量子產(chǎn)率為0.13[3]。

應(yīng)當(dāng)指出的是相對(duì)法測(cè)定熒光量子產(chǎn)率時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)物的選擇、純度、濃度對(duì)結(jié)果影響較大。

5.3 熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響因素

5.3.1 熒光發(fā)射強(qiáng)度與溶液濃度的關(guān)系

由熒光定量關(guān)系式Beer-Lambert定律[8]：

當(dāng)abc非常小時(shí)(<< 0.05)，e?abc≈ 1 ? abc，

其中，b為液池厚度，I0為入射光強(qiáng)，c為待測(cè)液的濃度。

如圖6所示，在一定濃度范圍內(nèi)，熒光發(fā)射強(qiáng)度If隨著c的增大而增強(qiáng)，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)大于0.99，呈良好線(xiàn)性關(guān)系。

圖6 GC-dot溶液和BC-dot溶液熒光強(qiáng)度與濃度的關(guān)系圖

5.3.2 熒光發(fā)射強(qiáng)度與溶液pH的關(guān)系

如圖7所示，BC-dot和GC-dot在不同pH溶液中的發(fā)光強(qiáng)度不同。其中BC-dot在中性和弱酸性溶液中的發(fā)光強(qiáng)度較大，而在弱堿性溶液中的發(fā)光強(qiáng)度明顯減小，相較于pH為中性的溶液中減小了15%，而GC-dot在不同緩沖溶液中的發(fā)光現(xiàn)象恰好與BC-dot相反，可能是BC-dot與GC-dot表面的官能團(tuán)不同，因而酸堿度會(huì)對(duì)其發(fā)光產(chǎn)生影響。

圖7 熒光發(fā)射強(qiáng)度與溶液pH的關(guān)系

5.3.3 熒光發(fā)射強(qiáng)度與溶劑的關(guān)系

由圖8可以觀察到，GC-dot的熒光發(fā)射強(qiáng)度基本隨乙醇濃度的增加而增大，其相對(duì)熒光發(fā)射強(qiáng)度由1增加到2.16，BC-dot的熒光發(fā)射強(qiáng)度則與之相反，當(dāng)溶劑為無(wú)水乙醇時(shí)，其相對(duì)熒光發(fā)射強(qiáng)度降至0.59，可以解釋為乙醇的―OH會(huì)破壞BC-dot的分子結(jié)構(gòu)，使其猝滅，亦或是溶液極性的改變會(huì)使碳點(diǎn)分子的結(jié)構(gòu)改變，從而影響其熒光發(fā)射強(qiáng)度。

圖8 熒光發(fā)射強(qiáng)度與溶劑的關(guān)系

5.4 熒光墨水的防偽應(yīng)用

用鋼筆吸取少量熒光墨水，即可進(jìn)行圖案設(shè)計(jì)，學(xué)生可自由發(fā)揮。

圖9依次是用熒光墨水在牛皮紙、木頭、塑料和玻璃上進(jìn)行書(shū)寫(xiě)的效果圖，可以觀察到，在無(wú)紫外線(xiàn)照射時(shí)，各個(gè)材料上均無(wú)明顯的書(shū)寫(xiě)印記，但字跡處于紫外燈的照射下時(shí)，會(huì)發(fā)出明顯的熒光，證明所得熒光墨水可用于不同材質(zhì)體系的防偽。

圖9 不同材質(zhì)表面的熒光防偽

6 注意事項(xiàng)及教學(xué)建議

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，須注意：在制備熒光碳點(diǎn)時(shí)，不同組坩堝務(wù)必標(biāo)記，避免混淆；同時(shí)由于反應(yīng)溫度高達(dá)200 °C，故待樣品冷卻后取出樣品以避免燙傷；本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物多乙烯多胺為強(qiáng)堿性，具有一定腐蝕性，使用時(shí)注意防護(hù)；熒光測(cè)試時(shí)使用四通石英比色皿。

本實(shí)驗(yàn)涉及固相合成制備技術(shù)，發(fā)光原理、發(fā)光性能參數(shù)測(cè)定及應(yīng)用拓展環(huán)節(jié)，同時(shí)配有數(shù)據(jù)處理軟件origin的使用教學(xué)視頻輔助學(xué)生完成數(shù)據(jù)處理，建議以綜合實(shí)驗(yàn)在修完無(wú)機(jī)化學(xué)和儀器分析課程的本科二年級(jí)學(xué)生中開(kāi)設(shè)，總學(xué)時(shí)8課時(shí)，合成及后處理2課時(shí)，發(fā)光性能測(cè)試、數(shù)據(jù)處理4課時(shí)，防偽應(yīng)用拓展1課時(shí)，討論1課時(shí)。在西安交通大學(xué)運(yùn)行時(shí)采用兩人一組、8人一大組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)班最多32人，每年度4個(gè)實(shí)驗(yàn)班，為化學(xué)和宗濂專(zhuān)業(yè)的學(xué)生。本實(shí)驗(yàn)的碳點(diǎn)屬于目前科研熱點(diǎn)之一，且其發(fā)光特性明顯，通過(guò)肉眼觀察和光譜數(shù)據(jù)測(cè)定，學(xué)生將對(duì)光致發(fā)光有一個(gè)感性和理性的認(rèn)知，同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)也可激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，其中的應(yīng)用環(huán)節(jié)有利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和專(zhuān)業(yè)報(bào)國(guó)意識(shí)的培養(yǎng)。

7 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)采用自下而上的方法制備熒光碳量子點(diǎn)，然后對(duì)其發(fā)光特性進(jìn)行表征及應(yīng)用。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅能夠提高自己的實(shí)驗(yàn)操作技能，而且可以熟練掌握無(wú)機(jī)納米材料制備的常用方法，同時(shí)學(xué)習(xí)電熱恒溫干燥箱、真空干燥箱、熒光分光光度計(jì)的使用方法，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理軟件origin以提高數(shù)據(jù)處理的能力。

學(xué)生可通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)探索熒光激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜的關(guān)系、熒光發(fā)射強(qiáng)度與溶液濃度和pH的關(guān)系，深入理解Stokes位移、熒光量子產(chǎn)率等相關(guān)概念。本實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)藥品毒性小、對(duì)環(huán)境友好，符合綠色化學(xué)的原則。熒光本身所具有的特殊色彩和本實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的趣味性將激發(fā)學(xué)生深入探索熒光的發(fā)光機(jī)制、影響熒光發(fā)光的因素等與熒光相關(guān)的知識(shí)，熒光墨水的應(yīng)用可引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，激發(fā)其創(chuàng)新思維與科技強(qiáng)國(guó)的情懷。