檸檬酸催化木質(zhì)素基CQDs的制備及其應用

李瀟瀟，邱玉娟，馬曉軍，李冬娜，于麗麗

(天津科技大學輕工科學與工程學院，天津 300222)

碳量子點(CQDs)是碳材料中的一顆新星，它的直徑小于10 nm，形狀為準球形[1]。CQDs具有良好的水溶性、低細胞毒性、獨特的光致發(fā)光特性和易表面官能化等優(yōu)點。其中，CQDs獨特的光致發(fā)光特性使其在生物傳感[2]、離子檢測[3]、光電催化[4]和防偽[5]等領域中得到了廣泛應用，被認為是一種非常有前景的替代材料。

CQDs的前驅體種類豐富，如含碳小分子物質(zhì)、碳納米管和生物質(zhì)大分子資源[6-7]等。其中，木質(zhì)素是天然可再生、無毒、價廉且儲量豐富的生物質(zhì)資源。木質(zhì)素中含有較多的碳元素和豐富的芳香結構，可作為碳前驅體合成木質(zhì)素CQDs[8]。相較于傳統(tǒng)量子點，木質(zhì)素CQDs的熒光更加穩(wěn)定且具有優(yōu)異的生物相容性。除此之外，木質(zhì)素還可以有效減少CQDs的制備成本，同時實現(xiàn)廢棄物的高值化利用。酶解木質(zhì)素(EHL)作為酶解木質(zhì)生物質(zhì)制備能源酒精或生物天然氣的殘渣經(jīng)過比較溫和的工藝過程分離得到的廢棄物，其來源廣泛且附加值較低。相比造紙廢液木質(zhì)素等，EHL中保留了大量的酚羥基、醇羥基和羰基等活性官能團。因此，利用EHL制備CQDs可以賦予CQDs額外的抗紫外屏蔽和抗氧化等功能，實現(xiàn)CQDs的多功能化應用。但是，相較于使用檸檬酸[9]、氨基酸[10]、葡萄糖[11]等小分子物質(zhì)制備的CQDs，屬于大分子生物質(zhì)的木質(zhì)素，結構比較復雜，水熱能耗大，且制備的CQDs往往因熒光強度較弱、熒光效率和得率較低，限制了其規(guī)模化生產(chǎn)。因此，木質(zhì)素CQDs的發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。為提高木質(zhì)素基CQDs的熒光強度和熒光效率，目前大量研究采用強酸(如硝酸、硫酸等)、強堿(氫氧化鈉等)作為改性劑，提高其熒光性能，然而這些溶劑具有強腐蝕性，會對設備造成損壞，廢液回收困難且對環(huán)境造成二次污染。檸檬酸，作為有機酸中的強酸，其結構式中含有3個羧基，具有優(yōu)異的水溶性且對環(huán)境友好，無毒害。若用檸檬酸作為水熱反應中的催化劑，可為體系提供酸性環(huán)境，促進生物質(zhì)的水解，從而提高生物質(zhì)的水熱碳化程度。重要的是，檸檬酸可以在水熱體系中充當?shù)诙荚?，以實現(xiàn)利用雙碳源制備生物質(zhì)CQDs。

以廢棄的EHL為碳源，以檸檬酸為催化劑，通過綠色便捷的一步水熱技術合成木質(zhì)素基CQDs，并將制備的CQDs與聚乙烯醇混合，開發(fā)了一種新型的CQDs/聚乙烯醇(CQDs/PVA)納米復合材料，對復合材料的熒光性能、透明性、紫外屏蔽性和抗氧化性能進行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

EHL是橡膠木粉在纖維素酶的作用下水解后得到的殘渣，實驗室自制，使用前通過堿溶酸沉法進行提純；檸檬酸(CA)，購自南京創(chuàng)世化工助劑有限公司；聚乙烯醇(PVA)，購自浙江豐虹新材料股份有限公司；去離子水，實驗室自制。

DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海申賢恒溫設備廠)；SHB III型循環(huán)水式多用真空泵(天津科諾儀器設備有限公司)；Lab 1A 50E型真空冷凍干燥機(北京亞星儀科科技發(fā)展有限公司)；FEL Tecnai F20型透射電子顯微鏡(TEM，美國Thermo)；Nicolet iS5型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，美國Thermo)；ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜儀(XPS，美國Thermo)；UV-2700型紫外可見光分光光度計(UV-vis，日本島津)；D8型多功能X射線衍射儀(XRD，德國布魯克)；ZF-1A型紫外分析儀(濟南恒品機電技術有限公司)；F-7100型熒光分光光度計(PL，美國瓦里安)。

1.2 CQDs的制備

將不同質(zhì)量的檸檬酸(0，0.4，0.8和1.2 g)分別溶于20 mL的質(zhì)量濃度為50 mg/mL的EHL水溶液中，超聲30 min，攪拌均勻后將混合溶液轉移至100 mL反應釜容器中，在220 ℃的烘箱中反應12 h。等待反應釜內(nèi)溶液冷卻，使用0.22 μm的濾膜抽濾，以除去未反應的木質(zhì)素，將淺黃色的濾液轉移至截留分子量為500 Da的透析袋中，放入1 L的去離子水，每隔6 h換水，以除去未反應的小分子。透析完成后，在-20 ℃下冷凍12 h，再在冷凍干燥機(-60 ℃，20 MPa)里干燥72 h，獲得木質(zhì)素基CQDs粉末。根據(jù)檸檬酸的添加量不同分別標記為EHL CQDs、0.4CA-EHL CQDs、0.8CA-EHL CQDs、1.2CA-EHL CQDs和1.6CA-EHL CQDs。

1.3 CQDs/PVA熒光納米復合材料的制備

分別量取33 mL的去離子水、EHL CQDs、0.4CA-EHL CQDs和0.8CA-EHL CQDs溶液于4個燒杯中，之后加入2.5 g PVA。使用玻璃棒攪拌均勻后放在90 ℃的水浴鍋中磁力攪拌2 h。關閉磁力攪拌，保溫消泡30 min后取出溶液，并緩慢倒在尺寸為200 mm×200 mm(長×寬)的潔凈玻璃板上。自然干燥一段時間后揭膜，獲得不同的CQDs/PVA納米復合薄膜，放入干燥器里備用。分別對應于純PVA、EHL CQDs/PVA、0.4CA-EHL CQDs/PVA和0.8CA-EHL CQDs/PVA納米復合材料。

1.4 CQDs的表征

通過TEM觀察CQDs的表面形貌和尺寸分布，XRD、FT-IR和XPS分析CQDs的化學結構、元素組成和元素含量，PL測量CQDs水溶液的熒光強度，UV-vis測量CQDs水溶液在不同波長下的吸光值。CQDs的熒光效率(Y)是用硫酸奎寧作為參考計算的。具體計算公式如下：

(1)

式中：Y、A、I和η分別為熒光效率(%)、合適激發(fā)波長下的吸光度、發(fā)射光譜強度和水溶液的折射率。其中x為待測樣品。選擇溶解在0.1 mol/L H2SO4(Yre=54%，ηre=1.33)中的硫酸奎寧作為參考。為保證實驗數(shù)據(jù)具有真實可靠性，在激發(fā)波長處保持吸光值<0.1。

1.5 CQDs/PVA納米復合材料的性能測試

使用型號為UV-2007的紫外可見光分光光度計表征復合材料的紫外線透過率。根據(jù)1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基清除方法[12]評估復合材料的抗氧化能力。具體操作：將0.5 g復合材料切成小碎片溶解于10 mL甲醇溶液中，室溫下浸泡24 h；然后取2 mL上清液和2.5 mL DPPH甲醇溶液(40 mg/L)混合均勻，避光保存1 h；記錄不同混合溶液在517 nm處的吸光度值。CQDs/PVA納米復合材料的DPPH自由基清除率(RSA)公式如下：

(2)

式中：Ac為DPPH甲醇水溶液的紫外吸光度；As為復合材料/DPPH混合溶液的紫外吸光度。

2 結果與分析

2.1 EHL的紅外光譜

酶解殘渣成分包含綜纖維素和木質(zhì)素。實驗中通過堿溶酸沉法提純EHL殘渣，以去除殘渣中的綜纖維素，獲得純木質(zhì)素。酶解木質(zhì)素提純前后的FT-IR見圖1。3 424 cm-1處的寬峰是O—H的拉伸振動引起的，表明EHL中存在大量羥基。2 933 cm-1處的吸收峰反映了甲基、亞甲基的拉伸振動；1 031 cm-1處為二烷基醚鍵的特征吸收峰，說明提純后的木質(zhì)素仍然保留較多醚鍵結構。然而，提純后的EHL在1 703 cm-1處出現(xiàn)了強的共軛、非共軛羰基吸收帶，說明提純后的酶解木質(zhì)素中保留了更多酯鍵結構。提純后的酶解木質(zhì)素保存了更多木質(zhì)素的官能團。

圖1 酶解木質(zhì)素的FT-IR圖Fig. 1 FT-IR spectrum of enzymatically hydrolyzed lignin

2.2 檸檬酸的添加量對CQDs熒光強度的影響

不同質(zhì)量檸檬酸催化木質(zhì)素制備的CA-EHL CQDs的熒光強度變化及其水熱殘渣的SEM分析見圖2。由圖2a可知，幾種碳量子點的熒光強度符合CA CQDs1.2CA-EHL CQDs(4.7%)>0.4CA-EHL CQDs(4.5%)>EHL CQDs(0.8%)的順序，與對應CQDs熒光強度的變化保持一致。其中，0.8CA-EHL CQDs的熒光效率從0.8%提高到5.0%。水熱殘渣的SEM圖(圖2b)表明木質(zhì)素在檸檬酸的催化下，通過12 h的水熱反應后，木質(zhì)素結構破碎，表面產(chǎn)生部分孔和碎片。0.8CA-EHL CQDs水熱殘渣的結構塌陷更加嚴重，碎片多且小。這說明一定的檸檬酸可以催化木質(zhì)素，促進木質(zhì)素水解，導致水熱反應更劇烈，木質(zhì)素碳化程度增加。SEM分析結果與熒光強度和熒光效率測試數(shù)據(jù)一致，檸檬酸可有效催化木質(zhì)素以提高木質(zhì)素基CQDs的熒光性能，0.8CA-EHL CQDs顯示更大的熒光強度和熒光效率值。

圖2 不同質(zhì)量檸檬酸制備CA-EHL CQDs的熒光強度和水熱殘渣的SEM分析Fig. 2 Fluorescence intensities and SEM analysis of hydrothermal residues of CA-EHL CQDs prepared with different qualities of citric acid

a，b) TEM; c) XRD; d) FT-IR。圖3 EHL CQDs和CA-EHL CQDs的TEM圖，XRD圖和FT-IR圖Fig. 3 TEM image, XRD and FT-IR spectrums of EHL CQDs and CA-EHL CQDs

2.3 CQDs的結構表征

2.4 CQDs的XPS分析

a) XPS寬掃描全譜圖；b) C1s高分辨圖譜; c) O1s高分辨圖譜。圖4 EHL CQDs和CA-EHL CQDs的高分辨率XPS譜圖Fig. 4 XPS spectra of EHL CQDs and CA-EHL CQDs

2.5 CQDs的光學性能分析

綜上，本研究方法制備的CA-EHL CQDs具有優(yōu)異的光致發(fā)光特性。

a) 紫外可見吸收光譜和熒光光譜; b) 發(fā)射光譜; c) 不同pH對熒光強度的影響; d) 不同紫外照射時間對熒光強度的影響。注：a插圖是CQDs水溶液在日光(左)和365 nm紫外燈下(右)的對比圖。圖5 CA-EHL CQDs水溶液的紫外可見吸收光譜、熒光光譜、發(fā)射光譜以及在不同pH溶液和不同時間紫外燈照射下的熒光強度變化Fig. 5 UV-vis absorption and fluorescence spectra, emission spectra at different excitation wavelengths, solutions at different pH and after irradiation under a 365 nm UV lamp for a period of time fluorescence intensity changes of CA-EHL CQDs aqueous solutions

2.6 CQDs/PVA納米復合材料的光學性能分析

CQDs/PVA復合材料在365 nm紫外燈照射下，純PVA膜透明無熒光，而CQDs/PVA復合材料表現(xiàn)出強熒光性(圖6a)。利用CQDs的光致發(fā)光特性可以制備熒光納米復合材料，有望應用于防偽包裝領域。進一步研究了純PVA膜和CQDs/PVA熒光納米復合材料的透明性、紫外線屏蔽能力和抗氧化性。由圖6b可知，在550 nm下，純PVA膜的光透過率達到90%，而 0.8CA-EHL CQDs/PVA納米復合材料的光透過率能達到87%，0.4CA-EHL CQDs/PVA納米復合材料的光透過率也達到83%，說明本研究開發(fā)的熒光納米復合材料具有優(yōu)異的透明度。一般來說，紫外線波長對塑料制品造成損害的范圍在275～400 nm。因此，抗紫外線強度的測量主要在UVA(400～320 nm)、UVB(320～275 nm)和UVC(275～200 nm)[16-17]。由圖6c可知，純PVA膜的紫外透過率可達90%，無阻隔紫外能力。而CQDs/PVA納米復合材料幾乎完全屏蔽了UVC、UVB和大部分的UVA，表現(xiàn)出優(yōu)異的紫外線屏蔽性能。根據(jù)復合材料對DPPH自由基的清除率表征其抗氧化能力，如圖6d所示。不同CQDs/PVA熒光納米復合材料的DPPH自由基清除率依次為41.8%，69.2%，90.2%和91.2%。純PVA膜對DPPH自由基的清除率很低，而CQDs/PVA復合材料則明顯提高。其中0.8CA-EHL CQDs/PVA復合材料對自由基清除效果最好。綜上，本研究制備了一種具有優(yōu)異熒光性、透明性、紫外線屏蔽性和強抗氧化性的CQDs/PVA納米復合材料，為木質(zhì)素基CQDs在包裝領域的應用提供思路。同時,復合材料的開發(fā)豐富了PVA膜功能，從而拓寬了PVA膜的應用范圍。

a) CQDs/PVA復合材料在365 nm紫外燈照射下的照片; b,c) 紫外-可見光透射曲線圖; d) DPPH自由基清除率圖。注：b插圖為復合材料在日光下的效果；A～D分別代表PVA、EHL CQDs/PVA、0.4CA-EHL CQDs/PVA、0.8CA-EHL CQDs/PVA。圖6 納米復合材料在365 nm紫外燈下的數(shù)碼照片、紫外-可見光透射曲線和DPPH自由基清除率曲線Fig. 6 The digital photos in 365 nm UV light, UV-vis transmittance curves and DPPH free radical scavenging rate curves of nanocomposites

3 結 論

以廢棄的酶解木質(zhì)素為碳源，通過在水熱體系中添加有機酸作催化劑，以提高其CQDs的熒光強度，進一步制備了CQDs/PVA復合材料。具體結論如下：

1)木質(zhì)素在檸檬酸的催化下，獲得了高熒光性能的CA-EHL CQDs。其中0.8CA-EHL CQDs的水熱反應強烈，碳化程度高，熒光性能最優(yōu)異。與EHL CQDs相比，0.8CA-EHL CQDs的熒光強度是EHL CQDs的6.1倍，熒光效率從0.8%提高到5.0%。

2)透射電鏡和X射線衍射數(shù)據(jù)表明CA-EHL CQDs具有高度結晶化結構且平均粒徑為2.4 nm。紅外光譜和X射線能譜數(shù)據(jù)分析CQDs表面富含羥基和羧基官能團，具有優(yōu)異的水溶性。此外，豐富的氧基官能團增加了CQDs表面的缺陷程度，熒光性能也因此而增強。

3)紫外可見吸收光譜和熒光光譜分析CQDs的最佳激發(fā)波長為365 nm，最佳發(fā)射波長為449 nm。CQDs水溶液在365 nm的紫外燈下呈現(xiàn)明亮的藍色熒光。

4)CQDs良好的水溶性，使其在PVA中有更好的相容性，從而更大程度上保留了CQDs的光致發(fā)光特性，進而賦予了CQDs/PVA納米復合材料優(yōu)異的熒光性能、紫外線屏蔽性能和抗氧化性能，為木質(zhì)素基CQDs的功能化應用提供借鑒。