共軛尺寸和表面氧化協(xié)同觸發(fā)的紅色熒光碳點用于有機溶劑中痕量水的檢測

符芳媚， 徐夢如， 梁梓珊， 黃斯銳， 李 暉， 張浩然，2，李 唯，2， 鄭明濤，2， 雷炳富，2

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院, 生物基材料與能源教育部重點實驗室/廣東省光學農(nóng)業(yè)工程技術研究中心, 廣州 510642；2. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術廣東省實驗室茂名分中心, 茂名 525000）

碳點（CDs）是一種新型零維碳基納米材料. 經(jīng)過近幾年的高速發(fā)展， CDs越來越多的優(yōu)點被發(fā)掘，如量子產(chǎn)率（QY）高［1］、 生物相容性好［2］、 表面易修飾［3］、 合成簡單和成本低等， 使CDs備受關注， 已被應用在生物成像［4］、 傳感［5］、 發(fā)光二極管［6，7］、 光催化［8］和農(nóng)業(yè)［9］等領域. 早期合成的CDs的熒光以短波長發(fā)射（藍色和綠色）為主， 量子效率最高可達99%［10］. 但是單一的短波長發(fā)射不能滿足碳點在光電器件、 生物成像和傳感等方向的進一步發(fā)展［11，12］. 設計合成長波發(fā)射乃至全光譜發(fā)光的CDs是該領域的熱點和難點. 因此， 研究人員致力于從前驅體、 原子摻雜（N， S）［13］、 反應條件［14］及pH值［15］等方面控制CDs從短波到長波的發(fā)射， 并取得了階段性的成果.

苯二胺是目前報道最多的前體之一， Jiang等［16］用苯二胺的3種異構體合成了藍色、 綠色和紅色熒光CDs， 并將CDs熒光的差異歸因于粒徑和氮含量的不同. Gao等［17］以鄰苯二胺（o-PDA）為前驅體，DMF為溶劑合成了綠色熒光CDs. 在此基礎上， 通過S摻雜得到黃色CDs， 再通過水工程增加表面氧化程度制備了紅色CDs. 酸性試劑通過提供雜原子、 調(diào)控pH值、 促進脫水和增強氧化等， 在調(diào)控CDs熒光方面具有獨特的作用［18］. Wang等［19］利用酸工程合成全光譜熒光CDs， 由酸性試劑提供的吸電子基團促進了CDs熒光紅移. Dai等［15］將反應體系的pH值從堿性調(diào)節(jié)到酸性， 制備出紫色、 綠色和橙色3種熒光的CDs， 證明酸性條件下可以生成更大的π共軛域和更多的石墨氮. 雖然已有研究已經(jīng)關注到pH值對CDs熒光的影響， 但是該策略是否具有普適性還需要進一步驗證， 不同CDs結構與熒光性能之間的構效關系還有待闡明.

有機溶劑中殘留的痕量水對水敏感的化學反應的效率、 產(chǎn)率和催化性能都有重大影響［20，21］. 因此， 對有機溶劑中痕量水的快速靈敏檢測能保證化學反應安全正常地進行. 盡管目前已有滴定法和色譜法等方法能夠分析痕量水［22］， 但是這些方法需要昂貴的儀器和復雜的實驗操作， 相比之下簡單方便的熒光檢測更受青睞［23］. 以苯二胺為前體合成的CDs的熒光大多具有溶劑依賴特性［24，25］， 這與其含氮熒光團和苯環(huán)的結構有關. 另外， 還與CDs表面易修飾相關， 合成過程中容易在CDs表面帶上吸電子基團（如C=O等）， 最終形成由電子受體（Electron acceptor， 吸電子基團如羧基）、π共軛域（sp2共軛結構的碳核）和電子供體（Electron donor， 供電子基團如氨基）三者構成的A-π-D結構， 導致分子內(nèi)電荷轉移效應（ICT）， 從而使CDs熒光對環(huán)境的極性敏感， 最終出現(xiàn)溶劑依賴發(fā)光的現(xiàn)象［26，27］. 這類碳點在有機溶劑痕量水的檢測方面極具潛力.

本文以鄰苯二胺和鹽酸多巴胺為前體， 合成過程中利用磷酸調(diào)節(jié)反應體系的pH值（pH=7， 3， 1），制得了熒光逐漸紅移的CDs， 即CDs-7（綠光）、 CDs-3（橙光）和CDs-1（紅光）. 表征結果表明， 隨著反應體系酸性的增強， CDs的sp2共軛尺寸和石墨化程度不斷增加， 這是導致CDs熒光紅移的主要原因. 另外， 酸性環(huán)境有利于CDs表面氧化形成羧基， 進一步促進CDs熒光紅移并提高了量子效率. 進一步發(fā)現(xiàn)， 利用CDs-1優(yōu)異的QY和獨特的A-π-D結構， 可實現(xiàn)其在不同極性環(huán)境中熒光變化的可視化， 進而實現(xiàn)有機溶劑中含水量的快速、 簡便檢測.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鄰苯二胺（A. R.級， 純度99%）、 鹽酸多巴胺（A. R.級， 純度98%）、 二甲基亞砜（DMSO， A. R.級， 純度98%）、 乙醇（EtOH， 無水級）、 乙腈（ACN， A. R.級， 純度98%）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF，無水級）和1，4-二氧六環(huán)（DIO， 無水級）購于上海麥克林生化科技有限公司； 磷酸（A. R.級， 純度98%）購于永華化學科技（江蘇）有限公司.

FEI Talos F200S型透射電子顯微鏡（TEM， 美國賽默飛公司）； Nicolet Avatar 360型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR， 美國Nicolet公司）； Thermo Scientific Escalab 250Xi型 X射線光電子能譜儀（XPS， 美國賽默飛公司）； 日立 F7000型熒光光譜儀（PL， 日本Hitachi公司）； Edinburgh Instruments FLS 1000型熒光光譜儀（PL， 英國愛丁堡儀器公司）； Shimadzu UV-2550型紫外-可見分光光度計（UV-Vis， 日本島津公司）.

1.2 pH調(diào)控CDs的合成

將0.189 g鹽酸多巴胺和0.216 g鄰苯二胺分別溶解在40 mL pH=7， 3和1的磷酸溶液中， 將3組溶液轉移到100 mL反應釜內(nèi)襯中， 將反應釜放入烘箱中于200 ℃加熱6 h. 待反應體系冷卻至室溫， 將反應溶液轉移至截留分子量為1000 Da的透析袋中， 透析2 d后收集透析袋內(nèi)沉淀. 最后， 將沉淀在真空冷凍干燥機中進行干燥， 得到3種CDs粉末， 分別命名為CDs-7， CDs-3和CDs-1. 將CDs粉末分散在乙醇溶液中進行后續(xù)表征.

1.3 有機溶劑含水量檢測

將無水有機溶劑（如EtOH， DMF和DIO）與去離子水以不同比例混合制成2 mL檢測溶液， 每個檢測溶液中CDs-1的濃度為0.1 mg/mL. 相關數(shù)據(jù)列于表1和表2.

Table 1 Preparation of DMF/EtOH detection solutions with different water contents ranging from 0—60%

Table 2 Preparation of DIO detection solutions with different water contents ranging from 0—60%

2 結果與討論

2.1 CDs-7, CDs-3和CDs-1的結構表征

利用透射電子顯微鏡（TEM）對3種CDs進行了形貌表征. 由圖1（A）～（C）可見， 制備的3種CDs呈點狀， 分布均勻， 無明顯團聚現(xiàn)象. 左下插圖顯示， CDs-7， CDs-3和CDs-1的粒徑分別為（1.6±0.04），（2.2±0.04）和（3.0±0.09） nm， 表明隨著反應體系酸性的增強， CDssp2雜化的碳核逐漸增大. 在HRTEM照片［圖1（A）～（C）右上插圖］中能觀察到CDs-7， CDs-3和CDs-1清晰的晶格條紋， 晶格間距分別為0.22， 0.21和0.21 nm， 對應石墨烯的（100）晶面［28］. 利用拉曼光譜表征了3種CDs的石墨化程度， 圖2（A）中位于1375 cm-1處的D峰和1550 cm-1處的G峰分別對應無序的sp3C和有序的石墨化sp2C［29］. CDs-7， CDs-3和CDs-1的D峰和G峰的強度比（ID/IG）分別為1.00， 0.98和0.94， 強度比逐漸降低， 說明從CDs-7到CDs-1的石墨化程度逐漸增加，sp2共軛域逐漸增大， 這與TEM表征結果一致.

Fig.1 TEM images of CDs-7(A), CDs-3(B), and CDs-1(C)

Fig.2 Raman(A), FTIR(B) and XPS(C) spectra of CDs-7(a), CDs-3(b) and CDs-1(c)

采用FTIR和XPS研究了3種CDs的官能團和可能影響CDs熒光發(fā)射的結構. 由圖2（B）可見， 3種CDs均在3000～3500和1074～1127 cm-1處出現(xiàn)由O—H/N—H和C—O—C的伸縮振動引起的吸收峰. 值得注意的是， 從CDs-7到CDs-1， 在 1720 cm-1處由羧基中C=O伸縮振動引起的吸收峰逐漸增強［30］.CDs-3和CDs-1的譜圖中， 1578～1620和1473～1526 cm-1處的吸收峰分別歸因于氨基和苯環(huán)的C=C伸縮振動［31］. CDs-7在1578 cm-1處也存在氨基伸縮振動引起的吸收峰， 與前2種CDs不同的是， CDs-7沒有苯環(huán)C=C的吸收峰， 而是在1397 cm-1處出現(xiàn)由C—N=C伸縮振動引起的吸收峰. 這說明CDs-7的sp2共軛程度小于CDs-3和CDs-1， 這一點也印證了拉曼光譜分析結果. X射線光電子能譜（XPS）用于進一步解析CDs的元素占比和表面官能團. 由圖2（C）可見， 3種CDs都存在C（284.83 eV）， N（399.55 eV）和O（532.42 eV）譜峰. CDs-3和CDs-1雖然在合成的過程中加入了磷酸， 但是P（133.56 eV）元素在2種CDs中的含量僅為1.4%和1.08%， 這說明P元素幾乎沒有摻雜到CDs中， 真正對CDs熒光 起調(diào)控作用的是反應環(huán)境的pH值. 圖3和表3示出了3種CDs可能的官能團及其占比， 高分辨C1s譜［圖3（A）～（C）］表明存在4種類型的C， 包括C=C/C—C（≈284.8 eV）， C—N（≈285.0 eV）， C—O（≈285.9 eV）和C=O（≈288.0 eV）［32］. 對于CDs-7， CDs-3和CDs-1， C1s光譜中C=C/C—C的比例分別從41.35%增加到44.85%和49.84%， 這證實了sp2共軛的尺寸隨著PL波長的紅移而增大. 另外， 羧酸上C=O的含量也隨著CDs熒光的紅移從3.49%增加到4.84%. CDs-3和CDs-1的高分辨N1s譜［圖3（D）～（F）］擬合出4個峰（398.4， 399.7， 400.7和401.9 eV）， 分別對應Pyridinic N， Pyrrolic N， Graphitic N和NH2［33］. 與前2種CDs相比， CDs-7中不存在pyridinic N［圖2（D）］. CDs-7， CDs-3和CDs-1的pyridine N的含量分別為0， 4.23%和32.16%， 隨著CDs熒光紅移而增加. 這說明酸性條件能活化前體氨基反應位點［34］， 促進前體之間的脫水交聯(lián)， 形成更大面積的苯環(huán)與pyridine N共存的共軛體系， 進而減小帶隙促進CDs熒光紅移［35］. 高分辨O1s譜［圖3（G）～（I）］表明， 3種CDs都存在2種類型的O， 即531.3 eV處的C=O和532.7 eV處的C—O［36］. 其中， 從CDs-7到CDs-1， C=O的含量也呈逐漸增加的趨勢， 這與高分辨C1s譜中C=O含量的變化趨勢一致.

Fig.3 High-resolution XPS C1s(A—C), N1s(D—F), and O1s(G—I) spectra of CDs-7(A, D, G), CDs-3(B, E, H)and CDs-1(C, F, I)

Table 3 Data analysis of XPS C1s, N1s and O1s spectra of CDs-7, CDs-3 and CDs-1

2.2 CDs-7， CDs-3和CDs-1的光學性能

Fig.4 PL excitation and emission spectra under different excitation of CDs-7(A), CDs-3(B) and CDs-1(C)in ethanol, photographs of three types of CD ethanol solutions taken under daylight and 365 nm UV lamp irradiation(D), UV-Vis absorption spectra(E) and PL decay curves(F) of CDs-7, CDs-3 and CDs-1

Table 4 PL lifetimes of CDs-7, CDs-3 and CDs-1*

由3種分散在乙醇溶液中CDs的熒光光譜［圖4（A）～（C）］可見， 其熒光發(fā)射沒有激發(fā)依賴的現(xiàn)象，說明CDs擁有均勻的粒徑和表面態(tài). CDs-7， CDs-3和CDs-1的最佳發(fā)射波長分別為548， 586 和600 nm， 量子效率分別為2.46%， 1.67%和14.48%. 從圖4（D）可看出， 在365 nm紫外燈激發(fā)下CDs-1發(fā)出明亮的紅色熒光， 而CDs-7和CDs-3的熒光則相對較弱. 紫外-可見吸收光譜［圖4（E）］顯示， CDs-3和CDs-1在285 nm和可見光450～600 nm處存在吸收峰， 這分別歸因于C=C的π-π*躍遷和C=N/C=O的n-π*躍遷［37，38］. CDs-7在285 nm處同樣有C=C的π-π*躍遷引起的吸收峰， 另外在370 nm處還存在由C=N的n-π*躍遷引起的吸收峰［39］. 根據(jù)紫外-可見光吸收光譜數(shù)據(jù)， 通過帶隙計算公式Eg=1240/λedge得到CDs-7， CDs-3和CDs-1的帶隙分別為2.31， 2.13和2.06 eV， 這說明不斷增大sp2共軛域可使帶隙逐漸減小［40］. 通過對熒光壽命衰減曲線的擬合［圖4（F）和表4］發(fā)現(xiàn)， CDs-1呈雙指數(shù)衰減， CDs-7和CDs-3呈三指數(shù)衰減， 說明3種CDs均存在多個發(fā)光中心. CDs-7， CDs-3和CDs-1的熒光壽命分別為4.45， 2.47和2.30 ns， 隨著CDs熒光的紅移， 熒光壽命逐漸減小， 遞減的壽命表明重組途徑由核態(tài)支配， 而較大的sp2共軛域會導致更快的熒光衰減， 這與文獻［41］報道結果一致.

2.3 3種CDs熒光差異的機理

TEM和Raman表征結果表明， CDs-7， CDs-3和CDs-1的粒徑和石墨化程度呈逐漸增加的趨勢， 說明酸性反應條件能夠促進前體的交聯(lián)和碳化， 擴大sp2共軛域， 從而合成長波長發(fā)射的CDs. 從CDs-7到CDs-1， FTIR光譜中逐漸增強的C=C的峰和高分辨C1s譜中C=C含量的不斷增加（從41.35%到49.84%）也證實了這一點. 并且， CDs-7， CDs-3和CDs-1帶隙和熒光壽命的逐漸減小也是sp2共軛域增大的證據(jù). 另外， CDs-7和CDs-3的FTIR光譜中羧酸的C=O峰非常弱， 兩者的高分辨C1s譜中C=O含量分別為3.49%和3.14%， 高分辨O1s譜中C=O含量分別為20.32%和28.68%. 而CDs-1的FTIR光譜中羧酸的C=O峰很明顯， 高分辨C1s譜和O1s譜中C=O含量分別為4.84%和54.89%. 這些數(shù)據(jù)說明CDs-7和CDs-3表面的羧酸含量較少， CDs-1擁有更豐富的羧基， 這一變化規(guī)律與3種CDs的QY變化規(guī)律一致， CDs-7和CDs-3在乙醇中的QY僅為1.2%和1.0%， 而CDs-1則高達14.8%， 表明更酸的反應條件提供的更強氧化環(huán)境能夠進一步提升CDs的量子效率. 另外， 已有研究［42］通過密度泛函理論模擬計算證明，sp2共軛域上的羧基會引起局部畸變， 從而縮小能隙， 導致熒光紅移. 基于上述結論， 總結得出酸性反應環(huán)境對CDs熒光和結構的影響規(guī)律： 一方面， 隨著反應pH值的減小， CDs的碳化交聯(lián)程度不斷增加， 進而擴大了CDs的sp2共軛域， 這是導致CDs熒光紅移的主要原因； 另一方面， pH值的減小使反應體系氧化程度增加， 導致CDs表面氧化形成更多的羧基， 促進CDs熒光紅移的同時還提高了CDs的QY.

2.4 有機溶劑中痕量水的檢測

CDs-1不僅具有優(yōu)異的QY， 其熒光還具有溶劑依賴的特性. 由圖5可見， 將CDs-1分散在1，4-二氧六環(huán)、 乙腈、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）這4種極性逐漸增大的有機溶劑中， 發(fā)射峰分別位于561， 579， 588和602 nm， CDs-1的熒光表現(xiàn)出隨著溶劑極性的增大逐漸紅移的正溶劑效應. FTIR和XPS表征結果表明， CDs-1表面擁有豐富的羧基和氨基， 這兩者分別是電子受體（Electron acceptor）和電子供體（Electron donor）， 并且都連接在擁有共軛大π鍵的碳核上， 使得CDs-1形成D-π-A共軛結構， 這種結構會出現(xiàn)分子內(nèi)電荷轉移效應（ICT）， 導致CDs-1的熒光對溶劑極性敏感. 值得注意的是， 雖然質(zhì)子溶劑乙醇的極性比DMSO的小很多， 但是CDs-1分散在乙醇中的發(fā)射峰位卻與二甲基亞砜僅相差2 nm， 說明氫鍵也是影響CDs-1熒光的因素之一.

Fig.5 Emission spectra(A) and photographs taken under 365 nm UV lamp irradiation(B) of CDs-1 dispersed in different solvents

基于CDs-1的溶劑依賴特性， 將CDs-1作為熒光探針用于檢測有機溶劑中的痕量水. 以檢測質(zhì)子溶劑EtOH、 高極性非質(zhì)子溶劑DMF和低極性非質(zhì)子溶劑DIO中的含水量作為模型， 發(fā)現(xiàn)樣品的發(fā)射峰位和熒光強度會隨著含水量的增加而變化， 并且在一定范圍內(nèi)呈良好的線性關系， 線性關系均可以通過下式進行擬合：

Fig.6 Emission spectra(A, E, I) and normalized emission spectra(B, F, J) of CDs-1 dispersed in EtOH(A, B), DMF(E, F) and DIO(I, J) with different water contents, linear relationship between emission peak and fluorescence intensity of CDs-1 dispersed in EtOH(C, D), DMF(G, H) and 1,4-dioxane (K, L) and water content

式中：k代表擬合曲線的斜率， 其物理含義是CDs-1對有機溶劑中水分子的敏感性， |k|值越大， CDs-1的發(fā)射峰位越容易受影響， CDs-1對水分子的響應越敏感； B是常數(shù)；y和x分別代表發(fā)射峰位/熒光強度和含水量. 圖6（A）～（D）顯示， 將CDs-1分散在不同含水量（0～60%）的EtOH中， 隨著含水量的增加，CDs-1的發(fā)射峰出現(xiàn)紅移且熒光強度逐漸降低. 發(fā)射峰位和熒光強度與含水量之間均存在兩段線性擬合. 以發(fā)射峰位作為含水量指示參數(shù)時， 含水量檢測范圍為0～10%， 相關系數(shù)R2=0.963. 根據(jù)公式3σ/|k|， 計算出檢出限（LOD）為4.11%［其中，σ為空白樣品（零含水量）的標準偏差； |k|為斜率的絕對值］. 同樣， 以熒光強度作為含水量指示參數(shù)時， 含水量檢測范圍為0～15%， 相關系數(shù)R2=0.994， LOD=0.86%. 在檢測乙醇含水量時熒光強度變化比峰位變化更有優(yōu)勢， 這是由于CDs-1分散在無水乙醇中受氫鍵的影響， 發(fā)射峰位已經(jīng)位于紅光區(qū)域（600 nm）， 因此CDs-1在不同含水量的乙醇中能夠紅移的范圍非常小， 而含水量的不斷增加又進一步加強了氫鍵作用， 導致輻射躍遷減少從而降低了熒光強度. 圖6（E）～（H）顯示， 將CDs-1分散在不同含水量（0～60%）的DMF中， 隨著DMF含水量的增加，CDs-1的發(fā)射峰位和熒光強度分別出現(xiàn)紅移和降低. 以發(fā)射峰位為指示參數(shù)時， 檢測范圍為0～7%， 相關系數(shù)R2=0.993，， LOD=0.123%. 以熒光強度為指示參數(shù)時， 檢測范圍為0～10%， 相關系數(shù)R2=0.946， LOD=0.33%. 圖6（I）～（L）顯示， 將CDs-1分散在不同含水量（0～60%）的DIO中， CDs-1的熒光隨著DIO含水量的增加而紅移. 相比于EtOH和DMF， DIO含水量的檢測范圍雖然縮小至0～1%， 但是LOD僅為0.023%， 相關系數(shù)R2=0.997. 遺憾的是， 經(jīng)過多次實驗證明CDs-1的熒光強度變化不能用于檢測DIO的含水量， 熒光強度并未隨著含水量的減少而逐漸減弱， 而是呈現(xiàn)先減?。?～1%）， 再升高持平（2%～10%）， 再下降（15%～60%）的變化. 3種模型的檢測結果表明， CDs-1檢測質(zhì)子溶劑含水量時以熒光強度變化為主要參數(shù)， 檢測非質(zhì)子溶劑含水量時以發(fā)射峰位為主要參數(shù). 通過與已報道的檢測痕量水的熒光探針相比（表5）， CDs-1在檢測極性大的有機溶劑的含水量時具有可觀的檢測范圍， 在檢測極性低的有機溶劑的含水量時具有優(yōu)異的檢出限和靈敏度. 因此， CDs-1是一種極具潛力的檢測有機溶劑中痕量水的熒光探針.

Table 5 Comparison of determination methods of trace water in organic solvents

3 結 論

通過控制反應溶劑的pH 值， 實現(xiàn)了CDs發(fā)光顏色和量子效率的調(diào)控. 反應體系的pH值越小， 越能促進前體的脫水碳化交聯(lián)， 從而擴大CDs的sp2共軛域， 導致CDs發(fā)射從短波長向長波長移動. 另外， pH值的減小使反應體系的氧化程度增加， 導致CDs表面氧化形成更多的羧基， 進一步促進CDs熒光紅移的同時還提高了其QY. CDs-1表現(xiàn)出明顯的溶劑依賴性發(fā)光， 有機溶劑含水量的不同能夠影響CDs-1的發(fā)射峰位和熒光強度， 將其用于檢測EtOH， DMF和DIO的含水量， 檢出限分別為0.86%，0.123%和0.023%.