微波辅助荧光碳量子点制备及其在防伪墨水中应用

颜 磊 喻彦林

（1 西南政法大学刑事侦查学院 重庆 401120；2 重庆高校物证技术工程研究中心 重庆 401120）

1 引言

随着纳米材料和纳米技术的不断发展，具有独特光致发光特性、电化学活性的纳米材料受到了法庭科学领域研究者的广泛关注[1-7]。如CdS、CdSe等半导体量子点、YVO4∶Eu等稀土掺杂的荧光纳米、金纳米团簇等纳米材料，被广泛应用于多种客体物上的油潜、汗潜、血潜指印的显现中；基于金纳米材料及其纳米复合物材料构建的比色型、电化学型、荧光型、高分子聚合物型、分子印迹型等多种传感器被广泛应用于环境污染物Hg2+、Pb2+等重金属离子、芳香硝基类爆炸物、可卡因等毒品的分析检测中；基于银胶、金胶等纳米粒子的表面增强拉曼散射技术也被应用于墨水、墨迹、纸张等书写材料，毒物、毒品及油漆、纤维等微量物证的分析检验中。其中，碳量子点由于具有激发及发射光可调、毒性小、生物相容性好、表面有丰富的官能团，以及反应物来源广泛、合成条件相对简单易行等特点，在离子检测、催化反应、生物成像及光电转换等领域广泛应用，相关的研究也备受瞩目[8-11]。通过表面钝化和掺杂的处理可以提高碳量子点的量子产率和光学性质，因此，掺杂的碳量子点成为了近几年的研究热点，并应用于法庭科学领域[12-14]。如本研究组曾采用微波辐射辅助的水热合成法快速制备了氮、硫掺杂的具有强烈荧光的碳量子点溶液，并通过静电吸附方式将其固载在蒙脱土上，制得具有强烈荧光的纳米复合物粉末。该碳量子点纳米复合物粉末具有较好的化学及光学稳定性，便于储存、携带和使用，已成功应用于复杂色彩背景上潜在指印的显现，所显指印纹线清晰可辨、细节特征丰富，可用于指印遗留者的人身认定[12]。

有机荧光染料和稀土掺杂的荧光染料是目前荧光防伪油墨中最为常见的两类。在制备和使用过程中，前者存在抗光漂白能力较弱、稳定性相对较差、使用有机溶剂、环境不友好等缺点；后者尽管具有发射光谱窄、荧光效率高、稳定性好等优点，却常常需要复杂的反应步骤和制备程序，相对耗时、耗能。张晓安研究组[13]以不同的氯代烃（三氯甲烷、二氯甲烷）和不同的胺类（二乙胺、乙二胺）为反应原料，在沸腾回流60h的条件下制备了两类激发光依赖的荧光碳量子点，并将其中一种在长波处具有较高发射强度的碳量子点应用于多重防伪油墨的构建中。但此法所用反应物具有较大的毒性，且反应时间较长。因此，开发快速、高效、绿色的制备方法合成具有独特光致发光性能的纳米材料，并将其应用于水性荧光防伪墨水的研制具有重要意义。

本文发展了一种基于微波辐射快速制备硫、氮掺杂的碳量子点的方法。实验中以柠檬酸为碳源、N-乙酰半胱氨酸为氮源和硫源，通过微波辐射的热效应和非热效应，实现了掺杂碳量子点的绿色合成，产物具有良好的水溶性、分散性及强烈的荧光发射，有望用于新型荧光防伪墨水的构建，并应用于书写、喷墨打印防伪字迹及精细防伪图案的制作。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

实验所用的柠檬酸（C6H8O7·H2O，CA）、氢氧化钠（NaOH）、磷酸二氢钠（NaH2PO4·2H2O）、磷酸氢二钠 （Na2HPO4·12H2O）均购自重庆川东化学试剂厂；N-乙酰半胱氨酸（C5H9NO3S，NAC，生化试剂）购于阿拉丁试剂。实验用水为超纯水（18.2 MΩ），使用Milli-Q system (Millipore，Bedford，MA，USA)制备。实验中所用试剂除标出的以外均为分析纯，使用时未进行任何纯化处理。

实验中采用UV2450型紫外—可见分光光度计（Shimadzu Corporation，Japan）和Rf-6000PC型荧光光谱仪（Shimadzu Corporation，Japan）对产物的紫外光谱和荧光光谱进行表征；采用Tecnai F-20 场发射透射电子显微镜（FEI Corporation，USA，加速电场200 kV）和Vario EL cube元素分析仪（Elementar，Germany）对产物的微观形态和元素构成进行观察和表征。此外，在样品的制备和干燥过程中还使用了D8023CSL-K4 家用微波炉（Galanz，China），PHS-25型pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司，中国），DZF-6050 型真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司，中国）。ZF5型手提式紫外分析仪（上海嘉鹏科技有限公司，中国）用于提供紫外激发光源（λ=365 nm）。此外，使用VSC8000文检仪工作站（Foster & Freeman Ltd.，UK）对手写字迹进行观察和拍照固定。

2.2 碳量子点的制备与表征

实验中分别以柠檬酸为碳源、N-乙酰半胱氨酸为氮源和硫源，通过微波辐射辅助加热的方式制备了具有荧光发射的碳量子点纳米材料。具体步骤如下：室温下称取2.000g 柠檬酸钠和1.304g N-乙酰半胱氨酸于100mL 烧杯中，加入10.0mL超纯水超声溶解。随后将上述澄清透明的混合溶液置于家用微波炉中，高火（800W）条件下微波辐射5min。反应结束后产物不再具有流动性，为焦糖色固体粘附在烧杯底部，并在365nm的紫外光激发下发射出明亮的荧光。待产物冷却至室温后，加少许超纯水将产物完全溶解，用0.22μm微孔滤膜过滤后备用。

采用紫外—可见吸收光谱、荧光光谱分析方法对制备的碳量子点的光谱特性进行检测和表征。采用透射电子显微镜、元素分析仪对产物的微观形貌和元素构成进行表征。

3 结果与讨论

3.1 碳量子点的合成与表征

合成过程中以水为介质，以柠檬酸和N-乙酰半胱氨酸为反应物，通过微波辐射辅助合成“一锅法”制备具有荧光发射的硫、氮掺杂的碳量子点纳米材料。为使产物具有高强度的荧光发射，实验中对反应物浓度的比例、微波辐射加热的时间等条件进行了优化，考察了上述反应条件对产物荧光强度的影响情况。如图1（a）所示，保持柠檬酸浓度不变，随着N-乙酰半胱氨酸浓度不断增加，即随着N-乙酰半胱氨酸和柠檬酸摩尔浓度比例的增加，产物的荧光强度迅速增加。当N-乙酰半胱氨酸浓度为0.5～0.8mol/L时，产物荧光强度增加的速率降低。进一步增加N-乙酰半胱氨酸浓度，反应物难以完全溶解。因此，在随后的实验中反应物摩尔浓度比例为[NAC]∶[CA]=1∶1.19。

图1 N-乙酰半胱氨酸浓度（a）和微波时间（b）对产物荧光强度的影响

微波合成具有对反应溶液加热均匀、快速等特点，能使体系中的反应位点产生局部高温，有加快反应速度的能力，可大幅节省反应时间并提高反应效率。此外，在微波辐射条件下还能选择性地合成具有一定特殊形貌的纳米材料[15-16]。因此，实验中对微波辐射的时间进行了优化，考察了时间长短对产物荧光强度的影响情况。图1（b）显示了分别在1，2，5，7min连续微波辐射条件下，所制备碳纳米材料的荧光强度。从图中可以看出：在微波辐射时间较短（≤60sec）的条件下，反应产物几乎没有荧光；随着微波辐射时间的增加，产物的荧光强度亦随之增加；连续微波加热5min，在354nm激发条件下，制备的碳量子点在437nm处获得了最大发射；继续增加微波辐射时间，产物的荧光强度反而降低。其原因可能为：微波加热的时间过长导致反应的温度较高，可能加快了碳纳米材料生长速度，从而使生成的产物具有较大尺寸；同时较高的温度可能改变了碳纳米材料表面元素的氧化状态，从而影响了产物的光谱特性。为了得到具有较强荧光发射的碳量子点，在后面的实验中微波辐射加热的时间均为5min。

反应结束后，无色透明的反应溶液在微波辐射的作用下转变为焦糖色固体，并在紫外光（λ=365 nm）下发出强烈的荧光（如图2（b）插入图所示）。利用元素分析（EA）对制备的碳量子点的元素构成及各自的相对含量（wt%）进行测定，碳、氮、硫、氢、氧（计算值）的相对含量分别为：41.52%、4.83%、10.4%、4.2%、39.05%。其中，碳含量超过了前驱体柠檬酸的碳含量（理论值为34.26%），说明在微波反应过程中前驱体发生了一定程度的碳化。氮、硫、氧等掺杂元素在碳量子点表面不同程度的氧化，为其表面带来了丰富的官能团，从而使其具有独特的荧光发射。

图2为产物的荧光光谱和紫外—可见吸收光谱图。从图2（a）中可以看出：反应物在进行微波辐射之前并无明显的荧光发射；而经微波辐射加热之后，产物在354nm激发条件下有最大发射（λem=437nm），发射光谱具有较好的对称性，且无显著的激发光依赖。图2（b）为制备的碳量子点的紫外—可见吸收光谱图，产物在240nm和300～350nm范围内有明显的吸收峰。

图2 微波辐射前后反应物的荧光发射光谱（a）和S,N-CDs的紫外光谱图（b）

利用透射电子显微镜（TEM）对所合成的碳量子点的微观结构进行了观察和表征，如图3所示。从TEM图中可以明显看出，制备的碳量子点均为球形颗粒状结构，颗粒间具有良好的分散性，并未出现大范围的团聚现象，有利于使构建的荧光防伪墨水具有良好的分散性和稳定性。

图3 制备的S, N-CDs的透射电镜图

实验中还对制备的硫、氮掺杂碳量子点在不同pH值条件下的稳定性进行了考察。结果发现：在磷酸盐缓冲液构成的pH 6.0～10.0范围的溶液中，该碳量子点能保持较好的稳定性，其中，当pH=8.0时，荧光强度最大。较宽的pH值耐受范围有利于将该碳量子点溶液与其他物质混合，构建适用范围较广的防伪墨水。

3.2 碳量子点在防伪墨水中的应用

制备的硫、氮掺杂碳量子点在紫外灯（λ=365 nm）的激发下具有强烈的荧光发射，且具有非常好的水溶性和分散性，以及良好的稳定性，因此，可应用于防伪墨水的构建中。实验中以制备的硫、氮掺杂碳量子点溶液代替传统的书写墨水，通过钢笔在不同类型和粗糙程度的纸张上书写字迹。碳量子点水溶性良好，书写过程中出墨流畅。由于溶液本身呈现出淡黄色，因此，浅蓝色木浆纸和普通文印纸上的字迹在日光下勉强可见，而在牛皮纸上书写的字迹在日光下几乎不可见，如图4所示，当在紫外光（λ=365nm）照射条件下，上述几种纸张上的手写字迹均发射出明亮的蓝色荧光，字迹清晰可见。将荧光成像的图片进行进一步的处理之后，降低了背景荧光的干扰，增强了字迹和纸张背景之间的对比度，有利于实现对字迹笔画的细节特征进行观察，如图4所示。实验中发现碳量子点在水中具有非常好的分散性和稳定性，因此，可从图4的手写字迹中看出字迹的连笔、转折、用笔的轻重等细节特征，以及起笔、收笔等书写习惯。这一特性提示该碳量子点溶液有望用于精细防伪图案的打印和制作。

4 结论

以柠檬酸和N-乙酰半胱氨酸为反应物，采用微波辐射加热合成了具有荧光的硫、氮掺杂的碳量子点。反应过程操作简单、高效快速、绿色无毒，产物具有良好的水溶性和分散性，在紫外光的激发下发射出强烈的蓝色荧光。与传统的加热方式相比，微波辐射的方法更为快速节能、操作更为简便，具有较大的应用前景。基于其独特的荧光发光特性，制得的硫、氮掺杂的碳量子点被应用于构建水溶性荧光防伪墨水。与常用的有机荧光染料和稀土掺杂荧光染料相比，该碳量子点溶液具有合成过程简单、快速、高效、无毒，制备及使用过程环境友好，荧光发射稳定、强度高，水溶性好等特点，有望应用于书写墨水、喷墨打印墨水等荧光防伪墨水的研制。

图4 以制备的S, N-CDs溶液作为防伪墨水在不同纸张上的手写字迹图像