溶剂热法合成橙-绿双波段荧光碳点

刘 睿， 沈鸿烈， 崔树松， 李树兵， 葛加伟， 江耀华

(南京航空航天大学 材料科学与技术学院， 江苏省能量转换材料与技术重点实验室， 江苏 南京 210016 )

1 引 言

碳点(Carbon dots，CDs)作为一种原料廉价、合成便捷的新型碳纳米材料，具有优良的发光性能、抗光漂白能力和良好的水溶性、化学稳定性以及生物相容性[1-5]，在分子传感、离子检测、光催化、药物载体及生物成像等研究领域取得了重要进展[6-7]。通常条件下所合成的碳点在激发时只在蓝光区域具有单一发射，而许多目前报道的具有绿、黄或更长波长荧光碳点的合成方法需具备苛刻的合成条件或复杂的分离方法，因此便捷低成本地合成具有多色发光特性的荧光碳点是扩大碳点应用的重要需求[8-9]。具有长波长发射的水溶性碳点尤其适合生物荧光成像领域的应用，长波长荧光探针相较于短波长荧光更不易被其他生物分子自发荧光干扰，具有更高的信噪比和灵敏度[10]。另外，长波长荧光具有相对更深的组织穿透性，并且相对能量较低，可以减少给生物样品带来的损伤[11]。所以，开发具有长波双波段特性的CDs可以有效避免短波长单发射CDs的缺点，对疾病检测和诊断、药物发展及治疗评估等方面具有重要意义。

监测pH值的变化在我们生活中有着重要作用。利用对pH具有不同响应的两种荧光团的比率荧光探针定性地测量pH值是常见的荧光监测pH值技术，具有抗干扰能力强的特点。碳点由于具有良好的水溶性、宽的激发谱、大的比表面积和生物相容性而成为非常有潜力的荧光探针。

本文采用溶剂热法，一步合成了具有500 nm和590 nm双波段荧光特性的水溶性碳点，对溶液的pH具有良好的响应能力。文中所制备的碳点尺寸均一，粒径分布在2.7～4.3 nm左右，具有作为pH传感器及比率荧光探针的潜在应用价值。

2 实 验

2.1 试剂与实验用具

柠檬酸(分析纯)和N,N-二甲基甲酰胺(分析纯)购自南京化学试剂股份有限公司。尿素(分析纯)购自国药集团化学试剂有限公司。针式过滤器购于扬中赛锡实验仪器。透析袋来自美国联合碳化(Viskase)。

2.2 碳点的制备

双发射水溶性荧光碳点合成方法如下：3.152 g柠檬酸、1.201 g尿素溶于20.0 mL DMF中，搅拌并超声10 min，待固体全部溶解后，将其倒入50 mL聚四氟乙烯内胆并转移至高压反应釜中，在200 ℃恒温烘箱中保温12 h，冷却至室温后得到棕红色溶液，表明碳点的生成。使用透析袋(MD44-1000D)透析72 h后，将得到的溶液进行离心处理(12 000 r/min，30 min)，取上清液用微孔滤膜(0.22 μm)过滤后，在40 ℃下真空干燥可得黑色碳点粉末。

2.3 碳点对pH值敏感性的测试

将制备好的CDs固体用超纯水配制成1.00 mg·mL-1的CDs溶液，然后用HCl和NaOH水溶液配制成不同pH值，将不同pH值的溶液装成等量5.0 mL，然后向其中加入2.0 μL CDs溶液。充分振荡10 min后，测定当激发波长分别为440 nm和540 nm时的荧光发射峰的强度及位置变化，所有实验都在室温下进行。

2.4 测试仪器

采用紫外-可见分光光度计(UV-2550，Shimadzu，日本)、荧光光谱仪(PTI QM40-NIR)、傅里叶变换红外光谱仪(Thermo Nicolet NEXUS 670 FT-IR，美国)、显微激光拉曼光谱仪(Renishaw inVia,英国)、透射电子显微镜(HT-7700，日本日立公司)、X射线光电子能谱仪(Thermo ESCALAB 250XI，赛默飞)以及日本Rigaku XRD Smartlab型X射线衍射仪对材料的成分、结构和性能进行表征。所有测试均在常温下进行。

3 结果与讨论

3.1 荧光及紫外-可见吸收光谱

在自然光下所制备的CDs水溶液为浅黑色液体，在355 nm紫外激光照射下发出绿色荧光，在500 nm氙灯光源激发下发出橙色荧光。图1是CDs在水溶液中的荧光发射峰值位置与强度随激发波长变化图谱，可以看出CDs发射峰位置展现出明显的激发波长相依性，与文献报道过的碳点荧光性质一致[12]。同时从图1(a)可以看出，CDs发射峰位置随着激发波长的增加主要集中于480～500 nm和580～600 nm两个波段区间，呈现出双荧光波段发射的特点。从图1(b)中看出当激发波长为280～480 nm时，CDs荧光强度先上升后下降，最大值对应激发波长为440 nm，相应的最大发射波长位于500 nm的绿光区域附近。当激发波长为500～580 nm时相应发射峰随之红移，发射波长均超过了570 nm，荧光强度同样呈现先上升后下降的趋势，极大值对应激发波长为540 nm，相应的发射波长位于590 nm的橙光区域。插图为440 nm和540 nm激发下CDs的荧光发射光谱。

图1 碳点的荧光发射光谱峰值随激发波长增加的位置变化(a)和强度变化(b)，插图分别为发射谱为440 nm和540 nm激发下的发射谱。

Fig.1 Photoluminescence (PL) emission spectra of CDs. (a) Emission wavelength to excitation wavelength. (b)PL intensity to excitation wavelength. Inset graph is PL spectra under excitation of 440 nm and 540 nm.

图2 碳点水溶液紫外-可见吸收光谱

图3 合成碳点的TEM图

Fig.3 Transmission electron microscope(TEM) image of synthesized CDs

3.2 合成碳点的微结构与组分分析

对所合成碳点的形貌进行了表征，结果如图3所示。从图中可看出所合成碳点分布均匀，成球状，粒径大小在2.7～4.3 nm之间，具有较好的分散性，量子点尺寸大小和表面态的差异可能是造成荧光激发波长依赖现象的原因[12]。

图4是碳点的XRD和拉曼图谱。X射线衍射图表明，碳点在27.2°附近有一个宽峰，对应于典型的石墨的(002)晶面，这表明碳点核心的共轭结构以非常接近于石墨的方式(≈0.35 nm)进行层间堆叠，与其他文献所报道的碳点的衍射峰位置十分接近[16]。

图4 合成碳点的XRD图谱(a)和拉曼光谱(b)

Fig.4 XRD pattern(a) and Raman spectrum(b) of synthesized CDs

从拉曼图谱中可以看出代表碳材料缺陷区域的D峰位于1 340 cm-1，代表石墨结构的sp2杂化碳的G峰位于1 605 cm-1，D峰和G峰的强度比值ID/IG为1.18∶1，说明所合成的碳点具有一定的石墨化程度，同时在边缘也存在着大量的缺陷，呈高度的无定型态[17]。

图5 合成碳点的FT-IR光谱

Fig.5 Fourier transform infrared(FT-IR) spectrum of synthesized CDs

图6 合成碳点的XPS全谱(a)及C 1s(b)、N 1s(c)、O 1s(d)的高分辨XPS谱图。

3.3 对pH值的敏感性

为了进一步探究CDs的光学性质，考察了CDs的光学性能对溶液pH值的敏感性，实验结果如图7和 图 8所示。当激发波长为440 nm和540 nm时，分别测试了碳点溶液发光峰随pH值变化的情况，从图7(c)中可以发现CDs的两个发射峰荧光强度均随pH值的增加整体呈上升趋势。当pH值在2～5的酸性条件下，440 nm激发下碳点荧光发射峰位于515 nm左右，540 nm激发下则位于600 nm左右，均较中性条件出现了红移，呈现出pH值依赖的特点。从图8中可以发现pH=2时的吸收谱与pH=7时的吸收谱形状相似，但是吸收强度有所下降，从而造成了发射强度的下降。比较440 nm激发下500 nm的荧光强度与540 nm激发下590 nm的荧光强度以及两处荧光强度的比值与pH值的关系，发现pH值在2～6区间内，荧光强度比与pH值之间呈线性关系，线性回归方程为：

I500/I590=60.8143-8.17697pH，

(1)

相关系数R2=0.979 94，由此可利用碳点制备比率荧光探针半定量地检测酸性溶液的pH值，对利用荧光生物成像来检测生物体内的pH值也提供了重要的参考。

图7 合成碳点在不同pH值时的荧光发射光谱。(a)激发波长为440 nm；(b)激发波长为540 nm；(c)500 nm与590 nm的荧光强度与pH值的关系；(d)荧光强度比率与pH值的关系。

Fig.7 PL emission spectra of synthesized CDs at different pH conditions. (a)Under excitation of 440 nm. (b)Under excitation of 540 nm. (c)PL emission intensity at different pH conditions. (d)Linear relationship with pH value of PL emission intensity at pH 2-6.

图8 合成碳点在不同pH值时的紫外-可见吸收光谱

Fig.8 UV-Vis absorption spectra of synthesized CDs at different pH conditions

另一方面，在强碱性条件(pH=11～12)下，440 nm和540 nm激发下的荧光强度均较中性条件下明显增强：pH=12时，440 nm激发下最大荧光强度是pH=7条件下的1.91倍，540 nm激发下最大荧光强度则是pH=7条件下的6.71倍。此外，还可以观察到自然光照下溶液外观由中性时的浅黑色变为了强碱性条件下的粉红色。从图8中可以发现，pH=12时的吸收谱与pH=7时的吸收谱相比，415 nm的吸收峰蓝移到了365 nm，560 nm的吸收峰蓝移到了550 nm，同时不同波长下的吸收强度也发生了改变从而引起了溶液颜色的变化。因此所合成的碳点也具有一定强碱性指示剂的作用。

4 结 论

通过一步溶剂法合成了具有橙光和绿光双波段发射荧光性质的CDs。合成的 CDs 尺寸均匀，分布在2.7～4.3 nm之间，主要由C、N、O三种元素组成，表面有大量极性官能团，具有很好的水溶液分散性。CDs在27.2°附近存在一个XRD宽峰，拉曼光谱中D峰与G峰的强度比为1.18∶1，表明CDs表面呈高度的无定型态。发现溶液的pH值对 CDs 光学性能有显著的影响，CDs在440 nm和540 nm激发下的荧光强度随pH值增加呈上升趋势。当pH值在2～6区间内时，碳点500 nm与590 nm 处 的碳点荧光强度比与pH值之间呈线性递减关系，有望据此制成比率荧光探针。在强碱性溶液中，500 nm和590 nm的荧光强度相比水溶液中分别提高了1.91倍和6.71倍，同时吸收峰出现了一定蓝移造成自然光照下溶液颜色发生变化，具有强碱性指示剂的作用。