交联剂改善羧基化石墨烯量子点荧光性能

张北龙， 邹鹏， 李金华*， 马力

（1. 长春理工大学 物理学院， 纳米光子学与生物光子学吉林省重点实验室， 吉林 长春 130022；2. 佐治亚南方大学 物理与天文系， 美国佐治亚州 斯泰茨伯勒 30460）

1 引言

石墨烯量子点（GQDs）作为石墨烯类材料之一，具有独特的单层或少层以及横向尺寸＜10 nm的石墨烯晶体结构，使其能带结构和边缘效应不同于碳纳米管、石墨烯、C60等其他碳纳米材料[1-2]。同时，GQDs也表现出类似传统量子点的物理化学性质，例如具有可调的发光带隙和量子限域效应。由于GQDs具有更低的生物毒性、水溶性和低获得成本等优势，目前已成为一种被广泛关注的新型纳米发光材料[3-4]。GQDs的光致发光（PL）和激发光谱等性质可以通过控制材料尺寸、引入掺杂剂（氮或硼等）以及表面功能化修饰来进行调节。目前，GQDs的PL性质已成为最通用特性之一，被广泛用于荧光传感[5-6]、生物成像[7]、发光二极管[8]、太阳能电池[9]、光电探测[10]等领域的研究中。然而，在GQDs制备过程中，有限的实验条件、非晶碳源或前体的使用，均容易在GQDs面内和边缘引入氧缺陷及结构缺陷，从而影响GQDs的PL性质。因此，提高GQDs荧光量子效率和稳定性的方法一直为人们所关注。目前，许多报道通过开发更优的制备方案，致力于得到结晶度高、结构单一的GQDs，以实现材料光学性能的提升[11]。另外，由于GQDs独特的结构，使其发光性能不但受尺寸、碳面共轭结构的影响，还与其氧化程度、表面官能团和溶剂介质等因素相关。因此，目前研究也发现，对GQDs进行掺杂[12-13]、表面修饰[14]、钝化缺陷[15]等方法可显著提升材料的PL性能。例如，Shen等报道，使用聚乙二醇作为钝化剂处理的GQDs量子产率从13%提高到28%[16]； Sun等通过氮元素掺杂使材料量子产率提高到74%[17]。

其中针对表面基团相关的研究表明，GQDs石墨烯碳核与边缘基团构成的杂化表面态结构对PL具有显著影响和贡献。例如，Zhu等研究表明，经过溶剂热法处理将GQDs表面部分羧基转变为氨基，能使GQDs表面态发光增强以及还原处理后羟基富集的GQDs的发光中心发生蓝移[18]。Feng等通过化学还原方法改变了GQDs表面N原子成键类型，使荧光强度增强至原来的两倍以上[19]。许多报道均印证了表面态对GQDs的光学性质有显著影响作用。与此同时，纳米材料间复合实验常通过化学键偶联实现，因此经常引入交联剂来完成官能团间的活化和缩合反应。同样地，交联剂参与的反应也会导致GQDs表面基团的转变，从而可能导致其光学性质发生改变。然而，虽然交联剂被用于许多纳米材料的复合实验中，但针对交联剂与GQDs发光性质影响的详细研究目前鲜有报道。在交联剂选择方面，由于不同交联剂与不同基团间的反应具有指向性，其中交联剂EDC具有羧基反应活性，能够与C-GQDs的表面羧基发生活化反应。同时，EDC为水溶性且无明显生物毒性，目前被广泛用于纳米材料和许多生物分子相关交联实验中。在本工作中，我们在C-GQDs水溶液中引入EDC，通过水相反应得到C-GQDs/EDC。实验结果证明该方案能显著提升C-GQDs荧光强度，并验证了各反应条件的影响。通过静态和寿命数据的综合分析，进一步揭示了C-GQDs本征态、表面态和缺陷态发光特性，并分析了荧光增强的可能机理。

2 实验

2.1 试剂和仪器

1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）（纯度：98%）采购于Sigma-Aldrich化学试剂公司。羧基化石墨烯量子点COOH-GQD（编号：XF090）采购于江苏先丰纳米材料科技有限公司。所有化学品均未经进一步纯化即使用。

Tecnai G220S-Twin透射电子显微镜（FEI,USA）用于C-GQDs和C-GQDs/EDC的形貌表征。Nicolet iS50型傅里叶红外光谱仪（Thermo Fisher Scientific, USA）用于样品的表面基团表征。Cary-5000型分光光度计（Agilent Eclipse, USA）和G9800A型荧光光谱仪（Agilent Eclipse, USA）分别用于样品的紫外-可见吸收和光致发光光谱测试。FLS980型稳态瞬态荧光光谱仪（Edinburgh Instruments, UK）配备375 nm脉冲激光用于荧光动态衰减数据测量。

2.2 样品合成

订购的C-GQDs（1 mg/mL）材料使用有机小分子，采用自下而上法合成。原C-GQDs使用去离子水稀释至浓度为0.125 mg/mL，并用于后续光谱测试。不同EDC含量的C-GQDs/EDC复合物采用水相合成法，首先在各试剂瓶中分别加入0.25 mL（1 mg/mL）的C-GQDs溶液，再依次加入不同体积（0～80 µL）浓度为60 mg/mL的EDC水溶液，并混匀1 min。随后，将各样品用去离子水定容至2 mL，在室温下持续搅拌反应20 min，用于后续实验测试。

3 结果与讨论

3.1 C-GQDs表征

图1（a）中TEM图显示C-GQDs形貌呈均匀圆形，粒径分布在3～6 nm之间，35%的颗粒直径分布在～4.3 nm，表明粒径分布较为均一。图1（c）为CGQDs与EDC反应后，C-GQDs/EDC铜网干燥样品的TEM图像，其呈现出部分不均匀聚集形貌。图1（b）、（d）分别为C-GQDs和C-GQDs/EDC的高分辨图像，可观察到清晰的晶格条纹，测量得到晶格间距均为0.21 nm，对应石墨烯（110）晶面。这表明与交联剂EDC反应后未对C-GQDs的晶体结构造成影响。

图1 50 nm标尺下C-GQDs的TEM图像（a）（插图为粒径分布统计柱状图），及其5 nm标尺下的高分辨图像（b）；C-GQDs/EDC的TEM（c）及其局部高分辨图像（d）Fig.1 （a）TEM image of C-GQDs in 50 nm scale. The inset bar graph shows the size distribution of C-GQDs. （b）The magnified in 5 nm scale. TEM image of C-GQDs/EDC（c）， and the magnified view（d） of the C-GQDs/EDC

图2 （a）中FTIR吸收光谱显示，C-GQDs的1424 cm-1处的峰值对应O—H的弯曲振动模式（δO—H）[20]，以及分别在1720 cm-1（νC=O）和3019 cm-1（νO—H）处存在的伸缩振动吸收峰，均表明CGQDs表面富含羧基官能团。此外，位于1220 cm-1（νC—O）和910 cm-1（νC—O—C）的吸收峰也说明C-GQDs中存在部分其他含氧基团[21-22]。与EDC反应后，C-GQDs/EDC在1645 cm-1（νC=O）、1568 cm-1（δN—H）、1266 cm-1（νC—N）和1715 cm-1（νC=O）处出现吸收峰，分别对应酰胺的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和酰亚胺吸收带。据报道，在无氨基存在条件下，EDC与羧基反应产生的O-酰基异脲可以经过分子重排生成N-酰基脲物质，其分子结构的红外特征吸收模式与图2（a）中C-GQDs/EDC的峰位对应[23-24]。这一结果表明，在C-GQDs表面EDC与羧基的反应形成了N-酰基脲。

图2 （a）C-GQDs和C-GQDs/EDC的FTIR光谱，插图为羧基化C-GQDs及其与EDC反应后表面生成N-酰基脲示意图；（b）C-GQDs（黑）和C-GQDs/EDC（红）溶液吸收光谱；（c）380 nm激发光下，C-GQDs和C-GQDs/EDC的荧光光谱Fig. 2 （a）FTIR spectra of C-GQDs（blue） and C-GQDs/EDC（red）， the inset is schematic diagram of carboxylated C-GQDs and its reaction with EDC to form N-acylurea on the surface. （b）Absorption spectra of C-GQDs（black） and C-GQDs/EDC solution（red line）. （c）Fluorescence spectra of the C-GQDs（black） and C-GQDs/EDC（red） upon 380 nm excitation

图2（b）紫外-可见吸收光谱显示，C-GQDs在336 nm处出现吸收峰肩峰，而石墨烯的sp2共轭结构的π-π*跃迁由于紫外波段的强重叠造成了该本征峰被掩盖[25]。此外，目前报道指出GQDs吸收光谱中出现相对弱的吸收尾带是源于缺陷态能级[26-27]。在此同样观察到了C-GQDs/EDC和C-GQDs在400～540 nm区间延长的吸收谱。据报道，该肩峰的来源是石墨烯类纳米材料表面含氧基团的n-π*跃迁会引起在300～380 nm范围内的吸收峰[28-29]。因此，C-GQDs中该吸收峰被归因于含氧基团和羧基官能团的存在。通过参考EDC的化学反应机理并结合上述FTIR光谱数据，表明与EDC反应后，C-GQDs表面羧基被含酰胺基团的化合物所取代，表面基团的改变导致了该吸收峰红移至342 nm。同时，报道指出羧基作为吸电子基团通常会引起GQDs局域电子-空穴对的非辐射复合，导致石墨烯量子点的低发光效率。而—CONHR和CNHR等含氮短链有机化合物则可以起到有效钝化作用[30-31]。因此，生成的酰胺基团起到的表面缺陷钝化作用使得该吸收峰增强。相应地，在图2（c）光致发光光谱（PL）中，同浓度C-GQDs与EDC反应后荧光强度相对于单独C-GQDs显著增强约23倍。因此，初步分析EDC与C-GQDs的表面羧基反应生成的酰胺化合物起到了缺陷钝化作用，从而使得荧光增强。

3.2 C-GQDs/EDC的光致发光性质

EDC交联法的作用机理涉及其与羧基（—COOH）的活化反应，并生成具有胺反应性的O—酰基异脲中间产物。该中间体能够与另一端的氨基形成酰胺键，实现物质间的化学键复合。由于O—酰基异脲为不稳定中间产物，为了提高偶联效率，通常引入NHS与O—酰基异脲发生反应，生成更稳定的NHS酯，因此，研究中常将EDC与NHS连用以提高反应效率[32-33]。为了分别评估EDC和NHS对C-GQDs荧光性质的影响，图3（a）中给出了CGQDs、C-GQDs/EDC、C-GQDs/NHS、C-GQDs/EDC/NHS、EDC和NHS的PL光谱。对比发现，在400～700 nm波段内，EDC和NHS均无明显PL信号，C-GQDs和C-GQDs/NHS具有较弱且几乎重合的PL光谱，而C-GQDs/EDC和C-GQDs/EDC/NHS的PL显著增强。这些结果排除了可能的光谱叠加干扰，确切证实了EDC反应是导致荧光增强的原因。图3（b）计量相关性测试结果表明，随EDC含量在0～80 µL范围内增加，C-GQDs荧光逐渐增强。其在EDC为0～50 µL范围内C-GQDs的荧光强度显著增加，随后在50～80 µL范围内，其增强幅度明显减缓。在后续实验中选取50 µL的EDC作为反应计量。图3（c）中的动力学实验给出了荧光强度与反应时间的关系。在1 min内，CGQDs/EDC的荧光增强约58倍，体现出EDC与CGQDs间快的反应速率。随后在图3（c）插图中显示出荧光强度在5 min内衰减约50%，约10 min后荧光强度趋于稳定。据报道，这种荧光衰减现象可能是由于EDC在水溶液中会发生水解所导致的[34]。为使反应充分，后续实验中控制反应时间为20 min。图3（d）中抗光漂白稳定性测试结果显示，在365 nm紫外光辐照下，C-GQDs和C-GQDs/EDC的荧光强度百分比随辐照时间的增加逐渐降低。最终在40 min后，荧光强度分别降至约初始值的71%（C-GQDs）和74%（C-GQDs/EDC），证明了EDC的引入对C-GQDs的发光稳定性没有明显负面影响。为研究不同表面基团的影响，使用了无表面功能基团（GQDs）及表面带有羟基基团（OH-GQDs）的石墨烯量子点，测量与EDC反应后的PL光谱。结果如图3（e）、（f）所示，其各自PL光谱无荧光增强现象，证明EDC与羧基间的特异性反应是导致荧光增强的原因。

图3 （a）380 nm激发光下，C-GQDs、C-GQDs/EDC、C-GQDs/NHS、C-GQDs/EDC/HNS、EDC与NHS的PL光谱；（b）C-GQDs与不同含量的EDC（0～80 µL， 60 mg/mL）反应后的PL光谱；（c）不同反应时间下（0～25 min），C-GQDs/EDC的PL光谱；（d）在365 nm紫外光下，不同辐照时间下C-GQDs和C-GQDs/EDC的荧光积分强度百分比变化曲线；（e）～（f）GQDs与OH-GQDs分别与EDC反应前后的PL光谱Fig.3 （a）The PL emission spectra of C-GQDs， C-GQDs/EDC， C-GQDs/NHS， C-GQDs/EDC/HNS， EDC and NHS upon 380 nm excitation.（b）PL emission spectra of C-GQDs reaction with different content of EDC from 0 to 80 µL（60 mg/mL）.（c）PL emission spectra of C-GQDs/EDC with various reaction time（0-25 min）， inset is the trend of spectra integrated intensities value with reaction time. （d）Integrated PL intensities percent of C-GQDs/EDC and C-GQDs under different irradiation time under 365 nm UV lamp， respectively. （e）-（f）The comparison of PL spectra of GQDs and OH-GQDs in presence and absence reaction with EDC， respectively

3.3 C-GQDs荧光增强机理分析

目前研究表明，许多碳基纳米材料的发光表现出了激发波长依赖性。在本工作中，GQDs的发光行为不但与sp2域的量子限域效应相关，还会受到含氧基团等因素引入的表面态和缺陷态发光过程的影响[35]。图S1为不同激发波长下，C-GQDs和C-GQDs/EDC的PL光谱。结果表明，随激发波长改变，C-GQDs的荧光峰发生变化，且峰位发生移动；而C-GQDs/EDC的荧光峰则相对固定。为更清晰地了解C-GQDs和C-GQDs/EDC的荧光特性，图4（a）中给出了PL光谱去卷积拟合结果，发现C-GQDs具有弱的非对称荧光峰。高斯拟合峰显示，各激发波长下C-GQDs发光中心位于～473 nm（蓝色，Peak-Ⅱ），且峰位没有明显移动，而肩峰最大值（紫色，Peak-Ⅰ）随激发波长增加（280～350 nm）有红移趋势（385～405 nm）。此外，在长波段还存在宽的发光成分（绿色，Peak-Ⅲ），其峰位也会随激发光改变，并导致了C-GQDs光谱的整体展宽。与EDC反应后，图4（b）表明C-GQDs/EDC的PL显著增强，然而其中Peak-Ⅰ相对强度较低，无明显增强。这一现象证明EDC反应只对CGQDs中特定的辐射过程有促进作用。考虑到EDC是与C-GQDs表面羧基间的化学反应过程，而非如元素掺杂等导致的C-GQDs面内结构改变。因此，推测Peak-Ⅰ应代表了表面态不敏感的碳面内固有本征能级发光过程，而观察到的Peak-Ⅰ随激发波长红移应是由于量子尺寸效应导致的[36]。对比发现，单独C-GQDs的Peak-Ⅲ峰位随激发波长移动，而C-GQDs/EDC中Peak-Ⅲ的峰位相对固定，各激发波长下峰位均在～515 nm处。因此，初步分析认为EDC与C-GQDs反应后钝化了部分具有激发波长依赖的缺陷态发光能级，并改善了发光效率。

在图5（a）激发光谱中，探测波长为360 nm和400 nm时，单一激发峰位于～301 nm处。结合上述分析可知,该峰贡献于Peak-Ⅰ本征发光。而在450～530 nm探测波段，301 nm和384 nm激发峰同时出现，表明该波段发光来源于多激发态能级贡献。图5（b）显示，C-GQDs/EDC的301 nm激发峰在450～530 nm探测波段增强，而在360 nm和400 nm探测下无明显增强，这说明此时本征激发态更多地贡献于Peak-Ⅱ发光过程。同时，C-GQDs与EDC反应前后，激发峰位没有发生明显移动，表明能级位置未发生改变。

图5 不同发射波长下C-GQDs（a）和C-GQDs/EDC（b）的激发光谱Fig. 5 Excitation spectra of C-GQDs（a） and C-GQDs/EDC（b） monitored at different emission wavelength

以上结果表明，C-GQDs的PL由多组分构成。为识别每种可能的发射机制以及分析EDC对荧光增强的原因，我们使用时间相关单光子计数（TCSPC）法获取了不同衰减路径的荧光寿命和权重信息。图6收集了C-GQDs和C-GQDs/EDC在不同发射波长下的PL衰减信息，图6（a）、（b）分别为CGQDs和C-GQDs/EDC的荧光动态衰减曲线。通过拟合得到平均寿命值（τave），相较于其他波长，在430 nm探测波长下，C-GQDs具有更短的荧光衰减时间，此时τave为2.82 ns。其余探测波长下，τave的值在5.95～6.38 ns之间。与C-GQDs相比，C-GQDs/EDC的荧光寿命增加。在430 nm探测波长下，C-GQDs/EDC的τave值为5.24 ns，其余探测波长下τave的值在7.15～7.81 ns之间。这些结果证明了C-GQDs不同波段下荧光发射机制的不同，并且EDC导致的表面基团改变影响了C-GQDs激发态电子的复合过程。在对数据的进一步分析中，我们对荧光衰减曲线进行三指数拟合，得到各组分荧光寿命数据，其中τ1、τ2和τ3为相应的衰减时间。如图6（c）所示，除480 nm外，其余各探测波长下，τ1的值较小，分布在0.39～1.55 ns之间。比较C-GQDs与EDC反应前后，τ1值没有发生显著变化。同时，EDC对Peak-Ⅰ发光无明显增强现象，并结合报道指出的GQDs本征态发射通常具有较短荧光寿命的特点[37]，证明τ1对应CGQDs中电子本征能级跃迁的发光寿命。而当检测波长为480 nm时，与EDC反应后C-GQDs的τ1值从0.58 ns增加至2.32 ns。上述实验表明480 nm附近为Peak-Ⅱ发光波段占主要贡献，激发光谱也表明C-GQDs/EDC的本征激发态能级电子会更多地贡献于Peak-Ⅱ发光，因此EDC对表面态发光的影响可能是导致此时τ1值变化的原因。

图6 （d）显示，C-GQDs与EDC反应后，τ2（2.10～8.06 ns）的值在450～510 nm探测范围内有显著增加。根据上述图4（b）显示，该波段为发光增强最显著区域。据报道，GQDs表面基团与碳骨架构成的独特杂化结构可以成为材料的主要发光中心[38]。因此，受EDC反应影响显著的τ2应源自与表面态相关的发光过程，并贡献于Peak-Ⅱ发光成分。在图6（e）中，τ3呈现出较长的衰减寿命（8.00～22.28 ns）。在GQDs中的C—C键的无序结构和表面悬键通常会引入面内和表面缺陷，这些缺陷在激发态中引入了中间能级电子弛豫过程，导致较长的荧光寿命[39-40]。因此，τ3反映了CGQDs缺陷能级复合过程，并对应长波长Peak-Ⅲ发光。与EDC反应后，在480 nm和510 nm探测处，τ3值的明显增加以及530 nm处τ3值的减小体现出EDC对缺陷态的显著影响作用。

图6（f）中τ2寿命权重变化折线图显示，随探测波长增加，C-GQDs的τ2权重呈现整体上升趋势。在上述分析中，已认为τ2源于表面态能级跃迁。而在480 nm探测时，τ2的权重≤38.5%，说明此时表面态对整体发光贡献较少。与EDC反应后，τ2的权重随波长变化趋势与单独C-GQDs的相反。具体表现为，其在480 nm和510 nm探测下，τ2的权重分别为90.1%和91.6%，占主导地位。这表明，EDC的引入显著增强了表面态发射过程，使其成为PL的主要成分，并减弱了电子的表面缺陷复合过程。τ3的寿命权重变化显示，无EDC条件下，τ3在C-GQD的主要发光波段（≤510 nm）具有较高的权重占比，表明此时的PL更多的是缺陷态发射过程。相对应地，在C-GQDs/EDC中，τ3在该波段权重较少，其>510 nm波段具有较高权重值，说明长波段发光主要由缺陷能级贡献。而这些依然存在的缺陷发光暗示了C-GQDs中也可能存在部分未被钝化的石墨烯面内结构缺陷。

对上述讨论进行总结，我们分析了C-GQDs和C-GQDs/EDC可能的发光机制。如图7所示，光激发下C-GQDs基态电子跃迁至激发态。随后电子跃迁至不同的激发态能级，包括由石墨烯碳面引入的固有本征态以及由表面杂化结构形成的表面态能级，通过辐射跃迁贡献本征和表面态发光行为。其中本征发射具有量子限域特征，且发光较弱。此外，C-GQDs中还存在表面和面内缺陷能级，导致跃迁过程中更多电子的捕获和能量损失，降低了辐射复合效率，因此C-GQDs的发光强度较弱。而EDC与C-GQDs表面基团的特异性反应使得表面缺陷被钝化，导致了表面态辐射复合过程得到增强，并成为了PL光谱的主要成分。

图7 C-GQDs和C-GQDs/EDC的PL发射机制示意图Fig. 7 Schematic representation of the proposed PL emission mechanisms of C-GQDs and C-GQDs/EDC

4 结论

本文工作表明，EDC作为一种交联剂不但在纳米复合材料的制备中经常应用，也能与C-GQDs表面羧基反应，并显著增强C-GQDs的荧光强度。这种荧光增强现象与EDC的浓度、反应和光照时间相关。通过稳态及瞬态光谱分析认为C-GQDs包含多种发射机制，包括sp2结构的本征态、碳面与表面羧基官能团杂化结构构成的表面态，以及C-GQDs表面和面内的缺陷态。多发光能级和缺陷导致了PL光谱的展宽和激发波长依赖性。当加入EDC时，C-GQDs表面缺陷被钝化，使得发光模式集中，更多的激发态电子贡献于表面态发光。此时，激子复合效率提高，表面态发光强度得到增强。这一结果表明，交联剂和石墨烯纳米材料间的相互作用及其对光学特性的影响值得人们研究。因此，这种交联剂处理方法也为研究GQDs发光特性提供了新的参考方案。此外，由于GQDs光学性质与多种因素相关，交联剂对材料的分散性、稳定性和溶剂性质等造成的可能影响也值得进一步研究分析。

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