一种简单的高量子产率氮掺杂荧光碳点的光谱研究及量子产率计算

王惠英， 陈丁龙*， 张绍岩， 李 爽， 杨 旭， 梁 莉

(石家庄学院化工学院，河北石家庄 050035)

碳点(Carbon Dots，CDs)是一种新型的荧光碳纳米材料，因其容易合成、不易光漂白、优异的生物相容性和低毒性等特点，在生物标记[1]、光催化[2]、光学探针[3]、细胞器成像[4]、药物控释[5]和发光器件[6]等领域引起了科学研究工作者的广泛关注。Jiao等[7]通过调整溶液的pH，用水热法合成了多重颜色的CDs点并将其应用于生物成像。Hua等[8]采用一步合成的CDs，研究了核仁成像、增强胞浆及核药物输送等内在的核仁靶向能力。Wang等[9]将合成的CDs与不同的聚合物制成各种颜色的CD膜，应用于多重色LED器件的构建。然而合成方法简单、发射波长较长、量子产率高的荧光CDs仍然是研究的热点。

掺氮后CDs的荧光强度和量子产率可以提高很多。Zhu等选用富含氨基的小分子作为氮源，通过水热的方法制备了高量子产率的CDs，并开发了CDs在多方面的应用[10]。Jiang等[11]以丙三醇作为碳源，乙二胺作为掺氮分子，用一步微波法制得荧CDs点并将其应用于痕量Pb2+的检测。然而具体影响合成条件的影响因素及量子产率的计算却没有更多的提及。我们以柠檬酸铵作为碳源和氮源，乙二胺作为掺杂剂，采用简单的一步水热法合成了荧光CDs。研究了合成CDs的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱，考察了反应条件对CDs荧光强度的影响，最后详细研究了合成CDs的荧光量子产率。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

F-4500型荧光分光光度计(日本，日立)；TU-1950紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器)；紫外灯(上海骥辉科学分析仪器)。

柠檬酸铵(分析纯，上海阿拉丁)；乙二胺(分析纯，上海阿拉丁)；其它试剂均为分析纯。硫酸奎宁(上海阿拉丁)先溶解于稀H2SO4中，再配制成100 μg·L-1硫酸奎宁储备溶液。再将其用0.05 mol·L-1H2SO4稀释定容，所得溶液的吸光度要尽量接近或小于0.05。实验用水均为二次蒸馏水。

1.2 CDs的合成

CDs参照文献报道用水热法合成[10]。首先，2.0 g柠檬酸铵溶解于25 mL的蒸馏水中，再向其中加入800 μL的乙二胺，漩涡混合均匀，溶液澄清透明，然后将其转移至50 mL的聚四氟乙烯内衬中，置于反应釜中在180 ℃下反应5 h。待其冷却至室温后，离心除去较大的颗粒，随后将反应溶液透析(500 Da) 24 h除去未反应的残留化合物。取少量CDs溶液，将其用紫外灯照射，观察其荧光颜色。

1.3 荧光量子产率计算

配制一定浓度的CDs和硫酸奎宁溶液，使两者的吸光度相近且小于0.05，扫描紫外-可见吸收光谱，记录一定波长下的吸光度A。再扫描CDs和硫酸奎宁溶液在不同激发波长下的荧光光谱，计算其积分荧光强度。配制合适浓度的CDs和硫酸奎宁溶液，使两者的吸光度相近且不大于0.05，以消除自吸收的影响[12]。

以硫酸奎宁在313 nm激发波长下荧光量子产率0.54为基准，计算硫酸奎宁在其他波长下的荧光量子产率和CDs的荧光量子产率。

2 结果与讨论

2.1 CDs的光谱

我们采用柠檬酸铵作为碳源和氮源，同时辅以乙二胺合成了荧光CDs，研究了合成CDs的吸收光谱和荧光光谱。从图1a紫外-可见吸收光谱可知，CDs在波长240 nm和350 nm处有两个吸收峰，分别对应C=C的π-π*电子跃迁和C=O的n-π*电子跃迁。图1a中的内插图表明CDs在日光下是棕黄色，而在365 nm的紫外灯下为亮蓝色。图1b表明在最大激发波长360 nm下合成CDs的荧光发射峰在446 nm，根据分子轨道理论，可能是由于电子从σ和π的最高占据分子轨道(HOMO)向最低未占据分子轨道(LUMO) 跃迁引起的[1]。

图1 合成CDs的紫外-可见吸收光谱(a)和荧光光谱(b)(图a中的插入图片为合成的CDs在日光(左)和365 nm的紫外光(右)下的照片)Fig.1 UV-Vis spectrum (a) and fluorescence spectrum (b) of the as-prepared carbon dots (Inset of Fig.1 a is the photos of the carbon dots under sunlight(left) and 365 nm UV light(right),respectively)

2.2 实验条件的优化

2.2.1 水热温度和反应时间的影响考察了在140～220 ℃之间合成的CDs荧光光谱，发现在180 ℃时所得的CDs荧光强度最大(图2a)。同时考察了反应时间的影响，发现在5 h后荧光强度达到最高，之后随时间延长增加很少，所以选择5 h的反应时间用于后续实验。

图2 合成碳点的条件优化Fig.2 Optimization of the hydrothermal temperature(a),reaction time (b) and ratio of the reagents(c)

2.2.2 反应物质量比对合成碳点荧光的影响研究了碳源和氮源柠檬酸铵和掺氮剂乙二胺的质量比对荧光强度的影响，如图2c，发现柠檬酸铵的加入量(乙二胺为800 μL)在2.0 g，即质量比在2.6∶1时，荧光强度最大，故以此作为后续实验的质量比。

2.2.3 pH对合成CDs的影响研究了CDs在不同pH条件下的荧光光谱，如图3a。发现在pH=4～9范围内，荧光强度保持稳定。说明合成的CDs可以应用于酸性或者碱性体系中。

2.2.4 CDs的稳定性为了考察CDs的稳定性和应用于生物标记的可行性，将合成的CDs经过紫外灯(365 nm)照射，每隔10 min取样测定一次荧光强度，连续测定60 min，发现照射前后的荧光强度几乎没有变化(图3b)。表现出很好的抗漂白性，适用于长时间的检测和示踪实验。

图3 pH对碳点荧光强度的影响(a)和碳点的荧光稳定性测试(b)Fig.3 Influence of pH on the fluorescence intensity of the carbon dots (a),and test of the photostability of the carbon dots (b)

2.3 CDs的荧光量子产率

从图4可看出，硫酸奎宁与CDs溶液吸收光谱形状基本一致。分别记录硫酸奎宁标准溶液与碳点溶液的吸光度AR和A，列于表1中。

图4 硫酸奎宁(a)和合成CDs(b)溶液的紫外-可见吸收光谱Fig.4 UV-Vis spectra of quinine sulfate(a) and the as-prepared carbon dots(b)

从图5可看出，硫酸奎宁与CDs溶液在不同激发波长下的荧光光谱形状基本不变。分别记录硫酸奎宁标准溶液与CDs溶液的荧光积分强度，列于表1中。

图5 硫酸奎宁(a)和合成的CDs(b)溶液在不同激发波长下的荧光光谱Fig.5 Fluorescence spectra of quinine sulfate(a) and the as-prepared carbon dots(b) at different excitation wavelengtha：(1→10)：380,370,300 ,310,313,360,320,330,340,350 nm；b(1→10)：300,310,380,313,320,370,330,360,340,350 nm.

由表1可知，激发波长在310～380 nm之间，CDs溶液的荧光量子产率变化不大。在不同激发波长下，计算的荧光量子产率出现稍微不同的原因可能是由于仪器(光栅对于不同波长的光有不同的通过率)、光学测量误差、样品(CDs的溶解度不好或者产物不纯)以及氧效应等原因引起的[15]。在最大激发波长360 nm处的量子产率为0.63。

表1 硫酸奎宁和碳点溶液的荧光量子产率

表2列出了文献报道中合成CDs的荧光量子产率，可以看出本文合成的CDs的量子产率优于大部分的研究报道。

表2 各种方法合成碳点的荧光量子产率的比较

3 结论

荧光CDs优异的光电学性能使其在生物标记、成像、催化和发光材料方面引起广泛重视。我们以柠檬酸铵为碳源和氮源，乙二胺为掺氮剂采用水热法合成的荧光CDs具有合成方法简单、荧光强度高、pH影响小、不易光漂白的特点，其在最大激发波长360 nm处的量子产率达到0.63。同时合成的CDs受酸碱体系和紫外光照射的影响较小。将合成的CDs在生物传感及成像方面的研究工作正在进行中。