生物質基碳量子點的制備及其光譜性質研究

張正偉，彭可睿，陳建秋，嚴拯宇

(中國藥科大學 理學院，江蘇 南京 210009)

半導體量子點(Quantum dots,QDs)因其具有良好的光學、電學及光電學性質[1-2]，在生物標記、生物醫學和光電子器件等研究領域[3-4]有著廣泛的應用前景。但是常規半導體量子點在制備的過程中必然會引入重金屬元素，對環境和人類健康具有潛在的危害性[5]，因此開發無毒、環境友好型、且具有與半導體量子點類似的新型熒光納米材料成為大家關注的焦點。近幾年來，新型碳量子點(Carbon quantum dots,CQDs)逐漸被研發和應用。與半導體量子點相比，碳量子點不僅具有相似的優良的光學特性，而且彌補了半導體量子點毒性大的缺點，具有毒性小，生物兼容性好，熒光穩定性好的突出優勢[6-8]。

本研究以廢棄木屑為前驅物制備的活性炭為碳源[9-10],采用化學氧化法，并通過微波和超聲結合法進行鈍化，制備了水溶性的生物質基碳量子點，對合成的生物質基碳量子點進行了結構表征和分析，同時考察了所合成碳量子點的光學性質。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

生物質基活性炭(以楊木木屑為原料，參照文獻[9]方法實驗室自制)；30%過氧化氫(國藥集團化學試劑有限公司)；醋酸(南京化學試劑有限公司)；PEG2000(西隴化工股份有限公司)等，均為分析純，所有試劑使用前未做進一步處理，實驗用水為超純水。

UV-2100紫外分光光度計、RF-5301熒光分光光度計、FTIR- 8400S傅里葉紅外分光光度計，均為日本島津公司；KH-250DB超聲儀，昆山禾創超聲儀器有限公司；HD 23020光量子測定儀，Delta OHM Italy；GZP-300B光照培養箱，南京恒裕儀器有限公司，所有測試均在室溫下完成。

1.2 水溶性CQDs的制備

稱取生物質基活性炭0.3 g，置于250 mL圓底燒瓶中，加入40 mL HAc和80 mL 30% H2O2作為混合氧化劑(V(HAc) ∶V(H2O2)=1 ∶2)，用微波超聲(功率250 W，頻率50 kHz)處理30 min使混勻，然后在恒溫磁力攪拌器上加熱回流，先控制體系溫度緩慢上升，然后在100 ℃下磁力攪拌回流12 h，得到亮黃色的溶液。將新鮮制備的CQDs溶液用濾紙過濾，以除去大顆粒的雜質和未反應完全的活性炭，然后在旋轉蒸發儀上低溫(50 ℃)旋蒸至約2 mL，用乙醚洗滌萃取(2×20 mL)，再將萃取物旋轉蒸發至干燥，用超純水復溶至原體積即可。

取提純后的CQDs溶液50 mL，加入10 mL濃度為100 g/L的PEG2000溶液，充分混勻，先用微波超聲(功率250 W，頻率50 kHz)處理30 min，再用低檔微波處理30 min；然后在旋轉蒸發儀上旋轉蒸發，最后真空干燥后制得CQDs粉末。

1.3 碳量子點的表征

采用透射電子顯微鏡觀察樣品的尺寸和形貌，采用傅里葉紅外光譜儀分析檢測樣品的化學組成，采用紫外可見分光光度計和熒光分光光度計測定樣品的發光性能。以硫酸奎寧為參比，測量合成所得CQDs溶液的量子產率。

2 結果與討論

2.1 合成方法的選擇

為了得到發光性能優異的CQDs，對反應條件進行了優化。在0.3 g生物質基活性炭和40 mL HAc- 80 mL 30% H2O2混合氧化劑的條件下，首先考察反應溫度分別為60、 80、 100、 120 ℃制備CQDs，測定其熒光發射光譜(圖1)。結果顯示，隨著反應溫度的增加，熒光強度呈增大的趨勢；隨溫度的升高，熒光強度增大的幅度變小，故選擇反應溫度為100 ℃，水浴反應即可滿足條件，使反應設備簡化。然后確定溫度為100 ℃，反應時間分別為1、 2、 4、 6、 8、 10、 12、 14 h制備CQDs，測定其熒光發射光譜(圖2)。實驗結果表明，CQDs的熒光發射峰位置隨著反應時間的延長并沒有發生紅移或者藍移，考慮到實驗過程操作的方便性，選擇最佳反應時間為12 h。因此，CQDs的合成條件：0.3 g生物質基活性炭和40 mL HAc- 80 mL 30% H2O2混合氧化劑，反應溫度為100 ℃，反應時間為12 h。

2.2 提純方法的選擇

由于作為碳源的生物質基活性炭的粒徑不均一，且在CQDs的制備過程中，混合氧化劑與碳源之間復雜的相互作用，使得制備的CQDs的粒徑也不均一，從而使熒光強度減弱，熒光光譜展寬。如圖3所示，經提取后乙醚層的CQDs熒光光譜，熒光強度增大，半峰寬減小，熒光光譜峰藍移，且熒光光譜圖比較對稱、平滑(圖3a)；相反提純后水層的CQDs的熒光強度減弱，半峰寬增大，熒光光譜峰紅移，且熒光光譜圖不平滑(圖3c)。原因可能是乙醚作為萃取溶劑提純CQDs時，除去了未反應完全的炭顆粒和其它雜質，使粒徑較大的CQDs留在了水層，從而使乙醚層的CQDs較純，且粒徑較小，較均勻。

2.3 鈍化方法的選擇

對提純后的CQDs溶液分別采用高溫回流(120 ℃、 14 h)、超聲(功率250 W、頻率50 kHz、 30 min)、微波(功率400 W、 30 min)方法進行鈍化，同時嘗試采用超聲和微波相結合進行鈍化。結果如圖4所示，經鈍化后量子點的熒光強度均有所增大，高溫回流的增幅最小，其次是微波法，超聲法的效果較好，采用超聲和微波相結合法進行鈍化效果最好，熒光強度顯著增大，量子產率也從12.1%提高到19.6%，且節省時間，故選擇超聲和微波相結合法對碳量子進行鈍化。PEG2000的作用主要有兩個：一方面有效填補了碳納米顆粒表面缺陷，使其表面鈍化，從而使熒光強度增大，量子產率提高；另一方面在碳納米顆粒表面引入更多的羥基，不僅增加水溶性，還有利于與其它功能基團結合，擴大了應用范圍[11]。

圖1 不同反應溫度下制備的碳量子點的熒光圖譜

圖3 乙醚提純制得的CQDs(a)、未經提純的CQDs(b)及提純后水層的CQDs(c)的熒光光譜圖

2.4 碳量子點的表征

圖5為合成的CQDs的紫外吸收和熒光發射光譜圖，以及在暗箱式紫外燈下的照片。在280 nm附近出現了明顯的CQDs的紫外特征吸收峰(圖5a)[11-12]；在最佳激發波長316 nm下，CQDs的最大發射波長在435 nm左右，且熒光強度大(圖5b)，這同在暗箱式紫外燈下CQDs發射出明亮的藍色熒光(圖5c)相一致。

圖6是樣品的透射電鏡(TEM)照片，可以看出該法制備的CQDs分散性好，呈球形顆粒，粒徑為5～8 nm。

如圖7所示，在CQDs的紅外光譜圖a曲線中，在1702 cm-1處的強吸收峰歸屬于—COOH的伸縮振動峰；3415 cm-1的寬峰歸屬于—OH的伸縮振動峰；在活性炭的紅外光譜圖b曲線中，卻沒有羰基、羥基的特征吸收峰。結果表明，活性炭經氧化劑處理后化學成分有所改變，化學氧化法制得的CQDs中氧含量明顯增高，有大量的羰基、羥基出現。

考慮到量子點溶液的最大熒光發射波長與硫酸奎寧更接近，選擇硫酸奎寧為參比物，參照文獻方法，測量制備的CQDs的熒光量子產率得，最大熒光量子產率為19.6%[13]。

2.5 碳量子點的光學性質

2.5.1 碳量子點的穩定性 將CQDs水溶液放置于實驗室環境中，不定期取相同濃度的CQDs溶液，測定熒光強度，考察其穩定性情況。在考察的6個多月內，CQDs的熒光強度基本沒有變化，表明制備的CQDs具有很好的穩定性，具有廣闊的應用潛力。

2.5.2 pH值對碳量子點的影響 將CQDs用PBS緩沖液配制成一定濃度的溶液，使其pH值分別為2、 4、 6、 7、 8、 10、 12，在最佳激發波長316 nm下測定其熒光強度，結果如圖8所示，在偏酸或偏堿性條件下，CQDs的熒光強度均較低；在pH值為7附近時，溶液的熒光強度最大，此結果對于CQDs作為熒光標記物應用于細胞和生物醫學領域具有重要價值。

圖5 CQDs溶液的紫外吸收(a)和熒光發射光譜圖(b)以及在暗箱式紫外燈下的照片(c)

圖7 與活性炭的紅外光譜圖

2.5.3 光照對碳量子點的影響 以CdTe和 CdTe/CdS量子點作為參照，來考察CQDs的抗光漂白性[14]。在光照培養箱(溫度為25 ℃，光照強度為50.12 μmol/(m2·s)內，放置0、 2、 4、 6、 8、 10、 12 h后取樣，測定其熒光強度的變化。如圖9所示，連續光照12 h后，CQDs的熒光強度幾乎沒有變化；但是CdTe和 CdTe/CdS量子點的熒光強度隨著光照時間延長(0～8 h)緩慢的降低，8 h后迅速降低，至 12 h時降至零；結果表明CQDs的抗光漂白性優于CdTe和CdTe/CdS量子點，光學性質更穩定，有利于作為新的熒光標記物。

2.5.4 溫度對碳量子點的影響 將CQDs粉末用超純水溶解配制成一定濃度的CQDs溶液，分別放置在25、 30、 35、 40、 50 ℃的水浴中平衡30 min，然后在最佳激發波長316 nm下立即測定其熒光強度。如圖10所示，當溫度從25 ℃升至40 ℃，熒光強度幾乎沒有變化，但隨著溫度進一步升高，CQDs的熒光強度稍微有些減弱。結果表明，溫度對CQDs的熒光強度影響較小，室溫條件下儲存能夠保持熒光穩定，能夠滿足CQDs作為熒光標記物應用于生物成像等領域的需要。

圖9 光照對CQDs、CdTe與CdTe/CdS的影響

3 結 論

選用以木屑為前驅物制備的活性炭為碳源，采用化學氧化法，用聚乙二醇2000進行表面鈍化，制備出了水溶性的生物質基碳量子點。

3.1 優化了CQDs的合成方法，確定合成條件：0.3 g生物質基活性炭, 40 mL HAc- 80 mL 30% H2O2混合氧化劑，反應溫度為100 ℃，反應時間為12 h。

3.2 采用微波和超聲結合法進行鈍化，修復了CQDs的表面缺陷，熒光強度和量子產率均得到了提高。

3.3 通過CQDs的表征，表明了該方法制得的CQDs粒徑小、分散均勻，水溶性好且易于表面功能化。

3.4 光學性質考察，證實了CQDs的抗光漂白性強、光穩定性好，熒光強度具有pH值依賴性，中性環境下熒光強度最大。另外，該合成方法的碳源豐富、廉價、簡單易得[15]，氧化劑的反應產物為H2O和CO2，綠色環保，且易于大規模生產。

參考文獻：

[1]LEWINSKI N,COLVIN V,et al.Cytotoxicity of nanoparticles[J].Small,2008,4(1):26-49.

[2]CHEN L D,LIU J,YU X F,et al.The biocompatibility of quantum dot probes used for the targeted imaging of hepatocellular carcinoma metastasis[J].Biomaterials,2008,29(31):4170-4176.

[3]WU XY,LIU H,LIU J,et al.Immunofluorescent labeling of cancer marker herz and other cellular targets with semiconductor quantum dots[J].Nature Biotechnology,2002,21(1):41-46.

[4]GAO X.H,CUI Y Y,NIE S M,et al.In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots[J].Nature Biotechnology,2004,22(8):969-976.

[5]DERFUS A M,BHATIA S N,et al.Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots[J].Nano Letters,2004,4(1):11-18.

[6]SUN Y P,ZHOU B,LIN Y,et al.Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence[J].Journal of the American Chemical Society,2006,128(24):7756-7757.

[7]CAO L,WANG X,MEZIANI M J,et al.Carbon dots for multiphoton bioimaging[J].Journal of the American Chemical Society,2007,129(37):11318-11319.

[8]YANG S T,CAO L,et al.Carbon dots for optical imaging in vivo[J].Journal of the American Chemical Society,2009,131(32):11308-11309.

[9]盧辛成,蔣劍春,孫康,等.氯化鋅法制備杉木屑活性炭的研究[J].林產化學與工業,2013,47(6):16-20.

[10]李保強,劉鈞,李瑞陽,等.生物質炭的制備及其在能源與環境領域中的應用[J].生物質化學工程,2012,46(1):34-38.

[11]LIU C J,ZHANG P,et al.Nano-carrier for gene delivery and bioimaging based on carbon dots with PEI-passivation enhanceduorescence[J].Biomaterials,2012,33(13):3604-3613.

[12]ZHU H,WANG X L,LI Y L,et al.Microwave synthesis of fluorescent carbon nanoparticles with electrochemiluminescence properties[J].Chemical Communications,2009,14(34):5118-5120.

[13]GRABOLLE M,SPIELES M,LESNYAK V,et al.Determination of the fluorescence quantum yield of quantum dots: Suitable procedures and achievable uncertainties[J].Analytical Chemistry,2009,81(15):6285-6294.

[14]LIU H P,YE T,MAO C D.Fluorescent carbon nanoparticles derived from candle soot[J].Angewandte Chemie International Edition,2007,46(34):6473-6475.

[15]莊曉偉,劉志坤,陳順偉,等.生物質炭復合材料結構與性能的研究進展[J].生物質化學工程,2008,42(2):45-49.