熒光碳點的制備及其熒光特性的研究和應用

楊雅儒，陸灃，胡敏，吳宥伸，向丹，高培紅，張雯

西安交通大學化學院化學實驗中心，西安 710049

無機化學實驗是化學及相關專業學生的必修課程。傳統的無機化學實驗以驗證和制備實驗為主，內容較為陳舊，與當今科技的迅速發展不相匹配。故我校近兩年正著手推進無機化學實驗課程的改革，即以科學性為基礎，將涉及科技前沿的材料納入實驗教學中，增強學生實驗技能的同時，加強實驗的趣味性、實用性和時代感，讓學生在實驗過程中增強專業技能，了解科技前沿，全身心地融入到實驗中。

多色熒光碳量子點作為近幾年新興的熒光材料，具有綠色環保、發光性能好、制備簡單易操作等特點，現有的熒光碳點制備方法主要分為兩大類，即以電解、刻蝕石墨烯等大分子的“自上而下”法和以有機小分子為前驅體的“自下而上”法，其中應用較多的為“自下而上”法，如基于碳點的發光特性將其應用于生物體系的檢測和成像[1]，或是熒光防偽[2]。“熒光碳點的制備及其熒光特性”綜合實驗的開設，可以幫助學生理解光致發光理論，掌握電熱恒溫干燥箱、真空干燥箱、紫外可見分光光度計、熒光分光光度計以及origin數據軟件的使用方法，實驗最后設計了熒光碳點應用于防偽墨水這一項內容，鼓勵學生學以致用，強化在科研實踐中根據材料特點設計運用到各種不同生產實踐場景的意識，從而培養學生的自主創新意識和專業報國情懷。熒光碳點的制備及熒光特性表征實驗已在我校2018和2019級化學、宗濂等專業學生中開設，受到學生的一致好評。

1 實驗目的

(1) 掌握“自下而上”法制備熒光碳點，理解熒光的產生機制；

(2) 熟練掌握熒光分光光度計的使用方法和相對熒光量子產率測定方法；

(3) 探索熒光激發光譜和熒光發射光譜的關系，以及溶液濃度和pH對熒光發射強度的影響；

(4) 掌握采用origin數據軟件對實驗數據作圖分析。

2 實驗原理

2.1 熒光碳點的制備

熒光碳材料是一種典型的無機熒光納米材料，為目前熱點研究的功能納米材料之一。熒光碳點指的是一種尺寸小于10 nm的零維納米材料，其中碳元素采用sp2雜化，并可進行N、P、O、S等元素的摻雜。通過調節熒光碳點的尺寸大小、元素組成和表面結構，可制備出不同發光特性的熒光碳點。熒光碳點的制備分為“自上而下”法和“自下而上”法。“自上而下”法是指用電解、激光刻蝕等方法，將塊狀石墨粉碎成納米尺寸的熒光碳點，“自下而上”法是指以有機物為前驅體，在高溫條件下合成熒光碳點。相較于“自上而下”的合成方法，“自下而上”法具有簡單、快捷、產率高的優勢，應用于本科生實驗，可重復性強、成功率高，故本實驗采用“自下而上”法，即以有機物檸檬酸、檸檬酸銨、尿素和多乙烯多胺作為前驅體，分別制備藍色熒光碳點(BC-dot)和氮摻雜的綠色熒光碳點(GC-dot)，如圖1所示[3]。

圖1 熒光碳點的固相合成(改編自Inorg. Chem出版社) [3]

2.2 碳點熒光發射原理

碳點發射的熒光屬于光致發光，它的發光過程為吸收光和發射光兩個過程，如圖2所示，物質在吸收激發光后，電子由基態躍遷到激發態，通過振動弛豫和內轉移，高激發單重態的電子躍遷回第一激發單重態的最低振動能級后，電子由第一激發單重態躍遷回基態，同時發出熒光，熒光的壽命為10?7–10?8s，這兩個過程分別對應熒光物質的熒光激發、發射光譜[4]，其中最大發射和激發峰之差為Stokes位移。由于電子在由激發態向基態躍遷時，有部分能量損失，故而發射光的能量小于激發光的能量，即λem>λex。同時，物質熒光強度與物質本身結構、濃度、外部溶劑、pH等因素有關。在本實驗中將進一步考察濃度、溶劑和pH對物質熒光強度的影響。

圖2 熒光碳點的發光原理(改編自ACS Nano出版社) [4]

2.3 熒光量子產率

熒光量子產率是表示物質發射熒光的能力的一個基本參數，指的是熒光物質吸光后所發射的熒光的光子數與吸收的激發光的光子數的比值，可采用絕對法和相對法測定，用Yf表示：

本實驗采用相對法測定熒光碳點的熒光量子產率，即以羅丹明6G(R6G)的乙醇溶液作為本實驗的參比物質。通過比較熒光碳點溶液和R6G的乙醇溶液在同樣測試條件下所測得的積分熒光面積和對該激發波長對應的吸光度，測量熒光碳點的熒光量子產率，用Yu表示：

其中，Fu、Au、nu分別表示熒光碳點的積分熒光強度、吸光度和溶劑的折射率；Ys、Fs、As、ns分別表示R6G乙醇溶液的熒光量子產率、積分熒光面積、吸光度和溶劑的折光率[5]。

3 試劑和儀器

3.1 試劑

多乙烯多胺(275MW)、尿素(AR)、檸檬酸(AR)、檸檬酸銨(AR)、羅丹明6G(AR)、pH為4–10的緩沖溶液、無水乙醇、去離子水、聚乙烯醇(PVA)。

3.2 儀器

研缽、坩堝、坩堝鉗、燒杯、玻璃棒、電熱恒溫干燥箱、真空干燥箱、離心機、石英比色皿、F-2700型熒光分光光度計。

4 實驗步驟

4.1 熒光碳點的制備

(1) 分別稱取0.2 g檸檬酸銨和0.2 g尿素，用研缽充分研磨，將研磨后的粉末轉移至坩堝中，在200 °C下反應1 h，將反應后的產物溶于50 mL去離子水中，離心(12000 rpm，20 min)，即可得到GC-dot溶液，凍干備用。

(2) 稱取1.25 g檸檬酸，量取0.5 mL多乙烯多胺和10 mL去離子水于坩堝中，攪拌使其混合均勻，在200 °C下加熱1 h，將產物溶于水，再經過離心(12000 rpm，20 min)，即可得到BC-dot溶液，凍干備用。

4.2 熒光光譜的測定及熒光量子產率的測定

4.2.1 熒光激發與熒光發射光譜

(1) 選擇450 nm左右的光為激發光，測定470–670 nm波長范圍內的稀釋100倍的GC-dot溶液熒光發射光譜，選擇最大發射波長λem為發射光，測定300–550 nm范圍內的熒光激發光譜，在最大激發波長λex處，GC-dot溶液有最大熒光激發強度，并在此最大激發波長λex下，掃描熒光發射光譜，此時在最大發射波長處碳點溶液的熒光發射強度最大。

(2) BC-dot的熒光激發光譜與熒光發射光譜的測定同理，不同之處在于初始激發光為380 nm左右，熒光發射光譜的測定范圍為400–650 nm，熒光激發光譜的測定范圍為300–450 nm。

4.2.2 相對熒光量子產率的測定

(1) 配制濃度約為5 × 10?6mol·L?1R6G乙醇溶液，測定其在405 nm波長處的吸光度。用去離子水稀釋碳點溶液，使其分別在405 nm波長處具有與R6G乙醇溶液近似的吸光度。

(2) 在405 nm激發波長下，分別測定R6G乙醇溶液、稀釋后的GC-dot溶液、稀釋后的BC-dot溶液和稀釋后的RC-dot溶液在415–700 nm波長范圍內的熒光發射強度，繪制成曲線，計算相應的積分熒光強度，將其值帶入式(2)中計算。

4.3 熒光發射強度熒光強度的影響因素

4.3.1 熒光發射強度與濃度的關系

配制不同濃度的碳點溶液測量其熒光激發和發射光譜并采用origin軟件繪制光譜圖和根據最大熒光發射強度與碳點溶液的濃度關系圖。

4.3.2 熒光發射強度與溶液pH的關系

以最大吸收波長λm為激發波長，測定碳點溶液在pH為4.72、5.48,、6.44、7.69、9.59下的熒光強度。

4.3.3 熒光發射強度與溶劑的關系

分別配置體積分數為0%，20%，40%，60%，80%和100%的水的乙醇溶液，觀察同濃度的碳點在不同溶劑中的熒光發光情況并測定熒光強度。

4.4 熒光墨水的配制

分別計算BC-dot溶液和GC-dot溶液的濃度，將其稀釋為3 mg·mL?1的溶液。

分別取1.5 mL碳點溶液、1 mL無水乙醇和7.5 mL PVA水溶液(200 mg·mL?1)，充分攪拌，使其混合均勻，即得藍色熒光墨水和綠色熒光墨水[6]。

5 結果與討論

5.1 熒光碳點的熒光激發光譜與熒光發射光譜

本實驗制備所得的熒光碳點分別是GC-dot和BC-dot，如圖3所示(學生作品展示)，其中熒光峰值位于400–500 nm的熒光碳點發藍光，熒光峰值位于500–540 nm的熒光碳點發綠光。

圖3 紫外光照射下的綠色碳點溶液和藍色碳點溶液

如圖4所示，GC-dot和BC-dot最大發射波長λem都相對于最大激發波長λex發生了紅移，即λem>λex，如圖4a中，Δλ= 103 nm，圖4b中，Δλ= 84 nm，即GC-dot和BC-dot的Stokes位移分別為103 nm和84 nm。

圖4 綠色碳點溶液(a)和藍色碳點溶液(b)的熒光激發光譜與熒光發射光譜的關系

5.2 熒光量子產率的測定

采用相對測量法測定熒光量子產率時，要在測定熒光發射光譜前將待測溶液的吸光度調整到和R6G乙醇溶液的吸光度一致，公式變為：

利用origin軟件對各熒光發射光譜(圖5)進行積分運算和查表，可得到如表1所示的數據。

圖5 相對熒光量子產率

表1 熒光量子產率的計算

由表1可知，GC-dot與BC-dot的熒光量子產率分別為0.51與0.50，文獻報道的GC-dot水溶液的熒光量子產率為0.13[3]。

應當指出的是相對法測定熒光量子產率時，標準物的選擇、純度、濃度對結果影響較大。

5.3 熒光發射強度的影響因素

5.3.1 熒光發射強度與溶液濃度的關系

由熒光定量關系式Beer-Lambert定律[8]：

當abc非常小時(<< 0.05)，e?abc≈ 1 ? abc，

其中，b為液池厚度，I0為入射光強，c為待測液的濃度。

如圖6所示，在一定濃度范圍內，熒光發射強度If隨著c的增大而增強，線性相關系數大于0.99，呈良好線性關系。

圖6 GC-dot溶液和BC-dot溶液熒光強度與濃度的關系圖

5.3.2 熒光發射強度與溶液pH的關系

如圖7所示，BC-dot和GC-dot在不同pH溶液中的發光強度不同。其中BC-dot在中性和弱酸性溶液中的發光強度較大，而在弱堿性溶液中的發光強度明顯減小，相較于pH為中性的溶液中減小了15%，而GC-dot在不同緩沖溶液中的發光現象恰好與BC-dot相反，可能是BC-dot與GC-dot表面的官能團不同，因而酸堿度會對其發光產生影響。

圖7 熒光發射強度與溶液pH的關系

5.3.3 熒光發射強度與溶劑的關系

由圖8可以觀察到，GC-dot的熒光發射強度基本隨乙醇濃度的增加而增大，其相對熒光發射強度由1增加到2.16，BC-dot的熒光發射強度則與之相反，當溶劑為無水乙醇時，其相對熒光發射強度降至0.59，可以解釋為乙醇的―OH會破壞BC-dot的分子結構，使其猝滅，亦或是溶液極性的改變會使碳點分子的結構改變，從而影響其熒光發射強度。

圖8 熒光發射強度與溶劑的關系

5.4 熒光墨水的防偽應用

用鋼筆吸取少量熒光墨水，即可進行圖案設計，學生可自由發揮。

圖9依次是用熒光墨水在牛皮紙、木頭、塑料和玻璃上進行書寫的效果圖，可以觀察到，在無紫外線照射時，各個材料上均無明顯的書寫印記，但字跡處于紫外燈的照射下時，會發出明顯的熒光，證明所得熒光墨水可用于不同材質體系的防偽。

圖9 不同材質表面的熒光防偽

6 注意事項及教學建議

在實驗過程中，須注意：在制備熒光碳點時，不同組坩堝務必標記，避免混淆；同時由于反應溫度高達200 °C，故待樣品冷卻后取出樣品以避免燙傷；本實驗的反應物多乙烯多胺為強堿性，具有一定腐蝕性，使用時注意防護；熒光測試時使用四通石英比色皿。

本實驗涉及固相合成制備技術，發光原理、發光性能參數測定及應用拓展環節，同時配有數據處理軟件origin的使用教學視頻輔助學生完成數據處理，建議以綜合實驗在修完無機化學和儀器分析課程的本科二年級學生中開設，總學時8課時，合成及后處理2課時，發光性能測試、數據處理4課時，防偽應用拓展1課時，討論1課時。在西安交通大學運行時采用兩人一組、8人一大組進行實驗，每個實驗班最多32人，每年度4個實驗班，為化學和宗濂專業的學生。本實驗的碳點屬于目前科研熱點之一，且其發光特性明顯，通過肉眼觀察和光譜數據測定，學生將對光致發光有一個感性和理性的認知，同時，本實驗也可激發學生的好奇心和求知欲，其中的應用環節有利于學生創新意識和專業報國意識的培養。

7 結語

本實驗采用自下而上的方法制備熒光碳量子點，然后對其發光特性進行表征及應用。通過本次實驗，學生不僅能夠提高自己的實驗操作技能，而且可以熟練掌握無機納米材料制備的常用方法，同時學習電熱恒溫干燥箱、真空干燥箱、熒光分光光度計的使用方法，學習數據處理軟件origin以提高數據處理的能力。

學生可通過本次實驗探索熒光激發光譜和熒光發射光譜的關系、熒光發射強度與溶液濃度和pH的關系，深入理解Stokes位移、熒光量子產率等相關概念。本實驗所使用的實驗藥品毒性小、對環境友好，符合綠色化學的原則。熒光本身所具有的特殊色彩和本實驗所蘊含的趣味性將激發學生深入探索熒光的發光機制、影響熒光發光的因素等與熒光相關的知識，熒光墨水的應用可引導學生學以致用，激發其創新思維與科技強國的情懷。