一步微波法合成碳量子點(diǎn)及Cu2+對(duì)碳量子點(diǎn)熒光猝滅研究
——推薦一個(gè)儀器分析研究型綜合實(shí)驗(yàn)

傅應(yīng)強(qiáng)，李志文，周志林，劉彥銘，張霽月，孫啟耀

（安徽工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

儀器分析是基于物質(zhì)的物理和物理化學(xué)性質(zhì)建立起來的一種分析方法，在實(shí)驗(yàn)過程中需要使用比較復(fù)雜且昂貴的儀器，如紫外-可見分光光度計(jì)、紅外分光光度計(jì)、熒光光譜儀、透射電子顯微鏡等，要學(xué)好儀器分析就要學(xué)會(huì)掌握各種分析儀器的使用。因此，儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得尤為重要。然而受限于大型儀器臺(tái)套數(shù)的不足，學(xué)生必須分組分批才能完成儀器分析實(shí)驗(yàn)。為了豐富儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將科研工作簡化設(shè)計(jì)成綜合實(shí)驗(yàn)，可以給學(xué)生帶來前沿領(lǐng)域研究，也可以為學(xué)生后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)或未來的研究生學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)[1]。我們以科研成果為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了“一步微波法制備碳量子點(diǎn)及銅離子對(duì)碳量子點(diǎn)的熒光猝滅研究”這一研究型綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括微波法合成碳量子點(diǎn)、碳量子點(diǎn)的形貌和光學(xué)性質(zhì)表征以及Cu2+對(duì)碳量子點(diǎn)熒光的猝滅研究。

碳量子點(diǎn)(carbon quantum dots，CQDs)是一類尺寸在10 nm以下的新型熒光碳納米材料，是在利用電泳法制備單壁碳納米管(SWCNTs)的純化過程中被Xu等人意外發(fā)現(xiàn)的[2]。碳量子點(diǎn)具有水溶性良好、光穩(wěn)定性好、強(qiáng)的光致發(fā)光性、生物低毒性、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]，近些年來，在熒光傳感技術(shù)[4-5]、細(xì)胞成像[6]、離子檢測[7]等方面都有很大的應(yīng)用價(jià)值。

該綜合實(shí)驗(yàn)首先以檸檬酸為碳源通過一步微波法合成熒光碳量子點(diǎn)，再通過透射電子顯微鏡進(jìn)行形貌表征，利用紫外-可見光譜儀、紅外光譜儀、熒光光譜等對(duì)碳量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。最后加入Cu2+對(duì)碳量子點(diǎn)熒光猝滅進(jìn)行研究。通過綜合實(shí)驗(yàn)的開展，使學(xué)生熟悉納米材料合成、形貌結(jié)構(gòu)表征、光學(xué)性能測試等相關(guān)原理和實(shí)驗(yàn)技能。教學(xué)實(shí)踐表明，通過該綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)可以對(duì)所學(xué)的幾種儀器分析原理加以鞏固，可以鍛煉學(xué)生的儀器操作動(dòng)手能力、激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣、提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合運(yùn)用知識(shí)能力等。還可以了解科學(xué)前沿的熱點(diǎn)，科學(xué)研究的方法，做到教學(xué)與科研相結(jié)合，拓展學(xué)生的視野，從而提高學(xué)生的綜合能力。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）掌握碳量子點(diǎn)的制備、性質(zhì)及應(yīng)用領(lǐng)域。

（2）掌握透析純化操作。

（3）掌握紫外-可見吸收光譜、熒光光譜的原理及操作。

（4）掌握紅外吸收光譜的原理及操作。

（5）掌握透射電鏡的原理及操作。

2 實(shí)驗(yàn)原理

微波快速加熱使得有機(jī)物碳化，形成表面基團(tuán)豐富的碳量子點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)碳源可形成多種摻雜型碳量子點(diǎn)[8-9]，也可以通過微波加熱的功率調(diào)節(jié)獲得不同形貌的碳量子點(diǎn)。

碳量子點(diǎn)具有很強(qiáng)的熒光，當(dāng)加入Cu2+之后，由于Cu2+外圍的d軌道電子不是全充滿狀態(tài)，碳量子點(diǎn)的電子軌道能級(jí)和Cu2+d軌道能級(jí)相近時(shí)，會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，碳量子點(diǎn)的電子轉(zhuǎn)移到Cu2+的d軌道上，使得碳量子點(diǎn)熒光猝滅[10-12]。

3 試劑和儀器

3.1 試劑

表1 實(shí)驗(yàn)所需主要試劑

3.2 儀器

表2 實(shí)驗(yàn)所需儀器

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 碳量子點(diǎn)的制備

用分析天平稱取0.5000g的檸檬酸和0.3000g的尿素于100mL燒杯中，加入10.00mL蒸餾水溶解，超聲振蕩10min，然后放置在微波爐中，調(diào)節(jié)合適功率微波反應(yīng)3min，得到棕黑色物質(zhì)，冷卻后加水使反應(yīng)后的物質(zhì)溶解，然后離心10min(12000r/min)，用1000 D透析袋透析24h，再用樣品濃縮儀濃縮至一定濃度備用。

4.2 紫外可見吸收光譜和熒光光譜表征

取碳量子點(diǎn)母液分散稀釋25倍，測試其紫外可見吸收光譜和熒光激發(fā)、發(fā)射光譜。依次設(shè)定熒光激發(fā)波長322-412 nm，每間隔10 nm測定一次發(fā)射光譜，探究碳量子點(diǎn)熒光的激發(fā)波長依賴性。

4.3 碳量子點(diǎn)透射電鏡和紅外吸收光譜表征

利用透射電子顯微鏡（TEM）、傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）對(duì)合成的碳量子點(diǎn)進(jìn)行透射電鏡成像和紅外吸收表征。

4.4 銅離子猝滅實(shí)驗(yàn)

取8只10 mL比色管，加入1 mL碳量子點(diǎn)母液和不同體積的Cu2+溶液，蒸餾水定容至刻度，使8只比色管中的Cu2+濃度從0變化至50 μmol/L。在362 nm激發(fā)下掃描各組溶液的熒光發(fā)射光譜。

5 結(jié)果與討論

5.1 透射電鏡和紅外吸收光譜表征結(jié)果

圖1為碳量子點(diǎn)的透射電鏡圖像，由圖可以看出所制備的碳量子點(diǎn)分散良好，呈球形，粒徑范圍為3.0-6.0 nm。圖2為碳量子點(diǎn)的傅里葉變換紅外吸收光譜，可以看出在波長為3428cm-1有明顯的-OH伸縮振動(dòng)峰，在波長為2973cm-1有明顯的-CH峰，在2927cm-1波長下是-CH峰，在1648cm-1的波長下，出現(xiàn)-C=O伸縮振動(dòng)峰，表明通過該方法合成的碳量子點(diǎn)表面有明顯的羰基和羥基功能基團(tuán)。

圖1 碳量子點(diǎn)透射電鏡圖

圖2 碳量子點(diǎn)的傅里葉變換紅外吸收光譜圖

5.2 碳量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)

圖3和圖4分別是碳量子點(diǎn)的紫外可見吸收光譜和熒光激發(fā)、發(fā)射光譜。分析其紫外吸收曲線可知，當(dāng)以檸檬酸和尿素為碳源微波法合成碳量子點(diǎn)時(shí)，在240 nm和340 nm處有兩處吸收峰，由于碳量子點(diǎn)的π-π*躍遷導(dǎo)致其在240 nm處有一明顯的吸收峰，由于碳量子點(diǎn)內(nèi)部n-π*電子躍遷使340 nm處出現(xiàn)吸收峰。以檸檬酸為單一碳源，通過微波法得到的碳量子點(diǎn)，吸收峰主要集中在200-300 nm之間，分析原因是檸檬酸結(jié)構(gòu)中存在C=O的不飽和鍵，此不飽和鍵發(fā)生π-π*躍遷會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)吸收峰。分析熒光光譜可知，最大激發(fā)波長為362 nm，最大發(fā)射波長為442 nm。圖5為碳量子點(diǎn)在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜。以檸檬酸和尿素為碳源微波法合成的碳量子點(diǎn)，隨著激發(fā)波長由322 nm變化到412 nm，熒光發(fā)射峰逐漸向長波方向移動(dòng)，最大發(fā)射波長由447 nm變化到503 nm，同時(shí)熒光強(qiáng)度變化呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢，先變大后變小。表明該合成方法合成的碳量子點(diǎn)有激發(fā)光波長依賴性。

圖3 碳量子點(diǎn)的紫外可見吸收光譜

圖4 碳量子點(diǎn)的熒光激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜圖

圖5 不同激發(fā)波長下的碳量子點(diǎn)熒光發(fā)射光譜圖

5.3 Cu2+對(duì)碳量子點(diǎn)的熒光猝滅探究

相同濃度碳量子點(diǎn)加入不同濃度的Cu2+之后的熒光發(fā)射光譜如圖6所示，由圖可以看出隨著Cu2+濃度的增大碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度逐漸下降，Cu2+對(duì)碳量子點(diǎn)的熒光有明顯的猝滅效果，同時(shí)由圖也可以發(fā)現(xiàn)碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度下降值和加入的Cu2+濃度并不是成正比關(guān)系。取未加Cu2+的碳量子點(diǎn)最大發(fā)射峰處的熒光強(qiáng)度為F0加入Cu2+之后的碳量子點(diǎn)最大發(fā)射峰處的熒光強(qiáng)度為F，計(jì)算各組的F0/F-1并對(duì)Cu2+濃度作圖，結(jié)果如圖7所示，F(xiàn)0/F-1隨Cu2+濃度變化呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)特征。當(dāng)Cu2+濃度較小時(shí)，增大Cu2+濃度F0/F-1值增幅較大，后逐漸變緩。這是由于碳量子點(diǎn)對(duì)Cu2+有一定的吸附作用，只有那些被吸附到碳量子點(diǎn)表面的Cu2+才能有效接受碳量子點(diǎn)激發(fā)態(tài)的電子，Cu2+濃度較小時(shí)猝滅速率主要受擴(kuò)散控制，Cu2+濃度較大時(shí)猝滅速率主要受猝滅速率控制。因此碳量子點(diǎn)的表面結(jié)構(gòu)形貌對(duì)Cu2+猝滅碳量子點(diǎn)熒光影響比較大。

圖6 不同濃度的Cu2+對(duì)碳量子點(diǎn)熒光猝滅圖

圖7 F0/F-1與加入的Cu2+濃度關(guān)系圖

6 實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排

所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)涉及碳量子點(diǎn)合成、表征以及猝滅的綜合實(shí)驗(yàn)，主要面向化學(xué)相關(guān)專業(yè)三年級(jí)本科生或研究生一年級(jí)的學(xué)生開設(shè)。所涉及的儀器分析環(huán)節(jié)可根據(jù)各學(xué)校儀器條件適當(dāng)增減。建議學(xué)時(shí)安排：資料查閱和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，2學(xué)時(shí)；碳量子點(diǎn)合成和透析純化，4學(xué)時(shí)；紫外吸收光譜測試和紅外吸收光譜測試，4學(xué)時(shí)；透射電鏡表征，4學(xué)時(shí)；熒光光譜以及銅離子猝滅實(shí)驗(yàn)，6學(xué)時(shí)；數(shù)據(jù)處理撰寫報(bào)告及總結(jié)討論，4學(xué)時(shí)。以安徽工程大學(xué)應(yīng)用化學(xué)拔尖班教學(xué)安排為例，該班級(jí)一般有40名學(xué)生，按5人為一個(gè)小組，分為8組。實(shí)驗(yàn)采取開放式進(jìn)行，每個(gè)小組利用課余時(shí)間完成資料查閱和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、碳量子點(diǎn)合成和透析純化，儀器實(shí)驗(yàn)部分按紫外吸收、紅外吸收、透射電鏡和熒光光譜四種儀器進(jìn)行分組循環(huán)進(jìn)行，最后對(duì)所有測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之后撰寫報(bào)告總結(jié)討論。

7 結(jié)語

微波法合成碳量子點(diǎn)方法簡單、快速，多組同學(xué)可共用一臺(tái)微波爐，對(duì)實(shí)驗(yàn)場地要求較低。由于合成的碳量子點(diǎn)較穩(wěn)定，且各種儀器測試無先后次序制約，有利于靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間。碳量子點(diǎn)有多種制備方法，除微波法之外還有水熱法、碳納米顆粒酸活化法、電化學(xué)合成法等等，可視學(xué)校條件讓學(xué)生進(jìn)行不同方法的嘗試與探索。此實(shí)驗(yàn)通過一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)按學(xué)生學(xué)習(xí)多個(gè)儀器的操作使用，解決了儀器分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)不足的難題，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可視具體情況增減，實(shí)驗(yàn)過程也可以進(jìn)行探索研究，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，對(duì)鍛煉學(xué)生的科研思維和動(dòng)手能力都大有裨益，既培養(yǎng)了學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，又提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。