熒光碳量子點的水熱合成及其條件優(yōu)化*

王 蕓，李春興，胡曉熙

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126)

碳量子點(CQDs)是一種新型的零維碳基納米材料，其形貌呈近球形，尺寸通常小于10 nm。碳量子點具有良好的光學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、較低的生物毒性，且易于被表面功能化等特點，自發(fā)現(xiàn)以來便受到了廣泛的關(guān)注。碳量子點一般由無定型結(jié)構(gòu)的碳核和表面官能團(tuán)組成，其表面通常含有豐富的親水性基團(tuán)，如羧基、氨基和羥基等，因此在水中具有良好的溶解性和穩(wěn)定性[1]。光致發(fā)光特性是碳量子點的重要特性，即在外部激光照射下能夠發(fā)射出不同波長的熒光。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(QDs)也是一種能夠通過激發(fā)發(fā)光的半導(dǎo)體粒子，但半導(dǎo)體量子點的合成成本很高，且具有一定的毒性，而碳量子點能夠大規(guī)模、廉價地合成，因此碳量子點有望替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點。與常規(guī)有機(jī)或無機(jī)熒光體相比，碳量子點具有熒光可調(diào)節(jié)性，不閃爍的熒光特點和優(yōu)異的光穩(wěn)定性。目前，碳量子點已在生物醫(yī)學(xué)成像，熒光傳感，物質(zhì)檢測等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[2-5]。

制備碳量子點的方法主要分為兩類：自上而下法和自下而上法。自上而下法，顧名思義，將大塊材料分解成更小的納米材料，而自下而上的方法包括較小的單元形成較大的實體，如水熱法。水熱法的優(yōu)勢包括碳源來源廣泛、經(jīng)濟(jì)、高效、綠色環(huán)保以及可大規(guī)模生產(chǎn)[6]。本研究首次以乙二胺四乙酸和L-半胱氨酸為原料，采用水熱法綠色合成了具有較好熒光性能的碳量子點，并對其合成條件進(jìn)行了詳細(xì)的研究，探究了乙二胺四乙酸與L-半胱氨酸的質(zhì)量比，反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時間對碳量子點的熒光強度的影響，從而確定碳量子點的最優(yōu)合成條件。

1 實 驗

1.1 試劑和儀器

乙二胺四乙酸(分析純)，阿拉丁生化科技有限公司；L-半胱氨酸(分析純)，上海麥克林生化有限公司。

送風(fēng)定溫恒溫器(DKM310C)，重慶雅馬拓科技有限公司；高速離心機(jī)(TG20.5)，上海盧湘儀儀器有限公司；熒光分光光度計(AgilentCary Eclipse)，美國安捷倫公司。

1.2 實驗方法

首先在燒杯中依次加入1.0 g乙二胺四乙酸、0.2 g L-半胱氨酸，再加入20 mL三重蒸餾水，超聲震蕩10 min后可得到乳白色的混合液。將上述混合液倒入聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，再把高壓反應(yīng)釜放置在送風(fēng)定溫恒溫器中，設(shè)置反應(yīng)溫度為180 ℃，反應(yīng)時間為8 h。反應(yīng)結(jié)束并等到反應(yīng)釜冷卻至室溫后，用離心機(jī)以10000 r/min的轉(zhuǎn)速分離樣品溶液中的大顆粒物質(zhì)，取出棕黃色的上清液并用透析膜(MWCO=1000 Da)在三重蒸餾水中透析24 h，以除去未反應(yīng)的乙二胺四乙酸和L-半胱氨酸。最后使用0.22 μm尼龍膜過濾器將透析后的樣品溶液進(jìn)一步過濾，即可得到碳量子點溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料比例的優(yōu)化

首先研究原料乙二胺四乙酸和L-半胱氨酸的質(zhì)量比對碳量子點熒光強度的影響。分別設(shè)置一系列不同的原料比例，即0.6 g乙二胺四乙酸和0.2 g L-半胱氨酸、0.8 g乙二胺四乙酸和0.2 g L-半胱氨酸、1.0 g乙二胺四乙酸和0.2 g L-半胱氨酸、1.2 g乙二胺四乙酸和0.2 g L-半胱氨酸、1.4 g乙二胺四乙酸和0.2 g L-半胱氨酸，質(zhì)量比分別為3:1、4:1、5:1、6:1、7:1；同時固定反應(yīng)溫度為180 ℃，反應(yīng)時間為8 h。分別取1 mL由不同原料比制備得到的碳量子點溶液，并用三重蒸餾水定容至10 mL，在熒光分光光度計中檢測其熒光發(fā)射強度。如圖1所示，當(dāng)乙二胺四乙酸與L-半胱氨酸的質(zhì)量比為5:1時，碳量子點的熒光強度達(dá)到最大值。當(dāng)原料比過低時，沒有更多的原料用于碳化；而乙二胺四乙酸與L-半胱氨酸的質(zhì)量比過高時，由于原料堆積過多，多余的原料阻礙了碳化，因此所制備得到的碳量子點熒光強度下降。綜上所述，乙二胺四乙酸與L-半胱氨酸的最佳質(zhì)量比為5:1。

圖1 不同原料比對碳量子點熒光強度的影響Fig.1 Effect of different material ratios on the fluorescence intensity of carbon quantum dots

2.2 水熱反應(yīng)溫度的優(yōu)化

反應(yīng)溫度對碳量子點的形成至關(guān)重要。同樣，采用單因素變量法研究反應(yīng)溫度對碳量子點熒光發(fā)射強度的影響。首先固定原料的質(zhì)量比例為5:1，即1.0 g乙二胺四乙酸和0.2 g L-半胱氨酸，固定反應(yīng)時間為8 h。再設(shè)置一系列不同的反應(yīng)溫度，即140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃、220 ℃，各取1 mL反應(yīng)得到的碳量子點溶液，并用蒸餾水定容至10 mL，然后通過熒光分光光度計檢測不同反應(yīng)溫度制備得到的碳量子點的熒光強度，其結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，在其它條件不變的情況下，不同的水熱反應(yīng)溫度對碳量子點合成影響不同。當(dāng)反應(yīng)溫度為180 ℃時，所合成得到的碳量子點的熒光強度最高；而低于180 ℃時(140 ℃和160 ℃)，碳化不夠徹底，表面的基團(tuán)沒有完全形成，從而使得其熒光發(fā)射強度較低；高于180 ℃(200 ℃和220 ℃)時，可能由于過高的溫度對碳量子點的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞[7]，故熒光也有所下降。綜合以上分析，可知180 ℃為最佳的水熱反應(yīng)溫度。

圖2 不同反應(yīng)溫度下的熒光強度Fig.2 Fluorescence intensity at different reaction temperatures

2.3 水熱反應(yīng)時間的優(yōu)化

最后，探究合成碳量子點的最佳水熱反應(yīng)時間。控制原料的質(zhì)量比5:1(1.0 g乙二胺四乙酸和0.2 g L-半胱氨酸)，反應(yīng)溫度為180 ℃不變，然后設(shè)置一系列不同的水熱反應(yīng)時間(2、4、6、8、10 h)，取反應(yīng)得到的碳量子點溶液1 mL至比色管后用蒸餾水定容到10 mL，再采用熒光分光光度計檢測由不同反應(yīng)時間制備得到的碳量子點的熒光發(fā)射強度。如圖3所示，不同的水熱反應(yīng)時間對合成的碳量子點產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)反應(yīng)時間從2 h增加到8 h時，所合成得到的碳量子點的熒光強度逐漸增強，并在水熱反應(yīng)時間為8 h時達(dá)到最大值，這是因為隨著反應(yīng)時間的增加，碳化程度逐漸提高，碳核表面的官能團(tuán)逐漸形成，從而形成了較強的熒光發(fā)射中心；而當(dāng)反應(yīng)時間從8 h增加到10 h時，所制備得到的碳量子點的熒光強度則開始下降，可能是反應(yīng)時間過長會對碳量子點的碳核及表面官能團(tuán)產(chǎn)生影響，破壞了碳量子點的熒光發(fā)射中心，使其熒光發(fā)射減弱。因此，通過單因素變量法研究得到，最佳的水熱反應(yīng)時間為8 h。

圖3 不同水熱反應(yīng)時間對碳量子熒光強度的影響Fig.3 Effect of different reaction times on the fluorescence intensity of carbon quantum dots

2.4 不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射譜圖

圖4 碳量子點在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射譜圖Fig.4 Fluorescence emission spectra of carbon quantum dots at different excitation wavelengths

由乙二胺四乙酸和L-半胱氨酸合成的碳量子點的熒光發(fā)射表現(xiàn)出激發(fā)波長依賴性，即隨著激發(fā)波長的不同，碳量子點的熒光發(fā)射波長和熒光強度也發(fā)生變化。由最佳合成條件制備得到的碳量子點水溶液的熒光發(fā)射譜圖如圖4所示，隨著激發(fā)波長的增加，碳量子點的發(fā)射波長逐漸紅移(熒光發(fā)射峰對應(yīng)的波長由392 nm移動到455 nm)，熒光發(fā)射強度先逐漸增強再逐漸減弱，當(dāng)激發(fā)波長為330 nm時，熒光發(fā)射強度達(dá)到最大值，所對應(yīng)的發(fā)射波長為397 nm。碳量子點的這種激發(fā)依賴行為可歸因于碳量子點表面含有不同的官能團(tuán)，也說明了所合成的碳量子點具有熒光可調(diào)性。

3 結(jié) 論

本實驗以乙二胺四乙酸和L-半胱氨酸為原料，通過一步水熱法成功合成了熒光碳量子，通過單因素實驗獲得最佳的合成條件為：乙二胺四乙酸與L-半胱氨酸的質(zhì)量比為5:1，水熱反應(yīng)溫度為180 ℃，水熱反應(yīng)時間為8 h。所制備得到的碳量子點的熒光發(fā)射具有激發(fā)波長依賴性，具有較好的熒光性能，為熒光碳量子點的應(yīng)用提供有用的參考。