劉 睿， 沈鴻烈， 崔樹松， 李樹兵， 葛加偉， 江耀華

(南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇省能量轉(zhuǎn)換材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210016 )

1 引 言

碳點(diǎn)(Carbon dots，CDs)作為一種原料廉價(jià)、合成便捷的新型碳納米材料，具有優(yōu)良的發(fā)光性能、抗光漂白能力和良好的水溶性、化學(xué)穩(wěn)定性以及生物相容性[1-5]，在分子傳感、離子檢測(cè)、光催化、藥物載體及生物成像等研究領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展[6-7]。通常條件下所合成的碳點(diǎn)在激發(fā)時(shí)只在藍(lán)光區(qū)域具有單一發(fā)射，而許多目前報(bào)道的具有綠、黃或更長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光碳點(diǎn)的合成方法需具備苛刻的合成條件或復(fù)雜的分離方法，因此便捷低成本地合成具有多色發(fā)光特性的熒光碳點(diǎn)是擴(kuò)大碳點(diǎn)應(yīng)用的重要需求[8-9]。具有長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射的水溶性碳點(diǎn)尤其適合生物熒光成像領(lǐng)域的應(yīng)用，長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光探針相較于短波長(zhǎng)熒光更不易被其他生物分子自發(fā)熒光干擾，具有更高的信噪比和靈敏度[10]。另外，長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光具有相對(duì)更深的組織穿透性，并且相對(duì)能量較低，可以減少給生物樣品帶來的損傷[11]。所以，開發(fā)具有長(zhǎng)波雙波段特性的CDs可以有效避免短波長(zhǎng)單發(fā)射CDs的缺點(diǎn)，對(duì)疾病檢測(cè)和診斷、藥物發(fā)展及治療評(píng)估等方面具有重要意義。

監(jiān)測(cè)pH值的變化在我們生活中有著重要作用。利用對(duì)pH具有不同響應(yīng)的兩種熒光團(tuán)的比率熒光探針定性地測(cè)量pH值是常見的熒光監(jiān)測(cè)pH值技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。碳點(diǎn)由于具有良好的水溶性、寬的激發(fā)譜、大的比表面積和生物相容性而成為非常有潛力的熒光探針。

本文采用溶劑熱法，一步合成了具有500 nm和590 nm雙波段熒光特性的水溶性碳點(diǎn)，對(duì)溶液的pH具有良好的響應(yīng)能力。文中所制備的碳點(diǎn)尺寸均一，粒徑分布在2.7～4.3 nm左右，具有作為pH傳感器及比率熒光探針的潛在應(yīng)用價(jià)值。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試劑與實(shí)驗(yàn)用具

檸檬酸(分析純)和N,N-二甲基甲酰胺(分析純)購自南京化學(xué)試劑股份有限公司。尿素(分析純)購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。針式過濾器購于揚(yáng)中賽錫實(shí)驗(yàn)儀器。透析袋來自美國聯(lián)合碳化(Viskase)。

2.2 碳點(diǎn)的制備

雙發(fā)射水溶性熒光碳點(diǎn)合成方法如下：3.152 g檸檬酸、1.201 g尿素溶于20.0 mL DMF中，攪拌并超聲10 min，待固體全部溶解后，將其倒入50 mL聚四氟乙烯內(nèi)膽并轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中，在200 ℃恒溫烘箱中保溫12 h，冷卻至室溫后得到棕紅色溶液，表明碳點(diǎn)的生成。使用透析袋(MD44-1000D)透析72 h后，將得到的溶液進(jìn)行離心處理(12 000 r/min，30 min)，取上清液用微孔濾膜(0.22 μm)過濾后，在40 ℃下真空干燥可得黑色碳點(diǎn)粉末。

2.3 碳點(diǎn)對(duì)pH值敏感性的測(cè)試

將制備好的CDs固體用超純水配制成1.00 mg·mL-1的CDs溶液，然后用HCl和NaOH水溶液配制成不同pH值，將不同pH值的溶液裝成等量5.0 mL，然后向其中加入2.0 μL CDs溶液。充分振蕩10 min后，測(cè)定當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)分別為440 nm和540 nm時(shí)的熒光發(fā)射峰的強(qiáng)度及位置變化，所有實(shí)驗(yàn)都在室溫下進(jìn)行。

2.4 測(cè)試儀器

采用紫外-可見分光光度計(jì)(UV-2550，Shimadzu，日本)、熒光光譜儀(PTI QM40-NIR)、傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Nicolet NEXUS 670 FT-IR，美國)、顯微激光拉曼光譜儀(Renishaw inVia,英國)、透射電子顯微鏡(HT-7700，日本日立公司)、X射線光電子能譜儀(Thermo ESCALAB 250XI，賽默飛)以及日本Rigaku XRD Smartlab型X射線衍射儀對(duì)材料的成分、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征。所有測(cè)試均在常溫下進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 熒光及紫外-可見吸收光譜

在自然光下所制備的CDs水溶液為淺黑色液體，在355 nm紫外激光照射下發(fā)出綠色熒光，在500 nm氙燈光源激發(fā)下發(fā)出橙色熒光。圖1是CDs在水溶液中的熒光發(fā)射峰值位置與強(qiáng)度隨激發(fā)波長(zhǎng)變化圖譜，可以看出CDs發(fā)射峰位置展現(xiàn)出明顯的激發(fā)波長(zhǎng)相依性，與文獻(xiàn)報(bào)道過的碳點(diǎn)熒光性質(zhì)一致[12]。同時(shí)從圖1(a)可以看出，CDs發(fā)射峰位置隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加主要集中于480～500 nm和580～600 nm兩個(gè)波段區(qū)間，呈現(xiàn)出雙熒光波段發(fā)射的特點(diǎn)。從圖1(b)中看出當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為280～480 nm時(shí)，CDs熒光強(qiáng)度先上升后下降，最大值對(duì)應(yīng)激發(fā)波長(zhǎng)為440 nm，相應(yīng)的最大發(fā)射波長(zhǎng)位于500 nm的綠光區(qū)域附近。當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為500～580 nm時(shí)相應(yīng)發(fā)射峰隨之紅移，發(fā)射波長(zhǎng)均超過了570 nm，熒光強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，極大值對(duì)應(yīng)激發(fā)波長(zhǎng)為540 nm，相應(yīng)的發(fā)射波長(zhǎng)位于590 nm的橙光區(qū)域。插圖為440 nm和540 nm激發(fā)下CDs的熒光發(fā)射光譜。

圖1 碳點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜峰值隨激發(fā)波長(zhǎng)增加的位置變化(a)和強(qiáng)度變化(b)，插圖分別為發(fā)射譜為440 nm和540 nm激發(fā)下的發(fā)射譜。

Fig.1 Photoluminescence (PL) emission spectra of CDs. (a) Emission wavelength to excitation wavelength. (b)PL intensity to excitation wavelength. Inset graph is PL spectra under excitation of 440 nm and 540 nm.

圖2 碳點(diǎn)水溶液紫外-可見吸收光譜

圖3 合成碳點(diǎn)的TEM圖

Fig.3 Transmission electron microscope(TEM) image of synthesized CDs

3.2 合成碳點(diǎn)的微結(jié)構(gòu)與組分分析

對(duì)所合成碳點(diǎn)的形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖3所示。從圖中可看出所合成碳點(diǎn)分布均勻，成球狀，粒徑大小在2.7～4.3 nm之間，具有較好的分散性，量子點(diǎn)尺寸大小和表面態(tài)的差異可能是造成熒光激發(fā)波長(zhǎng)依賴現(xiàn)象的原因[12]。

圖4是碳點(diǎn)的XRD和拉曼圖譜。X射線衍射圖表明，碳點(diǎn)在27.2°附近有一個(gè)寬峰，對(duì)應(yīng)于典型的石墨的(002)晶面，這表明碳點(diǎn)核心的共軛結(jié)構(gòu)以非常接近于石墨的方式(≈0.35 nm)進(jìn)行層間堆疊，與其他文獻(xiàn)所報(bào)道的碳點(diǎn)的衍射峰位置十分接近[16]。

圖4 合成碳點(diǎn)的XRD圖譜(a)和拉曼光譜(b)

Fig.4 XRD pattern(a) and Raman spectrum(b) of synthesized CDs

從拉曼圖譜中可以看出代表碳材料缺陷區(qū)域的D峰位于1 340 cm-1，代表石墨結(jié)構(gòu)的sp2雜化碳的G峰位于1 605 cm-1，D峰和G峰的強(qiáng)度比值ID/IG為1.18∶1，說明所合成的碳點(diǎn)具有一定的石墨化程度，同時(shí)在邊緣也存在著大量的缺陷，呈高度的無定型態(tài)[17]。

圖5 合成碳點(diǎn)的FT-IR光譜

Fig.5 Fourier transform infrared(FT-IR) spectrum of synthesized CDs

圖6 合成碳點(diǎn)的XPS全譜(a)及C 1s(b)、N 1s(c)、O 1s(d)的高分辨XPS譜圖。

3.3 對(duì)pH值的敏感性

為了進(jìn)一步探究CDs的光學(xué)性質(zhì)，考察了CDs的光學(xué)性能對(duì)溶液pH值的敏感性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和 圖 8所示。當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為440 nm和540 nm時(shí)，分別測(cè)試了碳點(diǎn)溶液發(fā)光峰隨pH值變化的情況，從圖7(c)中可以發(fā)現(xiàn)CDs的兩個(gè)發(fā)射峰熒光強(qiáng)度均隨pH值的增加整體呈上升趨勢(shì)。當(dāng)pH值在2～5的酸性條件下，440 nm激發(fā)下碳點(diǎn)熒光發(fā)射峰位于515 nm左右，540 nm激發(fā)下則位于600 nm左右，均較中性條件出現(xiàn)了紅移，呈現(xiàn)出pH值依賴的特點(diǎn)。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)pH=2時(shí)的吸收譜與pH=7時(shí)的吸收譜形狀相似，但是吸收強(qiáng)度有所下降，從而造成了發(fā)射強(qiáng)度的下降。比較440 nm激發(fā)下500 nm的熒光強(qiáng)度與540 nm激發(fā)下590 nm的熒光強(qiáng)度以及兩處熒光強(qiáng)度的比值與pH值的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)pH值在2～6區(qū)間內(nèi)，熒光強(qiáng)度比與pH值之間呈線性關(guān)系，線性回歸方程為：

I500/I590=60.8143-8.17697pH，

(1)

相關(guān)系數(shù)R2=0.979 94，由此可利用碳點(diǎn)制備比率熒光探針半定量地檢測(cè)酸性溶液的pH值，對(duì)利用熒光生物成像來檢測(cè)生物體內(nèi)的pH值也提供了重要的參考。

圖7 合成碳點(diǎn)在不同pH值時(shí)的熒光發(fā)射光譜。(a)激發(fā)波長(zhǎng)為440 nm；(b)激發(fā)波長(zhǎng)為540 nm；(c)500 nm與590 nm的熒光強(qiáng)度與pH值的關(guān)系；(d)熒光強(qiáng)度比率與pH值的關(guān)系。

Fig.7 PL emission spectra of synthesized CDs at different pH conditions. (a)Under excitation of 440 nm. (b)Under excitation of 540 nm. (c)PL emission intensity at different pH conditions. (d)Linear relationship with pH value of PL emission intensity at pH 2-6.

圖8 合成碳點(diǎn)在不同pH值時(shí)的紫外-可見吸收光譜

Fig.8 UV-Vis absorption spectra of synthesized CDs at different pH conditions

另一方面，在強(qiáng)堿性條件(pH=11～12)下，440 nm和540 nm激發(fā)下的熒光強(qiáng)度均較中性條件下明顯增強(qiáng)：pH=12時(shí)，440 nm激發(fā)下最大熒光強(qiáng)度是pH=7條件下的1.91倍，540 nm激發(fā)下最大熒光強(qiáng)度則是pH=7條件下的6.71倍。此外，還可以觀察到自然光照下溶液外觀由中性時(shí)的淺黑色變?yōu)榱藦?qiáng)堿性條件下的粉紅色。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，pH=12時(shí)的吸收譜與pH=7時(shí)的吸收譜相比，415 nm的吸收峰藍(lán)移到了365 nm，560 nm的吸收峰藍(lán)移到了550 nm，同時(shí)不同波長(zhǎng)下的吸收強(qiáng)度也發(fā)生了改變從而引起了溶液顏色的變化。因此所合成的碳點(diǎn)也具有一定強(qiáng)堿性指示劑的作用。

4 結(jié) 論

通過一步溶劑法合成了具有橙光和綠光雙波段發(fā)射熒光性質(zhì)的CDs。合成的 CDs 尺寸均勻，分布在2.7～4.3 nm之間，主要由C、N、O三種元素組成，表面有大量極性官能團(tuán)，具有很好的水溶液分散性。CDs在27.2°附近存在一個(gè)XRD寬峰，拉曼光譜中D峰與G峰的強(qiáng)度比為1.18∶1，表明CDs表面呈高度的無定型態(tài)。發(fā)現(xiàn)溶液的pH值對(duì) CDs 光學(xué)性能有顯著的影響，CDs在440 nm和540 nm激發(fā)下的熒光強(qiáng)度隨pH值增加呈上升趨勢(shì)。當(dāng)pH值在2～6區(qū)間內(nèi)時(shí)，碳點(diǎn)500 nm與590 nm 處 的碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度比與pH值之間呈線性遞減關(guān)系，有望據(jù)此制成比率熒光探針。在強(qiáng)堿性溶液中，500 nm和590 nm的熒光強(qiáng)度相比水溶液中分別提高了1.91倍和6.71倍，同時(shí)吸收峰出現(xiàn)了一定藍(lán)移造成自然光照下溶液顏色發(fā)生變化，具有強(qiáng)堿性指示劑的作用。