大学化学, 2021, 36(8): 2009038-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202009038

化学实验

荧光碳点的制备及其荧光特性的研究和应用

杨雅儒, 陆沣, 胡敏,, 吴宥伸, 向丹, 高培红, 张雯

Preparation and Application of Fluorescent Carbon Dots

Yang Yaru, Lu Feng, Hu Min,, Wu Youshen, Xiang Dan, Gao Peihong, Zhang Wen

通讯作者: 胡敏, Email: koudai.1@163.com

收稿日期: 2020-09-16   接受日期: 2020-12-14  

Received: 2020-09-16   Accepted: 2020-12-14  

Abstract

The paper designed a chemical experiment based on carbon dots which own excellent fluorescence properties. Students need to synthesize blue and green carbon dots through "bottom-up" method, search the relationship between fluorescence excitation spectra and fluorescence emission spectra, measure the fluorescence quantum yield by comparing with a reference fluorophore, explore the changes of fluorescence spectra at different concentrations and pH, and apply the carbon dots to anti-counterfeit materials. All these will make students have a good command of fluorescence principle, such as fluorescence excitation spectrum, fluorescence emission spectrum, fluorescence quantum yield, Stokes shift and the factors that influence fluorescence. We also encourage students to apply the knowledge they have learned to their daily life.

Keywords: Fluorescent carbon dots ; Fluorescence quantum yield ; Stokes shift ; Fluorescence spectrum ; Fluorescence ink

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本文引用格式

杨雅儒, 陆沣, 胡敏, 吴宥伸, 向丹, 高培红, 张雯. 荧光碳点的制备及其荧光特性的研究和应用. 大学化学[J], 2021, 36(8): 2009038-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202009038

Yang Yaru. Preparation and Application of Fluorescent Carbon Dots. University Chemistry[J], 2021, 36(8): 2009038-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202009038

无机化学实验是化学及相关专业学生的必修课程。传统的无机化学实验以验证和制备实验为主,内容较为陈旧,与当今科技的迅速发展不相匹配。故我校近两年正着手推进无机化学实验课程的改革,即以科学性为基础,将涉及科技前沿的材料纳入实验教学中,增强学生实验技能的同时,加强实验的趣味性、实用性和时代感,让学生在实验过程中增强专业技能,了解科技前沿,全身心地融入到实验中。

多色荧光碳量子点作为近几年新兴的荧光材料,具有绿色环保、发光性能好、制备简单易操作等特点,现有的荧光碳点制备方法主要分为两大类,即以电解、刻蚀石墨烯等大分子的“自上而下”法和以有机小分子为前驱体的“自下而上”法,其中应用较多的为“自下而上”法,如基于碳点的发光特性将其应用于生物体系的检测和成像[1],或是荧光防伪[2]。“荧光碳点的制备及其荧光特性”综合实验的开设,可以帮助学生理解光致发光理论,掌握电热恒温干燥箱、真空干燥箱、紫外可见分光光度计、荧光分光光度计以及origin数据软件的使用方法,实验最后设计了荧光碳点应用于防伪墨水这一项内容,鼓励学生学以致用,强化在科研实践中根据材料特点设计运用到各种不同生产实践场景的意识,从而培养学生的自主创新意识和专业报国情怀。荧光碳点的制备及荧光特性表征实验已在我校2018和2019级化学、宗濂等专业学生中开设,受到学生的一致好评。

1 实验目的

(1)掌握“自下而上”法制备荧光碳点,理解荧光的产生机制;

(2)熟练掌握荧光分光光度计的使用方法和相对荧光量子产率测定方法;

(3)探索荧光激发光谱和荧光发射光谱的关系,以及溶液浓度和pH对荧光发射强度的影响;

(4)掌握采用origin数据软件对实验数据作图分析。

2 实验原理

2.1 荧光碳点的制备

荧光碳材料是一种典型的无机荧光纳米材料,为目前热点研究的功能纳米材料之一。荧光碳点指的是一种尺寸小于10 nm的零维纳米材料,其中碳元素采用sp2杂化,并可进行N、P、O、S等元素的掺杂。通过调节荧光碳点的尺寸大小、元素组成和表面结构,可制备出不同发光特性的荧光碳点。荧光碳点的制备分为“自上而下”法和“自下而上”法。“自上而下”法是指用电解、激光刻蚀等方法,将块状石墨粉碎成纳米尺寸的荧光碳点,“自下而上”法是指以有机物为前驱体,在高温条件下合成荧光碳点。相较于“自上而下”的合成方法,“自下而上”法具有简单、快捷、产率高的优势,应用于本科生实验,可重复性强、成功率高,故本实验采用“自下而上”法,即以有机物柠檬酸、柠檬酸铵、尿素和多乙烯多胺作为前驱体,分别制备蓝色荧光碳点(BC-dot)和氮掺杂的绿色荧光碳点(GC-dot),如图 1所示[3]

图1

图1   荧光碳点的固相合成(改编自Inorg. Chem出版社) [3]


2.2 碳点荧光发射原理

碳点发射的荧光属于光致发光,它的发光过程为吸收光和发射光两个过程,如图 2所示,物质在吸收激发光后,电子由基态跃迁到激发态,通过振动弛豫和内转移,高激发单重态的电子跃迁回第一激发单重态的最低振动能级后,电子由第一激发单重态跃迁回基态,同时发出荧光,荧光的寿命为10-7–10-8 s,这两个过程分别对应荧光物质的荧光激发、发射光谱[4],其中最大发射和激发峰之差为Stokes位移。由于电子在由激发态向基态跃迁时,有部分能量损失,故而发射光的能量小于激发光的能量,即λem > λex。同时,物质荧光强度与物质本身结构、浓度、外部溶剂、pH等因素有关。在本实验中将进一步考察浓度、溶剂和pH对物质荧光强度的影响。

图2

图2   荧光碳点的发光原理(改编自ACS Nano出版社) [4]


2.3 荧光量子产率

荧光量子产率是表示物质发射荧光的能力的一个基本参数,指的是荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与吸收的激发光的光子数的比值,可采用绝对法和相对法测定,用Yf表示:

$Y_{\mathrm{f}}=\frac{\text { 发射的光量子数 }}{\text { 吸收的光量子数 }}$

本实验采用相对法测定荧光碳点的荧光量子产率,即以罗丹明6G(R6G)的乙醇溶液作为本实验的参比物质。通过比较荧光碳点溶液和R6G的乙醇溶液在同样测试条件下所测得的积分荧光面积和对该激发波长对应的吸光度,测量荧光碳点的荧光量子产率,用Yu表示:

$Y_{\mathrm{u}}=Y_{\mathrm{s}} \cdot \frac{F_{\mathrm{u}}}{F_{\mathrm{s}}} \cdot \frac{A_{\mathrm{s}}}{A_{\mathrm{u}}} \cdot \frac{n_{\mathrm{u}}^{2}}{n_{\mathrm{s}}^{2}}$

其中,FuAunu分别表示荧光碳点的积分荧光强度、吸光度和溶剂的折射率;YsFsAsns分别表示R6G乙醇溶液的荧光量子产率、积分荧光面积、吸光度和溶剂的折光率[5]

3 试剂和仪器

3.1 试剂

多乙烯多胺(275MW)、尿素(AR)、柠檬酸(AR)、柠檬酸铵(AR)、罗丹明6G(AR)、pH为4–10的缓冲溶液、无水乙醇、去离子水、聚乙烯醇(PVA)。

3.2 仪器

研钵、坩埚、坩埚钳、烧杯、玻璃棒、电热恒温干燥箱、真空干燥箱、离心机、石英比色皿、F-2700型荧光分光光度计。

4 实验步骤

4.1 荧光碳点的制备

(1)分别称取0.2 g柠檬酸铵和0.2 g尿素,用研钵充分研磨,将研磨后的粉末转移至坩埚中,在200 ℃下反应1 h,将反应后的产物溶于50 mL去离子水中,离心(12000 rpm,20 min),即可得到GC-dot溶液,冻干备用。

(2)称取1.25 g柠檬酸,量取0.5 mL多乙烯多胺和10 mL去离子水于坩埚中,搅拌使其混合均匀,在200 ℃下加热1 h,将产物溶于水,再经过离心(12000 rpm,20 min),即可得到BC-dot溶液,冻干备用。

4.2 荧光光谱的测定及荧光量子产率的测定

4.2.1 荧光激发与荧光发射光谱

(1)选择450 nm左右的光为激发光,测定470–670 nm波长范围内的稀释100倍的GC-dot溶液荧光发射光谱,选择最大发射波长λem为发射光,测定300–550 nm范围内的荧光激发光谱,在最大激发波长λex处,GC-dot溶液有最大荧光激发强度,并在此最大激发波长λex下,扫描荧光发射光谱,此时在最大发射波长处碳点溶液的荧光发射强度最大。

(2) BC-dot的荧光激发光谱与荧光发射光谱的测定同理,不同之处在于初始激发光为380 nm左右,荧光发射光谱的测定范围为400–650 nm,荧光激发光谱的测定范围为300–450 nm。

4.2.2 相对荧光量子产率的测定

(1)配制浓度约为5 × 10-6 mol·L-1 R6G乙醇溶液,测定其在405 nm波长处的吸光度。用去离子水稀释碳点溶液,使其分别在405 nm波长处具有与R6G乙醇溶液近似的吸光度。

(2)在405 nm激发波长下,分别测定R6G乙醇溶液、稀释后的GC-dot溶液、稀释后的BC-dot溶液和稀释后的RC-dot溶液在415–700 nm波长范围内的荧光发射强度,绘制成曲线,计算相应的积分荧光强度,将其值带入式(2)中计算。

4.3 荧光发射强度荧光强度的影响因素
4.3.1 荧光发射强度与浓度的关系

配制不同浓度的碳点溶液测量其荧光激发和发射光谱并采用origin软件绘制光谱图和根据最大荧光发射强度与碳点溶液的浓度关系图。

4.3.2 荧光发射强度与溶液pH的关系

以最大吸收波长λm为激发波长,测定碳点溶液在pH为4.72、5.48, 、6.44、7.69、9.59下的荧光强度。

4.3.3 荧光发射强度与溶剂的关系

分别配置体积分数为0%,20%,40%,60%,80%和100%的水的乙醇溶液,观察同浓度的碳点在不同溶剂中的荧光发光情况并测定荧光强度。

4.4 荧光墨水的配制

分别计算BC-dot溶液和GC-dot溶液的浓度,将其稀释为3 mg·mL-1的溶液。

分别取1.5 mL碳点溶液、1 mL无水乙醇和7.5 mL PVA水溶液(200 mg·mL-1),充分搅拌,使其混合均匀,即得蓝色荧光墨水和绿色荧光墨水[6]

5 结果与讨论

5.1 荧光碳点的荧光激发光谱与荧光发射光谱

本实验制备所得的荧光碳点分别是GC-dot和BC-dot,如图 3所示(学生作品展示),其中荧光峰值位于400–500 nm的荧光碳点发蓝光,荧光峰值位于500–540 nm的荧光碳点发绿光。

图3

图3   紫外光照射下的绿色碳点溶液和蓝色碳点溶液


图 4所示,GC-dot和BC-dot最大发射波长λem都相对于最大激发波长λex发生了红移,即λem > λex,如图 4a中,Δλ = 103 nm,图 4b中,Δλ = 84 nm,即GC-dot和BC-dot的Stokes位移分别为103 nm和84 nm。

图4

图4   绿色碳点溶液(a)和蓝色碳点溶液(b)的荧光激发光谱与荧光发射光谱的关系


5.2 荧光量子产率的测定

采用相对测量法测定荧光量子产率时,要在测定荧光发射光谱前将待测溶液的吸光度调整到和R6G乙醇溶液的吸光度一致,公式变为:

利用origin软件对各荧光发射光谱(图 5)进行积分运算和查表,可得到如表 1所示的数据。

图5

图5   相对荧光量子产率


表1   荧光量子产率的计算

试剂荧光积分强度(F)溶剂折射率(n)荧光量子产率(Y)
R6G241988.2781.36180.95
GC-dot135569.2071.33300.51
BC-dot133608.7891.33300.50

据文献得R6G的荧光量子产率Ys为0.95[7]

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表 1可知,GC-dot与BC-dot的荧光量子产率分别为0.51与0.50,文献报道的GC-dot水溶液的荧光量子产率为0.13 [3]

应当指出的是相对法测定荧光量子产率时,标准物的选择、纯度、浓度对结果影响较大。

5.3 荧光发射强度的影响因素

5.3.1 荧光发射强度与溶液浓度的关系

由荧光定量关系式Beer-Lambert定律[8]

当abc非常小时(≪ 0.05),e-abc≈ 1 - abc

其中,b为液池厚度,I0为入射光强,c为待测液的浓度。

图 6所示,在一定浓度范围内,荧光发射强度If随着c的增大而增强,线性相关系数大于0.99,呈良好线性关系。

图6

图6   GC-dot溶液和BC-dot溶液荧光强度与浓度的关系图


5.3.2 荧光发射强度与溶液pH的关系

图 7所示,BC-dot和GC-dot在不同pH溶液中的发光强度不同。其中BC-dot在中性和弱酸性溶液中的发光强度较大,而在弱碱性溶液中的发光强度明显减小,相较于pH为中性的溶液中减小了15%,而GC-dot在不同缓冲溶液中的发光现象恰好与BC-dot相反,可能是BC-dot与GC-dot表面的官能团不同,因而酸碱度会对其发光产生影响。

图7

图7   荧光发射强度与溶液pH的关系


5.3.3 荧光发射强度与溶剂的关系

图 8可以观察到,GC-dot的荧光发射强度基本随乙醇浓度的增加而增大,其相对荧光发射强度由1增加到2.16,BC-dot的荧光发射强度则与之相反,当溶剂为无水乙醇时,其相对荧光发射强度降至0.59,可以解释为乙醇的-OH会破坏BC-dot的分子结构,使其猝灭,亦或是溶液极性的改变会使碳点分子的结构改变,从而影响其荧光发射强度。

图8

图8   荧光发射强度与溶剂的关系


5.4 荧光墨水的防伪应用

用钢笔吸取少量荧光墨水,即可进行图案设计,学生可自由发挥。

图 9依次是用荧光墨水在牛皮纸、木头、塑料和玻璃上进行书写的效果图,可以观察到,在无紫外线照射时,各个材料上均无明显的书写印记,但字迹处于紫外灯的照射下时,会发出明显的荧光,证明所得荧光墨水可用于不同材质体系的防伪。

图9

图9   不同材质表面的荧光防伪

左:自然光;右:紫外光照  a) 牛皮纸;b) 木材;c) 玻璃;d) 塑料


6 注意事项及教学建议

在实验过程中,须注意:在制备荧光碳点时,不同组坩埚务必标记,避免混淆;同时由于反应温度高达200 ℃,故待样品冷却后取出样品以避免烫伤;本实验的反应物多乙烯多胺为强碱性,具有一定腐蚀性,使用时注意防护;荧光测试时使用四通石英比色皿。

本实验涉及固相合成制备技术,发光原理、发光性能参数测定及应用拓展环节,同时配有数据处理软件origin的使用教学视频辅助学生完成数据处理,建议以综合实验在修完无机化学和仪器分析课程的本科二年级学生中开设,总学时8课时,合成及后处理2课时,发光性能测试、数据处理4课时,防伪应用拓展1课时,讨论1课时。在西安交通大学运行时采用两人一组、8人一大组进行实验,每个实验班最多32人,每年度4个实验班,为化学和宗濂专业的学生。本实验的碳点属于目前科研热点之一,且其发光特性明显,通过肉眼观察和光谱数据测定,学生将对光致发光有一个感性和理性的认知,同时,本实验也可激发学生的好奇心和求知欲,其中的应用环节有利于学生创新意识和专业报国意识的培养。

7 结语

本实验采用自下而上的方法制备荧光碳量子点,然后对其发光特性进行表征及应用。通过本次实验,学生不仅能够提高自己的实验操作技能,而且可以熟练掌握无机纳米材料制备的常用方法,同时学习电热恒温干燥箱、真空干燥箱、荧光分光光度计的使用方法,学习数据处理软件origin以提高数据处理的能力。

学生可通过本次实验探索荧光激发光谱和荧光发射光谱的关系、荧光发射强度与溶液浓度和pH的关系,深入理解Stokes位移、荧光量子产率等相关概念。本实验所使用的实验药品毒性小、对环境友好,符合绿色化学的原则。荧光本身所具有的特殊色彩和本实验所蕴含的趣味性将激发学生深入探索荧光的发光机制、影响荧光发光的因素等与荧光相关的知识,荧光墨水的应用可引导学生学以致用,激发其创新思维与科技强国的情怀。

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