柠檬汁水热合成高亮荧光碳量子点及其光学表征

摘要

利用柠檬汁作为碳源，通过简单的水热反应合成了水溶性荧光碳量子点（CQDs）。所得CQDs平均尺寸3.1 nm，形貌均一、结晶良好，在紫外光或蓝光激发下发出明亮的蓝绿色荧光。研究发现，CQDs的荧光主要源于其表面和边缘富含的含氧基团。此外，证明制备的CQDs可用于植物细胞成像。本研究涉及新型碳纳米结构的制备、表征及应用。

研究背景

碳量子点（CQD）是一种通常空间尺寸小于20 nm的新型碳基纳米材料，2004年由Xu等人发现[1]。2006年Sun等人通过激光烧蚀石墨粉末制得荧光碳纳米颗粒[2]，自此被称为"碳量子点（CQDs）"。荧光CQDs在光催化、光电器件、生物医学、薄膜显示、健康照明等领域具有巨大应用潜力。与传统半导体量子点相比，CQDs制备技术低成本，且具有良好生物相容性、精准生物靶向、低毒性和更强量子尺寸效应等迷人特性。近年来，因优异的结构和光学性能[5]，荧光CQDs引起极大关注[3,4]。它们被提议作为常规半导体量子点的替代材料，应用于生物成像、生物标记、量子点LED（QLED）、环境保护等领域[6-9]。CQDs研究在凝聚态物理、材料科学、电子学和光电子学中快速发展，全球开展了广泛的基础与应用研究[3-9]。

目前合成CQDs的技术多样[10,11]，如水热法[11,12]、微波法[13]等。前驱体包括葡萄糖[14]、柠檬酸[15]、抗坏血酸[16]等。然而，大规模制备生物相容性荧光CQDs的高效技术仍是实际应用的挑战。直接从食品[17-19]或副产物[20]合成CQDs是极具前景的策略。曾有研究用无果肉柠檬汁乙醇溶液加热合成平均直径4 nm、水中量子产率（QY）28%的红光碳点（R-CDs）[21]，并用强还原剂NaBH₄增强发光强度，但NaBH₄有毒。近期我们无毒物质添加下从豆腐废水制得绿/蓝光CQDs[22]。源自食品/副产物的CQDs被认为生物应用安全，因这些天然碳源几乎无已知毒性。近期多项严肃研究采用一步法从无毒碳源合成CQDs，在合成、研究和应用上取得显著进展。例如用大蒜作为绿色源合成CQDs[23]，详细结构组成研究表明N含量及C-N、C=N形成是提高光致发光（PL）量子产率的关键[23]。此外，CQDs在宽pH范围和高NaCl浓度下表现出优异稳定性，适用于复杂恶劣条件[23]。

本工作旨在开发简单高效的实验方法，利用相对低温、耗时较少的水热处理，从柠檬汁低成本制备CQDs。柠檬汁易于廉价获取，是CQD样品和器件制备的良好碳源。与先前研究[21]相比，本工作获得的无毒CQDs更适合生物成像和细胞标记。本研究还考察了柠檬汁制得CQDs的基本材料和光学性能，并将其应用于植物细胞成像。

方法

前驱体材料

本研究碳前驱体取自鲜柠檬汁。主要成分及百分比经高效液相色谱（HPLC）测定，见表1。样品制备用的鲜柠檬和鲜洋葱（用于细胞成像）购自当地超市。乙醇为分析纯，作分散剂。实验用去离子水（18.25 MΩ·cm）。

CQDs合成

CQDs通过简单水热处理从柠檬汁合成，温度相对较低、耗时较短。典型制备过程见图1。将80 mL无果肉柠檬汁与60 mL乙醇混合，转入聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜，在约120 °C恒温下反应3 h。反应后自然冷却至室温得深棕色产物。用过量二氯甲烷洗涤深棕色溶液以去除未反应有机物，重复2-3次。加去离子水至棕色溶液体积增至原1/3，10000 rpm离心15 min分离大颗粒。这样通过柠檬汁碳化获得CQDs样品，其中含葡萄糖、果糖、蔗糖、抗坏血酸、柠檬酸等碳前驱体。我们的简易水热反应温度较低（120 °C）、时间较短（3 h），优于报道方法[24]。

表征

透射电镜（JEM 2100，日本，300 kV）分析CQDs形貌微结构。X射线衍射（Rigaku TTR-III，日本，Cu-Kα辐射，λ=0.15418 nm）考察晶相。紫外-可见吸收光谱用Specord200分光光度计测定。荧光分光光度计（IHR320，HORIBA Jobin Yvon，美国）在330-490 nm不同激发波长下测定光致发光。X射线光电子能谱（XPS）用PHI5000 Versa Probe II光电子能谱仪，Al Kα 1486.6 eV测定。

结果与讨论

CQDs透射电镜图像见图2。低倍TEM图像显示CQDs分散均一。CQDs呈球形，尺寸分布窄，范围2.0-4.5 nm，平均尺寸3.1 nm（图2b,c）。图2d显示晶格间距0.215 nm，对应石墨碳[100]晶面，相应快速傅里叶变换（FFT）图像进一步显示高度结晶结构，与先前报道[25]一致。与先前研究[19,21-23]相比（见图2），本工作获得的CQDs不仅质量好，且形貌均一性更佳。因此，通过简易水热处理可制备形貌均一球形、结晶良好的CQDs。CQDs生产收率（PY）按PY=(m/M)×100%计算，m为CQDs质量，M为鲜柠檬汁质量。本研究CQDs生产收率约0.1%，即100 g含6.30%柠檬酸的液体可得约0.1 g CQDs（见表1）。

典型XRD和XPS谱见图3。XRD在2θ~21.73°处有宽(002)峰，层间距计算为0.409 nm，对应石墨结构（图3a），与其他方法制备CQDs报道值相似[15,26]。层间距变化可能源于水热反应过程中引入更多含氧基团（如-OH、-COOH）于CQDs表面和边缘。XPS和FTIR检测CQDs组成。图3b,c显示XPS谱主峰为石墨化C1s峰（284.5 eV）和O1s峰（531.4 eV）。C1s高分辨扫描中284.7、286.5、288.9 eV典型峰分别归属于C=C/C-C、C-O和C=O/COOH（图3c），明确表明CQDs官能化了羟基、羰基和羧基，有利于表面修饰官能化及水溶性。图3d为CQDs傅里叶变换红外光谱（FTIR）。3450 cm⁻¹（O-H伸缩）、2927 cm⁻¹、1407 cm⁻¹（C-H伸缩）、1726 cm⁻¹（C=O伸缩）、1639 cm⁻¹（C=C伸缩）、1227 cm⁻¹（C-OH伸缩）、1080 cm⁻¹（C-O伸缩）峰确认CQDs含多种含氧官能团。FTIR分析与上述XPS结果一致。最重要的是，1290 cm⁻¹处C-O-C（环氧）峰完全消失。这些结果暗示CQDs形成机制：环氧基团断裂，底层C-C键形成，随后从葡萄糖、果糖、抗坏血酸、柠檬酸等小分子前驱体通过进一步脱水或碳化提取sp²畴，最终形成CQDs。因此，周围含氧基团键断裂促成CQDs形成[15,27]。

目前已提出并考察了水热法从碳前驱体形成CQDs的可能机制[28]。基于这些发表结果，可理解柠檬汁合成CQDs机制。无果肉柠檬汁加热脱水形成主要由C=C/C-C组成的CQDs基本框架，其余分子到达核表面形成新C=C/C-C键并持续生长。随加热时间延长，CQDs形貌逐渐形成。同时，水热处理过程中CQDs表面和边缘可能含大量羟基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（-C=O）等含氧官能团；这些基团中的部分H和O原子可在水热环境中脱水去除。

为考察CQDs光学性质，测定了紫外-可见（UV-Vis）吸收和光致发光（PL）光谱。图4a显示CQDs光学吸收峰在紫外区，最大吸收在283 nm，归因于C=O键的n-π*跃迁[29]。图4b PL光谱显示激发波长410 nm时CQDs发射峰在482 nm。激发波长从330 nm增至490 nm时，发射波长从430 nm红移至530 nm。随激发波长增加，荧光发射峰红移，指示光子再吸收发生。结果显示CQDs具有激发依赖性PL特征[30]。绿光荧光CQDs也显示随激发波长变化的宽PL峰，与量子限域效应和边缘缺陷有关。按标准PL测定法[22]，以奎宁硫酸为参比，激发波长410 nm时CQDs荧光量子产率为16.7%，显著优于前人报道柠檬汁制CQDs的QY（8.95%）[24]。已知CQDs QY可通过表面修饰或钝化大幅提高[30]。合成过程中加入乙醇可引入更多官能团，提高CQDs QY。但本研究CQDs QY仍显著低于以柠檬酸（CA）和乙醇胺（EA）为模型分子合成的CQDs，后者180 °C热解得QY 50%，归因于合成过程中的N掺杂[30]。

CQDs无毒环保，被视为半导体量子点在体外和体内生物系统应用的替代品。制得的CQDs应用于洋葱表皮细胞光学成像（图5）。荧光显微镜显示，洋葱内表皮细胞的细胞壁和细胞核清晰可见，立体感强。结果表明CQDs染色成像效果极佳，对生物体无不良影响，未观察到细胞形态损伤，进一步证明CQDs低细胞毒性。共聚焦图像（图5）表明柠檬汁合成的CQDs可作为荧光指示剂用于植物细胞成像，展示了CQDs在生物成像中的潜在应用。

结论

本研究利用柠檬汁为碳源，通过简易水热反应合成了水溶性荧光碳量子点。这些CQDs具有良好的材料和光学性质，在紫外光或蓝光激发下发射明亮蓝绿色荧光。我们证明了CQDs可用于植物细胞成像。希望这些重要发现有助于深入理解CQDs，并探索新型碳基纳米结构更多实际应用。