碳量子点研究(3)

[11]。

2.2 碳量子点的制备方法

目前合成荧光碳量子点的方法可以分成两类[7]：一是由上到下的合成方法主要包括电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化和水热法等；二是从下到上的合成方法，包括燃烧法和热解法等，这种方法的特点是要选择合适的含碳前驱物。一般来讲，用这两种方法合成的水溶性碳量子点表面含有羧基，需要进一步借助离心、透析或电泳等分离手段得到水溶性高效荧光碳量子点。

目前制备碳量子点的方法很少，现有三种技术被报道来制备具有荧光性质的量子点[12-14]：

(1)高温高压切除法

用激光从石墨粉表面切下碳纳米粒子，将其与有机聚合物混合后，便获得具有光致发光特性的碳量子点。

(2)蜡烛燃烧法

通过收集和酸处理蜡烛灰，得到表面具有梭基和轻基的亲水性碳量子点，直径约1nm 。

(3)热解法

2.2.1激光消融法

美国克莱蒙森大学的孙亚平等[2]课题组在2006年最早使用的激光消融技术合成了荧光CDs，他们的合成方法是碳粉与粘合剂的混合物经热压、分级烘烤、固化、热处理制得碳靶，碳靶在氩气和水蒸气的流动气流中经激光消融，最后在硝酸中加热回流 - 5 -

12 h以上制备出粒径为3．10 am的CDs，被进一步表面钝化后，便呈现出稳定的强荧光。

2.2.2 热解燃烧法

热解法大多以含碳有机物为前驱体，然后加入胺类配体混合共热，来制备出表面含有氨基N掺杂CDs[14]。柠檬酸钠是一种我们常见的碳源，当分别与不同链长的含氨基配体在不同极性的溶剂中共热时，就能能制得亲水与疏水CD[15]。

碳前驱体都可用于合成CDs，且结构越疏松、孔径越大越容易被氧化，生成量子产率高的CDs。

在2007 年，刘等[15]研究组人员用铝箔或玻璃片收集蜡烛灰被HNO3氧化，经过离心透析后分离得到荧光碳量子点。相似地，Chen等[15]人也发现天然气燃烧以后产生的灰经过相同的处理后能发出蓝色荧光。热解法指选择某种合适的前驱物在一定温度下将其热解碳化，然后进一步分离提纯便得到了荧光碳量子点。

2.2.3 电化学方法

电化学反应具有比一般我们常见的基本化学反应具有更强的氧化能力和还原能力，所以在荧光CDs的合成与发光机理的探究中占有很重要的地位。在“up-to．bottom”的合成方法中，多壁碳纳米管和石墨烯是我们所用的两种主要的碳源。调节扫描电压和控制电解速度以后，能将大块碳材料氧化分解制得到小粒径的发光碳纳米颗粒。此外，电解质溶液的选择也是研究碳纳米颗粒电化学方法合成中非常重要的部分。现有两种方法简单介绍如下[14-16]：

(1)电化学扫描法：在乙睛和四丁基高氯酸钱支持电解质中，通过电化学循环伏安扫描，使四丁基高氯酸按进入碳纳米管的间隙，从碳纳米管的缺陷处剥落下碳量子点(直径约2.5llln)。此方法制备的碳量子点相对前两种方法 , 电化学法更易实现大规模快速生产。实验研究表明，上述制备方法经处理可以得到高密度、尺寸分布均一的球形碳量子点，其量子效率为4%-10 %，无 “光闪烁”缺陷，发光性质十分稳定，而且具有很长的荧光寿命。

(2)电化学氧化：Zhou等首次提出了用电化学氧化多壁碳纳米管的方法合成 CDs，即用脱气后的四丁铵高氯酸盐乙腈溶液为支持电解质，以经过化学气相沉积法生长在碳膜上的多壁碳纳米管为工作电极，铂丝为对电极，Ag/AgClO4为参比电极，随着所加循环电压时间的变化，溶液由无色变为黄色、深棕色。后经过分离、纯化等步骤得到了粒径为 2.8 ± 0.5 nm 的 CDs。该 CDs 的荧光量子产率为 6.4%，但是整个合成过程是在有机溶剂中进行且相对复杂，不适合大批量制备。虽然 Zhao 等的方法相对绿色环保，但其荧光量子产率仅为 1.2%。为了解决这一问题，Lu 等结合离子液的特性（如蒸汽压可忽略性，热稳定性，电位窗宽，粘性低，离子导电性良好和可回 - 6 -

收性等），提出了用离子液来替代有机溶剂，用辅助电化学法剥脱石墨电极合成了 CDs。该方法相对环保，而且实验研究表明，只要通过改变离子液与水的比例就可以合成出不同形态的碳纳米材料，并可实现CDs的荧光发射波长从紫外区到可见光区的调控。

2.2.4 电弧放电法

在2004 年，Xu 等[16]首次通过从上到下（电弧放电）的方法，在不经意间发现由电泳分离可得到不同大小和分子量的碳管颗粒，在 2006 年，孙亚平课题组用激光剥蚀石墨产生的足够小的碳颗粒，然后被聚合物包裹后，就能得到在可见区域荧光可调的碳颗粒，我们把它称之为碳量子点。如果进一步改进了上面的方法，把碳量子点的合成和表面钝化同时进行，在2007 年 Zhou 等第一次利用多壁碳纳米管作为电极通过电化学法合成了粒径~3 nm 的碳量子点。其他研究组通过改变前驱物和电解液等制备具有光致发光和电致发光信号的碳量子点。在2010 年，我们课题组利用首次利用水热法切割石墨烯纳米片，得到大小约 10 nm 左右的蓝色荧光石墨烯量子点。最近，Huo 研究组用活性炭为前驱物，制备了生物兼容性的碳量子点。

2.2.5 微波法

微波合成法具有加热均匀、操作简捷，尤其能够很显著缩短反应时间等特点，近几年来受到人们的广泛关注。在“up-to．bottom’’的合成方法中，主要以碳水化合物为碳源，酸、碱、金属阳离子、阴离子等均能影响微波反应的速率。此外，微波法还能结合成核与修饰两个步骤为一体，一步法制备表面钝化的CDs。Yang等通过微波加热混合溶液，此混合溶液是蔗糖与PEG200的混合物，制得钝化的CDs[17]。

2.2.6 超声法

超声化学法是近年来备受瞩目的一种新型制备方法，在很短时间内便能产生瞬间的高温和高压及超过1010 K／s的冷却速度，而且伴随强烈的冲击波和射流及放电发光作用，使我们在传统条件下难以进行的反应反而在较短时间内能顺利进行在葡萄糖中直接加入碱或酸，且在超声辅助下就得到了分散性和水溶性都很好的 CDs，荧光量子产率为 7%。其红外光谱表征表明该 CDs 表面富含羟基，且其发射波长从可见光区延伸到近红外光区，是生物领域和药物领域很好的标记物。因此在纳米材料的合成中，超声法发挥着举足轻重的作用[7]。

2.2.7 强酸氧化法

采用强酸氧化法制备CDs时，此方法的优点是碳源比较丰富、易得，且成本较低，此方法主要是通过强氧化酸硝酸氧化一些大颗粒的碳纳米颗粒，这些颗粒主要包括回流蜡灰、天然气烟灰和炭灰等来制备发光CDs。Li等[5]首次提出将收集到的蜡灰用硝 - 7 -

酸回流处理12小时后，经过离心，然后用碱中和过量的硝酸及透析等一系列步骤以后，我们就得到了CDs。此方法得到的CDs 粒径非常不均匀，如果这些产物经过电泳凝胶法处理以后，便得到9种不同粒径的CDs。而且更有趣的是虽然它们的发射波长会随粒径的不同而发生改变，但是它们的激发光谱却基本相同，这为多种标记物的同时检测带来很大希望，同时因其表面含有羧基，所以可在N–羟基琥珀酰亚胺的作用下键合成生物大分子，生物相容性就大大增加了，该方法制得的CDs 可以不需要任何修饰就能成功用于细胞示踪，而且还可实现毫克级CDs的制备。虽然氧化法得到的CDs 均含有羧基，有利于进一步的加以修饰，但是所得产物的荧光其量子产率较低，而且粒径不够均一，分离步骤也相对麻烦。从以上所诉我们可知，此方法虽然原料易得而且价格便宜，但是产率很低，粒径大小不同，探究一种产率好，原料易得的方法是我们要面临的任务。

2.2.8 水热法

Peng等[3]提出用碳水化合物作为碳源，被浓硫酸脱水和硝酸氧化以后便得到碳纳米颗粒，然后经过一种化合物修饰，此化合物末端必须含有氨基，便得到了具有发光性质的CDs。本方法可以通过使用不同的碳水化合物和改变硝酸氧化作用的时间来合成不同粒径的CDs，从而实现对其荧光发射的调控，但需要一定的表面修饰，Zhang等提出了一种新的方法就是将L–抗坏血酸溶于乙醇中，在180℃的高压反应釜中反应4小时以后，得到粒径为2.0 nm、荧光量子产率为6.79%CDs。所得产物无需任何强酸处理和其他的表面修饰，并能在室温下稳定半年，而且在较宽的pH和离子强度范围内荧光强度不发生改变，显然该方法相对前者更为方便快捷。

2.2.9模板法

Zong等[8]先以十六胺作为表面活化剂，以正硅酸乙酯为前驱体合成了介孔氧化硅球（MS），然后以该MS为反应模板，柠檬酸为碳源，将MS浸泡在柠檬酸溶液后，再烧得了CDs/MS复合物，该复合物经过NaOH的蚀刻除去MS，无需进一步的其他修饰便得到了荧光量子产率为 23%的 CDs。从以上我们可以得知，模板法可使产率显著增加。

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第3章碳量子点的应用

碳量子点被修饰后，荧光明显增强且更加稳定，分子量和粒径都比传统量子点较小，其表面含有氨基，所以它的生物相容性好，毒性很低，成为目前最具应用前景的环境友好型纳米材料尤其是应用于生物医学领域。在分析检测和生物分析检测方面碳量子有广泛的应用前景[18]，而且在生物标记与细胞成像方面有着越来越重要的作用。随着对其研究的深入和日趋成熟，它在其他领域的应用前景也是不可估量的[6]。

3.1碳量子点在生物标记与细胞成像中的应用

近几年来，荧光碳量子点因其具有独特的光学性能其应用日益更加广泛，不仅在化学生物检测领域，其更主要用于生物标记、细胞成像等方面。 Sun等[9]和Liu等[18]将表面钝化后的碳量子点用来标记大肠杆菌细胞，激发波长不同，发出不同颜色的荧光。Yang[10]等研究了掺杂ZnS的碳量子点在老鼠淋巴管中的迁移情况。由于碳量子点粒子小，其在细胞中迁移快，也能可以通过肾脏排出体外，整个实验过程中没有表现出毒性反应。Cao等将碳量子点应用到人体乳腺癌细胞的标记中，他们发现碳量子点可以到达细胞膜和细胞质，但不会到达细胞核，不同粒径的碳量子点到达细胞内的部位也不同，借此可用不同粒径的碳量子点来标记细胞的不同部位Li 等利用由不同试剂钝化后得到的碳量子点与癌细胞融合而荧光成像，他们的实验结果表明：在与细胞孵育后碳量子点能成功进入细胞。如果能与细胞特异作用的转铁蛋白修饰碳量子点表面后，碳量子点能更好地与癌细胞结合，荧光显微成像更加显著。因此碳量子点是一种非常好的荧光标记和成像试剂，为单分子水平研究细胞动力学提供了强有力的手段，在生物医学和细胞成像领域中有广阔的应用前景。