碳点是最近几年发展起来的一种荧光纳米材料^[1-4]，和传统的有机荧光染料^[5]相比，碳点具有荧光强度高、光稳定性好、耐光漂白、发射波长和激发波长可调控等优点^[6-8]，从而在分析检测、生物传感和生物成像等领域具有很好的应用前景^[9-11]。

在过去的十余年间，各国的科学家已经开发出了多种不同合成碳量子点的方法。根据碳源的不同，这些方法大致可以分为自上而下和自下而上两大类。自上而下的碳点合成方法包括电弧放电法、激光法、电化学法等^[12-14]；自下而上的碳点合成方法则包括水热法^[10]、模板法^[15]、微波方法^[16]、超声合成法^[17]和掺杂法^[18]等。由于不同合成方法得到的碳点结构不尽相同，发光中心不同，从而导致其具有不同的量子产率和荧光功能。在众多的碳点制备方法中，水热合成法简单安全高效，对环境破坏小，并且原料来源广泛，如牛奶、蛋清、维生素C、葡萄糖和柠檬酸等都可以作为它的原料，因此是一种实用的、很受欢迎的制备方法^[19-24]。

本研究以超支化聚乙烯亚胺(PEI)和柠檬酸(CA)为原料，采用水热合成法制备了荧光碳点。考察了制备过程中的原料用量、反应时间、反应温度等条件对荧光碳点荧光强度的影响，得到了量子产率高、荧光性能稳定的荧光碳点，并采用紫外-可见光谱、荧光光谱和透射电镜对其进行了表征。

1 实验部分 1.1 仪器与试剂

BT-125D电子天平(德国赛多利斯科学仪器有限公司)；KQ2200B型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；DZG-401电热真空干燥箱(天津市天宇实验仪器有限公司)；台式离心机(无锡市瑞江分析仪器有限公司)；手提紫外灯(美国Blake-Ray公司)；25 mL聚四氟乙烯高压反应釜；T6紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限公司)；Cary Eclipse荧光分光光度计(美国Varian公司)；Tecnai G2 F20高分辨率透射电子显微镜(美国FEI公司)。

超支化聚乙烯亚胺(PEI，MW=1800)，购自阿法埃莎(中国)化学有限公司；柠檬酸(CA)、氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)和氯化钠(NaCl)购自天津科威公司。以上药品皆为分析纯，可直接使用，实验用水均为二次蒸馏水。

1.2 碳点的制备

采用水热合成法，取0.3 g PEI、0.3 g CA和5 mL蒸馏水搅拌均匀加入到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，置于180 ℃烘箱中，加热2 h。冷却至室温，便会得到棕黑色、透明的碳点溶液。取出后进行简单的处理，通过水膜去除大颗粒杂质，然后将滤液加入到离心管中，在8 000 r/min下离心5 min，然后提取上清液，即可得到纯化的碳点溶液。

1.3 表征方法

荧光分光光度计用于测量碳点的激发波长和发光强度，紫外-可见分光光度计用于测量碳点溶液的吸光度，透射电子显微镜用来观察碳点的形态和粒径。荧光分光光度计和紫外-可见分光光度计还可以用来测定和计算荧光量子产率(Fqy)。Fqy的测定采用参比法，参比物选用硫酸奎宁(量子产率55%，0.1 mol/L硫酸作溶剂)，依据公式(1)计算量子产率：

$ {\mathit{\Phi }_x} = {\mathit{\Phi }_{\rm{s}}}\left( {{K_x}/{K_{\rm{s}}}} \right)\left( {{\eta _x}/{\eta _{\rm{s}}}} \right) $

(1)

其中，下标x表示待测样品，下标s表示标准物质。Ф代表量子产率，K为曲线法样品系列的荧光发射峰面积对应浓度所作曲线的斜率，η指溶剂的折射率(在本体系中，标准物质和待测物均溶解于水中，二者折射率相同)。

测定荧光量子产率具体操作步骤为：先采用紫外-可见分光光度计测量碳点在355 nm处的吸光度值。调节浓度，使5个用于测量量子产率的碳点溶液的吸光度值均小于0.1，重复测定3次。再采用荧光分光光度计分别测量碳点和硫酸奎宁在355 nm激发波长下的荧光发射峰。然后以碳点和硫酸奎宁的荧光发射峰面积对应浓度分别绘制曲线，得到曲线斜率比值。然后用公式(1)计算荧光量子产率。

2 结果与讨论 2.1 碳点的制备条件优化 2.1.1 试剂用量对荧光的影响

温度控制在180 ℃，水的用量控制在5 mL，加热时间控制在2 h。第1组实验中CA用量为0.2 g不变，改变PEI的用量。第2组中PEI的用量为0.2 g，改变CA的用量，其它反应条件不变。第3组同时改变PEI和CA的用量，其它反应条件不变。分别测量激发波长为355 nm时的荧光量子产率，实验结果如表 1。

在相同的反应条件下，CA的量固定0.2 g不变时，PEI为0.4 g时荧光量子产率最高，为39.58%，又控制PEI的用量在0.2 g，CA的用量在0.4 g时荧光量子产率高达42.08%，说明当CA和PEI总量为0.6 g时Fqy最高；同时改变CA和PEI的用量时，CA和PEI各0.3 g，荧光量子产率达到最高，为43.02%，因此接下来的反应中PEI和CA的量都控制在0.3 g。

2.1.2 反应时间对荧光的影响

把多个装有0.3 g PEI与0.3 g CA和5 mL蒸馏水的聚四氟乙烯高压反应釜放在烘箱中加热，温度保持180 ℃，不同反应时间下取出反应釜，计算不同反应时间下的荧光量子产率，反应时间最小15 min，最大到13 h，来判定荧光碳点的最适宜反应时间。

由表 2可知，反应时间在15 min~2 h之间，荧光量子产率随着时间的增长而增大，再延长反应时间，荧光量子产率没有太大波动，在2 h时荧光量子产率达到最大，为43.02%，所以后续实验的反应时间都控制到2 h即可。

2.1.3 反应温度对荧光的影响

药品用量不变，改变反应釜在烘箱中的加热温度，从80~260 ℃，每隔20 ℃做1次实验，反应时间控制在2 h。得出的结果如图 1。

最适宜的反应温度在180 ℃，温度再往上升，荧光量子产率不再增加，所以后续实验反应温度都在180 ℃。

通过以上实验条件的探究，找到了最适宜的反应条件，即0.3 g PEI、0.3 g CA和5 mL蒸馏水在180 ℃下，加热2 h，制备出了高荧光的碳点，荧光量子产率高达43%。

2.2 碳点荧光稳定性的考察 2.2.1 pH值

用HCl和NaOH调节碳点溶液的pH值约为1，2，3，4，5……13，测其荧光强度，如图 2。

在酸性条件下和碱性条件下，碳点的荧光强度都较低，尤其是在酸性条件下，当pH值在4.00及其以下时，碳点的最大激发波长发生了红移。当pH值在6.42时，碳点的荧光强度最大，在弱碱性溶液中，荧光强度变化也不大。所以之后的实验中控制碳点在中性或弱碱性溶液中进行。

2.2.2 离子强度

配置NaCl溶液的浓度从0.2 mol·L^-1，增加到1.0 mol·L^-1，用不同浓度的NaCl溶液对碳点溶液进行稀释，测荧光强度，实验结果如图 3。

NaCl溶液的浓度对碳点的荧光强度没有太大影响，随着NaCl的浓度逐渐增大，碳点荧光强度波动范围不大，由此可以得出结论：中性的盐溶液对碳点的荧光强度没有太大的影响，只起到对碳点溶液的稀释作用。

2.2.3 紫外曝光

紫外曝光主要就是把20 mL的碳点溶液放在紫外灯下照射，分别在未照射时、照射2、5、10、20、30、60、90和120 min后迅速取出2 mL的碳点溶液，放置至室温后测其荧光强度，结果如图 4所示。

由图 4可以看出，紫外光的照射对碳点的荧光强度的影响很大，照射时间越长，碳点的荧光强度越弱，所以对于碳点的保存还应该避免强烈紫外线的直接照射，以免荧光变弱。

2.2.4 保存时间

将碳点溶液常温避光下保存，每隔3 d测1次荧光强度，总时间跨度为21 d，得出的结果如图 5所示。

由图 5可以看出，随着时间的变化，荧光强度的变化不大，由此得出结论：溶液避光下保存，荧光强度具有时间稳定性，不随保存时间的增长而减弱。

2.3 碳点的表征 2.3.1 荧光光谱

制备的碳点溶液荧光较强，直接测量荧光强度会导致荧光猝灭还会造成最大激发波长的红移，所以我们使用的是稀释2 000倍的碳点溶液。

激发波长从315 nm开始检测，一直到405 nm，来确定碳点的最大激发波长和发射波长，如图 6。

激发波长从315~355 nm时，荧光强度逐渐增强，而从355~405 nm，荧光强度逐渐减弱，因此确定荧光的最大激发波长为355 nm，对应的发射波长为455 nm。采用参比法测得荧光量子产率为43%。

2.3.2 紫外可见吸收光谱

由图 7可以看出，CA和PEI都没有明显的吸收波，但是当2种物质混合加热后形成碳点后，在图 7中可以明显的看出碳点有1个明显的吸收波，并且最大吸收波长与最大激发波长一致，为355 nm。

2.3.3 碳点的形貌特征

碳点的形态和尺寸用透射电子显微镜(TEM)来表征。如图 8所示，粒子呈球状，分散性良好，平均粒径为2.2 nm。

3 结论

采用水热合成法成功地合成了一种水溶性高荧光碳点碳点，并通过对反应条件的优化，确定了最适宜条件，即0.3 g PEI、0.3 g CA和5 mL蒸馏水在180 ℃加热2 h，方法简单，快速，量子产率高达43%。在中性或弱碱性环境下荧光稳定，离子强度对荧光无影响，避光下可稳定保存。为日后进一步利用碳点进行检测奠定了很好的基础。