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中国是世界上最主要的产竹国。竹材相比其他生物质材料具有一次成林、储量庞大、生长速度快且经济效益高等优点。然而，竹材利用率低，竹产品附加价值不高[1−3]。竹材砍伐产生的竹梢、竹节、竹枝和竹屑等采伐剩余物以及加工过程中产生的大量竹节隔、竹黄等加工废弃物均未得到合理利用，一般被遗弃在山林或作为普通燃料使用，不仅造成严重的资源浪费，还对环境产生了严重污染[4−6]。因此，高效合理利用竹材加工废弃物，对提高竹材利用率以及经济效益具有一定的价值。竹节隔核心成分为纤维素、半纤维素、木质素，富含碳元素，是制备荧光碳量子点(carbon quantum dots, CQDs)的绿色可持续碳源，无需添加任何化学试剂修饰；竹节隔本身含有的氮、硅元素可通过水热碳化自掺杂到CQDs中，从而提高量子产率和光学性能。竹节隔的高效、绿色利用对竹产业可持续、高质量发展具有重要意义。
CQDs是一种尺寸小于10 nm的新型零维碳纳米材料[7]，由于其稳定的光学性能、良好的生物相容性、优异的水溶性、低细胞毒性等诸多特性[8−10]，在传感[11]、生物成像[12]、光催化[13]、荧光防伪[14]等领域具有广泛的应用前景。根据工艺条件的不同，CQDs的制备方法通常分为2类：自上而下和自下而上[15]。自上而下制备方法，是通过电弧放电、化学氧化、激光烧蚀等将大尺寸的碳靶剥离或切割成小尺寸的CQDs[16]。但存在设备昂贵、合成条件苛刻等缺陷。自下而上制备方法主要利用微波辅助、水热等将有机小分子前驱体碳化制备得到CQDs[17]，在调控CQDs的形状和尺寸等方面具有显著优势。其中，水热法制备CQDs的前驱体来源广泛，但苯二胺、甲酰胺等常用有机化工原料成本昂贵，且部分工艺处理过程繁复，具有一定的毒性，限制了CQDs的应用领域。相比之下，生物质材料具有可再生、成本低廉、环境友好、来源广泛等优点[18−20]。以生物质碳源制备CQDs已成为当前研究热点。AMER等[21]以马齿苋Portulaca oleracea叶为原料，采用一步水热法150 ℃碳化4 h，经过离心、透析等处理后得到绿色荧光碳量子点，并用石英晶体微天平(QCM)检测甲醛等有害气体。近年来，以稻Oryza sativa壳[22]、银杏Ginkgo biloba叶[23]、花生 Arachis hypogaea壳[24]、青稞Hordeum vulgare var. coeleste [25]、枸杞Lycium chinense[26]等生物质材料制备碳量子点，并进一步应用于生物成像、传感器、防伪等诸多领域。目前，以生物质材料为碳源前驱体制备出的CQDs存在荧光颜色单一、荧光量子产率低等问题，仍需进一步探究和优化。
本研究以竹材加工废弃物竹节隔为碳源，采用一步水热法，绿色制备高荧光量子产率的竹节隔CQDs，并探究其在荧光防伪领域应用的可能性，以期提高废弃生物质材料价值，实现竹材加工废弃物的高效利用。
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3~4年生毛竹Phyllostachys edulis竹节隔通过粉碎、过筛得到100目竹节隔粉末；无水乙醇(分析纯)；普通定性滤纸、0.22 μm微孔滤膜、500 Da透析袋购于南京化学试剂有限公司；试验中用于合成和透析的水溶液均为去离子水。
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分别称取1.0、1.5、2.0、2.5 g的竹节隔粉末分散于25 mL去离子水中，混合均匀后移入50 mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中，180 ℃反应10 h。反应结束，待聚四氟乙烯反应釜冷却至室温后取出内胆，用普通定性滤纸进行过滤，之后将CQDs的滤液放入高速冷冻离心机，10 000 r·min−1离心10 min。离心结束后，用0.22 μm微孔膜过滤上清液，去除聚集颗粒使CQDs纯化。采用500 Da透析袋进行48 h透析，去除未反应的小分子，冷冻后放入真空冷冻干燥机进行干燥备用。竹节隔CQDs制备流程见图1。
Figure 1. Flow chart for the preparation of bamboo spacer carbon quantum dots
取0.4 mg CQDs粉末溶于4 mL乙醇溶液中，配置出质量浓度为0.1 g·L−1的CQDs样品溶液，通过瞬态/稳态荧光光谱仪测定：当竹节隔粉末为2 g时，绝对荧光量子产率最高，因此，表征与分析的对象均为竹节隔粉末2 g、去离子水25 mL制备的CQDs。
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采用透射电子显微镜(JEM-2100F，JEOL公司)和高分辨率透射电子显微镜(JEM-2100UHR， JEOL公司)表征CQDs的形貌与晶格间距；采用X射线衍射(XRD Ultima IV)表征CQDs的晶体性质，测试范围为10°~80°；采用紫外可见光光度计(Lambda950，PE公司)测定CQDs的紫外吸收光谱；采用瞬态/稳态荧光光谱仪(FluoroMax-4，HORIBA公司)测试CQDs最佳激发波长，检测其荧光性能；通过双指数模型计算荧光寿命，并对荧光衰减寿命曲线进行拟合：
其中：$ {\tau }_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}} $为平均荧光寿命, $ {A}_{1} $、$ {A}_{2} $为振幅，$ {\tau }_{1} $、$ {\tau }_{2} $为衰减时间。同时，在350 nm激发波长下测试CQDs的绝对荧光量子产率；采用红外光谱仪(VERTEX80V，Bruker公司)表征CQDs的表面官能团状态，波数为500~
4000 cm−1；采用X射线光电子能谱仪(AXIS-Ultra DLD，Shimadzu公司)测定CQDs的元素组成及化学结构。 -
由图2A可以看到：所制备的CQDs呈近圆形颗粒，具有良好的分散性。由图2B高分辨率透射电镜可以看出：CQDs晶格间距为0.21 nm，对应石墨(100)晶面间距[27]。通过ImageJ软件测算可知：CQDs粒径主要分布范围为0~1.6 nm，平均粒径尺寸为0.84 nm (图2C)。CQDs的XRD图谱如图2D：在23.9°出现1个宽衍射峰，属于无定形碳结构的特征峰，对应石墨的(002)晶面[28]，宽衍射峰的出现是因为合成的CQDs尺寸较小。分析结果表明：制备的竹节隔CQDs，不仅具有结晶度良好的碳核，也具有无定形表面基团。同时，尺寸较小的CQDs会影响其光致发光性能。在水热过程中，由于CQDs的尺寸分布不一，多重能间隙共同存在，导致荧光发射为激发依赖型。
Figure 2. Transmission electron microscope images and XRD spectra of CQDs
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通过红外光谱仪对CQDs的表面官能团进行分析(图3)。在3 423 cm−1处的吸收峰，是由O−H伸缩振动产生的，位于2 927 cm−1处的吸收峰为C=H伸缩振动[29]，1 623、
1507 、1413 cm−1处的吸收峰分别为C=O伸缩振动、C=C伸缩振动、C−N拉伸振动[30]，表明通过水热反应，氮元素已掺杂到CQDs的碳骨架中。分析结果表明：CQDs表面含有丰富的亲水基团，如羟基、羰基等，故具备优异的水溶性和稳定性[31]。制备的CQDs能够很好地分散于水溶液中，为后续改性提供便利。
Figure 3. Infrared spectrogram of CQDs
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采用X射线光电子能谱仪进一步检测并分析CQDs的元素组成(图4A)。在284.8、400.0、531.9 eV处显示3个信号峰位，分别对应C1s、N1s、O1s的特征峰，表明制备的CQDs含有碳、氮、氧元素。由元素分析结果可知：碳、氮、氧元素占比依次为67.82%、2.11%、30.07%。CQDs碳元素的C1s经分峰拟合后可以看出(图4B)：在284.3、285.6和288.2 eV处有3个峰位，分别对应C−C、C−O和C=O键。氧元素中的O1s经分峰拟合后(图4C)，在531.4和532.8 eV处出现2个峰位，分别对应C—O键和C=O键[32]。氮元素中的N1s经分峰拟合后(图4D)，在399.3和403.1 eV处的峰位分别对应吡咯氮和N−O键。结果显示：102.0 eV处的信号峰表明CQDs还含有少量的硅元素，证明在其表面成功自掺杂硅元素，可以有效降低CQDs表面的非辐射复合中心数量，减少能量的损失，调节能带结构，促进荧光量子产率的提高。 氮元素的掺杂可以使CQDs表面的官能团种类和数量发生改变，制备的CQDs将具有更加优异的荧光性能。
Figure 4. XPS photoelectron spectra of CQDs
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如图5所示：CQDs在紫外可见光吸收光谱图中呈现2个吸收峰，分别位于282和320 nm处，分别是由于CQDs内部芳香sp2区域的π-π*电子跃迁和C=O键的n-π*引起的[33]。CQDs溶液在日光条件下呈现淡黄色，在365 nm紫外灯照射下呈现蓝色荧光。表明制备的CQDs溶液具有良好的荧光效果。
Figure 5. UV absorption spectra of CQDS solutions
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如图6A所示：CQDs的荧光光谱随着激发波长增加发生移动，表明竹节隔CQDs荧光发射属于激发依赖性。在激发波长为300~400 nm，每次间隔增量为10 nm的激发光下，荧光强度随着激发光波长的增加呈现出先增长后下降的趋势，激发波长依赖性是由于表面杂原子官能团导致的表面缺陷和尺寸差异[34]而产生的。在380 nm激发光条件下，呈现出较强的蓝色荧光发射，最佳荧光发射峰位位于438 nm。
Figure 6. Fluorescence spectra of CQDS
通过瞬态/稳态荧光光谱仪测定出CQDs的绝对荧光量子产率为6.85%，与已有报道的CQDs量子产率相当[35]。经双指数模型拟合得到荧光衰减曲线(图6B)。可知CQDs的平均荧光寿命为3.64 ns。CQDs发光是由于表面缺陷为了激发能量，在光照下产生辐射复合而引起的。当CQDs粒径较小时，CQDs会表现出较短的发射波长和较高的荧光强度，与透射电镜的表征结果一致。CQDs的激发依赖性有助于优化在荧光防伪领域的应用效果。
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因为CQDs具有良好的水溶性和荧光特性，所以选择易于挥发的乙醇为介质。将0.1 mg的CQDs粉末溶解于4 mL的乙醇溶液中，在普通定性滤纸上书写。待干燥后，用CQDs乙醇溶液书写的图案在日光下完全不可见(图7A)，用365 nm紫外灯照射呈现出明显的蓝色荧光图案(图7B)。图7表明：竹节隔CQDs在防伪领域具有潜在的应用价值。后续将进一步探究由竹节隔CQDs制备的荧光油墨在家具木制品等不同基质上的荧光防伪性能。
Figure 7. Fluorescent anti-counterfeiting application chart for CQDs
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以竹节隔粉末为前驱体，通过绿色环保、简单的水热法制备出蓝色荧光CQDs。①通过透射电镜表征分析，竹节隔CQDs呈现规则的球形，平均粒径尺寸为0.84 nm，粒径分布范围为0~1.6 nm，且在水中呈现良好的分散性，无团聚现象。②紫外吸收光谱以及荧光光谱图分析可知：CQDs在激发波长380 nm时呈现出较强的蓝色荧光，最佳荧光发射峰位为438 nm。当竹节隔粉末为2.0 g，去离子水为25 mL时，绝对荧光量子产率为6.85%。③红外光谱和X射线能谱图分析表明：水热法制备的CQDs成功掺杂氮和硅元素，且表面带有丰富的亲水基团，具备良好的水溶性和荧光性能。所制备的竹节隔CQDs溶液在日光下不可见，在365 nm紫外灯照射下呈现蓝色荧光，可作为家具荧光防伪的新材料。
Preparation of bamboo carbon quantum dots and their application in fluorescence anti-counterfeiting
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240361
- Received Date: 2024-05-22
- Accepted Date: 2018-04-27
- Rev Recd Date: 2024-11-21
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Key words:
- bamboo septum /
- carbon quantum dots /
- fluorescence /
- fluorescent anti-counterfeiting
Abstract:
| Citation: | LIU Yan, LI Rongrong. Preparation of bamboo carbon quantum dots and their application in fluorescence anti-counterfeiting[J]. Journal of Zhejiang A&F University. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240361
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