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• 实验教学是高等学校实践教学的重要环节之一，是培养大学生实践动手能力和创新能力的重要手段。根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和教育部在《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》文件中提出了在实验教学中要增加综合性与创新性实验，提高学生自主学习和独立研究能力的具体要求。研究创新性实验强调学生的探究和创新，目标是培养学生的创新能力、创新意识、合作精神与科学态度，是完成高校创新人才培养目标的有效途径^[1]。因此，许多高校都对研究创新性实验课程进行积极的探索与实践，对其教学实验内容与教学模式进行研究^[2~4]。基于此，华南农业大学2017年本科人才培养方案修订指导意见中提出了“强化实践教学，设置多种类型的科研训练、实习实践活动，培养学生的创新精神和实践能力”的实践教学改革的指导性原则。为此，我们积极参与了该教学改革项目，将科研工作与实验教学相结合，在实验教学内容与教学方式改革方面做了诸多尝试。本文以科研课题为基础设计了一项题为“绿色水热法快速制备荧光碳点”的研究创新性实验，该实验把部分具有创新性与实验教学可行性的科研成果植入到化学实验教学中，实验内容涵盖了多个学科的交叉与融合，有利于培养学生的创新意识、探索精神和科学素养。

  1.   设计依据与意义

  碳点首次被发现是在2004年，Xu等^[5]在电弧放电法制备单壁碳纳米管实验中，通过分离纯化产物时无意得到了这种发荧光的碳纳米颗粒。随后，这种具有发光性质的碳纳米颗粒便引起了科研人员的广泛关注。碳点作为荧光碳纳米材料家族的新成员，它具有十分优异的发光性能、良好的生物相容性以及优越的光电性质，可应用于生物成像、生物标记、光催化、光电子器件和生物传感器等领域^{[6, 7]}。为了让碳点的优异性能得到更广泛的应用，研究者们一直在努力对碳点制备方法不断改进与优化。在过去的十多年中，科研人员已经提出了许多制备碳点的方法，按原理主要分为两大类：自上而下(top-down)法和自下而上(bottom-up)法。前者指从较大碳骨架分解形成碳点，例如分解石墨、碳纳米管、活性炭和氧化石墨^{[8, 9]}。后者通过燃烧或者热处理分子型前驱体来制备碳点，例如柠檬酸盐和碳水化合物，以及利用微波法等来合成^{[10, 11]}。通常，这些方法均会涉及昂贵的前驱体、复杂的仪器设备和繁杂的后处理过程。因此，选择廉价易得的生物质作为原料可以很大程度上降低制备的成本，采用绿色简单易行且适合于大规模制备的水热法，可以有效避免复杂的合成过程。本教学实验正是基于这样一个具有创新性、前沿性的研究课题上发展的研究型创新实验，体现新的科研进展和研究热点，开阔学生视野，培养学生的综合实验能力，提高实验教学水平。

  2.   实验原理

  2.1   水热法技术

  水热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中，采用水溶液作为反应介质，通过对反应体系的温度控制，创造一个高温、高压反应环境，利用溶液中物质化学反应进行合成的方法^[12]。由于反应在密闭容器中进行，避免了反应过程中有害物质的散发，反应过程较为简单且具有良好的可重复性。因此，它是一种安全简便、绿色环保的纳米材料合成技术。

  2.2   碳点的形成原理

  一般来说，可以通过高温裂解或分割不同类型的大分子量的碳源(如石墨粉体、碳棒、碳纤维、碳纳米管和炭黑等)来制备碳点。最常用的裂解方法是使用高浓度的强氧化性酸(硝酸或者硝酸/硫酸的混合物)处理碳源。在此过程中，大块的碳材料会被切分成大小不同的小块，同时这些小块的表面在氧化作用下会形成一些含氧的官能团，所得到的产物就是荧光碳点。蚕茧是一种生活中很容易获得的低成本的生物质，其富含氮元素，是较为理想的合成碳点的原料^[13]。蚕茧首先在高温高压下被破坏为小块结构，然后在此条件下发生进一步的聚合、氧化和表面钝化过程，最终形成球状或类球状的碳点。

  2.3   荧光分析原理

  当分子吸收一定波长光之后跃迁至激发态，通过振动驰豫等无辐射跃迁返回第一激发态的最低振动能级，再以光的形式返回到基态的不同振动能级，发出波长比激发光长的光，称为荧光。荧光的量子产率是指荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与所吸收的激发光的光子数之比值，是衡量分子荧光强度的关键指标，为荧光物质的固有属性^[14]。通常可采用参比法测定，即在相同激发条件下，分别测定待测物质和已知量子产率的参比物质之间稀溶液(吸光度A＜0.05)的积分荧光强度及两者在激发波长下的吸光度进行计算获得，通常以硫酸奎宁(0.1mol·L^-1 H₂SO₄为溶剂，量子产率为54%)作为参比物并按式(1)进行碳点荧光量子产率的计算^[15]。

  $ Q = {Q_R}\frac{I}{{{I_R}}}\frac{{{A_R}}}{A}\frac{{{n^2}}}{{n_R^2}} $

  (1)

  式中，Q表示量子产率，I表示积分荧光强度，A表示在激发波长下的吸光度，n表示溶剂的折射率，R表示参比物质。

  3.   实验

  3.1   试剂与仪器

  蚕茧，双氧水(30%，分析纯)，碳酸钠(分析纯)，硫酸奎宁(分析纯)，硫酸(分析纯)，0.22μm微孔滤膜，去离子水。

  电子天平，超声波清洗器，不锈钢水热反应釜(内衬为聚四氟乙烯)，真空冷冻干燥机，数显鼓风干燥箱，365nm紫外灯，高分辨透射电子显微镜(JEM-2100)，荧光发射光谱仪(F-7000)，傅里叶转换红外光谱仪(Nicolet Avatar 360)，X射线光电子能谱仪(Axis-Ultra DLD)。

  3.2   蚕茧预处理

  将蚕茧去蛹洗净，然后置于质量百分浓度为5%的Na₂CO₃水溶液中不断搅拌并煮沸45min，以除去蚕茧表面丝胶及蜡，然后冷却至室温。最后用去离子水和乙醇洗涤数次后得到蚕丝，在室温下干燥备用。

  3.3   碳点的制备

  将0.5g蚕丝加入到50mL不锈钢水热反应釜(内衬为聚四氟乙烯)中，边搅拌边加入30mL 3(wt)%的双氧水，搅拌均匀后密封，小心放入已预热至260℃的烘箱中，反应50min。待反应完成后冷却至室温，将上述反应液采用0.22μm微孔滤膜过滤，弃去固体，收集黄褐色滤液得到碳点溶液(在365nm紫外光照射下显明亮蓝色)，进一步经过真空冷冻干燥之后可得到黄色的碳点固体粉末。实验流程如图 1所示。

  图 1

  

  图 1.  以蚕茧为原料制备荧光碳点的流程示意图

  Figure 1.  Schematic illustration for the preparation of CDs by hydrothermal treatment of silk in the present of H₂O₂

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  3.4   荧光量子产率的测定

  采用硫酸奎宁作为标准参照物来计算碳点的量子产率。首先将少量硫酸奎宁溶解于0.1mol·L^-1 H₂SO₄中，其在360nm处的量子产率为54%，分别测碳点和硫酸奎宁溶液在360nm处的吸光度(吸光度A＜0.05)，然后分别测量碳点和硫酸奎宁在360nm激发下的荧光发射峰，并得到积分荧光强度，再按照上述公式(1)计算荧光量子产率。

  4.   结果与讨论

  4.1   碳点的形貌表征

  蚕茧作为一种天然生物丝，主要由蚕丝蛋白和表面的丝胶蛋白组成，富含碳、氢、氧、氮等元素，其价格便宜、来源广泛，可以作为一种廉价易得的碳源来制备碳点。采用透射电镜(TEM)对得到的产物的形貌和粒径进行了观察和分析。如图 2(a)所示，用双氧水处理得到的碳点颗粒均匀性较好，粒径大小约7.42nm(图 2(c))；通过HRTEM对碳点的进一步观察(图 2(b))，没有发现明显的石墨晶格条纹，表明该方法合成的碳点以聚合物状无定形结构为主。

  图 2

  

  图 2.  (a) 碳点的低倍TEM图；(b)碳点的高倍TEM图；(c)碳点的粒径分布图

  Figure 2.  (a) TEM and (b) HRTEM images of CDs; (c) Size distribution of CDs

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  4.2   碳点的光电子能谱分析

  碳点的元素组成用X射线光电子能谱(XPS)来表征。图 3(a)显示碳点含有C1s、N1s和O1s三种组分的典型峰，其原子含量分别为59%、18%和28%。高分辨C1s谱图(图 3(b))显示，碳点的两个峰分别对应C-C(284.5eV)和C=N/C=O(288.0eV)基团，这与红外光谱(图 4(a))结果可以很好地对应。高分辨N1s谱图(图 3(c))中显示了C-N-C(399.5eV)和N-H(401.5eV)这两种N元素的基团。此外，高分辨O1s谱图(图 3(d))中显示了C=O(531.6 eV)和C-O-C(533.0eV)的两个氧元素的特征峰^[16]。综上可知，该方法制备的碳点主要由氨基酸的多环芳香族聚合组成，其表面具有丰富的羟基、氨基和羰基/羧酸根基团。

  图 3

  

  图 3.  碳点的光电子能谱图(a)总谱图, (b) C_1s谱图, (c) N_1s谱图, (d) O_1s谱图

  Figure 3.  (a) Survey XPS spectra of CDs. (b-d) High resolution C 1s, N 1s, and O 1s spectrums of CDs

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  图 4

  

  图 4.  (a) 碳点样品的红外谱图；(b)碳点在不同激发波长下的荧光光谱

  Figure 4.  (a) FTIR spectra of the CDs; (b) the PL spectra excited by different excitation wavelengths

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  4.3   碳点的红外和荧光光谱分析

  图 4(a)中，碳点在1655和1450 cm^-1处有两个显著的吸收峰，分别归属于C=O的伸缩振动和C-N的伸缩振动峰；3350cm^-1处的吸收峰为-OH和不饱和羟基中C-O的伸缩振动，这充分说明此方法合成的碳点富含氮元素掺杂，其表面被大量的基团(包括羟基、羰基和羧基)修饰。荧光光谱(图 4(b))显示，当激发波长为390nm时，氮掺杂碳点的荧光强度最大，其峰位为485nm。当激发波长从310nm逐渐调节至430nm时，荧光发射峰的峰位由420nm红移至520nm，且荧光强度出现先升后降的趋势。这种依赖于激发波长的荧光变化特性是由粒子表面发射缺陷点过多引起的^[17]。

  4.4   碳点量子产率计算

  利用前述公式(1)对合成的碳点进行量子产率计算数据如下表 1，以硫酸奎宁为参比，计算该合成碳点的荧光量子产率为24%。

  表 1

  

  表 1  碳点的量子产率计算

  Table 1.  Quantum yield of the CDs

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  样品	积分荧光强度(I)	吸光度(A)	溶剂的折射率(n)	量子产率(Q)
  硫酸奎宁	188845	0.04	1.33	54%(已知)
  碳点	90738	0.037	1.33	24%

  5.   实验教学效果

  通过本实验，学生可掌握利用水热法制备纳米材料的基本合成手段。在本实验的具体实施过程中，选择天然蚕丝为原材料，一步快速合成了具有蓝色荧光高量子产率的氮掺杂碳点，发光现象直观明显，引起了学生的细致观察和热烈讨论。材料表征借助学校分析测试平台，给学生提供更多机会接触透射电镜、光电子能谱、荧光光谱仪等大型仪器的机会，受到学生的欢迎。学生成功制备出纳米尺寸的荧光碳点，激发了其探索深层原理、自主开展课题研究的兴趣。同时，前沿研究中的新方法的引入提升了实验的新颖性，提高了学生对自身专业的认同感。实验完成后学生以科技论文的形式上交实验报告，并让学生充分了解科学研究中，从文献调研、实验开展、结果讨论到形成科技报告的基本流程，为学生今后从事创新性科研工作提供基础。教学实践表明，本实验在提升学生的创新意识和创新能力方面都有良好的效果。学生还可以通过自主调研设计，将这种荧光碳纳米材料制备方法运用到更多的体系，获得更加多样的碳纳米材料，并进一步探索其应用。

  6.   结语

  本实验教学项目首先通过绿色水热法快速制备氮掺杂碳点对学生进行纳米材料制备与表征方面的知识与技能教学；其次根据这种新型碳纳米材料的荧光特性，该教学实验又设计了基于碳点荧光量子效率的定量计算方法，有利于学生掌握水热法合成纳米材料基本原理和荧光量子效率定量检测新方法。该综合性实验项目已在本科化学创新实验教学中顺利实施并获得好评。

  将科研课题与实验教学相结合，丰富和优化了本科生实验教学内容，展现新的科研进展和研究热点，大大增强实验教学的趣味性，激发了学生的科研热情和创新意识，提高了学生利用农业资源，综合应用理论知识和实验技能分析问题、解决问题以及独立进行科学研究工作的能力，实现了农科院校实验教学改革和人才培养模式的创新。

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  图 1  以蚕茧为原料制备荧光碳点的流程示意图

  Figure 1  Schematic illustration for the preparation of CDs by hydrothermal treatment of silk in the present of H₂O₂

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  图 2  (a) 碳点的低倍TEM图；(b)碳点的高倍TEM图；(c)碳点的粒径分布图

  Figure 2  (a) TEM and (b) HRTEM images of CDs; (c) Size distribution of CDs

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  图 3  碳点的光电子能谱图(a)总谱图, (b) C_1s谱图, (c) N_1s谱图, (d) O_1s谱图

  Figure 3  (a) Survey XPS spectra of CDs. (b-d) High resolution C 1s, N 1s, and O 1s spectrums of CDs

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  图 4  (a) 碳点样品的红外谱图；(b)碳点在不同激发波长下的荧光光谱

  Figure 4  (a) FTIR spectra of the CDs; (b) the PL spectra excited by different excitation wavelengths

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  表 1  碳点的量子产率计算

  Table 1.  Quantum yield of the CDs

  样品	积分荧光强度(I)	吸光度(A)	溶剂的折射率(n)	量子产率(Q)
  硫酸奎宁	188845	0.04	1.33	54%(已知)
  碳点	90738	0.037	1.33	24%

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