1.4表征與性能評價

1.4.1產物表征

通過紅外吸收光譜測試每一步反應是否進行；通過納米激光粒度分析儀測量兩種碳量子點CQDs和N-CQDs的粒徑分布情況，表征其碳量子點粒徑特征；通過紫外分光光度計和熒光分光光度計分別測量兩種碳量子點的紫外吸收光譜和不同激發(fā)波長下的熒光能量數(shù)值，表征兩種碳量子點的熒光特征。

1.4.2性能評價

通過計算CQDs與N-CQDs的熒光量子產率評價兩種碳量子點的熒光性能。熒光量子產率是指具有熒光性質的物質在光化學反應中發(fā)射出的熒光光子數(shù)與其吸收的激發(fā)光光子數(shù)的比，通常用φ表示[19]，φ的數(shù)值越大，說明其熒光性能越好。熒光量子產率的計算采用參比法，本實驗采用硫酸奎寧參比計算(313 nm激發(fā)波長下的熒光量子產率為0.54)。

以分水時間法測試產物的乳化性能[20]，分別記錄水相分出5 mL水和10 mL水所需時間。

以振蕩法測試產物的起泡性能和穩(wěn)泡性能[21]，以5 min后泡沫體積與初始泡沫體積比為穩(wěn)泡性能評價指標。

以產物水溶液在不同質量濃度下的表面張力來評價產物降低表面張力的能力(表面張力的數(shù)值用表面張力儀測定)。測定不同質量濃度下產物水溶液的表面張力來確定產物在水溶液中的臨界膠束濃度(CMC)以及臨界膠束濃度下界面張力γCMC。

2.結果與分析

2.1表征結果分析

2.1.1紅外吸收光譜

圖2是CQDs、N-CQDs與R-(N-CQDs)的紅外吸收光譜，在3 430 cm-1處的吸收峰是O-H和N-H伸縮振動，相比于N-CQDs，R-(N-CQDs)在此處的吸收峰較弱，說明在N-CQDs基礎上發(fā)生了一定程度的烷基化反應，而CQDs在此處的峰比N-CQDs與R-(N-CQDs)的峰要窄，因為CQDs上只存在O-H的伸縮振動，在2 924 cm-1和2 824 cm-1處的吸收峰是C-H的伸縮振動，R-(N-CQDs)在此處的吸收峰比N-CQDs的要強。1 660 cm-1處的吸收峰對應于酰胺基團C=O鍵的拉伸振動，1 385 cm-1處的峰為C-O伸縮振動，1 085 cm-1處的峰為胺類烷基的C-N振動，R-(N-CQDs)在此處的峰較N-CQDs更為明顯，而CQDs在此處看不到任何吸收峰，進一步說明在R-(N-CQDs)在N-CQDs的基礎上完成烷基化改性成功引入碳長鏈。圖2表明實現(xiàn)了將氮原子摻雜到碳量子點中的目標，并且在此基礎上引入了碳長鏈對其進行表面修飾。

圖2紅外吸收光譜

2.1.2產物粒徑分布

圖3是CQDs和N-CQDs的粒徑分布直方圖。由圖3可知，兩種碳量子點的粒徑分布都比較均勻，CQDs粒徑集中分布在(5.25±0.5)nm，N-CQDs粒徑集中分布在(6.31±0.5)nm，且都在10 nm以下，符合碳量子點的粒徑特征。此外，N-CQDs的粒徑整體略大于CQDs，可能是由于氮原子的摻雜打破了碳量子點的完整晶格結構，導致碳量子點發(fā)生晶格畸變和扭曲，進而影響形成的碳量子點的粒徑。

圖3 CQDs和N-CQDs的粒徑分布

2.1.3紫外-可見吸收光譜

圖4(a)是CQDs與N-CQDs的紫外-可見吸收光譜。與CQDs的吸收光譜相比，N-CQDs在波長為350 nm處有一個明顯的吸收峰，這是酰胺基團中的C=O的n→π躍遷所致，在長波段方向出現(xiàn)吸收帶。這也表明氮原子已被成功引入碳量子點中。圖4(b)是以參比法計算熒光量子產率CQDs和N-CQDs以及硫酸奎寧的紫外吸收光譜對比，從圖4(b)可以看出，三者吸光度在波長為300~400 nm區(qū)間內基本接近，且數(shù)值上沒有超過0.05，滿足量子產率計算條件要求，可以此濃度為基礎計算熒光量子產率。

圖4紫外-可見吸收光譜

2.1.4熒光發(fā)射光譜

圖5是CQDs、N-CQDs及硫酸奎寧的紫外-可見吸收光譜接近且小于0.05(圖4(b))時在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜，由于硫酸奎寧是以此參比法作為已知條件用于計算碳量子點的熒光強度，所以本研究不涉及硫酸奎寧的光譜法。由圖5可知，當激發(fā)波長為320~380 nm時，CQDs和N-CQDs都具有一定的熒光強度數(shù)值，說明兩者都具有明顯的熒光性質。圖5(a)和圖5(b)中插圖是兩者的水溶液及其在365 nm激發(fā)波長下顯現(xiàn)藍色熒光狀態(tài)，這也能反映出制備的兩者具備明顯的熒光性質。此外，CQDs的最大發(fā)射波長為451 nm，最大激發(fā)波長為370 nm；而N-CQDs的最大發(fā)射波長為446 nm，最大激發(fā)波長為360 nm，說明摻氮對碳量子點的電子環(huán)境產生了部分影響，調整了碳量子點的能帶結構并改變了碳量子點的表面態(tài)，從而使激發(fā)波長和發(fā)射波長都發(fā)生了改變。

圖5 CQDs和N-CQDs在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜

2.2性能分析

2.2.1熒光量子產率

對圖5中不同激發(fā)波長下CQDs和N-CQDs的熒光發(fā)射光譜計算熒光積分強度后計算不同激發(fā)波長下的熒光量子產率(硫酸奎寧在313 nm激發(fā)波長下的熒光強度積分為22 860.61，吸光度為0.028 63)，結果見表1。

表1 CQDs和N-CQDs的熒光量子產率

從表1可看出，相比不摻氮的碳量子點，摻氮極大地提高了碳量子點的熒光量子產率。本實驗制備出的氮摻雜碳量子點在最大激發(fā)波長為360 nm處的熒光量子產率達到了47%。此前報道的碳量子點的熒光量子產率大多分布在43%以下[8-9,22-23]，大多集中在10%~30%之間，只有極少數(shù)超過50%[18]，所以本實驗制備出的氮摻雜碳量子點的熒光量子產率屬于高水平區(qū)間。