制备石墨烯量子点，只用淀粉和水

淀粉和水，听上去很容易让人联想到厨房，给“鱼香肉丝”勾个芡，或者裹着肉片下油锅做一盘“锅包肉”，都少不了淀粉的身影。淀粉不光是美食界的好帮手，还是工业界的常用原材料，在印刷、纺织、造纸、制药等领域都有广泛应用。最近，三峡大学的代忠旭教授（点击查看介绍）等研究者开发了淀粉的新用途，他们只用淀粉和水做反应物，采用绿色高效的水热反应一锅法制备了性能优良的石墨烯量子点（graphene quantum dot, GQD）。这种GQD光致发光（photoluminescence, PL）性能优秀，水溶性好，细胞毒性低，可以作为PL探针直接用于细胞成像。

代忠旭教授。图片来源：三峡大学

石墨烯量子点是近年来颇为热门的一种新型碳材料，具有多种引人关注的性质，比如光致发光可调、生物相容性良好和光稳定性优异等等，因而科学家都看好它们在生物医学、光电、能源或传感器等相关领域的应用。GQD的合成通常需要将石墨烯、氧化石墨烯、碳纤维等含碳前体材料“切”得更小，所用方法包括化学氧化、水热或溶剂热处理等，需要强酸、强氧化剂等较为苛刻的条件，环境风险和健康风险较高，显然不符合“绿色化学”的发展趋势。而且，这些方法所用原材料成本较高、不易获得，所得产品含酸或金属残留，需要较为复杂的后处理步骤。为了解决这些问题，代忠旭教授等研究者创造性地将价廉易得的天然高分子淀粉用作GQD的含碳前体。他们只用淀粉和水，通过水热反应一锅法高效地制备了GQD。反应无需强酸和氧化剂，没有涉及任何金属试剂，所得产物除GQD之外，仅包括水和碳化物沉淀，后处理极为方便。与其它已报道的方法相比，这种方法堪称“绿色化学”的典范。相关论文近日发表于英国皇家化学家（RSC）旗下的Green Chemistry 杂志，第一作者为陈卫丰博士，共同通讯作者为陈剑锋副教授。

GQD的水热反应一锅法制备。图片来源：Green Chem.

具体来说，淀粉首先溶于60 ℃的水中得到淀粉溶液。随后在高压反应釜中进行190 ℃水热反应120 min，淀粉在没有任何其它化学试剂存在的情况下与水反应，持续水解产生葡萄糖；葡萄糖分子在水热条件下脱水，碳原子彼此共价相互作用并形成芳环，即石墨烯结构的基本单元。除了葡萄糖分子发生闭环缩合反应产生GQD以外，其他剩余的碳水化合物在高温和高压下发生碳化反应变成碳化物沉淀。最后，通过离心分离沉淀物，就可获得GQD溶液。

随后，作者使用透射电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、X-射线衍射（XRD）、拉曼光谱、傅立叶变换红外光谱（FT-IR）等技术表征了所得的GQD，验证了石墨烯量子点的结构特征。所得GQD粒径均匀，直径小于5 nm；粒径分布较窄，主要分布范围为2.25-3.5 nm。GQD厚度约为1.2 nm，可能具有双层结构。

所得GQD的TEM、AFM、XRD表征。图片来源：Green Chem.

GQD的水溶性和PL性质对于其在生物成像和生物传感中的应用十分重要。作者合成的GQD可以很好地分散在水中，在日光下呈现为透明、均匀、淡黄色的溶液，同时在365 nm 紫外光（UV）照射下可见PL蓝色发射。在常温下，GQD溶液可至少保持稳定五个月。在GQD的紫外可见（UV-vis）曲线中，在204 nm附近区域的强吸收峰和223 nm处的弱肩峰归因于π-π*跃迁，在266-298 nm波长范围内还显示了多环芳烃结构的特征带，这与n-π*跃迁相关。GQD的PL激发和发射光谱中，激发波长为460 nm（下图A，红线）时可见波长为534 nm（下图A，蓝线）的最大发射。GQD确切的PL机制尚不清楚，可能与掺杂、电子-空穴复合、量子效应、边缘结构、表面缺陷等因素相关。激发波长从340 nm增加到500 nm时，发射峰从453 nm逐渐红移至545 nm，最大发射波长为534 nm。这表明GQD的PL与激发波长密切相关，表明PL过程中可能涉及表面缺陷。此外，激发波长范围为360-440 nm时，GQD在722-886 nm附近发射红色和近红外（NIR）荧光。如果激发波长增加，则NIR区域中的峰红移并且PL强度增加。值得注意的是，激发波长为440 nm时，GQD的NIR PL光谱的斯托克斯位移（Stokes shift）达446 nm，十分有利于细胞成像的应用。使用荧光素作为参比染料，这种GQD的量子产率在360 nm的激发下可达21.7%，这使其在多个领域中都具有应用前景。

所得GQD的UV-vis、PL光谱分析。图片来源：Green Chem.

用于生物成像，则GQD的细胞毒性就是一个需要考量的指标。MTT实验表明，所得GQD在浓度范围0.078-1.250 mg/ml，细胞存活率均大于80%，这证明其细胞毒性低，生物相容性好，可用于生物成像领域的应用。作为验证，作者将GQD引入人宫颈癌细胞（Ca ski）进行体外生物成像实验。如下图A-D所示，所有Ca ski细胞都被可通过GQD的PL进行染色，在激光共聚焦显微镜下可呈现蓝色、绿色和黄色，细胞形态与明亮区域相比更加清晰，这表明所合成的GQD可以很好地用于生物成像和生物标记。

激光共聚焦显微镜下的细胞成像。图片来源：Green Chem.

小结

三峡大学的代忠旭教授等研究者使用通过绿色环保且简单高效的水热反应一锅法制备了性能优良的石墨烯量子点，原材料仅仅包括廉价的天然高分子淀粉和水，合成的GQD具有良好的亲水性、低细胞毒性和高PL发射，可成功应用于细胞成像和细胞标记。这种合成方法操作简单方便，不使用强酸或强氧化剂，无有毒气体产生，产物无金属杂质，无需复杂的后处理步骤，是当前合成GQD最“绿色”的方法之一，促进了GQD在细胞成像或其他相关生物领域中的应用。