生物质组分的复杂性导致生物质基碳点（CDs）的性能发生显著变化。2024年，昆明理工大学吴枫副教授和谢德龙教授为了阐明这一问题，以纯纤维素、木质素和蛋白质为模型，对CDs的荧光性质进行了比较分析。三种CDs表现出不同的荧光性质，这是由其结构差异和水热反应中的不同碳化行为造成的。蛋白质在相对温和的热降解条件下使得氨基酸的大分子结构得以保留，导致了更规则的晶格结构，更大的sp2结构域和N掺杂，这有助于CDs的高量子产率。相关成果于2024年以Unraveling fluorescent mechanism of
biomass-sourced carbon dots based on three major components: Cellulose, lignin,
and protein为题发表在Bioresource Technology (IF = 9.7)上，第一作者为昆明理工大学的Li, Tian-xiang。1. 背景
以往，通过许多天然产物（如：芒果、稻壳、西瓜皮等）制备得到了许多多色荧光CDs，但由于其纤维素、木质素和蛋白质的含量不同，往往很难探究其PL（Photoluminescence, PL）机理。值得关注的是天然产物所制备的CDs往往由于其前驱体的采集时间、采集地点、采集方法及储存方式的不同导致了重现性差的特点。为保证CDs的大规模生产，CDs的再现性是一个重要的考虑方面。除了不同的组成比例外，生物质CDs的特定荧光机制不明确加剧了这种可重复性问题。生物质前驱体的优点在于富含多种多样的杂原子，目前普遍认为杂原子的参杂导致了CDs的性质上的变化。但由于其制备过程中反应较为复杂所以其发光机理不能被准确的阐明。因此，为了更好地控制生物质CDs的性能，有必要了解不同组分在CDs制备过程中的作用。本研究选择三种不同的纯物质，是因为大多数生物质的主要成分是纤维素和木质素，它们具有不同的化学结构和性质。虽然蛋白质不是主要成分但其含有丰富的N源，N掺杂被认为可以有效地调节CDs的荧光性质。本文研究发现三种CDs的晶格形态、石墨化和表面氧化也不同，共同影响了光物理性质。为了更好地控制CDs的光物理性质，在今后的工作中应明确生物质的组成比例。2. CDs的制备及表征
纤维素、木质素和大豆分离蛋白合成CDs的方法如下：将0.5 g大豆分离蛋白与30 mL蒸馏水混合，转移到内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，在180 ℃的烘箱中加热3 h。冷却后，将得到的溶液在10,000 rpm下离心30 min，以去除任何未反应的生物质。将上清液通过0.22 μm过滤器过滤，然后将滤液转移到截留分子量为3500 Da的透析袋中，透析24 h。最后收集透析袋中的溶液，通过冷冻干燥得到大豆分离蛋白CDs，简称SPI-CDs（soy-protein isolate based CDs）。制备的CDs保存在4 ℃的冰箱中进行进一步分析。采用与上述相同的方法制备木质素基CDs和纤维素基CDs，并分别命名为LI-CDs（Lignin-based CDs）和CE-CDs（cellulose-based
CDs）。利用大豆分离蛋白、木质素和纤维素作为碳源，CDs的形成最初是通过观察365 nm紫外光下从棕色到蓝色的颜色变化来证实的（图1a-c）。通过紫外可见光谱对其光学特性的进一步研究表明，三种类型的CDs中每一种都有不同的吸收峰。在209 nm、224 nm和228 nm处的吸收峰对应于碳骨架中共轭结构的π-π*跃迁。相比之下，272 nm、275 nm和280 nm处的吸收峰主要是由含氧和含氮官能团的n-π*跃迁引起的。值得注意的是，在三种类型的CDs中，两个吸收峰的强度有显著差异。CE-CDs在n-π*跃迁（280 nm）处紫外吸收峰较强，在228 nm处吸收峰较低，而其他两种类型的CDs在209 nm处吸收峰较强，在273 nm处吸收峰较弱。这表明更强的n-π*跃迁主要是由于纤维素中丰富的多羟基结构的存在。因此，这表明来自生物质的CDs中的n-π*跃迁主要是由纤维素或半纤维素组分引起的。CE-CDs中各种C-OH和C-O-C官能团的存在导致与环氧化物（或OH）相关的局部电子态低于π*状态，导致n-π*间隙内的新能级，从而导致较低的激发能，产生较长的激发波长。这反映在三个CDs的激发波长上，激发波长从280 nm增加到440 nm。如图1（d-f）中三种CDs的荧光发射光谱所示，CE-CDs在短波长（280 nm、300 nm）处激发受限或没有激发。CE-CDs的最大激发波长为340 nm，而SPI-CDs和LI-CDs的最大激发波长为360 nm。进一步测量了CDs的PL QY，发现SPI-CDs最高，为8.7%，LI-CDs为4.0%，CE-CDs为2.2%。这表明生物量中蛋白质含量越高，QY越高。如之前报道的，由烤羊肉和血清蛋白为前驱体制备的CDs的QY不同是由于氮掺杂的不同造成的。QY越高，发光效率越高。如图1所示，SPI-CDs的亮度明显更高。进一步通过对TEM图像进行统计分析，确定了三种CDs的粒径，如图1（g-i）所示，三种CDs的粒径分布范围均在1 ~ 4 nm之间，平均值一致为2.5 ± 0.5 nm。这种直径的均匀性表明，当采用相同的制备方法和纯化程序时，CDs的粒径在很大程度上不受生物质成分存在的影响。此外，小颗粒尺寸（小于10 nm）证实了CDs的成功合成。与其他量子点不同的是，CDs的尺寸大小对CDs的光学特性没有显著影响。之前研究表明，CDs的光学特性主要受元素组成、表面缺陷和sp2结构域大小等因素的影响。因此，本文对三种不同类型CDs的元素组成和表面基团进行了初步表征。CDs的官能团通过红外光谱进行表征，如图2a所示。值得注意的是，三种CDs的表面特性有显著差异。例如，在1400 cm-1的SPI-CDs中观察到的C-N基团在CE-CDs和LI-CDs中不存在，这是纤维素和木质素中缺乏氮的结果。此外，CE-CDs的-OH峰（位于3367 cm-1）和C-O-C峰（位于1115 cm-1）明显比LI-CDs和SPI-CDs更明显。这表明CE-CDs表面存在较多的羧基和羟基，这与生物质的化学结构和热降解特性一致。![]()
Fig. 1. UV–visible
absorption spectrum of SPI-CDs (a), LI-CDs (b) and CE-CDs (c); fluorescence
spectrum of SPI-CDs (d), LI-CDs (e) and CE-CDs (f); particle size distribution
diagram of SPI-CDs (g), LI-CDs (h) and CE-CDs (i).
图1. SPI-CDs (a)、LI-CDs (b)和CE-CDs (c)的紫外可见吸收光谱；SPI-CDs (d)、LI-CDs (e)和CE-CDs (f)的荧光光谱；SPI-CDs (g)、LI-CDs (h)和CE-CDs (i)的粒径分布图。
由于不同的热降解行为会导致炭化过程中结构演化的显著差异，因此采用热重分析对生物质的热分解进行了研究。三种生物质的TGA结果如图2b和2c所示，并测定了它们的分解温度。在100 ℃以下发生的分解主要是由于生物质中残余水分的损失。TGA结果显示，纤维素在整个温度范围内（180-500 ℃）完全分解，而SPI和LI在500 ℃时的残余分别为30.8%和21.1%。虽然纤维素的起始分解温度（失重5%的温度）是三者中最高的，但这表明在高压水热处理过程中，SPI和LI的热稳定性要优于纤维素。预计SPI在热分解过程中会有更多的主链残基，从而影响CDs的结构和性质。此外，利用XPS分析了三种不同CDs的元素组成和表面基团（图2d、e和f）。虽然三种CDs都有C1s（285 eV）、N1s（400 eV）和O1s（531 eV）的特征峰，但它们的含量差异很大。氮只存在于SPI-CDs中，占成分的15.1%。SPI-CDs中的氮主要是酰胺氮，这种胺氮可以显著增强CDs的荧光QY，这是因为氮原子中的未配对电子充当了电子供体，从而改善CDs的光学特性，就像碳原子的作用一样。此外，从XPS数据中得到O/C比值，SPI-CDs为0.71，LI-CDs为1.01，CE-CDs为1.52，这表明三种CDs的元素含量存在巨大差异。含氧官能团的存在越多并不一定意味着更高程度的氧化。氧化程度可以通过O1s峰向较低结合能的移动来评估，偏差越大，表面氧化程度越高。LI-CDs表现出最高程度的O1s峰偏移，表明氧化程度最高。表面氧化会引入缺陷，这些缺陷可以作为激发的捕获位点。氧化程度越高，CDs表面缺陷越多，能隙越窄，QY越大。这解释了与CE-CDs相比，LI-CDs的荧光性能略微优越。相反，SPI-CDs的表面氧化程度低于LI-CDs和CE-CDs，但其荧光性能优异。这主要归因于氮掺杂而不是表面氧化。氨基N位于碳结构边缘或碳骨架表面，增加了跃迁通道中光激发电子的数量，增强了辐射跃迁的概率，大大提高了CDs的荧光强度。
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Fig. 2. Fourier
Transform Infrared Spectroscopy of SPI-CDs, LI-CDs and CE-CDs (a); TGA/DTG
curves of soy protein isolate, lignin and cellulose (b) and their enlarge
curves from 40 to 180 ℃ (c); X-ray
electron spectroscopy full spectrum of SPI-CDs (d), LI-CDs (e) and CE-CDs (f);
Schematic diagram of O and N defects of SPI-CDs (g), LI-CDs (h), and CE-CDs
(i).
图2. (a) SPI-CDs、LI-CDs和CE-CDs的傅里叶变换红外光谱；(b) 大豆分离蛋白、木质素和纤维素的TGA/DTG曲线及(c) 其在40 ~ 180 ℃范围内的放大曲线；(d) SPI-CDs、(e) LI-CDs和(f) CE-CDs的X射线电子能谱；(g) SPI-CDs、(h) LI-CDs和(i) CE-CDs的O和N缺陷示意图。
在图3a-c所示的TEM图像中，所有三种类型的CDs都均匀分散，表现出准球形和彼此分离良好的分布。为了进一步研究这些CDs中碳的石墨化程度，使用HRTEM进行进一步测试，如图3d-f所示，只有SPI-CDs表现出明显且清晰的晶格条纹（图3d），晶格间距为0.24 nm，与石墨碳相对应。在LI-CDs的图谱中，观察到晶格结构，尽管它看起来不规则排列，并且测量到的d -间距约为0.22 nm，对应于石墨碳的（002）平面。然而，对于CE-CDs，晶格形态表现得不那么明确。因此，除了N掺杂外，本文认为规则晶格条纹结构的存在也有助于SPI-CDs的高QY（QYs），这是以往研究中经常被忽视的因素。传统上，大多数研究将CDs的荧光归因于碳原子的表面状态，而对碳核的晶格结构关注较少。然而，晶格CDs的存在表明石墨化程度高，边缘缺陷较少，这些缺陷与N掺杂和氧化程度一起显著影响荧光。拉曼光谱通常用于表征碳的石墨化和形态。在拉曼光谱中，1335 cm-1处的峰（称为D带）对应于碳材料的缺陷区域或无序结构。相反，1590 cm-1处的峰（称为G带）代表sp2杂化碳石墨化结构，可以深入了解sp2结构域的大小。I(D)/I(G)值越低，表明制备的碳材料石墨化程度越高。SPI-CDs、LI-CDs和CE-CDs的拉曼光谱如图3所示。所有三种CDs都显示出石墨化碳峰和无序碳峰，每个碳峰都具有不同的I(D)/I(G)比。具体来说，SPI-CDs、LI-CDs和CE-CDs的比值分别为0.99、1.01和1.15。单因素方差分析显示，SPI-CDs和LI-CDs的石墨化程度几乎相同，p值为0.14，远大于0.05，说明两者的石墨化程度差异不显著。CE-CDs的石墨化程度相对较低，I(D)/I(G)比值较高。这表明CE-CDs具有更无序的结构，与先前从HRTEM图像中观察到的结果一致。重要的是，这些缺陷和无序结构对CDs的改性和钝化具有潜在的好处。通过XRD分析进一步评价石墨化程度，给出了CDs的相应XRD曲线。XRD分析结果表明，从CE-CDs到SPI-CDs（SPI-CDs > LI-CDs > CE-CDs）的石墨化程度逐渐增加，在23°左右的峰值强度增加，对应于石墨碳的（002）晶面。值得注意的是，SPI-CDs有明显的石墨峰，而LI-CDs的石墨峰相对较小，CE-CDs几乎没有明显的石墨峰。这一发现与HRTEM和拉曼光谱的观测结果一致。来自纤维素、木质素和蛋白质的CDs表现出不同的荧光特性，包括激发/发射波长依赖性、QY和荧光强度的差异。结构分析表明，与CE-CDs相比，SPI-CDs在碳核中具有更规则的晶格条纹和更高的石墨化程度。这些因素，加上众所周知的N掺杂，都有助于SPI-CDs的高QY。相比之下，CE-CDs的石墨化程度最低，但表面含氧官能团最高。虽然CE-CDs具有大量含氧官能团，但表面官能团相对均匀，导致各种辐射跃迁、激发范围和依赖性降低。LI-CDs的QY大于CE-CDs，主要归因于LI-CDs的表面氧化程度。表面氧化程度的提高引入了额外的表面缺陷，这些缺陷可以作为激发阱，缩小能隙并增加PL QY。为了阐明这些现象背后的机制，进行了TGA-FTIR分析，以揭示CDs生产过程中可能发生的结构和化学变化。![]()
Fig. 3. The
structure of carbon dots revealed by Transmission electron microscopy (TEM).
The TEM images of SPI-CDs (a), LI-CDs (b), CE-CDs (c); and high Resolution TEM
of SPI-CDs (d), LI-CDs (e), and CE-CDs (f); Raman of SPI-CDs(g), LI-CDs(h), and
CE-CDs (i).
图3. 透射电子显微镜（TEM）研究了CDs的结构。SPI-CDs (a)、LI-CDs (b)、CE-CDs (c)的TEM图像；SPI-CDs (d)、LI-CDs (e)和CE-CDs (f)的HRTEM；SPI-CDs(g)、LI-CDs(h)和CE-CDs (i)的拉曼曲线。
三种原料的TGA-FTIR光谱如图4所示。虽然纤维素在低温下（< 300 ℃）表现出最高的稳定性，但纤维素在分解过程中产生的挥发性化合物非常复杂，包括CO2（2360 cm-1）、CO（2180 cm-1）、CH4（3016 cm-1）和H2O（3740 cm-1），而大豆分离蛋白和木质素主要分解为CO2。纤维素的分解涉及两个主要的竞争性步骤：一个归因于焦油（主要是左旋葡聚糖）和炭的形成，另一个涉及产生轻气体，包括CO、CO2和H2O等。木质素热解过程中CO2和CO的释放是由苯基丙烷侧链上可挥发的羧基、羰基和醚基的裂解和重整引起的。值得注意的是，CO的释放温度远高于CO2的释放温度。CO的释放源于连接亚基的醚桥的裂解，其特点是其解离能较低，为250-290 kJ/mol。令人惊讶的是，在蛋白质的分解过程中没有产生含氮化合物，如胺和酰胺，这表明在180 °C的热解过程中，氨基仍然附着在碳骨架上。二氧化碳的产生是由于蛋白质链中C-C键的断裂，这与C-C单键的键能低于C-N键的理论预测相一致。先前以丝素蛋白为模型材料对蛋白质进行的水热处理研究表明，水热处理后可以生成多种氨基酸，如甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、丝氨酸（Ser）和天冬氨酸（Asp）。高分子量氨基酸如Ser和Asp在250 ℃的温度下进一步分解为低分子量氨基酸Gly和Ala。其他研究表明，氨基酸等大分子产物氧化成乙酸的过程高度依赖于温度，当温度低于220 ℃时，氧化过程明显受阻。因此，基于TGA-FTIR分析，主要的大分子产物，如甘氨酸和Ala，是在大豆分离蛋白分解过程中产生的。![]()
Fig. 4.
Three-dimensional Thermogravimetric-Fourier Transform Infrared Spectroscopy
(TG-FTIR) spectra of SPI (a), LI (d) and CE (g); The FTIR spectrum of SPI (b),
LI (e) and CE (h) overflow gases at 180℃; and absorbance of the overflow gases
with temperature during the pyrolysis of SPI (c), LI (f) and CE (i). SPI: soy
protein isolate, LI: lignin, and CE: cellulose.
图4. SPI (a)、LI (d)和CE (g)的三维热重-傅里叶变换红外光谱（TG-FTIR）SPI (b)、LI (e)和CE (h)热解气体在180 ℃时的FTIR光谱；以及SPI (c)、LI (f)和CE (i)热解过程中气体随温度的吸光度。SPI：大豆分离蛋白，LI：木质素，CE：纤维素。
将数据与之前对纤维素、木质素和蛋白质热分解机制的研究结合起来，可以说明三种不同生物质衍生的CDs的可能形成机制（图5）。热液处理过程中纤维素的分解速度更快，分解范围更广，TGA-FTIR分析和先前的机理研究证实了这一点。小分子产物，如左旋葡萄糖与纤维素热解排放物中的其他气体摩尔分子一起生成。这些分子相互碰撞、聚集并碳化形成CE-CDs。这种降解可能破坏了纤维素骨架结构的完整性，导致CDs中观察到的不规则晶格结构。结果表明，CE-CDs的石墨化和sp2结构域是三者中最小的。相比之下，蛋白质和木质素不容易分解成更小的分子。相反，较大的分子，如木质素中的苯环骨架或二苯基醚结构，或蛋白质中的聚氨基酸，直接聚集和碳化形成LI-CDs或SPI-CDs。SPI和LI中所含的共轭官能团，如LI中的苯环，在聚合碳化过程中直接形成共轭碳核。然而，形成共轭结构的石墨碳芯更具挑战性，因为CE的大部分碳骨架已经分解成更小的分子。这一结果与FTIR、UV-Vis和拉曼光谱的结果一致。与由小分子形成的CE-CDs相比，碳骨架的碳化导致了更规则的晶格结构，正如HRTEM结果所证实的那样。由于-NH2在180 °C的SPI热解过程中没有被分离，它可以与碳链结合并整合到CDs中，引入氮的自掺杂，从而使SPI-CDs具有较高的QY。比较SPI、CE和LI衍生的CDs的性质和形成机制，很明显，即使在相同的实验条件下制备，CDs也存在差异。天然生物质含有不同比例的木质素、纤维素、蛋白质等物质，其比例因制备条件和预处理方法的不同而不同。这些差异影响了所制备的CDs的荧光性质。因此，当利用生物质制备CDs时，考虑其成分的组成，在研究中解决这些因素是至关重要的。此外，根据具体的应用领域，可以通过调整这三种成分的比例来定制CDs的荧光特性。![]()
Fig. 5. Schematic
diagram of carbon dot formation of SPI-CDs(a), LI-CDs(b) and CE-CDs(c) in hydrothermal
processing.
图5. SPI-CDs(a)、LI-CDs(b)和CE-CDs(c)在水热过程中CDs形成示意图。
3. 重金属离子的光学检测
初步将所制备的CDs应用于水中金属离子的检测。利用三种CDs对不同离子（Ba2+，Zn2+，Sn2+，Mn2+，Cd2+，Ni2+，Cr3+和Fe3+）进行检测，图6给出了不同金属离子下SPI-CDs的荧光光谱及其荧光强度随Fe3+浓度变化的关系。同时，对另外两种CDs（CE-CDs和LI-CDs）对这些离子的检测性能也进行了检测。结果表明，三种CDs对Fe3+的敏感性均高于其他离子。CDs与Fe3+溶液的相互作用导致了明显的荧光猝灭，在430 nm处的发射强度下降（图6a和6b）。当暴露于相同浓度的其他金属离子时，这种效应不存在。为了进一步考察CDs光学检测Fe3+的灵敏度，制备了一系列浓度在0.01 ~ 500 μM范围内的Fe3+溶液。图6d是SPI-CDs与不同浓度Fe3+结合后吸光度净变化的对比图。SPI-CDs的荧光猝灭效率（F0/F）与Fe3+离子浓度成正比关系，在0.01 ~ 500 μM范围内呈线性关系，相关系数R2为0.9879（图6d），检出限为63.6 nM。值得注意的是，SPI-CDs优于LI-CDs和CE-CDs，表现出更低的检测极限值和更宽的检测范围，这归功于其更高的量子产率。![]()
Fig. 6. (a)
Fluorescence spectra of SPI-CDs (λex/λem = 360/430 nm)
with various metal ions （Ba2+,
Zn2+, Sn2+, Mn2+, Cd2+, Ni2+,
Cr3+ and Fe3+ at 500 µM）. (b) SPICDs of ion selectivity. (c) Fluorescence
emission spectra of SPI-CDs (λex/λem = 360/430 nm) with
different concentrations of Fe3+ ion ranging from 0.01 to 500 µM.
(d) Calibration curve constructed between the values of F0/F and
concentration of Fe3+ ion (0.01–500 μM) for SPI-CDs.
图6. (a) 500 µM下不同金属离子（Ba2+、Zn2+、Sn2+、Mn2+、Cd2+、Ni2+、Cr3+、Fe3+）的SPI-CDs（λex/λem= 360/430 nm）的荧光光谱。(b) SPICDs的离子选择性。(c) 不同浓度Fe3+离子在0.01 ~ 500µM范围内的SPI-CDs（λex/λem= 360/430 nm）荧光发射光谱。(d) SPI-CDs的F0/F值与Fe3+离子浓度（0.01 ~ 500 μM）之间的校准曲线。
5. 总结
生物基CDs的荧光特性与其成分及在水热过程中的演变过程有关。该研究强调了在炭化过程中氨基酸的作用是在赋予CDs的N掺杂、更规则的晶格结构和更大的sp2结构域对其发光也有一定程度的影响。与其他两种CDs相比，SPI-CDs表现出更高的量子产率和荧光强度。SPI-CDs具有较低的63.56 nM的Fe3+检测限，与CE-CDs和LI-CDs相比具有更宽的检测范围，可以作为一种优秀的光学传感器。CDs的PL机理是目前普遍关注的问题，对此的研究也层出不穷。本文针对基于天然物质的CDs的PL机理进行了讨论，通过讨论三种典型天然产物对其PL机理进行了适当的解释，提供了一个很好的思考模式。我认为针对三种CDs对Fe3+的普遍响应也是一个值得思考的问题。刘俨漫，23岁，四川广安人；
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