1.4表征与性能评价

1.4.1产物表征

通过红外吸收光谱测试每一步反应是否进行；通过纳米激光粒度分析仪测量两种碳量子点CQDs和N-CQDs的粒径分布情况，表征其碳量子点粒径特征；通过紫外分光光度计和荧光分光光度计分别测量两种碳量子点的紫外吸收光谱和不同激发波长下的荧光能量数值，表征两种碳量子点的荧光特征。

1.4.2性能评价

通过计算CQDs与N-CQDs的荧光量子产率评价两种碳量子点的荧光性能。荧光量子产率是指具有荧光性质的物质在光化学反应中发射出的荧光光子数与其吸收的激发光光子数的比，通常用φ表示[19]，φ的数值越大，说明其荧光性能越好。荧光量子产率的计算采用参比法，本实验采用硫酸奎宁参比计算(313 nm激发波长下的荧光量子产率为0.54)。

以分水时间法测试产物的乳化性能[20]，分别记录水相分出5 mL水和10 mL水所需时间。

以振荡法测试产物的起泡性能和稳泡性能[21]，以5 min后泡沫体积与初始泡沫体积比为稳泡性能评价指标。

以产物水溶液在不同质量浓度下的表面张力来评价产物降低表面张力的能力(表面张力的数值用表面张力仪测定)。测定不同质量浓度下产物水溶液的表面张力来确定产物在水溶液中的临界胶束浓度(CMC)以及临界胶束浓度下界面张力γCMC。

2.结果与分析

2.1表征结果分析

2.1.1红外吸收光谱

图2是CQDs、N-CQDs与R-(N-CQDs)的红外吸收光谱，在3 430 cm-1处的吸收峰是O-H和N-H伸缩振动，相比于N-CQDs，R-(N-CQDs)在此处的吸收峰较弱，说明在N-CQDs基础上发生了一定程度的烷基化反应，而CQDs在此处的峰比N-CQDs与R-(N-CQDs)的峰要窄，因为CQDs上只存在O-H的伸缩振动，在2 924 cm-1和2 824 cm-1处的吸收峰是C-H的伸缩振动，R-(N-CQDs)在此处的吸收峰比N-CQDs的要强。1 660 cm-1处的吸收峰对应于酰胺基团C=O键的拉伸振动，1 385 cm-1处的峰为C-O伸缩振动，1 085 cm-1处的峰为胺类烷基的C-N振动，R-(N-CQDs)在此处的峰较N-CQDs更为明显，而CQDs在此处看不到任何吸收峰，进一步说明在R-(N-CQDs)在N-CQDs的基础上完成烷基化改性成功引入碳长链。图2表明实现了将氮原子掺杂到碳量子点中的目标，并且在此基础上引入了碳长链对其进行表面修饰。

图2红外吸收光谱

2.1.2产物粒径分布

图3是CQDs和N-CQDs的粒径分布直方图。由图3可知，两种碳量子点的粒径分布都比较均匀，CQDs粒径集中分布在(5.25±0.5)nm，N-CQDs粒径集中分布在(6.31±0.5)nm，且都在10 nm以下，符合碳量子点的粒径特征。此外，N-CQDs的粒径整体略大于CQDs，可能是由于氮原子的掺杂打破了碳量子点的完整晶格结构，导致碳量子点发生晶格畸变和扭曲，进而影响形成的碳量子点的粒径。

图3 CQDs和N-CQDs的粒径分布

2.1.3紫外-可见吸收光谱

图4(a)是CQDs与N-CQDs的紫外-可见吸收光谱。与CQDs的吸收光谱相比，N-CQDs在波长为350 nm处有一个明显的吸收峰，这是酰胺基团中的C=O的n→π跃迁所致，在长波段方向出现吸收带。这也表明氮原子已被成功引入碳量子点中。图4(b)是以参比法计算荧光量子产率CQDs和N-CQDs以及硫酸奎宁的紫外吸收光谱对比，从图4(b)可以看出，三者吸光度在波长为300~400 nm区间内基本接近，且数值上没有超过0.05，满足量子产率计算条件要求，可以此浓度为基础计算荧光量子产率。

图4紫外-可见吸收光谱

2.1.4荧光发射光谱

图5是CQDs、N-CQDs及硫酸奎宁的紫外-可见吸收光谱接近且小于0.05(图4(b))时在不同激发波长下的荧光发射光谱，由于硫酸奎宁是以此参比法作为已知条件用于计算碳量子点的荧光强度，所以本研究不涉及硫酸奎宁的光谱法。由图5可知，当激发波长为320~380 nm时，CQDs和N-CQDs都具有一定的荧光强度数值，说明两者都具有明显的荧光性质。图5(a)和图5(b)中插图是两者的水溶液及其在365 nm激发波长下显现蓝色荧光状态，这也能反映出制备的两者具备明显的荧光性质。此外，CQDs的最大发射波长为451 nm，最大激发波长为370 nm；而N-CQDs的最大发射波长为446 nm，最大激发波长为360 nm，说明掺氮对碳量子点的电子环境产生了部分影响，调整了碳量子点的能带结构并改变了碳量子点的表面态，从而使激发波长和发射波长都发生了改变。

图5 CQDs和N-CQDs在不同激发波长下的荧光发射光谱

2.2性能分析

2.2.1荧光量子产率

对图5中不同激发波长下CQDs和N-CQDs的荧光发射光谱计算荧光积分强度后计算不同激发波长下的荧光量子产率(硫酸奎宁在313 nm激发波长下的荧光强度积分为22 860.61，吸光度为0.028 63)，结果见表1。

表1 CQDs和N-CQDs的荧光量子产率

从表1可看出，相比不掺氮的碳量子点，掺氮极大地提高了碳量子点的荧光量子产率。本实验制备出的氮掺杂碳量子点在最大激发波长为360 nm处的荧光量子产率达到了47%。此前报道的碳量子点的荧光量子产率大多分布在43%以下[8-9,22-23]，大多集中在10%~30%之间，只有极少数超过50%[18]，所以本实验制备出的氮掺杂碳量子点的荧光量子产率属于高水平区间。