纳米前沿与法庭科学融合下的化学实验教学设计——以“碳点的合成、表征和应用”为例.pdf

该文以碳点的合成、表征和应用为例，进行了纳米前沿与法庭科学融合下的化学实验教学设计。该实验以碳点在手印显现中的实际应用为核心，以解决碳点在手印显现应用中面临的问题为导向，充分阐释了实验背景原理，系统梳理了实验内容方法，明确细化了实验教学实施，体现了实验选题的创新性、实验背景的科学性和实验内容的实践性。通过开展该实验教学活动，可以培养学生的自主学习能力，锻炼学生的实验技能，提升学生实验数据处理水平，起到增强学生创新意识和综合素质的作用。关键词：纳米材料；法庭科学；荧光碳点；水热法；实验教学设计 中图分类号：G642；DF794；O69 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)06-0180-07 Design of chemical experiment teaching based on fusion of nano frontier and forensic science:Synthesis,characterization and application of carbon dots YUAN Chuanjun(College of Forensic Sciences,Criminal Investigation Police University of China,Shenyang 110035,China)Abstract:This article takes the synthesis,characterization and application of carbon dots as an example to design chemical experimental teaching by integrating nanotechnology and forensic science.This experiment focuses on the practical application of carbon dots in fingerprint development and the ways to solve the problems faced by carbon dots in this application.It fully explains the principle of experimental background,systematically arranges the experimental content and methods,and clearly refines the implementation of experimental teaching,which reflects the innovation of topic selection,the scientificity of experimental background,and practicality of experimental content.By conducting this experimental teaching activity,the self-learning ability,experiment skill,and experiment data processing level of the students can be improved.Accordingly,their innovative consciousness and comprehensive quality can be enhanced.Key words:nanomaterials；forensic science；fluorescent carbon dots；hydrothermal method；experiment teaching design 长期以来，纳米材料的基础研究与应用研究一直是自然科学领域众多学科的前沿和焦点。为满足应用型创新人才培养要求，许多高校开设了以纳米材料合成、表征和应用为主题的化学综合实验课程。但纳米材料涉及的学科领域广泛、知识体系庞大、实验技能繁杂，这些客观情况对相关实验课程的设置提出了更 袁传军：纳米前沿与法庭科学融合下的化学实验教学设计以“碳点的合成、表征和应用”为例 181 高要求，需要突出实验选题的创新性、提升实验背景的科学性、强化实验内容的实践性。1 实验教学选题 碳点（carbon dots,CDs）又称碳纳米点或碳量子点，是一类单分散准球形、直径小于 10 nm 的零维碳纳米材料。2004 年，Xu 等在纯化电弧法制备单壁碳纳米管时最先发现了碳点1。碳点的水溶性好、细胞毒性低、化学稳定性高、光致发光性能优异，在生物成像、药物输送、生化传感和光催化等领域颇受关注2-5。近年来，碳点在法庭科学领域的手印显现应用中崭露头角，与荧光染料、稀土发光材料等传统材料相比，利用荧光碳点显现手印具有明显优势6。但是，将碳点用于手印显现时面临两个问题。首先，碳点的荧光性质以紫外激发、可见光发射最为常见，而这种发光特性容易激发客体背景荧光，影响手印显现效果；其次，分散在溶液中的碳点荧光强度通常较高，而干燥成粉末后会因聚集导致荧光猝灭，限制了碳点粉末在手印显现中的应用。本化学实验教学设计以调控合成碳点的荧光性质和探索不同介质对碳点的分散性能作为解决以上问题的基本思路，集绿光激发荧光碳点的水热合成、碳点及碳点/基质复合粉末的表征分析和碳点/基质复合粉末用于手印显现于一体。2 实验教学目的（1）了解纳米材料、法庭科学及其前沿交叉领域；（2）掌握水热法合成碳点及其后处理技术；（3）理解碳点的光致发光机理和分散介质对碳点发光性能的影响；（4）熟悉微纳米材料的常用物理表征手段，熟练掌握数据处理和结果分析方法。3 实验原理 3.1 水热合成碳点的原理 碳点的合成方法可以分为“自上向下（top-down）”和“自下向上（bottom-up）”两类，前者是利用激光消融、电弧放电或电化学氧化等技术，将大尺寸碳骨架（石墨、活性炭、碳纳米管等）分解成碳点；后者是利用水热/溶剂热、热解或燃烧等过程，使有机小分子或聚合物分子在热处理过程中形成碳点。其中，水热合成碳点是指以水作为反应介质、在一定温度和压力下，前驱体分子间或分子内经过脱水、聚合、炭化以及钝化等反应，最终形成碳点的过程。采用水热法合成碳点具有实验设备简单、前驱体选择多、反应可控性强、碳点产率高等优点7-8，因此是目前合成碳点应用最广的一种方法，同时也是将碳点的合成融入大学化学实验教学活动较为可行的技术路线。3.2 绿光激发荧光碳点的设计 碳点荧光特性的基本原理如图 1 所示。当用一定波长的光照射碳点时，碳点中的电子被激发并跃迁至能量较高的激发态，但这些处于激发态的电子不稳定，会回到能量较低的能级，该过程伴随着以光形式释放出部分能量。目前，关于碳点表现出荧光特性的确切机制尚无定论，研究人员提出的几种可能机制包括量子限域效应、表面态发射、分子态以及交联增强发射效应等9-10。碳点的纳米级尺寸使其表现出量子限域效应，即费米能级附近连续的电子能级分裂为分立能级，并且能级间隙与碳点尺寸有关；表面态发射是指碳点的荧光特性取决于连接在碳骨架表面的化学基团；分子态与碳点中包含的荧光发色团有关，即荧光发色团作为碳点的发光中心；交联增强发射效应则主要用来解释碳化聚合物点的荧光特性。上述每种机制都只能部分解释碳点的荧光特性，说明碳点荧光特性的来源较复杂，而这也为人们调控碳点的光学性质提供了更多可能的途径。本实验教学设计选用罗丹明 6G（或罗丹明 B）作为水热合成碳点的前驱体，如图 2所示。根据水热合成碳点原理，在水热碳化过程中，罗丹明染料分子起到两个作用，一是被碳化后逐渐转化成碳核结构，二是在碳点中引入共轭荧光团。这类荧光团与前驱体分子中荧光团的结构相近，根据解释碳点荧光特性的分子态机制，合成出的碳点可能具有类似罗丹明 6G（或罗丹明 B）的光学性质11，即在绿光激发下，碳点表现出在可见光区更长波长的荧光发射。注：hv 为光子能量，S0为基态，S1为激发态。图 1 碳点荧光原理示意图 3.3 分散介质影响碳点荧光的机制 水热法合成的碳点经透析纯化后就形成了碳点溶液，此时碳点的分散介质为水。碳点表面含有丰富的含氧官能团12-14，所以碳点具有良好的水溶性，可以均匀稳定地分散在水溶液中。相应地，较稀的碳点水溶液能够表现出优异的荧光性能15-16。将碳点溶液与 182 实 验 技 术 与 管 理 图 2 使用罗丹明染料水热合成碳点的示意图 粉末基质混合蒸干后就形成了碳点/基质复合粉末，此时碳点的分散介质就变成了粉末基质。与水相比，粉末基质对碳点的分散能力一般较弱，因此碳点/基质复合粉末的荧光性能会产生不同程度的下降，这主要取决于两个方面的因素复合粉末中碳点的含量以及粉末基质分散碳点的能力。首先固定第 1 个因素即碳点含量，然后使用淀粉、蒙脱土和硅藻土作为粉末基质，可以分别通过表面分散、层间分散和孔隙分散三种方式形成碳点/基质复合粉末（见图 3）。图 3 将碳点溶液转化为碳点/基质复合粉末示意图 4 实验内容和实验方法 4.1 试剂与仪器 实验所需试剂包括罗丹明 6G（Rh6G，纯度 95%），罗丹明 B（RhB，纯度 95%），淀粉，蒙脱土，硅藻土，无水乙醇和去离子水。所需设备包括不锈钢反应釜（50 mL 聚四氟乙烯内衬），针式过滤器（0.22 m 尼龙滤膜），再生纤维素透析袋（截留分子量 1 000 D），超声波清洗机（KQ3200DE），磁力搅拌器（78-1），电 热 鼓 风 干 燥 箱（DHG-9055A），真 空 干 燥 箱（DZF-6012），多波段光源（YZ-SPL13F），550 nm 和580 nm 长波通滤光片，指纹刷，具有拍照功能的手机。所需仪器包括透射电子显微镜（JEM-F200），纳米粒度电位仪（Zetasizer Nano ZS90），X 射线光电子能谱仪（K-Alpha），紫外分光光度计（UV-2600），荧光光谱仪（Cary Eclipse）。4.2 碳点和碳点/基质复合粉末的制备 称取 0.5 g 罗丹明 6G（或罗丹明 B），在 20 mL去离子水中超声溶解，将所得溶液倒入聚四氟乙烯内衬，装入反应釜，拧紧密封。将反应釜置于 160 鼓风干燥箱中，反应 2 h 后取出，自然冷却至室温。用针式过滤器过滤反应釜内液体，滤液装入透析袋，在磁力搅拌下用大量去离子水透析，得到碳点溶液。将1 mL 碳点溶液干燥称重，计算溶液浓度，用去离子水稀释，得到 1 mg/mL 的 Rh6G-CDs（或 RhB-CDs）溶液，在 4 下储存备用。称取 1.0 g 淀粉（或蒙脱土、硅藻土），在 5 mL 无水乙醇中超声分散，将 1 mL Rh6G-CDs（或 RhB-CDs）溶液加入上述悬浮液，超声 10 min 使两种液体混匀。将混合液倒入培养皿，置于 60 真空干燥箱中充分干燥，制得碳点/淀粉（或碳点/蒙脱土、碳点/硅藻土）复合粉末。4.3 碳点的表征分析 4.3.1 碳点的微观形貌 利用透射电子显微镜（TEM）表征 Rh6G-CDs 和RhB-CDs 的微观形貌，借助 ImageJ 统计粒径分布，通过 Digital Micrograph 测量高分辨 TEM（HRTEM）照片中的晶面间距。如图 4(a)和(b)所示，Rh6G-CDs颗粒形貌不规则，粒径集中在 6.2 nm，且粒径分布较宽；如图 4(d)和(e)所示，RhB-CDs 颗粒呈近球形，粒径集中在 4.5 nm，且粒径分布较窄。由图 4(c)和(f)可以看出，Rh6G-CDs 颗粒由多个小微粒聚集而成，而RhB-CDs 颗粒由单个微粒构成，这是它们存在颗粒形貌和粒径分布差异的主要原因。此外，Rh6G-CDs 和 袁传军：纳米前沿与法庭科学融合下的化学实验教学设计以“碳点的合成、表征和应用”为例 183 注：(a)、(b)、(c)为 Rh6G-CDs；(d)、(e)、(f)为 RhB-CDs。图 4 Rh6G-CDs 和 RhB-CDs 的 TEM 照片、粒径分布直方图和 HRTEM 照片 RhB-CDs 的晶面间距均为 0.21 nm，对应石墨碳的100晶面，表明碳核为石墨结构。4.3.2 碳点的表面性质 利用纳米粒度电位仪测量碳点在水溶液中的 Zeta电位。如图 5 所示，Rh6G-CDs 和 RhB-CDs 的 Zeta电位分别为6.0 和10.1 mV，表明前者更易在溶液中发生聚集，这与 TEM 测得的碳点微观形貌结果一致。借助 X 射线光电子能谱（XPS）表征 Rh6G-CDs 和RhB-CDs 的表面化学状态，再通过 XPSPEAK 对 C、N 和 O 的高分辨谱进行分峰拟合。在 C1s 谱峰中，如图 6(a)和(d)所示，位于 288.6、286.3、285.1 和 284.6 eV的谱峰分别对应 O=CO、COC、CN 和C=C/CC。在 O1s 谱峰中，如图 6(b)和(e)所示，位于 532.3 和 531.5 eV 的谱峰分别对应 O 的两种化学状态，即 CO 和 C=O。在 N1s 谱峰中，如图 6(c)和(f)所示，位于 400.3 和 399.1 eV 的谱峰分别对应 N-H 和N-C。由此可见，Rh6G-CDs 和 RhB-CDs 表面官能团种类基本相同，但在 C1s、N1s 和 O1s 高分辨谱中各拟合谱峰的相对面积不同，说明这些官能团在两种碳点表面的含量存在差异，从而可能导致二者表现出不同的光学性质。4.3.3 碳点的光学性质 通过测量碳点溶液的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱，研究 Rh6G-CDs 和 RhB-CDs 的光学特性。从图 7(a)和(b)中的紫外-可见吸收光谱可以看出，Rh6G-CDs 在 344 和 526 nm 处有 2 个吸收峰，而RhB-CDs 在 350、527 和 550 nm 处有 3 个吸收峰，表明两种碳点具有不同的紫外-可见吸收特性。其中，位于紫外波段的吸收峰主要源于碳点表面的含氧官能团（C=O、OH 等）和其他基团的 n*跃迁，位于可见光波段的吸收峰通常与碳点的表面化学状态和荧光基团有关。在图 7(a)中，Rh6G-CDs 的荧光发射光谱在 510 nm 激发下测得，其最大发射波长为559 nm，从插图中可见 Rh6G-CDs 溶液荧光呈黄绿色；图 5 Rh6G-CDs 和 RhB-CDs 的 Zeta 电位分布 184 实 验 技 术 与 管 理 注：(a)、(b)、(c)为 Rh6G-CDs；(d)、(e)、(f)为 RhB-CDs。图 6 Rh6G-CDs 和 RhB-CDs 的 XPS 谱图中的 C1s、O1s 和 N1s 峰 图 7 Rh6G-CDs 和 RhB-CDs 的紫外-可见吸收、荧光发射光谱和 CIE 色度图 在图 7(b)中，RhB-CDs 的荧光发射光谱在 530 nm 激发下测得，其最大发射波长为 570 nm，从插图中可见RhB-CDs 溶液荧光呈橙黄色。Rh6G-CDs 和 RhB-CDs在 CIE1931 色度图中的色坐标见图 7(c)，色坐标所指示的颜色与两种碳点溶液荧光颜色一致。4.4 碳点/基质复合粉末在手印显现中的应用 分别以淀粉、蒙脱土和硅藻土作为分散 Rh6G-CDs和 RhB-CDs 的基质材料，合成出的 6 种碳点/基质复合粉末在自然光和荧光模式下的照片如图 8 所示。可以看出，这些粉末在自然光下都接近白色；在荧光模 图 8 碳点/基质复合粉末在自然光和荧光模式下的照片以及显现玻璃表面手印的荧光照片 袁传军：纳米前沿与法庭科学融合下的化学实验教学设计以“碳点的合成、表征和应用”为例 185 式下，即用 510 nm 绿光照射、透过 550 nm 长波通滤光片观察到 3 种 Rh6G-CDs/基质复合粉末发出绿色荧光，用 530 nm 绿光照射、透过 580 nm 长波通滤光片观察到 3 种 RhB-CDs/基质复合粉末发出橙色荧光。由此可见，碳点/基质复合粉末表现出的荧光性质与相应碳点溶液类似，说明碳点被有效分散在基质材料中。此外，从复合粉末的荧光亮度可以看出，3 种基质材料对碳点分散能力的排序为硅藻土蒙脱土淀粉。利用制得的碳点/基质复合粉末显现玻璃表面的潜在手印，即用指纹刷蘸取少量粉末抖落在手印区域，用干净的刷尖沿纹线流向轻扫去除多余粉末。如图 8 所示，相比碳点/淀粉复合粉末，碳点/蒙脱土和碳点/硅藻土复合粉末显现手印的荧光强度更高，纹线也更清晰。5 实验教学实施 为达到预期实验教学目的，结合实验内容制定的实验教学实施方案如表 1 所示。表 1 实验教学实施方案总体设计 实验教学活动 具体教学内容 预期教学效果 实验课前准备 准备材料、调试仪器，布置预习任务 培养学生自主学习能力，尤其是文献检索技能 实验讲解操作 讲解实验内容和注意事项，演示操作 锻炼学生实验技能，促进理论与应用实践结合 数据分析处理 分析实验结果，演示数据处理过程 加强学生分析、处理多种实验表征结果的能力 实验总结反馈 指导学生分组讨论，解答学生问题 提升学生发现、分析问题的能力，增强团队意识 （1）实验课前准备。教师根据实验活动主题布置预习任务，充分发挥学生的主观能动性，以文献检索和预习报告形式，让学生在实验课前了解相关领域背景知识，明确实验目的和实验原理，理清实验内容框架。此外，教师在实验课前应完成材料准备和仪器调试，以确保实验活动顺利开展。（2）实验讲解操作。实验讲解操作建议安排 8 学时，包括在基础化学实验室开展 4 学时材料合成应用，在实验教学仪器平台开展 4 学时材料测试表征。材料合成应用实验教学内容包括碳点的制备纯化和碳点/基质复合粉末的合成应用，重点为小型反应釜的正确使用、透析纯化碳点的操作流程以及碳点/基质复合粉末荧光模式在手印显现中的应用。由于水热反应、透析纯化和烘干粉末耗时较长，而这些实验产物的性质非常稳定，教师为第一次实验准备相应材料即可，后续实验可使用前次产物。材料测试表征实验教学内容包括 TEM、Zeta 电位、XPS、紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱的测试方法和注意事项。对于 TEM、XPS 等大型实验仪器，以教师讲解演示为主，学生掌握 TEM 制样操作即可；对于紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱测试，在教师讲解演示基础上，要求学生熟练掌握液态和粉末样品的测试方法。（3）数据分析处理。数据分析处理建议安排 4 学时，在实验室机房开展该实验教学活动。需提前在计算机上安装 ImageJ、Digital Micrograph、XPSPEAK、Advantage、Origin 和 CIE 1931 色坐标计算软件。教师讲解并演示以上各专业软件的用途和使用方法，学生通过实际操作掌握 TEM、Zeta 电位、XPS、紫外-可见吸收光谱以及荧光发射光谱测试数据的分析处理方法。为保证实验进度，需要学生分析处理的数据可由教师预先准备。实验教学内容包括利用 ImageJ 统计碳点粒径，使用 Digital Micrograph 测量碳点 HRTEM照片中的晶面间距；借助 XPSPEAK 或 Advantage 对碳点 XPS 高分辨谱中的 C1s、O1s 和 N1s 峰进行分峰拟合；通过 Origin 绘制碳点粒径分布直方图、Zeta 电位分布图、分峰拟合的 XPS 高分辨谱图、紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱图；使用 CIE 1931 色坐标计算软件绘制碳点在色度图上的色坐标。（4）实验总结反馈。如前所述，建议分别为材料合成应用、材料测试表征以及数据分析处理实验教学活动安排 4 学时，每项实验教学活动利用 3 学时完成主要实验内容，剩余 1 学时开展实验总结反馈。该实验教学环节由学生分组讨论和教师总结答疑两部分组成。学生以 46 人组成 1 个讨论小组，归纳实验操作的关键步骤，梳理实验过程中发现的问题，交流为解决问题所做的尝试。教师总结实验内容的重点难点，强调影响材料制备、表征和应用的关键因素，并针对学生分组讨论反馈的共性问题进行答疑。6 实验教学效果 学生通过检索文献自主开展实验预习，在主动获取知识的基础上，结合教师讲解的实验背景，深入理解水热合成碳点的原理、绿光激发荧光碳点的设计和分散介质影响碳点荧光的机制，明确碳点在手印显现应用中面临的问题以及为解决这些问题所拟定的技术路线，加深理论素养，培养创新思维。通过教师演示分析测试和数据处理方法，以及学生开展具体实验操作，使学生全面掌握纳米材料常用合成制备、测试表征和数据分析方法，增强动手能力，提升专业技能。在实验活动结束前的小组讨论中，教师针对学生反馈186 实 验 技 术 与 管 理 问题的答疑，有助于提升学生发现问题、分析问题、解决问题的能力及强化团队意识。综上，本化学实验教学设计以碳点合成、表征和应用为例，深度融合了纳米前沿和法庭科学，充分体现了创新性、科学性和实践性，是培养应用性创新人才的一项实验教学活动。参考文献(References)1 XU X,RAY R,GU Y,et al.Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragmentsJ.Journal of the American Chemical Society,2004,126(40):1273612737.2 杜春燕.引入前沿科学培养化学核心素养：以“碳量子点的制备”综合实验设计为例J.化学教育（中英文），2020,41(15):4953.3 吉帅洁，郭丽华，戴杜娟，等.石墨烯量子点荧光开关综合实验的设计J.化学教育（中英文），2018,39(14):3843.4 郭永明.研究型综合化学实验设计：碳量子点的制备及其在叶酸检测中的应用J.化学教育（中英文），2020,41(16):2933.5 高旭，秦菁，侯娟，等.综合性化学实验教学设计与探索：碳量子点的制备及在四环素定量分析中的应用J.化学教育（中英文），2022,43(12):4349.6 袁传军，王猛，李明，等.基于碳点的发光材料在潜在手印显现中的应用J.化学进展，2022,34(9):21082120.7 刘禹杉，李伟，吴鹏，等.水热碳化制备碳量子点及其应用J.化学进展，2018,30(4):349364.8 肖勇，陈训，陈敏，等.农业院校研究创新性化学实验的设计：绿色水热法快速制备荧光碳点J.化学通报，2018,81(8):763767.9 CAL L,ZAN M,CHEN F,et al.Formation mechanism of carbon dots:From chemical structures to fluorescent behaviors J.Carbon,2022(194):4251.10 吴星辰，梁文慧，蔡称心.碳量子点的荧光发射机制J.化学进展，2021,33(7):10591073.11 GENG X,SUN Y,LI Z,et 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