《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Solvent-free microwave-assisted synthesis of solid-state yellow carbon dots with visible-light excitation for dual applications in fingerprint visualization and white LEDs
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本研究采用微波辅助溶剂-free法合成黄色发光碳点（Y-CDs），其具有高荧光量子产率（22.5%）、优异的稳定性和多基材指纹显影能力，并成功应用于白光LED制造，接近理想白点（CIE 0.329, 0.321）。
萨姆拉·贾宾（Samra Jabeen）| 英琳（Ying Lin）| 陈宏宇（Hongyu Chen）| 李书雷（Shulei Li）| 陈书伟（Shu-Wei Chen）| 姜彦伟（Yanwei Ji）| 刘翔（Xiang Liu）| 朱杰（Jie Chu）| 于瑞金（Ruijin Yu）
西北农林科技大学化学与药学院，中国陕西省杨陵市 712100
摘要
开发一种简单、可扩展且无溶剂的固态发光碳点（CDs）制备方法，尤其是能够同时应用于潜在指纹（LFP）检测和白光发光二极管（LEDs）领域，仍然具有挑战性。本文报道了一种利用苯酚甘油和硼酸作为前驱体的微波辅助、无溶剂合成黄色发光碳点（Y-CDs）的方法。所得到的Y-CDs具有均匀的形态（2.63 nm），在520 nm处具有最强的固态黄色荧光，绝对光致发光量子产率为22.5%。该材料表现出优异的光稳定性、热稳定性和长期储存稳定性。由于这些特性，Y-CDs能够在多种基底上实现高对比度的潜在指纹可视化，清晰地显示出三级脊特征，并且背景干扰极低。此外，Y-CDs还成功应用于白光和单色LED的制造中。通过将Y-CDs与456 nm蓝光芯片集成，制备出了符合国际照明委员会（CIE）标准（0.329, 0.321）的白光LED。
引言
由于指纹图案的独特性和持久性，指纹识别在刑事调查中仍占据重要地位。人类手掌和手指上的特征性脊纹作为可靠的生物识别标志，在法医鉴定中发挥着关键作用[1]。潜在指纹（LFPs）在犯罪现场不可见，需要专门的可视化技术。其中，粉末显影法因其简单性、安全性和操作便捷性而被广泛采用[2]。为了提高LFPs可视化的对比度和灵敏度，人们探索了多种先进材料，包括基于金属的纳米材料、磁响应剂[3]、荧光探针[4]和稀土荧光粉[5]。荧光探针因其强烈的信号响应和快速检测能力而被广泛应用于高灵敏度检测和成像[6],[7]。然而，这些材料往往存在成像对比度低、光稳定性差、选择性低、毒性高以及处理流程复杂等问题，限制了其在法医学中的广泛应用[8]。
碳点（CDs）作为一种有吸引力的替代品，因其可调的光致发光特性、高生物相容性、环保性和成本效益的合成方法而受到关注[9]。通过控制颗粒大小、掺杂和表面化学性质，可以精细调节纳米材料（包括CDs和量子点）的性能，例如在SnO2和ZnO量子点的研究中，精确的控制尺寸和掺杂显著提升了光学和光催化性能[10],[11]。通常，CDs以溶液或粉末形式用于LFP成像[12]。然而，基于溶液的系统可能会模糊或改变指纹残留物，降低识别精度。同时，许多报道的固态发光（SSE）CDs合成方法涉及多步骤处理、分散介质的使用或后处理步骤，这增加了复杂性并降低了实际应用范围[13]。鉴于基于粉末的指纹可视化技术是最常用的方法，因此迫切需要开发无需分散介质或额外处理步骤、易于合成的SSE CDs。
除了法医应用外，CDs和其他荧光材料还被广泛应用于传感、成像和智能监控系统，包括便携式和智能手机辅助的荧光检测平台[14]。CDs也被视为替代传统荧光粉的候选材料，用于LED应用。传统荧光粉依赖稀土元素（如铕、钐和镝）来实现可调的发光特性[16],[17]。尽管这些荧光粉具有高稳定性和效率，但资源稀缺、成本高昂和环境影响等问题促使人们寻找替代品[18]。半导体量子点虽然具有优异的光致发光性能，但其广泛应用受到重金属（如镉和铅）的毒性限制。在这种情况下，SSE CDs提供了一种更安全、低成本且可持续的替代方案，具有相似的发光性能。此外，CDs的多功能性还扩展到了生物医学和功能应用领域，例如N-CQDs被集成到纱布基质中用于抗菌和抗炎作用，显示出CDs在光学之外的多功能潜力[19]。然而，大多数报道的SSE CDs仅在紫外（UV）或蓝光下激发，而能够在绿光下激发的固态CDs的研究较少[20],[21]。一些研究试图填补这一空白。赵等人合成了适用于LFP和LED应用的可调SSD CDs，但其发光特性受成分和基底的影响，限制了实际应用的一致性[22]。王等人报道了使用苯酚甘油和尿素通过微波辅助方法合成的具有长波长发光的交联CD粉末，但该过程使用了溶剂，限制了其环境和实际应用的可扩展性[23]。因此，需要一种简单、快速、低成本且可扩展的方法来合成SSD CDs，以克服这些限制并提供实用的双模式功能。
在本研究中，我们提出了一种使用苯酚甘油和硼酸作为前驱体的新型微波辅助、可扩展且无溶剂的Y-CDs合成方法。所得到的Y-CDs在绿光区域（520 nm）具有最佳激发特性，适用于可见光激活的应用。Y-CDs成功用作多种基底上的LFP可视化荧光标记，清晰地显示了高分辨率的指纹细节。此外，当与不同发射波长的LED芯片集成时，Y-CDs表现出强烈的光致发光和高效的光吸收，显示出其在WLED制造中的潜力。
试剂
无水苯酚甘油（Aladdin，≥99.0%，HPLC纯度），硼酸（H3BO3，广东光华科技有限公司，AR级），乙酸乙酯（成都科隆化工有限公司，AR级）。所有上述化学品均直接使用，无需进一步处理。实验中使用了电阻率为5至15 MΩ·cm的超纯水，使用实验室超纯水净化系统制备。
表征
高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析
Y-CDs的表征
使用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）对Y-CDs的形态和结构进行了表征。如图1（a）所示，乙醇分散的Y-CDs呈现出规则的准球形形态，表明表面功能均匀且溶液稳定性良好。从HRTEM图像中测量了大约200个颗粒，并分析了Y-CDs的尺寸分布，平均颗粒大小确定为2.63 nm。
结论
总结来说，我们开发了一种简单的微波辅助、无溶剂的方法，用于从苯酚甘油和硼酸可扩展地合成Y-CDs。制备的Y-CDs具有强烈的固态荧光、良好的光稳定性和热稳定性以及长期的耐久性。这些特性使得能够在各种基底上实现高对比度的LFPs可视化，清晰地显示出三级脊特征。此外，Y-CDs作为LED器件的有效下转换荧光粉，能够产生白光。
符合伦理标准
本文不包含任何作者参与的人类或动物研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了陕西省自然科学基金（编号：2022NY-224）、西北农林科技大学本科创新基金（编号：202410712011×, 202410712220, S202410712452, S202410712604, X202410712688）以及Home for Researchers编辑团队的支持（网址：www.home-for-researchers.com）的语言编辑服务。
