在可回收的、疏水的深共晶溶剂中，利用微波辅助技术合成亲水性碳点

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Microwave-Assisted Synthesis of Hydrophilic Carbon Dots in a Recyclable, Hydrophobic Deep Eutectic Solvent

　　高分辨率图像
下载MS PowerPoint幻灯片

深共晶溶剂（DESs）为纳米材料合成提供了一种绿色、无毒的替代方案。在此，我们报告了一种利用微波辅助的快速方法，在一种疏水的薄荷醇/癸酸（2:1）DES中合成亲水性碳点（CDs）。该过程通过将水相反应物分散在疏水性DES中来模拟反胶束合成，但与传统反胶束方法不同，它避免了使用有害的有机溶剂。通过这种方法制备的氮掺杂碳点（N-CDs）表现出与水热法和家用微波法制备的碳点相当的光谱特性。值得注意的是，基于DES的方法比水热法更快，并且产生的碳点尺寸分布更窄。N-CDs被用作p-硝基酚的荧光猝灭探针，其定量限达到了0.39 μM。为了展示其多功能性，还在相同的DES中合成了N,S-掺杂碳点和聚乙烯亚胺（PEI）修饰的碳点。N,S-CDs能够选择性检测Fe(III)和Hg(II)，而PEI-CDs首次被用于细菌检测，显示出荧光强度与金黄色葡萄球菌浓度（1.6 × 10^5–1.0 × 10^7 CFU/mL）之间的线性关系。DES可重复使用至少10次，且其荧光特性保持一致，这突显了其可持续性。

**引言**
深共晶溶剂是一种潜在的绿色溶剂，可用于各种应用。它们是通过混合化合物制成共晶温度低于理想液体混合物的混合物而获得的新类型溶剂。(1) 一般来说，共晶混合物是由不对称离子（如季铵盐）与金属盐或氢键供体复合形成的。另一种设计是仅由非离子物种（如氨基酸和糖醇）组成的共晶混合物，这些混合物已被证明是疏水性深共晶溶剂，并已被用于有机化合物的提取。(2) 共晶混合物通常由无毒、易获取、廉价且可持续的化合物制成。由于具有出色的溶解能力、生物相容性(3) 和低毒性(4)，共晶混合物现在被视为许多传统溶剂的便捷绿色替代品，应用范围广泛。最近，共晶混合物还被用作碳点制备的溶剂和氮源。(5,6)

碳点展现出多种理想的物理和化学性质，在过去十年中在多个领域获得了越来越多的认可。由于其独特且可调的光学性质，碳点可用于传感、催化、光电子学和医学应用。(7) 已有多种方法用于碳点的合成。自下而上的方法中，碳点是通过加热过程（如水热处理、(8) 溶胶热、(9) 和微波辅助(10) 方法）使有机前体缩合和碳化而形成的。通过残留前体进一步对碳点进行表面钝化可以提高其光致发光性、稳定性和选择性。在众多可行的合成途径中，微波辅助方法具有多个优点，包括操作简单、反应时间短和效率高。(11) 研究人员已经报道了使用多种碳源有效制备纳米材料的微波辅助合成方法。由于反应介质能够被高效微波加热，碳点的快速合成通常只需几分钟即可完成。微波方法快速且直接；然而，控制反应条件可能具有挑战性，因为该过程通常涉及反应混合物的逐渐干燥。相比之下，水热和溶胶热方法在受控条件下提供均匀的反应介质，但需要更长的反应时间。

在深共晶溶剂中合成了高荧光性的碳点，这些溶剂可以用作溶剂、掺杂剂或钝化剂。例如，基于氯化胆碱或氯化锌的DES能够通过三相溶剂系统制备亲水性和疏水性碳点。(12) 在氯化胆碱/尿素DES中加入甘氨酸或葡萄糖可得到N,Cl掺杂的碳点，而在氯化胆碱/甘油与尿素混合物中，在水热或微波照射下也能得到N,Cl掺杂的碳点。(13,14) 类似地，在富含氮的氯化胆碱/尿素DES中合成了量子产率为23.45%的N掺杂半纤维素基碳点。(15) 在所有情况下，DES直接作为前体使用。在本研究中，我们开发了一种使用疏水性DES（HDES）作为主要反应介质的快速、一锅法微波合成方法。将水相前体溶液分散在HDES中，形成类似反胶束的纳米反应器。经过微波加热后，碳点生成并可通过水轻松提取。通过选择生物相容的HDES成分，这种策略避免了使用有毒有机溶剂，同时实现了快速且绿色的碳点合成。

**N-掺杂碳点的合成**
使用所提出的方法、传统的微波辅助方法和水热方法合成了N-掺杂碳点，并比较了三种方法制备的碳点的粒径和光学性质。制备的N-CDs被用作检测环境污染物对硝基酚的荧光探针。为了进一步证明所提出方法的适用性，还合成了N,S-CDs和聚乙烯亚胺-CDs，并分别用于检测金属离子和细菌。

**实验部分**
**疏水性DES的制备**
通过在玻璃烧杯中按所需摩尔比混合氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）组分（表S1）来制备DES。混合物搅拌并加热至约45°C直至形成均匀液体，然后密封保存在室温下24小时。未结晶的系统被认为是适用于碳点合成的稳定DES。例如，通过将DL-薄荷醇（20 mmol）和癸酸（10 mmol）在45°C下搅拌至澄清，然后冷却并转移到密封容器中，得到了Men/Dec（2:1）DES。

**HDES的热性质评估**
使用DSC 200系统（Hitachi）评估了HDES的热性质。薄荷醇和癸酸以1:0至0:1的摩尔比混合（增量为0.2）。样品（2–5 mg）密封在密封铝盘中，在N2环境下从-60°C加热至60°C，加热速率为5°C·min–1。数据用于确定热转变和相稳定性。

**固液平衡的预测**
使用COSMO-RS（AMSjobs 2024.102, SCM）获得了薄荷醇和癸酸的σ剖面（表面电荷密度分布）。根据摩尔分数计算混合物的σ剖面。COSMO-RS结合PLAMS用于利用熔点、熔化焓和COSMO文件（表面电荷密度）预测固液平衡相图、共晶温度和组成。预测结果与DSC数据进行了比较。

**微波功率和时间的优化**
N-CD合成的反应混合物在100、200或300 W下照射5–40秒。根据N-掺杂碳点的量子产率优化了微波反应时间。反应在密封的小瓶中使用聚焦微波反应器（Discover, CEM）进行。对于温度分布实验，通过将温度计（Taylor’s Eye Witness）直接插入反应混合物中来监测温度。

**在HDES（Men/Dec, 2:1）中合成N-CDs、N,S-CDs和聚乙烯亚胺（PEI）-CDs**
为了制备N-CDs，将104 mg柠檬酸和65.5 mg三（羟甲基）胺（Tris）溶解在100 μL水中。为了合成N,S-CDs，将100 mg柠檬酸、100 mg尿素和25 mg半胱氨酸溶解在200 μL水中。对于PEI-CDs，将36 mg PEI加热至65°C并溶解在200 μL水中，然后与105 mg柠檬酸（摩尔比1:1）在超声浴中混合直至完全溶解。每种前体溶液与2 mL HDES混合，超声处理2分钟，然后在300 W下照射20秒（最高300°C）。冷却后，加入3 mL水，接着进行涡旋（1分钟）和离心（4025g，15分钟）以确保完全分离相。收集下层水相，并用1 kDa MWCO透析（24小时）去除杂质。透析后，将纯化的碳点溶液冻干以获得固体碳点，随后将其重新分散在去离子水中用于表征和应用研究。

**使用水热法和家用微波方法合成N-CDs**
将柠檬酸（1.04 g）和Tris（0.655 g）在10 mL水中于高压釜中加热180°C 4小时。冷却后，离心（10,000g，15分钟）并透析（1 kDa MWCO，24小时）。相同的前体溶液在Panasonic NN-SF564微波炉中以700 W照射5分钟。将固体产物分散在20 mL水中，离心（10,000g，15分钟）并透析。

**N-CDs的检测**
评估了HDES基N-CDs在温度变化、UV照射（330 nm，100分钟）、pH（2–12）和NaCl浓度（0–1.0 M）下的荧光稳定性。发射光谱在408 nm处记录。N-CDs（0.05 mg·mL–1，pH 9）与不同浓度的p-NP孵育30分钟，并在λex = 330 nm处测量。选择性与m-硝基酚、氢醌、m-氯苯和甲基苯（200 μM）进行了对比。湖水和自来水经过离心（10,000g）、过滤（0.45 μm）并储存在4°C下。添加了2、10或100 μM p-NP的样品使用校准曲线进行分析。

**结果与讨论**
**HDES的合成和物理性质**
为了确定最适合重复使用的HDES用于碳点合成，评估了关键的物理和化学性质。这些因素确保了反应条件的可控性、碳点的稳定分散性和溶剂的可重复使用性。选择最佳HDES的标准包括：(1) 在室温下至少24小时的液体稳定性，(2) 含水量，(3) 粘度，以及(4) 密度，按优先级递减顺序排列。如表S2所示，一些系统在24小时内结晶——例如薄荷醇/癸酸（1:2）、薄荷醇/1-十四醇、薄荷醇/木糖醇、百里酚/木糖醇、百里酚/癸酸（2:1）和百里酚/十二烷酸——因此不适合使用。含水量在约2000–9000 ppm之间可以指示疏水性。含水量较低的HDES可能提高使用水从HDES中提取碳点的效率。薄荷醇/百里酚的含水量最高（8950 ppm），而Men/Dec（2:1）的含水量最低（2056 ppm）。粘度显著影响提取效率：高粘度的DES阻碍质量传递，而低粘度的DES则增强扩散性。(16) 如表1所示，稳定的HDES包括薄荷醇/癸酸（1:1, 2:1）、薄荷醇/十二烷酸（1:2）、薄荷醇/十二烷酸（1:1）、薄荷醇/百里酚和TBACl/癸酸。然而，尽管TBACl基系统稳定，但粘度较高，因此被排除。密度影响相分离；(17) 研究的HDES粘度范围为0.896至0.945 g/cm3。除了被排除的HDES外，薄荷醇/癸酸的密度最高，而薄荷醇/癸酸（2:1）[Men/Dec（2:1）的密度最低，有利于与水的相分离。综合考虑稳定性、最小含水量、低粘度和密度问题，选择了Men/Dec（2:1）用于进一步的应用。

**表1. 合成后24小时内仍保持液态的HDES的粘度、含水量和密度**
| 组分1 | 组分2 | 摩尔比 | 粘度（mPa·s） | 含水量（ppm） | 密度（g/cm3） |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 薄荷醇 | 辛酸 | 1:1 | 17.58 ± 0.01 | 2900 | 0.2 ± 32.9 |
| 薄荷醇 | 辛酸 | 2:1 | 22.43 ± 0.05 | 2055 | 0.896 |
| 薄荷醇 | 辛酸 | 2:2 | 30.23 ± 0.00 | 2435 | 0.898 |
| 薄荷醇 | 辛酸 | 2:3 | 26.31 ± 0.04 | 2845 | 0.914 |
| 薄荷醇 | 百里酚 | 1:1 | 27.45 ± 0.01 | 8949 | 0.933 |
| 薄荷醇 | 百里酚 | 2:2 | 21.43 ± 0.09 | 7284 | 0.918 |
| 薄荷醇 | 百里酚 | 2:1 | 21.43 ± 0.09 | 7845 | 0.918 |
| 百里酚 | 辛酸 | 1:1 | 11.56 ± 0.02 | 4329 | 0.944 |
| 百里酚 | 辛酸 | 1:2 | 10.23 ± 0.04 | 5795 | 0.920 |
| TBACl | 辛酸 | 1:1 | 89.56 ± 0.09 | 3784 | 0.902 |
| TBACl | 辛酸 | 2:1 | 96.23 ± 0.11 | 4295 | 0.895 |
| TBACl | 辛酸 | 1:2 | 90.61 ± 0.05 | 3725 | 0.894 |
| TBACl | 辛酸 | 1:2 | 90.61 ± 0.05 | 3725 | 0.894 |
| 薄荷醇 | TOPOa | 3:1 | 22.15 ± 0.01 | 2401 | 1.4 ± 15.1 |
| TBACl: 四丁基氯化铵 | TOPO: 三辛基磷氧化物 |起始材料的水溶液分散在疏水的深共晶溶剂中，形成液滴悬浮液，随后在微波照射下加热以生成碳纳米颗粒（CDs）。反应完成后，合成产物可以迅速用水提取。这种策略类似于在反胶束中合成纳米颗粒的方法。(21) 在反胶束方法中，分散在连续有机溶剂中的水相区域作为纳米颗粒合成的纳米反应器。(22) 文献中报道的氮掺杂碳量子点（N-CDs）被选为模型目标。N-CDs使用柠檬酸作为碳源，并通过Tris进行表面钝化。Zhang等人(23)在家用微波照射下合成N-CDs，产率为99%。在这项工作中，我们通过改变反应温度、反应时间和微波功率来优化产率。为了评估微波功率的影响，测量了含有反应混合物的Men/Dec（2:1）HDES在不同微波功率和反应时间下的温度曲线（图S1a）。研究了100到300瓦的功率范围，结果表明更高的微波功率会导致反应温度更快上升。在最大功率300瓦时，系统在20秒内达到162°C，在30秒内达到200°C。因此，选择300瓦进行合成。反应混合物被照射5-30秒，并在每个时间间隔测量产率，同时监测温度（图S1b）。在5秒时未检测到荧光，表明CDs形成不足。20秒后，CDs在162°C时的产率达到最大值97% ± 2%（n = 3），而将反应时间延长到30秒则导致产率下降至92%。因此，后续CD合成使用300瓦的微波功率和20秒的反应时间。为了评估温度计可能的微波诱导自热效应，使用十二烷（一种微波透明溶剂）进行了对照实验。如图S1a所示，十二烷的温度在照射后分别从初始的23°C升至28°C和31°C。这些结果表明，在优化的反应条件下，温度计的热干扰很小，对测量温度的影响小于5°C。然后将合成的N-CDs的光谱特性与使用传统方法（包括水热法和家用微波辅助法）制备的CDs进行了比较。为了确认基于HDES的方法不会影响CDs的传感性能，我们进一步扩展了合成，制备了氮和硫共掺杂的CDs（N,S-CDs）以及聚乙烯亚胺功能化的CDs（PEI-CDs）。N,S-CDs使用柠檬酸、尿素和半胱氨酸在Men/Dec（2:1）HDES中，在300瓦的聚焦微波照射下成功合成，持续20秒。同样，PEI-CDs也在相同的微波条件下使用柠檬酸和聚乙烯亚胺在Men/Dec（2:1）HDES中制备。尽管不同的CD可能需要特定的优化反应条件，但我们应用了相同的条件来证明HDES方法适用于广泛的CD合成。合成的N-CDs、N,S-CDs和PEI-CDs通过简单的水提取从HDES介质中分离出来。图S2展示了提取前后N-CDs的荧光情况。提取前，反应混合物在365纳米紫外光照射下显示出强烈的均匀蓝色发射（图S2a），证实了在疏水介质中成功形成了CDs。水提取后形成了两层，下层水相中观察到强烈的荧光（图S2b），表明N-CDs有效地转移到了水中。上层HDES层可以回收并重复使用。合成的N-CDs、N,S-CDs和PEI-CDs的产率与使用家用微波方法制备的CDs进行了比较（表S3）。数据具有可比性，除了PEI-CDs，其差异可能归因于使用了不同的PEI前体（高分子量线性 vs 低分子量支链）。N-CDs的形态特征和粒径分布使用透射电子显微镜（TEM）研究了使用各种方法合成的N-CDs的形态和粒径分布（图2）。图2a,2d显示了通过基于HDES的微波方法合成的N-CDs的TEM图像和粒径分布。颗粒均匀分散，呈球形，没有聚集的迹象。粒径分布（图2d）较窄，范围为1.0至2.8纳米，平均粒径为1.9 ± 0.3纳米（n = 70）。为了评估合成的均匀性和重复性，在相同条件下准备了三批独立的基于HDES的N-CDs，并通过TEM进行了表征。如图S3所示，所有批次的粒径和粒径分布都相当。三个批次的平均直径分别为1.8 ± 0.4纳米、1.6 ± 0.3纳米和1.7 ± 0.3纳米。CDs的良好重复性表明了对N-CD粒径和均匀性的可靠控制。作为对比，图2b,e展示了通过水热法制备的N-CDs的TEM显微图和粒径直方图。这些颗粒也均匀分散，形态一致，其粒径范围为1.0至3.0纳米，平均直径为1.8 ± 0.4纳米（n = 67）。图2c,2f展示了通过传统家用微波辅助方法合成的N-CDs的形态和粒径分布。这些颗粒的粒径分布更宽（1.0–7.0纳米），平均粒径为3.0 ± 1.0纳米（n = 75），标准偏差较大，反映了颗粒形成的不均匀性。在传统的微波加热中，通常将起始材料溶液加热至形成固体混合物，然后将其重新溶解在溶剂中。这种加热和干燥过程可能导致温度快速波动和非常高的温度。相比之下，深共晶溶剂中的微波加热不涉及干燥，因此温度变化更为温和和适中。这些较温和的反应条件可能有助于更均匀的粒径分布。图2显示了通过(a) Men/Dec（2:1）HDES基微波、(b) 水热和(c) 家用微波方法合成的N-CDs的TEM图像。相应的通过(d) Men/Dec（2:1）HDES基微波、(e) 水热和(f) 家用微波方法合成的N-CDs的粒径分布直方图。高分辨率图像下载MS PowerPoint幻灯片为了研究液滴在控制CD生长中的作用，使用动态光散射测量了分散在Men/Dec（2:1）HDES中的不同体积的水前驱体液滴的粒径分布。如图S4所示，向2毫升HDES中加入50微升前驱体溶液产生了平均流体动力学直径为122.6 ± 24.5纳米的相对均匀的液滴。将前驱体体积增加到100微升导致液滴尺寸适度增加，平均直径为153.9 ± 43.6纳米，同时保持主要为单峰分布。进一步将前驱体体积增加到200微升导致双峰粒径分布，包括一个窄峰（215.6 ± 62.3纳米）和一个宽峰（4453.3 ± 360.1纳米），表明液滴聚集和多分散性增加。这些结果表明，增加水与HDES的比例会增大水滴的尺寸。液滴尺寸的变化也调节了最终CD的尺寸。TEM测量（图S3和S5）表明，在2毫升HDES中，将前驱体溶液体积从50微升增加到200微升时，N-CD的平均直径从1.4 ± 0.3纳米增加到2.2 ± 0.5纳米。此外，在更高的前驱体体积（200微升）下观察到更宽的CD粒径分布。众所周知，水池（液滴）的大小设定了碳点尺寸的上限并调节了平均尺寸；然而，最终的碳点尺寸还受到反应动力学和表面钝化的控制，而不仅仅是液滴尺寸。(24)尽管我们的方法类似于反胶束系统，但经典胶束的尺寸通常约为10纳米，而这种疏水DES中的水滴大一个数量级。这些水滴是纳米乳液体系的特征，其中HDES相的高粘度提供了维持孤立水相所需的动力学稳定性。(25)我们假设观察到的尺寸依赖性是由Bandyopadhyaya等人提出的随机成核模型控制的，其中每个液滴作为一个具有有限质量储备的离散纳米反应器。(26)在较小的122纳米液滴中，快速的成核过程几乎瞬间消耗了有限的局部前驱体池，导致在较小尺度上的生长停止。在较大的液滴中，每个液滴中增加的绝对质量允许在局部耗尽或界面物理停止之前有更长的生长时间。HDES的高粘度抑制了液滴之间的物质碰撞交换，确保每个CD有效地被限制在其原始区域内。虽然需要更全面的调查来完全阐明HDES系统中CD的复杂尺寸依赖性，但这样的研究超出了本工作的范围。还分析了使用基于HDES的微波方法合成的N,S-CDs和PEI-CDs的TEM图像和粒径分布。图S6a,c显示了N,S-CDs的TEM图像和粒径直方图，它们均匀分散，几乎没有聚集。颗粒尺寸范围为1.0至3.0纳米，平均直径为1.8 ± 0.36纳米（n = 65），表明尺寸控制良好且单一分散。同样，图S6b,d显示了PEI-CDs的形态和粒径分布。这些颗粒的尺寸范围略宽（1.0–4.5纳米），但平均尺寸为2.0 ± 0.47纳米（n = 62），证实了均匀性。总体而言，这些结果表明基于HDES的微波方法产生的碳点尺寸控制良好且均匀。合成CDs的光谱特性使用XPS和FT-IR光谱分析了N-CDs、N,S-CDs和PEI-CDs的表面组成。N-CDs的XPS扫描光谱（图3a）确认了C、N和O的存在，表明N掺杂成功。高分辨率光谱显示了C=C、C–N和C=O在C 1s；C=O和O–H在O 1s；以及吡啶/石墨氮在N 1s中的存在（图3b–d）。(27,28)元素组成为C 65.8%、O 29.9%和N 4.3%（图3e），与水热（C 57.0%、O 36.1%和N 6.9%）和微波（C 60.8%、O 33.8%和N 5.4%）衍生的N-CDs（图S7）相当，证实了批次间的表面组成相似。N,S-CDs（图S8a–d）显示了额外的S 2p峰（163.0, 164.3 eV），与C–S键一致，验证了S掺杂。(29,30)对于PEI-CDs（图S8e–h），C 1s和N 1s光谱主要由C–N、C=O和吡啶/石墨氮组成，(31)而O 1s显示了羟基和羰基峰。这些结果证实了表面的亲水性状态。图3显示了基于HDES的N-CDs的XPS和FTIR表征：(a) 全谱XPS，(b) 高分辨率C 1s光谱，(c) O 1s光谱，(d) N 1s光谱，(e) 元素组成，(f) FTIR光谱。高分辨率图像下载MS PowerPoint幻灯片FTIR光谱确认了基于HDES的N-CDs的表面官能团（图3f）。3200–3400 cm–1处的宽带表明O–H/N–H伸缩，还有O=C–NH（1630 cm–1）、C–N（1399 cm–1）、C–O伸缩（1180 cm–1和1058 cm–1）的额外峰。(32)水热和微波合成的N-CDs也观察到了类似的光谱（图S9a,b），一致显示了胺基、羟基和羧基。图3f和S9a–b中1600–1750 cm–1区域的FTIR带可能来源于不同合成条件下形成的不同羰基相关环境。对于HDES和热合成的N-CDs，1630–1638 cm–1处的峰主要归因于酰胺羰基（O=C–NH）伸缩振动。(33)相比之下，家用微波合成的N-CDs在1730 cm–1处显示了一个额外的峰，这是非共轭酯或羧酸C=O基团的特征。(34)这个峰可能是由于更强烈的微波加热引起的更高程度的表面氧化所致。N,S-CDs（图S9c）显示了O–H/N–H伸缩（3446, 3211 cm–1）、C=O/C=N（1660, 1620 cm–1）、C–N（1400 cm–1）、酚类C–OH（1240 cm–1）、C–O伸缩（1060 cm–1）和C–S（583 cm–1）。(35) PEI-CDs（图S9d）显示了N–H/O–H（3456 cm–1）、C–H（2962, 2926 cm–1）、C=O（1740 cm–1）、一级/二级胺（1630, 1468 cm–1），(36)和C–N/C–O（1224, 1050 cm–1）。这些光谱证实了CDs的成功N-、N,S-和PEI功能化。X射线衍射光谱分析
通过X射线衍射（XRD）研究了制备的碳纳米点（CDs）的结晶性。如图S10所示，采用HDES基、水热法和家用微波法制备的CDs分别在18.2°、18.1°和17.1°处显示出宽的衍射峰。这些宽峰是非晶态涡轮层状碳点的特征。(23,37) 相比之下，基于HDES的N,S-CDs在22.4°处显示出一个尖锐的峰，该峰可归因于与硫相关的相（JCPDS编号00–001–0478）。(8) PEI-CDs的峰非常宽且弥散，中心位于19.1°，表明其结构高度无序。分支的PEI聚合物可能在碳化过程中掺入了碳骨架中，导致形成了高度非晶态的碳纳米点。此外，所有样品在大约36°处都显示出宽的峰，对应于大约2.49 ?的晶格间距，这归因于石墨碳的平面晶格间距。这些结构特征进一步得到了高分辨率透射电子显微镜图像（图S11）的支持。HDES衍生的N-CDs、N,S-CDs和PEI-CDs均显示出分辨良好的晶格条纹，间距分别为约0.34 nm和0.22 nm，分别对应于石墨领域的（002）层间距和（100）平面晶格。(38)

紫外和荧光光谱分析
图4比较了通过HDES基方法与传统方法（水热法和家用微波法）合成的N-CDs的光学特性。在图4a中，N-CDs的紫外-可见光吸收光谱在大约330 nm处显示出强峰，这归因于C═O或C═N基团的n–π*跃迁。(39) 图4b–d展示了在不同激发波长（300–380 nm）下，通过HDES基、水热法和家用微波法获得的N-CDs的荧光光谱。所有三种样品均显示出蓝色荧光，发射峰集中在330 nm激发下的407–411 nm范围内。HDES基和水热法制备的N-CDs的光谱显示出与激发波长无关的发射特性，而家用微波法制备的样品则显示出轻微的激发波长依赖性。这种轻微的依赖性可能反映了传统微波法更苛刻的加热条件导致的表面状态变化，这与先前的报道一致。(23) HDES基和水热法制备的N-CDs的波长独立性表明其表面状态更为均匀。

图4
图4. 通过HDES基微波法、水热法和家用微波法合成的N-CDs的光谱特性比较：(a) HDES基N-CDs的吸收光谱；(b) 不同激发波长下的HDES基N-CDs的标准化荧光光谱；(c) 水热N-CDs的标准化荧光光谱；(d) 家用微波法制备的N-CDs的标准化荧光光谱；(e) HDES基（蓝色）、水热（红色）和家用微波辅助（黑色）实验的标准化吸收光谱；(f) HDES基（蓝色）、水热（红色）和家用微波辅助（黑色）实验在330 nm激发下的标准化荧光光谱。

高分辨率图像
下载MS PowerPoint幻灯片
图4e,f比较了三种N-CDs批次的标准化吸收光谱和荧光光谱。HDES基和水热N-CDs的吸收光谱有显著的重叠（图4e），荧光光谱中也观察到了类似的趋势（图4f）。通过传统微波法制备的N-CDs的吸收和荧光峰出现了大约5 nm的轻微红移，这与较大CDs中量子限制减小、带隙变窄和发射波长变长一致。(40) 总体而言，数据表明HDES基微波法制备的N-CDs在结构上更类似于水热法制备的N-CDs，而与传统家用微波法制备的N-CDs略有不同。这些结论与透射电子显微镜观察结果一致。在HDES基方法中，水在微波加热下分散在HDES中，创造了类似于水热合成的反应环境。HDES基方法的优点在于其快速性、更简单的CD提取过程以及更温和的条件，从而产生了比传统微波法更均匀的CDs。为了评估通过共晶溶剂方法合成的氮掺杂碳纳米点（N-CDs）的稳定性，在不同的环境条件下（包括紫外照射、pH值、温度和离子强度）测量了其荧光。图S12展示了HDES基N-CDs在多种具有挑战性的环境中的高稳定性和可靠性。

CDs的表面电荷行为
通过在广泛的pH范围（2–10）内进行ζ电位测量，进一步研究了CDs的表面电荷。如图S13所示，N-CDs的ζ电位随pH值的增加而逐渐降低，从+9.4 mV变为?18.2 mV，等电点为pH 4.1。N-CDs在pH 7时的最大荧光（图S12b）反映了物理稳定性（聚集）和稳定的发射表面状态之间的平衡。相比之下，PEI-CDs和N,S-CDs的等电点分别为pH 9.8和pH 2.2。这些数据表明，在相同的pH值下，PEI-CDs带有更正的表面电荷，而N,S-CDs则带有更负的表面电荷，这与它们的表面功能状态一致。

HDES在CD合成中的可重复性评估
为了评估HDES（Men/Dec，2:1）在这种方法中的可重复性，我们研究了连续十次循环碳点合成过程中的量子产率和产物产率。如图5a所示，HDES基N-CDs的量子产率在十次重复使用过程中始终保持较高，范围为90%至96%，显示出优异的重复性。这些量子产率与通过水热法或家用微波法制备的N-CDs相当。同样在这十次循环中评估了产物产率（图5b），HDES基方法的产率约为16%–26%，显著高于水热法，并且与家用微波法制备的产率相似。图5c展示了十次循环后获得的N-CDs的荧光光谱，显示出良好的重叠性和优异的重复性。

图5
图5. (a) 使用Men/Dec（2:1）HDES连续十次循环合成的N-CDs的量子产率和(b)产物产率（n = 3）。图中还展示了通过水热法和家用微波法制备的N-CDs的量子产率和产物产率。(c) 从十次循环的Men/Dec（2:1）溶剂中获得的N-CDs在330 nm激发下的荧光光谱。(d) 新鲜制备的HDES（黑色）和经过十次N-CD合成循环后回收的HDES（红色）的FT-IR光谱。(e) 在365 nm紫外光照射下，HDES（Men/Dec，2:1）系统与100 μL水混合前后的照片（i）和（ii）微波处理（300 W，5分钟）后的照片。

高分辨率图像
下载MS PowerPoint幻灯片
通过FTIR光谱评估了HDES（Men/Dec，2:1）在重复使用前后的结构稳定性。如图5d所示，新鲜制备的HDES和经过十次N-CD合成循环后回收的HDES的光谱在官能团上没有显著变化，表明HDES在整个重复热处理和CD合成过程中保持了化学稳定性。此外，还评估了HDES系统（2 mL）与100 μL水混合后在365 nm紫外光照射下微波处理前后的光学响应（图5e）。新鲜制备的HDES小瓶（i）或经过300 W微波处理5分钟后的HDES小瓶（ii）均未观察到显著荧光，表明微波照射不会改变HDES的固有光学性质，并且CDs不是在HDES本身中形成的。

HDES在碳纳米点合成中的作用
已有研究报道了在共晶溶剂中合成碳纳米点的情况，其中DES的成分通常作为CD形成的前体。在我们的方法中，疏水性DES（HDES）主要用作反应介质而不是反应物。为了研究HDES在CD合成中的作用，使用两种不同的HDES系统（TBACl/Dec（1:1）和Men/TOPO（3:1）制备了氮掺杂的CDs：TBACl和TOPO分别含有氯和磷。在TBACl/Dec中合成的CDs的XPS全谱（图6a）在195–201 eV范围内未检测到氯信号；同样，在Men/TOPO（3:1）中合成的CDs的XPS谱（图6b）在127–136 eV范围内也未检测到磷峰。这些结果表明HDES成分可能不会参与CD的形成。相反，HDES作为反应介质，促进了CD的快速合成和高效提取。在这种方法中，起始材料的水溶液以液滴形式分散在疏水性共晶溶剂中，在微波加热下作为纳米反应器进行CD的形成。因此，HDES基本上不参与水相反应。

图6
图6. 在(a) TBACl/Dec（1:1）DES和(b) Men/TOPO（3:1）DES中合成的N-CDs的XPS全谱。插图突出了Cl 2p和P 2p信号的对应结合能范围。

高分辨率图像
下载MS PowerPoint幻灯片

基于HDES的N-CDs作为荧光探针用于检测p-NP
使用基于HDES的N-CDs通过荧光猝灭法选择性地检测了p-NP（一种环境污染物，也是药物、农药和染料中的前体）。在0.05 mg·mL–1 N-CDs、pH 9和5分钟孵育条件下获得了最佳检测效果（图S14a–c）。在各种芳香化合物中，仅观察到p-NP的显著猝灭（图S14d），证实了其高选择性。为了研究选择性的来源，图S15a展示了p-NP与其他结构类似物与N-CDs混合时的紫外-可见光吸收光谱。只有p-NP/N-CDs混合物与纯N-CDs的荧光光谱有显著的重叠，表明p-NP选择性地猝灭了N-CDs的荧光。荧光强度随p-NP浓度从0.39 μM增加到200 μM线性减小，相关性非常好（R = 0.997），定量限为0.39 μM，低于EPA对饮用水的限值（图7a–b）。紫外-可见光光谱显示，与N-CDs混合后p-NP的峰从310 nm红移至405 nm，这与p-硝基酚的形成一致。N-CDs的荧光与这一吸收带的重叠表明可能通过内部滤光效应（IFE）和/或F?rster共振能量转移（FRET）发生猝灭（图7c）。N-CDs的荧光寿命（图7d）为14.91 ns，与文献值14.73 ns相符。(23) 在p-NP存在下N-CDs的荧光寿命未发生变化（15.05 ns），排除了额外的非辐射衰减，支持IFE是主要机制。(41) N-CDs荧光光谱的观察到的红移和光谱畸变（图7a）是由较短波长发射的浓度依赖性猝灭引起的。由于p-NP/N-CDs的吸收光谱与N-CDs荧光光谱的左侧有显著重叠（图7c和S15b），该区域的强度下降更为明显。这导致峰向较长波长区域移动，在该区域没有光谱重叠——因此猝减较少。（42,43）在实际应用中，通过对湖泊和自来水样品的检测验证了其实用性，回收率显示出极高的准确性和小于10%的RSD（表S4）。表S5提供了与其他报道方法的比较。

图7
图7. (a) 随p-NP浓度增加（0.39–200 μM）的HDES基N-CDs的荧光强度。(b) 在0.39–200 μM范围内荧光强度比（f0/f）与p-NP浓度的线性校准图（R = 0.997）。(c) p-NP（黑色）和N-CDs/p-NP（红色）的紫外-可见光吸收光谱，以及N-CDs的荧光光谱（蓝色）。(d) 在有无p-NP（200 μM）情况下N-CDs的荧光衰减曲线。

高分辨率图像
下载MS PowerPoint幻灯片

基于HDES的N,S-CDs作为Fe(III)和Hg(II)检测的荧光探针
基于CD的荧光纳米探针广泛用于Hg(II)的检测。Li等人通过微波照射合成了N,S-CDs，显示出良好的灵敏度和选择性。(44) 为了测试我们的基于HDES的N,S-CDs，将各种阳离子（200 μM）与探针孵育。如图S16所示，只有Hg(II)和Fe(III)引起了显著的猝灭。在Li的报告中，Hg(II)和Fe(III)离子都猝灭了N,S-CDs的荧光，其中Hg(II)的猝灭效果更强。这些发现表明这两种类型的CD在结构上存在细微差异。

通过荧光检测金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）
聚乙烯亚胺（PEI）是一种含有许多正电荷的聚合物，PEI修饰的CDs可以静电结合到带负电荷的细菌表面，从而实现基于荧光的检测。如图S17a所示，PEI-CDs的荧光强度随金黄色葡萄球菌浓度的增加而增加，校准曲线（图S17b）覆盖了1.6 × 105–1.0 × 107 CFU/mL的范围。表S6展示了添加了金黄色葡萄球菌的自来水样品的检测结果。当前方法与其他已报道方法之间的线性范围和检测限的比较总结在表S7中。本方法的检测限高于其他方法，可能需要进一步优化。此外，该方法不具有物种特异性，因为大多数细菌的表面都带有负电荷。（45）尽管如此，据我们所知，这是首次使用PEI-CDs检测细菌的报告。该方法提供了一种简单快速的策略来估计细菌浓度。

**结论**
本研究建立了一种高效且可持续的微波辅助合成亲水性碳点的方法，使用了一种可重复使用的疏水性薄荷醇/癸酸深共晶溶剂。所得到的N-CDs表现出与水热法和传统微波法相当的光学性质。基于HDES的方法制备的N-CDs具有超过90%的荧光量子产率、均匀的粒径分布以及高重复性。合成的N-CDs对对硝基苯酚具有灵敏的检测能力，而N,S共掺杂的CDs对Fe(III)和Hg(II)离子表现出选择性。值得注意的是，经过聚乙烯亚胺改性的CDs能够在生物学相关的浓度范围内成功检测金黄色葡萄球菌（S. aureus）。HDES至少可重复使用10次合成循环，进一步凸显了该方法的环保优势和实际可行性。总体而言，基于HDES的微波方法结合了传统微波合成的快速性和水热法的粒径均匀性，同时避免了反胶束方法所需的毒性有机溶剂。HDES辅助的微波合成提供了一个快速、环保且多用途的平台，可用于生产适用于环境监测和微生物检测的功能性碳点。