我們研究了不同合成條件下碳點的量子產率變化(Table 1)，在改變了前驅物
的莫耳比、反應時間及反應溫度後，選則使用 oPD 與 SA 之莫爾比為 1：2，以
乙醇做為溶劑，在240 ℃下，溶劑熱 4 小時，得到最高量子產率(QY=30.88%)的 配方來進行後續的實驗。
Table 1. QY of CDs under different synthesis conditions.
Mole ratio
oPD:SA Temperature(℃) Time(hr) QY(%)
1:0 240 4 N.D.
1:0.01 240 4 0.93
1:0.1 240 4 13.59
1:1 240 4 10.02
1:1.5 240 4 18.05
1:2 240 4 30.88
1:5 240 4 18.94
1:2 280 4 6.09
1:2 200 4 13.06
1:2 160 4 15.27
1:2 240 6 12.02
1:2 240 2 1.05
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貳 碳點表徵及光學性質
使用 TEM 分析合成的碳點，確認其型態與特徵。根據 Figure 1.(a)的 CDs TEM 圖，可以知道碳點呈現圓形且分散。透過統計得到碳點的粒徑分布在 1.5–
3.0 nm，平均粒徑為 2.02 nm。
Figure 2.(a)顯示了碳點的吸收圖、激發及放射波段。在 237、275 與 292 nm 處的吸收峰歸因於C=C 的 π-π*電子躍遷，這是碳點的典型特徵11, 53-54。而400– 25.16%。高解析度的 C1s 圖中有 284.8eV、286.5eV 與 288.7eV 三個峰，分別代 表C-C/C=C、C-N/C-O 與 O-C=O55-57。高分辨率的N1s 圖中有 399.0eV 與 400.5eV 兩個峰，分別代表C-NH2與N-(C)355-58。高分辨率的O1s 圖中有 531.7eV、532.6eV、
533.0eV 及 533.7eV 四個峰，分別代表 C-O、C-OH、C=O 與 C-O-C11, 54, 57。
Figure 1.(a) TEM image of CDs. Inset: size distribution histograms of CDs. (b) FTIR spectra of oPD, SA and CDs.
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Figure 2.(a) UV–vis absorption spectrum excitation and emission spectrum of CDs (inset, photographs of the CDs under daylight and UV light (excited by 254 nm)).
(b)Fluorescence of carbon dots at different excitation wavelengths. (λex = 290, 350, 400, 450, 500 nm.).
Figure 3. (a) XPS survey, (b) C1s spectra, (c) N1s spectra and, (d) O1s spectra of CDs.
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參 碳點穩定性
如果要應用在真實樣品的檢驗中，碳點的穩定性是相當重要的。因此，我們 測試了碳點的各種穩定性。在Figure 4a 中，碳點在 1 M 的 NaCl 溶液中螢光強度
沒有太大的變化，表示碳點在高離子強度的環境下可以維持螢光。在pH 範圍 4–
12 螢光強度沒有太大的變化，而 pH 範圍 2–4 環境下，碳點表面會質子化而導 致螢光淬滅(Figure 4b)。使用 365 nm 的 UV 光持續照射 CDs 一小時，期間碳點 螢光並沒有變化，可以判斷其有良好的光穩定性(Figure 4c)。在 Figure.4d 中，碳
點在加入50%不同的有機溶劑後，其螢光強度提升 60%，這對於我們後續檢測配
置於甲醇中的抗生素可能是有影響的，不過我們使用超純水來稀釋甲醇中的高濃
度抗生素，在上機檢測的2 mL 的樣品中，其甲醇濃度極低，不會對碳點螢光造
成影響。
肆 檢測四環素類抗生素的選擇性及靈敏度
透過同時檢測 TCs 與其他抗生素的螢光變化，來評估碳點對於 TCs 的選擇
性。如Figure 5 所示，碳點僅對於 tetracycline, oxytetracycline 及 chlortetracycline 有選擇性。而且在同時含有tetracycline 與其他干擾抗生素時，不會對探點的選擇 性造成干擾。
Figure 4. (a)Stability of the CDs in the existence of different concentrations of NaCl.(b)Fluorescence intensity of the CDs in different pH solutions (10 mM PBS).(c)Effect of the UV irradiation time on the fluorescence intensities of the CDs.(d)Fluorescence responses of CDs in different solvents(50% v/v).
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Figure 5. (a) Selectivity of the CDs for tetracyclines (100 μM) over other antibiotics.
(b) Interference of CDs for tetracycline over other antibiotics.
如Figure 6a，在加入 5–1000 μM TC 後碳點螢光逐漸淬滅。在插圖中顯示了 TC 濃度在 5–100 μM 具有線性關係，R2為0.998，偵測極限(LOD)為 4.02 μM.
如Figure 6c，在加入 5–500 μM OTC 後碳點螢光逐漸淬滅。在插圖中顯示了 TC 濃度在 5–400 μM 具有線性關係，R2為0.9988，偵測極限(LOD)為 1.21 μM.
如Figure 6e，在加入 5–1000 μM CTC 後碳點螢光逐漸淬滅。在插圖中顯示 了TC 濃度在 5–400 μM 具有線性關係，R2為0.9947，偵測極限(LOD)為 0.69 μM.
值得一提的是，CDs 檢測 TCs 不須添加其他添加劑，可以直接感測 TCs。並
且存在其他其他抗生素的情況下可以顯示出碳點對於TCs 的選擇性。
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Figure 6. (a) The fluorescence spectra of CDs in the presence of different concentration of tetracycline. (b) Plot of the relative fluorescence intensity I/I0 at 410 nm versus the concentration of TC. Inset: the linear relationship of I/I0 and TC concentration (5–
100 μM). (c) The fluorescence spectra of CDs in the presence of different concentration of oxytetracycline. (d) Plot of the relative fluorescence intensity I/I0 at 410 nm versus the concentration of OTC. Inset: the linear relationship of I/I0 and OTC concentration (5–400 μM). (e) The fluorescence spectra of CDs in the presence of different concentration of chlortetracycline. (f) Plot of the relative fluorescence intensity I/I0 at 410 nm versus the concentration of CTC. Inset: the linear relationship of I/I0 and CTC concentration (5–400 μM).
伍 檢測四環素類抗生素的機制
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另外，我們使用文獻中已知的方法驗證碳點淬滅機制59。透過Parker 方程式
將碳點受到TC 影響所淬滅的螢光校正回來，藉此得知是否有内濾鏡效應(IFE)。
螢光校正公式如下：
𝐹𝑐𝑜𝑟
𝐹𝑜𝑏𝑠𝑑= 2.3𝑑𝐴𝑒𝑥
1 − 10−𝑑𝐴𝑒𝑥10𝑔𝐴𝑒𝑛 2.3𝑠𝐴𝑒𝑚 1 − 10−𝑠𝐴𝑒𝑚
各個符號分別代表，Fobsd最大螢光強度，Fcor修正過後的最大螢光強度，Aex
激發波長處的吸收，Aem為放射波長處的吸收，s 為激發光光徑，g 為激發光束邊 緣和樣品槽邊緣之間的距，d 為樣品槽的寬度。詳細數據如表 2。
如Figure.12，成功透過公式校正螢光，校正後的螢光明顯與校正前有區分開
來，可以明確的知道螢光淬滅機制為內濾鏡效應。
Figure 7. The mechanisms of tetracycline (TC) detection by CDs The maximum excitation (blue line), emission (red line) fluorescence spectra of CDs and UV spectrum of (a) TC (black line), (b) OTC, (c) CTC.
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Figure 8. UV–vis absorption spectra of CDs, TC, CDs+TC, and the summed UV–vis absorption spectrum of CDs and TC, respectively.
Figure 9. UV-vis absorption spectra of CDs, in the presence of 100,200 and 300 μM (a) TC, (b) OTC and (c) CTC.
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Figure 10. FTIR spectra of CDs, and CDs with TC, OTC and CTC.
Figure 11. TEM images of CDs with (a)TC, (b)OTC, (c)CTC.
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Figure 12. Suppressed efficiency (E, %) of observed (black line, Eobsd) and corrected (red line, Ecor) fluorescence intensity, λex = 295 nm, λem =410 nm.
Table 2. Parameters used to calculate IFE of TC on the fluorescence of CDs.
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陸 真實樣品中感測四環素類抗生素
為了證實本方法的實用性，我們進行了自來水、飲用水、人工尿液及人類尿
液中的 TCs 檢測。將不同濃度的 TCs 加標到樣品中，然後透過上述方法進行分
析。
如表 3 所示，檢測自來水中添加的 TC，OTC 和 CTC 回收率分別在 87.6–
104.2％，95.9–98.9％和 97.7–107.2％之間，相對標準偏差（RSD）分別小於 6.6
％，6.7％和 6.9％（n = 3）。檢測飲用水中添加的 TC，OTC 和 CTC 回收率分別 在89.8–101.2％，99.1–104.9％和 98.6–110.5％之間，相對標準偏差（RSD）分別 小於4.1％，5.1％和 6.4％（n = 3）。
如表4 所示，檢測人工尿液中添加的 TC，OTC 和 CTC 回收率分別為 93.1–
94.7％，95.4–101.4％及 98.8–109.3％，RSD 小於 2.5％，5.2％及 5.4％（n=3）。 檢測人類尿液中添加的 TC，OTC 和 CTC 回收率分別為 82.9–100.8％，90.3–
96.6％及 90.1–105.8％，RSD 小於 2.5％，4.6％及 3.0％（n=3）。
Table 3. Determination of tetracyclines in tap water and drinking water.
Sample Analytes Spiked level
(μM) Found (μM) Recovery
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Table 4. Determination of tetracyclines in artificial urine and urine.
Sample Analytes Spiked level
(μM) Found (μM) Recovery (%) RSD (%)
柒 Huh-7 細胞成像
為了確認 CDs 是否能在生物系統中應用，我們選擇 Huh-7 人類肝癌細胞，
來進行CDs 對於細胞毒性的測試。如 Figure.13 所示，在添加 0–18 μg/mL 的 CDs 後，細胞的存活率還是超過80% (n=5)，這樣的數據顯示了 CDs 絕佳的生物相容 性。
透過使用雷射掃描共軛焦顯微鏡，進行了 CDs 在細胞成像的應用，將 18
μg/mL 的碳點添加進 Huh-7 細胞中，孵育 2 小時後，使用螢光顯微鏡觀察。如 Figure.14 所示，可以看到與亮場相對應的細胞位置，有綠色和紅色的螢光出現。
因此，可以認為CDs 有作為生物成像的染劑在生物醫學上應用的潛力。
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Figure 13 Cytotoxicity test of CDs on Huh-7 cells viability. The values represent percentage cell viability.
Figure 14. (a-c) Images of 7 cells without CDs. (d,g) Bright field images of Huh-7 cells incubated with 0.18 μg/mL CDs. (e,h) Black field images of Huh-Huh-7 cells incubated with 0.18 μg /mL CDs. (f,i) The overley of (d,e) and (g,h).
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捌 酵母菌螢光成像
從上述的細胞成像，我們已知碳點對於細胞低毒性，具有良好的生物相容性。
我們還進行了，酵母菌的螢光成像實驗，將 1 mL (0.18 mg/mL)的 CDs 加入酵母
菌中，孵育10 分鐘後，使用螢光顯微鏡觀測。
如 Figure.15 所示，未添加碳點時，與亮場照片相對應的位置，酵母菌具有
微弱的藍色螢光，在添加碳點後，可以看到酵母菌具有明亮的藍綠色螢光，碳點 可以成功地對酵母菌進行螢光成像。我們可以得知，碳點不只可以進行細胞成像，
還可以進行真核生物的螢光成像。
Figure 15. fluorescence microscopy images of yeast incubated (a),(b)with and (c),(d)without CDs.
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104.2％，95.9–98.9％和 97.7–107.2％之間，相對 RSD 分別小於 6.6％，6.7％和 6.9％（n = 3）。檢測飲用水中添加的 TC，OTC 和 CTC 回收率分別在 89.8–101.2
％，99.1–104.9％和 98.6–110.5％之間，相對標準偏差 RSD 分別小於 4.1％，5.1
％和6.4％（n = 3）。檢測人工尿液中添加的TC，OTC 和 CTC 回收率分別為 93.1–
94.7％，95.4–101.4％及 98.8–109.3％，RSD 小於 2.5％，5.2％及 5.4％（n=3）。 檢測人類尿液中添加的 TC，CTC 和 OTC 回收率分別為 82.9–100.8％，90.3–
96.6％及 90.1–105.8％，RSD 小於 2.5％，4.6％及 3.0％（n=3）。另外，CDs 的
低細胞毒性及絕佳的生物相容性，使其成功進行了 Huh-7 人類肝癌細胞及酵母
菌的螢光成像。