以大葉冬青葉為原料制備熒光碳量子點的研究*

李 潤，郝曉亮，方志剛，王 勇

(遼寧科技大學化學工程學院，遼寧 鞍山 114051)

大葉冬青是常綠大喬木，廣泛種植于中國南方和北方，是一種非常常見的植物[1]。目前其除了本身的觀賞性外，沒有體現其更高的可用性。碳量子點是近年來新開發的一種熒光納米材料，廣泛應用于食品檢測、熒光成像、診斷治療等領域[2-5]。大葉冬青的葉片中含有豐富的纖維，以其為碳基來制備熒光碳量子點，目前還未有報道。本實驗以大葉冬青葉為原料，制備熒光碳量子點并對其進行相關應用的研究,希望可以為天然產物的更多應用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材 料

大葉冬青采摘于遼寧科技大學校園。

1.2 實驗儀器與設備

KH-50mL-D12型水熱合成反應釜，蘇凈集團蘇州安泰空氣技術有限公司；日立F2700熒光分光光度計，日本日立公司。

1.3 熒光碳量子點的制備

將購買所得的大葉冬青的葉子進行采摘，清洗干凈后晾干水分備用，去除葉片主脈后將其研磨搗碎，按照比例分別稱取一定量的搗碎后的大葉冬青葉與10 mL去離子水混合(利用超聲使其充分混合)，混合均勻后將放有反應物的反應釜放置于恒溫烘箱中在一定溫度下恒溫反應一定時間進行碳化，反應結束后將反應物移出，對其進行過濾，濾液即為大葉冬青葉的碳量子點溶液。

1.4 單因素試驗

1.4.1 不同原料添加量對熒光強度的影響

分別將0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g原料(研磨后的大葉冬青葉)加入反應釜中，分別加入10 mL去離子水，超聲振蕩后進行碳化。

1.4.2 不同反應時間對熒光強度的影響

分別往六個反應釜中均加入0.6 g原料及10 mL去離子水，充分混合均勻后將六個反應釜放入200 ℃的恒溫烘箱中，碳化時間設定為30、60、90、120、150、180 min。

1.4.3 不同反應溫度對熒光強度的影響

分別往五個反應釜中均加入0.6 g原料及10 mL去離子水，充分混合均勻后碳化溫度分別設定為140、160、180、200、220 ℃。

1.5 正交試驗

利用上述單因素實驗得到的最適條件進行正交實驗。

表1 因素水平表Table 1 Factors level table

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 不同原料添加量對熒光強度的影響

如圖1所示，在反應溫度與反應時間相同的情況下，當原料添加量過少時，沒有更多的原料用于碳化；當原料添加過多時，由于原料間的堆積使得多余的原料無法碳化。當原料添加量為0.8 g時所得大葉冬青葉熒光碳量子點溶液熒光強度最強。

圖1 大葉冬青葉的不同添加量下的熒光強度Fig.1 Fluorescence intensity of the leaves of Ilex latifolia Thunb at different dosage

2.1.2 不同反應時間對熒光強度的影響

如圖2所示，在大葉冬青葉添加量及反應溫度相同的情況下，熒光強度隨著碳化時間的增加而逐漸增強，當反應時間在120 min時所得大葉冬青葉的熒光碳量子點溶液熒光強度最強，隨后過長的碳化時間使熒光強度得以衰減。

圖2 不同反應時間下的熒光強度Fig.2 Fluorescence intensity at different reaction times

2.1.3 不同溫度對熒光強度的影響

如圖3所示，當反應溫度低于200 ℃時反應物炭化不足。反應溫度在200～220 ℃時，大葉冬青葉碳量子點溶液熒光強度變化非常緩慢，故從能源角度，認為200 ℃為最佳反應溫度。

圖3 不同反應溫度下的熒光強度Fig.3 Fluorescence intensity at different reaction temperatures

2.2 正交試驗結果

如表2所示，通過對極差的分析可知：影響大葉冬青葉碳量子點熒光強度強弱的3種因素影響力大小順序為：反應時間>原料添加量>反應溫度。大葉冬青葉熒光碳量子點最佳方案為A3B3C2，即原料添加量為1.0 g、反應時間為180 min、反應溫度為200 ℃。為了驗證該方案是否最佳，驗證試驗方案如表3所示。通過驗證實驗得出，以方案A3B3C2制備的大葉冬青葉碳量子點熒光強度最大，因此為最佳方案。

表2 正交設計結果Table 2 Orthogonal table results

表3 最適方案的驗證Table 3 Verification of the optimal scheme

如圖4所示，對合成的大葉冬青熒光碳量子點的最適激發波長進行研究。當波長<360 nm時，大葉冬青葉碳量子點溶液的熒光強度隨波長增大而增強;當波長>360 nm時，大葉冬青葉碳量子點溶液的熒光強度隨波長增大而減弱，由此可知大葉冬青葉碳量子點溶液的熒光強度在激發波長為360 nm時最強。

圖4 不同波長下熒光強度Fig.4 Fluorescence intensity at different wavelengths

如圖5所示，大葉冬青葉碳量子點溶液在正常光線照射下為透明液體，在紫外照射下為藍色熒光，因此以大葉冬青為原料制備熒光碳量子點溶液可行。

圖5 碳量子點正常和紫外照射下對比圖Fig.5 Carbon quantum dots under normal and UV irradiation

3 結 論

本實驗利用高溫反應釜以及其他輔助設備，制備合成大葉冬青葉熒光碳量子點溶液。通過對激發波長進行分析，認為當激發波長為360 nm時熒光強度最大。通過正交實驗取得了制備大葉冬青熒光碳量子點溶液的最適條件為：原料添加量為1.0 g、反應時間為180 min、反應溫度為200 ℃。希望通過我們的研究，為天然植物的更多應用開發提供借鑒。