以大叶冬青叶为原料制备荧光碳量子点的研究*

李 润，郝晓亮，方志刚，王 勇

(辽宁科技大学化学工程学院，辽宁 鞍山 114051)

大叶冬青是常绿大乔木，广泛种植于中国南方和北方，是一种非常常见的植物[1]。目前其除了本身的观赏性外，没有体现其更高的可用性。碳量子点是近年来新开发的一种荧光纳米材料，广泛应用于食品检测、荧光成像、诊断治疗等领域[2-5]。大叶冬青的叶片中含有丰富的纤维，以其为碳基来制备荧光碳量子点，目前还未有报道。本实验以大叶冬青叶为原料，制备荧光碳量子点并对其进行相关应用的研究,希望可以为天然产物的更多应用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材 料

大叶冬青采摘于辽宁科技大学校园。

1.2 实验仪器与设备

KH-50mL-D12型水热合成反应釜，苏净集团苏州安泰空气技术有限公司；日立F2700荧光分光光度计，日本日立公司。

1.3 荧光碳量子点的制备

将购买所得的大叶冬青的叶子进行采摘，清洗干净后晾干水分备用，去除叶片主脉后将其研磨捣碎，按照比例分别称取一定量的捣碎后的大叶冬青叶与10 mL去离子水混合(利用超声使其充分混合)，混合均匀后将放有反应物的反应釜放置于恒温烘箱中在一定温度下恒温反应一定时间进行碳化，反应结束后将反应物移出，对其进行过滤，滤液即为大叶冬青叶的碳量子点溶液。

1.4 单因素试验

1.4.1 不同原料添加量对荧光强度的影响

分别将0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g原料(研磨后的大叶冬青叶)加入反应釜中，分别加入10 mL去离子水，超声振荡后进行碳化。

1.4.2 不同反应时间对荧光强度的影响

分别往六个反应釜中均加入0.6 g原料及10 mL去离子水，充分混合均匀后将六个反应釜放入200 ℃的恒温烘箱中，碳化时间设定为30、60、90、120、150、180 min。

1.4.3 不同反应温度对荧光强度的影响

分别往五个反应釜中均加入0.6 g原料及10 mL去离子水，充分混合均匀后碳化温度分别设定为140、160、180、200、220 ℃。

1.5 正交试验

利用上述单因素实验得到的最适条件进行正交实验。

表1 因素水平表Table 1 Factors level table

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 不同原料添加量对荧光强度的影响

如图1所示，在反应温度与反应时间相同的情况下，当原料添加量过少时，没有更多的原料用于碳化；当原料添加过多时，由于原料间的堆积使得多余的原料无法碳化。当原料添加量为0.8 g时所得大叶冬青叶荧光碳量子点溶液荧光强度最强。

图1 大叶冬青叶的不同添加量下的荧光强度Fig.1 Fluorescence intensity of the leaves of Ilex latifolia Thunb at different dosage

2.1.2 不同反应时间对荧光强度的影响

如图2所示，在大叶冬青叶添加量及反应温度相同的情况下，荧光强度随着碳化时间的增加而逐渐增强，当反应时间在120 min时所得大叶冬青叶的荧光碳量子点溶液荧光强度最强，随后过长的碳化时间使荧光强度得以衰减。

图2 不同反应时间下的荧光强度Fig.2 Fluorescence intensity at different reaction times

2.1.3 不同温度对荧光强度的影响

如图3所示，当反应温度低于200 ℃时反应物炭化不足。反应温度在200～220 ℃时，大叶冬青叶碳量子点溶液荧光强度变化非常缓慢，故从能源角度，认为200 ℃为最佳反应温度。

图3 不同反应温度下的荧光强度Fig.3 Fluorescence intensity at different reaction temperatures

2.2 正交试验结果

如表2所示，通过对极差的分析可知：影响大叶冬青叶碳量子点荧光强度强弱的3种因素影响力大小顺序为：反应时间>原料添加量>反应温度。大叶冬青叶荧光碳量子点最佳方案为A3B3C2，即原料添加量为1.0 g、反应时间为180 min、反应温度为200 ℃。为了验证该方案是否最佳，验证试验方案如表3所示。通过验证实验得出，以方案A3B3C2制备的大叶冬青叶碳量子点荧光强度最大，因此为最佳方案。

表2 正交设计结果Table 2 Orthogonal table results

表3 最适方案的验证Table 3 Verification of the optimal scheme

如图4所示，对合成的大叶冬青荧光碳量子点的最适激发波长进行研究。当波长<360 nm时，大叶冬青叶碳量子点溶液的荧光强度随波长增大而增强;当波长>360 nm时，大叶冬青叶碳量子点溶液的荧光强度随波长增大而减弱，由此可知大叶冬青叶碳量子点溶液的荧光强度在激发波长为360 nm时最强。

图4 不同波长下荧光强度Fig.4 Fluorescence intensity at different wavelengths

如图5所示，大叶冬青叶碳量子点溶液在正常光线照射下为透明液体，在紫外照射下为蓝色荧光，因此以大叶冬青为原料制备荧光碳量子点溶液可行。

图5 碳量子点正常和紫外照射下对比图Fig.5 Carbon quantum dots under normal and UV irradiation

3 结 论

本实验利用高温反应釜以及其他辅助设备，制备合成大叶冬青叶荧光碳量子点溶液。通过对激发波长进行分析，认为当激发波长为360 nm时荧光强度最大。通过正交实验取得了制备大叶冬青荧光碳量子点溶液的最适条件为：原料添加量为1.0 g、反应时间为180 min、反应温度为200 ℃。希望通过我们的研究，为天然植物的更多应用开发提供借鉴。