王俊，張汝國，盧前贏，劉瑛，郭啟燕，黃曉玲，臧貴勇，趙鴻賓，孟鐵宏，胡先運(yùn)

（1.黔南民族醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，貴州 都勻 558000；2.貴州省中國科學(xué)院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002；3.貴州醫(yī)科大學(xué)天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002；4.黔南州民族藥納米醫(yī)藥協(xié)同創(chuàng)新中心，貴州 都勻 558000）

碳點(diǎn) （Carbon dots，CDs）是一種粒徑小于10 nm的熒光碳納米顆粒［1］。與傳統(tǒng)有機(jī)染料及半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，具有制備成本低、水溶性好、環(huán)境友好、發(fā)光性能穩(wěn)定、易表面修飾、生物毒性低等優(yōu)勢(shì)［2，3，4］，已廣泛用于生物傳感、生物醫(yī)學(xué)成像、分析檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域［5-10］。如wenping shi等利用碳量子點(diǎn)的優(yōu)良熒光性能，實(shí)現(xiàn)在血清中葡萄糖含量檢測(cè)，該方法具有簡(jiǎn)便、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)勢(shì)［11］。

目前制備熒光碳點(diǎn)的方法主要分為兩大類，分別是 “自上而下”法和 “自下而上”法［12，13］?！白陨隙隆狈ㄊ且蕴祭w維、石墨棒、活性炭等為碳源，通過物理、化學(xué)的方法剝離出碳點(diǎn)；“自下而上”法則以有機(jī)小分子、低聚物、生物質(zhì)為碳源，通過一系列化學(xué)反應(yīng)最終得到碳點(diǎn)，主要包括有微波法［14］、水熱法［15］、電化學(xué)法［16］、超聲法［17］等，其中水熱法因其操作簡(jiǎn)單、安全高效、對(duì)環(huán)境破壞力較小、熒光量子產(chǎn)率高而被廣泛應(yīng)用［18-20］。隨著人們對(duì)環(huán)境的重視，天然生物質(zhì)材料的利用越來越引起大家的關(guān)注［21］，因其具有價(jià)廉，來源廣泛易得，綠色環(huán)保等特點(diǎn)，為碳點(diǎn)的合成提供了廣泛的碳源。

本文以都勻毛尖為碳源，以乙二胺為鈍化劑，優(yōu)化制備條件，通過水熱法一步合成高熒光量子產(chǎn)率的生物質(zhì)碳點(diǎn)，合成工藝簡(jiǎn)單，原料易得，成本低，是制備碳量子點(diǎn)的理想材料，為都勻毛尖的綜合利用開辟了新方向。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

F-7000熒光光譜儀 （日本日立公司）；Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀 （德國Thermo公司 ）；JEM-2100透射電子顯微鏡 （日本電子株式會(huì)社）；自動(dòng)恒溫干燥箱 （北京亞歐德鵬科技有限公司）；Hitachi U-4100紫外-可見光譜儀 （日本日立公司）；XK99快速混勻器；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水真空泵 （鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；RE 52-99旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 （上海亞榮生化儀器廠）；Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀 （德國Thermo公司）。

乙二胺 （分析純），硫酸奎寧 （阿拉丁試劑公司），其他試劑均為分析純。茶葉產(chǎn)自都勻毛尖鎮(zhèn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1）碳點(diǎn)的制備

將一定量的茶葉剪碎，碾磨，加入一定量的乙二胺，放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，加入40 mL蒸餾水，在一定溫度下反應(yīng)后，取出冷卻并過濾，12000轉(zhuǎn)離心30 min，取上清液0.1 mL定容至10 mL的容量瓶中，放置15 min，測(cè)其熒光強(qiáng)度。

2）茶葉用量對(duì)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響

取0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 g茶葉，分別加入1.0 mL乙二胺，在180℃下，反應(yīng)4 h，研究其熒光強(qiáng)度的變化。

3）乙二胺用量對(duì)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響

取0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mL乙二胺，分別加入1.2 g茶葉，在180℃下，反應(yīng)4 h，研究其熒光強(qiáng)度的變化。

4）溫度對(duì)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響

取1.2 g茶葉、1.0 mL乙二胺分別在140、160、180、200、220℃溫度下，反應(yīng)時(shí)間4 h，研究其熒光強(qiáng)度的變化。

5）時(shí)間對(duì)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響

取1.2 g茶葉，0.8 mL乙二胺，在180℃溫度下，分別反應(yīng)2、3、4、5、6 h，研究其熒光強(qiáng)度的變化。

6）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以熒光強(qiáng)度為指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化碳點(diǎn)的最佳制備條件。以反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、茶葉用量、乙二胺用量為因素，每個(gè)因素3水平，采用L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)。一共有9個(gè)組合，每個(gè)組合設(shè)3個(gè)重復(fù)。正交試驗(yàn)L9（34）因素水平見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

1.3 熒光量子產(chǎn)率的計(jì)算

以硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn)物，根據(jù)公式 （1）計(jì)算碳點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率［23］：

式中，ψR(shí)為硫酸奎寧熒光產(chǎn)率，I／A為硫酸奎寧的熒光積分峰面積與吸光度之間的比值，IR／AR為碳點(diǎn)熒光積分峰面積與吸光度之間的比值，η和ηR分別為硫酸奎寧和碳點(diǎn)溶液的折射率。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶葉用量對(duì)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響

茶葉用量對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化如圖1所示，當(dāng)茶葉用量的增加其熒光強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)達(dá)到1.2 g時(shí)，熒光強(qiáng)度最高；繼續(xù)增加用量，其熒光強(qiáng)度降低。因此，茶葉用量為1.2 g為最佳用量。

圖1 茶葉用量對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度影響

2.2 乙二胺用量對(duì)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響

乙二胺用量對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化如圖2所示，隨著鈍化劑乙二胺用量增加，碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度逐漸增加，在0.8 mL時(shí)達(dá)到最高值，繼續(xù)增加乙二胺用量其熒光強(qiáng)度反而下降。

圖2 乙二胺用量對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響

2.3 溫度對(duì)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響

反應(yīng)溫度對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化如圖3所示，在140～220℃范圍內(nèi)，隨著溫度的不斷升高，熒光強(qiáng)度在不斷升高，在220℃下達(dá)到最大值。因此，反應(yīng)溫度為220℃為碳點(diǎn)合成的最佳溫度。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響

2.4 時(shí)間對(duì)碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化如圖4所示，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加其熒光強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)達(dá)到5 h時(shí)，熒光強(qiáng)度最高；繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間，其熒光強(qiáng)度降低。因此，時(shí)間為5 h為最佳反應(yīng)時(shí)間。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響

2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

在制備茶葉熒光碳點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中，以反應(yīng)時(shí)間（A）、反應(yīng)溫度 （B）、茶葉用量 （C）及乙二胺用量 （D）為因素，每個(gè)因素3個(gè)水平，按L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)，共有9個(gè)組合，每個(gè)組合設(shè)3個(gè)重復(fù)。正交試驗(yàn)L9（34）因素水平見表1，結(jié)果及極差分析見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

根據(jù)極差分析，反應(yīng)時(shí)間 （A）、反應(yīng)溫度（B）、茶葉用量 （C）及乙二胺用量 （D）4個(gè)因素對(duì)碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度影響大小依次為：B＞A＞D＞C。每個(gè)因素的優(yōu)化水平分別為：反應(yīng)時(shí)間6 h、反應(yīng)溫度220℃、茶葉用量1.2 g、乙二胺用量0.6 mL，反應(yīng)溫度對(duì)茶葉熒光碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響最大，反應(yīng)時(shí)間次之，茶葉跟乙二胺用量影響最小。預(yù)測(cè)優(yōu)化組合為反應(yīng)時(shí)間6 h、反應(yīng)溫度220℃、茶葉用量1.2 g、乙二胺用量0.6 mL，單因素優(yōu)化條件為反應(yīng)時(shí)間5 h、反應(yīng)溫度220℃、茶葉用量1.2 g、乙二胺用量0.8 mL。當(dāng)用預(yù)測(cè)優(yōu)化條件合成茶葉熒光碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)比單因素優(yōu)化更大，通過優(yōu)化處理得出最佳條件組合為：反應(yīng)時(shí)間6 h、反應(yīng)溫度220℃、茶葉用量1.2 g、乙二胺用量0.6 mL，測(cè)得茶葉碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率為8.2%。

2.6 碳點(diǎn)表征

對(duì)所制備的茶葉熒光碳點(diǎn)進(jìn)行了表征，如圖5所示。從如圖5（a）看出，在約270 nm處有明顯的紫外吸收峰，溶液呈淡黃色液體；圖5（b）看出，在365 nm波長(zhǎng)激發(fā)下，其發(fā)射峰為439 nm，半峰寬為125 nm，在紫外燈照射下，溶液呈現(xiàn)出藍(lán)綠色的明亮熒光。

從圖5（c）看出，茶葉熒光碳點(diǎn)呈形狀均一、大小均勻、分散性良好的納米顆粒，其粒徑為3.0±0.25 nm；從 FT-IR光譜可以看出，在3419 cm-1，2913 cm-1，1618 cm-1，1090 cm-1處有特征吸收峰，分別對(duì)應(yīng)為—OH、C—H、C=O、—NH3官能團(tuán)，結(jié)果表明茶葉熒光碳點(diǎn)的表面含有-OH，-COOH，-NH3等親水性官能團(tuán)［23］。

圖5 制備的茶葉瑩光碳點(diǎn)表經(jīng)示意圖

3 結(jié)論

本文以茶葉為碳源，加入乙二胺進(jìn)行表面修飾，通過一步水熱法合成具有藍(lán)色熒光的碳點(diǎn)。對(duì)制備過程中的茶葉用量、乙二胺用量、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，探究其制備條件對(duì)合成茶葉熒光碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響。采用單因素分析結(jié)果表明：茶葉用量1.2 g碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度最高、乙二胺用量0.8 mL熒光強(qiáng)度最高、反應(yīng)時(shí)間5 h熒光強(qiáng)度最高、反應(yīng)溫度220℃熒光強(qiáng)度最高。通過正交試驗(yàn)表明最佳優(yōu)化組合為：茶葉1.2 g、乙二胺0.6 mL、反應(yīng)時(shí)間6 h、反應(yīng)溫度220℃，碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度最高，其熒光量子產(chǎn)率為8.2%，并通過紫外光譜、熒光光譜、TEM、FT-IR光譜對(duì)該碳點(diǎn)進(jìn)行表征，其發(fā)射峰439 nm，其半峰寬125 nm，粒徑3.0±0.25 nm，且大小均勻、分散良好，富含氨基和羧基等官能團(tuán)，在紫外燈的照射下發(fā)出藍(lán)綠色的明亮熒光。以茶葉為生物質(zhì)碳源，通過水熱法一步合成高熒光量子產(chǎn)率的生物質(zhì)碳點(diǎn)，材料廣泛易得、成本低廉，方法操作簡(jiǎn)單，所制備的碳點(diǎn)毒性低、安全性高，屬于綠色安全材料。為進(jìn)一步采用其他生物質(zhì)原料為碳源，制備具有高熒光性能的碳點(diǎn)提供了實(shí)驗(yàn)方法，在生物醫(yī)學(xué)傳感和成像研究中有潛在應(yīng)用價(jià)值。