水熱法合成茶葉熒光碳點的研究

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

（1.黔南民族醫學高等專科學校，貴州 都勻 558000；2.貴州省中國科學院天然產物化學重點實驗室，貴州 貴陽 550002；3.貴州醫科大學天然產物化學重點實驗室，貴州 貴陽 550002；4.黔南州民族藥納米醫藥協同創新中心，貴州 都勻 558000）

碳點 （Carbon dots，CDs）是一種粒徑小于10 nm的熒光碳納米顆粒［1］。與傳統有機染料及半導體量子點相比，具有制備成本低、水溶性好、環境友好、發光性能穩定、易表面修飾、生物毒性低等優勢［2，3，4］，已廣泛用于生物傳感、生物醫學成像、分析檢測等多個領域［5-10］。如wenping shi等利用碳量子點的優良熒光性能，實現在血清中葡萄糖含量檢測，該方法具有簡便、靈敏度高、選擇性好等優勢［11］。

目前制備熒光碳點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］。“自上而下”法是以碳纖維、石墨棒、活性炭等為碳源，通過物理、化學的方法剝離出碳點；“自下而上”法則以有機小分子、低聚物、生物質為碳源，通過一系列化學反應最終得到碳點，主要包括有微波法［14］、水熱法［15］、電化學法［16］、超聲法［17］等，其中水熱法因其操作簡單、安全高效、對環境破壞力較小、熒光量子產率高而被廣泛應用［18-20］。隨著人們對環境的重視，天然生物質材料的利用越來越引起大家的關注［21］，因其具有價廉，來源廣泛易得，綠色環保等特點，為碳點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，優化制備條件，通過水熱法一步合成高熒光量子產率的生物質碳點，合成工藝簡單，原料易得，成本低，是制備碳量子點的理想材料，為都勻毛尖的綜合利用開辟了新方向。

1 實驗

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 （日本電子株式會社）；自動恒溫干燥箱 （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）循環水真空泵 （鞏義市予華儀器有限責任公司）；RE 52-99旋轉蒸發器 （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。茶葉產自都勻毛尖鎮。

1.2 試驗方法

1）碳點的制備

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釜中，加入40 mL蒸餾水，在一定溫度下反應后，取出冷卻并過濾，12000轉離心30 min，取上清液0.1 mL定容至10 mL的容量瓶中，放置15 min，測其熒光強度。

2）茶葉用量對碳點的熒光強度影響

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4 h，研究其熒光強度的變化。

3）乙二胺用量對碳點的熒光強度影響

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4 h，研究其熒光強度的變化。

4）溫度對碳點的熒光強度影響

取1.2 g茶葉、1.0 mL乙二胺分別在140、160、180、200、220℃溫度下，反應時間4 h，研究其熒光強度的變化。

5）時間對碳點的熒光強度影響

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

6）正交試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以熒光強度為指標，通過正交試驗優化碳點的最佳制備條件。以反應時間、反應溫度、茶葉用量、乙二胺用量為因素，每個因素3水平，采用L9（34）正交表進行試驗。一共有9個組合，每個組合設3個重復。正交試驗L9（34）因素水平見表1。

表1 正交實驗因素水平表

1.3 熒光量子產率的計算

以硫酸奎寧為標準物，根據公式 （1）計算碳點熒光量子產率［23］：

式中，ψR為硫酸奎寧熒光產率，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溶液的折射率。

2 結果與分析

2.1 茶葉用量對碳點的熒光強度影響

茶葉用量對碳點熒光強度的變化如圖1所示，當茶葉用量的增加其熒光強度逐漸增加，當達到1.2 g時，熒光強度最高；繼續增加用量，其熒光強度降低。因此，茶葉用量為1.2 g為最佳用量。

圖1 茶葉用量對碳點熒光強度影響

2.2 乙二胺用量對碳點的熒光強度影響

乙二胺用量對碳點熒光強度的變化如圖2所示，隨著鈍化劑乙二胺用量增加，碳點熒光強度逐漸增加，在0.8 mL時達到最高值，繼續增加乙二胺用量其熒光強度反而下降。

圖2 乙二胺用量對碳點熒光強度的影響

2.3 溫度對碳點的熒光強度影響

反應溫度對碳點熒光強度的變化如圖3所示，在140～220℃范圍內，隨著溫度的不斷升高，熒光強度在不斷升高，在220℃下達到最大值。因此，反應溫度為220℃為碳點合成的最佳溫度。

圖3 反應溫度對碳點熒光強度的影響

2.4 時間對碳點的熒光強度影響

反應時間對碳點熒光強度的變化如圖4所示，隨著反應時間的增加其熒光強度逐漸增加，當達到5 h時，熒光強度最高；繼續增加反應時間，其熒光強度降低。因此，時間為5 h為最佳反應時間。

圖4 反應時間對碳點熒光強度的影響

2.5 正交試驗設計與結果分析

在制備茶葉熒光碳點實驗中，以反應時間（A）、反應溫度 （B）、茶葉用量 （C）及乙二胺用量 （D）為因素，每個因素3個水平，按L9（34）正交表進行試驗，共有9個組合，每個組合設3個重復。正交試驗L9（34）因素水平見表1，結果及極差分析見表2。

表2 正交試驗結果及極差分析

根據極差分析，反應時間 （A）、反應溫度（B）、茶葉用量 （C）及乙二胺用量 （D）4個因素對碳點熒光強度影響大小依次為：B＞A＞D＞C。每個因素的優化水平分別為：反應時間6 h、反應溫度220℃、茶葉用量1.2 g、乙二胺用量0.6 mL，反應溫度對茶葉熒光碳點的熒光強度影響最大，反應時間次之，茶葉跟乙二胺用量影響最小。預測優化組合為反應時間6 h、反應溫度220℃、茶葉用量1.2 g、乙二胺用量0.6 mL，單因素優化條件為反應時間5 h、反應溫度220℃、茶葉用量1.2 g、乙二胺用量0.8 mL。當用預測優化條件合成茶葉熒光碳點的熒光強度發現比單因素優化更大，通過優化處理得出最佳條件組合為：反應時間6 h、反應溫度220℃、茶葉用量1.2 g、乙二胺用量0.6 mL，測得茶葉碳點的熒光量子產率為8.2%。

2.6 碳點表征

對所制備的茶葉熒光碳點進行了表征，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波長激發下，其發射峰為439 nm，半峰寬為125 nm，在紫外燈照射下，溶液呈現出藍綠色的明亮熒光。

從圖5（c）看出，茶葉熒光碳點呈形狀均一、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，分別對應為—OH、C—H、C=O、—NH3官能團，結果表明茶葉熒光碳點的表面含有-OH，-COOH，-NH3等親水性官能團［23］。

圖5 制備的茶葉瑩光碳點表經示意圖

3 結論

本文以茶葉為碳源，加入乙二胺進行表面修飾，通過一步水熱法合成具有藍色熒光的碳點。對制備過程中的茶葉用量、乙二胺用量、反應溫度及反應時間進行優化，探究其制備條件對合成茶葉熒光碳點熒光強度的影響。采用單因素分析結果表明：茶葉用量1.2 g碳點熒光強度最高、乙二胺用量0.8 mL熒光強度最高、反應時間5 h熒光強度最高、反應溫度220℃熒光強度最高。通過正交試驗表明最佳優化組合為：茶葉1.2 g、乙二胺0.6 mL、反應時間6 h、反應溫度220℃，碳點熒光強度最高，其熒光量子產率為8.2%，并通過紫外光譜、熒光光譜、TEM、FT-IR光譜對該碳點進行表征，其發射峰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，在紫外燈的照射下發出藍綠色的明亮熒光。以茶葉為生物質碳源，通過水熱法一步合成高熒光量子產率的生物質碳點，材料廣泛易得、成本低廉，方法操作簡單，所制備的碳點毒性低、安全性高，屬于綠色安全材料。為進一步采用其他生物質原料為碳源，制備具有高熒光性能的碳點提供了實驗方法，在生物醫學傳感和成像研究中有潛在應用價值。