蒲公英茶綠色合成氧化鋅及其抗氧化活性

王曉云，朱詩(shī)慧，許 君，蔡曉鳳，周 赟

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.華中科技大學(xué)藥學(xué)院，武漢 430300）

近年來(lái)，無(wú)機(jī)材料由于其良好的安全性和耐久性受到人們的廣泛關(guān)注。氧化鋅（ZnO）是一種穩(wěn)定性極好、抗菌性良好且資源豐富的半導(dǎo)體材料[1]。由于其較大的表面積，以及被吸收的分子通過(guò)反應(yīng)所形成的羥基和氧化物自由基[2-3]，使氧化鋅具有寬帶隙（3.37 eV）和在室溫下的激發(fā)結(jié)合能較大（60 mV）[4-6]等特點(diǎn)。合成氧化鋅的方法有很多種：溶膠-凝膠法[7]、燃燒法[8]、水熱合成法[9]以及綠色合成法[10]等。綠色合成法是指操作簡(jiǎn)單、較為安全、減少環(huán)境污染、高效率的方法[11]，可以快速、定量地把原料轉(zhuǎn)化為目標(biāo)分子。綠色合成氧化鋅的機(jī)理是具有還原性的生物活性劑與具有氧化性的鋅鹽溶液發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。其中，生物活性劑來(lái)源廣泛，例如：花、葉子、果實(shí)、種子以及根等。許多學(xué)者對(duì)綠色合成氧化鋅進(jìn)行了研究：Chakraborty等[12]通過(guò)楊桃提取物和硝酸鋅溶液合成了納米氧化鋅粒子；Suresh等[13]利用決明子瘺植物的提取物和硝酸鋅溶液制備了納米氧化鋅粒子；Liu等[14]以蘿卜根提取物和二水合乙酸鋅溶液為反應(yīng)物合成了納米氧化鋅粒子。相比于其他合成氧化鋅方法，綠色合成法中的生物活性劑可以取代具有還原性的化學(xué)試劑，減少有毒有害化學(xué)試劑的使用。因此，通過(guò)綠色合成法制備氧化鋅對(duì)環(huán)境更為友好，具有光明的發(fā)展前景。

蒲公英（拉丁語(yǔ)為T(mén)araxacummongolicumHand-Mazz），菊科，全世界約有2 000種，我國(guó)有70種[15]。蒲公英茶取自切碎和干燥的蒲公英根或葉，蒲公英茶中含有豐富的維生素和礦物質(zhì)，這些成分可以起到增強(qiáng)肝臟、降低膽固醇、排毒降火以及抗惡性腫瘤等[16]作用。因此，本文選用蒲公英茶作為生物活性劑的原材料。以蒲公英茶提取物作為還原劑，二水合乙酸鋅溶液為氧化劑，通過(guò)綠色合成法制備氧化鋅，分別在400、600和800℃下進(jìn)行煅燒，對(duì)合成的氧化鋅進(jìn)行表面形貌、紫外吸收光譜、X射線光電子能譜分析及抗氧化活性測(cè)試，確定綠色合成氧化鋅的最佳煅燒溫度，并驗(yàn)證了該溫度下所合成氧化鋅的抗氧化活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

原料：蒲公英茶，豐凱園實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；二水合乙酸鋅，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；甲醇，天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司產(chǎn)品；2，2-二苯基-1-三硝基苯肼（DPPH），山東省德州潤(rùn)昕實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；去離子水，自制。

儀器：DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵，天津科諾儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；DZF-6020型真空干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；KSL-1100X型馬弗爐，合肥科晶材料技術(shù)有限公司產(chǎn)品；KQ2200DB型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；Hitachi S4800型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司產(chǎn)品；Evolution201型紫外可見(jiàn)分光光度儀、K-alpha型X射線光電子能譜儀，均為美國(guó)Thermofisher科技有限公司產(chǎn)品。

1.2 綠色合成氧化鋅的制備

稱(chēng)取一定量的蒲公英茶倒入燒杯中，加入去離子水，將杯口覆蓋保鮮膜并扎緊，在保鮮膜上戳幾個(gè)小孔并靜置。24 h后，將溶液通過(guò)帶有濾紙的漏斗進(jìn)行過(guò)濾，獲得無(wú)雜質(zhì)的蒲公英茶提取物。

稱(chēng)取一定量的二水合乙酸鋅加入到錐形瓶中，再加入去離子水和磁力轉(zhuǎn)子，用保鮮膜封住瓶口。再將錐形瓶放入位于通風(fēng)櫥的水浴鍋中，在70℃、650 r/min的條件下，加熱至瓶底無(wú)二水合乙酸鋅顆粒，獲得無(wú)色透明均勻溶液。

按照二水合乙酸鋅溶液和蒲公英茶提取物的質(zhì)量比為5∶3的比例，將蒲公英茶提取物加入到二水合乙酸鋅溶液中，用保鮮膜封住杯口，放入70℃、650 r/min的水浴鍋中，加熱直至出現(xiàn)分層。混合物通過(guò)抽濾處理，獲得糊狀物。隨后，將得到的糊狀物轉(zhuǎn)移到潔凈的培養(yǎng)皿中，放入120℃的烘箱中干燥12 h，獲得具有金屬光澤的黑色固體。最后，將黑色固體裝入陶瓷坩堝中，分別放入400、600和800℃的馬弗爐煅燒2 h，得到最終產(chǎn)物。本實(shí)驗(yàn)為氧化還原反應(yīng)，蒲公英茶提取物作為還原劑，乙酸鋅溶液作為氧化劑，化學(xué)反應(yīng)式如式（1）所示：

1.3 性能測(cè)試

（1）表面形貌測(cè)試（SEM）：采用Hitachi S4800型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察氧化鋅的表面形貌。氧化鋅通過(guò)導(dǎo)電膠粘附在樣品臺(tái)上，用洗耳球?qū)⒍嘤嗟姆勰┐档艉筮M(jìn)行噴金，加速電壓為15 kV。

（2）紫外吸收光譜測(cè)試（UV）：采用Evolution201型紫外可見(jiàn)分光光度儀，以石英比色皿為容器，將氧化鋅用去離子水分散在容器中，并在190～750 nm的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行掃描測(cè)試。

（3）X射線光電子能譜測(cè)試（XPS）：采用K-alpha型X射線光電子能譜儀對(duì)氧化鋅進(jìn)行元素分析。通過(guò)導(dǎo)電膠將氧化鋅附著在樣品臺(tái)上，利用洗耳球吹掉多余的粉末后，方可進(jìn)行掃描測(cè)試。

（4）抗氧化活性測(cè)試：DPPH是一個(gè)穩(wěn)定的自由基，可以接受電子或氫自由基成為穩(wěn)定的抗磁性分子。由于奇數(shù)電子，DPPH的甲醇溶液在517 nm處顯示很強(qiáng)的吸收帶。DPPH自由基可與各種供電分子（還原劑或抗氧化劑）發(fā)生電子配對(duì)，因此，它的還原可以通過(guò)測(cè)量517 nm處吸光度的降低來(lái)進(jìn)行估算[17]。在裝有甲醇溶液的燒杯中加入一定量的2，2-二苯基-1-三硝基苯肼（DPPH），待其充分混合后，獲得紫色的DPPH溶液并作為空白對(duì)照組，將該溶液在黑暗處?kù)o置20 min，通過(guò)紫外可見(jiàn)分光光度儀測(cè)量其在517 nm處的吸光度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中DPPH溶液保持2 h內(nèi)顏色不變以及在517 nm處的吸收強(qiáng)度不變，表明實(shí)驗(yàn)過(guò)程中DPPH溶液是穩(wěn)定的。準(zhǔn)備一個(gè)小玻璃瓶加入DPPH溶液以及氧化鋅粉末，進(jìn)行超聲處理，并在黑暗處放置30 min后，獲取上清液并測(cè)試其在517 nm處的吸光度，計(jì)算氧化鋅對(duì)DPPH的清除活性：

式中：As為含有DPPH的上清液在517 nm處的吸光度；Ac為空白對(duì)照組（DPPH溶液）在517 nm處的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

圖1為不同煅燒溫度下所得氧化鋅的SEM圖。

由圖1可以看出，煅燒溫度為400℃時(shí)制備得到的氧化鋅為球形；煅燒溫度為600℃時(shí)制備得到的氧化鋅為棒形；800℃時(shí)氧化鋅呈六邊形。隨著煅燒溫度的升高，由于氧化鋅的晶體生長(zhǎng)以及生物活性劑的缺失，其形狀從原來(lái)的單一球形向多邊形轉(zhuǎn)化[18]。

圖1 氧化鋅的電鏡圖Fig.1 SEMimages of ZnO

2.2 紫外吸收光譜分析

圖2為氧化鋅在190～750 nm區(qū)間內(nèi)的紫外吸收光譜圖。

圖2 氧化鋅的紫外吸收光譜圖Fig.2 UV absorption spectrum of ZnO

由圖2可以看出，400℃時(shí)氧化鋅的特征峰位于371.32 nm處；600℃時(shí)氧化鋅的特征峰位于375.79 nm處；800℃時(shí)氧化鋅的特征峰位于381.05 nm處。標(biāo)準(zhǔn)氧化鋅的特征峰在370 nm左右[19]。由此可知，400℃條件下制備得到的氧化鋅更接近標(biāo)準(zhǔn)氧化鋅。

2.3 X射線光電子能譜分析

氧化鋅中，鋅元素的XPS譜圖如圖3所示，氧元素的XPS譜圖如圖4所示。

由圖3可以看出，400℃條件下氧化鋅中鋅元素的特征峰為Zn2p1/2（1 021.28 eV）和Zn2p3/2（1 045.11 eV）；600℃條件下氧化鋅中鋅元素的特征峰為Zn2p1/2（1 021.68 eV）和Zn2p3/2（1 044.93 eV）；800℃條件下氧化鋅中鋅元素的特征峰為Zn2p1/2（1 021.77 eV）和Zn2p3/2（1 044.72 eV）。標(biāo)準(zhǔn)氧化鋅中鋅元素的特征峰為Zn2p1/2（1 021 V）和Zn2p3/2（1 046 eV）[20]。由圖4可知，400℃條件下氧化鋅中氧元素的特征峰為O1s（531.49 eV）；600℃條件下氧化鋅中氧元素的特征峰為O1s（530.60 eV）；800℃條件下氧化鋅中氧元素的特征峰為O1s（531.46 eV）。標(biāo)準(zhǔn)氧化鋅中氧元素的特征峰為O1s（532 eV）[20]。由此可知，400℃條件下氧化鋅中的鋅、氧元素特征峰最接近標(biāo)準(zhǔn)氧化鋅中鋅、氧元素的特征峰。

圖3 氧化鋅中鋅元素的XPS譜圖Fig.3 XPS spectrum of zinc element in ZnO

圖4 氧化鋅中氧元素的XPS譜圖Fig.4 XPS spectrum of oxygen element in ZnO

綜上所述，選擇400℃為氧化鋅的最佳煅燒溫度。

2.4 抗氧化活性分析

對(duì)DPPH的清除活性越高，其在517 nm處的吸光度值越低，說(shuō)明氧化鋅的抗氧化活性越強(qiáng)。經(jīng)不同制備條件所得氧化鋅處理后含有DPPH的上清液在517 nm處的吸光度如圖5所示。

圖5 加入不同氧化鋅的DPPH上清液在517 nm處的吸光強(qiáng)度Fig.5 Absorbance intensity of DPPH supernatant with different ZnO at 517 nm

由圖5可以看出，作為空白對(duì)照組的溶有DPPH的甲醇溶液在517 nm處的峰強(qiáng)度為1.722 93。隨著氧化鋅煅燒溫度的升高，所制備的氧化鋅形狀由球形向多邊形轉(zhuǎn)化，與DPPH自由基結(jié)合的能力下降[18]，上清液于517 nm處的峰強(qiáng)度不斷增加，說(shuō)明氧化鋅對(duì)對(duì)DPPH的清除活性逐漸降低，即氧化鋅的抗氧化活性下降。計(jì)算可得，煅燒溫度為400℃時(shí)，氧化鋅對(duì)DPPH的清除活性最高，為97.11%，說(shuō)明該氧化鋅的抗氧化活性最強(qiáng)；600℃時(shí)氧化鋅對(duì)DPPH的清除活性為96.88%；800℃時(shí)氧化鋅對(duì)DPPH的清除活性為71.42%，抗氧化活性最低。

3 結(jié)論

通過(guò)綠色合成法，以蒲公英茶和二水合乙酸鋅為原料，制備出氧化鋅，探索其最佳煅燒溫度，并分析其抗氧化活性。結(jié)果表明：

（1）綠色合成氧化鋅的最佳煅燒溫度為400℃，在此條件下制備得到的氧化鋅呈球形，紫外吸收特征峰為371.32 nm，XPS譜圖特征峰Zn2p1/2（1 021.28 eV）、Zn2p3/2（1 045.11 eV）和O1s（531.49 eV），對(duì)DPPH的清除活性可達(dá)97.11%。

（2）采用該方法合成氧化鋅，對(duì)環(huán)境較為友好、操作簡(jiǎn)便且成本低廉。未來(lái)將進(jìn)一步研究蒲公英茶提取物的成分組成，并對(duì)該方法的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)路線進(jìn)行探索研究。