基于蒲地藍藥物組成碳點的制備及表征

王 宇，吳晨濤，闕子淼，于詩源，喻春皓

（淮陰工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 淮安 223003）

近年來,由于碳點（carbon dots,CDs）光學(xué)性能優(yōu)異［1］、生物相容性好［2］、低毒性等優(yōu)點,許多專家學(xué)者開始對其開展研究。當(dāng)前,制備CDs主要有自上而下和自下而上兩種方法,將CDs從較大碳材料上剝離為自上而下,化學(xué)氧化［3］和激光腐蝕消融［4］都屬于該方法,但此類方法需要較高的實驗條件和特殊儀器；自下而上的方法則采用分子前驅(qū)體合成CDs,主要有微波輔助合成法［5］、超聲合成法［6］、高溫?zé)峤夥ǎ?］、水熱法［8］等,這些方法大多使用化學(xué)試劑,容易污染環(huán)境,且表面改性等后續(xù)操作復(fù)雜,限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。因此,尋找廉價易得、天然無毒的碳源和簡單便捷的制備方法是亟待解決的問題。與傳統(tǒng)類型的CDs相比,生物質(zhì)CDs具備更高的生物相容性、溶解性以及環(huán)境友好性。如藕粉［9］、茶葉［10］、蠶絲［11］等被作為碳源報道,以傳統(tǒng)中藥材為碳源,合成CDs卻少有見聞。中藥CDs具有碳源種類多、成本低、綠色環(huán)保、制備簡單且可規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)勢,熊威等［12］在2019 年從綿馬貫眾中制備出止血效果比較好的CDs；Wang等［13］將葛根作為原料合成葛根熒光碳點（PLR-CDs）,研究表明該CDs 通過抑制XOD 活性,使尿酸降低。這些研究多以單味藥材為碳源,對多種藥材的組合CDs的制備基本沒有報道。

蒲地藍是具有清熱解毒、消腫利咽等功效的中成藥。蒲地藍的清熱解毒效果比藍芩口服液更好,其抗炎消腫效果比二丁顆粒更好。蒲地藍具有溶出速率快、藥效穩(wěn)定、藥物毒性小及適用人群范圍廣等優(yōu)點。該藥以蒲公英作為君藥,采用板藍根為臣藥加強君藥作用,苦地丁、黃芩充當(dāng)佐、使藥解毒消腫。這些藥材廉價易得,已有的研究對蒲地藍的相關(guān)藥理活性及質(zhì)量檢測也較為深入［14］,因此,本文選取組成蒲地藍的4 味中藥為碳源,將其組合搭配制備CDs,這利于蒲地藍藥渣的再利用。另外,研究4味中藥與其組合搭配的熒光強度的變化,可能是在反應(yīng)過程中形成了某些新成分,為后續(xù)以中藥為碳源進行深入研究提供了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃芩、板藍根、蒲公英、苦地丁均購于河北保定安國中藥批發(fā)市場。硫酸奎寧（Quinine sulfate,QS）、硫酸（H2SO4）均購自阿拉丁中國上海。去離子水由學(xué)校提供。

1.2 實驗儀器

電子分析天平（CP114）；暗箱式紫外分析儀（鄭州予澤儀器有限公司）；電熱恒溫干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）；破壁粉碎機（倍艾家）；醫(yī)用離心機（湘儀離心機儀器有限公司）；冷凍干燥箱（LGJ-10C,北京四環(huán)科學(xué)儀器有限公司）；紫外可見近紅外光譜儀（UV-2401,島津）；熒光分光光度計（F-7000,日本）；傅立葉變換光度計（Nicolet 5700,美國）；X射線衍射儀（D8Discover,德國）。

1.3 CDs的制備

對4 種中藥碾磨成粉過40 目篩,中藥按一定比例稱取,中藥總量為1.2 g。稱取放置于100 mL聚四氟乙烯中,再量40 mL 去離子水倒入反應(yīng)釜,超聲約10 min后封裝反應(yīng)釜放置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中。反應(yīng)溫度設(shè)置為180 ℃,反應(yīng)時間為8 h。反應(yīng)結(jié)束后離心30 min,收集上清液,取部分液體進行冷凍干燥,留待表征。具體的組分及比例搭配按表1進行配置。

表1 組成蒲地藍的四味中藥及組合搭配的熒光量子產(chǎn)率

1.4 CDs的量子產(chǎn)率計算

配制一定濃度的QS溶液,經(jīng)適當(dāng)稀釋,控制紫外吸收光譜在360 nm 處吸光度低于0.05（AR）,并記錄此時的數(shù)據(jù)。將360 nm 作為激發(fā)波長,熒光發(fā)射光譜范圍為370～620 nm,根據(jù)熒光圖譜計算熒光積分峰面積（IR）；CDs 溶液重復(fù)上述操作,吸光度和熒光積分峰面積分別記為A和I。本試驗選取的QS 溶液是以0.1 mol∕L 硫酸溶液作為溶劑,對應(yīng)的折射率（ηR）為1.33,CDs溶于去離子水中,其η值為1.33［11］。

1.5 CDs的表征

采用紫外-可見分光光度計和熒光光譜儀對4味中藥及其組合搭配的15種CDs進行光學(xué)性能的檢測。選取一類搭配下熒光效果最好的一組,進行激發(fā)光譜和熒光光譜的測量,同時也考察了不同激發(fā)波長的影響。設(shè)置激發(fā)波長為360 nm,狹縫寬度為5 nm,掃描速度為2 400 nm∕min,光電倍增管電壓為500 V。后續(xù)用傅立葉紅外光譜儀（FT-IR）、X 射線衍射儀（XRD）對選取的CDs 進行形貌、官能團的表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 CDs光學(xué)性能分析

圖1（a）中4種中藥制備的單一CDs,在283 nm處都存在最大紫外吸收峰,在稀釋相同倍數(shù)下,板藍根CDs（CD3）吸光度明顯優(yōu)于其他CDs。圖1（b）為該濃度下CDs 的熒光光譜檢測,發(fā)現(xiàn)CD3的熒光效果最好,其次為蒲公英CDs（CD2）,黃芩CDs（CD4）最差。在360 nm 激發(fā)波長下,4 種CDs 的發(fā)射峰均為425 nm。

圖1 單一中藥CDs紫外光譜圖（a）和熒光光譜圖（b）

圖2（a）為中藥兩兩組合下共6 種CDs,與單一CDs相同,最大吸收峰都處于在283 nm處,與圖1（a）相比,經(jīng)配伍后的兩兩CDs 吸光度差異不大。如圖2（b）所示,對CDs 進行熒光強度的測量,與單一中藥相比,熒光強度較為集中且分布相對均勻,比較6 種CDs 的熒光強度發(fā)現(xiàn)板藍根-蒲公英CDs（CD8）性能最優(yōu)越,與圖1（a）中單一CDs熒光強度順序呈較好搭配。

圖2 兩種中藥復(fù)合的CDs紫外光譜圖（a）和熒光光譜圖（b）

圖3（a）為中藥三三組合下的4 種CDs,其最大吸收峰仍為283 nm；圖3（b）的熒光光譜顯示,板藍根-蒲公英-苦地丁CDs（CD11）熒光強度優(yōu)于其他同種配伍的CDs,與單一CDs與兩兩CDs的最佳熒光強度順序相符合。

圖3 三種中藥復(fù)合的CDs紫外光譜圖（a）和熒光光譜圖（b）

圖4（a）4 種中藥的混合搭配為蒲地藍CDs（CD15）,與上述組合相同。其最大吸收峰仍為283 nm；圖4（b）中CD15的熒光強度與圖2（b）、圖3（b）的復(fù)合CDs無明顯差異。

圖4 四種中藥復(fù)合的CDs及QS紫外光譜圖（a）和熒光光譜圖（b）

圖1～圖4 的紫外圖譜顯示,15 種CDs 均在283 nm處存在最大吸收峰,可能是sp2雜化C=C鍵的π-π*躍遷。可見光區(qū)域吸收較弱,無明顯特征峰。QS 在220,260,360 nm 處有明顯吸收峰。由于兩者都在360 nm 處存在較強吸收,后續(xù)進行量子產(chǎn)率計算時以360 nm作為激發(fā)波長。

在360 nm 波長激發(fā)下,比較15 種CDs 的熒光光譜,CD3的熒光強度最強,可能是板藍根內(nèi)含有靛藍等成分,存在較大的共軛體系,所以熒光性能較為優(yōu)越。在后續(xù)搭配中,每類組合下熒光強度最好的一個,符合單一CDs熒光強度的順序,且15種CDs在360 nm激發(fā)波長下發(fā)射峰均于425 nm附近。后續(xù)將QS 作為參比液,計算熒光積分峰面積得到碳量子產(chǎn)率。為進一步探討CDs的光學(xué)性能,選取每類熒光效果最好的,依次為CD3、CD8、CD11、CD15進行了激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的測量,同時比較不同激發(fā)波長對CDs熒光強度的影響。

圖5（a）CD3的最佳激發(fā)波長為325 nm,最佳發(fā)射波長為400 nm；圖5（b）中,將CD3的激發(fā)波長從320 nm 以20 nm 為增量增加至400 nm,其發(fā)射峰的位置由400 nm 偏移到463 nm,且熒光強度下降。

圖5 CD3的激發(fā)和發(fā)射光譜圖（a）和在不同激發(fā)波長下熒光光譜及歸一化譜圖（b）

圖6（a）CD8的最佳激發(fā)波長為300 nm,最佳發(fā)射波長為390 nm；圖6（b）中,CD8與CD3測量條件相同,在熒光強度依次下降的情況下,發(fā)射峰的位置從390 nm偏移到463 nm。

圖6 CD8的激發(fā)和發(fā)射光譜圖（a）和在不同激發(fā)波長下熒光光譜及歸一化譜圖（b）

圖7（a）CD11的最佳激發(fā)波長為300 nm,最佳發(fā)射波長為390 nm；如圖7（b）,CD11與CD8相似,在改變激發(fā)波長時,熒光強度發(fā)生明顯變化,且發(fā)射峰的位置從395 nm處向463 nm偏移。

圖7 CD11的激發(fā)和發(fā)射光譜圖（a）和在不同激發(fā)波長下熒光光譜及歸一化譜圖（b）

圖8（a）CD15最佳激發(fā)波長為300 nm,最佳發(fā)射波長為390 nm；圖8（b）顯示,CD15的熒光強度隨激發(fā)波長的增大而下降,發(fā)射峰的位置由395 nm向464 nm偏移。

圖8 CD15的激發(fā)和發(fā)射光譜圖（a）和在不同激發(fā)波長下熒光光譜及歸一化譜圖（b）

CDs 溶液在正常光源照射下為淡黃色,365 nm紫外燈下為藍色熒光。圖5（a）中CD3在最佳激發(fā)波長為325 nm,最佳發(fā)射波長為400 nm,隨著對中藥進行組合,圖6（a）中的CD8、圖7（a）中的CD11、圖8（a）中的CD15最佳激發(fā)波長和發(fā)射波長開始向短波長方向偏移,最佳激發(fā)波長為300 nm,最佳發(fā)射波長位于400 nm處。可能是中藥組合后CDs內(nèi)部發(fā)生變化引起的。后續(xù),探討不同激發(fā)波長下CDs的熒光圖譜。分析得到,4種CDs在激發(fā)波長320～400 nm范圍內(nèi)熒光峰位置發(fā)生變化。通過對不同激發(fā)波長做的歸一化圖譜可以看出紅移現(xiàn)象十分明顯。表明制備的CDs具有激發(fā)依賴性。

2.2 CDs量子產(chǎn)率分析

表1 中列出組成蒲地藍的4 味中藥及11 種組合搭配的碳量子產(chǎn)率,根據(jù)中藥組合的個數(shù),單一中藥制備的CDs,量子產(chǎn)率最高的為CD3,達到17.80%；兩兩組合的CDs,CD8效果最好；三三搭配的CDs,CD11產(chǎn)率更高；CD15為蒲地藍CDs,其量子產(chǎn)率為2.54%,通過比較,發(fā)現(xiàn)CDs 的量子產(chǎn)率與測得的熒光強度基本上呈正比。CD3的量子產(chǎn)率遠(yuǎn)比其他CDs呈現(xiàn)出更高的量子產(chǎn)率,可能是板藍根中含有靛藍等物質(zhì),其熒光發(fā)射能力更大,因此量子產(chǎn)率更佳。經(jīng)組合后的CDs 量子產(chǎn)率相對較低,可能是由于靛藍與其他中藥成分發(fā)生干擾,從而熒光強度衰弱。

2.3 CDs的FT-IR圖譜分析

圖9 為CD3、CD8、CD11、CD15的FT-IR 圖譜 顯示,在3 000～3 750 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)均存在一個寬而大的吸收,該吸收屬于N-H 和O-H 的伸縮振動吸收區(qū)域,在1 602 cm-1和1 400 cm-1的吸收歸屬于C=O、C=C 伸縮振動。1 092 cm-1為C-O 的彎曲振動吸收峰。根據(jù)上述分析可以得到CDs 表面含有羥基,氨基等官能團。

圖9 CDs的FT-IR光譜圖

2.4 CDs的XRD圖譜分析

如圖10 所示,CD3的XRD 圖譜顯示出一個很寬的峰,峰中心在21.62°,說明該CDs 晶格存在缺陷,屬于無定形碳。當(dāng)中藥類別增加,CD8、CD11、CD15的XRD 圖譜峰的位置發(fā)生改變,依次變?yōu)?2.11°、23.89°、24.07°,可能是中藥組合后CDs內(nèi)部發(fā)生了某些新的作用。

圖10 CDs的XRD圖像

3 結(jié)論

本文采用組成蒲地藍的4 味中藥及其組合搭配為碳源,通過水熱法制備15 種CDs。以熒光強度為條件,篩選出每類搭配中效果最好的CDs,進行激發(fā)、發(fā)射光譜的檢測,同時考察不同激發(fā)態(tài)下發(fā)射光譜的變化。用FT-IR、XRD對4種CDs進行表征,分析CDs 的表面結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,CDs 在365 nm 紫外燈下呈藍色熒光,于283 nm 處存在最大紫外吸收峰,激發(fā)波長360 nm 熒光光譜中發(fā)射峰位均在425 nm。與CD3相比,CD8、CD11、CD15的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜發(fā)生藍移,激發(fā)波長由325 nm向300 nm移動,發(fā)射光譜由400 nm向短波長偏移,可能是由于藥材組合使得CDs內(nèi)部發(fā)生變化。根據(jù)FT-IR 圖譜及XRD 圖譜分析,CDs 表面含有羥基,氨基以及羧基等官能團。中藥CDs制備主要是單味藥材,混合中藥制備CDs基本沒有報道,本文為中藥CDs的制備提供新的思路,后續(xù)應(yīng)用中,提高CDs的量子產(chǎn)率也是需要解決的重點問題。