以南果梨為原料合成熒光碳量子點及其相關應用研究*

楊美鈺，郝曉亮，方志剛

(遼寧科技大學化學工程學院，遼寧 鞍山 114051)

南果梨屬秋子梨，故其采摘期在每年的九月初，此時果實一般縱徑為4.7～5.2厘米，橫徑為5.5～5.8厘米。平均單果重50～75克左右，最大單果重可達170克。剛采摘下的果實需經(jīng)一至兩周時間的后貯，方能把果實的色澤、口感、氣味充分顯露出來。

南果梨是世界梨果中的珍稀品種，在《中國果樹志第三卷》介紹的梨果中，南果梨名列首位。它以其獨特的香氣被中國農(nóng)科院果樹研究所對全國517個梨種評定品質(zhì)極上的四個梨種之一[1]。

南果梨含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如維生素、氨基酸等，此外還含有很多功能型化合物如黃酮類等。一般來說只要含有碳元素的材料都可能被加工制成熒光納米碳材料，目前南果梨除直接食用外，少部分用于制作南果梨酒、果汁或者果脯，其他應用少有報道。目前南果梨在遼寧地區(qū)大規(guī)模種植，部分地區(qū)存在一定資源過剩的現(xiàn)象。以南果梨為碳源制備熒光納米碳材料可以極大程度拓展南果梨的潛在應用，增加產(chǎn)品的附加值，并且為熒光納米碳材料制備提供了一條新的思路。

碳量子點(Carbon quantum dots)，又被稱為碳點，碳量子點與各種金屬量子點類似，碳量子點在光照的情況下可以發(fā)出明亮的光。它在包括改進生物傳感器、醫(yī)學成像設備和微小的發(fā)光二極管的很廣的領域中都有應用前景[2-5]。

南果梨來源廣泛，本研究使用簡便的合成方法，合成南果梨熒光碳量子點，并對其性質(zhì)和應用進行分析，希望通過我們的研究，為熒光納米材料的合成和應用提供更多的借鑒。

1 實 驗

1.1 材 料

南果梨來自于遼寧科技大學生物實驗室。

1.2 儀器與設備

KH-50ML-D12型水熱合成反應釜，蘇凈集團蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；PHS-3DW型微機型酸度計，杭州齊威儀器有限公司；AXS-D8型X射線衍射儀，Bruker公司；WQF-200型傅里葉變換紅外光譜儀，Thermo Election公司；LS45/55型熒光分光光度計，美國PE公司。

1.3 熒光碳量子點的制備

從市場購買的南果梨果實中挑選完整無損傷的樣品，將其削皮，只用果肉部分，將果肉磨成勻漿，稱取勻漿0.4 g加入10 mL水，放入水熱合成反應釜中，再把反應釜放入電熱恒溫干燥箱中，反應溫度為180 ℃，加熱2 h。對反應釜中的物質(zhì)進行過濾得到的液體即為南果梨碳量子點溶液。

烽火臺下，廢校場上，四撥人馬四向而立。為了體現(xiàn)公道，決斗雙方皆避開陽光。風云八虎一方朝南，秦鐵崖一方朝北，老太醫(yī)、喬十二郎等觀戰(zhàn)之人朝西。喬十二郎出門，照例涂黑額頭面頰，一來為掩蓋真面目，二來為遮住額頭傷疤。喬十二郎一方的隊列后有座高高的土墩，那是舊時的檢閱臺，其上坐著一位重要人物，乃決戰(zhàn)見證人，長城大俠魏長安。魏長安須發(fā)皆白，然雄風猶在，在北方乃至中原武林威望極高。以上三方都沒什么異常，令人狐疑的是，背朝太陽的一方，居然是一隊騎兵，喬十二郎數(shù)了數(shù)，有三十二騎。騎兵身后，停著一頂裝飾華貴的馬車。

1.4 單因素實驗

1.4.1 不同原料添加量對熒光強度的影響

準備六個反應釜，均添加10 mL去離子水，依次加入0.2 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g、1.2 g南果梨漿，將反應釜放入恒溫干燥箱于180 ℃加熱2 h。

1.4.2 不同反應時間對熒光強度的影響

準備六個反應釜，均添加10 mL去離子水并加入0.4 g南果梨漿，將反應釜放入恒溫干燥箱在200 ℃溫度下依次加熱30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min。

1.4.3 不同反應溫度對熒光強度的影響

準備六個反應釜，均添加10 mL去離子水并加入0.4 g南果梨漿，將反應釜放入恒溫干燥箱分別在120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃、220 ℃下加熱90 min。

1.5 正交實驗

利用上述單因素實驗得到的最適條件進行正交實驗。

表1 因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 不同原料添加量對熒光強度的影響

如圖1所示，在反應溫度與反應時間相同的情況下，南果梨添加量為0.2 g時，反應原料過少致使碳化不足；原料添加量大于0.4 g時，由于原料過多導致原料之間堆積，碳化不完全。南果梨添加量為0.4 g制備出的南果梨熒光碳量子點熒光強度最強。

圖1 南果梨的不同添加量下的熒光強度

2.1.2 不同時間對熒光強度的影響

如圖2所示，在南果梨添加量及反應溫度相同的情況下，反應釜的反應時間小于120 min時碳化不足；反應釜的反應時間大于120 min時碳化過度，熒光出現(xiàn)衰減。反應時間控制在120 min時制備出的南果梨熒光碳量子點熒光強度最強。

圖2 不同反應時間下的熒光強度

2.1.3 不同溫度對熒光強度的影響

如圖3所示，在南果梨添加量及反應時間相同的情況下，反應釜反應溫度低于180 ℃時碳化不足。反應釜反應溫度高于180 ℃時碳化過度，熒光出現(xiàn)衰減。反應釜反應溫度控制在180 ℃時，南果梨碳量子點的熒光強度最強。

圖3 不同反應溫度下的熒光強度

2.2 正交實驗結(jié)果

如表2所示，通過對極差的分析可知：影響南果梨碳量子點熒光強度強弱的3種因素影響力大小順序為：原料添加量>反應時間>反應溫度。南果梨熒光碳量子點最佳方案為A2B1C2，即原料添加量為0.4 g、反應時間為120 min、反應溫度為180 ℃。為了驗證該方案是否最佳，驗證試驗方案如表3所示。

通過驗證實驗得出，以方案A2B1C2制備的南果梨碳量子點吸收波長為405.3 nm，與正交試驗內(nèi)最大吸收波長一致，為最適方案。

表2 正交設計結(jié)果

表3 最適方案的驗證

如圖4所示，通過對圖像分析可知：當激發(fā)波長小于340 nm時，南果梨碳量子點溶液的熒光強度隨波長增大而增強，當激發(fā)波長大于340 nm時，南果梨碳量子點溶液的熒光強度隨波長增大而減弱，故南果梨碳量子點溶液在波長為340 nm時的熒光強度最強。

圖4 不同波長下熒光強度

圖5 南果梨碳量子點正常和紫外照射下對比圖

如圖5所示，南果梨碳量子點溶液在正常光線照射下為透明液體，在紫外照射下顯現(xiàn)藍綠色熒光，本實驗所合成的南果梨碳量子點具有非常好的熒光發(fā)光性質(zhì)。

3 結(jié) 論

本研究利用高溫反應釜制備合成南果梨熒光碳量子點。經(jīng)過單因素實驗以及正交實驗得出，反應釜中添加0.4 g南果梨勻漿與10 mL去離子水，于180 ℃反應120 min制備出的南果梨熒光碳量子點熒光強度最強，此時的碳量子點吸收波長為405.3 nm。希望通過本研究對熒光納米材料的合成制作與應用方面的研究提供參考。