豇豆為碳源熒光碳量子點的制備及應(yīng)用研究*

李剛健，徐夢丹，侯巧芝

(黃河科技學(xué)院醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450063)

豇豆是常見的豆科草本植物，在中國栽培廣泛，豇豆含有優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、多種維生素及礦物質(zhì)等[1]，營養(yǎng)十分豐富。具有理中益氣、健胃補腎等[2]多種功效，成為人們餐桌上常見的美食之一[1]。碳量子點是一種新型的零維納米材料[3]，具有良好的光學(xué)性質(zhì)、較好的生物相容性、低毒性等優(yōu)點[4]。在生物成像[5-6]、傳感器[7]及藥物分析檢測[8]等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，而成為碳納米材料研究的熱點。以豇豆為碳源制備的碳量子點不但含有碳、氫、氧可作為合成碳量子點必需元素，還含有氮、鈣、鐵等元素。本研究以豇豆為碳源，探究了水熱法合成碳量子點最佳條件，并用制備的碳量子點測蘆丁含量。該課題未見文獻報道。

1 實 驗

1.1 材料與試劑

豇豆，寧陽縣陽光種子有限公司。

蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品(AR)，曲克蘆丁片，氫氧化鈉(AR)，鹽酸(AR)。

1.2 儀器與設(shè)備

水熱合成反應(yīng)釜，北京依諾儀器設(shè)備有限公司；微孔濾膜，普瑞辦公用品專營店；FA2004電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；FS960熒光分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司；101A-3B電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，山東濰坊精贏醫(yī)療器械有限公司。

1.3 熒光碳量子點的制備

將豇豆研磨成大小均一的粉末過60目篩后，稱取1.2 g，加去離子水20 mL，放入反應(yīng)釜中，把反應(yīng)釜置于干燥箱中，反應(yīng)溫度為180 ℃，加熱3 h。冷卻后過濾反應(yīng)釜中的物質(zhì)，沉淀置于錐形瓶中，加去離子水至100 mL，靜置過夜，用微孔濾膜過濾得到的溶液即為熒光碳量子點溶液。

1.4 單因素試驗

其他條件不變，改變制備的一個條件，以熒光強度為指標(biāo)，分別考察原料質(zhì)量(0.6 g、0.8 g、1.0 g、1.2 g、1.4 g)；溶劑體積(10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL)；反應(yīng)時間(2 h、3 h、4 h、5 h、6 h)；反應(yīng)溫度(160 ℃、170 ℃、180 ℃、190 ℃、200 ℃)對碳量子點制備的影響。

1.5 正交試驗

根據(jù)單因素試驗，選擇原料質(zhì)量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、溶劑體積為考察因素建立四因素三水平正交試驗表，從而得到最佳制備條件。利用正交試驗結(jié)果中得出最佳反應(yīng)條件，進行三組平行驗證性試驗。

1.6 穩(wěn)定性試驗

以最佳反應(yīng)條件制備所得的碳量子點進行穩(wěn)定性試驗。記錄0 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h碳量子點的熒光值，觀察熒光值的變化，探究制備碳量子點的穩(wěn)定性。

1.7 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制與蘆丁的含量測定

用堿液配置0.1 mmol/L的蘆丁母液，制備一系列蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液。取1 mL碳量子點溶液、1 mL蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液、1.5 mL緩沖溶液于試管中，振搖均勻，用熒光分光光度計測量熒光強度，記錄數(shù)據(jù)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

取10片曲克蘆丁片，為1.559 0 g，平均片重0.155 9 g，研磨取平均片重量用堿液溶解定容，過濾得續(xù)濾液，按照上述試驗方法，測定熒光強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 原料質(zhì)量對熒光碳量子點制備的影響

圖1 原料質(zhì)量對熒光碳量子點制備的影響Fig.1 Effect of raw material quality on the preparation of fluorescent carbon quantum dots

在溶劑體積、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間不變的情況下，分別研究0.6 g、0.8 g、1.0 g、1.2 g、1.4 g豇豆粉末對碳量子點熒光強度的影響，結(jié)果如圖1所示。由如圖1可知隨著高壓值的增加，峰型變化的越陡峭，更容易看出熒光值的變化規(guī)律，豇豆粉末質(zhì)量為1.2 g時熒光強度最強，綜上正交試驗原料質(zhì)量選擇三因素分別為0.8 g、1.0 g和1.2 g。

2.1.2 溶劑體積對熒光碳量子點制備的影響

在原料質(zhì)量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間不變的情況下，分別研究溶劑體積10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL對碳量子點熒光強度的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著高壓值的增加，峰型變化的越陡峭，更容易看出熒光值的變化規(guī)律，去離子水體積為20 mL時熒光強度最強。綜上正交試驗反應(yīng)溫度選擇三因素分別為15 mL、20 mL、25 mL。

圖2 溶劑體積對熒光碳量子點制備的影響Fig.2 Effect of solvent volume on the preparation of fluorescent carbon quantum dots

2.1.3 反應(yīng)溫度對熒光碳量子點制備的影響

在原料質(zhì)量、溶劑體積和反應(yīng)時間不變的情況下，分別研究反應(yīng)溫度160 ℃、170 ℃、180 ℃、190 ℃、200 ℃對碳量子點熒光強度的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著高壓值的增加，峰型變化的越陡峭，更容易看出熒光值的變化規(guī)律，反應(yīng)溫度為180 ℃時熒光強度最強。綜上正交試驗反應(yīng)溫度選擇三因素分別為170 ℃、180 ℃、190 ℃。

圖3 反應(yīng)溫度對熒光碳量子點制備的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on the preparation of fluorescent carbon quantum dots

2.1.4 反應(yīng)時間對熒光碳量子點制備的影響

圖4 反應(yīng)時間對碳量子點制備的影響Fig.4 Effect of reaction time on the preparation of carbon quantum dots

在原料質(zhì)量、溶劑體積和反應(yīng)溫度不變的情況下，分別研究反應(yīng)時間2 h、3 h、4 h、5 h、6 h對碳量子點熒光強度的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著高壓值的增加，峰型變化的越陡峭，更容易看出熒光值的變化規(guī)律，反應(yīng)時間為3 h時熒光強度最強。綜上正交試驗反應(yīng)時間選擇三因素分別為2 h、3 h、4 h。

2.2 正交試驗結(jié)果

根據(jù)單因素試驗設(shè)計四因素三水平表如表1所示。根據(jù)表1設(shè)計L9(34)正交試驗表，進行9組試驗，結(jié)果和分析如表2所示。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results

如表2可知最佳的方案為A3B2C1D2，即原料質(zhì)量為1.2 g、溶劑體積20 mL、反應(yīng)溫度170 ℃、反應(yīng)時間3 h。根據(jù)極差分析，影響豇豆碳量子點熒光強度的4種因素，影響力大小順序為溶質(zhì)體積>反應(yīng)時間>原料質(zhì)量>反應(yīng)溫度。

在最佳反應(yīng)條件下制備所得碳量子點溶液平均分成3份，進行驗證性試驗，平均熒光強度分別為203，相對平均偏差RSD為2.1%，結(jié)果與正交試驗相符。

2.3 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制與蘆丁的含量測定

以熒光強度(F/F0)為縱坐標(biāo)，蘆丁濃度為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖5所示，回歸方程為y=-2.85+72.79x，相關(guān)系數(shù)為0.995 0，在為3～40 μmol/L線性范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系。

圖5 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制Fig.5 The rutin standard curve

最佳條件所得碳量子點溶液于波長445 nm處，測得的曲克蘆丁片的熒光強度為62.3，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出相應(yīng)濃度，計算得曲克蘆丁片中蘆丁的標(biāo)示量為93.23%，符合藥典規(guī)定。

3 結(jié) 論

以豇豆粉末為原料利用水熱法合成熒光碳量子點，利用單因素和正交試驗所得制備出最佳條件為1.2 g豇豆粉末，20 mL水，170 ℃，3 h。在此條件制備的熒光碳量子點，通過熒光猝滅法檢測曲克蘆丁片中蘆丁的含量，繪制蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線，在3～40 μmol/L范圍內(nèi)，線性方程為y=-2.85x+72.79，相關(guān)系數(shù)為0.995 0，測得曲克蘆丁片中蘆丁的標(biāo)示量為93.23%，符合藥典規(guī)定。一步水熱法合成碳量子點，該方法簡單，易于工業(yè)化，可用于測定蘆丁的含量。