以南果梨为原料合成荧光碳量子点及其相关应用研究*

杨美钰，郝晓亮，方志刚

(辽宁科技大学化学工程学院，辽宁 鞍山 114051)

南果梨属秋子梨，故其采摘期在每年的九月初，此时果实一般纵径为4.7～5.2厘米，横径为5.5～5.8厘米。平均单果重50～75克左右，最大单果重可达170克。刚采摘下的果实需经一至两周时间的后贮，方能把果实的色泽、口感、气味充分显露出来。

南果梨是世界梨果中的珍稀品种，在《中国果树志第三卷》介绍的梨果中，南果梨名列首位。它以其独特的香气被中国农科院果树研究所对全国517个梨种评定品质极上的四个梨种之一[1]。

南果梨含有丰富的营养物质，如维生素、氨基酸等，此外还含有很多功能型化合物如黄酮类等。一般来说只要含有碳元素的材料都可能被加工制成荧光纳米碳材料，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，其他应用少有报道。目前南果梨在辽宁地区大规模种植，部分地区存在一定资源过剩的现象。以南果梨为碳源制备荧光纳米碳材料可以极大程度拓展南果梨的潜在应用，增加产品的附加值，并且为荧光纳米碳材料制备提供了一条新的思路。

碳量子点(Carbon quantum dots)，又被称为碳点，碳量子点与各种金属量子点类似，碳量子点在光照的情况下可以发出明亮的光。它在包括改进生物传感器、医学成像设备和微小的发光二极管的很广的领域中都有应用前景[2-5]。

南果梨来源广泛，本研究使用简便的合成方法，合成南果梨荧光碳量子点，并对其性质和应用进行分析，希望通过我们的研究，为荧光纳米材料的合成和应用提供更多的借鉴。

1 实 验

1.1 材 料

南果梨来自于辽宁科技大学生物实验室。

1.2 仪器与设备

KH-50ML-D12型水热合成反应釜，苏净集团苏州安泰空气技术有限公司；PHS-3DW型微机型酸度计，杭州齐威仪器有限公司；AXS-D8型X射线衍射仪，Bruker公司；WQF-200型傅里叶变换红外光谱仪，Thermo Election公司；LS45/55型荧光分光光度计，美国PE公司。

1.3 荧光碳量子点的制备

从市场购买的南果梨果实中挑选完整无损伤的样品，将其削皮，只用果肉部分，将果肉磨成匀浆，称取匀浆0.4 g加入10 mL水，放入水热合成反应釜中，再把反应釜放入电热恒温干燥箱中，反应温度为180 ℃，加热2 h。对反应釜中的物质进行过滤得到的液体即为南果梨碳量子点溶液。

烽火台下，废校场上，四拨人马四向而立。为了体现公道，决斗双方皆避开阳光。风云八虎一方朝南，秦铁崖一方朝北，老太医、乔十二郎等观战之人朝西。乔十二郎出门，照例涂黑额头面颊，一来为掩盖真面目，二来为遮住额头伤疤。乔十二郎一方的队列后有座高高的土墩，那是旧时的检阅台，其上坐着一位重要人物，乃决战见证人，长城大侠魏长安。魏长安须发皆白，然雄风犹在，在北方乃至中原武林威望极高。以上三方都没什么异常，令人狐疑的是，背朝太阳的一方，居然是一队骑兵，乔十二郎数了数，有三十二骑。骑兵身后，停着一顶装饰华贵的马车。

1.4 单因素实验

1.4.1 不同原料添加量对荧光强度的影响

准备六个反应釜，均添加10 mL去离子水，依次加入0.2 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g、1.2 g南果梨浆，将反应釜放入恒温干燥箱于180 ℃加热2 h。

1.4.2 不同反应时间对荧光强度的影响

准备六个反应釜，均添加10 mL去离子水并加入0.4 g南果梨浆，将反应釜放入恒温干燥箱在200 ℃温度下依次加热30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min。

1.4.3 不同反应温度对荧光强度的影响

准备六个反应釜，均添加10 mL去离子水并加入0.4 g南果梨浆，将反应釜放入恒温干燥箱分别在120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃、220 ℃下加热90 min。

1.5 正交实验

利用上述单因素实验得到的最适条件进行正交实验。

表1 因素水平表

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 不同原料添加量对荧光强度的影响

如图1所示，在反应温度与反应时间相同的情况下，南果梨添加量为0.2 g时，反应原料过少致使碳化不足；原料添加量大于0.4 g时，由于原料过多导致原料之间堆积，碳化不完全。南果梨添加量为0.4 g制备出的南果梨荧光碳量子点荧光强度最强。

图1 南果梨的不同添加量下的荧光强度

2.1.2 不同时间对荧光强度的影响

如图2所示，在南果梨添加量及反应温度相同的情况下，反应釜的反应时间小于120 min时碳化不足；反应釜的反应时间大于120 min时碳化过度，荧光出现衰减。反应时间控制在120 min时制备出的南果梨荧光碳量子点荧光强度最强。

图2 不同反应时间下的荧光强度

2.1.3 不同温度对荧光强度的影响

如图3所示，在南果梨添加量及反应时间相同的情况下，反应釜反应温度低于180 ℃时碳化不足。反应釜反应温度高于180 ℃时碳化过度，荧光出现衰减。反应釜反应温度控制在180 ℃时，南果梨碳量子点的荧光强度最强。

图3 不同反应温度下的荧光强度

2.2 正交实验结果

如表2所示，通过对极差的分析可知：影响南果梨碳量子点荧光强度强弱的3种因素影响力大小顺序为：原料添加量>反应时间>反应温度。南果梨荧光碳量子点最佳方案为A2B1C2，即原料添加量为0.4 g、反应时间为120 min、反应温度为180 ℃。为了验证该方案是否最佳，验证试验方案如表3所示。

通过验证实验得出，以方案A2B1C2制备的南果梨碳量子点吸收波长为405.3 nm，与正交试验内最大吸收波长一致，为最适方案。

表2 正交设计结果

表3 最适方案的验证

如图4所示，通过对图像分析可知：当激发波长小于340 nm时，南果梨碳量子点溶液的荧光强度随波长增大而增强，当激发波长大于340 nm时，南果梨碳量子点溶液的荧光强度随波长增大而减弱，故南果梨碳量子点溶液在波长为340 nm时的荧光强度最强。

图4 不同波长下荧光强度

图5 南果梨碳量子点正常和紫外照射下对比图

如图5所示，南果梨碳量子点溶液在正常光线照射下为透明液体，在紫外照射下显现蓝绿色荧光，本实验所合成的南果梨碳量子点具有非常好的荧光发光性质。

3 结 论

本研究利用高温反应釜制备合成南果梨荧光碳量子点。经过单因素实验以及正交实验得出，反应釜中添加0.4 g南果梨匀浆与10 mL去离子水，于180 ℃反应120 min制备出的南果梨荧光碳量子点荧光强度最强，此时的碳量子点吸收波长为405.3 nm。希望通过本研究对荧光纳米材料的合成制作与应用方面的研究提供参考。