蒲公英茶绿色合成氧化锌及其抗氧化活性

王晓云，朱诗慧，许 君，蔡晓凤，周 赟

（1.天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387；2.华中科技大学药学院，武汉 430300）

近年来，无机材料由于其良好的安全性和耐久性受到人们的广泛关注。氧化锌（ZnO）是一种稳定性极好、抗菌性良好且资源丰富的半导体材料[1]。由于其较大的表面积，以及被吸收的分子通过反应所形成的羟基和氧化物自由基[2-3]，使氧化锌具有宽带隙（3.37 eV）和在室温下的激发结合能较大（60 mV）[4-6]等特点。合成氧化锌的方法有很多种：溶胶-凝胶法[7]、燃烧法[8]、水热合成法[9]以及绿色合成法[10]等。绿色合成法是指操作简单、较为安全、减少环境污染、高效率的方法[11]，可以快速、定量地把原料转化为目标分子。绿色合成氧化锌的机理是具有还原性的生物活性剂与具有氧化性的锌盐溶液发生的氧化还原反应。其中，生物活性剂来源广泛，例如：花、叶子、果实、种子以及根等。许多学者对绿色合成氧化锌进行了研究：Chakraborty等[12]通过杨桃提取物和硝酸锌溶液合成了纳米氧化锌粒子；Suresh等[13]利用决明子瘘植物的提取物和硝酸锌溶液制备了纳米氧化锌粒子；Liu等[14]以萝卜根提取物和二水合乙酸锌溶液为反应物合成了纳米氧化锌粒子。相比于其他合成氧化锌方法，绿色合成法中的生物活性剂可以取代具有还原性的化学试剂，减少有毒有害化学试剂的使用。因此，通过绿色合成法制备氧化锌对环境更为友好，具有光明的发展前景。

蒲公英（拉丁语为TaraxacummongolicumHand-Mazz），菊科，全世界约有2 000种，我国有70种[15]。蒲公英茶取自切碎和干燥的蒲公英根或叶，蒲公英茶中含有丰富的维生素和矿物质，这些成分可以起到增强肝脏、降低胆固醇、排毒降火以及抗恶性肿瘤等[16]作用。因此，本文选用蒲公英茶作为生物活性剂的原材料。以蒲公英茶提取物作为还原剂，二水合乙酸锌溶液为氧化剂，通过绿色合成法制备氧化锌，分别在400、600和800℃下进行煅烧，对合成的氧化锌进行表面形貌、紫外吸收光谱、X射线光电子能谱分析及抗氧化活性测试，确定绿色合成氧化锌的最佳煅烧温度，并验证了该温度下所合成氧化锌的抗氧化活性。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

原料：蒲公英茶，丰凯园实业有限公司产品；二水合乙酸锌，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司产品；甲醇，天津风船化学试剂科技有限公司产品；2，2-二苯基-1-三硝基苯肼（DPPH），山东省德州润昕实验仪器有限公司产品；去离子水，自制。

仪器：DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司产品；SHB-III型循环水式多用真空泵，天津科诺仪器设备有限公司产品；DZF-6020型真空干燥箱，上海博迅实业有限公司产品；KSL-1100X型马弗炉，合肥科晶材料技术有限公司产品；KQ2200DB型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品；Hitachi S4800型冷场发射扫描电子显微镜，日本Hitachi公司产品；Evolution201型紫外可见分光光度仪、K-alpha型X射线光电子能谱仪，均为美国Thermofisher科技有限公司产品。

1.2 绿色合成氧化锌的制备

称取一定量的蒲公英茶倒入烧杯中，加入去离子水，将杯口覆盖保鲜膜并扎紧，在保鲜膜上戳几个小孔并静置。24 h后，将溶液通过带有滤纸的漏斗进行过滤，获得无杂质的蒲公英茶提取物。

称取一定量的二水合乙酸锌加入到锥形瓶中，再加入去离子水和磁力转子，用保鲜膜封住瓶口。再将锥形瓶放入位于通风橱的水浴锅中，在70℃、650 r/min的条件下，加热至瓶底无二水合乙酸锌颗粒，获得无色透明均匀溶液。

按照二水合乙酸锌溶液和蒲公英茶提取物的质量比为5∶3的比例，将蒲公英茶提取物加入到二水合乙酸锌溶液中，用保鲜膜封住杯口，放入70℃、650 r/min的水浴锅中，加热直至出现分层。混合物通过抽滤处理，获得糊状物。随后，将得到的糊状物转移到洁净的培养皿中，放入120℃的烘箱中干燥12 h，获得具有金属光泽的黑色固体。最后，将黑色固体装入陶瓷坩埚中，分别放入400、600和800℃的马弗炉煅烧2 h，得到最终产物。本实验为氧化还原反应，蒲公英茶提取物作为还原剂，乙酸锌溶液作为氧化剂，化学反应式如式（1）所示：

1.3 性能测试

（1）表面形貌测试（SEM）：采用Hitachi S4800型冷场发射扫描电子显微镜观察氧化锌的表面形貌。氧化锌通过导电胶粘附在样品台上，用洗耳球将多余的粉末吹掉后进行喷金，加速电压为15 kV。

（2）紫外吸收光谱测试（UV）：采用Evolution201型紫外可见分光光度仪，以石英比色皿为容器，将氧化锌用去离子水分散在容器中，并在190～750 nm的区间内进行扫描测试。

（3）X射线光电子能谱测试（XPS）：采用K-alpha型X射线光电子能谱仪对氧化锌进行元素分析。通过导电胶将氧化锌附着在样品台上，利用洗耳球吹掉多余的粉末后，方可进行扫描测试。

（4）抗氧化活性测试：DPPH是一个稳定的自由基，可以接受电子或氢自由基成为稳定的抗磁性分子。由于奇数电子，DPPH的甲醇溶液在517 nm处显示很强的吸收带。DPPH自由基可与各种供电分子（还原剂或抗氧化剂）发生电子配对，因此，它的还原可以通过测量517 nm处吸光度的降低来进行估算[17]。在装有甲醇溶液的烧杯中加入一定量的2，2-二苯基-1-三硝基苯肼（DPPH），待其充分混合后，获得紫色的DPPH溶液并作为空白对照组，将该溶液在黑暗处静置20 min，通过紫外可见分光光度仪测量其在517 nm处的吸光度。实验过程中DPPH溶液保持2 h内颜色不变以及在517 nm处的吸收强度不变，表明实验过程中DPPH溶液是稳定的。准备一个小玻璃瓶加入DPPH溶液以及氧化锌粉末，进行超声处理，并在黑暗处放置30 min后，获取上清液并测试其在517 nm处的吸光度，计算氧化锌对DPPH的清除活性：

式中：As为含有DPPH的上清液在517 nm处的吸光度；Ac为空白对照组（DPPH溶液）在517 nm处的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌分析

图1为不同煅烧温度下所得氧化锌的SEM图。

由图1可以看出，煅烧温度为400℃时制备得到的氧化锌为球形；煅烧温度为600℃时制备得到的氧化锌为棒形；800℃时氧化锌呈六边形。随着煅烧温度的升高，由于氧化锌的晶体生长以及生物活性剂的缺失，其形状从原来的单一球形向多边形转化[18]。

图1 氧化锌的电镜图Fig.1 SEMimages of ZnO

2.2 紫外吸收光谱分析

图2为氧化锌在190～750 nm区间内的紫外吸收光谱图。

图2 氧化锌的紫外吸收光谱图Fig.2 UV absorption spectrum of ZnO

由图2可以看出，400℃时氧化锌的特征峰位于371.32 nm处；600℃时氧化锌的特征峰位于375.79 nm处；800℃时氧化锌的特征峰位于381.05 nm处。标准氧化锌的特征峰在370 nm左右[19]。由此可知，400℃条件下制备得到的氧化锌更接近标准氧化锌。

2.3 X射线光电子能谱分析

氧化锌中，锌元素的XPS谱图如图3所示，氧元素的XPS谱图如图4所示。

由图3可以看出，400℃条件下氧化锌中锌元素的特征峰为Zn2p1/2（1 021.28 eV）和Zn2p3/2（1 045.11 eV）；600℃条件下氧化锌中锌元素的特征峰为Zn2p1/2（1 021.68 eV）和Zn2p3/2（1 044.93 eV）；800℃条件下氧化锌中锌元素的特征峰为Zn2p1/2（1 021.77 eV）和Zn2p3/2（1 044.72 eV）。标准氧化锌中锌元素的特征峰为Zn2p1/2（1 021 V）和Zn2p3/2（1 046 eV）[20]。由图4可知，400℃条件下氧化锌中氧元素的特征峰为O1s（531.49 eV）；600℃条件下氧化锌中氧元素的特征峰为O1s（530.60 eV）；800℃条件下氧化锌中氧元素的特征峰为O1s（531.46 eV）。标准氧化锌中氧元素的特征峰为O1s（532 eV）[20]。由此可知，400℃条件下氧化锌中的锌、氧元素特征峰最接近标准氧化锌中锌、氧元素的特征峰。

图3 氧化锌中锌元素的XPS谱图Fig.3 XPS spectrum of zinc element in ZnO

图4 氧化锌中氧元素的XPS谱图Fig.4 XPS spectrum of oxygen element in ZnO

综上所述，选择400℃为氧化锌的最佳煅烧温度。

2.4 抗氧化活性分析

对DPPH的清除活性越高，其在517 nm处的吸光度值越低，说明氧化锌的抗氧化活性越强。经不同制备条件所得氧化锌处理后含有DPPH的上清液在517 nm处的吸光度如图5所示。

图5 加入不同氧化锌的DPPH上清液在517 nm处的吸光强度Fig.5 Absorbance intensity of DPPH supernatant with different ZnO at 517 nm

由图5可以看出，作为空白对照组的溶有DPPH的甲醇溶液在517 nm处的峰强度为1.722 93。随着氧化锌煅烧温度的升高，所制备的氧化锌形状由球形向多边形转化，与DPPH自由基结合的能力下降[18]，上清液于517 nm处的峰强度不断增加，说明氧化锌对对DPPH的清除活性逐渐降低，即氧化锌的抗氧化活性下降。计算可得，煅烧温度为400℃时，氧化锌对DPPH的清除活性最高，为97.11%，说明该氧化锌的抗氧化活性最强；600℃时氧化锌对DPPH的清除活性为96.88%；800℃时氧化锌对DPPH的清除活性为71.42%，抗氧化活性最低。

3 结论

通过绿色合成法，以蒲公英茶和二水合乙酸锌为原料，制备出氧化锌，探索其最佳煅烧温度，并分析其抗氧化活性。结果表明：

（1）绿色合成氧化锌的最佳煅烧温度为400℃，在此条件下制备得到的氧化锌呈球形，紫外吸收特征峰为371.32 nm，XPS谱图特征峰Zn2p1/2（1 021.28 eV）、Zn2p3/2（1 045.11 eV）和O1s（531.49 eV），对DPPH的清除活性可达97.11%。

（2）采用该方法合成氧化锌，对环境较为友好、操作简便且成本低廉。未来将进一步研究蒲公英茶提取物的成分组成，并对该方法的工业化大规模生产路线进行探索研究。