李嘉欣，馮向欣，蔣鴻俊，滕明剛，王建科，陳亮

水熱法制備姜黃碳點及性質(zhì)研究

李嘉欣，馮向欣，蔣鴻俊，滕明剛，王建科，陳亮

（貴州中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

以姜黃和氨水為前驅(qū)物，采用水熱法制備姜黃碳量子點（CL-CDs），通過單因素實驗優(yōu)化制備條件．利用紅外光譜研究CL-CDs的結(jié)構(gòu)，采用紫外-可見光、熒光光譜研究光學(xué)性質(zhì)，利用近紅外熱成像儀表征其光熱效果．結(jié)果表明，CL-CDs的制備條件為姜黃0.8 g，氮源為氨水，反應(yīng)溫度180℃，反應(yīng)時間5 h，該條件下制備的CL-CDs光熱效應(yīng)最佳．CL-CDs的粒徑為（8.50±0.50）nm，電位為（-11.60±0.68）mV．CL-CDs的激發(fā)波長為329 nm，發(fā)射波長為431 nm，紅外光譜表明CL-CDs含有豐富的親水基團；該碳點具有良好的熒光穩(wěn)定性、光熱效應(yīng)和光熱穩(wěn)定性，為其作為熱敏劑奠定基礎(chǔ)．

碳點；姜黃；水熱法；光熱作用

碳點（carbon dots，CDs）是一種尺寸比較小的新型碳納米材料，自2004年首次被發(fā)現(xiàn)以來，便被廣泛關(guān)注．碳點因具有良好的光致發(fā)光性、生物相容性、水溶性和較低的毒性等特性[1]而被廣泛應(yīng)用于生物傳感、細胞成像、藥物輸送[2]及催化[3]等領(lǐng)域．以中藥材為原材料制備而成的碳點不僅保留了部分中藥的原有功效，還兼具止血[4]、抗菌[5]、抗腫瘤[6]等新的功效，并改善其溶解性[7]．以中藥為原料開發(fā)制備功能碳點在疾病治療、熒光傳感和細胞成像等方面具有應(yīng)用潛力．

碳點合成的方法總體分為兩大類，自上而下法（up-to-down）和自下而上法（down-to-up）[8]．自上而下法是通過合適的化學(xué)或物理手段將大塊的分子材料分解得到更小的納米級顆粒，包括電弧放電法、電化學(xué)法和激光燒蝕法等．自下而上法是通過不同的途徑將較小分子的物質(zhì)合成較大的單元而得到新型碳納米材料，包括模板法、溶劑熱法、強酸氧化法、微波消解法、水熱法等．碳點形成的主要原因是原料分子發(fā)生了脫水、降解、重排、縮合等一系列的化學(xué)反應(yīng)．以中藥材為原料合成碳點時應(yīng)選擇自下而上法[9]．

中藥姜黃是指姜科植物姜黃（L.）的干燥根莖，具有破血行氣，通經(jīng)止痛的功效．姜黃為藥食同源的中藥材，不僅可以入藥，還可用于食物防腐、調(diào)味和染色[10]．現(xiàn)代研究表明，姜黃的活性成分主要是姜黃素和揮發(fā)油[11]，其為建立具有良好生物相容性的碳點提供活性基團．將姜黃制成碳點，既能部分保留原有的活性，又能增強其溶解性，還具有止血、抗菌、光熱效應(yīng)、熒光成像等功能，可用于離子檢測、熒光傳感、生物醫(yī)藥、生物成像等領(lǐng)域．本文以姜黃為原料，采用簡單的水熱法合成姜黃碳點（CL-CDs），以高光熱轉(zhuǎn)換效率為目標對制備條件進行優(yōu)化，研究CL-CDs的光學(xué)性質(zhì)、表面官能團分布、穩(wěn)定性等特征，為制備具有功能特性的姜黃碳點奠定基礎(chǔ)．

1　實驗方法

1.1　儀器與試劑

光纖激光器（LDP，西安赫胥爾鐳得激光科技有限公司）；手持測溫?zé)岢上駜x（HM-TPH21Pro-3AQF，杭州微影軟件有限公司）；紫外分光光度計（TU-1810，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；熒光分光光度計（F98，上海棱光技術(shù)有限公司）；傅里葉紅外光譜儀（IRTracer-100，日本島津公司）；貝克曼粒度儀（Delsa Maxpro，美國貝克曼庫爾特公司）．

姜黃（泰州市美食佳食品有限公司）；聚乙烯亞胺（PEI），分支聚乙烯亞胺（bPEI，上海麥克林生化科技有限公司）；尿素，二乙烯三胺（DETA），氨水（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）．

1.2　CL-CDs的制備

稱取一定量的姜黃和氮源溶于40 mL水中，置于超聲下提取30 min后，密封反應(yīng)釜，于電熱鼓風(fēng)干燥箱反應(yīng)5 h，結(jié)束后冷卻至室溫，以8 000 r/min離心15 min，取上清液經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾，用透析袋（MW1000 Da）透析，烘干得到CL-CDs固體粉末，4℃保存?zhèn)溆茫疾觳煌S用量（0.2～1.0 g）、氮源種類（聚乙烯亞胺（PEI）、分支聚乙烯亞胺（bPEI）、尿素、二乙烯三胺（DETA）、氨水）、反應(yīng)溫度（120～200℃）、反應(yīng)時間（2～6 h）對碳量子點光熱效應(yīng)溫度的影響，確定最優(yōu)的制備條件．

1.3　CL-CDs的表征

利用貝克曼粒徑儀測量碳點的粒徑及電位；通過紫外-可見光譜（UV-Vis）和熒光光譜（FL）探究CL-CDs的光學(xué)性質(zhì)；采用傅里葉紅外（FT-IR）光譜探究CL-CDs的組成．

1.4　CL-CDs的熒光穩(wěn)定性研究

將CL-CDs稀釋為0.1～1.0 g·L-1，考察不同質(zhì)量濃度的CL-CDs的熒光變化情況，獲得檢測熒光的最適質(zhì)量濃度；在CL-CDs溶液中加入濃度為0.1 mol·L-1的金屬離子Fe3+，Cu2+，K+，Na+，Ca2+，研究金屬離子對CL-CDs的熒光性質(zhì)的影響；將CL-CDs溶于不同濃度（0.00～1.00 mol·L-1）的NaCl溶液中，考察鹽濃度對CL-CDs的熒光性質(zhì)的影響；將CL-CDs溶液在紫外燈365 nm下照射0～30 min，研究紫外線對CL-CDs的性能的影響；探究CL-CDs溶液儲存0，1，3，5，7，9 d的熒光光譜變化．

1.5　CL-CDs的體外光熱作用及穩(wěn)定性研究

配制不同質(zhì)量濃度（0.5～10 g·L-1）的CL-CDs溶液，并用808 nm激光以1.8 W·cm-2的功率密度照射持續(xù)5 min，以研究CL-CDs的光熱性能；將樣品經(jīng)過三次激光“開-關(guān)”的循環(huán)照射，以評價CL-CDs納米粒的光熱穩(wěn)定性；研究不同儲存時間（0～9 d）、0.1 mol·L-1的常見金屬離子（Fe3+，Cu2+，K+，Na+，Ca2+）、不同pH（3～11）、不同濃度的NaCl溶液（0.00～1.00 mol·L-1）、紫外照射時間（0～30 min）對CL-CDs的光熱強度的影響．

2　結(jié)果與分析

2.1　水熱法制備碳點的條件優(yōu)化

單因素對水熱法制備CL-CDs光熱溫度的影響見圖1．由圖1a可見，隨著姜黃用量的增加，CL-CDs的光熱效應(yīng)溫度呈增大的變化趨勢，用量為0.8 g時，光熱溫度達到最大值，繼續(xù)增加姜黃用量，CL-CDs的光熱溫度增加不明顯．氮源的加入可改善碳點的熒光性能[12]，由圖1b可見，氮源類型不同，光熱強度也不同．當所用氮源為尿素時，光熱溫度最高，氨水次之．由圖1c可見，隨著反應(yīng)溫度增加，近紅外激光照射時，CL-CDs的光熱溫度呈先增大后降低的趨勢．當反應(yīng)溫度為180℃時，CL-CDs的光熱溫度最高，繼續(xù)增加反應(yīng)溫度，CL-CDs的光熱溫度反而下降．由圖1d可見，隨著反應(yīng)時間的增加，所制備的CL-CDs的光熱溫度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當反應(yīng)時間為5 h時，CL-CDs的光熱溫度最高，6 h時，光熱溫度顯著下降，這種變化趨勢可能是由于反應(yīng)時間過短碳化不完全，反應(yīng)時間過長碳點結(jié)構(gòu)發(fā)生改變產(chǎn)生的[13]．

圖1　單因素對水熱法制備CL-CDs光熱溫度的影響

2.2　CL-CDs的性質(zhì)

制備CL-CDs的水溶液，經(jīng)粒度儀測定CL-CDs的粒徑為（8.50±0.50）nm，電位為（-11.60±0.68）mV，粒徑符合典型的碳點特征，也較為穩(wěn)定．由CL-CDs水溶液的紫外-可見吸收光譜（見圖2a）可見，CL-CDs在329 nm處有最大吸收值，推測與CL-CDs中存在的碳基或氨基中的雜原子-π*躍遷相關(guān)，與文獻[14]記載的碳點的紫外光譜性質(zhì)較為一致．由CL-CDs激發(fā)和發(fā)射光譜（見圖2b）可見，最佳激發(fā)波長為329 nm，對應(yīng)的最大發(fā)射波長為431 nm．由CL-CDs的凍干粉的紅外光譜（見圖2c）可見，CL-CDs在3 495，3 304，2 931，1 656，1 557，1 398，1 022 cm-1處的吸收峰分別為O-H、N-H、飽和C-H、C=N、C=O、C-N、C-O-C的伸縮振動[15]．由此表明，CL-CDs表面存在大量的-OH、-NH等親水性基團，有利于改善姜黃藥材本身的疏水性，提高其水溶性．由不同質(zhì)量濃度的CL-CDs的熒光性質(zhì)（見圖2d）可見，隨著CL-CDs水溶液質(zhì)量濃度的增加，其熒光強度逐漸下降；低質(zhì)量濃度的CL-CDs的熒光效果更加，這可能是因為高質(zhì)量濃度的CL-CDs出現(xiàn)碳點疊加，影響熒光強度．

圖2　CL-CDs的性質(zhì)

2.3　CL-CDs的熒光穩(wěn)定性

不同因素對CL-CDs熒光穩(wěn)定性的影響見圖3．由NaCl濃度對CL-CDs熒光穩(wěn)定性的影響（見圖3a）可見，隨著NaCl濃度的增加，CL-CDs的熒光強度先增加后降低．即低濃度NaCl有增強熒光的作用，而高濃度NaCl有猝滅熒光的作用，CL-CDs具有NaCl濃度響應(yīng)性．由金屬離子對CL-CDs熒光穩(wěn)定性的影響（見圖3b）可見，當加入Ca2+時，CL-CDs的熒光強度顯著提高，而加入其他金屬離子后，其熒光強度均降低，發(fā)生熒光猝滅．因此，CL-CDs有望成為檢測Ca2+的熒光探針．由紫外光照時間對CL-CDs熒光穩(wěn)定性的影響（見圖3c）可見，隨著紫外燈照射時間的增長，CL-CDs的熒光強度逐漸下降，表明其抗漂白性較差．由儲存時間對CL-CDs熒光穩(wěn)定性的影響（見圖3d）可見，隨著CL-CDs儲存時間的增加，其熒光強度逐漸遞增，表明CL-CDs儲存時間越長，越有利于其熒光穩(wěn)定性．

2.4　CL-CDs體外光熱效應(yīng)

CL-CDs體外光熱效應(yīng)見圖4．由CL-CDs在808 nm激光照射下的熱成像圖（見圖4a）可見，CL-CDs的溫度隨質(zhì)量濃度和照射時間的增加而增加，表明CL-CDs的光熱效果好．由不同質(zhì)量濃度（0，0.5，1.0，2.5，5.0，10.0 g·L-1）的CL-CDs溶液在激光照射下的溫度曲線（見圖4b）可見，隨著CL-CDs的質(zhì)量濃度增加，其溫度逐漸增加，增量分別為3.6，13，25.1，32.3，38.9，42℃；質(zhì)量濃度越高，輻照時間越長，光照溫度越高，與熱成像圖結(jié)果一致．由CL-CDs的光熱穩(wěn)定性（見圖4c）可見，用808 nm近紅外激光照射升溫5 min后，自然冷卻至室溫，循環(huán)重復(fù)三次照射，CL-CDs的最高溫度保持不變，說明CL-CDs的光熱穩(wěn)定性良好，有利于進行重復(fù)光熱治療腫瘤．

圖4　CL-CDs體外光熱效應(yīng)

不同因素對CL-CDs光熱性質(zhì)的影響見圖5．由儲存時間對CL-CDs光熱性質(zhì)的影響（見圖5a）可見，隨著儲存時間的增加，CL-CDs的光熱溫度呈先增加后降低的趨勢，說明CL-CDs的光熱強度不受儲存時間影響．由共存離子對CL-CDs光熱性質(zhì)的影響（見圖5b）可見， Cu2+，Na+，K+的加入導(dǎo)致CL-CDs溶液的光熱溫度明顯增加，其中Cu2+的加入對CL-CDs的光熱促進作用最強，加入Fe3+，Ca2+后，CL-CDs的光熱溫度略有增加，表明加入金屬離子會影響CL-CDs的光熱效應(yīng)．調(diào)節(jié)CL-CDs溶液至不同pH（見圖5c），CL-CDs的光熱溫度幾乎不受影響，說明其光熱效果具有良好的pH穩(wěn)定性．在CL-CDs中加入NaCl溶液，隨著NaCl濃度的增加，CL-CDs的光熱溫度沒有明顯變化，基本不受影響（見圖5d）．用365 nm紫外燈照射CL-CDs不同時間（見圖5e），CL-CDs的光熱溫度沒有明顯變化，說明CL-CDs的光熱性能幾乎不受光的影響．

圖5　不同因素對CL-CDs光熱性質(zhì)的影響

3　結(jié)論

本文用姜黃作為前體，通過一步水熱法成功制備出CL-CDs．CL-CDs的制備條件為姜黃0.8 g，氮源為氨水，反應(yīng)溫度180℃，反應(yīng)時間5 h，該條件下制備的CL-CDs光熱效應(yīng)最佳．通過粒度儀測定CL-CDs的粒徑為（8.50±0.50）nm，電位為（-11.60±0.68）mV．紫外光譜和熒光光譜結(jié)果顯示，CL-CDs有熒光現(xiàn)象，這也是碳點的材料學(xué)特性之一．FT-IR顯示，CL-CDs表面具有豐富的官能團，如羥基、羧基、氨基等，這些活性基團可能是影響其化學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵所在，從而使其具有良好的溶解性和生物活性．該碳點的熒光性質(zhì)穩(wěn)定，具有較好的光熱性能，光熱穩(wěn)定性較好，其小粒徑、分散性、pH穩(wěn)定性、離子穩(wěn)定性良好等特點不僅擴大了中藥材的應(yīng)用范圍，還為以中藥材為原料制備光熱劑的研究提供了新思路．

[1] LIU J，LI D，HE J，et al．Polarity-sensitive polymer carbon dots prepared at room-temperature for monitoring the cell polarity dynamics during autophagy[J]．ACS Applied Materials &Interfaces，2020，12（4）：4815-4820．

[2] SHAO Y，ZHU C，F(xiàn)U Z，et al．Green synthesis of multifunctional fluorescent carbon dots from mulberry leaves（L.）residues for simultaneous intracellular imaging and drug delivery[J]．Journal of Nanoparticle Research：An Interdisciplinary Forumfor Nanoscale Science and Technology，2020，22（8）：1-11．

[3] Genc M，Yanalak G，Arslan G，et al．Green preparation of carbon quantumdots usingto sensitize TiO2for the photohydrogen production[J]．Materials Science in Semiconductor Processing，2020，109：104945．

[4] TIAN R，GUO Y，LUO F，et al．Green synthesis of multifunctional carbon dots fromfor pH sensing，cell imaging and hemostatic effects[J]．Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2023，438：114531．

[5] WANG H，ZHANG M，MA Y，et al．Selective inactivation of Gram-negative bacteria by carbon dots derived from natural biomass：leaves[J]．Journal of Materials Chemistry B，2020，8（13）：2666-2672．

[6] CHU X，DUAN M，HOU H，et al．Recent strategies of carbon dots based nanodrugs for enhanced emerging antitumor modalities[J]．Journal of Materials Chemistry B，2023，11：9128-9154．

[7] LUO J，KONG H，ZHANG M，et al．Novel carbon dots-derived fromcarbonisata significantly improve the solubility and bioavailability of baicalin[J]．Journal of Biomedical Nanotechnology，2019，15（1）：151-161．

[8] Bruno F，Sciortino A，Buscarino G，et al．A comparative study of top-down and bottom-up carbon nanodots and their interaction with mercury ions[J]．Nanomaterials，2021，11（5）：1265．

[9] HAN B，SHEN L，XIE H．Synthesis of carbon dots with hemostatic effects using traditional Chinese Medicine as a biomass carbon source[J]．ACS Omega，2023，8，3176-3183．

[10] AO M，LI X，LIAO Y，et al．：A review of its botany，traditional uses，phytochemistry，pharmacology and toxicology[J]．Journal of Pharmacy and Pharmacology，2022，74（6）：779-792．

[11] Shahrajabian M，SUN W．The golden spice for life：Turmeric with the pharmacological benefits of curcuminoids components，including curcumin，bisdemethoxycurcumin，and demethoxycurcumin[J/OL]．Current Organic Synthesis，2023：1-19．https://www.eurekaselect.com/article/132370?utm_source=TrendMD&utm_medium=cpc&utm_campaign=Current_Organic_Synthesis_TrendMD_0．

[12] BAI Y，ZHANG B，CHEN L，et al．Facile one-pot synthesis of polydopamine carbon dots for photothermal therapy[J]．Nanoscale Research Letters，2018，13：1-9．

[13] 王蕓，李春興，胡曉熙．高熒光性能碳量子點的綠色合成及其條件優(yōu)化[J]．河南化工，2023，40（4）：28-31．

[14] 胡婭琪，張博，秦蓓．具有pH響應(yīng)碳點的制備及其熒光分析[J]．分析試驗室，2022（7）：41．

[15] QI H，TENG M，LIU M，et al．Biomass-derived nitrogen-doped carbon quantum dots：highly selective fluorescent probe for detecting Fe3+ions and tetracyclines[J]．Journal of Colloid and Interface Science，2019，539：332-341．

Preparation and properties of carbon dots fromL. by hydrothermal method

LI Jiaxin，F(xiàn)ENG Xiangxin，JIANG Hongjun，TENG Minggang，WANG Jianke，CHEN Liang

（School of Pharmacy，Guizhou University of Traditional Chinese Medicine，Guiyang 550025，China）

Carbon dots（CL-CDs）were prepared by hydrothermal method usingL. and ammonia as precursors，and the preparation conditions were optimized through single factor experiments．The structure of CL-CDs was studied by FT-IR spectroscopy，the optical properties were studied by UV-Vis and FL spectroscopy，and the photothermal effect was characterized by near-infrared thermal imaging instrument．The results showed that the preparation conditions for CL-CDs were 0.8 g ofL.，ammonia as the nitrogen source，reaction temperature 180℃，and reaction time 5 hours．The CL-CDs prepared under these conditions had the best photothermal effect．The particle size of CL-CDs was（8.50±0.50）nm，and thepotential was（-11.60±0.68） mV．The excitation wavelength of CL-CDs was 329 nm，and the emission wavelength was 431 nm．FT-IR spectroscopy showed that CL-CDs contained abundant hydrophilic groups．CL-CDs had good fluorescence stability，photothermal effect and photothermal stability，which laid the foundation for their use as thermo-sensitive agents．

carbon dots；L；hydrothermal method；photothermal effect

1007-9831（2023）12-0067-07

O64

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.12.012

2023-07-11

貴州省科技計劃項目（黔科合基礎(chǔ)-ZK[2022]一般項目468）；貴州省衛(wèi)生健康委科學(xué)技術(shù)基金項目（gzwkj2023-522）；貴州中醫(yī)藥大學(xué)2019年博士啟動基金項目（[2019]08號）；貴州中醫(yī)藥大學(xué)科研創(chuàng)新和探索專項（2018YFC170810209）

李嘉欣（1989-），女，貴州銅仁人，講師，博士，從事納米材料研究．E-mail：carry556@126.com