CN111892036A - 利用废绿茶残渣制备碳量子点的方法及其应用 - Google Patents

利用废绿茶残渣制备碳量子点的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用废绿茶残渣制备碳量子点的方法，并将其应用于DPPH自由基的清除，属于自由基清除技术领域。所述方法包括：将干的废绿茶残渣与纯水进行水热反应，所得产物溶液经透析处理后冷冻干燥，即得碳量子点。所得碳量子点粒径在3nm左右，透射电镜图表明其具有良好的分散性；红外光谱表明其表面有羟基、羰基等亲水基团，水溶性好。将废绿茶碳量子点用于清除自由基DPPH，优选废绿茶碳量子点溶液的浓度为5‑18.7μg/mL，清除率可高达94.2％，与抗坏血酸对于DPPH自由基的清除率相当，有望成为抗坏血酸的理想替代品。

Description

利用废绿茶残渣制备碳量子点的方法及其应用
技术领域
本发明涉及自由基清除技术领域，特别涉及一种利用废绿茶制备的碳量子点应用于DPPH自由基的清除。
背景技术
自由基，化学上也称为“游离基”，是指化合物的分子在光热等外界条件下，共价键发生均裂而形成的具有不成对电子的原子或基团。在人体中自由基原子或具有不成对电子的分子通常是通过人体的一系列酶促或非酶促氧化反应产生的。当人体处于正常生理条件下时，一定数量的自由基在维持正常生理功能中起着重要作用，例如信号转导，对微生物的外部入侵的抵抗力和基因表达。但是，在某些病理状况下，人体可能会产生大量自由基，并可能对人体的脂质，蛋白质甚至DNA造成不可逆转的损害，从而导致一系列疾病。
尽管人体本身可以自发地将部分自由基从体内清除，但是在日常生活中，人们还是喜欢吃一些抗氧化剂的蔬菜，水果和干果食品，来改善人体的自由基环境。《美国时报》杂志选择了十种抗氧化剂保健品食物，包括番茄，菠菜，坚果，西兰花，燕麦，鱿鱼，草莓，大蒜，绿茶和葡萄等。可能由于它们富含维生素或纤维，因此可以消除体内过多的自由基，防止某些疾病的发生或发展。
除了日常食物外，人们还在积极寻找具有安全性的新物质来减少自由基对人体的伤害。碳是自然界中最丰富的元素之一，已经广泛应用于各种生活领域。尤其是碳纳米材料的发现，例如富勒烯，碳纳米管和石墨烯，使得科学家越来越关注这种新型材料。随着碳纳米材料的不断探索，它们的应用逐渐扩展到各个领域，例如化学传感器和生物传感器，生物成像，药物输送等。在2005年，科学家第一次发现芬顿反应产生的羟基自由基和黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶系统产生的超氧化物自由基可以被一种碳纳米管清除，这一发现开启了纳米材料应用的新篇章。随着对自由基研究的逐步深入，科学家们越来越清楚地认识到，清除多余自由基的措施有益于某些疾病的预防和治疗，而自由基清除剂的研究对人体健康的意义便显得更为重大。因此，开发和利用高效无毒的天然抗氧化剂——自由基清除剂，已成为当今科学发展的趋势。
已有报道以蜂蜜糖浆为碳源通过微波处理合成的碳量子点可用于清除体内和体外模型中的自由基；以大蒜为碳源通过水热处理合成的蓝色荧光碳量子点可以清除1,1-二苯基-2-吡啶并肼基(DPPH)自由基；从黑大豆中制备的N掺杂碳点对DPPH和超氧阴离子自由基具有清除活性。
我国是茶叶生产大国，其中以绿茶生产为主，绿茶产量分别约占全国茶叶总产量的73％和世界绿茶总产量的70％，2019年绿茶产量达到177.28万吨。茶叶浸泡后产生大量的废茶叶残渣，带来一定环境问题。因此，开发和利用绿茶的废茶叶残渣作为碳源合成量子点成为本领域的一个重要研究方向。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种利用废绿茶残渣制备碳量子点的方法。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：将干的废绿茶残渣与纯水进行水热反应，所得产物溶液经透析处理后冷冻干燥，即得碳量子点。
具体步骤为：
S1.将泡用过的废绿茶残渣用超纯水清洗三次，以去除表面附着杂质；
S2.清洗后废绿茶残渣在烘箱50℃-80℃烘干，备用；
S3.取5g-8g废绿茶残渣浸泡在100mL超纯水中，将其转移至聚四氟乙烯水热反应器中；
S4.在烘箱中160℃-200℃下反应3h-6h；
S5.将聚四氟乙烯反应器冷却至室温，将获得的溶液以4000rpm-6000rpm离心10-20min，通过500-1000Da的透析袋透析处理1天，优选每隔6-8h换一次水，即得到纯净的碳量子点水溶液；
S6.将上述碳量子点水溶液在冰箱冷冻室中预冷冻18-30h，得到碳量子点的冷冻液；开启冷冻干燥机，优选在-60℃预冷3-5h，而后加入待干燥的碳量子点冷冻液，冷冻干燥温度为-55至-60℃之间，冷冻干燥时间为26-48h，将经过冷冻干燥后的产品进一步在真空烘箱中35-60℃烘干40-70h，即得到碳量子点材料。
本发明的另一目的是并用于DPPH自由基的清除，以提供绿色环保和高效的自由基清除方法。将一定浓度的废绿茶碳量子点溶液加入DPPH的乙醇溶液后即可。优选废绿茶碳量子点溶液的浓度为5-18.7μg/mL。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
(1)本发明利用水热法对废茶叶渣进行处理，制备出了对DPPH自由基具有一定清除作用的碳量子点，制备步骤简单，使用的原料为废绿茶残渣，变废为宝，仅需一步水热反应，即可得到目标碳量子点。
(2)本发明的碳量子点粒径在3nm左右，透射电镜图表明其具有良好的分散性；红外光谱表明其表面有羟基、羰基等亲水基团，水溶性好。
(3)本发明的碳量子点用于DPPH自由基清除，清除率可高达94.2％，与抗坏血酸实验数据进行对比，其对于DPPH自由基的清除率与抗坏血酸的清除率相当(抗坏血酸清除率94.5％)，有望成为抗坏血酸的理想替代品。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1提供的利用废绿茶残渣水热法所得碳量子点的透射电镜图；
图2是本发明实施例1提供的废绿茶碳点的粒径分布图；
图3是本发明实施例1提供的废绿茶碳点的红外光谱图；
图4是本发明实施例2提供的DPPH自由基清除率与废绿茶碳量子点浓度关系曲线；
图5是本发明对比例1提供的DPPH自由基清除率与抗会血酸浓度关系曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
【实施例1】利用废绿茶残渣水热法制备碳量子点
S1.将泡用过的废绿茶残渣用超纯水清洗三次，以去除茶叶表面附着的杂质；
S2.清洗后废绿茶残渣在烘箱60℃烘干，备用；
S3.取6g废绿茶残渣浸泡在100mL超纯水中，将其转移至200mL聚四氟乙烯水热反应器中；
S4.在烘箱中180℃下反应4h；
S5.将聚四氟乙烯水热反应器冷却至室温后，将获得的溶液以5000rpm离心20min，通过500-1000Da的透析袋透析处理1天，每隔6h换一次水，即得到纯净的碳量子点水溶液；
S6.将上述碳量子点水溶液在冰箱冷冻室中预冷冻30小时，得到碳量子点的冷冻液；开启冷冻干燥机，在-60℃预冷3h，而后加入待干燥的碳量子点冷冻液，冷冻干燥温度为-55至-60℃之间，冷冻干燥时间为40h，将经过冷冻干燥后的产品进一步在真空烘箱中50℃烘干60h，即得到碳量子点材料。
使用透射电镜对碳量子点进行形貌表征，如图1和图2所示，为碳量子点的透射电镜图。从图中可以看出，以废绿茶残渣为碳源，利用水热法制得的碳量子点的粒径为3nm左右，未有团聚或聚集现象，分散性良好。
图3所示的废绿茶碳点的红外光谱表明，在3000-3600cm-1之间的宽吸收带为-OH的伸缩振动吸收峰；在1700cm-1左右的吸收峰则为C＝O的伸缩振动吸收峰；出现在1000cm-1左右的吸收峰则归属为C-OH的伸缩振动。以上结果表明碳点的表面含有大量的富电子基团，这些基团不仅可以与未成对的电子进行配对，同时也增加了碳点在水溶液中的分散性。
【实施例2】利用废绿茶碳量子点清除DPPH自由基
S1.取0.1g碳量子点于烧杯中，用去离子水溶解后，定容于100mL容量瓶中，其浓度为1.0mg/mL废绿茶碳量子点溶液。
S2.分别取1.0mg/mL废绿茶碳量子点溶液0μL,5μL,10μL,15μL,20μL,25μL,30μL,35μL,40μL,45μL,50μL于2mL 100μmol/L的DPPH乙醇溶液中，室温下，振摇反应3min，倒入比色皿中，使用UV-2450型紫外可见分光光度计，分别记录最大吸收波长520nm处吸收值A0及Ai，结果见表1。
S3.DPPH自由基清除率按照以下公式进行：
Figure BDA0002578749370000051
式(1)中，
A0表示DPPH乙醇溶液不含自由基清除剂时其在520nm处的吸光度值；
Ai表示向DPPH乙醇溶液中加入一定浓度自由基清除剂后，振摇反应1min后该溶液在520nm处的吸光度值。
S4.根据测得的吸收值按S3中清除率公式分别计算清除率，并建立碳量子点浓度与清除率关系曲线图4。由图4可知，废绿茶碳量子点作为DPPH自由基清除液对于DPPH自由基的清除率随着浓度的增加而逐渐增大，DPPH自由基的清除率与废绿茶碳量子点的浓度在0-18.7μg/mL范围内呈现出良好的线性关系，最终对DPPH自由基的清除率逐步趋于稳定。
S5.根据实验数据拟合出废绿茶碳量子点溶液浓度在0-18.7μg/mL范围内与DPPH自由基清除率的线性方程为Y＝5.09C-0.731。将Y＝50代入线性方程式，可得绿茶碳量子点对于清除DPPH自由基的EC50值，即DPPH自由基清除率达到50％时所需加入的DPPH自由基清除液的浓度。结果见表2。
表1不同浓度废绿茶碳量子点溶液的DPPH自由基清除率
Figure BDA0002578749370000052
Figure BDA0002578749370000061
【对比例1】抗坏血酸清除DPPH自由基
S1.准确称取0.0500g分析纯抗坏血酸，于烧杯中用去离子水溶解后，定容于100mL容量瓶中，得0.5mg/mL的抗坏血酸溶液，备用。
S2.取2mL 100μmol/L的DPPH乙醇溶液于比色皿中，分别加入0μL,2μL,4μL,6μL,8μL,10μL,12μL,14μL,16μL,18μL的0.5mg/mL的抗坏血酸溶液，室温下，振摇反应3min，使用UV-2450型紫外可见分光光度计，分别记录最大吸收波长520nm处吸收值A0及Ai，
S3.根据测得的吸收值按式(1)分别计算DPPH自由基清除率，并建立抗坏血酸浓度与清除率关系曲线图5。由图5可知，抗坏血酸作为DPPH自由基清除液对于DPPH自由基的清除率随着浓度的增加而逐渐增大，DPPH自由基的清除率与抗坏血酸的浓度在0-4.2μg/mL范围内呈现出良好的线性关系，最终对DPPH自由基的清除率逐步趋于稳定。
S4.同样根据实验数据拟合出抗坏血酸溶液浓度在0-4.2μg/mL范围内与DPPH自由基清除率的线性方程为Y＝22.9C-0.280。将Y＝50代入线性方程式，可得抗坏血酸对于清除DPPH自由基的EC50值，即DPPH自由基清除率达到50％时所需加入的DPPH自由基清除液的浓度。结果见表2。
表2废绿茶碳量子点溶液和抗坏血酸对DPPH自由基清除率的比较
Figure BDA0002578749370000062
抗坏血酸对DPPH自由基的清除作用包括传递电子、传递质子与DPPH自由基使其生成DPPH2的过程，也包括通过还原DPPH+氮-氮双键使其分解成三硝基苯胺的清除作用，因此对DPPH自由基清除效果较好。文献通常对比与抗坏血酸对DPPH自由基清除率，评价DPPH自由基清除效果。从上表可见，废绿茶碳量子点对DPPH自由基清除效率达94.2％，接近抗坏血酸的94.5％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.利用废绿茶残渣制备碳量子点的方法，其特征在于：将废绿茶残渣与水进行水热反应，即得碳量子点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：具体包括以下步骤，
S3.取5g-8g废绿茶残渣浸泡在100mL超纯水中，将其转移至水热反应器中；
S4.水热反应3h-6h；
S5.将水热反应器冷却至室温，将获得的溶液以4000rpm-6000rpm离心10min-20min，通过500-1000Da的透析袋透析处理，即得到纯净的碳量子点水溶液；
S6.将上述碳量子点水溶液预冷冻18h-30h，得到碳量子点的冷冻液；冷冻干燥所述碳量子点冷冻液；将经过冷冻干燥后的产品真空条件下烘干，即得到碳量子点材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S4中，水热反应温度160℃-200℃。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S5中，通过500-1000Da的透析袋透析处理24h，每隔6-8h换一次水。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S6中，所述冷冻干燥温度为-55至-60℃，冷冻干燥时间为26-48h。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S6中，所述真空烘干温度为35-60℃，和/或，烘干时间40-70h。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤S3之前，还包括，
S1.将泡用过的废绿茶残渣用超纯水清洗三次；
S2.清洗后废绿茶残渣在烘箱50℃-80℃烘干，备用。
8.如权利要求1-7任一所述方法制备的碳量子点，用于清除DPPH自由基。
9.根据权利要求8所述的碳量子点在清除DPPH自由基的应用，其特征在于：将一定浓度的废绿茶碳量子点溶液加入DPPH的乙醇溶液。
10.根据权利要求9所述的碳量子点在清除DPPH自由基的应用，其特征在于：所述废绿茶碳量子点溶液的浓度为5-18.7μg/mL。
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