量子点作为植物光源材料的实际效果的探究

摘要

在一场关于荧光量子点实际应用问题的报告会上了解到量子点材料可代替原有荧光粉作为植物光源材料对植物进行补光照射，从而使植物的生长周期大大缩短。所以荧光量子点植物光源的补光效率是远优于荧光粉植物光源的，具有极高的推广价值。这激起了本人探究荧光量子点植物光源应用价值的兴趣。本课题首先制备新型量子点荧光材料，据此制备新型高效植物光源，并观察其对植物生长情况的影响。试验中，课题组采取了对照实验的方法，将量子点、荧光粉分别作为植物光源材料，对两盆完全相同的大叶荆芥进行为期20天的补光照射。在照射期间，本人每间隔2天就对两盆植株就植株叶片长度、宽度以及植株株高进行详细的测量，在记录数据后绘制图表进行对比。实验过程中，本人还使用了最初始的LED蓝光光源同样对另一盆植株进行照射。结果表明，荧光量子点植物光源对植物早期生长的促进作用优于荧光粉植物光源，但优势并不明显。又因为量子点价格高昂且具有较强的环境污染性，故此不建议于现阶段大面积推广应用。

关键词：植物光源 荧光材料 荧光量子点 LED

一、引言

目前，为缓解我国农产品市场压力，人工补光照射已作为一种实用有效的方法被广泛的采用于我国各大植物培育工厂中。由于620nm以上的红光在植物生长过程中所起到的促进作用是非常明显的，因此国内外许多专家学者们对于如何才能更好的将其他波长的光波转化为红橙光进行了多方面的研究。传统的广播转化材料，即植物光源材料通常为红色荧光粉材料。然而前不久，本人于一场报告会上得知可以使用新型的荧光量子点材料作为植物光源材料，替代红色荧光粉，对光波进行转化。

由于相较于传统的荧光粉，量子点具有一系列的优势，因此许多人认为量子点可在人工培育植物的过程中大范围推广。对此本人略有质疑。因为据调查，量子点所需的合成材料多为剧毒物质，那么关于量子点是否真的具有推广意义，本人设计了此次实验进行调查研究。

二、植物光源现况

现阶段，对植物进行补光照射的主要途径为传统的荧光粉LED植物灯源，然而以荧光粉作为补光灯源存在着转化效率低、耗能高等缺点。由此，国内外许多学者将目光投向了新型的荧光材料。在众多新型荧光材料中，量子点具有独特的结构和光电性能，尺寸和形貌可以通过反应时间、温度和配体的选择等来精确控制，而且对光波的转化效率较高，因而受到人们的青睐。

为检验量子点植物光源是否确实具有着比LED植物光源更好的照射效果，本人设计了本次实验进行验证。

三、量子点材料的合成

本次课题所采用的合成方法为有机向量子点合成硒化镉/硫化镉 (CdSe/CdS)核壳结构量子点，并将其作为发光材料。

3.1制备过程

本实验中以正十二硫醇（DDT）为硫源，油酸镉（Cd（OA）2为镉源进行反应。其中，硫源为镉源的1.2倍（DDT易挥发，因而为保证硫源充足，DDT需略过量），每小时生成的CdS为CdSe 的2倍，并分别置于注射器（20ml）中。其中，经过换算若硫源为镉源的1.2倍，则油酸镉每小时需滴加2mL，而DDT每小时仅需滴加0.288mL，因此DDT相对油酸镉体积较小。而使用注射泵进行注射时，两注射器中溶液的体积必须相等，故而需要在装有DDT的注射器中添加ODE以保持两支注射器中溶液量持平，而ODE仅作为溶剂使用，并不会对实验造成影响。所以在反应过程中还需要每小时滴加1.712mL的ODE。

开始实验前，先使用正己烷与丙酮对三颈烧瓶和干燥管进行清洗。之后将0.4mmolCdSe、40mlODE（十八烯）加入100ml三颈烧瓶，并同时放入一颗量子点拌子，在150℃抽真空0.5h，并且每间隔10分钟向三颈烧瓶中通入氮气清洗溶液随。停止抽真空后，继续通入氮气并加热。当烧瓶里溶液温度达到230℃时，启动注射泵，开始向烧瓶里持续滴加两支注射器中的溶液15h，同时继续加热至280℃保持恒温。在反应时间为1h、3h、6h、9h、12h、15h时对反应溶液进行取样，观察产物的变化。

当注射器中的溶液刚开始加入烧瓶中时，烧瓶内生成大量雾气，12分钟后雾气逐渐消失。实验反应期间，溶液颜色变化如下表：

表1 反应过程中三颈烧瓶内反应物的颜色变化

（注：其中9h、12h、15h的实验样品由于波长均在620mm~630mm之间，因此肉眼观察均显红色，其细微差异肉眼无法分辨。）

3.2产物处理

反应得到的实验最终产物需经过萃取，将无用部分滤除后才可反应产物。

首先将得到的溶液移至分液漏斗中，之后向分液漏斗中添加甲醇（产物中未反应的部分溶于甲醇），发现分液漏斗中产生分层现象，下层橙红色物质即为所需产物。然而上层清液中仍残留有少量实验产物，因此需对分液漏斗进行加热，以此加快溶液分离。

为保证反应所得到的产物被完全萃取，则上述分液过程需多次重复，而每次加热时间为20~30分钟左右。每次加热之后，都需将下层橙红色产物放入离心机中，并观察离心后的溶液是否仍残留有透明胶状液体。步骤需重复直至产物中无法观察到透明胶状液体方可结束。

此处列举一些量子点的表征数据：

表2 量子点部分表征数据

图3 量子点的电镜观察结构

图4 量子点电镜扫描下的元素分布（铝掺杂）

3.3LED灯的装配

萃取出的实验最终产物需在真空60℃的条件下烘干变为固体后才可使用。

将产物从离心管中小心转移至研钵中，仔细研磨至固体产物完全变为粉状，并用电子天平从中称取500mg。之后再称取LED专用胶5000mg，将其完全倒入研钵中，并混合均匀充分。然后称取1000mg固化剂，同样加入研钵混合。

用注射器（1ml）将研钵中均匀混合后的混合物均匀涂抹于LED灯玻璃表面，利用流平作用使其充分覆盖。之后将玻璃放入真空干燥箱中先抽真空，使混合物中的气泡消失，而后在150℃的高温环境下加热2h，使玻璃表面的胶质充分固化。

四、植物光源实际照射效果

实验选用了CdSe/CdS荧光量子点作为实验材料，大叶荆芥作为实验用植株。

在8月29日将大叶荆芥种下后，于9月2日，其第一株幼苗长出，因此实验数据有9月2日起开始进行记录。由于每盆中各株幼苗的出芽时间时间均有所差异，而各盆中的同批次幼苗的出芽时间则大致相同，因此课题组将三花盆中同批次长成的幼苗分别编为1号、2号以及3号。

在实验期间，课题组将红色荧光量子点植物灯，红色荧光粉植物灯以及LED蓝光植物灯分别悬挂于三盆植株上方，从7:30其对其进行时长3h的灯光补光照射，直至10:30结束。

自9月2日开始一直到9月20日，课题组进行了时长19天的实验数据记录。由于在最后两次的数据统计中课题组发现，9月18日与9月20日的数据已无差异，因此课题组猜测植物光源对于此阶段的植物的生长促进效果已极不明显，所以本人决定停止实验。

通过数据的处理，课题组得到了关于三盆植物株高、每组叶片宽度以及叶片长度生长量的数张图表，且每张图表均有对应三种灯源的曲线。其数据统计图表如下图所示：

4.1实验数据的分析

观察课题组处理过数据后所得到的图像，课题组可以得到如下结论：

i. 观察其生长折线图的斜率变化课题组可以得到：在植物生长的前期，红光植物光源对于植物的生长促进的效果是极为明显的，然而在中后期阶段，这种促进效果不断减弱，最终基本趋近于无。

ii. 对比三条曲线在相同阶段的折线图，课题组发现在植物生长前期，量子点植物光源对于植物生长的促进效果是最显著的，其折线的斜率是三条折线中最大的。然而当实验进入9月12日之后中后期阶段，课题组很清楚的发现，蓝光光源对植物生长的促进作用更为明显，而量子点植物光源与红色荧光粉植物光源的促进效果则无太大差异。

iii. 重点考察量子点与红色荧光粉植物光源对植物生长的促进效果，课题组可以清晰地发现，尽管在植物生长的全阶段，课题组都能很明了的观察到，量子点植物光源对促进植物生长的效果更明显，然而课题组同样可以清楚看到的是：这种对于促进植物生长效果方面的差异并不十分显著，即量子点植物光源对促进植物生长的效果并不比红色荧光粉植物光源的促进效果好多少。

4.2实验结论

首先对于量子点与红色荧光粉，在此列举其一些价格差异：

表3 荧光量子点与红色荧光粉市售价格对比（以阿里巴巴为例）

可以很明显的发现，荧光量子点与红色荧光粉在相同激发波长的情况下的价格差异巨大。

与此同时，在制备量子点的过程中，课题组将使用大量的甲醇、乙烯以及镉、硒等重毒性物质，其生产过程中产生的废液将会对环境造成极大压力。

由于在相近激发波长的情况下，量子点植物光源对促进植物生长的效果并不比荧光粉好很多，且其生产以及使用的成本较荧光粉而言太过高昂，因此量子点植物光源材料其实并不宜大面积的推广使用。

五、课题未来展望

由于量子点对于促进植物生长的效果确实比荧光粉好，因此对于此课题最大的展望应在于如何有效地改进量子点的制备方法，使其更加环保、低廉，以增强其实际推广意义。

在本次实验中，课题组并未取不同灯源照射的植株叶片进行叶绿素含量的测定，这使得课题组的实验出现了缺陷，因此在以后的实验中，课题组将向其中加入此环节，以获得更加全面的实验结论。

由于本次实验中，课题组仅仅只是选取了大叶荆芥这一种植物进行试验。为了确保实验结论的普遍性，在将来的实验中课题组将会选择其他种类的植物进行多次实验，以证明此次实验结论的普遍性。

六、参考文献

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