Квантовые точки углерода - Carbon quantum dots

Часть цикла статей о
Наноматериалы
C60-rods.png
Углеродные нанотрубки
Фуллерены
Другие наночастицы
Наноструктурированные материалы

Квантовые точки углерода (CQD, C-точки или CD) представляют собой небольшие углеродные наночастицы ( размером менее 10 нм ) с некоторой формой пассивации поверхности .

История

CQD были впервые обнаружены Xu et al. в 2004 году случайно при очистке однослойных углеродных нанотрубок . Это открытие послужило поводом для обширных исследований по изучению флуоресцентных свойств CQD. Большой прогресс был достигнут в синтезе, свойствах и применении CQD.

Как новый класс флуоресцентных углеродных наноматериалов, ККТ обладают привлекательными свойствами высокой стабильности, хорошей проводимости, низкой токсичности, экологичности, простых способов синтеза, а также оптических свойств, сравнимых с квантовыми точками. Углеродные квантовые точки широко исследовались, особенно из-за их сильных и настраиваемых свойств флуоресцентного излучения, которые позволяют применять их в биомедицине, оптронике, катализе и зондировании.

Углеродные точки, приготовленные из различных прекурсоров: мочевины, аланина и сахарозы (изготовлено Палиенко Константин)

Фундаментальные механизмы, ответственные за способность к флуоресценции CQD, очень обсуждаются. Некоторые авторы представили доказательства зависящих от размера свойств флуоресценции, предполагая, что излучение возникает из-за электронных переходов с ядром точек, на которые влияют эффекты квантового ограничения, тогда как другие работы скорее приписывают флуоресценцию рекомбинации захваченных на поверхности зарядов или предложил форму связи между электронными состояниями ядра и поверхности. Зависящая от возбуждения флуоресценция ККТ, приводящая к их характеристической перестраиваемости излучения, в основном связана с неоднородным распределением их характеристик излучения из-за полидисперсности, хотя в некоторых работах это объясняется нарушением правила Каша, возникающим из-за необычно медленного растворителя. релаксация.

Свойства CQD

Структуры и компоненты CQD определяют их разнообразные свойства. Многие карбоксильные фрагменты на поверхности CQD придают отличную растворимость в воде и биосовместимость. Такие поверхностные фрагменты позволяют ККТ служить протонопроводящими наночастицами. CQD также подходят для химической модификации и пассивации поверхности различными органическими, полимерными, неорганическими или биологическими материалами. За счет пассивации поверхности флюоресцентные свойства, а также физические свойства CQD улучшаются. Недавно было обнаружено, что CD, функционализированный амином и гидроксамовой кислотой, может давать трехцветное (зеленое, желтое и красное) излучение при введении в среду с другим pH, и это трехцветное излучение может сохраняться в матрице пленки ORMOSIL. В документе, опубликованном в 2019 году, показано, что CQD может выдерживать температуры до 800 ° C, что открывает возможности для применения CQD в высокотемпературных средах. УКТ на основе углерода обладают такими свойствами, как хорошая проводимость, доброкачественный химический состав, фотохимическая и термическая стабильность.

Синтез CQD

Синтетические методы для CQD примерно делятся на две категории: маршруты «сверху вниз» и «снизу вверх». Это может быть достигнуто с помощью химических, электрохимических или физических методов. Полученные CQD можно было оптимизировать во время подготовки или после лечения. Модификация CQD также очень важна для получения хороших свойств поверхности, которые необходимы для растворимости и выбранных применений.

Синтетические методы

Метод синтеза «сверху вниз» относится к разрушению более крупных углеродных структур, таких как графит , углеродные нанотрубки и наноалмазы, на ККТ с использованием лазерной абляции , дугового разряда и электрохимических методов. Например, Zhou et al. впервые применил электрохимический метод в синтезе ККТ. Они вырастили многослойные углеродные нанотрубки на копировальной бумаге, затем они вставили копировальную бумагу в электрохимическую ячейку, содержащую поддерживающий электролит, включая дегазированный ацетонитрил и 0,1 М перхлорат тетрабутиламмония. Позже они применили этот метод для резки УНТ или сборки УНТ в функциональные узоры, что продемонстрировало универсальность этого метода при манипуляциях с углеродными наноструктурами.

Метод синтеза «снизу вверх» включает синтез CQD из небольших предшественников, таких как углеводы , цитрат и нанокомпозиты полимер-диоксид кремния, посредством гидротермальной / сольвотермической обработки, синтетических методов на подложке и микроволнового синтеза. Например, Zhu et al. описал простой метод приготовления CQD путем нагревания раствора полиэтиленгликоля (PEG) и сахарида в микроволновой печи мощностью 500 Вт в течение 2-10 мин.

В последнее время для изготовления CQD также использовались подходы зеленого синтеза.

Контроль размера

Для достижения однородных свойств для конкретных приложений и механических исследований очень важно контролировать размер CQD во время процесса подготовки или посредством последующей обработки.

В большинстве отчетов продемонстрированы процессы очистки синтезированных фрагментов CQD посредством последующей обработки, такой как фильтрация, центрифугирование, колоночная хроматография и гель-электрофорез.

Помимо последующей обработки, также широко используется контроль размера CQD во время процесса подготовки. Например, Zhu et al. сообщили о гидрофильных CQD в результате пропитки предшественником лимонной кислоты. После пиролиза CQD при 300 ° C в течение 2 часов на воздухе, затем удаления диоксида кремния и последующего диализа они приготовили CQD с однородным размером 1,5–2,5 нм, которые показали низкую токсичность, отличную люминесценцию, хорошую фотостабильность и свойства повышающего преобразования.

Модификация

Будучи новым типом флуоресцентных наночастиц, CQD находит применение в области биоимиджинга и биосенсинга благодаря их биологическому и экологически безопасному составу и превосходной биосовместимости. Чтобы выжить в конкуренции с обычными полупроводниковыми квантовыми точками, должен быть достигнут высокий квантовый выход. Хотя был синтезирован хороший пример ККТ с квантовым выходом ~ 80%, большинство синтезированных квантовых точек пока имеют квантовый выход ниже 10%. Для улучшения квантового выхода обычно применяются методы пассивации поверхности и легирования модификаций.

Чтобы предотвратить загрязнение поверхностей CQD окружающей средой, выполняется пассивация поверхности, чтобы уменьшить пагубное влияние поверхностного загрязнения на их оптические свойства. Тонкий изолирующий слой формируется для достижения пассивирования поверхности за счет прикрепления полимерных материалов к поверхности CQD, обработанной кислотой.

Помимо пассивации поверхности, легирование также является распространенным методом настройки свойств ККТ. Различные методы легирования такими элементами, как N, S, P, были продемонстрированы для настройки свойств ККТ, среди которых легирование N является наиболее распространенным способом из-за его большой способности улучшать излучение фотолюминесценции. Механизмы, с помощью которых легирование азотом увеличивает квантовый выход флуоресценции CQD, а также структуру CD с сильным легированием N, являются очень обсуждаемыми вопросами в литературе. Чжоу и др. Применили XANES и XEOL для исследования электронной структуры и механизма люминесценции в своих электрохимически полученных углеродных QDS и обнаружили, что легирование N почти наверняка отвечает за синюю люминесценцию. Сообщалось о синтезе новых нанокомпозитов на основе компакт-дисков с необычными свойствами. Например, новый нанокомпозит был разработан с использованием компакт-дисков и магнитных наночастиц Fe3O4 в качестве прекурсоров с нанозиметической активностью.

Приложения

УКТ с уникальными свойствами имеют большой потенциал в биомедицине, оптронике, катализе и сенсорах.

Обладая такими превосходными свойствами, как низкая токсичность и хорошая биосовместимость, CQD являются подходящими материалами для применения в биовизуализации, биосенсорах и доставке лекарств . Благодаря превосходным оптическим и электронным свойствам CQD также могут найти применение в катализе, сенсорах и оптронике.

Биоимиджинг

CQD могут использоваться для биовизуализации из-за их флуоресцентного излучения и биосовместимости. Путем инъекции растворителей, содержащих CQD, в живое тело, изображения in vivo могут быть получены для целей обнаружения или диагностики. Одним из примеров является то, что CQD, конъюгированные с органическим красителем, могут быть использованы в качестве эффективных флуоресцентных зондов для H 2 S. Присутствие H 2 S может настроить синее излучение CQD, конъюгированных с органическим красителем, на зеленый. Таким образом, с помощью флуоресцентного микроскопа CQD, конъюгированные с органическими красителями, смогли визуализировать изменения физиологически значимых уровней H 2 S.

Зондирование

CQD также применялись в биосенсорных исследованиях в качестве носителей биосенсоров из-за их гибкости в модификации, высокой растворимости в воде, нетоксичности, хорошей фотостабильности и превосходной биосовместимости. Биосенсоры на основе материалов на основе CQD и CQs могут быть использованы для визуального мониторинга клеточной меди, глюкозы, pH, следовых уровней H2O2 и нуклеиновой кислоты. Общий пример касается анализов латерального потока нуклеиновых кислот. Различающие метки на ампликонах распознаются соответствующими антителами и сигналами флуоресценции, обеспечиваемыми прикрепленными CQD. В более общем плане флуоресценция CQD эффективно реагирует на pH, локальную полярность и присутствие ионов металлов в растворе, что еще больше расширяет их возможности для применения в наносенсорных измерениях, например, при анализе загрязнителей.

Доставки лекарств

Нетоксичность и биосовместимость CQD позволяют им находить широкое применение в биомедицине в качестве носителей лекарств, флуоресцентных индикаторов, а также для контроля высвобождения лекарств. Примером этого является использование CQD в качестве фотосенсибилизаторов в фотодинамической терапии для разрушения раковых клеток.

Катализ

Гибкость функционализации с различными группами ККТ позволяет им поглощать свет с разными длинами волн, что открывает хорошие возможности для приложений в фотокатализе. Композиты P25 TiO2, модифицированные CQD, показали улучшенное фотокаталитическое выделение H2 при облучении УФ-видимым светом. ККТ служат резервуаром для электронов для повышения эффективности разделения электронно-дырочных пар P25.

Оптроника

УКТ обладают потенциалом использования в качестве материалов для сенсибилизированных красителями солнечных элементов , органических солнечных элементов , суперконденсаторов и светоизлучающих устройств. CQD могут использоваться в качестве фотосенсибилизатора в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем, и значительно повышается эффективность фотоэлектрического преобразования. Гибридный золь на основе диоксида кремния, содержащий CQD, может использоваться в качестве прозрачной флуоресцентной краски ,

Ракетное топливо

В последнее время в гибридных ракетных топливах стали применяться УКТ.

Восстановление отпечатка пальца

CQD используются для улучшения скрытых отпечатков пальцев.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Bourlinos, Athanasios B .; Стасинопулос, Андреас; Англос, Деметриос; Зборил, Радек; Каракассидес, Михаил; Джаннелис, Эммануэль П. (2008). "Поверхностные функционализированные карбогенные квантовые точки". Маленький . 4 (4): 455–8. Bibcode : 2008APS..MARY30007B . DOI : 10.1002 / smll.200700578 . PMID  18350555 .
  • Ли, Хайтао; Он, Сяоди; Лю, Ян; Хуанг, Хуэй; Лянь, Суоюань; Ли, Шуит-Тонг; Кан, Чжэньхуэй (2011). «Одностадийный ультразвуковой синтез водорастворимых углеродных наночастиц с превосходными фотолюминесцентными свойствами». Углерод . 49 (2): 605–9. DOI : 10.1016 / j.carbon.2010.10.004 .
  • Цзун, Цзе; Чжу, Ихуа; Ян, Сяолин; Шэнь, Цзяньхуа; Ли, Чунчжун (2011). «Синтез фотолюминесцентных карбогенных точек с использованием сфер мезопористого кремнезема в качестве нанореакторов». Chem. Commun . 47 (2): 764–6. DOI : 10.1039 / C0CC03092A . PMID  21069221 .
  • Krysmann, Marta J .; Келаракис, Антониос; Даллас, Панайотис; Джаннелис, Эммануэль П. (2012). «Механизм образования карбогенных наночастиц с двойной фотолюминесцентной эмиссией». Журнал Американского химического общества . 134 (2): 747–50. DOI : 10.1021 / ja204661r . PMID  22201260 .
  • Чандра, Суров; Патра, Прасун; Pathan, Shaheen H .; Рой, Шувродеб; Митра, Шувик; Лайек, Анимеш; Бхар, Радхабалабх; Праманик, Панчанан; Госвами, Арунава (2013). «Люминесцентные углеродные точки, легированные S: новая архитектура для мультимодальных приложений». Журнал Materials Chemistry B . 1 (18): 2375–82. DOI : 10.1039 / C3TB00583F . PMID  32261072 .