Синтез обогащенных пиридином N, S-углеродных квантовых точек как эффективных имитаторов ферментов

а ПЭМ-изображение N, S-ККТ (вставка - ПЭМ-изображение ВРЭМ). б SAED-изображение N, S-CQD. c XRD и d ИК-Фурье спектр N, S-ККТ

ИК-Фурье-спектр (рис. 1d) подтверждает различные поверхностные группы N, S-CQD. Полосы на 3163 см ⁻¹ с плечом 3416 см ⁻¹ в 3000–3500 см ⁻¹ Диапазон представляют собой валентные колебания N – H и O – H соответственно [11]. Эти значительные амино, гидроксильные гидрофильные группы могут обеспечивать превосходную гидрофильность N, S-CQD [23]. Тройные пики на отметках 1582, 1656 и 1704 см ⁻¹ могут быть отнесены к разным характеристическим колебательным связям соответственно. Пики около 1704 см ⁻¹ представляют собой валентные колебания карбоксильных групп C =O и связей C =N [24], а два других пика при 1656 и 1582 см ^-1 являются характеристическим колебанием амидных групп с вытяжкой C =O (амид I) и плоскостным изгибом связи N – H (амид II) [24, 25]. Пики на 1405 и 1345 см ⁻¹ могут быть отнесены к колебаниям C – S и C – N соответственно [17], тогда как полосы при 1177 и 1084 см ⁻¹ дополнительно подтверждают существование связей C – O и S =​​O на N, S-ККТ [17, 23]. Спектр поглощения N, S-CQD в УФ / видимой области представляет собой две четкие полосы поглощения (рис. 2а). Сильная полоса поглощения при 234 нм приписывается электронному переходу π-π * ароматической сопряженной системы sp ² [17], а слабый пик поглощения при 340 нм приписывается n-π * -переходу связи C =O [26]. Было замечено, что относительная интенсивность пика поглощения при 234 нм намного выше, чем у образцов N, S-CQD, синтезированных гидротермальным методом [17, 26], что свидетельствует об образовании более ароматических sp ² домены с примесью азота в систему сопряженного ядра в виде пиридинового азота. Кроме того, широкое плечо около 430 нм, перекрывающееся пиком при 340 нм, является результатом многих видов переходов состояний поверхности [26].

а УФ / видимость N, S-CQD. б PL N, S-CQD и вставка представляет собой изображения N, S-CQD при окружающем свете и облучении 365 нм. c Спектры ФЛ N, S-ККТ с разными длинами волн возбуждения. г Кривые затухания интенсивности фотолюминесценции при возбуждающем свете 358 нм

Спектры фотолюминесценции (ФЛ) (рис. 2b) показывают, что N, S-ККТ имеют широкое распределение возбуждений. Максимальная длина волны возбуждения составляет 358 нм (длина волны излучения 436 нм) из-за пика поглощения 340 нм. Из изображения-вставки на рис. 2b видно, что бесцветный и прозрачный водный раствор N, S-CQDs становится ярко-синим при УФ-облучении 365 нм. Раствор N, S-CQD оставался прозрачным в течение 10 месяцев без осадков; такая высокая стабильность частиц N, S-CQD объясняется их очень маленьким и однородным размером, а также гидрофильными группами на поверхности.

Расчетный квантовый выход фотолюминесценции (PLQY) N, S-CQD составляет 23,6% при возбуждении на длине волны 358 нм, что в три раза выше, чем сообщалось для N-легированных или N, S-CQD [20, 23]. Напротив, PLQY первичных CQD составляет всего 1,15%, что намного меньше, чем у N, S-CQD. Сообщалось, что PLQY CQD был связан с количеством N-допинга в CQD [17, 27], и, таким образом, во многих работах предпринимались попытки увеличить количество N-допинга в CQD, продлив время реакции даже до 19 ч или повышение температуры реакции до 260 ° С [11, 23]. Однако количество легирования N в окончательных твердых образцах все еще было менее 6%. В нашей работе высокий уровень легирования N, S-CQD, равный 12,5%, достигается эффективным твердофазным способом с использованием микроволн, при котором молекулы лимонной кислоты и тиомочевины быстро реагируют и избегают сублимации. Кроме того, тиомочевина действует как слабое основание, ускоряя скорость полимеризации. Интересно, что при изменении соотношения тиомочевины и CA с 3:1 до 1:3 и 1:1 PLQY N, S-CQD немного снизился до 7 и 2,1% соответственно. Более того, увеличение времени реакции до 2 минут просто позволило получить основной углерод. Чтобы дополнительно прояснить механизм реакции, мы получили термогравиметрическо-дифференциальный термический анализатор (ТГ-ДТА) и кривые ТГ-масса чистого CA и смеси реагентов CA и тиомочевины. Как показано на рис. 3а, на кривых ТГ-ДТА чистого СА можно наблюдать три экзотермических пика; первый пик соответствует поглощающей воде, включая кристаллическую воду. Второй острый пик при 154 ° C соответствует выделению теплоты плавления кристаллического CA, а широкий пик с центром при 214 ° C относится к межмолекулярной дегидратации и карбонизации. В то время как для смеси CA и тиомочевины значительные изменения на последних двух экзотермических пиках можно наблюдать на спектре TG-DTA (рис. 3b), второй экзотермический пик появляется при низкой температуре 118 ° C, указывая на то, что кислота –Основное взаимодействие между CA и тиомочевиной приводит к резкому падению на 36 ° C на этапе выделения тепла плавления. Кроме того, помимо третьего экзотермического пика, который соответствует дегидратации и карбонизации, возникают два пика при 214 и 236 ° C, и можно наблюдать слабый пик при 170 ° C, что означает, что добавление тиомочевины может ускорить процесс дегидратации и карбонизации. . Сравнивая TG-масс-спектры чистого CA и смеси CA и тиомочевины (рис. 3c), можно обнаружить, что температурный максимум H ₂ Пик высвобождения О снижается с 215 ° C для чистого CA до 180 ° C для смеси CA и тиомочевины. Точно так же максимум CO ₂ пик высвобождения находится при 227 ° C для CA, но он смещается к низкой температуре и становится двухступенчатым высвобождением при 179 и 198 ° C для смеси реагентов CA и тиомочевины, соответственно. Это снижение температуры при дегидратации и карбонизации хорошо согласуется с результатами TG-DTA, подразумевая различный подход к реакции для этих двух систем. В чистом КА межмолекулярная дегидратация и карбонизация одновременно происходят при высокой температуре. В то время как для смеси CA и тиомочевины межмолекулярная дегидратация сначала реагирует между карбоксильными группами CA и аминогруппами тиомочевины, а затем происходит ступенчатая карбонизация с образованием углеродного ядра N, S-CQD. По сравнению со слабым взаимодействием водородных связей между молекулами СА, сильное кислотно-основное взаимодействие между карбоксильными группами и аминогруппами приводит к значительному снижению температуры дегидратации. Интересно, что, как показано на рис. 3c, остаточная масса чистого CA и смешанного реагента CA и тиомочевины составляет 1 и 21 мас.% Соответственно, что указывает на то, что добавленная тиомочевина может играть роль слабого основания для снижения температура реакции и предотвращение сублимации, таким образом, увеличивает содержание легирующих примесей N и S в N, S-CQD с высоким выходом.

Кривые ТГ и ДТА а чистая лимонная кислота, b реакционная смесь лимонной кислоты и тиомочевины. c ТГ-масс-кривые чистой СА и реакционной смеси лимонной кислоты и тиомочевины

На рис. 2с показаны спектры излучения N, S-ККТ с разными длинами волн возбуждения. Когда длина волны возбуждения изменяется от 290 до 370 нм, пики излучения при 440 нм практически не смещаются. Компоненты излучения довольно постоянны по энергии и, скорее всего, происходят из-за поглощения перехода n-π * на длине волны 340 нм. Независимое от возбуждения свойство излучения ККТ было изучено путем подгонки сложных пиков излучения к множественным гауссовым функциям, и был сделан аналогичный вывод [26]. В то время как при изменении длины волны возбуждения от 390 до 490 нм спектр излучения ФЛ проявлял красное смещение по мере увеличения длины волны возбуждения, что характеризует свойство, зависящее от длины волны возбуждения. Это можно приписать различным поверхностным состояниям C =O или роли амидной группы как дискретных центров захвата экситонов, влияющих на энергию излучения в процессе ФЛ [11, 19, 28]. Полидисперсность и неоднородность поверхности являются причиной зависящего от длины волны возбуждения поведения ФЛ [28, 29]. Широкий пик поглощения около 430 нм представляет собой совокупность различных поверхностных состояний, включая карбоксил и амид, что обеспечивает зависящее от длины волны возбуждение поведение ФЛ N, S-ККТ. Время жизни флуоресценции N, S-CQD определяли для оценки его оптических свойств (рис. 2d). Кривые затухания ФЛ образца N, S-CQD могут быть аппроксимированы двухэкспоненциальной формулой, где τ ₁ составляет 3,48 нс, τ ₂ составляет 11,05 нс, а среднее время жизни - 6,72 нс. По сравнению со средним сроком службы первичных ККТ, равным 2,42 нс [30], значительно большее время жизни флуоресценции как τ ₁ и τ ₂ были получены на нашей выборке. Сообщается, что τ ₂ пропорция и средний срок службы становятся длиннее с увеличением количества легирования азотом, и пришел к выводу, что чем больше τ ₂ вытекают из поверхностных состояний [11, 31].

Образование N, S-CQD подтверждено XPS. Как показано на фиг. 4a, пять отдельных пиков при 530, 399, 284, 222 и 164 эВ присутствуют для O 1 s , N 1 s , C 1s, S 2 s и S 2 p сигналы, соответственно, указывающие на N и S, действительно были введены в каркас CQD [17]. Высокое разрешение C 1 s Спектр XPS (рис. 4b) указывает на три характеристики структуры C, включая ароматические конъюгированные sp ² C (C =C) при 284,4 эВ, sp ³ C (C – N, C – O, C – S) при 285,6 эВ и C =O / C =N при 288,1 эВ [11]. N 1 s Спектр XPS (рис. 4c) N, S-CQD показывает три пика при 399,5, 400,3 и 401,0 эВ, которые представляют пиридиновый N, пирроловый N и амидный N соответственно [17, 24]. В g-CNQD атомное отношение Ncore / Ccore, полученное из экспериментального отношения интенсивностей XPS, равно 1,40, что близко к ожидаемому значению 1,33, ожидаемому для C ₃ N ₄ [19]. Мы провели аналогичный анализ данных для нашей выборки, взяв 285,6 эВ для C 1 s пик как «Ccore», в то время как и 400,3 эВ (пирролиновый), и 399,6 эВ (пиридиновый) N 1 s как «Ncore» (поскольку значения энергии связи аналогичны 399,9 эВ NCore в [19]), а расчетное значение Ncore / Ccore составляет 0,43, что намного меньше 1,33 для C ₃ N ₄ . Более того, было обнаружено, что относительное отношение пиридинового N к пирроличному N в наших N, S-ККТ сильно отличается от соотношения в ККТ, допированных N или N, S, синтезированных гидротермальным методом [17, 21]. Пиридиновый N является доминирующей примесью в нашем образце N, S-CQD, который в 1,5 раза больше, чем пирроловый N, но обычно он меньше 1,0 для многих термически синтезированных образцов. Такой высокий пиридиновый N может придавать N, S-CQD превосходные свойства для дальнейшего применения в катализе, поскольку они могут действовать как каталитические активные центры [32]. Более того, пирроловый азот на краю является важным составом поверхностных дефектов и может действовать как центр фотолюминесценции [17, 27]. S 2 p Спектр XPS (рис. 4d) отображает два типичных сигнала при 163,3 и 164,4 эВ, которые соответствуют S 2 p _3/2 и S 2 p _1/2 тиофеновой S соответственно [16]. В сочетании со спектром FT-IR мы предполагаем, что атомы серы успешно проникают в структуру N, S-CQD как тиофен S и существуют на краю N, S-CQD для улучшения их PLQY.

а Полное сканирование XPS N, S-CQD. XPS с высоким разрешением C 1 s б N 1 s c и d S 2p спектры N, S-ККТ

Ферментный катализ является ожидаемым из-за его высокой специфичности и активности. Пероксидаза хрена (HRP) - наиболее изученный растительный фермент, который содержит активный центр порфиринового цикла в гемовой группе, чтобы эффективно катализировать одноэлектронное окисление широкого спектра органических и неорганических субстратов перекисью водорода [33, 34]. Имитационные свойства богатых пиридином N, S-CQD были протестированы для окисления субстратов пероксидазы 3, 3 ', 5', 5'-тетраметилбензидина (TMB) в присутствии H ₂ О ₂ путем измерения поглощения синего продукта окисления ТМБ при 652 нм. Поглощение N, S-CQD в УФ / видимой области достигает максимума при 234 и 340 нм. На рис. 5а показаны аппроксимирующие линии концентрации продуктов окисления, полученных из ТМБ (мкмоль / л), во времени в присутствии N, S-CQD и исходных CQD. Скорость реакции ( r ) для разложения H ₂ О ₂ на N, S-CQD в качестве имитатора фермента составляет 2,16 × 10 ⁻³ мкмоль ^-1 L ^-1 S ^-1 , что в два раза выше, чем у нетронутых ККТ и ранее описанных ККТ без примесей при тех же условиях [35, 36]. Превосходная активность богатых пиридином N, S-ККТ может быть отнесена к высокому содержанию легирования N, который обладает большей электроотрицательностью, чем атом углерода, для увеличения электронной плотности N, S-CQD и, особенно, доминирующего пиридинового азота, владеющего азотом. неподеленная пара электронов, которая приводит к увеличению электронной плотности и подвижности в π-сопряженной структуре N, S-ККТ, таким образом, ускоряет реакцию. Это первый отчет о значительном улучшении каталазоподобных свойств зависимости ККТ от доминирующего допирования пиридинового азота в углеродном каркасе.

а Начальная скорость реакции N, S-CQD и свободных легированных CQD. б Тест на возможность повторного использования N, S-CQD

Возможность повторного использования N, S-CQD была исследована путем последовательного четырехкратного использования для реакции, имитирующей каталазу (фиг. 5b). При четырехцикловом применении не наблюдалось явного снижения активности N, S-CQD. Высокая стабильность собственной каталитической активности N, S-CQD приписывается доминирующему пиридиновому N-допированию в каркасе C =C, поскольку пиридиновый N может играть роль эффективных ферментов, имитирующих каталитические сайты для H ₂ О ₂ разложение.