Материал и оптические свойства флуоресцентных углеродных квантовых точек, полученных из лимонного сока посредством гидротермальной реакции

Фон

Углеродные квантовые точки (CQD) - это новый класс углеродных наноматериалов, обычно имеющих пространственный размер менее 20 нм, который был обнаружен Xu et al. в 2004 г. [1]. Флуоресцентные углеродные наночастицы были изготовлены Sun et al. с помощью лазерной абляции графитового порошка в 2006 году [2] и с тех пор называются «углеродными квантовыми точками (УКТ)». Флуоресцентные ККТ имеют большой потенциал для применения в фотокатализе, оптоэлектронных устройствах, биомедицине, тонкопленочных дисплеях, здоровом освещении и других областях практического применения. По сравнению с традиционными квантовыми точками на основе полупроводников, ККТ могут быть получены с помощью недорогих технологий изготовления и обладают интересными и важными характеристиками, такими как хорошая биосовместимость, точная биологическая мишень, низкая токсичность и более сильный квантовый размерный эффект. В последние годы флуоресцентные ККТ привлекли к себе огромное внимание [3, 4] из-за их превосходных структурных и оптических свойств [5]. Они были предложены в качестве материалов, заменяющих обычные полупроводниковые квантовые точки в областях применения, включая биологическую визуализацию, биологическую маркировку, светодиоды с квантовыми точками (QLED), защиту окружающей среды и другие связанные области [6,7,8,9]. Исследования CQD быстро развиваются в физике конденсированных сред, материаловедении, электронике и оптоэлектронике. Соответствующие фундаментальные и прикладные исследования широко проводились по всему миру [3,4,5,6,7,8,9].

В настоящее время существуют различные методы [10, 11] для синтеза ККТ, такие как гидротермальный подход [11, 12], микроволновый метод [13] и так далее. CQD были синтезированы из различных предшественников углерода, таких как глюкоза [14], лимонная кислота [15] и аскорбиновая кислота [16]. Тем не менее, методика эффективного изготовления биосовместимых флуоресцентных CQD в крупном масштабе все еще нуждается в использовании и стала проблемой для практического применения CQD. Было замечено, что прямой синтез CQD из пищевых продуктов [17,18,19] и / или побочных продуктов [20] является одной из многообещающих и важных стратегий. Красные углеродные точки (R-CD) со средним диаметром 4 нм и высоким квантовым выходом (QY) 28% в воде были синтезированы [21] путем нагревания этанольного раствора лимонного сока без мякоти. Сильный восстановитель NaBH ₄ добавленный в R-CD был использован как средство увеличения интенсивности излучения света от R-CD. Однако мы знаем, что NaBH ₄ токсичен. Совсем недавно мы изготовили УКТ с зеленым и синим светом из сточных вод тофу без добавления каких-либо токсичных веществ [22]. CQD, полученные из пищевых продуктов и / или побочных продуктов, считаются безопасными для биологических применений, поскольку токсичность этих природных углеродных ресурсов практически не известна. Недавно было проведено несколько серьезных исследований по синтезу CQD из нетоксичных углеродных ресурсов с использованием одноэтапного подхода, и был достигнут значительный прогресс в синтезе, изучении и применении этих CQD. Например, чеснок использовался как зеленый источник для синтеза CQD [23]. Подробные структурные и композиционные исследования показали [23], что содержание N и образование C – N и C =N являются ключевыми факторами для улучшения фотолюминесценции (PL) QY. Кроме того, CQD демонстрируют превосходную стабильность в широком диапазоне pH и высоких концентрациях NaCl, что делает их применимыми в сложных и суровых условиях [23].

Основная цель настоящей работы - разработать простой и эффективный экспериментальный метод недорогого изготовления CQD из лимонного сока с использованием гидротермальной обработки при относительно низких температурах и с помощью менее трудоемкого процесса. Известно, что лимонный сок можно легко и дешево получить, и поэтому он является хорошим источником углерода для изготовления образцов и устройств на основе CQD. По сравнению с предыдущим исследованием [21] нетоксичные CQD, полученные в нашей работе, больше подходят для биологической визуализации и клеточных маркеров. В этом исследовании мы также проводим изучение основного материала и оптических свойств CQD, полученных из лимонного сока, и применяем CQD для визуализации растительных клеток.

Методы

Предварительные материалы

В этом исследовании прекурсоры углерода взяты из свежего лимонного сока. Основные ингредиенты и их процентное содержание были получены путем измерения с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), как показано в таблице 1. Для подготовки образца свежий лимон, взятый в качестве источника углерода, и свежий лук, использованный для визуализации клеток, были приобретены в местном супермаркете. Этанол был аналитически чистым и использовался в качестве диспергирующего агента. Для экспериментов использовалась деионизированная вода (18,25 МОм см).

Синтез CQD

CQD были синтезированы из лимонного сока простой гидротермальной обработкой при относительно низких температурах и с помощью менее трудоемкого процесса. Типичные процессы подготовки образцов показаны на рис. 1. Восемьдесят миллилитров лимонного сока без мякоти смешивали с 60 мл этанола. Затем смесь переносили в автоклав из нержавеющей стали, оборудованный политетрафторэтиленом, и нагревали при постоянной температуре примерно 120 ° C в течение 3 часов. После реакции после естественного охлаждения до комнатной температуры получали темно-коричневый продукт. Темно-коричневый раствор промывали избытком дихлорметана для удаления непрореагировавших органических фрагментов, и эту стадию можно повторить 2–3 раза. Деионизированную воду добавляли до тех пор, пока объем коричневого раствора не увеличился до одной трети раствора, и центрифугировали при 10000 об / мин в течение 15 минут для отделения крупных частиц. Таким образом, образцы CQD могут быть получены карбонизацией лимонного сока, который содержит углеводы и органические кислоты, такие как глюкоза, фруктоза, сахароза, аскорбиновая кислота, лимонная кислота и т. Д., В качестве предшественников углерода. Наша простая гидротермальная реакция протекает при более низкой температуре (120 ° C) и занимает меньше времени (3 часа) по сравнению с описанным методом [24].

Получение CQD из лимонного сока гидротермальной обработкой

Характеристика

Морфологию и микроструктуру ККТ, полученных из лимонного сока, анализировали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (JEM 2100, Япония), работающего при 300 кВ. Кристаллическую фазу ККТ исследовали методом дифракции рентгеновских лучей (Rigaku TTR-III, Япония) с использованием излучения Cu-Kα ( λ =0,15418 нм). Спектр поглощения УФ-видимой области измеряли спектрофотометром УФ-видимой области (Specord200). Индуцированное фотонами излучение света исследовали с помощью флуоресцентного спектрофотометра (IHR320, HORIBA Jobin Yvon, США) для различных длин волн возбуждения в диапазоне от 330 до 490 нм. Спектры рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) регистрировались фотоэлектронным спектрометром PHI5000 Versa Probe II с Al Kα при 1486,6 эВ.

Результаты и обсуждения

Изображения CQD, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM), показаны на рис. 2. Изображение TEM с малым увеличением для свежеприготовленных образцов показывает, что CQD имеют однородную дисперсию. ККТ имеют сферическую форму с узким распределением по размерам от 2,0 до 4,5 нм и средним размером 3,1 нм, показанным на рис. 2b, c. На рис. 2d показан шаг решетки 0,215 нм, который соответствует грани [100] графитового углерода, а соответствующая картина быстрого преобразования Фурье (БПФ) ККТ дополнительно демонстрирует высококристаллическую структуру, согласующуюся с предыдущим отчетом [25]. По сравнению с предыдущими исследованиями [19, 21, 22, 23], как показано на рис. 2, ККТ, полученные в нашей работе, не только имеют хорошее качество, но и показывают лучшую однородную морфологию. Следовательно, CQD с однородной округлой морфологией и хорошо кристаллическими могут быть изготовлены с помощью простого процесса гидротермальной обработки. Производственный выход (PY) CQD можно рассчитать в соответствии с определением PY =( m / M ) × 100%, где m - масса ККТ, а M масса свежевыжатого лимонного сока. Выход продукции CQD, полученных в этом исследовании, составляет около 0,1% согласно результатам измерений, а именно, из 100 г жидкости с 6,30% лимонной кислоты можно получить около 0,1 г CQD (см. Таблицу 1).

а , c , d ТЕМ изображение. б Гранулометрический состав ККТ. е Соответствующий шаблон БПФ CQD

Типичный профиль рентгеновской дифракции (XRD) и XPS CQD показан на рис. 3. Имеется широкий пик (002) с центром при 2 θ ~ 21,73 °, а расстояние между слоями было рассчитано как 0,409 нм, что соответствует структуре графита, как показано на рис. 3а, что аналогично заявленным значениям для ККТ, полученных другими методами [15, 26]. Изменение межслоевого расстояния может быть вызвано введением большего количества кислородсодержащих групп, таких как присутствие –OH и –COOH на поверхности и краю ККТ во время процедуры гидротермальной реакции для получения ККТ. XPS и FTIR были использованы для определения состава CQD. Как показано на рис. 3b, c, спектр XPS показывает доминирующий пик графитового C1s при 284,5 эВ и пик O1s при 531,4 эВ CQD. Типичный пик при 284,7, 286,5 и 288,9 эВ при сканировании с высоким разрешением XPS-спектра C1s (рис. 3c относится к C =C / C – C, C – O и C =O / COOH, соответственно. Это ясно указывает на то, что CQD были функционализированы гидроксильными, карбонильными и группами карбоновых кислот, которые полезны для модификации и функционализации поверхности, а также способствуют растворимости в воде. На рисунке 3d показан спектр инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) для Присутствие кислородных функциональных групп различных типов в CQD подтверждается пиками при 3450 см ^-1 (Валентные колебания O – H), 2927 см ⁻¹ , 1407 см ⁻¹ (Валентные колебания C – H), 1726 см ⁻¹ (C =O валентные колебания), 1639 см ⁻¹ (C =C валентные колебания), 1227 см ⁻¹ (Валентные колебания C – OH) и 1080 см ⁻¹ (Валентные колебания C – O). Замечено, что анализ FTIR согласуется с приведенным выше результатом XPS. Что наиболее важно, пик C – O – C (эпоксидная смола) полностью исчез при 1290 см ⁻¹ . . Эти результаты предполагают механизм образования CQD с разрывом эпоксидных групп и образованием лежащих в основе связей C – C, впоследствии sp ² Домены экстрагировали из предшественников малых молекул, таких как глюкоза, фруктоза, аскорбиновая кислота и лимонная кислота, путем дальнейшей дегидратации или карбонизации и, в конечном итоге, с образованием CQD. Следовательно, разрыв связи окружающих кислородных групп способствует образованию ККТ [15, 27].

а Картина XRD. б XPS-спектры малого диапазона. c XPS-сканирование с высоким разрешением области C1s. г ИК-Фурье спектры ККТ

В настоящее время предложены и исследованы возможные механизмы образования ККТ из углеродных прекурсоров гидротермальным методом [28]. На основе этих опубликованных результатов мы можем понять механизм синтеза CQD из лимонного сока. Лимонный сок без мякоти нагревается и обезвоживается, чтобы сформировать базовый каркас C =C / C – C, который в основном состоит из CQD, а остальные молекулы достигают поверхности ядра, чтобы произвести новый C =C / Связь C – C и затем непрерывно растет в этой форме. По мере увеличения времени нагрева постепенно формируется морфология ККТ. В то же время в процессе гидротермальной обработки образующихся УКТ поверхность и край УКТ могут содержать много гидроксила (–OH), карбоксила (–COOH) и карбонила (–C =O) или других кислородных групп. содержащие функциональные группы; часть атомов H и O в этих группах может быть удалена путем дегидратации в гидротермальной среде.

Для исследования оптических свойств CQD, соответственно были измерены спектры поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях (UV-Vis) и фотолюминесценции (PL). Как показано на рис. 4а, пик оптического поглощения ККТ наблюдался в ультрафиолетовой области с максимумом поглощения при 283 нм, что связано с n - π * переход полосы C =O [29]. Спектр ФЛ на рис. 4b показывает, что длина волны излучения ФЛ ККТ достигает пика при 482 нм с длиной волны возбуждения 410 нм. Длина волны излучения сдвигалась с 430 до 530 нм, когда длина волны возбуждения увеличивалась с 330 до 490 нм. С увеличением длины волны возбуждения пики излучения флуоресценции переходят в красное смещение, указывая на возникновение реабсорбции фотонов. Результат показывает, что ККТ обладают зависимостью от возбуждения ФЛ [30]. Зеленые флуоресцентные ККТ также показывают широкий пик ФЛ, который смещается при изменении длины волны возбуждения, что связано с эффектом ограничения квантов и краевыми дефектами. При стандартном измерении ФЛ [22] квантовый выход флуоресценции ККТ составляет 16,7% при длине волны возбуждения 410 нм, где в качестве эталона использовался сульфат хинина. Это значение значительно лучше, чем QY (8,95%) CQD, сделанных из лимонного сока, в предыдущем отчете [24]. Известно, что QY ККТ может быть значительно увеличено после модификации или пассивации поверхности [30]. Добавление этанола в процессе синтеза может ввести больше функциональных групп, что может привести к более высокому QY CQD. Однако QY CQD в этом исследовании заметно ниже, чем QY CQD, синтезированных с использованием лимонной кислоты (CA) и этаноламина (EA) в качестве модельных молекул. Здесь пиролиз при 180 ° C привел к получению молекулярного предшественника с сильно интенсивной ФЛ и высоким QY, равным 50%, что связано с легированием азота в процессе синтеза [30].

а Спектры поглощения УКТ в УФ-видимой области, вставка:оптические изображения при дневном свете (слева) и УФ-свете (справа). б Спектры ФЛ ККТ на разных длинах волн возбуждения

Поскольку ККТ нетоксичны и безопасны для окружающей среды, они рассматриваются как альтернатива полупроводниковым квантовым точкам для применения в биологических системах как in vitro, так и in vivo. Синтезированные CQD наносили на оптическое изображение эпидермальных клеток лука, как показано на рис. 5. Флуоресцентная микроскопия показывает, что клеточные стенки и ядра внутренних эпидермальных клеток лука можно увидеть четко, с хорошей слоистостью и сильный в трехмерном смысле. Результаты показывают, что окрашивание и визуализация углеродных квантовых точек превосходны и не оказывают вредного воздействия на организмы и не наблюдают морфологических повреждений клеток, что дополнительно демонстрирует CQD с низкой цитотоксичностью. Конфокальное изображение на рис. 5 показывает, что CQD, синтезированные из лимонного сока, можно использовать в визуализации растительных клеток в качестве флуоресцентных индикаторов, кроме того, демонстрируя потенциальные применения биологической визуализации CQD.

Оптическое изображение эпидермальных клеток лука, окрашенных с использованием CQD, освещенных источником синего света

Выводы

В этом исследовании водорастворимые флуоресцентные квантовые точки углерода были синтезированы с использованием лимонного сока в качестве ресурса углерода путем простой гидротермальной реакции. Эти CQD обладают хорошими материальными и оптическими свойствами. Они могут излучать яркую сине-зеленую флуоресценцию под УФ или синим светом. Мы продемонстрировали, что CQD могут быть использованы для визуализации растительных клеток. Мы надеемся, что эти важные и важные открытия помогут нам глубже понять CQD и изучить более практические применения новых углеродных наноструктур.

Сокращения

CQD:

Квантовые точки углерода

БПФ:

Быстрое преобразование Фурье

ВЭЖХ:

Высокоэффективная жидкостная хроматография

PL:

Фотолюминесценция

QLED:

Светодиод на квантовых точках

КГ:

Квантовый выход

R-CD:

Углеродные точки с красным светом

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

УФ-видимый:

Видимость в ультрафиолете

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция