Яркие флуоресцентные углеродные квантовые точки из лимонного сока: гидротермальный синтез и оптическая характеристика

Аннотация

Водорастворимые флуоресцентные углеродные квантовые точки (CQDs) синтезированы с использованием лимонного сока как углеродного источника простой гидротермальной реакцией. Полученные CQDs имеют средний размер 3,1 нм. Они демонстрируют равномерную морфологию и хорошую кристалличность, излучая яркое сине-зеленое свечение под УФ или синим излучением. Установлено, что флуоресценция этих CQDs в основном индуцируется присутствием кислородсодержащих групп на поверхности и краях. Кроме того, показано, что полученные CQDs применимы для визуализации растительных клеток. Это исследование касается фабрикации, изучения и применения вновь разработанных углеродных наноструктур.

Введение

Углеродные квантовые точки (CQDs) — новый класс углеродных наноматериалов обычно с пространственным размером менее 20 нм, открытые Xu et al. в 2004 г. Флуоресцентные углеродные наночастицы были получены Sun et al. лазерной абляцией графита в 2006 г. и с тех пор названы «углеродными квантовыми точками». Флуоресцентные CQDs имеют большой потенциал в фотокатализе, оптоэлектронных приборах, биомедицине, тонкопленочных дисплеях, здоровом освещении и других практических областях. По сравнению с традиционными полупроводниковыми квантовыми точками, CQDs получаются малостоимостными методами и обладают важными свойствами: хорошей биосовместимостью, точной биологической адресацией, низкой токсичностью и более сильным квантовым размерным эффектом. В последние годы флуоресцентные CQDs привлекли огромное внимание благодаря отличным структурным и оптическим свойствам. Их предлагают как замещающие материалы для обычных полупроводниковых квантовых точек в биологической визуализации, маркировке, QLED, экологии и смежных областях. Исследования CQDs быстро растут в физике конденсированного состояния, материаловедении, электронике и оптоэлектронике.

На данный момент существуют разные методы синтеза CQDs: гидротермальный подход, микроволновый метод и др. CQDs синтезировали из различных углеродных предшественников: глюкозы, лимонной кислоты, аскорбиновой кислоты. Однако технология эффективного получения биосовместимых флуоресцентных CQDs в крупномасштабном производстве все еще нужна и является вызовом для практических применений. Обратили внимание, что прямой синтез CQDs из пищевых продуктов и/или побочных продуктов — одна из перспективных стратегий. Красные углеродные точки (R-CDs) со средним диаметром 4 нм и высоким квантовым выходом (QY) 28% в воде были синтезированы нагреванием этанолового раствора лимонного сока без мякоти. Сильный восстановитель NaBH₄, добавленный к R-CDs, использовался для усиления свечения. Однако NaBH₄ токсичен. Недавно мы fabriцировали зелено- и сине-излучающие CQDs из сточных вод тофу без токсичных добавок. CQDs из пищевых продуктов считаются безопасными для биологических применений, так как в этих природных углеродных ресурсах почти нет известной токсичности. Недавно серьезные исследования проводились по синтезу CQDs из нетоксичных источников одностадийным методом, достигнув значительного прогресса. Например, чеснок использовался как зеленый источник для синтеза CQDs. Детальные структурные и составные исследования показали, что содержание N и образование C–N и C=N ключевы для повышения фоtolюминесцентного квантового выхода. Кроме того, CQDs демонстрируют отличную стабильность в широком pH диапазоне и высоких концентрациях NaCl, делая их применимыми в сложных и суровых условиях.

Главная цель настоящей работы — разработать простой и эффективный экспериментальный метод малостоимостного фабрикации CQDs из лимонного сока гидротермальной обработкой при относительно низких температурах и менее затратном по времени процессе. Известно, что лимонный сок легко и дешево доступен, поэтому он хорош как углеродный источник для CQD-образцов и приборов. По сравнению с предыдущим исследованием, нетоксичные CQDs, полученные в нашей работе, более подходят для биологической визуализации и клетковых маркеров. В этом исследовании мы также изучаем базовые материаловые и оптические свойства CQDs из лимонного сока и применяем их для визуализации растительных клеток.

Методы

Предшествующие материалы

В этом исследовании углеродные предшествующие материалы взяты из свежего лимонного сока. Основные ингредиенты и их проценты получены HPLC измерениями, как показано в Таблице 1. Для подготовки образцов свежий лимон как углеродный источник и свежий лук для клетковой визуализации закупались в местном супермаркете. Этанол аналитически чистый использовался как диспергирующий агент. Деионизированная вода (18,25 МОм·см) использовалась для экспериментов.

Синтез CQDs

CQDs синтезировали из лимонного сока простой гидротермальной обработкой при относительно низких температурах и менее затратном по времени процессе. Типичные процессы подготовки образца показаны на Рис. 1. 80 мл лимонного сока без мякоти смешивали с 60 мл этанола. Смесь переносили в политетрафторэтилен-оборудованную нержавеющую автоклав и нагревали при постоянной температуре около 120 °C в течение 3 ч. После реакции темно-коричневый продукт получали после естественного остывания до комнатной температуры. Темно-коричневый раствор вымывали избыточным дихлорметаном для удаления нереагировавших органических фракций, этот шаг повторяли 2–3 раза. Деионизированную воду добавляли до увеличения объема бурого раствора до одной трети и центрифугировали при 10000 об/мин 15 мин для разделения крупных частиц. Таким образом, образцы CQDs получают карбонизацией лимонного сока, содержащего углеводы и органические кислоты: глюкозу, фруктозу, сахарозу, аскорбиновую кислоту, лимонную кислоту и др. как углеродные предшественники. Наш простой гидротермальный реакция при более низкой температуре (120 °C) и занимает меньше времени (3 ч), по сравнению с сообщенным методом.

Характеристика

Морфология и микроструктура CQDs из лимонного сока анализировали трансмиссионной электронной микроскопией (JEM 2100, Япония) при 300 кВ. Кристаллическая фаза CQDs изучали рентгеновской дифракцией (Rigaku TTR-III, Япония) с Cu-Kα излучением (λ = 0,15418 нм). UV-Vis поглощение измеряли спектрофотометром (Specord200). Фотоиндуцированную свечение изучали флуоресцентным спектрофотометром (IHR320, HORIBA Jobin Yvon, США) для разных длин волн возбуждения от 330 до 490 нм. XPS спектры записывали на PHI5000 Versa Probe II с Al Kα при 1486,6 эВ.

Результаты и обсуждение

ТЭМ изображения CQDs показаны на Рис. 2. Низкое увеличение ТЭМ указывает на равномерную дисперсию CQDs. CQDs сферические по форме с узким распределением размеров 2,0–4,5 нм и средним размером 3,1 нм (Рис. 2б,в). Рис. 2г показывает решетковый интервал 0,215 нм, соответствующий фасете [100] графитоподобного углерода, и соответствующая быстрая фурье-преобразованная (FFT) структура CQDs дополнительно показывает высококристаллическую структуру, согласованную с предыдущим отчетом. По сравнению с предыдущими исследованиями, CQDs, полученные в нашей работе, не только имеют хорошее качество, но и показывают лучшую равномерную морфологию. Поэтому CQDs с равномерной округлой морфологией и хорошей кристалличностью могут быть фабрикованы через простой гидротермальный процесс. Выход продукции (PY) CQDs рассчитывают как PY = (m/M) × 100%, где m — масса CQDs, M — масса свежего лимонного сока. Выход продукции CQDs в этом исследовании составляет около 0,1% по результатам измерений, т.е. 100 г жидкости с 6,30% лимонной кислотой дают около 0,1 г CQDs (см. Таблицу 1).

Типичные XRD и XPS профили CQDs показаны на Рис. 3. Наблюдается широкая (002) пик в области 2θ~21,73°, межслойный интервал рассчитан как 0,409 нм, соответствующий графитовой структуре (Рис. 3а), похож на сообщенные значения для CQDs других методов. Вариация межслойного расстояния может быть вызвана введением большего числа кислородсодержащих групп, таких как –OH и –COOH на поверхности и краях CQDs в процессе гидротермической реакции. XPS и FTIR применяли для определения состава CQDs. Как показано на Рис. 3б,в, XPS спектр показывает доминантный графитовый C1s пик при 284,5 эВ и O1s пик при 531,4 эВ CQDs. Типичные пики при 284,7; 286,5 и 288,9 эВ в высоком разрешении C1s XPS (Рис. 3в) атрибутируются к C=C/C–C, C–O и C=O/COOH соответственно. Это четко указывает, что CQDs функционализированы гидроксил, карбонил и карбоксильными группами, что полезно для поверхностной модификации и функционализации, а также способствует растворимости в воде. Рис. 3г показывает ФТИР спектр CQDs. Наличие кислородных функциональностей разных типов в CQDs подтверждается пиками при 3450 см⁻¹ (O–H растяжения), 2927 см⁻¹, 1407 см⁻¹ (C–H растяжения), 1726 см⁻¹ (C=O растяжения), 1639 см⁻¹ (C=C растяжения), 1227 см⁻¹ (C–OH растяжения) и 1080 см⁻¹ (C–O растяжения). Обратите внимание, что ФТИР анализ согласуется с вышеуказанным XPS результатом. Самое главное, C–O–C (эпоксид) пик полностью исчез при 1290 см⁻¹. Эти результаты подразумевают механизм формирования CQDs: эпоксидные группы разрываются и нижележащие C–C связи формируются, затем sp² домены извлекаются из маломолекулярных предшественников (глюкоза, фруктоза, аскорбиновая кислота, лимонная кислота) дальнейшей дегидратацией или карбонизацией и в конечном итоге формируют CQDs. Поэтому разрыв окружающих кислородных групп способствует формированию CQDs.

На данный момент возможные механизмы формирования CQDs из углеродных предшественников гидротермальным методом предложены и изучены. На основе этих опубликованных результатов мы можем понять механизм синтеза CQDs из лимонного сока. Мякоть-бесплатный лимонный сок нагревают и дегидратируют для формирования базового каркаса C=C/C–C, который в основном состоит из CQDs, а остальные молекулы достигают поверхности ядра для производства новых C=C/C–C связей и затем растут непрерывно в этой форме. С увеличением времени нагрева морфология CQDs постепенно формируется. Одновременно в процессе гидротермической обработки для формирования CQDs, поверхность и края CQDs могут содержать много гидроксильных (–OH), карбоксильных (–COOH), карбонилных (–C=O) или других кислородсодержащих функциональных групп; часть H и O атомов в этих группах может быть удалена дегидратацией в гидротермической среде.

Для изучения оптических свойств CQDs измеряли UV-Vis поглощение и фоtolюминесценцию (PL). Как показано на Рис. 4а, оптический поглощающий пик CQDs наблюдался в УФ области с максимумом при 283 нм, что обусловлено n-π* переходом полосы C=O. PL спектр на Рис. 4б показывает, что PL излучение CQDs достигает пика при 482 нм при длине волны возбуждения 410 нм. Длина волны излучения смещалась от 430 до 530 нм при увеличении длины волны возбуждения от 330 до 490 нм. С увеличением длины волны возбуждения флуоресцентные пики смещаются к красной области, указывая на повторное поглощение фотонов. Результат показывает, что CQDs имеют зависящую от возбуждения PL особенность. Зеленые флуоресцентные CQDs также показывают широкий PL пик, смещающийся с изменением длины волны возбуждения, что связано с квантовым ограничением и краевыми дефектами. По стандартному PL измерению, квантовый выход флуоресценции CQDs составляет 16,7% при длине волны возбуждения 410 нм, где хининсульфат использовался как референс. Это значение значительно лучше QY (8,95%) CQDs из лимонного сока в предыдущем отчете. Известно, что QY CQDs может быть драматически усилен после поверхностной модификации или пассивации. Добавление этанола в процессе синтеза может вводить больше функциональных групп, что приводит к более высокому QY CQDs. Однако QY CQDs в этом исследовании заметно ниже QY CQDs, синтезированных с лимонной кислотой (CA) и этаноламином (EA) как модельными молекулами. Здесь пиролиз при 180 °C дал молекулярный предшественник с интенсивным PL и высоким QY 50%, что обусловлено N-допированием в процессе синтеза.

Будучи нетоксичными и экологически чистыми, CQDs рассматриваются как альтернативы полупроводниковым квантовым точкам для применения в биологических системах in vitro и in vivo. Полученные CQDs применяли в оптические изображения луковичных эпидермальных клеток как показано на Рис. 5. Флуоресцентная микроскопия показывает, что клеточные стенки и ядра внутренних эпидермальных клеток лука видны четко, хорошо вписанные и сильны в трехмерном смысле. Результаты показывают, что окраска и визуализация углеродных квантовых точек отличны и не имеют неблагоприятного влияния на организмы и не наблюдается морфологических повреждений клеток, дополнительно демонстрируя низкую цитотоксичность CQDs. Конфокальное изображение на Рис. 5 указывает, что CQDs, синтезированные из лимонного сока, могут использоваться в визуализации растительных клеток как флуоресцентные индикаторы, более того, показывая потенциальные применения CQDs в биологической визуализации.

Заключение

В этом исследовании водорастворимые флуоресцентные углеродные квантовые точки были синтезированы с использованием лимонного сока как углеродного ресурса простой гидротермальной реакцией. Эти CQDs обладают хорошими материаловыми и оптическими свойствами. Они могут излучать яркую сине-зеленую флуоресценцию под УФ или синим излучением. Мы продемонстрировали, что CQDs могут использоваться в визуализации растительных клеток. Надеемся, эти важные и значимые находки помогут нам получить глубокое понимание CQDs и исследовать больше практических применений новых углеродных наноструктур.

Аббревиатуры

CQDs:

Углеродные квантовые точки

FFT:

Быстрое фурье-преобразование

HPLC:

Высокоэффективная жидкостная хроматография

PL:

Фоtolюминесценция

QLED:

Квантово-точечный светодиод

QY:

Квантовый выход

R-CDs:

Красные углеродные точки

TEM:

Трансмиссионная электронная микроскопия

UV-Vis:

Ультрафиолетово-видимый

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция