绿色合成的高发光碳量子点柠檬汁

文摘

高荧光碳点(C-dots)被锅简单的水热合成方法直接从柠檬汁使用不同的温度、时间、老化的前兆,稀释溶剂控制C的发光点。获得C-dots通过高分辨率透射电子显微镜,x射线光电子能谱、傅里叶变换红外分光光度法、动态光散射、紫外-可见分光光度法、和发光分光光度法。结果表明,C点有很强的绿光发射与量子产率在14.86 - 24.89%的范围作为热液温度的函数。此外,光发射,取决于水热时间、老化的前体,观察稀释溶剂。这些结果表明,C点在光电子学和bioimaging有潜在应用。

1。介绍

碳量子点在bioimaging (C-dots)得到了相当大的关注,因为他们的高度生物相容性、发光特性,和球形的纳米粒子1,2]。一般来说,合成C-dots包括碳化碳源。在不同资源,天然来源成为被广泛接受的绿色的前兆,这在生物医学有很大的优势,因为他们是简单的,可重复的、环境友好和具有成本效益的综合C-dots [3,4]。因此,相当大的努力已经取得了合成C-dots从丰富的自然资源。例如,C-dots源自苹果汁发出波长428 nm的量子收益率为6.4% 340纳米的紫外线激发下5]。量子产率的C-dots准备草莓是6.3%。最大波长为427 nm兴奋时的波长340 nm (6]。C-dots来自橙果汁的量子产率26%是记录(7]。最近,C-dots来自金合欢concinna种子表现出强劲的发射在468 nm兴奋时390海里的量子产率10.2%也报告(8]。除了果汁、植物废物如柚子皮(9],柳树皮[10),和西瓜去皮11可用于合成C-dots。最自然的C-dots发出短波长时短的激发波长而兴奋不已。然而,短的激发波长的高能源会造成组织和细胞的破坏限制在bioimaging和生物医学中的应用。最近,C-dots成功合成在我们实验室的热液治疗柠檬果汁(12]。在这个研究中,我们调查的影响水热温度的绿色发光C-dots在相对较长的波长的激发(420海里)。扩大这项研究,我们在此报告的影响水热时间、稀释溶剂,类型的前体和激发波长的发光C-dots。我们所知,这是第一次热液的影响时间和类型的前体的发光C-dots准备从柠檬果汁进行了研究,从而建立更科学的信息C-dots领域设计强大和稳定的光发射bioimaging和纳米。C-dots的微观结构特征的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)。C-dots的化学键是由傅里叶变换红外(FTIR)光谱。C-dots的光学性质也决定使用紫外吸收光致发光分光计,分别。

2。实验的程序

在一个典型的实验中,40毫升提取柠檬汁(乳白色的解决方案)放入Teflon-lined不锈钢高压釜热液治疗120到280°C 12 h。反应后,高压蒸汽自然冷却到室温。在水热过程中,乳白色的解决方案更改为深棕色的解决方案,表明C-dots的形成。这些碳点然后由2纯化去除较大的纳米颗粒μm滤纸。C-dots的微观结构和颗粒粒度分布测定通过使用高分辨率透射电子显微镜,HRTEM (JEOL JEM 2100年技术,东京,日本),和动态光散射(DLS、莫尔文、英国),分别。化学键的C点测量与傅里叶变换红外光谱(红外光谱使用优秀的频谱BX光谱仪)使用KBr丸和x射线光电子能谱仪(XPS Multilab 2000年,热费希尔科学、美国)。光学吸收和室温PL C点进行使用卡里500分光光度计和纳米日志荧光谱仪(美国新泽西州Horiba,爱迪生)配备了450 W氙弧灯。

3所示。结果与讨论

图1显示了转换的示意图C-dots柠檬果汁。如图1柠檬果汁,乳白色的解决方案是改变了深棕色的解决方案,表明C-dots的形成。这个解决方案发出紫外线激发下绿色。这个结果表明水热合成C-dots治疗的重要作用。C-dots的形成在自底向上的方法通常经过三个步骤:(i)热解碳质前体的高温,导致(ii)碳化和成核,紧随其后的是(3)表面钝化稳定剂。柠檬含有很少的脂肪和蛋白质。其组成主要由碳水化合物(10%)和水(88 - 89%)。碳水化合物在柠檬果汁通常含有纤维和糖如蔗糖、果糖和葡萄糖。科学家们认为任何碳水化合物含有C, H和O的比率1:2:1 C与O存在形式,允许在水热条件下脱水可以用来准备C-dots [13]。C-dots从柠檬汁的合成涉及的碳化成分。热液处理下,蔗糖进行水解生成葡萄糖和果糖。表面钝化法被认为是一个重要的步骤在生产高量子产率的发光C-dots。在这里,我们获得强大的发光C-dots没有任何表面钝化。

数据2(一)和2(b)显示HRTEM C-dots合成的图像在200和240°C。如数据所示2(一)和2(b),明显的黑点中观察到的图像显示单独的C-dots的形成。此外,计算大小分布C-dots合成在200和240°C的范围∼(12 - 15)纳米和∼3−5 nm,分别。

介绍图像没有显示明显的晶格结构的C-dots放大倍数越高,说明C-dots非晶点。虽然许多科学家已经证明了sp的存在²晶体碳,大多数C-dots结晶度较弱(13,14]。类似于自然来源的C-dots、柠檬juice-derived C-dots也非晶自然在这个研究。

C-dots的XPS谱图2(c)显示出峰在284.71 eV,另一个峰在529.63 eV应由c1和o1群,分别。c1的高分辨率光谱表明,碳存在于三个碳碳化学键在284.91 eV (1],c哦285.6 eV (7],C = O 289 eV(图2(d))。

化学键的存在证明了红外光谱(图3)。1713厘米的巅峰⁻¹对应于特征振幅C = O (7,15]。吸附在1390年达到顶峰,2925厘米⁻¹表明碳氢键的存在(15]。高峰在1360厘米⁻¹被认为是与羧基的振动有关。这个峰值的存在是由于酸的存在在C-dots 150和200°C之间的温度变化16]。1124厘米的巅峰⁻¹对应的拉伸模式C-O-C债券(17]。

数据4(一)和4 (b)显示DLS和电动电势C-dots合成在240°C在12 h。如图4(一),合成C-dots∼50 nm大小,这可能是由于C-dots的集聚。获得的泽塔潜在的结果表明,该C-dots∼9.48 mV,这说明相对好点的稳定性(图4 (b))。

图5显示了C-dots合成的紫外可见光谱在不同的温度下。如图5C-dots合成在150、200、240和280°C显示相似的紫外可见吸收中心。吸收峰在283 nm对应的过渡π- - - - - -πC = C键。紫外可见吸收光谱没有背景吸收的可见区域。这个结果表明,没有其他形式的nanocarbon部分碳化过程中产生的前体,通常在长波长吸收(18]。

光致发光激发(中国)的频谱测量C-dots通过监测排放在510 nm,如图6(一)。C-dots合成的比如光谱在240 - 280°C显示峰值集中在410 - 440纳米的范围。然而,请耐心的频谱C-dots合成在150 - 200°C显示峰值集中在450 - 480纳米的范围。所有C-dots最大激发波长范围从400到480纳米。图6 (b)显示的发光光谱C-dots获得不同温度下在12 h。发射峰显示绿色地区500至550海里取决于水热温度。特别是C-dots合成在150、200、240和280°C相应的发射峰值为550,540,518,508海里。水热温度降低时,辐射波长红移。这些结果可能归因于影响粒子的大小C-dots提高温度。换句话说,与大粒径C-dots将倾向于发出波长较长的由于量子限制效应(19]。

理解柠檬酸的作用相比,水热合成中使用不同的前体C-dots,我们测试了成熟的柠檬汁,新鲜柠檬汁和橙汁。的PL光谱C-dots前兆变化如图7。强大的PL发射峰位于500 nm观察到柠檬酸的前兆。的发射峰波长转移到一个更高的柠檬汁和橙汁作为前体。柠檬酸显示PL强度最高。也见过更高的PL观察到橙汁的柠檬果汁相比。这个结果是因为柠檬果汁有更高浓度的柠檬酸做橙汁。的PL光谱C-dots,很明显,高等PL观察新鲜柠檬果汁相比,成熟的柠檬果汁。这个结果解释说,成熟的柠檬果汁导致显著降低等级的成分和摧毁他们的表面结构,减少了PL发射。

C-dots的发光光谱在不同水热时间280°C的3、6、9和12 h图所示8(一个)。发现水热时间不会影响最大峰值位置,但对荧光强度的影响。随着水热时间的增加,排放的强度增加。热液治疗可以生成温度和压力效应的组合在柠檬汁前兆,引起选民的脱水、聚合和碳化。在水热过程中,水热时间越久可能导致更多的成分转化为碳化。图8 (b)显示了C-dots的发射光谱在不同的溶剂。C-dots在极性溶剂的排放强度是相对于纯C-dots显著增加。可以看出C-dots发光强度的水是最伟大的。由于水极化高于有机溶剂、C-dots在水中表现出最高的发光强度。也观察到类似的结果C-dots由洋葱(17]。

图9显示C-dots的发光光谱在不同温度的改变激发波长。随着波长的改变,C-dots的PL光谱在不同的温度下的120年,150年,200年,240°C表现出不同的波长依赖性。在低温下的120°C,有明显的依赖性最大发射波长的激发波长。当温度增加到150°C,它是观察到的发射波长的依赖程度激发波长变得不那么重要。热液温度达到200°C时,发光峰几乎是与激发波长无关。有两个主要原因的依赖的发光光谱C-dots合成在激发波长120和150°C。第一个原因是,在低温下,粒子大小也不一致。一些科学家已经证明C-dots具有不同的大小有不同的波长20.]。当一定波长与光投射到C-dots,相同大小的粒子发射将优先。当其他波长预计,其他大小的粒子会放出辐射。因此,C-dots取决于激发波长的发射光谱。当水热温度高(200°C或更高),C-dots粒子的大小更加均匀。因此,激发波长的波长的依赖不是观察到。后者引起的发射光谱的excitation-dependent行为C-dots在低温下合成的表面状态。正如我们所知,表面官能团如C = O,羧基,切断可以生成自己的能量水平。所以会有很多从激发态的电子转移方式的基本状态光子发射。观测的红外光谱谱C-dots产生在不同的温度下(图3)表明,在低温下,C-dots表面含有羧基,碳氢键,C-O-C和C = O组。在高温下,羧基,碳氢键,C-O-C组织移除和C = O组为主。这是excitation-independent发光的因素C必经点准备在高水热温度。

图10 ()显示了C-dots稀释的发光光谱与水体积比1:1由不同波长监控。纯C-dots,稀释C-dots激发波长发光特性的依赖。发射峰转移到更长的波长区域时激发波长增加。最大的排放强度时观察到524海里激发波长为420 nm。也观察到类似的结果C-dots稀释酒精,乙二醇和甲醇。由于C-dots与极性溶剂之间的相互作用,生成一系列发射的陷阱。当C-dots由一定波长的光辐照,这些表面陷阱。但当他们暴露在不同波长,其他类型的排放陷阱占主导地位。因此,当C-dots由不同波长激发,发射波长的稀释C-dots取决于激发波长。此外,最大的排放强度敏感的水量增加的浓度或其他敏感C-dots(图9 (b))。稀释C必经点,碰撞的概率低于纯C的重心点,因为C必经点之间的距离增加。在去离子水稀释C-dots减少碰撞灭火,在高浓度聚精会神。结果,在溶剂稀释C-dots的发光强度显著增加。

量子产率(QY)是一种发光纳米材料的重要参数表征。最简单的方法来确定QY涉及比较样品的发光强度与标准化合物。选择的标准和样品必须吸收和释放在同一地区。因为吸收光谱的荧光素钠和C-dots位于同一地区,选择荧光素钠的标准确定QY C-dots。众所周知,荧光素钠0.79时激动的QY 370 nm波长。五个不同浓度的标准和样品的混合,他们吸收在370 nm小于0.1。荧光素钠稀释在0.1 M氢氧化钠,C-dots与去离子水稀释。折射率为0.1 M氢氧化钠溶液和去离子水是1.33。所有样品的吸收光谱测量和吸光度确定在370海里。此外,它们的发光光谱激发波长370 nm也测量。 Figure11显示积分发光强度的依赖的吸光度标准在150°C和C-dots 12 h。数据显示整体发光强度的线性关系根据吸收。C-dots的量子产量是由以下方程: 下标st和在哪里分别代表了标准和样品,梯度图的集成发光强度和吸光度,然后呢折射率。C-dots合成在150°C的量子产率是14.86%。的QY C-dots合成在200、240和280°C 12小时在370 nm波长兴奋时使用类似的计算是16.87%,21.37%,和24.89%,分别。这些结果可能归因于有效的天然酸性成分转化为碳化水热温度的提高过程,是通过傅立叶变换红外光谱的结果。

了解使用C-dots合成的柠檬汁,我们比较了发光柠檬juice-derived C-dots与其他自然的前兆,及其量子产量表中列出1。这些结果清楚地表明,在这项研究中使用的柠檬汁增强量子收益率(QYs)在某种程度上。

4所示。结论

在本文中,我们在此证明,C的强大和稳定的绿光发射量点可以成功的锅水热合成方法。特别是,C-dots PL强度的增加而增加水热温度和时间。此外,C-dots稀释的强极性溶剂诱导发光比纯C-dots。获得C-dots拥有强大、惰性和稳定的发光特性将在光电子学和bioimaging特别重要的潜在应用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由教育部和培训(酩悦)授予数量B2017 BKA应承担的51。

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