Heldere fluorescerende koolstofkwantumdots uit citroensap: hydrothermale synthese en optische karakterisatie

Samenvatting

Wateroplosbare fluorescerende koolstofkwantumdots (CQDs) worden gesynthetiseerd door citroensap te gebruiken als koolstofbron via een eenvoudige hydrothermale reactie. De verkregen CQDs hebben een gemiddelde grootte van 3,1 nm. Ze vertonen een uniforme morfologie en zijn goed gekristalliseerd en kunnen helder blauw-groen lichtemissie genereren onder UV of blauw licht bestraling. We vinden dat de fluorescentie van deze CQDs voornamelijk wordt geïnduceerd door de aanwezigheid van zuurstofbevattende groepen op het oppervlak en de rand van de CQDs. Bovendien tonen we aan dat de als-gemaakte CQDs kunnen worden toegepast voor het imageren van plantencellen. Deze studie heeft betrekking op de fabricatie, onderzoek en toepassing van nieuw ontwikkelde koolstofnanostructuren.

Achtergrond

Koolstofkwantumdots (CQDs) zijn een nieuwe klasse koolstof-gebaseerde nanomaterialen normaal met een ruimtelijke grootte kleiner dan 20 nm, ontdekt door Xu et al. in 2004 [1]. De fluorescerende koolstofnanodeeltjes werden vervaardigd door Sun et al. via laserablatie van grafietpoeder in 2006 [2] en sindsdien "koolstofkwantumdots (CQDs)" genoemd. Fluorescerende CQDs hebben een groot potentieel voor toepassing in fotokatalyse, opto-elektronische toestellen, biomedicine, dunne film displays, gezonde verlichting en andere praktische toepassingsgebieden. Vergeleken met traditionele halfgeleider-gebaseerde kwantumdots, kunnen CQDs verkregen worden door laag-kost fabricagetechnieken en hebben ze fascinerende en belangrijke kenmerken zoals goede bio-compatibiliteit, nauwkeurige biologische targeting, lage toxiciteit en sterker kwantumgrootteeffect. In recente jaren hebben fluorescerende CQDs enorme aandacht getrokken [3, 4] vanwege hun uitstekende structurele en optische eigenschappen [5]. Ze zijn voorgesteld als substitutiematerialen voor conventionele halfgeleider kwantumdots in toepassingsgebieden waaronder biologisch imaginen, biologisch labelen, kwantumdot LED (QLED), milieubescherming en andere gerelateerde velden [6,7,8,9]. Het onderzoek naar CQDs groeit snel in de vastestoffysica, materialenwetenschap, elektronica en opto-elektronica. Gerelateerde fundamentele en toepassingsstudies zijn wereldwijd uitgebreid ondernomen [3,4,5,6,7,8,9].

Op dit moment zijn er diverse technieken [10, 11] om CQDs te synthetiseren, zoals hydrothermale benadering [11, 12], microgolfmethode [13], enz. CQDs zijn gesynthetiseerd uit verschillende koolstofprecursoren zoals glucose [14], citraatzuur [15] en ascorbijnzuur [16]. Echter, de techniek voor efficiënte fabricage van biocompatibele fluorescerende CQDs op grote productieschaal is nog steeds nodig en is een uitdaging geworden voor praktische toepassingen van CQDs. Het is opgevallen dat de directe synthese van CQDs uit voedingsproducten [17,18,19] en/of bijproducten [20] een van de veelbelovende en significante strategieën is. Rood-emitterende koolstofdots (R-CDs) met een gemiddelde diameter van 4 nm en een hoge kwantumopbrengst (QY) van 28% in water werden gesynthetiseerd [21] door verwarmen van een ethanoloplossing van pulpvrij citroensap. Een sterke reductant NaBH₄ toegevoegd aan de R-CDs werd gebruikt als middel om de intensiteit van lichtemissie van de R-CDs te verhogen. Echter, we weten dat NaBH₄ giftig is. Heel recent hebben we groen- en blauw-emitterende CQDs geproduceerd uit tofu-afvalwater zonder toevoeging van giftige stoffen [22]. CQDs gemaakt uit voedingsproducten en/of bijproducten worden beschouwd als veilig voor biologische toepassingen omdat er bijna geen bekende toxiciteit is in deze natuurlijke koolstofbronnen. Recent zijn diverse serieuze onderzoeken uitgevoerd om CQDs te synthetiseren uit niet-giftige koolstofbronnen met een één-stapsbenadering en is significante vooruitgang geboekt in de synthese, studie en toepassing van deze CQDs. Bijvoorbeeld, knoflook werd gebruikt als groene bron om CQDs te synthetiseren [23]. Gedetailleerde structurele en samenstellingstudies toonden aan [23] dat de inhoud van N en de vorming van C–N en C=N sleutels zijn om de fotoluminescentie (PL) QY te verbeteren. Verder vertonen de CQDs uitstekende stabiliteit in een breed pH-bereik and hoge NaCl concentraties, wat ze toepasbaar maakt in gecompliceerde en harde omstandigheden [23].

De primaire motivatie van het huidige werk is om een eenvoudige en efficiënte experimentele methode te ontwikkelen voor laag-kost fabricage van CQDs uit citroensap door hydrothermale behandeling bij relatief lage temperaturen en via een minder tijdrovend proces. Het is bekend dat citroensap gemakkelijk en goedkoop verkregen kan worden, en daarom is het een goede koolstofbron voor CQD-gebaseerde monster- en toestelfabricage. Vergeleken met de vorige studie [21], zijn de niet-giftige CQDs verkregen in ons werk meer geschikt voor biologisch imaginen en celmarkers. In deze studie voeren we ook de onderzoek uit van de basis materiaal- en optische eigenschappen van de CQDs gerealiseerd uit citroensap en passen de CQDs toe voor het imageren van plantencellen.

Methoden

Voorgangersmaterialen

In deze studie worden de koolstof voorgangersmaterialen afgeleid van vers citroensap. De belangrijkste ingrediënten en hun percentages zijn verkregen door high-performance liquid chromatography (HPLC) meting zoals getoond in Tabel 1. Voor monsterbereiding werd het verse citroen genomen als koolstofbron en verse ui gebruikt voor celimaging, gekocht van de lokale supermarkt. Het ethanol was analytisch zuiver en werd gebruikt als dispersiemiddel. Gedemineraliseerd water (18,25 MΩ cm) werd gebruikt voor de experimenten.

Synthese van CQDs

De CQDs werden gesynthetiseerd uit citroensap door een eenvoudige hydrothermale behandeling bij relatief lage temperaturen en door een minder tijdrovend proces. De typische monsterbereidingsprocessen zijn getoond in Fig. 1. Tachtig milliliter pulpvrij citroensap werd gemengd met 60 ml ethanol. Het mengsel werd vervolgens overgebracht in een polyterrafluoroetheen-uitgeruste roestvrijstalen autoklaaf en verwarmd bij een constante temperatuur van ongeveer 120 °C gedurende 3 uur. Na de reactie werd het donkerbruine product verkregen na natuurlijke afkoeling tot kamertemperatuur. De donkerbruine oplossing werd gewassen met overmaat dichloormethaan om de ongereageerde organische moietes te verwijderen en deze stap kan 2-3 keer herhaald worden. Gedemineraliseerd water werd toegevoegd tot het volume van de bruine oplossing toenam tot een derde van de oplossing en gecentrifugeerd bij 10000 toer/min gedurende 15 min om de grote deeltjes te scheiden. Zo kunnen de CQD monsters verkregen worden door koolstofverlies van citroensap, dat koolhydraten en organische zuren bevat zoals glucose, fructose, saccharose, ascorbijnzuur, citraatzuur, etc. als koolstofprecursoren. Onze gemakkelijke hydrothermale reactie is bij een lagere temperatuur (120 °C) en duurt minder lang (3 uur), vergeleken met de gerapporteerde methode [24].

Karakterisatie

De morfologie en microstructuren van de CQDs gerealiseerd uit citroensap werden geanalyseerd door de transmissie-elektronenmicroscoop (JEM 2100, Japan) bediend bij 300 KV. De kristallijne fase van de CQDs werd onderzocht door röntgendiffractie (Rigaku TTR-III, Japan) met Cu-Kα straling (λ = 0,15418 nm). Het UV-Vis absorptiespectrum werd gemeten door een UV-Vis spectrofotometer (Specord200). De foton-geïnduceerde lichtemissie werd onderzocht door fluorescentiespectrofotometer (IHR320, HORIBA Jobin Yvon, VS) voor verschillende excitatiegolflengtes variërend van 330 tot 490 nm. De röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) spectra werden opgenomen door PHI5000 Versa Probe II foto-elektronspectrometer met Al Kα bij 1486,6 eV.

Resultaten en discussie

De transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden van CQDs worden getoond in Fig. 2. De lage vergrotings TEM afbeelding van de als-gemaakte monsters geeft aan dat CQDs een uniforme dispersie hebben. De CQDs zijn bolvormig van vorm met een smalle grootteverdeling variërend van 2,0 tot 4,5 nm en met een gemiddelde grootte van 3,1 nm getoond in Fig. 2b, c. Figuur 2d toont de roosterafstand van 0,215 nm wat overeenkomt met het [100] facet van grafietkoolstof, en de corresponderende snelle Fourier transformatie (FFT) patroon van de CQDs toont verder de hoogst gekristalliseerde structuur, consistent met de eerdere rapportage [25]. Vergeleken met eerdere studies [19, 21,22,23], zoals getoond in Fig. 2, hebben de CQDs verkregen in ons werk niet alleen goede kwaliteit maar tonen ook betere uniforme morfologie. Daarom kunnen CQDs met uniforme afgeronde morfologie en goed gekristalliseerd worden geproduceerd door een gemakkelijke hydrothermale behandeling. De productieopbrengst (PY) van CQDs kan berekend worden volgens de definitie PY = (m/M) × 100%, waar m de massa van de CQDs is, en M de massa van vers citroensap. De productieopbrengst van CQDs bereid in deze studie is ongeveer 0,1% volgens de meetresultaten, namelijk 100 g vloeistof met 6,30% citraatzuur kan ongeveer 0,1 g CQDs verkrijgen (zie Tabel 1).

De typische röntgendiffractie (XRD) en XPS profiel van CQDs worden getoond in Fig. 3. Er is een brede (002) piek gecentreerd bij 2θ~21,73°, en de tussenlaagafstand werd berekend op 0,409 nm, overeenkomend met de grafietstructuur, zoals getoond in Fig. 3a, wat vergelijkbaar is met de gerapporteerde waarden voor CQDs bereid door andere methoden [15, 26]. De variatie van de tussenlaafafstand kan veroorzaakt worden door de introductie van meer zuurstofbevattende groepen zoals de aanwezigheid van –OH en –COOH op het CQD oppervlak en rand tijdens de procedure van hydrothermale reactie voor de bereiding van CQDs. XPS en FTIR werden gebruikt om de samenstelling van CQDs te detecteren. Zoals getoond in Fig. 3b, c, toont het XPS spectrum een dominante grafiet C1s piek bij 284,5 eV en O1s piek bij 531,4 eV van CQDs. De typische piek bij 284,7, 286,5 en 288,9 eV in een hoge-resolutie scan van het C1s XPS spectrum (Fig. 3c) wordt toegeschreven aan C=C/C–C, C–O en C=O/COOH, respectievelijk. Het duidt duidelijk aan dat CQDs gefunctionaliseerd waren met hydroxyle, carbonyl en carboxylzuurgroepen, wat gunstig is voor oppervlaktemodificatie en functionalisatie, en ook bijdraagt aan de oplosbaarheid in water. Figuur 3d toont de Fourier transformatie infraroodspectroscopie (FTIR) spectrum van de CQDs. De aanwezigheid van zuurstoffunctionaliteiten van verschillende typen in CQDs werd bevestigd door pieken bij 3450 cm⁻¹ (O–H rekvibraties), 2927 cm⁻¹, 1407 cm⁻¹ (C–H rekvibraties), 1726 cm⁻¹ (C=O rekvibraties), 1639 cm⁻¹ (C=C rekvibraties), 1227 cm⁻¹ (C–OH rekvibraties) en 1080 cm⁻¹ (C–O rekvibraties). Het valt op dat de FTIR analyse in lijn is met het bovenstaande XPS resultaat. Het meest belangrijk is dat de C–O–C (epoxy) piek volledig verdween bij 1290 cm⁻¹. Deze resultaten impliceren het formatiemechanisme van CQDs, waarbij de epoxygroepen breken en de onderliggende C–C bindingen gevormd worden, vervolgens de sp² domeinen werden geëxtraheerd uit kleine molecuulprecursoren zoals glucose, fructose, ascorbijnzuur en citraatzuur door verdere dehydratatie of koolstofverlies en uiteindelijk CQDs te vormen. Daarom draagt de bindingscheuring van de omringende zuurstofgroepen bij tot de vorming van de CQDs [15, 27].

Op dit moment zijn de mogelijke mechanismen voor de vorming van CQDs uit koolstofprecursoren door de hydrothermale methode voorgesteld en onderzocht [28]. Op basis van deze gepubliceerde resultaten kunnen we het synthese mechanism van CQDs uit citroensap begrijpen. Het pulpvrije citroensap wordt verwarmt en gedeshydrateerd om het basisframework van C=C/C–C te vormen wat voornamelijk samengesteld is uit CQDs, en de rest van de moleculen bereiken het oppervlak van de kern om een nieuwe C=C/C–C binding te produceren en groeien vervolgens continu in deze vorm. Met de verlengding van de verwarmingstijd, wordt de morfologie van CQDs geleidelijk gevormd. Tegelijkertijd, in het proces van hydrothermale behandeling om CQDs te vormen, kunnen het oppervlak en de rand van CQDs veel hydroxyle (–OH), carboxyl (–COOH) en carbonyl (–C=O) of andere zuurstofbevattende functionele groepen bevatten; een deel van de H en O atomen in deze groepen kan verwijderd worden door dehydratatie in de hydrothermale omgeving.

Om de optische eigenschappen van CQDs te onderzoeken, werden ultraviolet-zichtbaar (UV-Vis) absorptie en fotoluminescentie (PL) spectra van CQDs gemeten. Zoals getoond in Fig. 4a, werd het optische absorptiepiek van de CQDs waargenomen in het ultraviolette gebied met een maximale absorptie bij 283 nm, wat te wijten is aan n-π* overgang van de C=O band [29]. Het PL spectrum in Fig. 4b toont dat de PL emissiegolflengte van CQDs het piek bereikt bij 482 nm met een excitatiegolflengte van 410 nm. De emissiegolflengte verschuifde van 430 tot 530 nm toen de excitatiegolflengte werd verhoogd van 330 tot 490 nm. Met de toename van excitatiegolflengte, keren fluorescentie-emissiepieken naar rode verschuiving, wat verwijst naar het optreden van fotonherabsorptie. Het resultaat onthult dat CQDs een excitatie-afhankelijk PL kenmerk heeft [30]. De groen fluorescerende CQDs tonen ook een brede PL piek die verschuift met de verandering van excitatiegolflengte, wat gerelateerd is aan het kwantum-insluitingseffect en randeffecten. Met de standaard PL meting [22], is de fluorescentie kwantumopbrengst van de CQDs 16,7% met een excitatiegolflengte van 410 nm, waar kinine sulfaat was gebruikt als referentie. Deze waarde is significant beter dan de QY (8,95%) van CQDs gemaakt uit citroensap in het vorige rapport [24]. Het is bekend dat de QY van de CQDs dramatisch kan worden verbeterd na oppervlaktemodificatie of passivering [30]. Het toevoegen van ethanol tijdens het synthetiseringsproces kan meer functionele groepen introduceren wat kan resulteren in een hogere QY van CQDs. Echter, de QY van de CQDs in deze studie is merkbaar lager dan de QY van de CQDs gesynthetiseerd door gebruik te maken van citraatzuur (CA) en ethanolamine (EA) als modelmoleculen. Hier leidde pyrolyse bij 180 °C tot een moleculaire precursor met een sterk intense PL en hoge QY van 50%, wat te wijten is aan de N-doping tijdens het syntheseproces [30].

Omdat ze niet-giftig en milieuvriendelijk zijn, worden de CQDs beschouwd als alternatieven voor halfgeleider kwantumdots om toegepast te worden in biologische systemen zowel in vitro als in vivo. De als-gesynthetiseerde CQDs werden toegepast in een optische beeld van ui-epidermiscellen zoals getoond in Fig. 5. De fluorescentiemicroscopie onthult dat de celwanden en celdijkern van de binnenste epidermiscellen van de ui duidelijk kunnen worden gezien, goed-ingebed en sterk in driedimensionale zin. De resultaten tonen aan dat de kleuring en imaging van koolstofkwantumdots uitstekend zijn en geen nadelige effecten hebben op organismen en geen morfologische schade aan de cellen waargenomen, wat verder aantoont dat CQDs een lage cytotoxiciteit hebben. Het confocalbeeld in Fig. 5 geeft aan dat de CQDs gesynthetiseerd uit citroensap gebruikt kunnen worden in plantencel imaging als fluorescerende indicatoren, bovendien het potentieel van CQDs biologisch imaginen tonend.

Conclusies

In deze studie zijn wateroplosbare fluorescerende koolstofkwantumdots gesynthetiseerd met citroensap als koolstofbron door een gemakkelijke hydrothermale reactie. Deze CQDs hebben goede materiaal- en optische eigenschappen. Ze kunnen heldere blauw-groene kleur fluorescentie emitteren onder UV of blauw licht bestraling. We hebben aangetoond dat de CQDs gebruikt kunnen worden in imaging van plantencellen. We hopen dat deze belangrijke en significante bevindingen ons kunnen helpen om een diepgaand begrip te krijgen van CQDs en meer praktische toepassingen van de nieuw ontwikkelde koolstof-gebaseerde nanostructuren te verkennen.

Afkortingen

CQDs:

Koolstofkwantumdots

FFT:

Snelle Fourier transformatie

HPLC:

High-performance liquid chromatography

PL:

Fotoluminescentie

QLED:

Kwantumdot LED

QY:

Kwantumopbrengst

R-CDs:

Rood-emitterende koolstofdots

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscoop

UV-Vis:

Ultraviolet-zichtbaar

XPS:

Röntgenfoto-elektronspectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie