Zwavelzuur-ondersteunde bereiding van rood-emitterende verkoolde polymeerstippen en de toepassing van bio-imaging

Resultaten en discussie

Voorbereiding voor rode CPD's optimaliseren

In basisexperimenten werden verschillende zuurondersteunde systemen met verschillende concentratieverhoudingen, reactietemperaturen en tijden onderzocht (zie aanvullend bestand 1:figuur S1). We ontdekten dat rode CPD's kunnen worden gevormd boven 180 ° C (reagerend gedurende 2 uur) voor verschillende zuursystemen, en de reacties worden niet beïnvloed door anionen in de oplossingen. Langdurig (4–12 u, 240 °C voor H₃ PO₄ en HF-systemen, zie aanvullend bestand 1:figuur S1f) reactie zal de deeltjesgrootte vergroten en de rode fluorescentie zal uiteindelijk vervagen, terwijl de fluorescentieverandering niet duidelijk is voor het HCl-systeem (2–6 uur, 200 °C, zie aanvullende bestand 1:Afbeelding S2). Gezien de energiebesparing en de bovenste temperatuurlimiet van Teflon-voering, worden de optimale temperatuur en reactietijd gekozen op respectievelijk 200 ° C en 2 uur. Gebaseerd op de optimalisatiestrategie van p -PD + HCl-systeem (zie Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2), we hebben de p geoptimaliseerd -PD + H₂ SO₄ en p -PD + HClO₄ systemen en behaalde de optimalisatieresultaten zoals weergegeven in tabel 1.

SA-CPD's, HC-CPD's en PA-CPD's werden bereid uit p -PD-oplossing met de hulp van H₂ SO₄ , HCl en HClO₄ , respectievelijk. De geoptimaliseerde c (zuur) naar c (p -PD) verhoudingen van H₂ SO₄ -, HCl- en HClO₄ -ondersteunde systemen zijn respectievelijk 1, 3 en 3 (zie Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3a). De geschikte c (p -PD) het bereik voor de voorbereiding van rode CPD's is breed (van 0,02 tot 0,20 mol L ^− 1 ). De geoptimaliseerde temperatuur (T ) en de reactietijd (t ) zijn 200 °C en 2 uur. SA-CPD's zijn de helderste rode CPD's met een hoge QY van 21,4% (aanvullend bestand 1:Afbeelding S3b). Er zijn twee redenen waarom H₂ SO₄ -assisted carbon dots hebben een betere kwaliteit in vergelijking met HCl-, HClO₄ -, en HNO₃ -geassisteerde (gepubliceerd in ons vorige werk [25]). Ten eerste, H₂ SO₄ is een niet-vluchtig sterk zuur dat zijn zuurgraad behoudt in een reactie-oplossing op hoge temperatuur en onder hoge druk. Ten tweede, H₂ SO₄ -geassisteerd systeem is het enige dat ammoniumzoutprecipitatie in de voorloper kan vormen, en de precipitaten geven de vrije reactanten langzaam af, waardoor de vorming van polymeerprecipitatie met grote deeltjes wordt vermeden en de vorming van koolstofstippen van hoge kwaliteit verder wordt bevorderd. HA-CPD's en PA-CPD's zijn donkerroodbruine dikke oplossingen en zenden donkerrode PL uit onder 365 nm UV-lichtbestraling, terwijl de zoals voorbereide SA-CPD's een helderrode transparante dunne oplossing zijn en helder rood licht uitzenden (aanvullend bestand 1:Afbeelding S3c). Na te zijn gezuiverd door wassen, concentreren, filtreren en verdampen, werden donkerroodbruine poeders van SA-CPD's (aanvullend bestand 1:figuur S3d) verkregen met een productopbrengst van 16,5%. De poeders kunnen opnieuw worden opgelost in water en de oplossing straalt heldere en rode fluorescentie uit (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3e).

TEM-karakterisering en FT-IR-analyse

TEM-afbeeldingen van voorbeeld OpPD (zonder H₂ SO₄ ) en SA-CPD's (met H₂ SO₄ ) werden getoond in Fig. 1. Monster OpPD is samengesteld uit fragmenten (oligomeren, Fig. 1a) en polymeren (Fig. 1a insert). SA-CPD's zijn monodisperse CPD's met een gemiddelde grootte van ~-5 nm (figuur 1c). Het vertoont goed opgeloste roostervingers met een ruimte van ~ -0,21 nm (Fig. 1b inzet), overeenkomend met de (100) in-plane roosterafstand van grafeen [31, 32].

TEM-afbeeldingen van voorbeeld OpPD (zonder H₂ SO₄ ) (een ) en SA-CPD's (b ). c De grootteverdeling van SA-CPD's. d De FT-IR-spectra van monster OpPD en rode CPD's. Monster OpPD en SA-CPD's werden bereid uit p -PD waterige oplossing zonder en met H₂ SO₄ -geassisteerd

Oppervlaktetoestanden van CPD's kunnen de optische eigenschappen beïnvloeden. De chemische oppervlaktegroepen van monster OpPD en SA-CPD's werden gekenmerkt door FT-IR-spectra (figuur 1d). Twee monsters hebben verschillende vergelijkbare groepen, zoals Ar-H (2700-3200 cm ^− 1 [33], behoort tot aromatische C-H stretching vibratie), C-C (~ 1433 cm ^− 1 , behoort tot aromatische C-botrektrillingen, onthult de aanwezigheid van aromatische rektrillingen die kenmerkend zijn voor benzenoïde eenheden) [34], en C=O (1628 cm ^− 1 , behoort tot de –COOH-groepen). Vergeleken met voorbeeld-OpPD zijn de nieuwe groepen, zoals O-H (3300–3700 cm ^− 1 en 1175 cm ^− 1 behoren tot de –COOH-groepen), C-O-C (1055 cm ^− 1 , bestaan ​​in esters), en C-H (2400–3000 cm ^− 1 behoort tot alkylradicalen gevormd in ringopeningsreactie), worden gevonden in de CPD's, terwijl de –NH₂ of –NH– gerelateerde groepen zoals N-H (3100–3300 cm ^− 1 en 1512 cm ^− 1 en C-N (1126, 1261 en 1305 cm ^− 1 behoren tot de gratis –NH₂ of –NH– groepen van p -PD-voorloper, zijn verzwakt of verdwenen. Het bestaan ​​van –OH- ​​of –COOH-groepen geeft aan dat de oxidatiegraad van het oppervlak van SA-CPD's (met H₂ SO₄ toevoegen) hoger is dan die van monster OpPD (zonder zuurtoevoeging).

Voorgesteld mechanisme voor de vorming van cd's

Formatie-energieën werden berekend met behulp van het Gaussiaanse 09-programmapakket. Na te zijn geprotoneerd door zuurhulp, kunnen bi-polymeren op twee manieren worden gepolymeriseerd die longitudinale en transversale groei worden genoemd. De berekende vormingsenergie van transversale groei (− 1406,07 kJ mol ^− 1 ) is aanzienlijk hoger dan die van longitudinale groei (− 616,25 kJ mol ^− 1 ). Het laat zien dat de volledig geprotoneerde bi-polymeren (pH 3, na overmaat H ⁺ werd toegevoegd) hebben de neiging om op transversale wijze te worden gepolymeriseerd om een ​​vlakke structuur te vormen (figuur 2). Deze vlakke structuren werden vervolgens zelf geassembleerd om sferische CPD's te vormen.

Vormingsenergieën van longitudinale en transversale groei

Optische eigenschappen

Hoewel ze worden bereid met behulp van verschillende zuren, hebben alle CPD's dezelfde optische eigenschappen [25]. Voor de UV-Vis-spectra van SA-CPD's waterige oplossing (figuur 3a), is de absorptiepiek op ~ -290 nm geassocieerd met de overgangen in de benzeenring, en de pieken op 430 nm en 510 nm kunnen worden toegewezen aan π -π* overgang van gesubstitueerd fenazine geconjugeerd aan de eenzame elektronenparen op de aangrenzende aminegroep en de elektronenovergang van de benzenoïde ring naar de chinoïde ringen, respectievelijk [32]. De excitatiecurve beschrijft een brede en geleidelijke opwaartse trend in het zichtbare gebied, en de maximale excitatiepiek (~ -580 nm) ligt dicht bij de emissiepiek (~ -600 nm). De CPD's zenden uit in de roodlichtzone (600-700 nm) wanneer ze worden geëxciteerd van 220 nm tot 310 nm, terwijl ze uitzenden met oranje licht (~ -600 nm) wanneer ze worden geëxciteerd van 310 nm tot 580 nm (Fig. 3b). Het is vermeldenswaard dat de fluorescentie van dit soort rood-emitterende CPD's onafhankelijk is van de excitatiegolflengte [22, 35].

een UV-Vis-absorptie, excitatie (piek bij 600 nm) en b emissiespectra (opgewonden 220-580 nm) van SA-CPD's

Mobiele beeldvorming

Twee-foton fotoluminescentie-eigenschappen van SA-CPD's voor en na het poederproces worden getoond in figuur 4a. Er is een blauwverschuiving van 602 nm (vóór het poederproces) naar 529 nm (na het poederproces) bij dezelfde excitatiegolflengte van 850 nm door femtoseconde pulslaser (30 mW). De PL-intensiteit werd verhoogd na het poederproces.

Twee-foton fotoluminescentie spectra van SA-CPD's (a ) en confocale fluorescentiemicroscopiebeelden van HeLa-cellen behandeld met SA-CPD's geëxciteerd door 850 nm, 30 mW femtoseconde pulslaser (b –e )

SA-CPD's-poeders werden opnieuw opgelost in PBS (1X) en werden toegepast in beeldvorming van HeLa-cellen met behulp van confocale fluorescentiemicroscopie en 850 nm femtoseconde pulslaser (30 mW) (zie figuur 4b-e). Na 12 uur gekweekt te zijn met HeLa-cellen, werden SA-CPD's ingeslikt door HeLa-cellen en kwamen CPD's het cytoplasma binnen. De FL-intensiteit van het rode kanaal (645–675 nm) is zwak, terwijl het groene kanaal (526–574 nm) helder is, dit komt overeen met de blauwe verschuiving in het poederproces.