МЕТОДЫ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

METHODS OF SYNTHESIS OF CARBON QUANTUM DOTS

Sergey Kozlov

Student, Department of Chemistry, Lipetsk state technical University,

Russia, Lipetsk

Olga Farafonova

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Chemistry, associate professor, Lipetsk state technical University,

Russia, Lipetsk

АННОТАЦИЯ

Было проведено исследование отечественных и зарубежных источников, получена информация о существующих методах химического способа синтеза углеродных квантовых точек, а также приведены примеры по их синтезу рассмотренными методами.

ABSTRACT

A study of domestic and foreign sources was conducted, information was obtained on the existing methods of the chemical method for the synthesis of carbon quantum dots, as well as examples of their synthesis by the methods considered.

Ключевые слова: углеродные квантовые точки, гидротермальный синтез, микроволновый синтез, синтез твердофазным методом, флуоресценция.

Keywords: carbon quantum dots, hydrothermal synthesis, microwave synthesis, solid-phase synthesis, fluorescence.

В настоящее время углеродные наноматериалы представляют большой исследовательский интерес ввиду своего широкого применения в таких сферах как аналитический контроль качества продукции и биомедицина, а также большого количества достоинств, среди которых высокая селективность к определяемым веществам и биосовместимость. Именно такими свойствами обладают углеродные квантовые точки (УКТ) – углеродные флуоресцентные наноматериалы размером менее 10 нанометров.

Наиболее перспективным способом получения углеродных квантовых точек является химический синтез. К химическому способу получения УКТ относится метод восходящего синтеза, или  по-другому синтез «снизу вверх», который является одним из самых распространенных.

Синтетический путь «снизу вверх» включает синтез УКТ из низкомолекулярных химических веществ. Для синтеза УКТ данным методом используют один прекурсор в качестве источника углерода и второй прекурсор как химический модификатор поверхности наночастиц. Получение проводят с помощью гидротермального, твердофазного и микроволнового метода синтеза [1, с. 5563].

Рассмотрим подробнее гидротермальный метод синтеза УКТ. В статье Shen J. была описана методика получения УКТ, модифицированных полиэтиленгликолем. В качестве исходных материалов использовали листы оксида графена, а также ПЭГ. Полученные УКТ-ПЭГ показали хорошие флуоресцентные свойства. Квантовый выход данного синтеза УКТ с излучением 360 нм составил около 28,0%. Данный результат в два раза выше, чем при синтезе УКТ без модификации их поверхности.

Интересно, что синтезированный образец обладает свойствами флуоресценции с повышенным преобразованием. Синяя флуоресценция была четко показана как под ультрафиолетовым, так и под лазером с длиной волны 808 нм на изображениях флуоресцентной микроскопии. УКТ-ПЭГ были синтезированы с помощью  листов оксида графена и ПЭГ с молекулярной массой 10 000.  [2, с. 135-136].

По сравнению с чистыми УКТ полученный образец обладал более высокими характеристиками флуоресценции. Такой вид УКТ может обеспечить новый тип флуоресцентного и конверсионного материала для применения в бионауке и энергетических технологиях [3, с. 111].

Далее рассмотрим микроволновый синтез УКТ. Углеродные квантовые точки были получены из свежих листьев растения agastache mexicana с помощью обратного холодильника с использованием микроволновой печи. Собранные листья были тщательно очищены и промыты дистиллированной водой. Экстракт растения был получен с помощью измельчением промытых листьев (50 г) в фарфоровой ступке с последующим добавлением 50 мл очищенной воды.

Затем нужное количество экстракта листьев облучали (4, 5, 6 и 7 мин) мощностью 80% от общей мощности 1200 Вт в бытовой микроволновой печи LG. Облученный образец отбирали и центрифугировали при 5000 об/мин в течение 20 мин.

Для сенсорного анализа ионы различных металлов, включая Fe, Pb, Mn, Ni, Cu, Bi, Ba и Zn, были протестированы на их присутствие в питьевой воде. Каждый металл отбирали в концентрации 15 мкмоль/л и смешивали с 1 мл воды.

Затем к раствору металлического сырья по каплям добавляли 2 мл раствора CQD и перемешивали в течение 15 мин с помощью магнитной мешалки. Схема анализа включения-выключения флуоресценции УКТ отображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схематическое изображение анализа включения-выключения флуоресценции УКТ, синтезированных из биомассы

Интересно, что раствор ионов металла, содержащий железо, показал изменение цвета с желтого на черный. Таким образом, раствор CQD был чувствителен к ионам металлического железа, с помощью этого чувствительного свойства было изучено излучение флуоресценции и другие характеристики [4, с. 110-112].

Теперь изучим получение УКТ методом твердофазного синтеза (частичного пиролиза). В статье C. Wang [и др.] изучалось влияние условий реакции на получение УКТ пиролизом. Более конкретно, CQDs-1 с единичным пиком излучения синей флуоресценции и CQDs-2 с двойным пиком излучения желтой флуоресценции были получены методами пиролиза в закрытой и открытой среде, соответственно. Механизм различия оптических свойств полученных типов УКТ заключался в степени графитизации и модификации поверзности.

CQDs-2 с характеристиками двойного излучения использовались для высокочувствительного и высокоселективного обнаружения цефалоспориновых антибиотиков на основе эффекта внутреннего фильтра. На рисунке 2 отображена схема процесса синтеза УКТ методом твердофазного синтеза в закрытой и открытой среде.

Рисунок 2. Синтез УКТ методом частичного пиролиза в закрытой (1) и открытой (2) среде

Так, в разных условиях синие (CQDs-1) и желтые флуоресцентные углеродные квантовые точки (CQDs-2) были успешно синтезированы методом твердофазного синтеза в установке для гидротермального синтеза и тигле соответственно. УКТ, синтезированные в открытой среде, имеют большую длину волны излучения, чем те, которые были получены в автоклаве. Также CQDs-1 и CQDs-2 имели почти одинаковый размер частиц [5, с. 362–365.].

Список литературы:

1. Peng H. Simple Aqueous Solution Route to Luminescent Carbogenic Dots from Carbohydrates // Chemistry of Materials. – 2009. – Vol. 21, № 23. – P. 5563–5575.
2. Shen J. One-pot hydrothermal synthesis of grapheme quantum dots surface-passivated by polyethylene glycol and their photoelectric conversion under near-infrared light // New J. Chem. – 2012, № 1. – 135-147.
3. Architha N. Microwave-assisted green synthesis of fluorescent carbon quantum dots from Mexican Mint extract for Fe³⁺ detection and bio-imaging applications // Environmental Research. – 2021. – Vol. 199. – P. 111-122.
4. Wang C. Carbon quantum dots prepared by pyrolysis: Investigation of the luminescence mechanism and application as fluorescent probes // Dyes and Pigments. – 2022. – Vol. 204. – P. 110-121.
5. Lim S.Y. Carbon quantum dots and their applications // Chemical Society Reviews. – 2015. – Vol. 44, № 1. – P. 362–381.