수열 반응을 통해 레몬 주스로 만든 형광 탄소 양자점의 재료 및 광학 특성

결과 및 토론

CQD의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 그림 2에 나와 있습니다. 준비된 샘플의 저배율 TEM 이미지는 CQD가 균일한 분산을 가지고 있음을 나타냅니다. CQD는 구형이며 2.0~4.5nm 범위의 좁은 크기 분포와 그림 2b, c에 표시된 평균 크기 3.1nm입니다. 그림 2d는 흑연 탄소의 [100]면에 해당하는 0.215nm의 격자 간격을 보여주고 해당 CQD의 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴은 이전 보고서[25]와 일치하는 고결정 구조를 추가로 보여줍니다. 이전 연구[19, 21, 22, 23]와 비교하여 그림 2와 같이 우리 작업에서 얻은 CQD는 품질이 우수할 뿐만 아니라 균일한 형태를 보여줍니다. 따라서 손쉬운 열수 처리 공정을 통해 균일한 둥근 형태와 결정질이 좋은 CQD를 제조할 수 있습니다. CQD의 생산 수율(PY)은 정의 PY =(m /남 ) × 100%, 여기서 m 는 CQD의 질량이고 M 신선한 레몬 주스의 덩어리입니다. 본 연구에서 제조된 CQD의 생산 수율은 측정 결과에 따르면 약 0.1%, 즉 6.30% 구연산이 포함된 액체 100g에서 약 0.1g의 CQD를 얻을 수 있습니다(표 1 참조).

아 , ㄷ , d TEM 이미지. ㄴ CQD의 입자 크기 분포. 이 CQD의 해당 FFT 패턴

CQD의 일반적인 X선 회절(XRD) 및 XPS 프로파일이 그림 3에 나와 있습니다. 2θ를 중심으로 넓은 (002) 피크가 있습니다. ~21.73°이고 층간 간격은 0.409nm로 계산되었으며, 이는 그림 3a에 표시된 것처럼 흑연 구조에 해당하며, 이는 다른 방법으로 준비된 CQD에 대해 보고된 평가 절하와 유사합니다[15, 26]. 층간 거리의 변화는 CQD 준비를 위한 열수 반응 과정에서 CQD 표면과 가장자리에 -OH 및 -COOH의 존재와 같은 더 많은 산소 함유 그룹의 도입으로 인해 발생할 수 있습니다. XPS 및 FTIR을 사용하여 CQD의 구성을 감지했습니다. 그림 3b, c와 같이 XPS 스펙트럼은 CQD의 284.5eV에서 지배적인 흑연 C1s 피크와 531.4eV에서 O1s 피크를 보여줍니다. C1s XPS 스펙트럼의 고해상도 스캔에서 284.7, 286.5, 288.9eV의 일반적인 피크(그림 3c는 각각 C=C/C-C, C-O 및 C=O/COOH에 기인합니다. 이는 CQD가 표면 개질 및 기능화에 유리하고 물에 대한 용해도에 도움이 되는 히드록실, 카르보닐 및 카르복실산 기로 기능화되었음을 분명히 나타냅니다. 그림 3d는 FTIR(푸리에 변환 적외선 분광법) 스펙트럼을 보여줍니다. CQD. CQD에서 다양한 유형의 산소 작용기의 존재는 3450cm ⁻¹ 의 피크로 확인되었습니다. (OH 스트레칭 진동), 2927cm ⁻¹ , 1407cm ⁻¹ (C–H 스트레칭 진동), 1726cm ⁻¹ (C=O 신축 진동), 1639cm ⁻¹ (C=C 신축 진동), 1227cm ⁻¹ (C–OH 신축 진동) 및 1080cm ⁻¹ (CO 신축 진동). FTIR 분석은 위의 XPS 결과와 일치함을 알 수 있습니다. 가장 중요한 것은 C–O–C(에폭시) 피크가 1290cm ⁻¹ 에서 완전히 사라졌다는 것입니다. . 이러한 결과는 CQD의 형성 메커니즘을 의미하며, 에폭시 그룹이 파열되고 밑에 있는 C-C 결합이 형성되고, 이후 sp ² 도메인은 추가 탈수 또는 탄화에 의해 포도당, 과당, 아스코르브산 및 구연산과 같은 소분자 전구체로부터 추출되어 궁극적으로 CQD를 형성합니다. 따라서 주변 산소 그룹의 결합 절단은 CQD의 형성에 기여합니다[15, 27].

아 XRD 패턴. ㄴ 낮은 범위의 XPS 스펙트럼. ㄷ C1s 영역의 XPS 고해상도 스캔. d CQD의 FTIR 스펙트럼

현재, 열수 방법에 의해 탄소 전구체로부터 CQD를 형성하는 가능한 메커니즘이 제안되고 조사되었다[28]. 이러한 발표된 결과를 바탕으로 우리는 레몬 주스에서 CQD의 합성 메커니즘을 이해할 수 있습니다. 과육이 없는 레몬 주스는 가열 및 탈수되어 C=C/C-C의 기본 골격을 형성하고 주로 CQD로 구성되며 나머지 분자는 핵 표면에 도달하여 새로운 C=C/를 생성합니다. CC 결합 후 이 형태로 지속적으로 성장합니다. 가열 시간이 길어짐에 따라 CQD의 형태가 점차적으로 형성됩니다. 동시에, 형성된 CQD를 열수 처리하는 과정에서 CQD의 표면과 가장자리에는 수산기(-OH), 카르복실(-COOH), 카르보닐(-C=O) 또는 기타 산소가 다량 함유되어 있을 수 있습니다. 작용기 함유; 이 그룹의 H 및 O 원자의 일부는 열수 환경에서 탈수하여 제거할 수 있습니다.

CQD의 광학적 특성을 조사하기 위해 CQD의 자외선-가시광선(UV-Vis) 흡수 및 광발광(PL) 스펙트럼을 그에 따라 측정했습니다. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 CQD의 광흡수 피크는 283nm에서 최대 흡수를 갖는 자외선 영역에서 관찰되었으며, 이는 n -π * C=O 밴드의 전이[29]. 그림 4b의 PL 스펙트럼은 CQD의 PL 방출 파장이 여기 파장 410nm에서 482nm에서 피크에 도달함을 보여줍니다. 여기 파장이 330nm에서 490nm로 증가하면 방출 파장이 430nm에서 530nm로 이동했습니다. 여기 파장이 증가함에 따라 형광 방출 피크가 적색 편이로 바뀌며 이는 광자 재흡수의 발생을 나타냅니다. 결과는 CQD가 여기 종속 PL 특성을 가지고 있음을 보여줍니다[30]. 녹색 형광 CQD는 또한 여기 파장의 변화에 ​​따라 이동하는 넓은 PL 피크를 보여주며, 이는 양자 구속 효과 및 에지 결함과 관련이 있습니다. 표준 PL 측정[22]에서 CQD의 형광 양자 수율은 410nm의 여기 파장에서 16.7%이며, 여기에서 황산퀴닌이 기준으로 사용되었습니다. 이 값은 이전 보고서[24]에서 레몬 주스로 만든 CQD의 QY(8.95%)보다 훨씬 우수합니다. CQD의 QY는 표면 수정 또는 패시베이션 후에 극적으로 향상될 수 있는 것으로 알려져 있습니다[30]. 합성 과정에서 에탄올을 추가하면 더 많은 작용기가 도입되어 CQD의 QY가 더 높아질 수 있습니다. 그러나 본 연구에서 CQD의 QY는 구연산(CA)과 에탄올아민(EA)을 모델 분자로 사용하여 합성된 CQD의 QY보다 현저히 낮습니다. 여기에서 180°C에서의 열분해는 합성 과정에서 N 도핑으로 인해 매우 강한 PL과 50%의 높은 QY를 갖는 분자 전구체를 생성했습니다[30].

아 CQD의 UV-Vis 흡수 스펙트럼, 삽입:일광(왼쪽) 및 UV 광(오른쪽) 아래의 광학 이미지. ㄴ 다양한 여기 파장에서 CQD의 PL 스펙트럼

무독성 및 환경 친화적 인 CQD는 생체 외 및 생체 내 생물학적 시스템에 적용될 반도체 양자점의 대안으로 간주됩니다. 합성된 CQD를 그림 5와 같이 양파 표피 세포의 광학 이미지에 적용했습니다. 형광 현미경 검사를 통해 양파 내부 표피 세포의 세포벽과 세포 핵이 명확하게 보이고 잘 박혀 있고 입체감이 강하다. 결과는 탄소 양자점의 염색 및 이미징이 우수하고 유기체에 부정적인 영향을 미치지 않으며 관찰된 세포의 형태학적 손상이 없음을 보여주어 세포 독성이 낮은 CQD를 추가로 입증합니다. 그림 5의 공초점 이미지는 레몬 주스에서 합성된 CQD가 식물 세포 이미징에서 형광 지표로 사용될 수 있음을 나타내며, 또한 CQD 생물학적 이미징의 잠재적인 응용을 보여줍니다.

CQD를 사용하여 염색한 양파 표피 세포의 청색 광원에 의해 조명된 광학 이미지