모든 분야에서 철의 광범위한 사용으로 인해 Fe 3+ 에 대한 직접, 고속, 고감도 센서의 설계 및 구성 매우 바람직하고 중요합니다. 본 연구에서는 N,N을 사용하여 간헐적 초음파 공정을 통해 일종의 형광 MXene 양자점(MQD)을 합성했습니다. -용매로서의 디메틸 포름아미드. 준비된 MQD는 UV-Vis 흡수, 형광 스펙트럼, X선 광전자 에너지 스펙트럼 및 푸리에 변환 적외선 분광법의 조합을 통해 특성화되었습니다. 정전기 유도 응집 소광 메커니즘을 기반으로 형광 MQD 프로브는 Fe 3+ 검출에 대해 우수한 감지 성능을 나타냈습니다. , 감도 0.6377mM −1 연구에서 보고된 것보다 우수한 1.4μM의 검출 한계. 현재 MQD 기반 프로브는 Fe 3+ 감지 장치로서 잠재적으로 유망한 응용 프로그램을 보여줍니다. .
2D 전이 금속 탄화물 또는 질화물에서 유래한 MXene 양자점(MQD)은 풍부한 금속 결핍 부위, 우수한 전하 또는 전자 수송 능력, 우수한 생체 적합성을 포함하여 매력적인 물리적 및 화학적 특성을 나타내어 다양한 응용 분야에 크게 기여합니다. 에너지 저장, 촉매 작용, 센서, 열전기 및 바이오 이미징 [1,2,3,4,5]. 최근 몇 년 동안 적절한 밴드 갭, 쉬운 표면 변형 및 양자 크기 효과로 인해 MQD의 형광 특성은 금속 이온, 차아염소산염, 글루타티온 및 차아염소산염 [6,7,8]. 보고된 바와 같이, 양자점 기반 센서의 성능은 특히 MQD[9,10,11]의 경우 재료의 광학 및 표면/계면 특성에 크게 의존합니다. 한편, MQD의 합성과 합성 공정에 사용되는 표면 캡핑 유기 리간드 및 용매의 중요한 역할을 이해하는 데 상당한 연구 노력이 투입되었습니다. 예를 들어, Zhou et al. 질소 도핑된 Ti3 합성 C2 2,3-과 결합된 QD diaminophenazine, H2에 대한 민감한 비율 측정 센서 제공 O2 및 크산틴. 검출 한계는 각각 0.57 및 0.34μM으로 결정되었습니다[12]. 전자 전달과 내부 필터 효과를 통합함으로써 Liu et al. Fe 3+ 검출을 위해 DMSO(디메틸 설폭사이드)에서 합성된 형광 MQD를 보고했습니다. 높은 감도와 선택성으로 [13]. 그럼에도 불구하고 형광성 MQD 기반 센서에 대한 현재 연구는 특히 금속 이온에 대해 여전히 제한적이며 해당 장치의 구성이 아직 개발되지 않았습니다. 한편, MQD의 광학적 특성과 계면 특성 간의 관계에 대한 탐구는 아직 초기 단계입니다.
철은 없어서는 안될 금속으로 모든 분야에서 널리 사용되었습니다. 한편, 제2철 이온을 함유한 다량의 폐수는 자연 환경으로 지속적으로 방출되어 미생물과 먹이 사슬에 해를 끼친다[14,15,16]. 한편, 혈액 내 철 이온의 수준은 인체의 건강에 매우 중요하며, 이에 상응하는 장애는 심수장, 빈혈 및 장기 기능 장애를 포함한 심각한 생리학적 반응을 유발할 수 있다[17, 18]. 따라서 철 함량의 정확한 측정은 인류와 사회의 지속 가능한 발전에 매우 중요합니다. 지금까지 Fe 3+ 검출에는 모든 종류의 분석 기술이 활용되었습니다. , 원자 흡수 분광법, 유도 결합 플라즈마 질량 분광법, 비색 및 전기화학을 포함합니다[19,20,21]. 이러한 방법 중에서 형광 분석은 높은 감도, 빠른 응답 및 우수한 선택성과 같은 몇 가지 고유한 이점을 제공합니다. Fe 3+ 분석을 위한 다양한 형광 나노 물질도 개발되었습니다. , 예를 들어 양자점, 소분자 프로브, 금속-유기 프레임워크 및 금속 나노클러스터 [22,23,24,25,26]. 그러나 기존의 감도와 선택성이 현장 및 휴대용 감지에 있어 여전히 중요한 문제로 남아 있음을 언급할 가치가 있습니다. Fe 3+ 에 대한 직접적이고, 빠르고, 고감도 프로브의 연구 및 개발 여전히 바람직하고 중요합니다.
따라서 본 연구에서는 N,N을 이용한 간헐적 초음파 공정을 통해 일종의 형광성 MQD를 합성하였다. -용매로서의 디메틸 포름아미드. 준비된 MQD는 UV-Vis 흡수, 형광 스펙트럼, X선 광전자 에너지 스펙트럼 및 푸리에 변환 적외선 분광법으로 특성화되었습니다. 정전기 유도 응집 소광 메커니즘을 기반으로 형광 MQD 프로브는 Fe 3+ 검출에 대한 우수한 감지 성능을 나타냈습니다. . 감도는 0.6377mM −1 으로 결정되었습니다. 1.4μM의 검출 한계로 연구에서 보고된 것보다 우수합니다. 우리는 현재의 MQD 기반 프로브가 Fe 3+ 감지 장치의 유망한 후보가 될 것이라고 믿습니다. .
벌크 티타늄 알루미늄 카바이드 분말(Ti3 AlC2 , 98%)는 Beijing Forsman Scientific Co., Ltd.에서 구입했습니다. )2 . 6H2 O, A.R.), 염화나트륨(NaCl, A.R.) 및 염화칼륨(KCl, A.R.)은 Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.(Shanghai)에서 가져왔습니다. 질산철 비수화물(Fe(NO3 )3 . 9H2 O, A.R.), 질산니켈 육수화물(Ni(NO3 )2 . 6H2 O, A.R.) 및 질산코발트 6수화물(Co(NO3 )2 . 6H2 O, A.R.)는 Guangdong Guanghua Sci-Tech에서 입수했습니다. 주식회사 엔,엔 -디메틸 포름아미드(C3 H7 NO, DMF, A.R.) 및 질산제2구리 삼수화물(Cu(NO3 )2 . 3H2 O, A.R.)은 Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd.에서 입수했습니다. 알루미늄 질산염 비수화물(Al(NO3 )3 . 9H2 O, A.R.)은 알라딘에서 왔습니다. 질산(HNO3 , 65–68%) Chengdu Chron Chemicals Co., Ltd.에서 입수했습니다. 염화 암모늄(NH4 Cl, A.R.) 및 염화마그네슘 6수화물(MgCl2 . 6H2 O, A.R.)은 각각 Shanghai Zhanyun Chemical Co., Ltd. 및 Xilong Chemical Co., Ltd.에서 가져왔습니다.
투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 300kV의 가속 전압으로 Titan G2 60–300에서 수집되었습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 실험은 Mg Kα 양극이 장착된 AVG Thermo VG ESCALAB 250 분광계에서 수행되었습니다. 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼은 BRUKE Vertex-70 FTIR 분광계에서 기록되었습니다. UV-Vis 스펙트럼은 UV-3000PC 분광계(Shanghai Mapada Instrumental Co., Ltd.)에서 얻었습니다. 제타 전위는 Zeta Sizer Nano ZS(Malvern Instruments, UK)에서 측정되었습니다. F-4600 형광 분광 광도계(Hitachi, Tokyo, Japan)를 사용하여 형광 스펙트럼을 기록했습니다.
일반적인 과정에서 20ml의 불산을 2g의 벌크 Ti3와 함께 테플론 용기에 첨가했습니다. AlC2 분말. 혼합물을 실온에서 48시간 동안 지속적으로 교반되도록 하였다. 이 과정에서 알루미늄 층을 식각하고 원심분리를 통해 1차 생성물을 수집하고 중성이 될 때까지 다량의 초순수로 세척하였다. 이어서, 얻어진 고체 물질을 50ml의 DMF에 분산시키고, 분산액을 또 다른 48시간 동안 간헐적으로 초음파 처리하였다. 노란색 상층액은 원심분리 후 최종 산물로 수집되고 추가 사용을 위해 보관되었습니다.
일반적인 검출에서 Fe(NO3 )3 원액(10mM)을 질산 수용액(10mM)으로 희석하여 용액을 제조했습니다. 다양한 양의 Fe 3+ 용액을 300 μL의 준비된 MXene 양자점 용액과 혼합하고 60초 후 실온에서 형광 곡선을 측정했습니다. Fe 3+ 에 대한 MXene 양자점의 선택성을 조사하기 위해 , 농도가 10mM인 기타 금속 이온(Na + , K + , Ni 2+ , Cu 2+ , 공동 2+ , Zn 2+ , 마그네슘 2+ , 알 3+ , NH4 + )도 테스트하고 형광 강도의 해당 변화를 기록했습니다.
이 작업에서 MQD의 합성은 48시간 동안 간헐적인 초음파 처리를 통해 완료되었습니다. 그림 1과 같이 불산을 식각제로 사용하여 Ti3 AlC4 분말은 먼저 Ti3로 변환되었습니다. C2 초음파 및 DMF 용매의 도움으로 후속적으로 MQD로 절단된 나노시트. MQD의 형성을 입증하기 위해 투과 전자 현미경(TEM) 실험을 수행했습니다. 그림 2a와 같이 이전 보고서와 일치하게 나노시트 대신 풍부한 MXene 양자점이 이미지에서 관찰되었습니다[27,28,29]. 한편, 그림 2a의 오른쪽 아래 삽입은 MQD의 고해상도 투과 전자 현미경 이미지를 표시했습니다. 격자 간격은 1.02nm로 결정되었으며 이는 MQD가 성공적으로 형성되었음을 합리적으로 나타냅니다. 100개의 입자 수를 기반으로 하여 얻은 MQD의 통계적 평균 크기는 그림 2a의 왼쪽 삽입과 같이 2.75nm로 추정되었습니다.
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MQD 준비를 위한 개략도
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아 입자 크기 이미지의 준정규 분포와 고해상도 이미지의 격자 간격이 있는 합성된 MQD의 TEM 이미지(왼쪽 삽입 및 오른쪽 아래 삽입); ㄴ 준비된 MQD의 형광 방출 스펙트럼; ㄷ UV-Vis 흡수 스펙트럼; 그리고 d MQD의 FTIR 스펙트럼
보고된 바와 같이 광학적 특성은 양자점에서 가장 매력적인 부분 중 하나입니다. 그림 2b에서 합성된 MQD의 형광 특성이 드러났습니다. 여기 파장에서 파란색 형광을 나타내는 여기 및 방출 파장이 각각 365 및 445nm에서 결정되었습니다. 그림 2c는 MQD의 UV-Vis 스펙트럼을 보여줍니다. 파장이 증가함에 따라 흡수가 감소했습니다. 주요 흡수 영역은 400nm 미만으로 높은 전자 에너지 수준을 나타냅니다. 퀴닌 설페이트를 기준으로 사용하여 MQD의 양자 수율은 4.5%로 계산되었습니다. MQD의 화학 결합을 분석하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 실험을 수행했습니다. 그림 2d와 같이 1462 및 1654 cm -1 에서 피크 C-N 및 C=O 결합의 스트레칭 모드에서 각각 시작되었습니다[30, 31]. 2894 및 2914 cm −1 의 신호 C–H(–CH3 및 -CH=O) 스트레칭 모드, 초음파 프로세스 동안 DMF 분자로 MQD의 표면 수정을 나타냅니다[32]. 피크는 2365cm −1 입니다. 공기 중의 이산화탄소로 인한 것입니다. 잘 알려진 바와 같이 X선 광전자 분광법(XPS)은 원소의 화학적 원자가 상태를 분석하는 데 사용할 수 있는 원소의 화학적 환경에 민감합니다. 그림 3a는 MQD의 설문조사 스펙트럼을 보여줍니다. 예상대로 준비된 MQD에서 Ti, C, O, N의 원소가 발견되었다. 알루미늄 신호의 부재는 중간층의 완전한 에칭을 나타냅니다. 해결된 C 1s 스펙트럼은 그림 3b에 나와 있습니다. C-C 화학 결합은 상대적으로 높은 강도를 기반으로 기본 결합 모드로 간주되었습니다. DMF의 도입으로 인해 준비된 재료에도 C-N 화학 결합이 존재했으며, 이는 다음 N 1s로 설명할 수 있습니다. 스펙트럼. 그림 3c와 같이 C–N–C 및 C–N 화학 결합의 신호는 N 1s로 표시되었습니다. 각각 400.1 및 402.3 eV의 결합 에너지에서 스펙트럼. Ti 2p용 스펙트럼(그림 3d)에서 458.7 및 464.3 eV의 피크는 Ti 2p에 기인합니다. 1/2 및 Ti 2p 3/2 문헌 결과 [33, 34]와 일치하는 Ti-O 결합의 각각. 따라서 이러한 결과는 TEM 이미지와 결합하여 DMF 분자의 변형으로 MQD가 성공적으로 형성되었음을 추가로 보여줍니다.
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아 MQD의 XPS 조사 스펙트럼; 고해상도, b C 1s , ㄷ N 1s , 및 d Ti 2p MQD의 XPS 스펙트럼
높은 형광 강도를 기반으로 제조된 MXene 양자점을 사용하여 수용액에서 제2철 이온을 분석할 수 있었습니다. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 MQD의 형광 강도는 철 이온의 첨가에 따라 점차 감소하여 효과적인 소광 효과를 나타냅니다. 특히 농도가 1.4mM인 철 이온에 의해 약 30%의 형광 강도가 억제되었습니다. 추가 정량적 조사를 통해 다양한 농도의 제2철 이온에 대한 MQD의 형광 반응도 조사했습니다. 그림 3a, b에서 (F 0 − F )/F 및 제2철 이온의 농도가 발견되었다. 보정 방정식은 다음과 같이 맞출 수 있습니다. Y =0.6377x + 0.0113(R 2 =0.996), 여기서 F 및 F 0 는 각각 제2철 이온을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우의 형광 강도를 나타냅니다. 3중 신호 대 잡음비 규칙에 따르면 감지 한계는 1.4μM에서 1.4μM ~ 0.8mM의 선형 범위로 계산되어 이전 보고서의 결과보다 우수합니다[35,36,37]. 1.0mM에서 1.5mM으로의 콘서트 편차는 제한된 MQD 농도 때문일 수 있습니다. 기존 MQD와 기존 물질의 센싱 성능을 구체적으로 비교한 결과는 <표 1>과 같다. 여기서 식수(WHO 규제)와 혈액 내 철분 함량 기준은 5.36μM, 20-29 각각 현재 MQD 기반 센서로 달성할 수 있는 μM입니다.
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아 제2철 이온이 추가된 MQD의 형광 방출 스펙트럼 ㄴ Fe 3+ 농도 사이의 보정선 및 형광 비율; ㄷ 준비된 MQD의 제타 전위; 그리고 d Fe 3+ 를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 MQD의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 이온
잠재 소광 메커니즘을 조사하기 위해 제타 전위 및 UV-Vis 스펙트럼 실험을 수행했습니다. 그림 4c와 같이 준비된 MQD에 대해 - 10.9mV의 제타 전위가 결정되었습니다. 이는 금속 이온의 양전하를 기반으로 금속 이온과 양자점 사이에 강한 정전기적 상호작용이 발생할 수 있음을 나타냅니다. Fe 3+ 더 높은 양전하와 강한 산화 능력은 더 강한 상호 작용을 유도할 뿐만 아니라 후속 REDOX 반응을 일으키며, 이는 MQD의 형광 소광에 핵심 역할을 할 수 있습니다[43]. 비교하자면 Al 3+ 산화 능력의 손실로 인해 MQD의 형광을 효과적으로 소멸시킬 수 없습니다. 또한 철 이온은 형광 강도의 감소를 유발할 수 있으며 이는 철과 질소 사이의 강한 배위 상호 작용일 수 있습니다. 또한, 그림 4d에서 UV-Vis 스펙트럼은 깨끗한 용액과 비교할 때 철을 첨가한 후 상등액의 흡수 강도가 현저하게 감소함을 보여주었습니다. 한편, 그림 4d의 삽입에서 디지털 전자 이미지는 눈에 띄는 강수를 시각화했습니다. 이를 통해 철 이온이 정전기적 상호작용, REDOX 반응 및 배위 상호작용을 통해 MXene 양자점의 응집을 유도하여 최종 형광 소광을 유도한다는 결론을 내릴 수 있습니다(그림 5a).
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아 철 이온에 의한 MQD의 형광 소광 메커니즘에 대한 개략도; ㄴ 가시광선 및 자외선 아래에서 다양한 금속 이온(0.8mM)을 추가한 MQD 솔루션의 그림. ㄷ 다른 금속 이온(0.8mM)을 사용한 MQD 용액의 형광 곡선; 그리고 d (c의 곡선에서 수집된 다른 금속 이온에 대한 MQD의 형광 강도 변화 )
선택성은 센서의 성능을 평가하는 또 다른 중요한 요소입니다. 여기서, 본 센서의 특이성을 나타내기 위해, K + 의 금속 이온을 포함한 다양한 간섭이 존재할 때 형광 강도 변화를 조사하였다. , 나 + , 마그네슘 2+ , Ni 2+ , 공동 2+ , Cu 2+ , 알 3+ , NH4 + . 도 5b에 도시된 바와 같이, 다른 금속 이온을 함유하는 MQD 용액은 일광 하에서 동일한 연황색을 나타내는 반면, 형광 소광은 자외선 하에서 제2철 이온과의 혼합물에서 관찰되었다. 그림 5c에서 간섭 금속 이온(0.8mM)을 첨가한 후 동일한 농도의 제2철 이온에 의한 것과 비교하여 무시할 수 있는 형광 강도 변동이 발견되었습니다. 또한, Fig. 5c는 같은 농도의 서로 다른 금속 이온 혼합물에서 형광 강도의 피크 값 변화를 보여줍니다. 다른 이온과 비교할 때, 제2철 이온의 피크 값이 분명히 변화하여 준비된 발광 MXene 양자점이 제2철 이온 검출을 위한 유망한 선택적 프로브가 될 것임을 시사합니다.
여기에서 위의 민감도와 선택성을 기반으로 Fe 3+ 감지를 위한 현재 MQD의 잠재적 응용 수돗물에서도 달성되었습니다. 미네랄 및 유기물과 같은 다양한 불순물에도 불구하고 현재 MQD는 여전히 철 이온에 민감합니다. 0.7mM Fe 3+ 추가 , 3개의 독립적인 복제물로부터의 회수율은 표 2와 같이 각각 104.57%, 103.25% 및 97.9%였습니다. 이는 Fe 3+ 검출에 MQD의 유망한 적용을 시사합니다. 실제 환경 샘플에서. Fe 3+ 용 휴대용 센서는 집적 회로 및 전자 칩과 결합할 때 가까운 장래에 구성될 것입니다.
요약하면, 청색 형광을 갖는 MQD는 DMF 용매 존재하에서 손쉬운 간헐적 초음파 공정을 통해 합성되었다. 양자점의 표면 작용기와 철 이온 간의 정전기적 상호작용을 기반으로 Fe 3+ 의 민감하고 선택적 검출 이 작품에서 깨달았다. 한편, 정전기에 의한 응집도 입증되었다. 얻은 결과가 MQD 합성에 대한 새로운 생각을 제공할 뿐만 아니라 적용 영역을 넓힐 것이라고 믿습니다.
이 작업의 데이터와 결론은 모두 이 백서에 나와 있습니다.
MXene 양자점
엔,엔 -디메틸포름아미드
2차원 FTIR:푸리에 변환 적외선 분광기
X선 광전자 분광법
투과전자현미경
나노물질
초록 은나노입자(nAgs)가 화장품에 안전하게 사용되기 위해서는 피부 속 nAgs의 물리적 특성을 밝혀야 하며, 이는 이러한 특성이 경피적으로 흡수되는 과정에서 변할 수 있기 때문입니다. 이 연구에서는 단일 입자 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(sp-ICP-MS)을 기반으로 하는 분석 시스템을 구축하여 피부에서 nAgs의 물리적 특성을 결정하는 것을 목표로 했습니다. 먼저, 피부 시료를 가용화하기 위한 전처리 방법을 최적화한 다음, 수산화나트륨 처리에 의해 대부분의 nAg가 입자 형태로 남아 있는 동안 회수됨을 보여주었다. 피부를
초록 높은 표면 대 부피 비율로 인해 InGaN 기반 마이크로 발광 다이오드(μLED)는 측벽 결함에 의해 유도되는 표면 재결합으로 인해 큰 어려움을 겪습니다. 또한 칩 크기가 감소함에 따라 전류 확산이 그에 따라 향상되어 캐리어 주입 및 외부 양자 효율(EQE)이 더욱 제한됩니다. 이 연구에서는 전류 확산 효과를 관리하여 측벽 결함에서 비방사성 재결합율을 줄이는 것을 제안합니다. 이를 위해 양자 장벽 두께를 줄여 수직 저항을 적절히 줄여 전류가 측벽 결함에 수평으로 덜 퍼지도록 합니다. 결과적으로 표면 비방사성 재결합 방식으로
