적색 방출 탄화 폴리머 도트(CPD)는 p에서 제조되었습니다. -페닐렌디아민(p -PD) 황산(H2)의 도움으로 수용액 SO4 ), 광학 특성 및 바이오 이미징 응용이 이 논문에서 연구되었습니다. 다른 강산 보조 시스템과 비교하여 SA-CPD(H2 SO4 -보조 시스템, 평균 직경은 ~ 5 nm임)이 가장 밝습니다. 광발광 양자 수율(QYs)은 21.4%(수중)이고 제품 수율은 16.5%입니다. SA-CPD 수용액은 300~580nm의 빛에 의해 여기될 때 600nm에서 방출합니다. 방출 파장은 여기 파장에 독립적입니다. 두 가지 방법으로 CPD의 형성 에너지를 계산하여 세로 성장(폴리머 형성)이 어렵고 가로 성장(CPD 형성)이 쉬운 것으로 나타났습니다. 또한 SA-CPD의 2광자 광발광 특성(850nm 펨토초 펄스 레이저로 여기될 때 602nm에서 방출)도 HeLa 세포 염색 실험에 활용되었으며 바이오 이미징에 잠재적인 응용 가능성이 있는 것으로 나타났습니다. <섹션 데이터-제목="배경">
탄소점(CD)은 우수한 수용성, 광학적 안정성, 독특한 형광 특성, 낮은 독성, 저렴한 비용 등의 장점으로 인해 많은 관심을 받았습니다[1]. 대부분의 CD는 전기화학적 면역 센서[2], 바이오 이미징[3,4,5,6] 센서[7,8,9,10,11,12], 포토- 촉매 [13,14,15], 발광 장치 [16], 광전자공학 [17,18,19]. CD의 합성은 광학적 특성과 응용에 대한 연구에서 중요한 역할을 합니다. CD를 준비하기 위해 보고된 접근 방식은 주로 다양한 탄소 재료의 "하향식"과 유기 분자, 폴리머 또는 천연 제품의 "상향식"으로 요약될 수 있습니다[20]. "상향식" 방법은 대규모 형광 CD 합성을 위한 효율적인 경로입니다[21]. –OH, –COOH, –C=O 및 –NH2를 포함한 적용된 분자의 그룹 고온에서 열수, 마이크로파, 연소, 열분해 등에 의해 탈수 및 탄화될 수 있습니다.
적색 발광 점은 바이오 이미징 분야에서 더 큰 침투 깊이 때문에 상당한 관심을 불러일으켰습니다. 특히, 여기 파장 독립적인 발광 재료가 단일하고 안정적인 광발광(PL) 빛을 제공할 수 있기 때문에 순수한 색상 점은 특정 경우에 중요합니다. CD의 대부분의 방출은 여기 파장에 따라 달라지며 CD는 일반적으로 파란색, 녹색 또는 노란색 빛을 방출하며 일부 CD는 밝은 빨간색 빛을 방출합니다[22].
최근에는 o와 같은 페닐렌디아민(PD)의 이성질체가 -, m - 및 p -PD는 CD를 준비하기 위한 탄소원으로 연구되었습니다[8, 9, 23, 24]. 파란색, 녹색 및 빨간색 방출 CD는 m부터 준비할 수 있습니다. -, 오 - 및 p -PD 에탄올 용액, 각각 [23]. 풀 컬러 발광 CD는 p에서 준비할 수 있습니다. -PD 및 요소 수용액 [24]. 우리의 이전 연구[25]에서 우리는 새로운 적색 탄소 점(양자 수율 =15.8%, 물에서)이 "p -PD + HNO3 "수성 시스템 및 물에서 금속 이온 검출에 적용됩니다. 최근 유사한 “o -PD + H3 PO4 "[26] 및 "o -PD + HNO3 "[27] 시스템이 보고되었으며 Liu et al. [27]은 CD(QYs =10.8%, 수중)를 "탄화 폴리머 도트(CPD)"로 이름을 변경했습니다. 기존의 탄소점과 달리 CPD의 방출 파장은 여기 파장에 의존하지 않으므로 PD 기반 "CD"는 CPD로 더 정확하게 명명되어야 합니다.
여기에서 우리는 적색 방출 CPD를 준비하고 2광자 광발광 특성을 가진 바이오 이미징을 적용하기 위한 강산 보조 열수 경로의 쉽고 효율적인 방법을 보고합니다. CPD의 형성 메커니즘은 Gaussian 09 프로그램 패키지를 사용하여 제안됩니다.
이전 작업 [25]을 기반으로 황산(H2 SO4 ), 염산(HCl) 및 과염소산(HClO4 ) 빨간색 CPD의 준비를 위한 보조로 해당 CPD를 각각 SA-CPD, HC-CPD 및 PA-CPD로 표시했습니다. H2의 실험 조건을 최적화하기 위해 SO4 -지원 시스템, 우리는 c와 같은 여러 매개변수를 선택했습니다. (산) c (p -PD) 비율, c (p -PD), 온도(T ) 및 반응 시간(t ). CPD 제품은 미반응 p를 제거하기 위해 헥산으로 세척되었습니다. -PD 및 에틸 알코올로 산을 제거하고 14000rpm에서 30분 동안 원심분리하여 중합체 침전물을 제거하고 0.22μm 필터 멤브레인을 통해 여과합니다. 분말이 필요한 경우 정제된 CPD 용액을 회전 증발기에 의해 80°C 및 저진공 조건에서 거의 건조 상태로 추가로 증발시킬 수 있습니다(나머지는 분말 형태임).
고해상도 TEM(HR-TEM) 이미지는 200kV에서 작동하는 JEM-2100 투과 현미경에 기록되었습니다. CPD 용액의 적외선 스펙트럼은 KRS-5 창 조각(TlBr과 TlI의 혼합물)을 사용하여 Prestige-21 FT-IR 분광기를 사용하여 수집했으며, 일반적으로 액체상을 한 조각에 떨어뜨리고 건조했습니다. 슬라이스를 다른 슬라이스로 덮고 테스트 스탠드에 고정했습니다. 그런 다음 적외선 스펙트럼이 기록되었습니다.
CPD의 형광 스펙트럼은 F-2500 형광 분광 광도계에서 측정되었습니다. UV-Vis 흡수 스펙트럼은 Lambda 950 UV/VIS/NIR 분광계에서 기록되었습니다. CPD의 2광자 방출 스펙트럼은 현미경 시스템의 섬유 분광기(QE65000, Ocean Optics)에 의해 기록되었습니다. SA-CPD 수용액과 분말 재용해 용액을 슬라이드에서 회전시킨 후 2광자 광발광 특성을 측정하였다.
CPD의 광발광 양자 수율(QY)은 365 nm UV 광에 의해 여기된 580–610 nm의 방출 범위에서 기준 염료로 Rhodamine B(QYs =56% 에탄올)를 사용하여 측정되었습니다[25, 28], QY 측정값은 추가 파일 1에 표시되었습니다.
Gaussian 09 패키지는 밀도 함수 이론(DFT) 계산에 사용되었습니다[29]. 평형 구조는 6–311++G(d) 기본 설정 수준과 함께 B3LYP 방법으로 최적화되었습니다[30]. 용매 효과의 역할을 조사하기 위해 PCM(Polarized Continuum Model)에서 물을 사용했습니다. 각각의 최적화된 구조가 정지점에 해당하는지 확인하기 위해 동일한 수준으로 주파수 분석을 수행했습니다.
4 × 10 4 의 초기 밀도에서 Dulbecco의 Modified Eagle 배지(DMEM, Gibco)에 1.35mL의 HeLa 세포 밀리리터당 세포를 각 접시에 파종하고 5% CO2를 포함하는 가습 분위기에서 37°C에서 24시간 동안 배양했습니다. . SA-CPD 분말을 물에 재용해하여 예비 용액을 준비했습니다(400 μg mL − 1 ). 1350μL 세포를 150μL SA-CPD 예비 용액과 함께 배양했습니다(최종 농도는 40μg mL − 1 ). ) 12시간 동안 PBS로 3회 세척하여 유리 SA-CPD를 제거했습니다. 마지막으로 850nm 펨토초 레이저 여기(30mW)에서 공초점 현미경으로 세포 이미징 결과를 수집했습니다.
기본 실험에서 다양한 농도 비율, 반응 온도 및 시간을 가진 다양한 산 보조 시스템이 조사되었습니다(추가 파일 1:그림 S1 참조). 다양한 산 시스템에 대해 180°C 이상에서 적색 CPD가 형성될 수 있으며(2시간 동안 반응) 반응이 용액의 음이온에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 발견했습니다. 장시간(4–12시간, H3의 경우 240°C) PO4 및 HF 시스템, 추가 파일 1 참조:그림 S1f) 반응은 입자 크기를 증가시키고 적색 형광은 결국 흐려지는 반면 형광 변화는 HCl 시스템(2-6시간, 200°C, 추가 참조 파일 1:그림 S2). Teflon 라이너의 에너지 절약과 온도 상한을 고려하여 최적 온도와 반응 시간을 각각 200°C와 2h로 선택합니다. p 최적화 전략 기반 -PD + HCl 시스템(추가 파일 1:그림 S2 참조), 우리는 p를 최적화했습니다. -PD + H2 SO4 그리고 p -PD + HClO4 표 1과 같은 최적화 결과를 얻었습니다.
SA-CPD, HC-CPD 및 PA-CPD는 p에서 준비했습니다. -H2의 도움으로 PD 솔루션 SO4 , HCl 및 HClO4 , 각각. 최적화된 c (산) c (p -PD) H2의 비율 SO4 -, HCl- 및 HClO4 -보조 시스템은 각각 1, 3, 3입니다(추가 파일 1:그림 S3a 참조). 적합한 c (p -PD) 적색 CPD의 제조를 위한 범위는 넓습니다(0.02 ~ 0.20mol L − 1 ) ). 최적화된 온도(T ) 및 반응 시간(t )는 200°C 및 2시간입니다. SA-CPD는 21.4%의 높은 QY를 가진 가장 밝은 빨간색 CPD입니다(추가 파일 1:그림 S3b). H2를 사용하는 두 가지 이유가 있습니다. SO4 -보조 카본 도트는 HCl-, HClO4에 비해 품질이 우수합니다. - 및 HNO3 -보조 대상(이전 작업 [25]에 게시됨). 먼저 H2 SO4 고온고압의 반응용액에서도 산성을 유지하는 비휘발성 강산입니다. 둘째, H2 SO4 -보조 시스템은 전구체에서 암모늄 염 침전을 형성할 수 있는 유일한 시스템이며 침전물은 유리 반응물을 천천히 방출하여 큰 입자 중합체 침전의 형성을 피하고 고품질 탄소 점의 형성을 더욱 촉진합니다. HA-CPD 및 PA-CPD는 짙은 적갈색의 두꺼운 용액으로 365nm UV 광 조사에서 짙은 빨간색 PL을 방출하는 반면, 준비된 SA-CPD는 밝은 빨간색 투명 엷은 용액으로 밝은 빨간색 빛을 방출합니다(추가 파일 1:그림 S3c). 세척, 농축, 여과 및 증발로 정제한 후 SA-CPD(추가 파일 1:그림 S3d)의 짙은 적갈색 분말을 제품 수율 16.5%로 얻었습니다. 분말은 물에 다시 용해될 수 있으며 용액은 밝고 붉은 형광을 방출합니다(추가 파일 1:그림 S3e).
샘플 OpPD의 TEM 이미지(H2 제외) SO4 ) 및 SA-CPD(H2 포함) SO4 )은 그림 1에 나와 있습니다. 샘플 OpPD는 단편(올리고머, 그림 1a)과 폴리머(그림 1a 삽입물)로 구성됩니다. SA-CPD는 평균 크기가 ~ 5 nm인 단분산 CPD입니다(그림 1c). 이는 그래핀의 (100) 면내 격자 간격에 해당하는 ~ 0.21nm의 공간을 가진 잘 분해된 격자 핑거를 나타냅니다[31, 32].
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샘플 OpPD의 TEM 이미지(H2 제외) SO4 ) (a ) 및 SA-CPD(b ). ㄷ SA-CPD의 크기 분포. d 샘플 OpPD 및 적색 CPD의 FT-IR 스펙트럼. 샘플 OpPD 및 SA-CPD는 p에서 준비되었습니다. - H2가 있거나 없는 PD 수용액 SO4 -보조
CPD의 표면 상태는 광학 특성에 영향을 줄 수 있습니다. 샘플 OpPD 및 SA-CPD의 표면 화학 그룹은 FT-IR 스펙트럼으로 특성화되었습니다(그림 1d). 두 샘플에는 Ar-H(2700–3200cm − 1 )와 같은 여러 유사한 그룹이 있습니다. [33], 방향족 C-H 신축 진동에 속함), C-C(~ 1433 cm − 1 , 방향족 C-bone 스트레칭 진동에 속하며, 벤젠노이드 단위에 특유한 방향족 스트레칭 진동의 존재를 나타냄) [34], C=O(1628cm − 1 , -COOH 그룹에 속함). 샘플 OpPD와 비교하여 O-H(3300–3700cm − 1 )와 같은 새로운 그룹 및 1175cm − 1 -COOH 그룹에 속함), C-O-C(1055cm − 1 , 에스테르에 존재) 및 C-H(2400–3000cm − 1 ) 개환 반응에서 형성된 알킬 라디칼에 속함), CPD에서 발견되는 반면 -NH2 또는 –NH– N-H(3100–3300cm − 1 )와 같은 관련 그룹 및 1512cm − 1 및 C-N(1126, 1261, 1305cm − 1 ) 무료 –NH2에 속합니다. 또는 -NH- p의 그룹 -PD 전구체가 약해지거나 사라집니다. -OH 또는 -COOH 그룹의 존재는 SA-CPD 표면의 산화 정도를 나타냅니다(H2 SO4 첨가)는 샘플 OpPD(산 첨가 없음)보다 높습니다.
형성 에너지는 Gaussian 09 프로그램 패키지를 사용하여 계산되었습니다. 산 보조에 의해 양성자화된 후, 이중 중합체는 세로 및 가로 성장이라고 하는 두 가지 방식으로 중합될 수 있습니다. 횡방향 성장의 계산된 형성 에너지(− 1406.07 kJ mol − 1 )은 세로 성장보다 훨씬 높습니다(− 616.25 kJ mol − 1 ). 완전히 양성자화된 이중 중합체(pH 3, 초과 H + 추가됨) 평면 구조를 형성하기 위해 가로 방향으로 중합되는 경향이 있습니다(그림 2). 이 평면 구조는 구형 CPD를 형성하기 위해 자체 조립되었습니다.
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세로 및 가로 성장의 형성 에너지
다른 산의 도움으로 준비되지만 모든 CPD는 유사한 광학 특성을 가지고 있습니다[25]. SA-CPD 수용액의 UV-Vis 스펙트럼의 경우(그림 3a) ~ 290nm에 위치한 흡광도 피크는 벤젠 고리의 전이와 연관되며 430nm 및 510nm에 위치한 피크는 π에 할당될 수 있습니다. -π* 인접한 아민 그룹의 고독 전자쌍에 접합된 치환된 페나진의 전이 및 벤젠 고리에서 퀴노이드 고리로의 전자 전이 각각 [32]. 여기 곡선은 가시 영역에서 넓고 점진적인 상승 추세를 나타내며 최대 여기 피크(~ 580 nm)는 방출 피크(~ 600 nm)에 가깝습니다. CPD는 220nm에서 310nm로 여기될 때 적색광 영역(600–700nm)에서 방출하고 310nm에서 580nm로 여기될 때 주황색광(~ 600nm)에서 방출합니다(그림 3b). 이러한 종류의 적색 방출 CPD의 형광은 여기 파장과 무관합니다[22, 35].
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아 UV-Vis 흡수, 여기(600nm에서 피크) 및 b SA-CPD의 방출(여기된 220–580 nm) 스펙트럼
분말화 공정 전후의 SA-CPD의 2광자 광발광 특성은 그림 4a에 나와 있습니다. 펨토초 펄스 레이저(30mW)에 의해 850nm의 동일한 여기 파장에서 602nm(파우더링 공정 전)에서 529nm(파우더링 공정 후)로의 청색 이동이 있습니다. 파우더 처리 후 PL 강도가 높아졌습니다.
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SA-CPD의 2광자 광발광 스펙트럼(a ) 및 850nm, 30mW 펨토초 펄스 레이저로 여기된 SA-CPD로 처리된 HeLa 세포의 공초점 형광 현미경 이미지(b –이 )
SA-CPD 분말을 PBS(1X)에 재용해하고 공초점 형광 현미경과 850nm 펨토초 펄스 레이저(30mW)를 사용하여 HeLa 세포 이미징에 적용했습니다(그림 4b–e 참조). HeLa 세포와 12시간 동안 배양한 후 SA-CPD는 HeLa 세포에 의해 삼켜졌고 CPD는 세포질로 들어갔습니다. 적색 채널(645–675nm)의 FL 강도는 약하고 녹색 채널(526–574nm)은 밝습니다. 이는 분말화 공정의 청색 이동과 일치합니다.
탄소점을 제조하기 위한 산 보조 열수 경로의 손쉬운 방법과 바이오 이미징의 응용이 보고되었습니다. H2 이내 SO4 -, HCl- 및 HClO4 -보조 시스템, H2에서 준비된 SA-CPD SO4 -보조 시스템은 평균 크기가 ~ 5nm, QY가 21.4%, 제품 수율이 16.5%인 가장 밝은 CPD입니다. SA-CPD 수용액은 300~580nm의 빛에 의해 여기될 때 600nm에서 방출합니다. 방출 파장은 여기 파장과 무관합니다. 또한 SA-CPD는 850nm 펨토초 펄스 레이저(30mW)로 여기될 때 602nm에서 방출하는 2광자 광발광 특성을 가지고 있습니다. 이 방법은 HeLa 세포의 이미징에도 활용되었으며 예를 들어 바이오 이미징 응용 분야에서 잠재력이 있습니다.
카본 도트
탄화 폴리머 도트
Carbon Dots는 p에서 준비했습니다. - HCl 보조 시스템이 있는 PD
Carbon Dots는 p에서 준비했습니다. -PD HClO4 -보조 시스템
피 -페닐렌디아민
양자 수율
Carbon Dots는 p에서 준비했습니다. -PD와 H2 SO4 -보조 시스템
나노물질
초록 탄소점(CD)은 활성 표면으로 인해 항균제로 널리 사용되었지만 일부 CD는 불안정합니다. 따라서 항균 활성과 같은 상대적 응용 프로그램은 장기간 사용에 대해 신뢰할 수 없을 수 있습니다. 여기에서 우리는 열수 과정을 통해 청색 형광을 가진 CD를 합성합니다. 그 후, 폴리에틸렌이민은 CD를 CD 기반 프레임워크(CDF)로 조립하기 위해 적용되었습니다. CDF는 소광된 형광을 나타내었지만 주사 전자 현미경 및 제타 전위 조사에 기초하여 보다 안정적인 특성을 보였다. CD와 CDF 모두 그람 음성 대장균(E. coli ) 및 그
전자식 속도 컨트롤러:기능 아시다시피 자동 전자식 속도 컨트롤러는 모터가 회전하는 속도를 제어합니다. 모터가 처음부터 끝까지 원하는 속도로 회전하도록 합니다. 그것들이 없으면 모터가 제어할 수 없이 회전하여 결국 전체 시스템을 손상시킬 수 있습니다. 그러나 전자 속도 제어의 일부 기능은 무엇입니까? 전자식 속도 제어 장치에는 주목할 가치가 있는 세 가지 와이어 세트가 있습니다. 이 세 가지 케이블 세트는 모두 속도 컨트롤러의 적절한 기능을 보장하는 데 필수적인 역할을 합니다. 하나의 전선은 주 배터리, 특히 비행기의 배터리에 연
