水熱反応によりレモンジュースから製造された蛍光炭素量子ドットの材料と光学特性

背景

カーボン量子ドット（CQD）は、通常20 nm未満の空間サイズを持つ新しいクラスのカーボンベースのナノ材料であり、Xu etalによって発見されました。 2004年[1]。蛍光カーボンナノ粒子は、Sunらによって製造されました。 2006年にグラファイト粉末のレーザーアブレーションを介して[2]、それ以来「カーボンクォンタムドット（CQD）」と名付けられました。蛍光CQDは、光触媒、オプトエレクトロニクスデバイス、生物医学、薄膜ディスプレイ、健康的な照明、およびその他の実用的な分野に適用できる大きな可能性を秘めています。従来の半導体ベースの量子ドットと比較して、CQDは低コストの製造技術で取得でき、優れた生体適合性、正確な生物学的標的、低毒性、より強力な量子サイズ効果などの魅力的で重要な機能を備えています。近年、蛍光CQDは、その優れた構造的および光学的特性[5]により、大きな注目を集めています[3、4]。それらは、生物学的イメージング、生物学的標識、量子ドットLED（QLED）、環境保護、およびその他の関連分野を含むアプリケーション分野で、従来の半導体量子ドットの代替材料として提案されています[6、7、8、9]。 CQDの研究は、物性物理学、材料科学、電子工学、およびオプトエレクトロニクスで急速に成長しています。関連する基礎研究と応用研究は世界中で広く行われています[3,4,5,6,7,8,9]。

現在、熱水アプローチ[11、12]、マイクロ波法[13]など、CQDを合成するためのさまざまな手法[10、11]があります。 CQDは、グルコース[14]、クエン酸[15]、アスコルビン酸[16]などのさまざまな炭素前駆体から合成されています。しかし、大規模な生産規模で生体適合性のある蛍光CQDを効率的に製造する技術は依然として必要であり、CQDの実際のアプリケーションにとって課題となっています。食品[17、18、19]および/または副産物[20]からのCQDの直接合成は、有望で重要な戦略の1つであることが注目されています。パルプを含まないレモンジュースのエタノール溶液を加熱することにより、平均直径4 nm、水中で28％の高量子収率（QY）の赤色発光カーボンドット（R-CD）が合成されました[21]。強力な還元剤NaBH ₄ R-CDに追加されたものは、R-CDからの発光強度を高める手段として使用されました。ただし、NaBH ₄ 有毒です。ごく最近、私たちは有毒物質を添加せずに豆腐廃水から緑と青を放出するCQDを製造しました[22]。食品および/または副産物から作られたCQDは、これらの天然炭素資源に既知の毒性がほとんどないため、生物学的用途に安全であると考えられています。最近、ワンステップアプローチを使用して非毒性炭素資源からCQDを合成するためにいくつかの真剣な調査が行われ、これらのCQDの合成、研究、および適用において大きな進歩が達成されました。たとえば、ニンニクはCQDを合成するためのグリーンソースとして使用されました[23]。詳細な構造および組成の研究により、Nの含有量とC–NおよびC =Nの形成がフォトルミネッセンス（PL）QYを改善するための鍵であることが実証されました[23]。さらに、CQDは、広いpH範囲と高いNaCl濃度で優れた安定性を示し、複雑で過酷な条件に適用できるようにします[23]。

本研究の主な動機は、比較的低温での水熱処理を使用し、より時間のかからないプロセスを通じて、レモンジュースからCQDを低コストで製造するための簡単で効率的な実験方法を開発することです。レモンジュースは簡単かつ安価に入手できることが知られているため、CQDベースのサンプルおよびデバイス製造に適した炭素源です。以前の研究[21]と比較して、私たちの研究で得られた無毒のCQDは、生物学的イメージングおよび細胞マーカーにより適しています。この研究では、レモン果汁から実現されたCQDの基本的な材料と光学特性の検査も行い、CQDをイメージング植物細胞に適用します。

メソッド

先行資料

この研究では、炭素前駆物質は新鮮なレモンジュースから取られています。主成分とその割合は、表1に示すように、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）測定によって得られます。サンプル準備のために、炭素源として使用した新鮮なレモンと細胞イメージングに使用した新鮮なタマネギを地元のスーパーマーケットから購入しました。エタノールは分析的に純粋であり、分散剤として使用されました。実験には脱イオン水（18.25MΩcm）を使用しました。

CQDの合成

CQDは、レモンジュースから、比較的低温での単純な熱水処理と時間のかからないプロセスによって合成されました。典型的なサンプル準備プロセスを図1に示します。80ミリリットルの果肉を含まないレモンジュースを60mLのエタノールと混合しました。次に、混合物をポリテトラフルオロエチレンを備えたステンレス鋼オートクレーブに移し、約120℃で3時間一定温度で加熱しました。反応後、室温まで自然冷却した後、暗褐色の生成物が得られた。暗褐色の溶液を過剰のジクロロメタンで洗浄して未反応の有機部分を除去し、このステップを2〜3回繰り返すことができます。茶色の溶液の量が溶液の3分の1になるまで脱イオン水を加え、10000 rpmで15分間遠心分離して、大きな粒子を分離しました。したがって、CQDサンプルは、炭水化物と、炭素前駆体としてグルコース、フルクトース、スクロース、アスコルビン酸、クエン酸などの有機酸を含むレモンジュースの炭化によって取得できます。報告されている方法[24]と比較して、私たちの簡単な水熱反応は、より低い温度（120°C）で、より短い時間（3時間）で行われます。

水熱処理によるレモンジュースからのCQDの調製

特性評価

レモンジュースから実現されたCQDの形態と微細構造は、300 KVで動作する透過型電子顕微鏡（JEM 2100、日本）によって分析されました。 CQDの結晶相は、Cu-Kα線（λ）を使用したX線回折（Rigaku TTR-III、日本）によって調査されました。 =0.15418 nm）。 ＵＶ－Ｖｉｓ吸収スペクトルは、ＵＶ－Ｖｉｓ分光光度計（Ｓｐｅｃｏｒｄ２００）によって測定された。光子によって誘発された発光は、330〜490 nmの範囲のさまざまな励起波長について、蛍光分光光度計（IHR320、HORIBA Jobin Yvon、USA）によって調べられました。 X線光電子分光法（XPS）スペクトルは、1486.6eVのAlKαを使用したPHI5000Versa ProbeII光電子分光計によって記録されました。

結果と考察

CQDの透過型電子顕微鏡（TEM）画像を図2に示します。準備されたままのサンプルの低倍率TEM画像は、CQDが均一な分散度を持っていることを示しています。 CQDは球形で、2.0〜4.5 nmの範囲の狭いサイズ分布を持ち、図2b、cに示すように平均サイズは3.1nmです。図2dは、グラファイト状炭素の[100]ファセットに対応する0.215 nmの格子間隔を示しています。また、CQDの対応する高速フーリエ変換（FFT）パターンは、以前のレポート[25]と一致する高度な結晶構造をさらに示しています。以前の研究[19、21、22、23]と比較すると、図2に示すように、私たちの研究で得られたCQDは、品質が良いだけでなく、より均一な形態を示しています。したがって、均一な丸みを帯びた形態と十分に結晶性のあるCQDは、簡単な熱熱処理プロセスによって製造できます。 CQDの生産量（PY）は、定義PY =（ m に従って計算できます。 / M ）×100％、ここで m はCQDの質量であり、 M フレッシュレモンジュースの塊です。この研究で調製されたCQDの生成収率は、測定結果によると約0.1％です。つまり、6.30％のクエン酸を含む100 gの液体は、約0.1 gのCQDを取得できます（表1を参照）。

a 、 c 、 d TEM画像。 b CQDの粒度分布。 e CQDの対応するFFTパターン

CQDの典型的なX線回折（XRD）およびXPSプロファイルを図3に示します。2θを中心とする広い（002）ピークがあります。 〜21.73°で、層間間隔は0.409 nmと計算されました。これは、図3aに示すように、グラファイト構造に対応します。これは、他の方法で作成されたCQDについて報告された値下げと同様です[15、26]。層間距離の変動は、CQDの調製のための熱水反応の手順中にCQDの表面およびエッジに-OHおよび-COOHが存在するなど、より多くの酸素含有基の導入によって引き起こされる可能性があります。 XPSとFTIRを使用して、CQDの組成を検出しました。図3b、cに示すように、XPSスペクトルは、284.5eVで支配的なグラファイトC1sピークを示し、531.4eVでO1sピークを示します。 C1s XPSスペクトルの高解像度スキャンにおける284.7、286.5、および288.9 eVの典型的なピーク（図3cは、それぞれC =C / C–C、C–O、およびC =O / COOHに起因します。これは、CQDがヒドロキシル、カルボニル、およびカルボン酸基で官能化されていることを明確に示しています。これらは、表面修飾と官能化に有益であり、水への溶解性にも役立ちます。図3dは、 CQD。CQDにさまざまなタイプの酸素官能基が存在することは、3450 cm ^-1 のピークによって確認されました。 （O–H伸縮振動）、2927 cm ^-1 、1407 cm ^-1 （C–H伸縮振動）、1726 cm ^-1 （C =O伸縮振動）、1639 cm ^-1 （C =C伸縮振動）、1227 cm ^-1 （C–OH伸縮振動）、および1080 cm ^-1 （C–O伸縮振動）。 FTIR分析が上記のXPSの結果と一致していることに注意してください。最も重要なことは、C–O–C（エポキシ）ピークが1290 cm ^-1 で完全に消失したことです。 。これらの結果は、エポキシ基が破裂し、下にあるC-C結合が形成され、続いてsp ² が形成される、CQDの形成メカニズムを示唆しています。 ドメインは、グルコース、フルクトース、アスコルビン酸、クエン酸などの小分子前駆体から、さらに脱水または炭化することによって抽出され、最終的にCQDを形成しました。したがって、周囲の酸素基の結合切断は、CQDの形成に寄与します[15、27]。

a XRDパターン。 b 低範囲XPSスペクトル。 c C1s領域のXPS高解像度スキャン。 d CQDのFTIRスペクトル

現在、水熱法による炭素前駆体からのCQDの形成の可能なメカニズムが提案され、検討されている[28]。これらの公表された結果に基づいて、レモンジュースからのCQDの合成メカニズムを理解することができます。パルプを含まないレモンジュースを加熱および脱水して、主にCQDで構成されるC =C / C–Cの基本的なフレームワークを形成し、残りの分子が核の表面に到達して新しいC =C /を生成します。 C–C結合し、この形で継続的に成長します。加熱時間の延長に伴い、CQDの形態が徐々に形成されます。同時に、形成されたCQDへの水熱処理の過程で、CQDの表面とエッジには、多くのヒドロキシル（–OH）、カルボキシル（–COOH）、およびカルボニル（–C =O）または他の酸素が含まれる場合があります。官能基を含む;これらのグループのHおよびO原子の一部は、熱水環境で脱水することによって除去できます。

CQDの光学特性を調べるために、CQDの紫外可視（UV-Vis）吸収およびフォトルミネッセンス（PL）スペクトルを適宜測定しました。図4aに示すように、CQDの光吸収ピークは紫外線領域で観察され、283 nmで最大吸収が見られました。これは、 n によるものです。 -π * C =Oバンドの遷移[29]。図4bのPLスペクトルは、CQDのPL発光波長が励起波長410nmで482nmのピークに達することを示しています。励起波長を330nmから490nmに増やすと、発光波長が430nmから530nmにシフトしました。励起波長の増加に伴い、蛍光発光ピークは赤方偏移に変わり、光子の再吸収の発生を示します。この結果は、CQDが励起に依存するPL機能を持っていることを示しています[30]。緑色蛍光CQDは、励起波長の変化に伴ってシフトする広いPLピークも示します。これは、量子閉じ込め効果とエッジ欠陥に関連しています。標準のPL測定[22]では、CQDの蛍光量子収率は16.7％で、励起波長は410 nmで、硫酸キニーネが参照として使用されていました。この値は、以前のレポート[24]のレモンジュースから作られたCQDのQY（8.95％）よりも大幅に優れています。 CQDのQYは、表面改質またはパッシベーション後に劇的に向上することが知られています[30]。合成プロセス中にエタノールを追加すると、より多くの官能基が導入され、CQDのQYが高くなる可能性があります。ただし、この研究のCQDのQYは、モデル分子としてクエン酸（CA）とエタノールアミン（EA）を使用して合成されたCQDのQYよりも著しく低くなっています。ここで、180°Cでの熱分解により、PLが非常に強く、QYが50％と高い分子前駆体が生成されました。これは、合成プロセス中のNドーピングによるものです[30]。

a CQDのUV-Vis吸収スペクトル、挿入図：日光（左）とUV光（右）の下での光学画像。 b 異なる励起波長でのCQDのPLスペクトル

CQDは無毒で環境にやさしいため、invitroおよびinvivoの両方で生体系に適用される半導体量子ドットの代替品と見なされています。合成されたままのCQDは、図5に示すように、タマネギ表皮細胞の光学画像に適用されました。蛍光顕微鏡は、タマネギの内側表皮細胞の細胞壁と細胞核がはっきりと見え、十分な層があり、立体感が強い。結果は、炭素量子ドットの染色とイメージングが優れており、生物に悪影響を及ぼさず、細胞の形態学的損傷も観察されないことを示しており、細胞毒性の低いCQDをさらに示しています。図5の共焦点画像は、レモンジュースから合成されたCQDが植物細胞のイメージングで蛍光インジケーターとして使用できることを示しており、さらにCQDの生物学的イメージングの潜在的な用途を示しています。

青色光源で照射されたCQDを使用して染色されたタマネギ表皮細胞の光学画像

結論

本研究では、レモン果汁を炭素資源として用い、容易な水熱反応により水溶性蛍光炭素量子ドットを合成しました。これらのCQDは、優れた材料特性と光学特性を備えています。それらは、UVまたは青色光の照射下で明るい青緑色の蛍光を発することができます。 CQDが植物細胞のイメージングに使用できることを実証しました。これらの重要で重要な発見が、CQDを深く理解し、新たに炭素ベースのナノ構造のより実用的なアプリケーションを探求するのに役立つことを願っています。

略語

CQD：

カーボン量子ドット

FFT：

高速フーリエ変換

HPLC：

高速液体クロマトグラフィー

PL：

フォトルミネッセンス

QLED：

量子ドットLED

QY：

量子収率

R-CD：

赤色発光カーボンドット

TEM：

透過型電子顕微鏡

UV-Vis：

紫外可視

XPS：

X線光電子分光法

XRD：

X線回折