金属イオン検出のための効果的な蛍光センシングプラットフォームとしてのカーボンドット

カーボンドットの物理的特性

構造

CDの構造を理解することは、蛍光を含むCDの主要な機能を理解するために重要です。 CDの大部分は、0.18〜0.24nmのグラファイト面内格子間隔と0.32nmのグラファイト層間スペースを持っています（図4a）。 CDの詳細な構造は原材料や合成方法によって異なりますが、CDはsp ² と同様の炭素結晶コアで構成されていると一般に認められています。 炭素およびアモルファスクラスター（図4b）[33、58、59]。一般に、CDの結晶化度はGQDの結晶化度よりも低く、一部のCDにはダイヤモンドのようなsp ³ が含まれています。 カーボン[37]。ラマン分光法はこれらの観察結果を補強し、1350および1600 cm ^-1 付近に2つのピークがあります。 通常は観察され、無秩序なsp ² を示します それぞれ炭素と結晶性黒鉛状炭素[33、59]。コアカーボンフレームワークに加えて、通常、さまざまな官能基が表面の不動態化または官能化によってCDに導入され、これらは表面を保護し、CDの蛍光を増強します。

a CDの格子と b の間の空間の測定を示す高分解能TEM画像 sp ² を含むカルボジェニックコアを備えたCDの概略図 カーボン[33]

蛍光

CDの表面状態はそれらの蛍光と密接に関連していると一般に認められています。ただし、CDの構造が複雑であるため、CD蛍光の正確な根本的なメカニズムは不明であり、明確にする必要があります。パンら。フルカラーとブルーカラーのCDでこの質問に答えました（図5）[60]。 CDの光学特性は、同じ材料（クエン酸とホルムアミドの比率が同じ混合物）から作成されたものであっても、マイクロ波水熱法で適用される熱の温度と持続時間によって異なる場合があります。つまり、2つの異なるCDサンプルが異なる蛍光スペクトルを表示できます。高温で長い反応時間で調製されたCDはフルカラースペクトルを示しましたが、低温で短期間で作成されたCDは、同じ波長を照射すると青色を示しました。これは、CDのサイズの違いに起因する可能性があります。これは、半導体QDと同様に、CDの発光が量子閉じ込め効果に依存するため、CDの発光プロファイルに影響を与えます。つまり、量子ドットのサイズが小さくなると、価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップが広がり、発光波長が短くなります。ただし、CDの表面状態によっても違いが生じる可能性があり、調査の結果、フルカラーCDの表面には、他のサンプルよりもC =N / C =OおよびCN基を含む官能基が多いことが明らかになりました[ 59、60]。以前の研究と一致して、証拠は、CDの蛍光が単一の要因によって引き起こされるのではなく、サイズ、表面の不動態化、官能基、およびヘテロ原子などのいくつかの要因の組み合わせから生じることを示唆しています[61]。

a フルカラー発光CDの作成の概略図。 b 異なる励起波長での蛍光CD（F-CD）の蛍光スペクトル。 c F-CDのUV-vis吸収スペクトル。 d 330〜600nmで30nm刻みで記録されたF-CDの蛍光発光写真。すべてのスペクトルと写真は、脱イオン化されたH ₂ で取得されました。 O [60]

表面の不動態化とドーピング

ドープされていないCDとも呼ばれる元のCDは、最初の合成ステップの後に炭素と酸素のサイトを露出しました[33]。不動態化は、表面の炭素および酸素含有基を他の有機分子との相互作用から保護し、CDの光電子特性を維持します。高分子PEG _1500N 酸処理によりCDに導入され、CDの蛍光を増強することが示されています[32]。表面のパッシベーション自体も、CDの機能化に貢献し、さらに変更する必要はありません。異なる分子量のPEG、分岐ポリエチレンイミン（b-PEI）、ジアミン末端オリゴマーPEGなど、他の多くの材料も適用されており、ポリアミンで不動態化されたCDや遊離アミンで官能化されたCDが得られます。これにより、蛍光調整が可能になります[62]。さまざまな官能基がCDのエネルギーレベルに影響を与え、プローブの光吸収と発光スペクトルを変更および強化します。さらに、表面修飾により、特定の溶媒へのCDの溶解度を調整することもできます。たとえば、CDの酸処理により、一般に、カルボキシル基、カルボニル基、およびヒドロキシル基が組み込まれます[32、57]。

Burlinos etal。クエン酸とさまざまなアミンの混合物が熱分解されるワンステップ熱分解によるCDの機能化を実証しました。このシステムでは、クエン酸塩が炭素コアを提供しましたが、アミンはCDの官能基として結合していました[63]。ヤンら。調整可能なフォトルミネッセンスを備えた重金属ドープCDの大規模な調製方法を報告しました[64]。最初に、中国のインクからのカーボンナノ粒子は、前駆体として酸化CDを取得するために、確立されたプロセスを使用して同時に酸化および切断されました。次に、ヘテロ原子（N、S、またはSe）をドープしたCQDを、ワンステップの熱水還元とその場でのドーピング処理によって取得しました。重金属をドープしたCQDは、サイズがわずか1〜6 nmで、ヘテロ原子の電気陰性度に応じて異なる発光波長でフォトルミネッセンスが向上しています（図6）。さらに、これらのNおよびSドープCDは、Cu ²⁺ の検出に非常に敏感でした。 およびHg ²⁺ 、それぞれ[64]。

ヘテロ原子の電気陰性度と発光波長の関係（λ _em ）ドープされたCDの[64]

グラフェンはゼロバンドギャップ材料であるため、元のグラフェンに光電子特性を導入する必要があります[65]。ドーパント原子の組み込みは、グラフェンの蛍光特性を調整するための有望な方法です。化学的機能化によりバンドギャップを変更することもでき、バンドギャップの変化によりフェルミ準位がシフトします[66]。窒素などの炭素よりも電気陰性度の高い原子をドープすると、発光が青にシフトしますが、硫黄やセレンなどの炭素よりも電気陰性度の低い元素をドープすると、蛍光が赤にシフトします[64]。特に、酸素、特にエポキシまたはヒドロキシル基の導入は、sp ² のバンドギャップを広げます。 -混成炭素ネットワーク。 CD形成後、NドープCDは、ヒドラジン、尿素、ヘキサメチレンテトラミン、ジエチルアミン、エタノールアミン、エチレンジアミンなどの有機炭素源で順次処理することによって調製されました。これにより、電子密度が増加し、CDの仕事関数が減少し、結果として発光のブルーシフト。さらに、Umrao etal。出発有機溶媒としてのアセチルアセトンからのマイクロ波炭化および芳香族化プロセスを介してサイズと官能基を可逆的に調整することにより、緑色および青色の発光GQD（g-GQDおよびb-GQD）を生成するシーケンシャルボトムアップルートを報告しました（図7）[ 56]。 g-GODの最初の緑色発光とは対照的に、最終生成物としてのb-GQDは、2段階のマイクロ波照射プロセスによってサイズと酸素官能基が減少したため、433nmで1つの発光ピークとpHに依存しない青色発光しか示しません。中間製品としてのg-GQDの使用。

緑-GQDおよび青-GQDのマイクロ波ボトムアップルートの概略図：緑の円はカルボキシル基とカルボニル基を示し、青の円はヒドロキシル基を示します[56]

重金属検出用のCDの装飾

重金属はしばしば必要であり、低濃度で人の健康に害を及ぼすことはめったにありませんが、それらの蓄積は広範囲の衰弱性疾患につながる可能性があります。さらに、主にHg ²⁺ によって引き起こされる重金属汚染 、As ³⁺ 、Pb ^{2 +、} Cd ²⁺ 、およびCu ²⁺ は、地球規模の持続可能性を恒久的に損なう可能性のある、環境に対する最も有害な脅威の1つと見なされています[67]。したがって、微量重金属を継続的に監視するための多用途システムの開発は、現代社会において非常に重要です。

CDは、その豊富さ、高い安定性、低い毒性、および安価な性質のために、飲用検出器で使用するための望ましい候補です[68,69,70,71]。さらに、表面修飾は容易であり、CDを水溶性にするために使用できるだけでなく、高い蛍光量子収率をもたらし、生体適合性ナノ材料の魅力的な候補になります[72]。プローブと重金属間の結合と相互作用は、蛍光強度、寿命、異方性などのフルオロフォアの物理化学的特性の変化を引き起こし、量子閉じ込めの結果として高感度で分析物を選択的に示すことができるよりも意味のある信号を提供します。ここでは、重金属検出におけるCDの適用を容易にするさまざまなタイプの表面材料に関連する最近の研究の概要を説明します[73,74,75,76,77]。

有機分子

最初に合成されたCDは蛍光を示さず、H ₂ などの極性溶媒への分散が不十分です。 Oおよびエタノール。これは、環境プローブとして、または重金属を検出するための生物学的用途のための蛍光CDの利用を制限します。したがって、多くの研究者が、極性溶媒中での量子収率と分散性を高めるためのCDの開発に焦点を合わせてきました。これを実現する簡単な方法の1つは、CDの表面にさまざまな官能基を組み込むことです。朱ら。クエン酸とエチレンジアミンを使用した簡単な水熱合成法を報告しました。興味深いことに、彼らは2つの前駆体の比率の変化がFe ³⁺ に応答して量子収率にどのように影響するかを調査しました。 。彼らは、2つの成分の比率を変えると、組み込まれるヒドロキシル残基とカルボキシル残基の数が変わることを発見しました。したがって、最終製品は異なる蛍光強度を示した。アミン基がない場合、量子収率は10％未満であり、最大量子収率は硫酸キニーネと比較して60％でした。 CDの蛍光はFe ³⁺ の存在下で消光されました 、おそらくCDのヒドロキシル基とFe ³⁺ の間の配位が原因です 。 Fe ³⁺ の検出限界 1ppmでした[78]。この結果は、官能基の調整が最適なプローブ蛍光を達成するために重要であることを明確に示唆しています。 Sun etal。また、水熱処理によるアンモニアからのアミン官能化GQDの調製を報告しました。これにより、量子収率がネイティブGQDの8倍に増加しました。さらに、GQDは銅イオンに対して高い選択性を示しました[79]。ドンら微量のCu ²⁺ を検出する効果的な方法を報告しました 蛍光プローブとして分岐ポリエチレンイミン官能化CDを使用するイオン[80]。 Cu ²⁺ にさらされると、蛍光強度が増加しました。 。さらに、彼らは実際の河川水サンプルでこのプローブをテストし、Cu ²⁺ からの線形応答を示しました。 0から9μMの濃度;このセンサーはpHの影響を受けましたが、pH4.0でのみ感度を示しました。

炭素ベースのナノ材料を調整する1つの方法は、窒素や硫黄などの他の原子を導入して、電子特性を変更することです。グラフェンに窒素をドープすると、N-グラフェンが形成されます。これは、元のグラフェンとは異なる特性を持っています。窒素ドーパントは、炭素原子の電荷とスピン密度の分布に影響を与え、それによってグラフェン表面を活性化します[81、82]。 Ju etal。クエン酸から合成され、Fe ³⁺ に敏感な単純な水熱法によってヒドラジンがドープされたNドープGQDが報告されました。 、検出限界は90nMです[83]。したがって、ヘテロ原子ドーピングはGQDの電子特性を大幅に変える可能性があり、Fe（III）イオンのラベルフリーの高感度で選択的な検出を実際の水サンプルで実行できます。したがって、この方法は、センシングプラットフォームを製造するためのシンプルで低コストのルートを提供します。

水銀検出用の高感度フォトルミネッセンスプローブとして単一の高分子前駆体から調製された窒素-硫黄共ドープCDは、Mohapatra etalによって開発されました。ターンオン/オフ蛍光は水銀の添加により変化しました。これは、励起状態から金属イオンのd軌道​​への非放射性電子移動に起因します。 CDの硫黄部分とHg ²⁺ の間のソフト-ソフトおよび酸-塩基の相互作用 蛍光プローブをHg ²⁺ に対してより特異的かつ選択的にする 、水銀イオンの検出限界は0.05nMです[84]。さらに、Wang etal。前駆体としてアスコルビン酸とホウ酸を使用した水熱合成によるホウ素ドープCD（B-Cドット）の合成を報告しました。 CD表面のキレート酸素原子間の電荷移動により、強い蛍光はCu（II）およびPb（II）イオンによって消光されます[85]。

バーマンら。水銀およびヨウ化物イオンの検出用の高青色蛍光黒鉛状窒化炭素QD（g-CNQD）を報告しました。水俣病と呼ばれる神経学的症候群を引き起こすため、水銀が標的として選ばれました[86]。 g-CNQDを合成するために、マイクロ波を介した合成をホルムアミド前駆体とともに使用しました。炭素よりも窒素に対する親和性が高く、半径が大きく、窒素と複合体を形成する能力があるため、Hg ²⁺ イオンは、g-CNQDの蛍光特性の消光に敏感かつ選択的に影響を与える可能性があります。非蛍光クリートg-CNQD-（Hg ²⁺ ） _x 複合体は非蛍光性の「オフ」状態をもたらしましたが、I ^- を追加すると イオンはこの「オフ」状態を「オン」状態に変化させ、キレート化Hg ²⁺ の形成を示しています。 複合体が発生しました（図8）。

a Nドープグラフェンの概略図-（Hg ²⁺ ）Iイオンの添加による複雑でNドープされたグラフェン。 b Nドープグラフェン（5μgL ^-1 ）の蛍光発光の変化 ）Hg ²⁺ の添加による水中 イオン。 c Hg ²⁺ の蛍光消光 他の金属イオンと比較したイオン[86]

生体分子と天然素材

生体分子は、毒性や生体適合性が懸念される場合、CDの修飾や合成に大きな可能性を秘めています。アミノ酸、オリゴ糖、およびそれらの高分子と誘導体を含む、自然界で生成されるさまざまな生化学的成分を使用することができます。 Liu etal。ウシ血清アルブミンで修飾されたリジン被覆CQD（CQDs-BSA-Lys）は、Cu ²⁺ の検出に使用できると報告されています。 イオン[87]。手付かずのCDの合成は、グルコースとPEG ₂₀₀ の混合物を使用して実行されました。 マイクロ波処理による。 BSAをカップリング試薬と穏やかに攪拌しながら混合すると、カルボジイミドが形成されました。その後のリジンの添加は、おそらくBSAとリジンの両方からのカルボン酸とアミンの間の相互作用、およびコーティング層の形成のために、CQD-BSAの蛍光を大幅に増強しました。 CD。 CDは、さまざまな重金属の存在下で銅選択プローブとしての機能についてテストされ、プローブは銅に対する特異性を示し、Cu ²⁺ を検出しました。 2 nmolの濃度（図9）。 Cu ²⁺ イオンは、CQDのリシンのカルボン酸とアミンの周りに複数の配位錯体を形成し、部分的にコーティングされていないCQDのグリシンを形成するようです[87]。

a BSAとLysおよびCu ²⁺ によるCD修飾の概略図 検出。 b 2 nmol Cu ²⁺ に対するCD-BSA-リジン蛍光プローブの選択性 最適な条件下で他の陽イオンの存在下で[87]

バリン官能化GQD（Val-GQD）は、熱分解によるクエン酸との同時混合によって合成されました[88]。塩基性GQDは、脱水と炭化によって熱分解されたクエン酸から形成され、組み込まれたバリンが蛍光の変化を引き起こしました。 Val-GQDの量子収率は、元のGQDの量子収率と比較して4倍に増加しました。量子収率の増加は、バリンによる官能化後に形成されたピリジンおよびピロール基の窒素部分の増加によって引き起こされた可能性が高い、立体的および電子的特性の変化によって引き起こされました[88、89]。興味深いことに、Val-GQDにバリン部分が存在すると、Hg ²⁺ に対してより感度の高い蛍光応答が得られました。 、0.4 nMの検出限界（信号対雑音比=3）と、変更されていないGQDの14倍の感度を示しています。

Chowdhury etal。コンジュゲーターとして、アミノ酸に由来するよく知られた神経伝達物質であるドーパミンを選択しました[90]。彼らのアイデアは、ドーパミンがFe ³⁺ を形成するという事実に基づいていました。 体内の複合体。これにより、Fe ³⁺ に対する蛍光と感度が向上します。 GQDの。 GQDは、クエン酸の熱分解とそれに続くドーパミンとの共有結合によって製造されました。第二鉄イオンの添加後、ドーパミンのカテコール部分との複合体が形成され、続いてo-セミキノンに酸化され、GQDの蛍光強度が低下しました（図10a）。蛍光強度は0〜1.5μMの範囲で直線的に変化し、検出の下限は7.6nMでした。 Cui etal。 [91] Hg ²⁺ を検出するための蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）ベースのシステムを準備してテストしました オリゴデオキシリボヌクレオチド結合CD（ODN-CD）を使用します。 CD上のチミンに富む22塩基対のヌクレオチドは電子供与体として機能し、GOは電子受容体として機能します。 Hg ²⁺ がない場合 、CD上のオリゴマーから放出された蛍光のエネルギーがGOに吸収され、その蛍光が消光されました。一方、Hg ²⁺ の存在下では イオン、オリゴマー中のチミンはHg ²⁺ と選択的に相互作用します 、自己混成オリゴマーを形成します。 ODN-CDの折り畳まれた構造は、GOとの相互作用を防ぐため、消光された蛍光が回復します（図10b）[91]。したがって、水銀濃度が増加するにつれて蛍光が回復し、このシステムはHg ²⁺ を監視することができました。 濃度は5〜200 nMの線形範囲で、Fe ²⁺ を除く他のカチオン性金属よりも水銀に対する選択性があります。 。

a の概略図 ドーパミン官能化GQD（DA-GQD）センサーの準備[89]、および b Fe ³⁺ の提案されたメカニズム イオンとHg ²⁺ 用のFRETベースのセンサーシステム CDとGOを使用した検出[91]

キトサンは天然素材で、カニなどの貝の外殻の主成分です。その豊富さとバイオセーフティは、CD前駆体としての使用に有利であり、炭素と窒素の両方を一緒に提供するため、簡単なプロセスでNドープCDを製造するために使用できることが研究によって示されています[91]。この方法は、量子収率が低いことが多い天然素材に由来するCDが抱える一般的な問題を克服し、CDは31.8％の量子収率を示しました。スマートフォンアプリケーションに加えて、これらの材料は、Hg ²⁺ のポータブル検出プローブとしてのアプリケーションも可能です。 、検出限界は80nMです。 NドープCDは、Hg ²⁺ なしで440nm付近に強い蛍光を示しました。 、一方、Hg ²⁺ の存在下では、蛍光は大幅に消光されました。 。その蛍光減衰は、80〜300μMのHg ²⁺ の範囲内で線形でした。 [92]。

Sahu etal。 Ocimum sanctum の葉である天然資源から高蛍光CDを製造するためのグリーン合成を報告しました 、シングルステップで。環境に優しい準備されたCDは、Pb ²⁺ に対して優れた選択性を持っています 検出限界が0.59nM、線形検出範囲が0.01〜1.0μMで、細胞透過性が高く、細胞毒性が低いイオンであるため、蛍光細胞イメージングに効果的に使用されます[93]。

金属ナノ粒子

Au、Ag、Ptなどの新しい金属ナノ粒子は、サイズと形状に応じて、独特の表面プラズモン共鳴（SPR）ピークを示します。興味深いことに、炭素ベースのナノ材料と新しい金属ナノ粒子の複合材料は、それらの特徴的な光学特性のために研究されてきました。貴金属クラスターは、sp ² 間の混成により、高い安定性で固定化できます。 グラフェンシートとクラスターの欠陥サイトでのダングリングボンド。固定化後、GQDの蛍光はこれらの金属ナノ粒子によって消光されるか、電荷移動プロセスによってイオンのクラスターが形成されます[94]。これらの現象に触発されて、Ran等。 Ag ⁺ を迅速かつ高感度で検出するために、GQDで装飾された合成Agナノ粒子 およびビチオール[95]。 GQD上でのAgNPの形成は、GQDの蛍光を消光し、ビチオールの添加は、Ag-S結合の形成による強い相互作用を介してさらなるターンオフ現象を引き起こします。

Ting etal。システアミンでキャップされた金ナノ粒子（AuNP）とGQDの新規コンジュゲートが報告されており、これらはHg ²⁺ の高感度の電気化学的検出に使用されました。 およびCu ²⁺ 検出限界はそれぞれ0.02および0.05nMです[96]。 Hg ²⁺ イオンは、負の電圧（-0.2 Vおよび120秒）を印加することによって電極上に事前に濃縮され、負に帯電したヒドロキシル基とカルボキシル基はHg ²⁺ と相互作用します。 R-COO-（Hg ²⁺ の形成のため ）-OOC-Rグループ、およびAuNPへの水銀の最初の結合。 Cu ²⁺ の場合 イオン、銅の陽極ストリッピング電圧は0 Vで発生します。これは、水銀イオンの陽極ストリッピング電圧から明確に分離されていることを意味し、2イオン種の同時検出の可能性を意味します。さらに、Bourlinos etal。有機塩とガドリニウム（III）錯体で構成される前駆体の熱分解を介して、デュアル蛍光/磁気共鳴画像法（MRI）特性を備えた超微細サイズのGd（III）ドープCDの合成を発表しました。ドットは水分散性であり、光励起時に可視範囲で明るい蛍光を示し、市販のガドビストに匹敵する強いT1強調MRIコントラストを示し、細胞毒性も低い（図11）[97]。 P>

Gd-QCDの合成。 Gd（III）中心は、残留OおよびNヘテロ原子による配位によって炭素質マトリックスに固定化されます[97]。挿入図は、Gd-QCDおよび市販のGdベースの造影剤であるGadovistのT1強調画像におけるMRI陽性コントラスト効果を示しています

張ら。アラニンとヒスチジンによるワンステップ水熱処理によって調製された効率的なCQD-金ナノクラスター（CQD / AuNC）ナノハイブリッドを報告しました。ハイブリッド材料は、32.5 nMの検出限界でCD（II）イオンを高感度かつ選択的に検出するためのレシオメトリック蛍光プローブに使用されました。興味深いことに、Cd ²⁺ による消光蛍光 検出限界が105nMのl-アスコルビン酸（AA）の濃度で徐々に回収でき、この蛍光「オン-オフ-オン」システムは、Cd ^{2 + 湖水とヒト血清中のAAとそれぞれ[98]。}

結論

炭素ベースの量子ドットに関する多くの研究が過去数十年で報告されており、幅広い合成方法と特性評価技術が使用されてきました。ほとんどの場合、これらの蛍光物質の研究は、それらのバイオイメージングアプリケーションに焦点を合わせています。人体に欠かせない重金属もありますが、過剰な重金属は水俣病やイタイイタイ病などの病気を引き起こします。このように、最近の蛍光CDの進歩により、危険な重金属用の携帯型検出器の開発の可能性が開かれ、携帯型デバイスとしての重金属センサーの開発を可能にする表面材料に関する最近の研究の概要が示されました[99]。さらに、生体適合性のある蛍光CDの進歩により、無害なオンサイト検出が可能になるだけでなく、色を介した分析により、専門家でない人でも簡単に解釈できる読み取りが可能になります。しかし、CDの水への溶解度が比較的低いことは依然として課題であり、多くの合成方法が開発されているにもかかわらず、デバイスを製造するための低コストは、さまざまな分野でCDを使用するためのもう1つの要件です。さらに、合成方法と生の炭素源に依存するさまざまなフォトルミネッセンスの正確なメカニズムをより明確にする必要があります。このレビューが、重金属センシング用の炭素ベースの量子ドットの最近の進歩について研究者に知らせ、新しいエコフレンドで費用効果の高い合成方法と実用化の開発につながることを願っています。

データと資料の可用性

これは、重金属センシングにおける製造、機能、およびアプリケーションのための炭素ベースの量子ドットの最近の進歩に関する包括的な研究を提供する総説です。

略語

AuNPs：

金ナノ粒子

B-C-dots：

ホウ素をドープしたCD

CD：

カーボンドット

CQD：

カーボン量子ドット

CQD / AuNC：

CQD-金ナノクラスター

CQDs-BSA-Lys：

ウシ血清アルブミンで修飾されたリジン被覆CQD

g-CNQD：

グラファイト状窒化炭素の量子ドット

g-GQDおよびb-GQD：

緑と青の発光GQD

GQD：

グラフェン量子ドット

MRI：

磁気共鳴画像法

MWCNT：

多層カーボンナノチューブ

ODN-CD：

オリゴデオキシリボヌクレオチド結合CD

PEG1500N：

ジアミノポリエチレングリコール

PPEI-EI：

ポリ（プロピオニルエチレンイミン-co-エチレンイミン）

QD：

量子ドット

SPR：

表面プラズモン共鳴

SWNT：

単層ナノチューブ

TEM：

透過型電子顕微鏡

Val-GQD：

バリン官能化GQD