ナノサーモメーターの新世代材料としてのカーボンドット：レビュー

はじめに

温度は基本的な熱力学的変数であり、生物学的および化学的システムに顕著な影響を及ぼします。自然科学、工学、農業、および医学のほぼすべての分野でのその幅広い用途のために、正確な温度測定は非常に重要です[1、2]。医療用途では、体温計は脳卒中、癌、炎症などのさまざまな病気の早期発見に使用されます。その初期症状の1つは、局所的な温度特性の出現です。

歴史上、温度の最も初期の推定は、感覚または観察に基づいて実行可能に構築されていました。古代では、紀元前200〜10年に、空気圧実験（熱による空気膨張）が、熱の定量的測定に使用される装置の最も古い認識された参照として割り当てられています。熱膨張空気に関連する最も原始的な著作の中で、空気圧実験に関してビザンチウムのフィロとアレクサンドリアのヘロン（またはヘロン）によって執筆された作品にクレジットされています[3]。その後、1592年から1603年の間に、ガリレオガリレイは、水柱の上に閉じ込められた空気を包むチューブを使用した単純な装置の構築を通じて、熱による空気の膨張を実験することによってサーモスコープを発明しました。ガリレオに続いて、イタリアのサントリオは、この単純な装置を発熱の健康診断に統合したことで最初に認定されました。最初の完全に密閉されたガラス中液体温度計であるアルコール充填ガラス管は、1641年にフェルディナント2世によって組み立てられました。彼は、ガリレオやサントリオのオープンサーモスコープとは異なり、気圧を利用して温度を測定することができました。華氏の温度測定における実用的な研究は1706年に登場しました。彼はアルコールから始めましたが、その後彼の水銀温度計で伝説になりました。摂氏100度のスケールの認識は、1742年に水沸騰の温度でゼロ、水の凍結の温度で100のスケールを予測したアンダースセルシウスに提供されました。トーマス・ヨハン・ゼーベックが熱電の概念を検討した19世紀に行われた電子実験。 1820年から1823年の間に行われた一連の実験で、彼は、接合部間に熱差がある場合の2つの異なる金属の接合点の電位を検証しました。これは後にゼーベック効果として知られ、温度の最も正確な測定と考えられている熱電対の原点として機能します[3,4,5,6,7]。温度計の概略タイムラインを図1に示します。

温度計の進化のためのタイムラインスキーム

従来の温度計は次のように分類できます：

1. 1。

   材料の熱膨張に基づく液体充填ガラス温度計

2. 2。

   ゼーベック効果に基づく熱電対

3. 3。

   光学センサー[8]

さらに、それらは接触または非接触温度計として分類することができます。従来の液体充填ガラス、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体（RTD）などの接触モードでは、すべて電気ケーブルを使用し、温度計と基板を直接接触させる必要があります。このモードは、電磁ノイズが強い、火花が危険である、環境が破壊的である、または部品がすぐに動くようなアプリケーションには適していません。さらに、従来の温度計は、たとえば細胞内の温度変化やマイクロ回路やマイクロフルイディクスの温度のマッピングなど、空間分解能がサブミクロンスケールに低下した場合に測定することができません[9]。同様に、エンジニアリングアプリケーションでは、小型化された領域や困難な環境に対して高度な感熱戦略が必要になります[10]。したがって、ナノスケールのドメインについては、他のアプローチや材料について考える必要があります。

新しい非接触温度計は、前述の問題を克服することができます。たとえば、光学式温度計（分子温度計）は、放出された光の測定を使用して温度を抽出する分子クラスで構成される、より最近の世代の分析ツールです[11、12]。蛍光温度感受性プローブは、ナノシステムアプリケーションでの温度測定に有望な分野を提供します。温度情報は、蛍光強度、バンド形状、ストークスシフトに基づいて抽出できます。または、適切にキャリブレーションされている場合、減衰寿命は温度に関連します[13、14]。

分子体温計は、通常の細胞とは生理的温度が変化する病気の細胞や発癌性の細胞を診断するのに大きな可能性を秘めています。医療用途では、遺伝子発現[15]および細胞代謝[16]の温度誘導制御から、疾患の細胞選択的浸透および治療[17]、統合熱源からの熱放散の改善[18]までの可能性があります。 。最近、半導体[19]、高分子[10]、金属ナノ粒子[20]などのナノ材料が、サブミクロンの熱分解能を示す熱センサー（ナノ温度計）として使用されています。

生体システム内に統合することもできるさまざまな温度にわたってサブディグリーの温度を解決できる温度計は、生物学的、物理的、および化学的研究の無数の分野で影響力のある新しいツールを提供する可能性があります。したがって、このレビューでは、カーボンナノ材料（炭素質材料）に基づく「新世代」または「新クラス」のナノ温度計に焦点を当てます。私たちの知る限り、ナノサーモメーターとしてのカーボンドットに関する総説は報告されていません。最近、カーボンドット（カーボン量子ドット、グラフェン量子ドット）は、その独特の特性とともに、敏感な熱特性を示し、ナノスケール領域での温度測定挙動の優れた候補となっています。ここでは、カーボンドットの熱感知挙動の定義、利点、およびメカニズムを確認します。最後に、この新しいクラスの熱材料の将来の展望を紹介します。

ナノサーモメトリー

「ナノサーモメトリー」とは、ナノスケールの感熱材料を使用して、ナノまたはマイクロスケールの領域の局所環境に関する温度情報を提供することを意味します[21、22]。ナノ粒子ベースの熱プローブは、幅広いセンシングアプリケーションで大きな能力を備えており、最近、多くの進歩的ないわゆる「ナノ温度計」が報告されています。さらに、ポリマー[23、24]、ナノ結晶[25]、希土類ドープナノ粒子[26、27]、金属ナノ粒子[28]など、さまざまな種類の従来のナノ材料が感熱発光特性を持っていることが報告されています。

したがって、ナノサーモセンサーは、非侵襲的、非接触モード、高感度の分解能でナノスケールで動作する正確な温度計です[9]。ナノ材料を利用した熱感知は、それらの光学特性を操作することによって達成することができます。蛍光ナノサーモメトリーは、信号の強度、バンドの形状、蛍光寿命、バンドシフト、励起波長の偏光、スペクトルシフトなどの熱測定値が導き出される正確なパラメーターに依存して、かなりの数のクラスに分類できます。最初のケースでは、蛍光は温度によって変化し、シグナルの絶対的な増加（または減少）として検出される可能性があります[9、29、30、31]。

温度依存性の発光を伴う発光ナノ材料を使用する非接触発光ナノサーモメトリーは、主に生物学的用途に適しています[32、33]。これらの発光ナノ材料には、蛍光ポリマー[24]、金属ナノ粒子[34]、希土類ドープナノ粒子[35]、および生理学的範囲で感熱特性を持つナノダイヤモンド[36]が含まれます。これらの先駆的な研究は、個々のセルの平均温度を提供することができました。有機色素（例：ローダミン6G）およびポリマー（例：ポリ（ N ）に基づく温度依存性発光プローブ -イソプロピルアクリルアミド））は、一般に、光安定性が低く、酸素に対する交差感受性が顕著であり、生細胞の作業には望ましくありません[8]。さらに、フルオロフォアの寿命には強いpH依存性があるため、調査対象の環境のpHを正確に制御せずに使用することは困難です[37]。

純粋な半導体ナノ結晶とドープされた半導体ナノ結晶の両方に基づく別のクラスのナノ温度計が報告されており、CdSe、ZnS、InP、またはPbSeなどの最も著名な候補があります[19、38、39、40]。半導体量子ドット（SQD）は、量子収率が高く、光退色までの寿命が長く、適切な表面改質後の生体適合性が十分であることを考えると、ナノスケール温度計の候補です。さらに、それらは、センシングおよびイメージングのためにタンパク質およびDNAに容易に結合することができます[41]。このタイプの発光温度計が直面する例外的な課題は、 T での明るさ、光安定性、感度、および精度の関連する認識です。 =細胞内微小環境をプローブする場合は20〜40°C。 SQDは、合成、物理化学的特性、発光、およびそれらの潜在的な用途の観点から広くレビューされています。ここでは、読者の注意をこれらの多数の注目に値するレビューに向けます[42、43、44、45、46]。有機色素と比較して、SQDは、検出のための優れた輝度、多重化のためのより広い励起プロファイル、および長期研究のためのより優れた光安定性を示します。さらに、温度センサーとしてのSQDは、セル内で広く見られると予想されるpHやその他の環境変動に耐性があります[47]。

一般に、異なるプロセスの組み合わせによるSQDでは、温度が上昇すると蛍光強度が低下し（消光）、スペクトルシフトが伴います。このシフトは、生物物理学的範囲で線形であると見なすことができます。両方の効果（発光消光とスペクトルシフト）の大きさは、量子ドットを構成する材料とそのサイズに強く依存します[48]。

発光ナノ材料の各グループには、その利点とともに使用の制限があります。上記のように、SQDは蛍光ポリマーや有機色素よりも好まれます。 SQDは、光安定性、量子効率、および調整可能な蛍光の点で優れていますが、QDは、固有の点滅のため、長期モニタリングのために単一分子をトレースするために使用することはできません[49]。さらに、QDの主な落とし穴は毒性です。これは、カドミウムなどの金属を含む重金属含有量によるものです。これは彼らの生物学的および環境的応用を制限します。さらに、自然界での前駆体元素の利用可能性は比較的低いため、SQDは高価であると考えられています[50]。

ナノサーモメーターとしてのカーボンドット

非炭素ベースのナノ温度計から生じた問題を克服するために（前のセクションで説明したように）、炭素ベースのナノ材料が調製され、低毒性、容易な調製、低コストの前駆体、光安定性などの独自の特性を示しました、および生体適合性。これらの炭素ベースのナノ材料は、敏感な熱感知特性を示しました。さらに、金属を含まないナノ粒子の改善は、そのような有毒物質の生物学的用途に対する環境上の危険性のために重要かつ緊急である[51、52]。炭素ベースのナノ材料のファミリーの中で、蛍光ナノダイヤモンドはナノサーモメーターとして最初に報告されました[53]。蛍光ナノダイヤモンドは、化学的に堅牢で不活性な表面に起因する固有の生体適合性を備えています[54]。最近、他のナノダイヤモンドがサブディグリーの精度で細胞内熱感知に使用されています[55、56]。これらのナノダイヤモンドの熱感度は、いわゆる窒素空孔色中心に基づいています。これは、格子炭素原子を置き換える窒素原子と近くの空の格子サイトからなる点欠陥です[48、57]。蛍光ナノダイヤモンドの窒素空孔中心は広く研究されており、その光物理学および生物学的用途での使用について十分に特徴付けられています[58]。窒素空孔ベースの温度測定の機能原理は、この色中心の正確な測定に依存します。これは、高い空間分解能で光学的に検出できます[30、59]。ただし、蛍光効率が低く、制御性が低いため、蛍光ナノダイヤモンドの適用が大幅に妨げられます[36]。

新しいクラスのカーボンベースのナノマテリアルファミリーの1つは、非常に明るいフォトルミネッセンス、光化学的安定性、水溶性、優れた生体適合性、および非毒性を備えた高発光カーボンドット（CD）です[60,61,62]。 CDは、直径が10 nm未満のゼロ次元の球形のナノ粒子です[63、64]。レーザーアブレーション[65]、ソルボサーマル[66]、水熱合成[67]、マイクロ波支援[68]、アーク放電[69]、酸性酸化[70]など、さまざまなタイプのCDを作成するためにさまざまなアプローチが適用されています。そしてより多くの化学的および物理的アプローチ[71、72]。さらに、CDは、生物学的イメージング[73]、化学的およびバイオセンシング[74,75,76,77]、標的化ドラッグデリバリー[78]、医薬品分析[79]、および触媒作用[80、 81]。カーボンドットは、合成、物理化学的特性、およびそれらの潜在的な用途の観点から広範囲にレビューされています。ここでは、カーボンドットに関する多数の優れたレビュー[72、82、83、84、85、86、87、88]を読者に紹介します。

近年、温度センサーとしての蛍光CDが研究者から大きな注目を集めています。原則として、カーボンナノドットは、関連する温度の範囲にわたってフォトルミネッセンスにかなりの変動を示す必要があるなど、効果的な温度測定にはいくつかの要件が必要です[89]。光安定性、pH安定性、および貯蔵寿命は、実際のアプリケーションで考慮すべきその他の要件です。

CDは、従来の半導体量子ドット（SQD）の有望な代替品です。 QDと比較して、CDは、低コスト、低毒性、独自の堅牢な光学的/化学的特性など、多くの優れた利点を示します[90]。さらに、CDは非常に少ない光退色を示します。 CDは、他の蛍光原料と比較して、自然界に豊富に存在する安価な炭素源から製造されています[91]。さらに、CDの表面状態を変更および機能化するためのいくつかの簡単な方法があり、実験要件に応じてCDの溶解性、安定性、物理化学的特性、および量子収率を調整できます[49、92、93]。

文献では、温度依存性の蛍光を発するカーボンドットの報告記事はほとんどなく、表1に示されています。

Yu etal。 [51] 2012年に、カーボンナノドットの温度依存性蛍光を調査し、それらを半導体や金属ベースのナノ粒子と比較した最初の企業でした。それらは、時間相関単一光子計数技術（TCSPC）を介して温度依存のフォトルミネッセンス寿命を測定することに依存していました。フォトルミネッセンス緩和ダイナミクスは、高温でより速くなり（図2a）、これは非放射性崩壊プロセスに起因する可能性があります。極低温から室温までの温度の関数としてのCDフィルムの蛍光スペクトルの測定を行った（図2b）。温度が上昇すると、蛍光強度は繰り返し減少します。

a 温度の関数としての時間分解フォトルミネッセンス測定。 b 温度の関数としてのCDフィルムの蛍光スペクトル。 c2ガウス関数で近似された300Kでの蛍光スペクトル。 d 温度の関数としての蛍光の帯域幅。 （参考文献[51]の許可を得て複製）

PLスペクトルは非対称のピークを示すため、各温度でのPLスペクトルは、図2cに示す2ガウス関数にうまく適合させることができます。高エネルギーバンド、バンドI;低エネルギーバンド、バンドII（図2d）。

さらに、蛍光のエネルギーギャップ（帯域幅）を温度の関数として調べました（図2d）。総帯域幅は、温度に依存しない（電子-電子散乱）および温度に依存する（電子-フォノンおよび表面/欠陥散乱）ことによって顕著になります。バンドIとバンドIIの帯域幅は温度に依存しません。これは、電子-電子散乱がCDで支配的であることを示しています。

したがって、CDの弱い温度効果は、主要な相互作用メカニズムが電子-フォノン結合ではなく電子-電子相互作用を伴うという事実と一致しています。さらに、非常に低い温度（77 K）でも通常観察される広いPLバンド（> 100 nm）は、強い電子-電子相互作用と呼ばれます（図2c）。この結果は、金属ナノクラスターに類似しており、半導体量子ドットとは異なります。したがって、Yuらは、CD内のπ電子が金属ナノクラスター内の自由電子と同様に機能できると推測しました。

Kalytchuk etal。 [89]クエン酸とl-システインのワンステップ水熱処理により、高発光性の水溶性N、S-CDを合成しました。彼らは、CDの温度依存性PL特性を特徴づけるために、広範囲の温度で定常状態の吸収スペクトルを収集しました。 10〜70°Cの温度で水に分散したN、S-CDの吸収スペクトル（ステップごとに5°Cずつ増加）を図3aに示します。半導体ナノ結晶とは異なり、吸収帯の位置と強度は温度によって変化しませんでした。グルタチオンの存在下でグルコースを水熱処理して合成したCDについても、同様の結果が以前に報告されています[1]。

a 10〜70°Cの温度範囲での温度依存吸収。 b 2°Cのステップサイズと355nmでの励起を使用した、2〜80°Cの温度での温度依存PL発光の正規化されたカラープロット。 PLピーク最大λmax（ c ）の対応する温度依存変化 ）、PL fwhm（ d ）、および統合されたPL強度（ e ）。 （参考文献[89]から転載）

彼らの研究では、2°Cのステップで2〜80°Cの範囲の温度で取得されたN、S-CDのPLスペクトルのカラープロットを示しました（図3b）。温度を上げると、PL発光のシフトを検出することなく、PL発光強度が約2分の1に減少しました[89]。 PL放出最大値の位置、半値全幅（fwhm）、および積分PL強度は、それぞれ図3c–eの結果を要約して、調査した温度で定量的に決定されました。

N、S-CDのPLピーク位置は、バンドギャップが温度とともに変化し、PL発光シフトを引き起こすほとんどの半導体ナノ結晶とは異なり、弱い温度依存性を示します。さらに、それらのPL fwhmは、同じ温度範囲でわずかな広がり（1.4±1 nm）しか示さず（図3d）、N、S-CDのPLピークが無視できるほどの熱広がりを示していることを示しています。 CDで発生する非放射緩和プロセスを特徴づけるために、彼らは温度の関数として統合されたPL強度の消光を分析しました。 N、S-CDの温度依存積分PL強度のプロットを図3eに示します。値は、2°Cでの強度に正規化されており、調査した温度範囲で強度が単調に減少することがわかります。 80°Cは2°Cの約半分です。これらの結果に基づいて、2〜80°Cの温度でのCDの熱消光の活性化エネルギーは、N、S-CDのアレニウスの式を使用して17.0±0.7 meVと推定されました。これは、Yuによって報告された値に近い値です。 etal。 [51]。

その上、Kalytchuk等。 [89]は、さまざまな温度でのCDの放出ダイナミクスを調べました。図4a–cは、時間分解PL発光の強い温度依存性を示しており、3つの異なる温度の時間分解発光分光データを示しています。図4a–cに示すように、CDの過渡PL発光マップは、2、50、および80°Cで375〜650nmのスペクトル領域で取得されました。温度が上昇するにつれてPLの減衰が明らかに低下します。これは、CDがPLの寿命ベースの温度検知に十分な特性を備えていることを示しています。スペクトル的に均一な単一指数関数的減衰が、調査したすべての温度でドットの放射プロファイル全体で観察されたことに注意することが重要です。これは、CDアンサンブル全体で非常に類似した非常に放射性の高いチャネルを介して再結合が発生することを示しています。 CDのPLダイナミクスは、間違いなく、温度検知アプリケーションに関連する最も有望な品質です。具体的には、CDの温度感度により、CDはPL寿命ナノサーモメーターになります。

CDの時間分解温度依存PL発光。 a でのCDの時間分解PL発光マップを示す正規化されたカラープロット 2°C、 b 50°C、および c 80°C。 d 2〜80°Cの温度でのPL発光最大値（λem=421 nm）での時間分解PL強度の正規化されたカラープロット。 e 2〜80°Cの範囲の温度の関数としてプロットされた抽出されたPL寿命。 （参考文献[89]から転載）

2〜80°Cの温度でのCDのPL寿命の変動は、徹底的に調査されています。図4d、eは、温度の関数としてのドットのPL発光最大値で収集された時間分解PLデータを示しています。調査した温度範囲にわたる過渡PLのカラープロットを図4dに示します。これは、温度を上げると、見かけのPL減衰が単調に短くなることを示しています。記録されたすべての減衰曲線は、単一指数関数を使用して適合されました。抽出された寿命に関するデータを図4eに示します。温度が2から80°Cに上昇すると、PLの寿命は11.0から5.3nsに単調に減少します。このPL寿命感度が実証されている温度範囲（2〜80°C）は、生理学的に適切な温度範囲と多くの電子機器の一般的な動作温度の両方をカバーしています。このPLライフタイムCDベースのサーマルプローブの絶対疑似線形感度は0.08ns K ^-1 です。 、およびその最大相対感度は1.79％K ^-1 62°Cで。研究された温度範囲にわたるCDベースの発光ナノプローブのPL減衰の単一指数関数的適合により、単一のパラメーターであるPL寿命（τ）が得られます。これは、検量線を使用して温度単位に直接変換できます。これは、PL寿命測定を含むアプリケーションでの有用性を制限する多指数関数的減衰を示す典型的な半導体量子ドットに対する重要な利点です。

彼らはまた、リン酸緩衝生理食塩水（PBS）およびダルベッコ改変イーグル培地（DMEM）におけるCD PL寿命の温度依存性を研究し、同様の挙動を示しました。

CDベースの発光温度計の再利用性を実証するために、選択したサンプルのPL減衰曲線を、15〜45°Cの温度での加熱と冷却の7つの連続サイクルにわたって測定しました（図5a）。

a 加熱と冷却の7つの連続したサイクルにわたるPL減衰可逆性の正規化されたカラープロット。 b 15〜40°Cの加熱と冷却の7サイクルにわたるPL寿命の対応する熱安定性。 （参考文献[89]から転載）

各測定サイクルで、PL減衰は5分間の熱平衡後に測定されました。加熱および冷却サイクル中に熱ヒステリシスは観察されず、結果として生じるPL寿命の変化が時間の関数としてプロットされ（図5b）、CDのPL寿命が優れた熱安定性を示すことを示しています。

その後、水熱およびソルボサーマル処理[2、77、92、95、97、98、99、100、101、102、103]、熱還流[94、96]、レーザーなどのさまざまな合成方法を使用して、温度依存性発光を伴ういくつかのCDが作成されました。表1に示すようにアブレーション[14]。準備されたCDは、生理学的範囲で線形の温度依存性蛍光を示しました（表1に示されています）。 CDの蛍光強度は温度の上昇とともに減少しました。さらに、蛍光強度の可逆性と回復性は、すべての記事で研究されています。図6は、さまざまな記事で研究されたCDのいくつかの一般的な特性を示しています。

a 加熱（上）および冷却プロセス（下）中のさまざまな温度でのUV光（365 nm）励起下でのN、S-CDのデジタル写真。 （参考文献[96]から転載）。 b 340 nmで励起したときに5〜75°C（上から下）の範囲で測定されたN、S共ドープCDの蛍光発光スペクトル、挿入図：温度対Ln（ F / F ₀ ）。 （参考文献[97]から転載）。 c FL / FL ₀ -冷却および加熱プロセス中のMnOx-CDの温度プロット。 （参考文献[103]から転載）。 d CDソリューションのPLの可逆的な温度依存性。 （参考文献[102]から転載）

グエンら。 [14]エチレンジアミン中のグラファイト粉末のフェムト秒レーザーアブレーションを使用して合成されたカーボンドット（CD）。豊富な官能基が表面に形成され、表面部位に複数の表面状態を形成し、CDの多重発光をもたらします。彼らは、定常状態の蛍光スペクトルを使用して、CDの蛍光依存性の温度感度を調査しました。 320nm励起でのCDの温度依存発光スペクトルを図7aに示します。 400nmと465nmの両方のピークの蛍光強度は、非放射性崩壊経路の熱活性化により、温度の上昇とともに徐々に減少します。ピーク強度は、5〜85°Cの範囲の温度で直線的に変化します（図7b）。温度感受性CDは、400nmと465nmのピークで、それぞれ1°Cあたり3.3％と2.1％の蛍光強度の変化を示しました。これは、CDが高感度の従来の強度ベースの温度センサーとして使用できることを示しています。

a 320 nmで励起された5〜85°Cで記録されたCDの発光スペクトル。 b 温度に対する400および465nmピークの蛍光強度。 c 温度の関数としての、465nmのピークに対する400nmの比率。 d 20〜50°CのCDの温度可逆性研究。 （参考文献[14]から転載）

驚くべきことに、独自のマルチエミッション特性により、CDはレシオメトリック蛍光温度センサー用のフルオロフォアとして有望です。温度に対する400および465nm（320 nm励起）での2つの蛍光強度の比率を図5cに示します。 5〜85°C（ R ）の広い温度範囲では、強度比と温度の間に非常に良好な線形関係があります。 ² =0.998）。熱線形性は、ピーク強度比と温度の相関関係を簡単にし、ダイナミックレンジ全体で一定の熱感度を提供するため、有利です。 CDの温度感度は1.48％°C ^-1 と決定されています 、これは他の材料のそれに匹敵します。 CDの温度応答範囲は、デュアルエミッション温度センサーに関する他のレポートよりもはるかに広く、生物学研究の生理学的温度と多くの電子機器の動作温度の両方をカバーしていることに注意してください。 CDは、320 nmの励起に加えて、340nmや365nmなどの他の励起波長でも同じ感度で動作します。したがって、CDは、選択された異なる動作波長によって、多くの実際のアプリケーションで温度検知に利用できます。

彼らは、図7dに示すように、レシオメトリック温度センサーが20〜50°Cで可逆的であり、4サイクルで、光安定性（電源の強度が変化した場合）であることを示しました。この結果は、CDセンシングシステムが、サンプル濃度、励起、または検出効率の変化に対して安定していて堅牢であることを示唆しています。

温度の上昇は、必ずしもPL消光を伴うとは限りません。ただし、PLの強化も示される可能性があります。マカイランら。 [29]は、温度の上昇に伴う二重蛍光カーボンドットのPL増強を示しました。彼らは、ホルムアミドとグルタチオンを使用したワンステップのマイクロ波支援反応で、生体適合性のある二重蛍光カーボンドットCDを作成しました。彼らは、640 nmで励起した後、蛍光強度とPL積分面積が、分析範囲全体と温度で観察された3.5倍の5〜60℃の範囲で増加することを発見しました（図8a）。図8bに示すように、線形応答（ R ² =0.999）は分析範囲全体で観察され、温度感度は3.71％C ^-1 と高いと判断されました。 。

a 640 nmで励起すると、蛍光強度が3.5倍に増加し、対応する積分面積が b にプロットされます。 5〜60°Cの範囲で線形応答を示します。 c CDの蛍光スペクトルの変化（λ _ex =405 nm）全範囲にわたる温度の関数として。赤色の蛍光では3倍の増加であるのに対し、青色の蛍光では1.3倍の減少が見られます。 d 赤と青の蛍光成分の積分面積の比率は、温度の関数としてプロットされ、温度範囲全体にわたって直線的に増加します。 （参考文献[29]から転載）

405nmでの励起後の温度依存性蛍光も調べた。興味深いことに、青と赤の蛍光バンドは温度の変化に等しく敏感ではありません。温度が上昇すると、青色成分の蛍光強度（および曲線の下の対応する積分面積）は、赤色成分とは対照的に非常にわずかな減少を示し、これは大幅に増加します（図8c）。これらの観察結果は、5〜60°Cの範囲で記録されており、3.0倍に増加する赤の発光とは対照的に、青の発光は1.3分の1に減少します。

図8dに示すように、赤と青の蛍光の比率は温度とともに増加し、3つの固有のサンプルで高度に線形な応答が三重になり、線形プロットは R で観測されたものを反映します。 ² =0.998。これらの分析は、これらの測定値の平均で繰り返され、各温度でわずかな偏差があります。 CDの熱感度は、全温度範囲で1.33〜4.81％°C ^-1 の範囲で変化しました。 これは、以前に報告されたカーボンドットナノサーモメトリーシステムや、量子ドットや金属有機フレームワーク-染料複合材料などの他の二重発光ナノ材料を改善したものです。 CDの熱解像度は0.048K ^-1 と計算されました。 小さな熱変化を実際に測定できることを示しています。

張ら。 [98] 25〜95°Cの範囲の温度応答特性を持ち、優れた感度と優れた可逆性/回復性を備えた合成CD（図9a）。 CD /エポキシ複合材料は、CDをエポキシ樹脂に均一にドープすることによってさらに調製されました。まず、5μgのCDを50μLのトリエチレンテトラミン（TETA）に溶解しました。次に、350μLのエポキシ樹脂を混合溶液に加え、高速撹拌により完全に混合した。得られた複合材料は、大幅に向上した温度応答を示しました。

a CD放出の温度依存性。 b CD /エポキシ複合材料。 c CD /エポキシ複合材料の発光の温度依存性。 （参考文献[98]から転載）

エポキシ樹脂は一般的な熱硬化性樹脂であり、LEDチップのパッケージングに広く使用されています。図9bは、直径約2 cm、厚さ8〜10mmのCD /エポキシ複合ディスクの光学顕微鏡写真を示しています。硬化したCD /エポキシ複合材料は透明であり、それらの蛍光発光スペクトルを図9cに示します。 CD /エポキシ複合材料の発光ピークは、CDの溶液の発光ピークと比較して約10nmだけ青方偏移しています。特に、複合材料の温度応答が大幅に改善されています。 25〜95°Cの温度範囲では、蛍光強度は温度の上昇とともに35％減少します。これは、溶液状態の2倍以上であり、線形結果はより安定しています。一次方程式は I を満たします ₀ / 私 =0.0074 [°C] + 0.80454（ R ² =0.99724）、ここで I ₀ および私 は温度上昇前後のCD /エポキシ複合材料の蛍光強度であり、励起波長は360nmです。発光ピークの青方偏移と温度応答特性の向上は、CDが配置されている環境の誘電率の変化が原因である可能性があります。この複合材料は、広い温度検出範囲を備えており、その優れた感度と安定性により、さまざまな環境での蛍光ナノ材料に基づく温度センサーとしての使用に適しています。

サーモセンシングのメカニズム

これまで、カーボンドットの熱感知挙動を説明するための確立されたメカニズムはありません。一部の報告では、このメカニズムは、表面（トラップ/欠陥）状態の非放射チャネルの熱活性化に起因するとされています。全体像は、非放射チャネルが低温で活性化されなかったため、励起された電子が光子を放射的に放出する可能性があるということです。逆に、温度が上昇すると、より多くの非放射チャネルが活性化され、励起された電子が非放射プロセスによって基底状態に戻り、蛍光強度が低下します[2、95、99、100、103]。加熱/冷却によるCD放出のメカニズムを図10に示します。

温度変化に反応するCDの概略図

CD放出プロセスの熱力学をよりよく理解するために、Kalytchuk等。 [89] CDサンプルの放射（\（{\ tau} _r ^ {-1} \））および非放射（\（{\ tau} _ {nr} ^ {-1} \））再結合率をそのPL量子収率。放射率は、PL量子収率（QY）と測定された再結合率τ ^-1 から決定されます。 as \（{\ tau} _r ^ {-1} \）=QY×τ ^-1 。非放射緩和率\（{\ tau} _ {nr} ^ {-1} \）は、\（{\ tau} _ {nr} ^ {-1} \）=τ ^-1 -\（{\ tau} _r ^ {-1} \）。さまざまな温度でのCDのPLQYは、室温で決定されたPL QYとともに、温度依存の吸収と統合されたPL強度から計算されました。時間分解PL測定データから得られた放射再結合率と非放射再結合率の両方が温度の関数として図11にプロットされています。放射再結合率は70°Cまでの対応する非放射率よりも大きく、2の間の温度でそれほど変化しません。および80°C、（0.74–0.82）×10 ⁶ の範囲に留まる s ^-1 。対照的に、顕著な（0.16×10 ⁶ からほぼ7倍）があります 〜1.12×10 ⁶ s ^-1 ）温度を2から80°Cに上げることによる非放射再結合の速度の単調な増加。放射率と非放射率の温度依存のクロスオーバーは70°Cで発生し、その温度でPL QYは50％になります。これらの結果は、CDでのPL消光の温度活性化は、主に非放射緩和チャネルの活性化によって引き起こされることを示唆しています[89]。

2〜80°Cの温度に対してプロットされたCDの放射性（実線の記号、青色）および非放射性（中空の記号、赤色）の再結合率。 （参考文献[89]の補足情報から転載）

Guo etal。 [102]準備されたカーボンドットの熱消光は、非放射性崩壊プロセスの活性化だけでなく、温度の上昇に伴う非放射性トラップの発生にも起因します。彼らはCDの温度依存減衰寿命を測定し、図12aに示しました。データは、320nmのレーザー励起下での温度の関数として最大発光を監視することによって収集されました。結果は、PLの寿命が15.03から11.70 nsに低下し、温度が283から343 Kに上昇することを示しています。これは、非放射性崩壊プロセスの発生に起因する可能性があります。さらに、CDのPL緩和ダイナミクスは、温度の上昇に伴う多指数関数的減衰を示しています。これは、複雑な緩和プロセスに続く光励起キャリアを示唆しています。非放射トラップの発生は温度の上昇とともに増加します。これは、統合されたPL強度のアレニウスプロットによって次のように定量的に分析できます。

CD溶液の温度依存減衰曲線（ a 、λ _ex =350 nm、λ _em =450 nm）; ln [（ I ₀ / 私 _T ）-1] 1 / kT CDソリューション（ b ）。 （参考文献[102]から転載）

ここで E _a は活性化エネルギー、 k はボルツマン定数であり、 a 定数です。図12aは、1 / T に関する発光強度のプロットを示しています。 、ここで、活性化エネルギーの値（ E _a ）は0.329±0.02eVと計算されます。 CD放出プロセスの熱消光の理由を調査するために、放射（ V _r ）および非放射性（ V _nr ）CDの再結合率は、寿命（τ*）と量子収率（QY）から次のように決定されました。

さまざまな温度でのCDのQYは、温度に依存する吸収と、室温で決定されたQYとの積分PL強度から計算されました。彼らは、温度が283Kから343Kに上昇すると、放射率がわずかに低下することに気づきました。同時に、非放射再結合率は徐々に約2倍に増加しました。これらの結果はさらに、CDの温度活性化PL消光が主に非放射緩和チャネルの活性化によるものであることを示しています[102]。

他のグループは、カーボンドットのサーモセンシングのメカニズムを理解するために顕微鏡および分光技術を使用しました。

エルで王。 TEMおよびUV-Visスペクトルを使用して、準備されたCDの温度応答性PL挙動を研究しました。図13aに示すように、CDは、温度を20から80°Cに上げてもUV-Visスペクトルに変化を示しません。しかし、CDの平均直径は室温での2.6±0.2nmから80°Cでの4.4±0.2nmに増加することがわかりました（図13b）。したがって、温度を上げると、調製されたままのCDの凝集が起こり、明らかな蛍光消光が引き起こされました[1]。

a 20および80°Cでの水溶液中のCDのUV-Vis吸収スペクトル。 b 水溶液中のCDのTEM画像（ a ）室温での平均サイズは2.6±0.2 nm（ b ）80°Cで、サイズは4.4±0.2nmまで増加しました。 （参考文献[1]から転載）

彼等。 [101]は、CDの水和粒子サイズが温度の上昇とともに大きくなることを報告しました（図14a）。これは、温度の上昇がCDの凝集を引き起こし、最終的に蛍光消光をもたらすことを示しています。それにもかかわらず、温度の低下に伴い、CDの水和粒子サイズは減少し始めます（図14b）。これは、冷却によってCDが解重合する可能性があることを示しています[101]。

加熱中のカーボンドットの水和粒子サイズの変化（ a ）および冷却（ b ）。 （参考文献[101]から転載）

Cuiらのような別のグループ。また、蛍光消光はCDの凝集に起因すると考えられます。彼らはまた、温度センサーの前駆体としてアクリル酸のみを使用して合成されたドープされていないCDを適用しようとしました。残念ながら、ドープされていないCDは、同じ温度上昇下でドープされたCDよりも弱い消光効果を持っていました[92]。

ヤンら。 [94]彼らの研究では、（i）表面官能基と（ii）水素結合相互作用を含む、N-CDの温度依存性PL特性に関する2つの重要な要素が提案されました。最初の要因である表面O含有基の効果を調べるために、N-CD（4.0 mL）を強力な還元剤NaBH ₄ で処理することにより、別の対照実験を実施しました。 （1.0 mL、0.1 mol L ^-1 ）カーボンドット表面のC =O種を除去します。得られた還元型Ｎ－ＣＤは、簡潔にするためにｒ－Ｎ－ＣＤとして示されている。 N-CDと比較して、r-N-CDはより弱い蛍光強度を示します（図15a）。さらに、rN-CDの蛍光強度は温度が20から80°Cに上昇しても13％しか低下せず（図15aの挿入図）、O含有基の減少に起因するはるかに低い温度感度が得られます[ 94]。

a N-CD（黒のトレース）およびr-N-CD（赤のトレース）のPLスペクトル（励起波長、400 nm）。挿入図は I を示しています / 私 ₀ -還元されたN-CDのT。 b C ₂ に分散したN-CDのPLスペクトル（励起波長、400 nm） H ₅ さまざまな温度でのOH。 c N-CDの温度依存性蛍光強度の概略メカニズム。 （参考文献[94]から転載）

2番目の要因であるN-CDの蛍光挙動に対する溶媒との水素結合の影響を調べました。 N-CD溶液（1.0 mL）を濾紙に滴下し、空気中で乾燥させて固体サンプルを得ましたが、それでも明るい蛍光を発します。しかし、温度上昇に伴う固体N-CDの蛍光強度の明らかな変化は観察されませんでした。彼らはまた、エタノールに分散したN-CDの蛍光を測定しました。 C ₂ のN-CDの蛍光強度 H ₅ OHは水中よりも低く、温度が20°Cから80°Cに上昇してもPL強度の変化はほとんど観察されません（図15b）。したがって、強い水素結合は、N-CDの温度依存性PL特性において重要な役割を果たします。図15cは、N-CDの温度依存性蛍光強度の概略メカニズムです[94]。

しかし、私たちのグループはヤングループと同じ実験戦略を使用しました。どちらの場合も、r-CDとe-CDの放出は、CDの元の結果と同じように、温度の上昇とともに直線的に抑制されました（図16）。したがって、我々の結果は、豊富な酸素含有官能基と水素結合の相乗効果を除外しました[77]。

a 、 b 温度（20〜60°C）での還元CD（r-CD）およびエタノール中のCD（e-CD）の蛍光スペクトル。 c 、dそれぞれr-CDとe-CDの蛍光強度と温度（°C）の間の線形相関。 （参考文献[77]の補足情報から転載）

生細胞のバイオイメージング（熱画像）

文献では、生物学的イメージングにおけるCDの温度応答性蛍光特性を調査した記事はごくわずかです。このような実験の前に、in vitroの細胞毒性分析は、生きている被験者におけるCDの毒性を推定することを可能にするため、CDにとって非常に重要です。インビトロ細胞毒性分析は、培養細胞に対するナノマテリアルの影響または影響を評価します[89]。

ヤンら。 [94] CDが生細胞の効果的な体温計として使用できることを確認した。 CDで6時間処理した後、HeLa細胞をPBSで洗浄しました。図17aに示すように、HeLa細胞のCDの明るい青色の蛍光は、温度が25°Cのときに観察されます。温度が37°Cに上昇すると、青色の蛍光が弱くなり（図17b）、温度が25°Cに低下するとN-CDの蛍光が回復します（図17c）。インビボでのサーモスイメージングとして、マウスの蛍光画像は、異なる温度でN-CDを注射された直後に収集されました。蛍光強度を28°Cに設定することにより（ I _o ）、私 / 私 _o CDが注入された領域の温度は28から34°Cへの温度の上昇とともに1.0から0.87まで変化します（図17d、e）。温度がさらに43°Cに上昇すると、 I / 私 _o 0.52に低下し、蛍光はほとんど検出できなくなります（図17f）。そして私 / 私 _o 温度が39から28°Cに下がると、0.66から1.0に可逆的に戻すことができます（図17g–i）。これらすべての結果は、N-CDが効果的なinvitroおよびinvivoナノサーモメーターとして使用できることを示しています[94]。

a–c N-CDで処理した後の25、37、および25°Cでの単一のHela細胞の蛍光画像。 d – f 温度を上げながらN-CDを注射したマウスの蛍光写真。 g – i 温度を下げてN-CDを注射したマウスの蛍光写真。 （参考文献[94]から転載）

探索的実験において、Kalytchuk等。ヒト子宮頸がんHeLa細胞の細胞内温度モニタリングのためのCDの能力をテストしました。図18は、CD（500μg/ mL）とインキュベートしたHeLa細胞の測定された細胞内温度を示しています。各温度でのCDのPL減衰曲線は再現性が高く、記録されたすべての温度で単一指数関数を適用できました。図18aでは、25〜50°C（ステップサイズ5°C）の温度で記録されたPL減衰曲線が記号で示され、対応する単一指数フィットが実線で示されています。彼らは、これらのPL寿命測定におけるPLシグナルが、100μg/ mL以上のCD濃度のCDからのみ得られたことを確認することができました。各測定の細胞内温度は、温度が2から80°Cに上昇するときのPL寿命間の検量線から決定されました。この方法で決定された温度（ T _meas ）は、図18bにPL寿命の関数としてプロットされています。独立して、セル溶液の温度は、校正された参照温度計を使用して決定されました（図18bにT _set として示されています）。 ）。発光CDプローブとリファレンス検出器によって報告された温度はよく一致しています。これらの結果は、CDに基づくナノプローブのPL寿命を使用して、細胞内温度を確実に測定できることを示しています[89]。

CDを使用したinvitro細胞内PL寿命熱センシング。 a さまざまな温度（ T ）でCD（500μg/ mL）とインキュベートしたHeLa細胞のPL発光減衰 _set ）。 b キャリブレーションを使用して決定された温度（ T _meas ）および設定温度（ T _set ）PLの寿命に対してプロットされます。 c – f 長期の遠隔細胞内温度モニタリングのためのCDの適用性。 c CD（500μg/ mL）とインキュベートしたHeLa細胞の24時間にわたって15分ごとに記録されたPLトランジェントから抽出されたPL寿命。 d 検量線を使用して決定された温度。 e 基準温度計で測定された温度（ T _ref ）。 f 得られた温度と参照温度の間の温度差の分布を示すヒストグラム。実線は分布曲線です。 （参考文献[89]から転載）

長期のリアルタイム温度モニタリングのための発光CDナノプローブの可能性をさらに評価するために、CD（500μg/ mL）と15分ごとに24時間インキュベートしたHeLa細胞のPL減衰プロファイルを記録しました。次に、この期間中に測定されたPL減衰値から抽出されたPL寿命を、図18cに示すように時間の関数としてプロットしました。これらの結果を使用して、図18dに示すように、経時的な温度変化を検量線を使用して計算しました。さらに、各測定ポイントでのサンプルの温度は、60mKの温度再現性を備えた参照温度計を使用して決定されました。参照温度計で測定された温度が図18eにプロットされています。これは、測定温度と参照温度の間に優れた一致があったことを示しています。 PLベースの温度測定の高精度は、測定された温度と実際の（参照）温度の差の統計分析によってさらに実証されます（図18f）。これらのデータを使用して、提示された方法による温度検出の絶対平均精度は0.27°Cであると計算されました。この実験は、生物学的システムにおけるCDベースのサーマルプローブの可能性を確認します[89]。

マカイランら。 [29]は、準備されたCDは、強度およびレシオメトリックアプローチを使用してセル内の熱検知に使用できることを示しました。 CDで処理されたHeLa細胞は、32、37、および42°Cで平衡化されました（図19）。 640 nmでの励起を使用して、細胞内のCDの赤色蛍光を選択的にモニターしました。熱変化は、細胞内濃度の変化が原因であるか、強度の変化（λex+ 640 nm）と相関していない可能性があります。これは、細胞内濃度の変化または高温でのCDの局在化が原因である可能性があります。したがって、蛍光強度の変化に依存するだけで、正確な細胞内熱感知が可能になります。

CD処理されたHeLa細胞の蛍光顕微鏡画像。 CDからの蛍光シグナル（λ _ex =640 nm;左および405nm;右）蛍光比は32°Cで1.8、37°C​​で2.0、42°Cで2.3です。コントロールは、42°Cで未処理のHeLa細胞を示しており、予想どおり蛍光シグナルはありません。 （参考文献[29]から転載）

対照的に、これらの制限は、レシオメトリックアプローチを使用して除外されます。 CDは、コロイド分散液で以前に観察されたように、405 nmでの励起後、細胞内で青と赤の二重蛍光を維持します（図19）。赤と青の比率は温度の上昇とともに増加し、32°Cで1.8、37°C​​で2.0、42°Cで2.3の値になります。 CDの赤と青の蛍光のレシオメトリック関係は、蛍光ナノサーモメトリープローブの開発におけるレシオメトリック温度検知の利点を浮き彫りにします。細胞に取り込まれるCDの量に関係なく、相対的な赤と青の発光比は影響を受けません。これは、コンフルエンシーなどのさまざまな要因の影響を受ける可能性があり、濃度に依存しません。最後に、CDは細胞内温度の変化に関して蛍光可逆性を示しています。 HeLa細胞でのインキュベーション後、32/42/32°Cからの加熱/冷却サイクルに供しました。これは、提案されたCDナノ温度計の堅牢性を強調し、これらの発見は、蛍光の可逆性をさらに示しています[29]。

図20に示すように、共焦点レーザー走査顕微鏡を使用して、N、S、およびIをドープしたCDを使用して結腸癌細胞HT-29を熱画像化しました[100]。図20g–iに示すように、蛍光スポットは温度に依存していました。最も強いのは15°Cで、最も弱いのは35°Cでした。興味深いことに、蛍光スポットは可逆的であり、スポットは20分間の連続励起後に非常に光安定性がありました[100]。シンら[96]は、図20e–gに示すように、Hela細胞に共焦点レーザー走査顕微鏡も使用しました。

a–d N、S、I-CD-結腸癌細胞HT-29の共焦点顕微鏡画像であり、それぞれ15、25、35、および15°Cで対応する蛍光場があります。 （参考文献[100]から転載）。 e – g N、S-CDで染色された細胞の共焦点顕微鏡画像。それぞれ25、35、および251℃で対応する蛍光場があります。 （参考文献[96]から転載）

Li etal。 103は、生物学的環境用のナノサーモス応答性フルオロフォアとして使用されるMnOx-CDで構成されるナノコンポジットを準備しました。 HepG2細胞をMnOx-CDと異なる培養温度でインキュベートしました。共焦点レーザー走査顕微鏡（405 nmで励起）で示されているように、HepG2細胞のMnOx-CDの青色発光は、環境温度が40°Cのときに弱く（図21a）、MnOx-の青色発光です。 HepG2細胞のCDは、温度が30°C（図21b）、さらには20°C（図21c）に低下するにつれて向上します。温度応答性により、合成されたままのMnOx-CDは、癌治療におけるバイオイメージングや光熱療法などの生物医学分野に容易に適用できます[103]。

Confocal laser scanning microscopy images (excited at 405 nm) of MnOx-CDs in HepG2 cells at 40 °C (a ), at 30 °C (b ), and 20 °C (c ）。 (Reproduced from reference [103])

Conclusions and Future Perspective

Carbon nanodots exhibit unique properties to be exploited for nanothermometry, such as thermal-sensitivity, low-cost, and photostability. Flexible surface modification and facile preparation will pave the way to establish an enormous number of thermal sensitive nanomaterials for a variety of applications. The overall trends in thermo-sensing nanomaterials are aimed at enhancing photostability and thermal-resolution with using low-cost and safe materials. CDs can be classified as a new generation of thermometer that can fulfill these requirements and can be used for biomedical thermometry applications, such as temperature monitoring during hyperthermia treatment. Facile-preparation protocols, biocompatibility, and easy functionalization of CDs are promising criteria which make the CDs alternative next-generation nanothermometer materials. More efforts are required to promote basic research in this field. Limitations should be overcome to produce carbon dot-based nanothermometers comprising enhancing thermal sensitivity, and working in a broader range of temperature. A better understanding of the fluorescence thermal-sensing mechanism is another key issue to be able to design and manipulate the structure of CDs and enhance thermal resolution. More experiments and theoretical modeling are necessary to understand the correlation between the methods of fabrication of CDs with their thermal behavior.