El texto completo de la preparación de puntos de carbono fluorescentes como materiales de nanomarcado es el siguiente:
En los últimos años, los puntos cuánticos fluorescentes semiconductores se han utilizado ampliamente en dispositivos biológicos, médicos y optoelectrónicos. debido a sus excelentes propiedades optoelectrónicas y otros campos. Sin embargo, la mayoría de los puntos cuánticos más maduros utilizados en biología y medicina son CdTe, CdSe y CdS, que contienen el metal pesado cadmio, lo que limita su aplicación en el campo biomédico. Por lo tanto, reducir y eliminar la toxicidad de los puntos cuánticos fluorescentes ha sido un tema de gran preocupación para los investigadores. Hasta 2006, Sun et al. utilizaron láser para eliminar objetivos de carbono y experimentaron una serie de acidificación y CD. puntos de carbono.
Como nuevo tipo de nanomaterial de carbono fluorescente, los puntos cuánticos de carbono no solo tienen excelentes propiedades ópticas y un tamaño pequeño, sino que también tienen buena biocompatibilidad, buena solubilidad en agua, bajo precio y tamaño relativamente pequeño. una buena alternativa a los tradicionales puntos cuánticos de metales pesados. Los puntos de carbono solubles en agua han atraído una gran atención porque contienen una gran cantidad de grupos solubles en agua, como grupos carboxilo e hidroxilo, en su superficie y son compatibles con muchas moléculas orgánicas, inorgánicas y biológicas. Estas propiedades determinan que los puntos de carbono tengan mayores perspectivas de aplicación en los campos de la imagen biológica y las sondas biológicas. Zhu Hong y Wang Shanshan obtuvieron puntos de carbono con diferentes propiedades fluorescentes calentando una solución acuosa de PEG-200 y azúcares con microondas. Aunque las microondas pueden sintetizar y modificar puntos de carbono en un solo paso, el rendimiento del cuanto de fluorescencia no mejora significativamente en comparación con el método hidrotermal. Actualmente, el trabajo de investigación en este campo se centra principalmente en tres aspectos: el mecanismo de formación y propiedades de los puntos de carbono, especialmente el mecanismo de fotoluminiscencia, cómo preparar puntos de carbono con excelente rendimiento de forma sencilla y rápida, y cómo aplicar con éxito y eficiencia los puntos de carbono en realidad.
Este artículo utiliza el método de factor único para analizar varios factores que afectan la síntesis de puntos de carbono fluorescentes y encuentra las condiciones óptimas de síntesis para puntos de carbono fluorescentes de alto rendimiento. Se compararon las ventajas y desventajas de la síntesis por microondas y la síntesis hidrotermal de puntos de carbono fluorescentes, lo que proporcionó cierta base experimental y método científico para la preparación de materiales de nanomarcado fluorescentes de alto rendimiento.
1 Parte experimental
1.1 Reactivos e instrumentos
Glucosa (AR, China Pharmaceutical Group Shanghai Chemical Reagent Company), polietilenglicol (PEG-200, AR, China National Pharmaceutical Group Shanghai Chemical Reagent Co., Ltd.), ácido tioglicólico (TGA, AR, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.), CS (Dalian New Butterfly), albúmina sérica bovina (BSA >: 99%, Merck) eran de Wuhan Ling Fei Biotechnology Company); ácido clorhídrico (HCl, AR, Xinyang Chemical Reagent Factory); dodecahidrato de hidrogenofosfato disódico (Na2HPO4? 12H2O, AR, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.); 2H2O, AR, Chemical Reagent Co., Ltd.); hidróxido de sodio (NaOH, AR, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.);
Espectrofotómetro de fluorescencia (modelo LS55, PerkinElmer, EE. UU.); espectrómetro de absorción UV-visible (U-3010, Hitachi, Japón); instrumento de agua pura (modelo UP, Shanghai Youpu Industrial Co., Ltd.); horno de secado a temperatura constante con calefacción eléctrica de escritorio (modelo 202-00A, Tianjin Testing Instrument Co., Ltd.); espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier (vertex 70 de Bruker, Alemania) (tipo JEM-2100UHR STEM/EDS, Japón); Reactor de microondas (Milestone, Italia); Balanza electrónica (Mettler-Toledo, Mettler-Toledo Instruments (Shanghai) Co., Ltd.); Agitador eléctrico (DJIC-40, Jintan Dida Automation Instrument Factory); (tipo ZNHW, Wuhan Keer Instrument Equipment Co., Ltd.); baño de agua con pantalla digital a temperatura constante (HH-S2s, lámpara ultravioleta Jintan Dida Automation);
Todos los análisis espectrales se realizaron a temperatura ambiente.
El agua utilizada en el experimento es agua de alta pureza con una resistividad superior a 18 Mcm. Los ajustes del fotómetro de absorción UV-visible son los siguientes: el espacio es de 2 nm, la velocidad de escaneo es de 600 nm/min y el rango de escaneo es de 200 ~ 600 nm. El espectrofotómetro de fluorescencia se configuró de la siguiente manera: longitud de onda de excitación de 350 nm, rango de escaneo de 350 ~ 650 nm, velocidad de escaneo de 600 nm/min, espacio de excitación de 10 nm y espacio de emisión de 15 nm.
Preparación de 1. 2 puntos de carbono
Hay muchos factores que afectan el rendimiento de fluorescencia de los puntos de carbono, principalmente la relación molar de los reactivos, la temperatura de reacción y el tiempo de reacción. Para controlar mejor las condiciones experimentales y mejorar el rendimiento de los puntos de carbono, se adoptó un método experimental ortogonal de tres factores y tres niveles. Este método completa la selección óptima en múltiples condiciones con menos experimentos. La fuente de carbono es glucosa, el agente de modificación de la superficie es PEG y las temperaturas son 65438 ± 050 °C respectivamente. A 160 ℃ y 180 ℃, el tiempo es de 1,5 minutos, 2,5 minutos y 3 segundos. Las proporciones molares de PEG a glucosa fueron 4, 5 y 6, respectivamente. Además, al determinar las condiciones óptimas, además de considerar la intensidad de fluorescencia de los puntos de carbono, también se deben considerar de manera integral las condiciones experimentales, la toxicidad y la biocompatibilidad del producto. Pesar 2 gramos de glucosa, disolverla en 3 ml de agua, mezclarla con diferentes volúmenes de polietilenglicol (PEG-200) para obtener una solución transparente, y luego colocarla en un reactor de microondas o baño maría eléctrico a temperatura constante, fijar una cierta temperatura y tiempo de reacción, radiación de microondas o calentamiento en baño de agua para obtener diferentes soluciones de color marrón rojizo, es decir, soluciones madre de puntos de carbono, luego centrifugar y purificar las soluciones madre de puntos de carbono a diferentes velocidades de rotación, y medir y comparar sus propiedades ópticas; Finalmente, se seleccionó la separación y purificación centrífuga con una velocidad de 6000 r/min y el sobrenadante se diluyó en diferentes tiempos para su caracterización.
La caracterización de 1. 3 puntos de carbono
Después de diluir los puntos de carbono obtenidos anteriormente en diferentes tiempos, se probaron sus propiedades de fotoluminiscencia utilizando el espectrómetro de absorción UV-visible U-3010 y el espectrofotómetro de fluorescencia LS55, respectivamente.
Determinación del espectro de absorción UV-visible: diluya los puntos de carbón preparados varias veces (el valor de absorción en la longitud de onda de excitación es 0,1) y determine la posición de su pico de absorción mediante escaneo UV. Al tomar la longitud de onda máxima de absorción UV de los puntos de carbono como longitud de onda de excitación, se determinó que la longitud de onda de excitación era de 3500 nm, y las rendijas de excitación y emisión eran ambas de 5. El voltaje de PMT se ajustó a 700 V y la longitud de onda de excitación fue de 290 ~ 435 nm.
Medición del espectro de fluorescencia: tomar aproximadamente 2. Coloque 5 ml de la solución de puntos de carbono que se va a medir en una cubeta de fluorescencia y detecte su fluorescencia con un espectrómetro de fluorescencia LS55 a temperatura ambiente. La longitud de onda de excitación es de 350 nm, los anchos de las rendijas de excitación y emisión son de 5 nm, el rango de longitud de onda de escaneo es de 300 ~ 650 nm y la velocidad de escaneo es de 65438 ± 0200 nm/min.
Utilice un microscopio electrónico de transmisión (voltaje de aceleración 200 kV) para observar la micromorfología y el tamaño de las muestras de puntos de carbono. La solución madre de punto de carbono obtenida se mezcló con un volumen igual de etanol absoluto, luego se dejó caer sobre la tableta de KBr, se secó hasta que se secó en un horno de secado eléctrico de escritorio a temperatura constante y luego se colocó en un espectrómetro de transformada de Fourier para obtener un espectro infrarrojo.
2 Resultados y Discusión
2.1 Análisis factorial de la síntesis por microondas de puntos de carbono.
Este experimento selecciona tres factores que influyen (relación molar de reactivos (n), temperatura de reacción (t), tiempo de reacción (t)) y selecciona tres niveles diferentes para cada factor, es decir, utilizando tres factores. y tres métodos experimentales ortogonales horizontales para organizar experimentos. Se discutieron los factores que afectan la intensidad de fluorescencia de los puntos de carbono preparados por el método de microondas y se encontraron las condiciones óptimas de síntesis. Con base en las condiciones de tres factores y tres niveles, se seleccionó la tabla ortogonal 34.
En la síntesis de puntos de carbono, las tendencias de los diferentes factores que influyen cambian en diferentes niveles. Bajo el mismo factor, a medida que cambia el nivel, los indicadores experimentales también cambian. Según la tendencia de la figura, las condiciones óptimas para la síntesis de puntos de carbono por microondas son: la relación molar de PEG a glucosa es 6, la temperatura de reacción es 180 °C y el tiempo de reacción es 2,5 minutos. La intensidad de fluorescencia de los cuantos de carbono sintetizados en estas condiciones es la mejor. También se puede ver en el gráfico de tendencias que cuanto mayor sea el tiempo de reacción asistida por microondas, mejor. Sin embargo, cuando el tiempo de reacción es inferior a 3. A medida que disminuye el tiempo de reacción, la intensidad de fluorescencia de los puntos de carbono tiende a aumentar.
A través del análisis intuitivo de los experimentos ortogonales anteriores, se obtuvieron las condiciones optimizadas y se sintetizaron puntos de carbono fluorescentes utilizando microondas en estas condiciones. Se obtuvieron los espectros de emisión de fluorescencia de los puntos de carbono preparados en condiciones optimizadas en el grupo experimental y de los puntos de carbono preparados en condiciones experimentales óptimas 9.
En las mismas condiciones, la intensidad de fluorescencia de los puntos de carbono optimizados es 234, que es mucho mayor que la intensidad de fluorescencia de los puntos de carbono del grupo experimental 9 (153,17).
Al cambiar el valor de pH del precursor solución (3, 7 y 9) respectivamente para analizar los resultados experimentales. A medida que aumenta el valor del pH de la solución, la intensidad de fluorescencia de los puntos de carbono primero disminuye y luego aumenta. La intensidad de fluorescencia de los puntos de carbono es mayor en condiciones alcalinas (pH = 9) del precursor, la siguiente más alta en condiciones ácidas (pH = 3) y la más pequeña en condiciones neutras (pH = 7). La razón puede ser que en el sistema glucosa-PEG, la superficie de los puntos de carbono preparados es rica en grupos funcionales hidroxilo y carboxilo (como se muestra en la Figura 8). En condiciones ácidas, debido a que una gran cantidad de grupos hidroxilo en la superficie de los puntos de carbono forman una gran cantidad de enlaces de hidrógeno con H+, el sistema es relativamente estable y los puntos de carbono se pueden dispersar bien, por lo que emiten una buena fluorescencia. En condiciones alcalinas, el grupo carboxilo interactúa con el OH- en la superficie de los puntos de carbono, lo que hace que el sistema sea más estable y los puntos de carbono se puedan dispersar bien. Sin embargo, en condiciones neutras, los puntos de carbono generados se agregan debido a su alta energía superficial, lo que da como resultado un aumento del tamaño de las partículas y una ampliación de la distribución del tamaño de las partículas.
2.2 Comparación del método de microondas y el método hidrotermal
Bajo las mismas condiciones optimizadas, se sintetizaron puntos de carbono utilizando el método de microondas y el método hidrotermal respectivamente, y se estudiaron sus propiedades ópticas.
2.2.1 Espectro de absorción UV-visible de puntos de carbono
El espectro de absorción UV-visible de puntos de carbono obtenido mediante dos métodos, la posición del pico de absorción de ambos métodos es a 280 nm izquierda y derecha, y la posición del pico de absorción no cambia con el cambio de método de calentamiento, lo que indica que el mecanismo de formación de puntos de carbono mediante los dos métodos de calentamiento puede ser consistente. Además, en las mismas condiciones de síntesis, la intensidad del espectro de absorción UV-visible de los puntos de carbono preparados mediante el método de microondas es menor que el del método hidrotermal.
2.2.2 Espectro de emisión de fluorescencia de puntos de carbono
Después de diluir un grupo de puntos de carbono sintetizados mediante optimización de microondas, se incrementó secuencialmente la longitud de onda de excitación y se observaron los cambios en la longitud de onda de emisión de fluorescencia. fueron observados. Los espectros de emisión de fluorescencia de puntos de carbono sintetizados por microondas a diferentes longitudes de onda de excitación (340 ~ 450 nm) muestran que a medida que aumenta la longitud de onda de excitación, la posición del pico de emisión de fluorescencia se desplaza al rojo y la intensidad de la fluorescencia primero aumenta y luego disminuye. Entre ellos, cuando la longitud de onda de excitación es de 350 nm, la intensidad de emisión de fluorescencia de los puntos de carbono es la mayor. Por lo tanto, se seleccionó 350 nm para este experimento.
2.2.3 Discusión sobre el mecanismo de fluorescencia de los puntos de carbono
El rendimiento de fluorescencia de los puntos de carbono proviene principalmente de dos tipos diferentes de emisión, uno es su emisión de trampa de energía superficial y el otro. el otro es su emisión en estado interno, es decir, la emisión causada por la recombinación de electrones y huecos, que es la imagen TEM de puntos de carbono causada por el efecto de tamaño cuántico de los puntos cuánticos con el que estamos familiarizados. En este artículo, por un lado, la emisión de trampa de energía superficial de puntos de carbono producida por pirólisis de glucosa a alta temperatura produce fluorescencia, por otro lado, el PEG se puede utilizar como agente de pasivación de superficie para puntos de carbono. En este estudio, el precursor fue una mezcla de glucosa y PEG. Por tanto, el PEG actúa, por un lado, como estabilizador y, por otro, como modificador de superficie. El PEG contiene una gran cantidad de grupos hidroxilo y otros grupos funcionales. En condiciones alcalinas, se introducen grupos funcionales como los grupos hidroxilo en la superficie de los puntos de carbono, lo que suprime la emisión de defectos en los puntos de carbono y hace que la combinación de radiación de electrones y huecos que puede producir fluorescencia sea más conveniente.
2.2.4 microscopía electrónica de transmisión de puntos de carbono
Se puede observar que los puntos de carbono son similares a los puntos cuánticos semiconductores, con apariencia esférica, buena dispersión, distribución de tamaño uniforme y diámetro promedio de partícula alrededor de 5 ~ 8 nm. Muestra que el polietilenglicol desempeña un buen dispersante y modificador de superficie en el proceso de preparación de puntos de carbono mediante pirólisis de glucosa y puede prevenir eficazmente la aglomeración de puntos de carbono.
2.2.5 Espectro infrarrojo de puntos de carbono
Espectros infrarrojos de puntos de carbono preparados por diferentes métodos (a. Método de microondas; b. Método hidrotermal) bajo las mismas condiciones optimizadas, Microondas y métodos hidrotermales.
Las posiciones de los picos y las formas de los picos de los espectros infrarrojos de los puntos de carbono obtenidos mediante los dos métodos son básicamente las mismas, pero la intensidad del pico de absorción es ligeramente diferente, lo que puede estar relacionado con la concentración de carbono. puntos.
El espectro de vibración de estiramiento del grupo hidroxilo aparece en 3 700 ~ 3 100 cm ~ 1. En la mayoría de los compuestos que contienen hidroxilo, debido a los fuertes enlaces de hidrógeno intermoleculares, aparece una banda ancha y fuerte en la región de 3500 ~ 3100 cm-1. Alrededor de 3370 cm-1, los puntos de carbono preparados mediante ambos métodos tienen un pico de absorción ampliado, que es el pico característico de la vibración de estiramiento del enlace O-H.
Al mismo tiempo, hay fuertes picos de absorción en las áreas de huellas dactilares de 1 101 cm-1 y 1 247 cm-1, que pertenecen a la contracción simétrica y la oscilación de expansión asimétrica de C-O-C respectivamente, lo que demuestra la existencia de grupos hidroxilo. Al mismo tiempo, los picos de absorción de ambos se observaron a 1643 cm-1, que fue la vibración de estiramiento de C = O, comprobando la existencia de grupos carboxilo. A partir de esto se puede juzgar que la superficie de los puntos de carbono tiene grupos funcionales hidroxilo y carboxilo, lo que no sólo mejora la solubilidad en agua y la biocompatibilidad de los puntos cuánticos, sino que también proporciona una guía útil para la modificación posterior de dichos puntos de carbono.
3 Conclusión
A través de experimentos ortogonales, se determinan las condiciones experimentales apropiadas para preparar puntos de carbono nanofluorescentes mediante el método de microondas: el tiempo de reacción es 2. La temperatura de reacción fue 65438 ± 080°C, la relación molar de PEG a glucosa fue 6 y el pH fue 9. El orden de los factores que influyen en la síntesis es: tiempo de reacción > relación molar > temperatura de reacción. Al mismo tiempo, el hallazgo de un rango de R blanco > R temperatura indica que hay otros factores importantes que deben discutirse en el experimento, entre los cuales el factor que más fácilmente se pasa por alto es la agitación.
Bajo las mismas condiciones de optimización, las propiedades ópticas de los puntos de carbono sintetizados por método hidrotermal son ligeramente mejores que las sintetizadas por microondas. El motivo, además del uso del dispositivo de agitación mencionado en este artículo, también puede estar relacionado con la tasa de crecimiento, el grado de modificación de la superficie y el estado de los puntos de carbono durante el proceso de síntesis. El efecto combinado de estos factores da como resultado la incapacidad de controlar bien los defectos de la red de los puntos de carbono fluorescentes. Sin embargo, los defectos de la superficie y los efectos de borde pueden conducir a la generación de electrones atrapados o pares de huecos, afectando así las propiedades luminiscentes de los puntos cuánticos, lo que requiere una mayor verificación experimental. En resumen, los puntos de carbono fluorescentes preparados mediante los dos métodos de calentamiento tienen buenas propiedades ópticas y se espera que se utilicen en el campo del etiquetado fluorescente.