Synthese von Pyridin-reichen N,S-codotierten Kohlenstoff-Quantenpunkten als wirksame Enzymnachahmer

a TEM-Bild von N, S-CQDs (die Einfügung ist ein HRTEM-Bild). b SAED-Bild von N, S-CQDs. c XRD und d FT-IR-Spektrum von N, S-CQDs

Das FT-IR-Spektrum (Abb. 1d) bestätigt verschiedene Oberflächengruppen von N,S-CQDs. Die Bänder bei 3163 cm ⁻¹ mit einer Schulter von 3416 cm ⁻¹ in 3000–3500 cm ⁻¹ Bereich repräsentieren N-H- bzw. O-H-Streckschwingungen [11]. Diese beträchtlichen hydrophilen Amino-, Hydroxyl-Gruppen könnten N,S-CQDs eine überlegene Hydrophilie ermöglichen [23]. Die dreifachen Peaks, die bei etwa 1582, 1656 und 1704 cm ⁻¹ . erscheinen lassen sich jeweils den unterschiedlichen charakteristischen Schwingungsbindungen zuordnen. Die Spitzen bei etwa 1704 cm ⁻¹ sind Streckschwingungen von C=O-Carboxylgruppen und C=N-Bindungen [24] und die anderen beiden Peaks bei 1656 und 1582 cm ⁻¹ sind die charakteristischen Schwingungen von Amidgruppen, die C=O strecken (Amid I) und die N-H-Bindung in der Ebene biegen (Amid II) [24, 25]. Die Spitzen bei 1405 und 1345 cm ⁻¹ können der Schwingung von C–S bzw. C–N zugeordnet werden [17], während die Banden bei 1177 und 1084 cm ⁻¹ bestätigen weiter die Existenz von C–O- und S=O-Bindungen an N,S-CQDs [17, 23]. Das UV/vis-Absorptionsspektrum von N,S-CQDs zeigt zwei klare Absorptionsbanden (Abb. 2a). Die starke Absorptionsbande bei 234 nm wird dem elektronischen π-π*-Übergang des aromatischen konjugierten Systems sp . zugeschrieben ² Domänen [17], während der schwache Absorptionspeak bei 340 nm dem n-π*-Übergang der C=O-Bindung zugeschrieben wird [26]. Es wurde festgestellt, dass die relative Intensität des Absorptionspeaks bei 234 nm viel stärker ist als die der N,S-CQD-Proben, die mit der hydrothermalen Methode synthetisiert wurden [17, 26], was auf die Bildung von aromatischeren sp . hindeutet ² Domänen mit N-Dotierung in das konjugierte Kernsystem als pyridinisches N. Außerdem stammt eine breite Schulter bei etwa 430 nm, die vom Peak bei 340 nm überlappt wird, von vielen Arten von Oberflächenzustandsübergängen [26].

a Das UV/Vis von N,S-CQDs. b Der PL von N, S-CQDs und der Einschub sind die Bilder von N,S-CQDs unter Umgebungslicht und 365 nm Bestrahlung. c Die PL-Spektren von N,S-CQDs mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen. d Abklingkurven der Photolumineszenz-Intensität bei Anregungslicht von 358 nm

Die Photolumineszenz(PL)-Spektren (Abb. 2b) veranschaulichen, dass die N,S-CQDs eine breite Anregungsverteilung aufweisen. Die maximale Anregungswellenlänge liegt bei 358 (Emissionswellenlänge 436 nm) aufgrund des Absorptionspeaks von 340 nm. Aus dem Nebenbild in Abb. 2b ist ersichtlich, dass die farblose und transparente wässrige N,S-CQDs-Lösung unter 365 nm UV-Bestrahlung hellblau wird. Die Lösung von N,S-CQDs blieb 10 Monate lang ohne Ausfällungen klar; diese hohe Stabilität der N,S-CQD-Partikel wird auf ihre sehr kleine und einheitliche Größe sowie hydrophile Gruppen auf der Oberfläche zurückgeführt.

Die Photolumineszenz-Quantenausbeute (PLQY) von N,S-CQDs wird mit 23,6% bei Anregung bei 358 nm berechnet, was dreimal höher ist als die für N,S-CQDs berichtete [20, 23]. Im Gegensatz dazu beträgt der PLQY von reinen CQDs nur 1,15%, was weit weniger ist als der von N,S-CQDs. Es wurde berichtet, dass die PLQY von CQDs mit der N-Dotierungsmenge in CQDs zusammenhängt [17, 27] und daher haben viele Arbeiten versucht, die N-Dotierungsmenge in CQDs durch Verlängerung der Reaktionszeit sogar auf bis zu 19 . zu erhöhen h oder Erhöhung der Reaktionstemperatur auf 260 °C [11, 23]. Die N-Dotierungsmenge in den endgültigen festen Proben betrug jedoch immer noch weniger als 6%. In unserer Arbeit wird ein hoher N-Dotierungsgrad von 12,5 % auf N,S-CQDs durch einen effizienten mikrowellenunterstützten Festphasen-Weg erreicht, bei dem Zitronensäure- und Thioharnstoffmoleküle schnell reagieren und Sublimation vermeiden. Darüber hinaus wirkt Thioharnstoff als schwache Base, um die Polymerisationsgeschwindigkeit zu beschleunigen. Interessanterweise wurde die PLQY von N,S-CQDs leicht auf 7 bzw. 2,1% reduziert, wenn das Verhältnis von Thioharnstoff und CA von 3:1 auf 1:3 und 1:1 geändert wurde. Darüber hinaus wurde durch eine Verlängerung der Reaktionszeit auf bis zu 2 Minuten nur der Hauptkohlenstoff erhalten. Um den Reaktionsmechanismus weiter aufzuklären, haben wir den thermogravimetrisch-differentiellen Thermoanalysator (TG-DTA) und die TG-Massenkurven von reinem CA und dem Reaktantengemisch aus CA und Thioharnstoff erworben. Wie in Abb. 3a dargestellt, gibt es drei exotherme Peaks, die in den TG-DTA-Kurven von reinem CA beobachtet werden können; der erste Peak entspricht dem absorbierenden Wasser einschließlich Kristallwasser. Der zweite scharfe Peak bei 154 °C ist der Schmelzwärmefreisetzung von kristallinem CA zuzuordnen, und der breite Peak bei 214 °C bezieht sich auf die intermolekulare Dehydratisierung und Karbonisierung. Während für die Mischung aus CA und Thioharnstoff im TG-DTA-Spektrum (Abb. 3b) große Veränderungen der beiden letztgenannten exothermen Peaks beobachtet werden können, erscheint der zweite exotherme Peak bei einer niedrigen Temperatur von 118 °C, was darauf hindeutet, dass die Säure –Base-Wechselwirkung zwischen CA und Thioharnstoff führt zu einem dramatischen Abfall von 36 °C im Schritt der Schmelzwärmefreisetzung. Darüber hinaus leitet der dritte exotherme Peak, der der Dehydratisierung und Karbonisierung entsprach, zwei Peaks bei 214 und 236 °C ab, und ein schwacher Peak bei 170 °C kann beobachtet werden, was darauf hindeutet, dass die Zugabe von Thioharnstoff den Dehydratisierungs- und Karbonisierungsprozess vorantreiben kann . Vergleicht man die TG-Massenspektren des reinen CA und der Mischung aus CA und Thioharnstoff (Abb. 3c), kann man feststellen, dass das Temperaturmaximum von H₂ Der Peak der O-Freisetzung sinkt von 215 °C für die reine CA auf 180 °C für die Mischung aus CA und Thioharnstoff. Ebenso das Maximum des CO₂ Der Freisetzungspeak liegt bei 227 °C für CA, verschiebt sich jedoch zu einer niedrigen Temperatur und wird bei 179 °C und 198 °C für die Reaktantenmischung von CA bzw. Thioharnstoff zu einer zweistufigen Freisetzung. Diese Temperaturabnahme bei der Dehydratisierung und Karbonisierung stimmt gut mit den TG-DTA-Ergebnissen überein, was einen unterschiedlichen Reaktionsansatz für diese beiden Systeme impliziert. Bei der reinen CA erfolgt die intermolekulare Dehydratisierung und Karbonisierung gleichzeitig bei hoher Temperatur. Während bei der Mischung aus CA und Thioharnstoff die intermolekulare Dehydratisierung zuerst zwischen den Carboxylgruppen von CA und den Aminogruppen von Thioharnstoff reagiert, und dann geschieht die schrittweise Carbonisierung, um den Kohlenstoffkern von N,S-CQDs zu bilden. Verglichen mit der schwachen Wasserstoffbrücken-Wechselwirkung zwischen den CA-Molekülen führt eine starke Säure-Base-Wechselwirkung zwischen Carboxylgruppen und Aminogruppen zu einer signifikanten Abnahme der Dehydratationstemperatur. Interessanterweise beträgt die Restmasse für den reinen CA und den gemischten Reaktanten aus CA und Thioharnstoff, wie in Abb. 3c gezeigt, 1 bzw. 21 Gew.-%, was darauf hindeutet, dass der zugesetzte Thioharnstoff als schwache Base eine Rolle spielen kann, um den zu senken Reaktionstemperatur und vermeidet Sublimation, erhöht somit den N- und S-Dotierungsgehalt in N,S-CQDs mit hoher Ausbeute.

TG- und DTA-Kurven von a reine Zitronensäure, b Reaktionsmischung aus Zitronensäure und Thioharnstoff. c TG-Massenkurven von reinem CA und Reaktantengemisch aus Zitronensäure und Thioharnstoff

Abbildung 2c veranschaulicht die Emissionsspektren von N,S-CQDs mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen. Wenn sich die Anregungswellenlänge von 290 auf 370 nm ändert, zeigen die Emissionspeaks bei 440 nm fast keine Verschiebung. Die Emissionskomponenten haben eine ziemlich konstante Energie und stammen höchstwahrscheinlich von der Absorption des n-π*-Übergangs bei 340 nm. Die anregungsunabhängige Emissionseigenschaft von CQDs wurde untersucht, indem die komplexen Emissionspeaks an mehrere Gauß-Funktionen angepasst wurden und ähnliche Schlussfolgerungen gezogen wurden [26]. Wenn dagegen die Anregungswellenlänge von 390 bis 490 nm variiert wird, zeigte das PL-Emissionsspektrum eine Rotverschiebung als Zunahme der Anregungswellenlänge, was eine von der Anregungswellenlänge abhängige Eigenschaft charakterisiert. Dies kann auf verschiedene Oberflächenzustände von C=O oder die Rolle der Amidgruppe als diskrete Exzitoneneinfangzentren zurückgeführt werden, die die Emissionsenergie im PL-Prozess beeinflussen [11, 19, 28]. Polydispersität und Oberflächenheterogenität sind der Ursprung des von der Anregungswellenlänge abhängigen PL-Verhaltens [28, 29]. Der breite Absorptionspeak bei etwa 430 nm ist ein Ensemble verschiedener Oberflächenzustände, einschließlich Carboxyl und Amid, was ein von der Anregungswellenlänge abhängiges PL-Verhalten von N,S-CQDs ermöglicht. Die Fluoreszenzlebensdauer von N,S-CQDs wurde bestimmt, um ihre optischen Eigenschaften zu bewerten (Abb. 2d). Die PL-Zerfallskurven der N, S-CQD-Probe können durch eine doppelexponentielle Formel angepasst werden, wobei τ ₁ ist 3,48 ns, τ ₂ beträgt 11,05 ns und die durchschnittliche Lebensdauer beträgt 6,72 ns. Verglichen mit der durchschnittlichen Lebensdauer von 2,42 ns unberührter CQDs [30], dramatisch längere Fluoreszenzlebensdauer von beiden τ ₁ und τ ₂ wurden bei unserer Probe gewonnen. Es wurde berichtet, dass die τ ₂ Anteil und durchschnittliche Lebensdauer werden mit zunehmender N-Dotierungsmenge länger und schlussfolgern, dass je länger τ ₂ stammten aus den Oberflächenzuständen [11, 31].

Die Bildung von N,S-CQDs wurde durch XPS bestätigt. Wie in Abb. 4a dargestellt, sind fünf verschiedene Peaks bei 530, 399, 284, 222 und 164 eV von O 1s . vorhanden , N 1s , C 1s, S 2s und S2p Signale, die darauf hindeuten, dass N und S tatsächlich in das Gerüst von CQDs injiziert wurden [17]. Hochauflösende C 1s Das XPS-Spektrum (Abb. 4b) zeigt drei Merkmale der C-Struktur, einschließlich aromatisch konjugiertes sp ² C (C=C) bei 284,4 eV, sp ³ C (C–N, C–O, C–S) bei 285,6 eV und C=O/C=N bei 288,1 eV [11]. Die N 1s Das XPS-Spektrum (Abb. 4c) der N,S-CQDs zeigt drei Peaks bei 399,5, 400,3 und 401,0 eV, die für Pyridin-N, Pyrrol-N bzw. Amid-N stehen [17, 24]. In der g-CNQD beträgt das Atomverhältnis Ncore/Ccore, wie aus dem experimentellen XPS-Intensitätsverhältnis abgeleitet, 1,40, was nahe am erwarteten Wert von 1,33 liegt, der für ein C₃ . erwartet wird N₄ [19]. Wir haben eine ähnliche Datenanalyse unserer Probe durchgeführt und dabei 285,6 eV von C 1s . genommen Peak als "Ccore", während sowohl 400,3 eV (Pyrrol) als auch 399,6 eV (Pyridin) von N 1s als „Ncore“ (da die Bindungsenergiewerte mit 399,9 eV von NCcore in [19] ähnlich sind), und der berechnete Ncore/Ccore ist 0,43, viel kleiner als 1,33 für C₃ N₄ . Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sich das relative Verhältnis von Pyridin-N zu Pyrrol-N in unseren N,S-CQDs stark von dem von N- oder N,S-codotierten CQDs unterscheidet, die durch hydrothermale Verfahren synthetisiert wurden [17, 21]. Pyridin-N ist der dominante Dotierstoff in unserer N,S-CQD-Probe, der 1,5-mal so hoch ist wie Pyrrol-N, aber bei vielen thermisch synthetisierten Proben normalerweise weniger als 1,0 beträgt. Solch ein hoher Pyridingehalt kann N,S-CQDs überlegene Eigenschaften für weitere katalytische Anwendungen verleihen, da sie als katalytisch aktive Zentren wirken können [32]. Darüber hinaus ist das Pyrrol-N am Rand eine wichtige Zusammensetzung von Oberflächendefekten und kann als Photolumineszenzzentrum wirken [17, 27]. Die S 2p Das XPS-Spektrum (Abb. 4d) zeigt zwei typische Signale bei 163,3 und 164,4 eV, die S 2p . entsprechen _3/2 und S2p _1/2 von Thiophen-S bzw. [16]. In Kombination mit dem FT-IR-Spektrum spekulieren wir, dass Schwefelatome erfolgreich als thiophenisches S in das Gerüst von N,S-CQDs dotieren und am Rand von N,S-CQDs existieren, um deren PLQY zu verbessern.

a Das vollständige Scan-XPS von N, S-CQDs. Das hochauflösende XPS von C 1s b N 1s c und d S 2p Spektren von N, S-CQDs

Die Enzymkatalyse ist aufgrund ihrer hohen Spezifität und Aktivität zu erwarten. Meerrettichperoxidase (HRP) ist das am besten untersuchte Pflanzenenzym, das das aktive Zentrum des Porphyrinzyklus in der Hämgruppe enthält, um die Einelektronenoxidation, eine Vielzahl organischer und anorganischer Substrate durch Wasserstoffperoxid, effektiv zu katalysieren [33, 34]. Die nachahmenden Eigenschaften von pyridinreichen N,S-CQDs wurden für die Oxidation der Peroxidase-Substrate von 3, 3′, 5′, 5′-Tetramethylbenzidin (TMB) in Gegenwart von H₂ . getestet O₂ durch Messen der Absorption des blauen Oxidationsprodukts von TMB bei 652 nm. Die UV/Vis-Absorption von N,S-CQDs erreicht Spitzen bei 234 und 340 nm. Abbildung 5a veranschaulicht die Anpassungslinien der Konzentration von TMB-abgeleiteten Oxidationsprodukten (μmol/l) über die Zeit in Gegenwart von N, S-CQDs und reinen CQDs. Die Reaktionsgeschwindigkeit (r ) für die Zersetzung von H₂ O₂ auf N, S-CQDs als Enzymmimetika beträgt 2.16 × 10 ⁻³ μmol ⁻¹ L ⁻¹ S ⁻¹ , das doppelt so hoch ist wie das von reinen CQDs und früher berichteten dotierten CQDs unter den gleichen Bedingungen [35, 36]. Die ausgezeichnete Aktivität von pyridinreichen N,S-CQDs kann dem hohen Dotierungsgehalt von N zugeschrieben werden, das eine größere Elektronegativität als das Kohlenstoffatom besitzt, um die Elektronendichte von N,S-CQDs und insbesondere dem dominanten pyridinhaltigen N zu erhöhen ein einsames Elektronenpaar, das zu einer Erhöhung der Elektronendichte und -mobilität im π-konjugierten Gerüst von N,S-CQDs führt, beschleunigt somit die Reaktion. Dies ist der erste Bericht über die dramatische Verbesserung der Katalase-nachahmenden Eigenschaft von CQDs in Abhängigkeit von der dominanten Dotierung von pyridinischem N im Kohlenstoffgerüst.

a Die anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit von N, S-CQDs und frei dotierten CQDs. b Wiederverwendbarkeitstest von N, S- CQDs

Die Wiederverwendbarkeit von N,S-CQDs wurde durch aufeinanderfolgende viermalige Verwendung für eine Katalase-nachahmende Reaktion untersucht (Abb. 5b). Bei der Verwendung in vier Zyklen wurde keine offensichtliche Abnahme der Aktivität von N,S-CQDs beobachtet. Die hohe Stabilität der intrinsischen Katalyseaktivität von N,S-CQDs wird auf die dominante pyridinische N-Dotierung im C=C-Gerüst zurückgeführt, da das pyridinische N eine Rolle als wirksame katalytische Zentren für Enzymmimetika für H_{2<. spielen kann /sub> O2 Zerlegung.}