Helle fluoreszierende Kohlenstoff-Quantenpunkte aus Zitronensaft: Hydrothermale Synthese und optische Charakterisierung

Zusammenfassung

Wasserlösliche fluoreszierende Kohlenstoff-Quantenpunkte (CQDs) werden durch Nutzung von Zitronensaft als Kohlenstoffquelle via einer einfachen hydrothermalen Reaktion synthetisiert. Die erhaltenen CQDs haben eine durchschnittliche Größe von 3,1 nm. Sie zeigen eine einheitliche Morphologie und sind gut kristallin und erzeugen helles blau-grünes Lichtemission unter UV- oder Blaulichtbestrahlung. Wir finden, dass die Fluoreszenz dieser CQDs hauptsächlich durch das Vorhandensein sauerstoffhaltiger Gruppen an der Oberfläche und den Rändern der CQDs induziert wird. Zudem demonstrieren wir, dass die hergestellten CQDs zur Abbildung von Pflanzenzellen angewendet werden können. Diese Studie bezieht sich auf die Herstellung, Untersuchung und Anwendung neu entwickelter Kohlenstoff-Nanostrukturen.

Hintergrund

Kohlenstoff-Quantenpunkte (CQDs) sind eine neue Klasse kohlenstoffbasierter Nanomaterialien, normalerweise mit räumlicher Größe unter 20 nm, die 2004 von Xu et al. entdeckt wurden [1]. Die fluoreszierenden Kohlenstoff-Nanopartikel wurden 2006 von Sun et al. via Laserablation von Graphitpulver hergestellt [2] und seither als „Kohlenstoff-Quantenpunkte (CQDs)“ bezeichnet. Fluoreszierende CQDs haben großes Potenzial für Anwendungen in Photokatalyse, optoelektronischen Bauelementen, Biomedizin, Dünnschichtdisplays, gesunder Beleuchtung und anderen praktischen Disziplinen. Im Vergleich zu herkömmlichen halbleiterbasierten Quantenpunkten können CQDs durch kostengünstige Fertigungstechniken gewonnen werden und verfügen über faszinierende und wichtige Eigenschaften wie gute Biokompatibilität, präzise biologische Zielgerichtetheit, niedrige Toxizität und stärkeren Quanteneffekt. In den letzten Jahren haben fluoreszierende CQDs aufgrund ihrer exzellenten strukturellen und optischen Eigenschaften [5] enorme Aufmerksamkeit erregt [3, 4]. Sie wurden als Substitutionsmaterialien für konventionelle Halbleiter-Quantenpunkte in Anwendungsbereichen wie biologischer Bildgebung, biologischer Markierung, Quantenpunkt-LED (QLED), Umweltschutz und anderen verwandten Feldern vorgeschlagen [6,7,8,9]. Die Forschung zu CQDs wächst rasant in Festkörperphysik, Materialwissenschaft, Elektronik und Optoelektronik. Verwandte grundlegende und anwendungsorientierte Studien wurden weltweit umfangreich durchgeführt [3,4,5,6,7,8,9].

Derzeit gibt es diverse Techniken [10, 11] zur Synthese von CQDs, wie hydrothermale Verfahren [11, 12], Mikrowellenmethoden [13] u. a. CQDs wurden aus verschiedenen Kohlenstoffvorstufen wie Glucose [14], Zitronensäure [15] und Ascorbinsäure [16] synthetisiert. Allerdings ist die Technik für effiziente Herstellung biokompatibler fluoreszierender CQDs im großen Produktionsmaßstab noch erforderlich und stellt eine Herausforderung für praktische Anwendungen der CQDs dar. Es wurde festgestellt, dass die direkte Synthese von CQDs aus Lebensmitteln [17,18,19] und/oder Nebenprodukten [20] eine der vielversprechenden und bedeutenden Strategien ist. Rot-emittierende Kohlenstoffpunkte (R-CDs) mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 4 nm und hohem Quantenausbeute (QY) von 28 % in Wasser wurden [21] durch Erhitzen einer Ethanollösung von pulpfreiem Zitronensaft synthetisiert. Ein starkes Reduktionsmittel NaBH₄ wurde den R-CDs zugesetzt, um die Lichtemissionsintensität der R-CDs zu erhöhen. Allerdings ist bekannt, dass NaBH₄ giftig ist. Vor kurzem haben wir grün- und blau-emittierende CQDs aus Tofu-Abwasser ohne Zugabe giftiger Substanzen hergestellt [22]. CQDs aus Lebensmitteln und/oder Nebenprodukten gelten als sicher für biologische Anwendungen, da in diesen natürlichen Kohlenstoffressourcen fast keine bekannte Toxizität vorliegt. Kürzlich wurden mehrere ernsthafte Untersuchungen zur Synthese von CQDs aus ungiftigen Kohlenstoffressourcen im Ein-Schritt-Verfahren durchgeführt und signifikante Fortschritte in der Synthese, Untersuchung und Anwendung dieser CQDs erzielt. Zum Beispiel wurde Knoblauch als grüne Quelle zur Synthese von CQDs verwendet [23]. Detaillierte strukturelle und kompositionelle Studien zeigten [23], dass der N-Gehalt und die Bildung von C–N und C=N Schlüssel zur Verbesserung der Photolumineszenz (PL) Quantenausbeute sind. Darüber hinaus zeigen die CQDs ausgezeichnete Stabilität in einem weiten pH-Bereich und hohen NaCl-Konzentrationen, was sie in komplizierten und rauen Bedingungen anwendbar macht [23].

Die Hauptmotivation der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer einfachen und effizienten experimentellen Methode für die kostengünstige Herstellung von CQDs aus Zitronensaft durch hydrothermale Behandlung bei relativ niedrigen Temperaturen und in einem weniger zeitaufwendigen Prozess. Es ist bekannt, dass Zitronensaft leicht und günstig erhältlich ist und daher eine gute Kohlenstoffquelle für CQD-basierte Proben- und Bauelementfertigung darstellt. Im Vergleich zur vorherigen Studie [21] sind die ungiftigen CQDs, die in unserer Arbeit erhalten wurden, besser für biologische Bildgebung und Zellmarkierung geeignet. In dieser Studie führen wir auch die Untersuchung der grundlegenden Material- und optischen Eigenschaften der aus Zitronensaft realisierten CQDs durch und wenden die CQDs zur Abbildung von Pflanzenzellen an.

Methoden

Ausgangsmaterialien

In dieser Studie stammen die kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien aus frischem Zitronensaft. Die Hauptbestandteile und ihre Prozentsätze wurden durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) wie in Tabelle 1 dargestellt ermittelt. Für die Probenvorbereitung wurden frische Zitronen als Kohlenstoffquelle und frische Zwiebeln für die Zellabbildung im lokalen Supermarkt gekauft. Ethanol war analytisch rein und wurde als Dispergiermittel verwendet. Deionisiertes Wasser (18,25 MΩ cm) wurde für die Experimente verwendet.

Synthese der CQDs

Die CQDs wurden aus Zitronensaft durch eine einfache hydrothermale Behandlung bei relativ niedrigen Temperaturen und in einem weniger zeitaufwendigen Prozess synthetisiert. Die typischen Probenvorbereitungsprozesse sind in Abb. 1 dargestellt. Achtzig Milliliter pulpfreier Zitronensaft wurden mit 60 ml Ethanol gemischt. Das Gemisch wurde dann in einen mit Polytetrafluorethylen ausgestatteten Edelstahlautoklaven überführt und bei konstanter Temperatur von etwa 120 °C für 3 h erhitzt. Nach der Reaktion wurde das dunkelbraune Produkt nach natürlicher Abkühlung auf Raumtemperatur erhalten. Die dunkelbraune Lösung wurde mit überschüssigem Dichlormethan gewaschen, um unreagierte organische Anteile zu entfernen, und dieser Schritt kann 2–3 mal wiederholt werden. Deionisiertes Wasser wurde zugegeben, bis das Volumen der braunen Lösung auf ein Drittel der Lösung anstieg, und bei 10000 rpm für 15 min zentrifugiert, um große Partikel zu trennen. Somit können die CQD-Proben durch Karbonisierung von Zitronensaft gewonnen werden, der Kohlenhydrate und organische Säuren wie Glucose, Fructose, Saccharose, Ascorbinsäure, Zitronensäure usw. als Kohlenstoffvorstufen enthält. Unsere einfache hydrothermale Reaktion erfolgt bei niedrigerer Temperatur (120 °C) und in kürzerer Zeit (3 h) im Vergleich zur berichteten Methode [24].

Charakterisierung

Morphologie und Mikrostrukturen der aus Zitronensaft realisierten CQDs wurden mit dem Transmissions-Elektronenmikroskop (JEM 2100, Japan) bei 300 kV analysiert. Die kristalline Phase der CQDs wurde durch Röntgendiffraktion (Rigaku TTR-III, Japan) mit Cu-Kα-Strahlung (λ = 0,15418 nm) untersucht. Das UV-Vis-Absorptionsspektrum wurde mit einem UV-Vis-Spektrophotometer (Specord200) gemessen. Die photonischen Lichtemissionen wurden mit einem Fluoreszenzspektrophotometer (IHR320, HORIBA Jobin Yvon, USA) für verschiedene Anregungswellenlängen von 330 bis 490 nm untersucht. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) Spektren wurden mit einem PHI5000 Versa Probe II Photoelektronenspektrometer mit Al Kα bei 1486,6 eV aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) Bilder der CQDs sind in Abb. 2 gezeigt. Das TEM-Bild bei niedriger Vergrößerung der hergestellten Proben zeigt, dass CQDs eine einheitliche Dispergiertheit aufweisen. Die CQDs sind kugelförmig mit einer engen Größenverteilung von 2,0 bis 4,5 nm und einer durchschnittlichen Größe von 3,1 nm, wie in Abb. 2b, c dargestellt. Abbildung 2d zeigt den Gitterabstand von 0,215 nm, der der [100]-Ebene von graphitischem Kohlenstoff entspricht, und das entsprechende schnelle Fourier-Transformationsmuster (FFT) der CQDs zeigt weiterhin die hochkristalline Struktur, konsistent mit dem vorherigen Bericht [25]. Im Vergleich zu früheren Studien [19, 21,22,23], wie in Abb. 2 gezeigt, haben die in unserer Arbeit erhaltenen CQDs nicht nur gute Qualität, sondern zeigen auch eine bessere einheitliche Morphologie. Daher können CQDs mit einheitlicher abgerundeter Morphologie und guter Kristallinität durch einen einfachen hydrothermalen Behandlungsprozess hergestellt werden. Der Produktionsausbeute (PY) der CQDs kann gemäß der Definition PY = (m/M) × 100% berechnet werden, wobei m die Masse der CQDs und M die Masse des frischen Zitronensafts ist. Die Produktionsausbeute der in dieser Studie hergestellten CQDs beträgt etwa 0,1% laut Messergebnissen, nämlich 100 g Flüssigkeit mit 6,30% Zitronensäure können etwa 0,1 g CQDs erhalten (siehe Tabelle 1).

Die typischen Röntgendiffraktion (XRD) und XPS-Profile der CQDs sind in Abb. 3 gezeigt. Es gibt einen breiten (002)-Peak zentriert bei 2θ~21,73°, und der Schichtabstand wurde auf 0,409 nm berechnet, entsprechend der Graphitstruktur, wie in Abb. 3a gezeigt, was ähnlich den berichteten Werten für CQDs ist, die mit anderen Methoden hergestellt wurden [15, 26]. Die Variation des Schichtabstands kann durch die Einführung weiterer sauerstoffhaltiger Gruppen wie das Vorhandensein von –OH und –COOH an der CQD-Oberfläche und -Kante während des hydrothermalen Reaktionsverfahrens zur Herstellung der CQDs verursacht werden. XPS und FTIR wurden eingesetzt, um die Zusammensetzung der CQDs zu detektieren. Wie in Abb. 3b, c gezeigt, zeigt das XPS-Spektrum einen dominanten graphitischen C1s-Peak bei 284,5 eV und O1s-Peak bei 531,4 eV der CQDs. Der typische Peak bei 284,7, 286,5 und 288,9 eV in einem hochauflösenden Scan des C1s XPS-Spektrums (Abb. 3c) wird dem C=C/C–C, C–O und C=O/COOH zugeordnet. Es zeigt deutlich, dass CQDs mit Hydroxyl-, Carbonyl- und Carbonsäuregruppen funktionalisiert waren, was für die Oberflächenmodifikation und -funktionalisierung vorteilhaft ist und auch die Löslichkeit in Wasser fördert. Abbildung 3d zeigt das Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) Spektrum der CQDs. Das Vorhandensein von Sauerstofffunktionalitäten verschiedener Typen in CQDs wurde durch Peaks bei 3450 cm⁻¹ (O–H-Streckschwingungen), 2927 cm⁻¹, 1407 cm⁻¹ (C–H-Streckschwingungen), 1726 cm⁻¹ (C=O-Streckschwingungen), 1639 cm⁻¹ (C=C-Streckschwingungen), 1227 cm⁻¹ (C–OH-Streckschwingungen) und 1080 cm⁻¹ (C–O-Streckschwingungen) bestätigt. Es wird bemerkt, dass die FTIR-Analyse mit dem oben genannten XPS-Ergebnis übereinstimmt. Am wichtigsten verschwand der C–O–C (Epoxy)-Peak vollständig bei 1290 cm⁻¹. Diese Ergebnisse implizieren den Bildungsmechanismus der CQDs, wobei die Epoxygruppen brechen und die darunter liegenden C–C-Bindungen gebildet werden, anschließend wurden die sp²-Domänen aus kleinen Molekülvorstufen wie Glucose, Fructose, Ascorbinsäure und Zitronensäure durch weitere Dehydratisierung oder Karbonisierung extrahiert und letztendlich zu CQDs gebildet. Daher trägt die Bindungsspaltung der umgebenden Sauerstoffgruppen zur Bildung der CQDs bei [15, 27].

Derzeit wurden mögliche Mechanismen für die Bildung von CQDs aus Kohlenstoffvorstufen durch die hydrothermale Methode vorgeschlagen und untersucht [28]. Auf Basis dieser veröffentlichten Ergebnisse können wir den Synthesemechanismus der CQDs aus Zitronensaft verstehen. Der pulpfreie Zitronensaft wird erhitzt und dehydriert, um das Grundgerüst von C=C/C–C zu bilden, das hauptsächlich aus CQDs besteht, und die restlichen Moleküle erreichen die Oberfläche des Kerns, um eine neue C=C/C–C-Bindung zu produzieren und dann kontinuierlich in dieser Form zu wachsen. Mit der Verlängerung der Erhitzungszeit wird die Morphologie der CQDs allmählich gebildet. Gleichzeitig können im Prozess der hydrothermalen Behandlung zur Bildung von CQDs die Oberfläche und Kante der CQDs viele Hydroxyl (–OH), Carboxyl (–COOH) und Carbonyl (–C=O) oder andere sauerstoffhaltige Funktionsgruppen enthalten; ein Teil der H- und O-Atome in diesen Gruppen könnte durch Dehydratisierung in der hydrothermalen Umgebung entfernt werden.

Um die optischen Eigenschaften der CQDs zu untersuchen, wurden Ultraviolett-sichtbare (UV-Vis) Absorptions- und Photolumineszenz (PL) Spektren der CQDs entsprechend gemessen. Wie in Abb. 4a gezeigt, wurde der optische Absorptionspeak der CQDs im ultravioletten Bereich mit einem Maximum bei 283 nm beobachtet, was auf den n-π*-Übergang des C=O-Bandes zurückzuführen ist [29]. Das PL-Spektrum in Abb. 4b zeigt, dass die PL-Emissionswellenlänge der CQDs bei 482 nm mit einer Anregungswellenlänge von 410 nm ihren Peak erreicht. Die Emissionswellenlänge verschob sich von 430 auf 530 nm, als die Anregungswellenlänge von 330 auf 490 nm erhöht wurde. Mit der Erhöhung der Anregungswellenlänge verschieben sich die Fluoreszenzemissionspeaks in Richtung Rot, was auf das Auftreten von Photonen-Wiederabsorption hinweist. Das Ergebnis zeigt, dass CQDs ein anregungsabhängiges PL-Merkmal aufweisen [30]. Die grün fluoreszierenden CQDs zeigen auch einen breiten PL-Peak, der sich mit der Änderung der Anregungswellenlänge verschiebt, was mit dem Quantenkonfinement-Effekt und Kantenfehlern zusammenhängt. Mit der Standard-PL-Messung [22] beträgt die Fluoreszenz-Quantenausbeute der CQDs 16,7% bei einer Anregungswellenlänge von 410 nm, wobei Chininsulfat als Referenz verwendet wurde. Dieser Wert ist signifikant besser als die QY (8,95%) von CQDs aus Zitronensaft im vorherigen Bericht [24]. Es ist bekannt, dass die QY der CQDs nach Oberflächenmodifikation oder Passivierung dramatisch erhöht werden kann [30]. Die Zugabe von Ethanol während des Syntheseprozesses kann mehr Funktionsgruppen einführen, was zu einer höheren QY der CQDs führen kann. Allerdings ist die QY der CQDs in dieser Studie deutlich niedriger als die QY der CQDs, die mit Zitronensäure (CA) und Ethanolamin (EA) als Modellmolekülen synthetisiert wurden. Hier führte Pyrolyse bei 180 °C zu einem molekularen Vorläufer mit stark intensiver PL und hoher QY von 50%, was auf die N-Dotierung während des Syntheseprozesses zurückzuführen ist [30].

Da sie ungiftig und umweltfreundlich sind, werden CQDs als Alternativen für Halbleiter-Quantenpunkte betrachtet, die in biologischen Systemen sowohl in vitro als auch in vivo angewendet werden können. Die synthetisierten CQDs wurden in einem optischen Bild von Zwiebel-Epidermiszellen wie in Abb. 5 gezeigt angewendet. Die Fluoreszenzmikroskopie zeigt, dass die Zellwände und Zellkerne der inneren Epidermiszellen der Zwiebel klar, gut eingebettet und stark im dreidimensionalen Sinn zu sehen sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die Färbung und Bildgebung von Kohlenstoff-Quantenpunkten exzellent sind und keine nachteiligen Auswirkungen auf Organismen und keine morphologischen Schäden an den Zellen beobachtet wurden, was weiterhin CQDs mit niedriger Zytotoxizität demonstriert. Das Konfokalbild in Abb. 5 zeigt, dass die aus Zitronensaft synthetisierten CQDs in der Pflanzenzellabbildung als fluoreszierende Indikatoren verwendet werden können und zudem das Potenzial der CQDs für biologische Bildgebung aufzeigen.

Schlussfolgerungen

In dieser Studie wurden wasserlösliche fluoreszierende Kohlenstoff-Quantenpunkte unter Verwendung von Zitronensaft als Kohlenstoffquelle durch eine einfache hydrothermale Reaktion synthetisiert. Diese CQDs weisen gute Material- und optische Eigenschaften auf. Sie können helles blau-grünes Fluoreszenzlicht unter UV- oder Blaulichtbestrahlung emittieren. Wir haben demonstriert, dass die CQDs in der Abbildung von Pflanzenzellen verwendet werden können. Wir hoffen, dass diese wichtigen und signifikanten Ergebnisse uns helfen können, ein tieferes Verständnis von CQDs zu erlangen und mehr praktische Anwendungen der neuartigen kohlenstoffbasierten Nanostrukturen zu erforschen.

Abkürzungen

CQDs:

Kohlenstoff-Quantenpunkte

FFT:

Schnelle Fourier-Transformation

HPLC:

Hochleistungsflüssigkeitschromatographie

PL:

Photolumineszenz

QLED:

Quantenpunkt-LED

QY:

Quantenausbeute

R-CDs:

Rot-emittierende Kohlenstoffpunkte

TEM:

Transmissions-Elektronenmikroskop

UV-Vis:

Ultraviolett-sichtbar

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgendiffraktion