Các chấm carbon được nghiên cứu bằng máy quang huỳnh quang FLS1000

[Application Note]: Quang phổ huỳnh quang của các chấm carbon

  1. Giới thiệu

Các chấm carbon (C-dot) là các hạt nano cấu tạo từ carbon có đường kính dưới 10 nm. Chúng được Xu, et al tình cờ phát hiện vào năm 2004 khi nghiên cứu phương pháp tinh chế ống nano carbon. Kể từ khi phát hiện ra, chúng đã nhận được nhiều sự chú ý từ cộng đồng Khoa học Vật liệu như một giải pháp thay thế tiềm năng cho các chấm lượng tử bán dẫn, đặc biệt là trong các ứng dụng sinh học do độc tính thấp của chúng. Một số ứng dụng của chúng bao gồm xúc tác quang, pin mặt trời, hình ảnh sinh học và phân phối thuốc.

 

Các chấm C bao gồm hỗn hợp các nguyên tử cacbon lai hóa sp2 và sp3 và các nhóm chức như –COOH, -NH2 và –OH. Chúng có thể được tổng hợp bằng cách tiếp cận “từ trên xuống” (bắt đầu từ vật liệu cacbon sp2 như than chì), hoặc “từ dưới lên” (cacbon hóa các phân tử nhỏ) (Hình 1). Tổng hợp “từ dưới lên” tạo ra các chấm C rất không đồng nhất nhưng chúng cho phép sản xuất quy mô lớn hơn. Gần đây, các dạng tổng hợp chấm C mới thân thiện với môi trường đã xuất hiện, với các chấm cacbon được tạo ra từ dầu thải, đường sucrose hoặc rau quả. Quá trình cacbon hóa chất hữu cơ có thể đạt được bằng cách đun nóng đến nhiệt độ trên 200 ° C hoặc bằng cách xử lý với axit .

Hình 1. Phương pháp tiếp cận “từ trên xuống” và “từ dưới lên” để tổng hợp các điểm C.

Nhiều ứng dụng của các chấm carbon tận dụng sự phát quang của chúng (PL). Các chấm C thường cho thấy sản lượng lượng tử PL tốt và thể hiện sự thay đổi đặc trưng trong phổ phát xạ của chúng với bước sóng kích thích: các bước sóng kích thích dài hơn làm chuyển quang phổ PL về phía màu đỏ, rõ ràng là phá vỡ quy tắc Kasha. Đặc tính này dễ dàng được xác định trong Bản đồ kích thích-phát xạ (EEM) về hiện tượng phát quang của mẫu.

 

Một số giả thuyết đã được đưa ra để giải thích phổ phát xạ phụ thuộc bước sóng của các chấm C. Một là ảnh hưởng của kích thước chấm carbon, tương tự như trong các chấm lượng tử bán dẫn.Khi hạt carbon giảm kích thước, sự giam giữ lượng tử diễn ra nghĩa là hạt nhỏ hơn bước sóng de Broglie của electron trong chấm, tạo ra một độ lệch so với thuộc tính số lượng lớn. Sự giới hạn này tạo ra lượng tử hóa năng lượng thành các mức riêng biệt trong vùng dẫn và vùng hóa trị, vì vậy dấu chấm C có thể được hiểu như một “nguyên tử ảo”. Năng lượng phát xạ phụ thuộc vào bán kính của hạt, do đó khi hạt càng nhỏ thì cả quang phổ kích thích và phát xạ đều chuyển sang bước sóng ngắn hơn. Trong sự phân bố các chấm C với các kích thước khác nhau, các tập hợp con khác nhau được kích thích ưu tiên khi bước sóng kích thích thay đổi. Khi các chấm C có kích thước khác nhau bị kích thích, quang phổ phát xạ dịch chuyển theo bước sóng kích thích.

 

Mặc dù PL phụ thuộc vào kích thước của các chấm C đã được báo cáo, nó không phải là yếu tố duy nhất ảnh hưởng đến phổ phát xạ, và trong thực tế rất khó để có được phân bố với phổ PL hẹp. Một lời giải thích tiềm năng khác cho hành vi PL của các chấm carbon là sự tồn tại của các vị trí phát xạ khác nhau trên bề mặt của chấm C. Các vị trí này liên quan đến các khuyết tật khác nhau trên bề mặt, chúng được kích thích có chọn lọc tùy thuộc vào bước sóng được sử dụng. Mặc dù có nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này, cơ chế của PL trong dấu chấm C vẫn chưa chắc chắn. Điều này một phần là do thiếu chiến lược để sản xuất một cách chọn lọc chỉ một loại cấu trúc C-dot. Cần có các phương pháp tổng hợp mới để kiểm soát mức độ kết tinh và chức năng hóa của các chấm C.

 

Trong Application Note này, chúng tôi mô tả các chấm carbon phân bố không đồng nhất được tạo ra bằng cách xử lý nhiệt sữa. Trong trường hợp này, quá trình cacbon hóa đạt được bằng cách đơn giản làm nóng sữa trong không khí đến 220 ° C trong 2 giờ, phổ huỳnh quang và tuổi thọ của các chấm C thu được được nghiên cứu bằng Máy quang phổ huỳnh quang FLS1000 được trang bị nguồn ánh sáng trắng điều chỉnh được AGILE.

  1. Thực nghiệm

Sữa bò nguyên chất được pha loãng theo tỷ lệ 1: 1 với nước và làm nóng trong lò nướng thông thường ở 220 ° C trong 2 giờ. Phần cặn màu đen thu được được thu thập và chiết bằng metanol và diclometan để thu được phần phân cực trung bình và cao của các chấm C.

Các giải pháp chấm C được đặt trong cuvet thạch anh và được đo trong Máy quang phổ huỳnh quang FLS1000 được trang bị bộ đơn sắc kép, đèn Xe 450 W, nguồn AGILE, khả năng Đếm Photon đơn tương quan theo thời gian (TCSPC), giá đỡ cuvet tiêu chuẩn và PMT-900 tiêu chuẩn máy dò. Bản đồ phát xạ kích thích được thu thập tự động với tùy chọn tiêu chuẩn được cung cấp trong phần mềm Fluoracle.

 

  1. Kết quả

EEM huỳnh quang của các chấm C được chiết xuất bằng diclometan và metanol được thể hiện trong Hình 2 và 3, tương ứng. Hình 2 cho thấy sự phát xạ điểm C đặc trưng trong dải 400 nm – 600 nm cũng như một loạt dải UV hẹp khi kích thích ở 300 nm – 350 nm (a). Cấu trúc dải này có thể là do các hydrocacbon đa sắc, có thể có trong sữa đun nóng. Cận cảnh phát xạ điểm C (b) cho thấy một phổ rất rộng với sự dịch chuyển rõ ràng của đỉnh khi bước sóng kích thích di chuyển về phía màu đỏ.

 

Hình 2. EEM của các chấm C chiết xuất bằng diclometan từ sữa đun nóng: (a) Bản đồ 3D, (b) Bản đồ 2D của vùng chấm C (sự dịch chuyển bước sóng kích thích được chỉ ra trong đồ thị). Điều kiện đo: Δλex = 3,00 nm, Δλem = 2,00 nm, bước λex = 5,00 nm, bước λem = 2,00 nm, thời gian dừng = 0,5 s / bước.

Hình 3 cho thấy EEM của phần metanol của các chấm cacbon. Điều thú vị là cấu trúc dải hẹp không có trong vùng UV (a) cho thấy rằng những hợp chất đó không hòa tan trong metanol. Tuy nhiên, vùng C-dot (b) rất giống với pha diclometan.

Hình 3. EEM của các chấm C chiết xuất bằng metanol từ sữa đun nóng: (a) Bản đồ 3D, (b) Bản đồ 2D của vùng chấm C (sự dịch chuyển bước sóng kích thích được chỉ ra trong đồ thị). Điều kiện đo: Δλex = 3,00 nm, Δλem = 2,00 nm, bước λex = 5,00 nm, bước λem = 2,00 nm, thời gian dừng = 0,7 s / bước.

Các phép đo PL được phân giải theo thời gian có thể cung cấp thêm thông tin về cơ chế phát quang của các chấm carbon. Phổ phát xạ phân giải theo thời gian (TRES) là một chuỗi các phép đo thời gian tồn tại PL với bước sóng phát xạ thay đổi cung cấp sự thay đổi phổ trong phát xạ như một hàm của thời gian sau xung kích thích. Bản đồ TRES của cả hai mẫu được thu thập bằng phương pháp Đếm Photon Đơn Tương quan Thời gian (Hình 4 và 5).

Với một nguồn TCSPC có thể điều chỉnh được như AGILE, có thể nghiên cứu tuổi thọ PL như một hàm của bước sóng kích thích. Điều này được gọi là TRES kích thích và một ví dụ được hiển thị trong Hình 6. Kết quả trong Hình 6 cho thấy sự phụ thuộc của thời gian sống với bước sóng kích thích, với thời gian phân rã dài hơn khi kích thích dịch chuyển về phía bước sóng màu đỏ.

Cả TRES kích thích và phát xạ đều bằng chứng về sự gia tăng rõ ràng thời gian sống của PL ở bước sóng dài hơn; nghĩa là quang phổ phát xạ chuyển sang màu đỏ theo thời gian như thể hiện trong hình bên. Đây không phải là hiệu ứng giãn dung môi do khoảng thời gian của quá trình (nó thường là ps hơn là ns). Sự thay đổi màu đỏ có thể là do sự phân bố kích thước của các chấm C; tuy nhiên, các báo cáo tài liệu chỉ ra xu hướng ngược lại: các chấm C lớn hơn phát ra màu đỏ có thời gian sống PL ngắn hơn. Do đó, lời giải thích hợp lý nhất là sự tồn tại của các vị trí phát xạ khác nhau có năng lượng và thời gian sống PL khác nhau.

Hình 4. TRES của các chấm C chiết xuất bằng diclometan từ sữa đun nóng, mã màu cường độ PL trong biểu đồ. Các vạch màu đỏ và xanh lam cho thấy PL phân rã ở bước sóng phát xạ 470 nm và 430 nm, tương ứng. Hình trên hiển thị phổ phát xạ chuẩn hóa đỉnh được tích hợp tại các thời điểm khác nhau trong phân rã (mã màu trong biểu đồ). Điều kiện đo: λex = 405 nm, Δλem = 5,00 nm, bước λem = 10,00 nm, độ phân giải thời gian = 49 ps / kênh, thời gian thu nhận = 5 phút / phân rã.

Hình 5. TRES của các chấm C chiết xuất bằng metanol từ sữa đun nóng, mã màu cường độ PL trong đồ thị. Các vạch màu đỏ và xanh lam cho thấy PL phân rã ở bước sóng phát xạ 490 nm và 430 nm, tương ứng. Hình trên hiển thị phổ phát xạ chuẩn hóa đỉnh được tích hợp tại các thời điểm khác nhau trong phân rã (mã màu trong biểu đồ). Điều kiện đo: λex = 405 nm, Δλem = 5,00 nm, bước λem = 10,00 nm, độ phân giải thời gian = 49 ps / kênh, thời gian thu nhận = 5 phút / phân rã.

Hình 6. TRES kích thích của các chấm C chiết xuất bằng metanol từ sữa đun nóng, kích thích từ 400 nm (đen) đến 490 nm (đỏ) trong các bước 10 nm. Hình trên cho thấy tuổi thọ trung bình được trang bị dưới dạng hàm của bước sóng kích thích. Điều kiện đo: λem = 500 nm, Δλem = 1,00 nm, độ phân giải thời gian = 49 ps / kênh.

  1. Kết luận

Xử lý nhiệt sữa là một phương pháp dễ sử dụng, thân thiện với môi trường để tạo ra các chấm carbon. Các điểm C dễ dàng được đặc trưng trong máy quang phổ huỳnh quang FLS1000 bằng cách sử dụng tùy chọn bản đồ phát xạ kích thích có sẵn trong phần mềm. Phổ kích thích và phát xạ phân giải theo thời gian sử dụng nguồn TCSPC có thể điều chỉnh cung cấp thông tin về cơ chế PL và bằng chứng về đặc tính không đồng nhất của các chấm C được nghiên cứu.

Quý khách có nhu cầu tư vấn, vui lòng liên hệ:

CÔNG TY TNHH THƯƠNG MẠI – DỊCH VỤ – KỸ THUẬT  VIỆT NGUYỄN
Địa chỉVPHCM: số N36, đường số 11, P. Tân Thới Nhất,  Q.12, Tp. Hồ Chí Minh

VPĐN: Số 10 Lỗ Giáng 5, phường Hòa Xuân, quận Cẩm Lệ, Tp. Đà Nẵng

VPHN: 138 Phúc Diễn, P. Xuân Phương, Q. Nam Từ Liêm, Tp. Hà Nội

HotlinePHÒNG MARKETING – TRUYỀN THÔNG:

  • 0817 663300 (Mr. Hiếu) – E: hieu@vietnguyenco.vn
  • 0825 6644 22 (Ms. Bình) – E: binh.nguyen@vietnguyenco.vn
Emailinfo@vietnguyenco.vn
Websitehttps://www.vietcalib.vnhttps://www.vietnguyenco.vn