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LUMiSizer®表征碳量子点材料在不同离子浓度下的稳定性

更新更新时间:2023-10-12      点击次数:1070

蹭一波热点,引文“北京时间10月4日17时45分许,瑞典h家科学院宣布,将2023年诺贝尔化学奖授予美国麻省理工学院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美国哥伦比亚大学教授路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)和美国纳米晶体技术公司前科学家阿列克谢·伊基莫夫(Alexei Ekimov),以表彰他们在发现和合成量子点(quantum dots)方面作出的贡献。"下文是对量子点材料在不同离子浓度下的稳定性的评估。


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量子点(Quantum Dot)又称为半导体纳米晶体,由数百或者数千原子组成的直径小于20nm(纳米,10-9米)的晶体颗粒。最常见的量子点由II - VII族、III - VI族或I - III - VII族元素组成。量子点具有光学性能,其中之一便是不同尺寸的量子点会发出不同颜色的光,其发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区,具有色纯度高、寿命长、稳定性好、可定制颜色等特点。事实上,量子点技术早已在显示产业应用落地。并且,显示只能算量子点技术应用的一道“开胃菜",未来,生物成像、传感器、太阳能电池、载药等都将成为量子点技术的应用落地场景。通常,制造量子点的材料是有毒的硫化镉,而镉制造的量子点的商业应用前景不广。但是碳量子点的出现让量子点的应用场景一下子开阔了起来,而且拓宽了我们对碳这种元素的认识。碳量子点是2004年才被发现的物质,发现者是南卡罗莱纳大学的一位叫做 Xiaoyou XU 的华裔化学家。


合成CQDs的方法有很多,包括常见的溶剂热合成法,微波合成法,化学氧化法,模板法等。研究人员使用溶剂热合成法合成CQDs材料,并通过LUMiSizer®分散体分析仪分析所得分散液材料的稳定性。
合成:首先,将购自Sigma Aldrich的0.2g D-(+)-木糖(C5H10O5)溶解于20mL去离子水中;然后将溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中。将所得溶液在200℃下加热6h,然后冷却至室温,以10000r/min离心30min,沉淀出固体黑碳颗粒。然后使用孔径为 0.2 μm 的标准注射器过滤器过滤含有荧光 CQD 的上清液,即得到CQDs样品。


为探究CQD在不同离子浓度下的稳定性,分别准备以下4种样品:新鲜合成的 CQD、再分散在去离子水中的CQD、再分散在API盐水(8 wt% NaCl and 2 wt% CaCl2)中的CQD以及通过层析柱实验收集的CQD样品(Effluent sample)。

稳定性表征:

通过记录穿过样品的近红外光(NIR)的传输来表征几种CQD悬浮液对高盐度的稳定性,样品由LUMiSizer® 611离心分析。将悬浮液(0.5 mL)填充到光程为 2 mm 的PA管中,然后以2800 rpm(光因子 1、40 °C、865 nm NIR)离心约 47 分钟,相当于自然存放32天。通过“stability analysis"和“front tracking analysis"功能模块计算CQD的不稳定指数和沉降速度。值得注意的是,在近红外光下,量子点激发发射不会给检测到的光传输带来误差,因为当激发波长高于460 nm时,荧光强度可以忽略不计。

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通过 LUMiSizer® 对四种类型的样品进行了稳定性分析。图A至图C的结果表明,所有检测的样品都是稳定的并且不稳定指数较低。相应地,透光率曲线显示所有样本随时间的变化可以忽略不计。在图A中,分散在API盐水中的CQD在以2800rpm的转速离心47分钟后仅表现出不稳定指数的小幅增加,相当于实时32天。合成后原始CQD的不稳定指数也很小,但仍比API盐水中的不稳定指数高很多。这意味着,与分散在去离子水中的CQD的稳定性指数(具有第二高的不稳定指数(图B)和最高的沉降速度(图C))相比,离子(Na+和 Ca2+)实际上促进了CQD分散在API盐水中的稳定性并产生z低的不稳定指数和沉降速度。流过层析柱的多孔介质稍微增加了CQD的不稳定指数,但它仍然保持了良好的稳定性,如图C中的低沉降速度所示。


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