Preparación asistida con ácido sulfúrico de puntos poliméricos carbonizados emisores de rojo y la aplicación de imágenes biológicas

Resultados y discusión

Optimización de la preparación para los CPD rojos

En experimentos básicos, se investigaron diferentes sistemas asistidos por ácido con diversas relaciones de concentración, temperaturas de reacción y tiempos (consulte el archivo adicional 1:Figura S1). Descubrimos que los CPD rojos se pueden formar por encima de 180 ° C (reaccionando durante 2 h) para diferentes sistemas ácidos, y las reacciones no se ven afectadas por los aniones en las soluciones. De larga duración (4 a 12 h, 240 ° C para H ₃ PO ₄ y sistemas de HF, consulte el archivo adicional 1:Figura S1f) la reacción aumentará el tamaño de partícula y la fluorescencia roja se desvanecerá finalmente, mientras que el cambio de fluorescencia no es obvio para el sistema de HCl (2-6 h, 200 ° C, consulte la sección Adicional archivo 1:Figura S2). Teniendo en cuenta el ahorro de energía y el límite superior de temperatura del revestimiento de teflón, la temperatura y el tiempo de reacción óptimos se seleccionan como 200 ° C y 2 h respectivamente. Basado en la estrategia de optimización de p -Sistema PD + HCl (ver archivo adicional 1:Figura S2), optimizamos la p -PD + H ₂ SO ₄ y p -PD + HClO ₄ sistemas y obtuvo los resultados de optimización que se muestran en la Tabla 1.

Los SA-CPD, HC-CPD y PA-CPD se prepararon a partir de p -Solución de PD con la ayuda de H ₂ SO ₄ , HCl y HClO ₄ , respectivamente. El c optimizado (ácido) a c ( p -PD) proporciones de H ₂ SO ₄ -, HCl- y HClO ₄ -los sistemas asistidos son 1, 3 y 3, respectivamente (consulte el archivo adicional 1:Figura S3a). El c adecuado ( p -PD) para la preparación de CPD rojos es amplio (de 0,02 a 0,20 mol L ^{- 1} ). La temperatura optimizada ( T ) y el tiempo de reacción ( t ) son 200 ° C y 2 h. Los SA-CPD son los CPD rojos más brillantes con un QY alto del 21,4% (archivo adicional 1:Figura S3b). Hay dos razones por las que H ₂ SO ₄ -los puntos de carbono asistido tienen una mejor calidad en comparación con el HCl-, HClO ₄ - y HNO ₃ -asistidos (publicados en nuestro trabajo anterior [25]). Primero, H ₂ SO ₄ es un ácido fuerte no volátil que mantiene su acidez en una solución de reacción a alta temperatura y alta presión. En segundo lugar, H ₂ SO ₄ El sistema asistido es el único que puede formar la precipitación de sal de amonio en el precursor, y los precipitados liberan los reactivos libres lentamente, evitando la formación de precipitación de polímeros de partículas grandes y promoviendo aún más la formación de puntos de carbono de alta calidad. Los HA-CPD y los PA-CPD son soluciones espesas de color rojo oscuro-marrón y emiten PL rojo oscuro bajo irradiación de luz UV de 365 nm, mientras que los SA-CPD preparados son una solución delgada transparente de color rojo brillante y emite luz roja brillante (archivo adicional 1:Figura S3c). Después de ser purificados mediante lavado, concentración, filtrado y evaporación, se obtuvieron polvos de color marrón rojizo oscuro de SA-CPD (Archivo adicional 1:Figura S3d) con un rendimiento de producto del 16,5%. Los polvos se pueden volver a disolver en agua y la solución emite fluorescencia roja y brillante (archivo adicional 1:Figura S3e).

Caracterización TEM y análisis FT-IR

Imágenes TEM de OpPD de muestra (sin H ₂ SO ₄ ) y SA-CPD (con H ₂ SO ₄ ) se muestran en la Fig. 1. La muestra de OpPD está compuesta por fragmentos (oligómeros, Fig. 1a) y polímeros (inserto de la Fig. 1a). Los SA-CPD son CPD monodispersos con un tamaño medio de ~ 5 nm (Fig. 1c). Presenta dedos de celosía bien resueltos con un espacio de ~ 0.21 nm (inserto de la Fig. 1b), correspondiente al espaciado de celosía en el plano (100) del grafeno [31, 32].

Imágenes TEM de OpPD de muestra (sin H ₂ SO ₄ ) ( a ) y SA-CPD ( b ). c La distribución de tamaño de SA-CPD. d Los espectros FT-IR de la muestra de OpPD y CPD rojos. Se prepararon muestras de OpPD y SA-CPD a partir de p -PD solución acuosa sin y con H ₂ SO ₄ -asistido

Los estados de superficie de los CPD pueden afectar las propiedades ópticas. Los grupos químicos de la superficie de las muestras OpPD y SA-CPD se caracterizaron mediante espectros FT-IR (Fig. 1d). Dos muestras tienen varios grupos similares, como Ar-H (2700–3200 cm ^{- 1} [33], pertenece a la vibración aromática de estiramiento C-H), C-C (~ 1433 cm ^{- 1} , pertenece a la vibración aromática de estiramiento del hueso C, revela la presencia de vibraciones de estiramiento aromáticas características de las unidades bencenoides) [34], y C =O (1628 cm ^{- 1} , pertenece a los grupos –COOH). En comparación con la muestra de OpPD, los nuevos grupos, como O-H (3300–3700 cm ^{- 1} y 1175 cm ^{- 1} pertenecen a los grupos –COOH), C-O-C (1055 cm ^{- 1} , existen en ésteres) y C-H (2400–3000 cm ^{- 1} pertenece a los radicales alquilo formados en la reacción de apertura del anillo), se encuentran en los CPD, mientras que el –NH ₂ o –NH– grupos relacionados como N-H (3100–3300 cm ^{- 1} y 1512 cm ^{- 1} y C-N (1126, 1261 y 1305 cm ^{- 1} pertenecen a la libre –NH ₂ o –NH– grupos de p -PD precursores, se debilitan o desaparecen. La existencia de grupos –OH o –COOH indica que el grado de oxidación de la superficie de los SA-CPD (con H ₂ SO ₄ adición) es mayor que la de la muestra OpPD (sin adición de ácido).

Mecanismo propuesto para la formación de CD

Las energías de formación se calcularon utilizando el paquete de programa Gaussian 09. Después de ser protonados por ácido asistido, los bi-polímeros se pueden polimerizar de dos formas que se denominan crecimiento longitudinal y transversal. La energía de formación calculada del crecimiento transversal (- 1406.07 kJ mol ^{- 1} ) es significativamente mayor que la del crecimiento longitudinal (- 616,25 kJ mol ^{- 1} ). Muestra que los bipolímeros completamente protonados (pH 3, después de un exceso de H ⁺ fue agregado) tienden a polimerizarse de manera transversal para formar una estructura plana (Fig.2). Estas estructuras planas se autoensamblaron luego para formar CPD esféricos.

Energías de formación de crecimientos longitudinales y transversales

Propiedades ópticas

Aunque se preparan con la ayuda de diferentes ácidos, todos los CPD tienen propiedades ópticas similares [25]. Para los espectros UV-Vis de la solución acuosa de SA-CPD (Fig.3a), el pico de absorbancia ubicado a ~ 290 nm está asociado a las transiciones en el anillo de benceno, y los picos ubicados a 430 nm y 510 nm podrían asignarse a π -π * transición de fenazina sustituida conjugada a los pares de electrones solitarios en el grupo amina adyacente y la transición de electrones del anillo bencenoide a los anillos quinoides, respectivamente [32]. La curva de excitación describe una tendencia ascendente amplia y gradual en la región visible, y el pico de excitación máximo (~ 580 nm) está cerca del pico de emisión (~ 600 nm). Los CPD emiten en la zona de luz roja (600-700 nm) cuando se excitan de 220 nm a 310 nm, mientras que emiten en luz naranja (~ 600 nm) cuando se excitan de 310 nm a 580 nm (Fig. 3b). Vale la pena señalar que la fluorescencia de este tipo de CPD emisores de rojo es independiente de la longitud de onda de excitación [22, 35].

un Absorción UV-Vis, excitación (pico a 600 nm) y b espectros de emisión (excitados 220–580 nm) de SA-CPD

Imagen celular

Las propiedades de fotoluminiscencia de dos fotones de los SA-CPD antes y después del proceso de pulverización se muestran en la Fig. 4a. Hay un cambio de azul de 602 nm (antes del proceso de pulverización) a 529 nm (después del proceso de pulverización) a la misma longitud de onda de excitación de 850 nm por láser de pulso de femtosegundos (30 mW). La intensidad de PL se incrementó después del proceso de pulverización.

Espectros de fotoluminiscencia de dos fotones de SA-CPD ( a ) e imágenes de microscopía de fluorescencia confocal de células HeLa tratadas con SA-CPD excitadas por láser de pulso de femtosegundo de 30 mW y 850 nm ( b - e )

Los polvos de SA-CPD se volvieron a disolver en PBS (1X) y se aplicaron en imágenes de células HeLa utilizando microscopía de fluorescencia confocal y láser de pulso de femtosegundo de 850 nm (30 mW) (ver Fig. 4b-e). Después de cultivar con células HeLa durante 12 h, las células HeLa se tragaron las SA-CPD y las CPD entraron en el citoplasma. La intensidad de FL del canal rojo (645–675 nm) es débil mientras que el canal verde (526–574 nm) es brillante, es consistente con el cambio de azul en el proceso de pulverización.

Conclusiones

Se informó sobre un método fácil de ruta hidrotermal asistida por ácido para preparar puntos de carbono y la aplicación de imágenes biológicas. Dentro de H ₂ SO ₄ -, HCl- y HClO ₄ -sistemas asistidos, SA-CPD preparados a partir de H ₂ SO ₄ El sistema asistido es el CPD más brillante con un tamaño promedio de ~ 5 nm, el QY del 21,4% y el rendimiento del producto del 16,5%. La solución acuosa de SA-CPD emite a 600 nm cuando se excita con luz de 300 a 580 nm. La longitud de onda de emisión es independiente de la longitud de onda de excitación. Además, los SA-CPD tienen propiedades de fotoluminiscencia de dos fotones que emiten a 602 nm cuando se excitan con un láser de pulso de femtosegundos de 850 nm (30 mW). El método también se ha utilizado en la obtención de imágenes de células HeLa y tiene el potencial, por ejemplo, en aplicaciones de imágenes biológicas.

Abreviaturas

CD:

Puntos de carbono

CPD:

Puntos de polímero carbonizado

HC-CPD:

Los puntos de carbono se prepararon a partir de p -PD con sistema asistido por HCl

PA-CPD:

Los puntos de carbono se prepararon a partir de p -PD con HClO ₄ -sistema asistido

p -PD:

P -fenilendiamina

QY:

Rendimientos cuánticos

SA-CPD:

Los puntos de carbono se prepararon a partir de p -PD con H ₂ SO ₄ -sistema asistido

Incorporación de materiales compuestos de carbono nanoestructurado en contraelectrodos para células solares sensibilizadas por colorante altamente eficientes Biosensor amperométrico de metaloproteinasa de matriz-7 mejorado por nanocompuestos de carbono funcionalizados con Pd