Ảnh hưởng của nhóm chức quang học trên bề mặt đến tính chất quang của chấm lượng tử carbon

TÓM TẮT

Chấm lượng tử carbon (CQDs: carbon quantum dots) đang được đặc biệt quan tâm nghiên cứu vì

chúng có khả năng phát xạ huỳnh quang trong vùng nhìn thấy với hiệu suất cao và đặc biệt là

không độc hại như CdSe QDs. Cấu trúc CQDs được đề xuất gồm ba thành phần: (1) lõi gồm một

hoặc nhiều hệ đa vòng liên hợp PAH (polycyclic aromatic hydrocarbon), (2) nhóm chức quang học

F (fluorophore) và (3) các nhóm chức quyết định độ tan trên bề mặt. Mặc dù vậy, chưa có nhiều

nghiên cứu về sự hình thành và ảnh hưởng của F đến tính chất quang học của CQDs. Trong nghiên

cứu này, chúng tôi tổng hợp CQDs có nhóm chức -COOH trên bề mặt rồi tiến hành biến tính với

ethylenediamine (EDA). Kết quả phân tích cấu trúc và quang học cho thấy, nhóm chức quang học

F hình thành sau quá trình biến tính với EDA. F làm xuất hiện vùng hấp thụ đặc trưng ở 350 nm và

tăng hiệu suất phát xạ huỳnh quang từ 14% lên 38%. Kết quả này cho thấy vài trò quan trọng của

F đến tính chất quang học của CQDs

pdf6 trang | Chuyên mục: Khoa Học Vật Liệu | Chia sẻ: yen2110 | Lượt xem: 389 | Lượt tải: 0download
Tóm tắt nội dung Ảnh hưởng của nhóm chức quang học trên bề mặt đến tính chất quang của chấm lượng tử carbon, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
 trên 
nhóm -COOH; hai đỉnh ở 1593 và 1544 cm-1 
là dao động liên kết C-O trong nhóm -COOR. 
Ngoài ra, đỉnh hấp thụ rộng ở 1025 cm-1 là 
đặc trưng dao động nhóm -C-O-. Điều này 
chứng tỏ trên bề mặt của A-CQDs có các 
nhóm acid -COOH và có thể có ester -COOR. 
Khi xử lý A-CQDs với EDA ở 160oC trong 2 
giờ, các dao động của nhóm -C=O và -C-O- 
biến mất; điều này chứng tỏ các nhóm acid 
(hoặc ester) đã tham gia quá trình ngưng tụ 
với EDA. Trên A-CQD+EDA có giải hấp thụ 
rộng với hai đỉnh ở 1589 và 1560 cm-1 là dao 
động của liên kết -N-H trên nhóm chức amide 
[14]. So sánh phổ IR của A-CQDs+EDA và 
sản phẩm thu được khi thủy nhiệt EDA ở điều 
kiện tương tự cho thấy sự khác biệt rõ rệt ở 
vùng hấp thụ 1000-1100 cm-1. Các phân tích 
này chứng tỏ sự thay đổi rõ rệt trên cấu trúc hóa 
học bề mặt của CQDs khi xử lý với EDA và 
phần nào minh chứng sự hình thành của nhóm 
chức quang học F như đề xuất trên hình 2. 
Để làm rõ hơn về sự hình thành nhóm chức 
quang học F, chúng tôi tiến hành đo phổ hấp 
thụ UV-Vis của A-CQD, A-CQD+EDA và so 
sánh chúng với sản phẩm thu được khi thủy 
nhiệt hỗn hợp CA+EDA hoặc EDA ở 160oC, 
2h. Kết quả được trình bày trên hình 5a. Có 
thể thấy A-CQD hay sản phẩm thủy nhiệt 
EDA ở 160oC không có đỉnh hấp thụ đặc 
trưng ở vùng trên 250 nm. Khi xử lý A-CQDs 
với EDA ở 160oC làm xuất hiện một đỉnh hấp 
thụ rộng, cực đại ở 346 nm trên A-
CQD+EDA; đỉnh hấp thụ này tương tự như 
Phạm Trường Long và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 143 - 148 
146 
sản phẩm thu được khi thủy nhiệt hỗn hợp 
CA+EDA ở 160oC. Theo các nghiên cứu 
trước đây, khi thủy nhiệt hỗn hợp CA và EDA 
thì nhóm chức quang học F, chẳng hạn 
citrazinic acid, sẽ hình thành [11–13]. Đặc 
trưng hấp thụ của citrazinic acid là đỉnh hấp 
thụ rộng ở khoảng 346 nm như có thể nhìn 
thấy với mẫu (CA+EDA)_160oC. Tính toán lý 
thuyết bằng phương pháp DFT sử dụng basic 
set 6-31g cũng cho thấy, citrazinic acid có một 
giải hấp thụ đặc trưng, rộng, cực đại ở 350 nm. 
Từ sự xuất hiện của đỉnh hấp thụ đặc trưng ở 
346 nm trên A-CQD+EDA có thể khẳng định 
sự hình thành nhóm chức quang học F tương tự 
như citrazinic acid trên bề mặt CQDs. 
Phổ phát xạ huỳnh quang, hình 5b, thu được 
trên hai dung dịch A-CQD và A-CQD+EDA 
có mật độ quang tương đương nhau ở 325 nm 
cho thấy cường độ phát xạ tăng đáng kể sau 
khi xử lý với EDA. Bằng cách so sánh phổ 
huỳnh quang thu được với phổ phát xạ của 
chất chuẩn quinine sulfate ở cùng điều kiện 
đo, chúng tôi tính toán được hiệu suất phát xạ 
lượng tử của A-CQD và A-CQD+EDA (khi 
kích thích ở 325 nm) lần lượt là 14 và 38%. 
Điều này chứng tỏ, sự hình thành nhóm chức 
quang học F không những thay đổi tính chất 
hấp thụ của CQDs mà còn tăng đáng kể hiệu 
suất phát xạ huỳnh quang của CQDs. 
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
94
96
98
100
60
70
80
90
100
80
90
100
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
§
é
 t
ru
y
Ò
n
 q
u
a
 (
%
)
Sè sãng (cm
-1
)
A-CQD
§
é
 t
ru
y
Ò
n
 q
u
a
 (
%
)
A-CQD+EDA_160 
o
C
§
é
 t
ru
y
Ò
n
 q
u
a
 (
%
)
EDA_160 
o
C
Hình 4. Phổ FT-IR của CQDs trước và sau khi 
biến tính với EDA ở 160oC 
400 450 500 550 600 650
C
-
ê
n
g
 ®
é
 P
L
B-íc sãng (nm)
 A-CQD
 A-CQD+EDA_160
250 300 350 400 450 500
§
é
 h
Ê
p
 t
h
ô
B-íc sãng (nm)
 A-CQD
 A-CQD+EDA_160
 EDA_160
 (CA+EDA)_160
 Citrazinic acid
HN
N
O
O
a) b)
Hình 5. a) Phổ hấp thụ UV-Vis của CQD trước và sau khi xử lý với EDA; Trong a) phổ của mẫu so sánh 
bao gồm sản phẩm thủy nhiệt EDA hay hỗn hợp EDA+ CA ở 160oC, 2h; phổ tính toán lý thuyết của nhóm 
chức F (citrazinic acid) cũng được đưa vào để so sánh. b) Phổ phát xạ huỳnh quang (kích thích ở 325 nm) 
của CQD trước và sau khi xử lý với EDA. 
Phạm Trường Long và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 143 - 148 
147 
KẾT LUẬN 
Chấm lượng tử carbon với các nhóm acid -
COOH đã được tổng hợp thành công bằng 
cách thủy nhiệt citric acid ở 200oC, 3h. CQDs 
thu được có kích thước dao động trong 
khoảng 4-10 nm; không có đỉnh hấp thụ đặc 
trưng ở vùng sóng trên 250 nm và có hiệu 
suất phát xạ là 14%. Khi xử lý bề mặt CQDs 
với ethylenediamine bằng cách thủy nhiệt 
chấm lượng tử trong dung dịch EDA ở 160oC, 
2 giờ, nghiên cứu cấu trúc và tính chất hấp 
thụ cho thấy sự hình thành của nhóm chức 
quang học F, là dẫn xuất của citrazinic acid, 
trên bề mặt CQDs. Nhóm chức F làm tăng 
hiệu suất phát xạ lượng tử của CQD từ 14 lên 
38% đồng thời làm xuất hiện đỉnh hấp thụ đặc 
trưng ở 346 nm. Kết quả trên đây có ý nghĩa 
quan trọng trong việc làm sáng tỏ ảnh hưởng 
của cấu trúc hóa học bề mặt, đặc biệt là nhóm 
chức quang học, đến tính chất quang của 
CQDs. 
LỜI CẢM ƠN 
Nghiên cứu này được tài trợ từ nguồn kinh 
phí đề tài cấp Bộ, kinh phí KHCN của 
Trường ĐHSP Hà Nội 2 cho đề tài mã số: 
B.2018-SP2-13. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. X. Xu, R. Ray, Y. Gu, H.J. Ploehn, L. 
Gearheart, K. Raker, W.A. Scrivens, 
Electrophoretic analysis and purification of 
fluorescent sing-walled carbon nanotube 
fragments., J. Am. Chem. Soc. 126 (2004) 12736–
12737. doi:10.1021/ja050082h. 
2. Y.-F. Kang, Y.-H. Li, Y.-W. Fang, Y. Xu, X.-
M. Wei, X.-B. Yin, Carbon Quantum Dots for 
Zebrafish Fluorescence Imaging, Sci. Rep. 5 
(2015) 11835. doi:10.1038/srep11835. 
3. K. Wang, Z. Gao, G. Gao, Y. Wo, Y. Wang, G. 
Shen, D. Cui, Systematic safety evaluation on 
photoluminescent carbon dots, Nanoscale Res. 
Lett. 8 (2013) 1–9. doi:10.1186/1556-276X-8-122. 
4. S.-T. Yang, X. Wang, H. Wang, F. Lu, P.G. 
Luo, L. Cao, M.J. Meziani, J.-H. Liu, Y. Liu, M. 
Chen, Y. Huang, Y.-P. Sun, Carbon Dots as 
Nontoxic and High-Performance Fluorescence 
Imaging Agents, J. Phys. Chem. C. 113 (2009) 
18110–18114. doi:10.1021/jp9085969. 
5. S.K. Bhunia, S. Nandi, R. Shikler, R. Jelinek, 
Tuneable light-emitting carbon-dot/polymer 
flexible films prepared through one-pot synthesis, 
Nanoscale. 8 (2016) 3400–3406. 
doi:10.1039/C5NR08400H. 
6. F. Yuan, Z. Wang, X. Li, Y. Li, Z. Tan, L. Fan, 
S. Yang, Bright Multicolor Bandgap Fluorescent 
Carbon Quantum Dots for Electroluminescent 
Light-Emitting Diodes, Adv. Mater. 29 (2017) 
1604436. doi:10.1002/adma.201604436. 
7. J. Jiang, G. Ye, Z. Wang, Y. Lu, J. Chen, K. 
Matyjaszewski, Heteroatom-Doped Carbon Dots 
(CDs) as a New Class of Metal-Free 
Photocatalysts for PET-RAFT Polymerization 
under Visible Light and Sunlight, Angew. Chemie 
Int. Ed. (2018). doi:10.1002/anie.201807385. 
8. L.-M. Shen, J. Liu, New development in carbon 
quantum dots technical applications, Talanta. 156–
157 (2016) 245–256. 
doi:10.1016/j.talanta.2016.05.028. 
9. S. Zhu, Y. Song, J. Wang, H. Wan, Y. Zhang, 
Y. Ning, B. Yang, Photoluminescence mechanism 
in graphene quantum dots: Quantum confinement 
effect and surface/edge state, Nano Today. 13 
(2017) 10–14. doi:10.1016/j.nantod.2016.12.006. 
10. V. Gude, A. Das, T. Chatterjee, P.K. Mandal, 
Molecular origin of photoluminescence of carbon 
dots: aggregation-induced orange-red emission, 
Phys. Chem. Chem. Phys. 18 (2016) 28274–
28280. doi:10.1039/C6CP05321A. 
11. A. Sharma, T. Gadly, S. Neogy, S.K. Ghosh, 
M. Kumbhakar, Molecular Origin and Self-
Assembly of Fluorescent Carbon Nanodots in 
Polar Solvents, J. Phys. Chem. Lett. 8 (2017) 
1044–1052. doi:10.1021/acs.jpclett.7b00170. 
12. J. Schneider, C.J. Reckmeier, Y. Xiong, M. 
von Seckendorff, A.S. Susha, P. Kasák, A.L. 
Rogach, Molecular Fluorescence in Citric Acid-
Based Carbon Dots, J. Phys. Chem. C. 121 (2017) 
2014–2022. doi:10.1021/acs.jpcc.6b12519. 
13. M.J. Krysmann, A. Kelarakis, P. Dallas, E.P. 
Giannelis, Formation Mechanism of Carbogenic 
Nanoparticles with Dual Photoluminescence 
Emission, J. Am. Chem. Soc. 134 (2012) 747–
750. doi:10.1021/ja204661r. 
14. D. Qu, M. Zheng, L. Zhang, H. Zhao, Z. Xie, 
X. Jing, R.E. Haddad, H. Fan, Z. Sun, Formation 
mechanism and optimization of highly 
luminescent N-doped graphene quantum dots, Sci. 
Rep. 4 (2015) 5294. doi:10.1038/srep05294. 
Phạm Trường Long và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 143 - 148 
148 
ABSTRACT 
THE EFFECTS OF SURFACE FLUOPHORE ON THE OPTICAL PROPERTIES 
OF CARBON QUANTUM DOTS 
Pham Truong Long
1,2
, Nguyen Thi Quynh
1,3
, Dinh Thi Cham
1
, 
Doan Dieu Thuy
1
, Do Thi Kieu Loan
1
, Bui Thi Thu
1
, Bui Thu Ha
1
, 
Do Thi My Ngoc
1
, Nguyen Thi Thanh Huong
1
, Tran Nhat Anh
1
, 
Nguyen Xuan Bach
1
, Mai Xuan Dung
*1
1Hanoi Pedagogical University 2, 2Can Tho University 
3University of Science - VNU 
Carbon quantum dots (CQDs) have been increasingly investigated as alternative materials for 
CdSe QDs due to its visible luminescence and non-toxic properties. Controversially proposed 
structure of CQDs includes three components: (1) polycyclic aromatic hydrocarbon of different 
sizes (PAH), (2) surface fluorophore and (3) solubility determinant groups. However, the 
formation and the effects of fluorophore on the optical properties of CQDs are yet explored. 
Herein, we firstly synthesized acid functionalized CQDs and then post treated them with 
ethylenediamine (EDA). The structure and optical properties of the two types of CQDs were 
characterized by transmission electron microscope (TEM), infrared spectroscopy (FT-IR), UV-Vis 
absorption and photoluminescence (PL) spectroscopy. It revealed that fluorophore groups which 
are derivatives of citrazinic acid were formed on the surface of CQDs. The fluorophore groups 
created an absorption band centered at 346 nm and especially enhanced the PL quantum yield from 
14 to 38%. The results demonstrated herein show evidently the effects of fluorophore on the 
optical properties of CQDs. 
Keyword: carbon quantum dots, surface chemsitry, fluorophore, hydrothermal synthesis, 
photoluminescence 
Ngày nhận bài: 07/9/2018; Ngày hoàn thiện: 21/10/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 
*
 Email: xdmai@hpu2.edu.vn 

File đính kèm:

  • pdfanh_huong_cua_nhom_chuc_quang_hoc_tren_be_mat_den_tinh_chat.pdf
Tài liệu liên quan