ГЛАВА 15: УГЛЕРОДНЫЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ

Квантовые точки — наноразмерные полупроводниковые кристаллы (см. главу 21) — представляют собой хорошую альтернативу органическим флуорофорам для различных биомедицинских применений. Но в состав квантовых точек обычно входят тяжёлые металлы (свинец, кадмий) и халькогениды (селен, теллур), что делает квантовые точки токсичными. Сегодня во всём мире исследуют возможность применения вместо полупроводниковых квантовых точек нанодисперсных аллотропных модификаций углерода — графена и алмаза (кластеры углерода гексагональной  M — тетраэдрической  структуры, в которых атомы Находятся в гибридизации sp² и sp³ соответственно). Спектр прикладного использования углеродных  квантовых точек (У-точек) весьма широк. И хотя большинство применений пока ограничено лабораторными экспериментами, сегодня на их основе уже начали выпускать светодиоды, медицинские красители, невидимые чернила для защиты ценных бумаг и пр. 

Нанографен и наноалмаз можно получить как методом «сверху вниз», т.е. измельчением углеродного материала соответствующей аллотропной модификации, так и методом «снизу вверх» — конденсацией атомов углерода при разложении органических молекул. В первом методе увеличение длительности обработки исходного материала приводит к уменьшению размера наночастиц, во втором к его увеличению. Такая особенность синтеза позволяет получать частицы разного размера и, соответственно, разных цветов люминесценции. При этом нанодисперсные алмазы удобнее получать первым способом, а графены — вторым. Важнейшие методы получения У-точек показаны на рисунке; данный перечень методов далеко не полный и постоянно обновляется.

Описание задачи

Синтез люминесцентных У-точек нанодисперсных алмаза и графена методами «сверху вниз» и «снизу вверх». Предполагаемая возможная сфера использования наночастиц — биомедицина, поэтому исходные вещества для синтеза выбраны из числа нетоксичных.

Реактивы, необходимые для работы

1. Кислота лимонная моногидрат, HOC(COOH)(CH₂COOH)₂-H₂O. 
2. Карбамид (мочевина), (NH₂)₂CO.
3. Свеча осветительная хозяйственная (стеариновая, парафиновая, восковая).
4. Азотная кислота, НNO₃, концентрированная.
5. Гидроксид натрия, NaOH, 5 М раствор.
6. Вода дистиллированная.
7. Изопропиловый спирт, (CH₃)₂CHOH (опционально).

Оборудование, необходимое для работы

1. Стеклянный стакан объёмом 200 мл — 3 шт.
2. Мерный цилиндр объёмом 250 мл — 1 шт.
3. Стеклянная палочка — 1 шт.
4. Набор стеклянных пробирок объёмом 15 мл на штативе.
5. Чашка Петри — 2 шт.
6. Пипетка объёмом 5 мл — 1 шт.
7. Стеклянная или металлическая гладкая пластинка.
8. Лезвие бритвы или канцелярского ножа.
9. Фильтр «синяя лента» или другой плотный фильтр.
10. Весы электронные лабораторные 3-го класса или точнее.
11. Магнитная мешалка с нагревом.
12. Сушильный шкаф или духовая печь с возможностью установки температуры в интервале 120-160°С.
13. Центрифуга (опционально).
14. Мембрана с минимальным размером пор, отвечающим молекулярной массе частиц 1 кДа (опционально).

Оборудование, необходимое для анализа (опционально)

1. Спектрофотометр.
2. Анализатор размеров частиц методом динамического светорассеяния (например, Malvern Instruments Zetasizer Nano).
3. УФ-лампа «чёрного света» (лампа Вуда).
4. Лазерные указки.

Описание эксперимента

1. Синтез У-точек методом «сверху вниз»

У-точки, содержащие преимущественно наноалмазы, получают окислительным разрушением крупных гидрофобных частиц сажи микронных размеров. В качестве источника сажи используют пламя свечи [1-4], а для разрушения и гидрофилизации сажи — азотную кислоту.

Зажигают свечу и в верхнюю часть пламени вносят холодную стеклянную или металлическую пластину. Выдерживают до образования копоти, периодически соскабливая образовавшийся чёрный налёт B стакан. Можно обойтись и без пластины, обрабатывая пламенем свечи непосредственно дно стакана (с внутренней стороны), но в результате локального перегрева стакан может лопнуть. 

После накопления комочка сажи примерно с булавочную головку в стакан наливают 140 мл воды и добавляют (Осторожно!) 60 г концентрированной азотной кислоты. Устанавливают стакан на магнитную мешалку и включают нагрев. Нагревают жидкость при температуре кипения (под тягой или на открытом воздухе!) B течение 4 часов, через каждые 30 минут отбирая пипеткой 1 мл раствора в отдельную пробирку. Каждый раз, отобрав пробу, в пробирку доливают 8 мл холодной воды и 1 мл 5 М раствора гидроксида натрия. (Осторожно! Реакция нейтрализации идёт с большим выделением тепла!)

Через несколько часов нерастворившиеся крупные куски сажи оседают на дно пробирок (для ускорения можно воспользоваться центрифугой). Надосадочную жидкость исследуют на люминесценцию при облучении УФ-лампой, а также лазерными указками с разной длиной волны (опционально).

При желании полученные У-точки можно очистить от примесей и использовать далее в опытах. Для этого нерастворившуюся сажу отделяют центрифугированием, а соли — диализом через мембрану с минимальным размером пор, отвечающим молекулярной массе частиц 1 кДа.

У-точки наноалмазов, как правило, имеют невысокий квантовый выход люминесценции — около 1%.

2. Синтез У-точек методом «снизу вверх»

У-точки, содержащие преимущественно нанодисперсный графен, можно получить более простым способом — пиролизом цитратов. Такие графеновые У-точки представляют собой «уникальный флуоресцентный коктейль полициклических ароматических углеводородов» [5]. Квантовый выход У-точек нанографена значительно выше, чем у наноалмаза (достигает 50%). Допирование нанографена азотом (использование в качестве исходных веществ аммониевых солей лимонной кислоты) позволяет ещё больше повысить квантовый выход (по литературным данным, почти до 80% [6]). Простейший разработанный нами способ синтеза У-точек, не требующий специального оборудования, — термолиз лимонной кислоты в расплаве мочевины (карбамида) [7]. 

10 г лимонной кислоты (0.05 моль) и 15 г карбамида (0.25 моль) помещают в чашку Петри и нагревают в сушильном шкафу при 160°С в течение 120-180 минут. Извлекают чашку из шкафа (Осторожно! Воспользуйтесь рукавицами или тигельными щипцами!) и охлаждают. На графике в виде набора спектров поглощения проиллюстрирована кинетика образования У-точек из цитрата карбамида в процессе нагрева при 160°C.

Содержимое чашки Петри смывают в стакан, доводят до 100 мл водой, тщательно перемешивают и фильтруют через бумажный фильтр. Тёмно-коричневый раствор, прозрачный в тонком слое, исследуют на люминесценцию (опционально). На предыдущем рисунке показано, как выглядит при освещении УФ-лампой раствор, представляющий собой несколько капель раствора У-точек, разведённых водой в кварцевой колбе.

Примечания

1. Сувеличением температуры и продолжительности термообработки цитрата мочевины длина волны и интенсивность люминесценции меняются, а также снижается растворимость У-точек в воде; оптимальное время (в пределах 60-180 минут) и температуру нагрева (в пределах 150-180°С) вы можете подобрать экспериментальным путём.
2. Если вместо лимонной кислоты в расплаве карбамида использовать цитрат аммония (или нейтрализовать лимонную кислоту аммиаком перед добавлением карбамида), У-точки получаются более яркими.
3. При наблюдении эффекта Тиндаля в люминесцентных системах следует выбирать лазер с длиной волны, на которой возбуждение люминесценции и поглощение отсутствуют или минимальны. Например, в описанном случае предпочтительно использовать красный (635-650 нм) или зелёный (530-540 нм) лазеры и не рекомендуется использовать ультрафиолетовый (405 нм). На фотографии луч красного лазера проходит через раствор флуоресцеина (слева) и через раствор У-точек с такой же концентрацией (справа).

4. У-точки, полученные M3 цитрата карбамида, малотоксичны, их можно использовать в биологических опытах in vitro. Например, ими можно окрасить части растения или прорастающие семена. В чашку Петри налейте воды и в марле положите несколько фасолин; накройте крышкой. Когда бобы прорастут, половину из них переложите в другую чашку Петри, в которую добавьте несколько миллилитров У-точек из примера 2. Через день сполосните проростки фасоли из обеих чашек чистой водой и исследуйте при дневном освещении и в УФ-лучах лампы Вуда.

Дополнительные факты

Английские учёные отмечают: «Candle flame has accompanied people for over 2000 years. When we light a candle on a dinner table, over 1.5 million nanodiamond particles form in the flame per second, as estimated from our TEM observations» (Пламя свечи сопровождает людей более двух тысяч лет. С помощью электронного микроскопа нами установлено, что когда мы зажигаем свечу на обеденном столе, каждую секунду из её пламени образуется более 1.5 млн наноалмазов) [3].

Полезная литература

1. http://phys.org/news/2011-08-candle-flames-millions-tiny-diamonds.html

2. Liu H., Ye T., Mao С. Fluorescent carbon nanoparticles derived from candle soot // Angewandte Chemie International Edition. 2007. V. 46 (34). P. 6473-6475.

3. SuZ.,ZhouW,, Zhang Y. New insight into the soot nanoparticles т а candle flame // Chemical Communications. 2011. V. 47 (16). P. 4700-4702.

4. Sun H, Wu L, Wei W,, Qu Х. Recent advances in graphene quantum dots for sensing // Materials Today. 2013.V. 16 (11). P. 433-442.

5. Fu М., Ehrat Е, Wang Y. et al. Carbon Dots: A unique fluorescent cocktail of polycyclic aromatic hydrocarbons // Nano Letters. 2015. V. 15 (9). P. 6030-6035.

6. Hola K., Zhang Y, Wang Y. et al. Carbon dots — Emerging light emitters for bioimaging, cancer therapy and optoelectronics // Nano Today. 2014. V. 9 (5). P.590-603.

7. Zholobak N.M. Ророу A.L., Shcherbakov A.B. et al. Facile fabrication оf luminescent organic dots by thermolysis оf citric acid in urea melt, and their use for cell staining and polyelectrolyte microcapsule labelling // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2016. V. 7 (1). P. 1905-1917