Khảo sát các tính chất của vật liệu CDs tổng hợp được, bao gồm: kích thước, cấu trúc, hình thái, thanh phan, nhom «hi: »` tf*l: chất quang học bằng các phương pháp phân tích hiện đại..
Ứng 000/1580i:0428)19ì0009 5 A
Ứng dụng trong sinh học - kháng khuẩn . 2-22 2+2s+£E+EE+E£+E+2Ez+z+zxerxee 17
Y a of “ " o” Lf s Áo 9 Fa s.& o Emission at425 nm “ 3 q” No : „ ws : = i ae T1 xx
Hình 1.13 Cam bién héa hoc dua trén CDs vé su hién dién cua H>S [2]
CDs có khả năng phát quang mạnh, độ bền cao và ít độc tính, nên được sử dụng để mã hóa và theo dõi tế bào, mô và sinh vật trong nghiên cứu sinh học và y học Chúng cũng có thể làm chất mang thuốc, giúp mang và phân phối các loại dược chất đến vị trí mục tiêu trong cơ thể, từ đó cải thiện hiệu quả điều trị Hơn nữa, CDs còn được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị ung thư, hỗ trợ phát hiện bệnh.
CDs (carbon dots) được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sinh học, y học, phân tích và chẩn đoán, nhờ vào khả năng kháng khuẩn và kháng viêm Chúng có thể theo dõi sự phát triển của khối u và hỗ trợ điều trị các bệnh nhiễm trùng Đặc biệt, CDs pha tạp nitơ có khả năng phát hiện và định lượng các hợp chất sinh học như amoxicillin, nicotine, dopamine, ascorbic acid và glucose Với những đặc tính vượt trội, CDs mở ra nhiều cơ hội mới trong việc cải thiện chẩn đoán và điều trị các bệnh lý.
CDs có thể được sử dụng như cảm biến hóa học để phát hiện và theo dõi hydro sulfid (H₂S), một hợp chất liên quan đến nhiều bệnh lý như tăng huyết áp, bệnh phổi và Alzheimer Nhóm nghiên cứu của Wu đã phát triển cảm biến FRET sử dụng CDs làm vật liệu phát quang và azo-naphthalimide làm vật liệu nhận quang Khi H₂S có mặt, azo-naphthalimide sẽ được khử thành amino-naphthalimide, cho phép hấp thụ bức xạ từ CDs và phát xạ ánh sáng xanh lá ở bước sóng 526 nm qua quá trình FRET Phát xạ này được sử dụng để chỉ ra sự hiện diện của H₂S trong các mẫu tế bào HeLa và tế bào u xơ aneuploid ở chuột Ưu điểm của phương pháp này là CDs vừa là nguồn năng lượng vừa là nền tảng cho việc phát triển các hệ cảm biến hóa học hiệu quả để theo dõi H₂S, liên quan đến các bệnh lý.
Ứng dụng làm cảm biến hóa học ứng dụng trong phát hiện kim loai
Các ion kim loại nặng hiện diện trong nhiều khía cạnh của cuộc sống, bao gồm nước thải, nước sông, nước máy, đất, thực phẩm và sinh vật Chúng có thể gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe của sinh vật sống, với độc tính có thể dẫn đến các bệnh nghiêm trọng như ung thư, bệnh thần kinh, suy nội tạng và nhiều bệnh nguy hiểm khác Vì vậy, việc phát hiện các ion kim loại nặng là rất quan trọng để hỗ trợ công tác xử lý và bảo vệ môi trường.
Trong nghiên cứu của TS Đặng Đình Khôi và cộng sự, CDs pha tạp nitrogen đã được tổng hợp thành công và ứng dụng làm cảm biến hóa học phát hiện ion kim loại nặng So sánh giữa mẫu CDs trong nước cất và mẫu có ion kim loại với nồng độ 100 µM (bao gồm Ag, Al, Ca, Co, Fe, K, Cu, Mn, Na, Ni, Pb, Sn và Zn), kết quả cho thấy cường độ phát quang (PL) của CDs giảm mạnh nhất khi có sự hiện diện của ion Ag Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang của CDs với Ag cho thấy khả năng sử dụng CDs để theo dõi ion Ag trong dung dịch nước.
350 400 450 500 550 600 Ag Acad’ Co’ Cu Fe K’ Li? Mg’ Ma’ Na Ni Pb” Sn Zn
Hình 1.14 (a) Phổ phát xạ PL (b) Tỷ số (F0-F)/F0 của các mẫu CDs khi có mặt các ion kim loại với nồng độ 100 uM [25].
Ứng dụng trong mực phát quang . - ¿s5 s£Ek+E2E£EE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEcxe 19 0)319/9)/05249:00/00060):000) 055 —
Nghiên cứu về độc tính của CDs cho thấy chúng có thể thấm thấu vào tế bào thực vật mà không gây hại hoặc cản trở sự phát triển của thực vật, như được minh chứng qua việc trồng giá đỗ trong dung dịch có CDs (1,5 mg/mL) với huỳnh quang phụ thuộc vào bước sóng kích thích Các nhóm nghiên cứu khác nhau đều đồng thuận rằng CDs có độc tính thấp hoặc không có độc tính, mở ra khả năng sử dụng chúng như một loại mực huỳnh quang tương thích sinh học mới Hơn nữa, các ký tự huỳnh quang được tạo ra từ CDs trên da người có thể dễ dàng rửa sạch bằng nước.
Việc sử dụng vật liệu CDs tan trong nước để phát quang thay thế cho các loại mực truyền thống cho phép tạo ra dấu vân tay huỳnh quang rõ ràng và vĩnh viễn Phương pháp này không chỉ đảm bảo an toàn mà còn ngăn ngừa tình trạng nhiễm bẩn ngón tay Dấu vân tay huỳnh quang được thể hiện trên giấy lọc có sẵn trên thị trường như minh họa trong Hình 1.15 c [26].
Hình 1.15 trình bày ba hình ảnh quan trọng: a) Hình ảnh quang học và huỳnh quang của giá đỗ được trồng bằng dung dịch CDs (1,5 mg/mL); b) Các ký tự huỳnh quang được đánh dấu bằng CDs trên da người; c) Dấu vân tay huỳnh quang trên giấy lọc [26].
Hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiÊn CỨU - - - 2 223222312282 Eereesrseeces 21
Dụng cụ và thiẾt bỊ -.-5- + s SE 1E 11115112111111121112111111212111 221kg 22
2.1.2.1 Dụng cụ và thiết bị dùng trong tổng hợp
Bảng 2.2 Dụng cụ và thiết bị
Côc có mỏ Bê siêu âm
Lọ đựng mẫu vial Tủ sây
Cột sắc ký Cân phân tích 4 số
Fiol (25 mL, 50 mL, 100 mL) Đèn UV
2.1.2.2 Thiết bị dùng trong phân tích
Máy do quang phé UV-Vis (Hitachi UH5300, Japan)
May do phat xa huynh quang PL (HoriBa Fluoromax Plus, Japan)
Máy đo quang phé hong ngoai FTIR (Jasco, FT-IR 4700, Japan)
May quang pho dién tir tia X-XPS (Leybold, ESCALAB250, Theta Probe XPS system,
Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (JEL, Tecnai G2F30 S-Twin, Japan)
Phố tán xạ ánh sáng động DLS (Malvern, Zetasizer Pro, UK)
Nội dung nghiên CỨU - ¿2c E3 2213228125883 58 819531 81111 111 81112 1118 11v ng rệt 23
Quy trình tổng hợp vật liệu CDs ¿2-52 SSE+ 2E 2121211112121 11 E1 1ee 23
Cu-Complex+PAS (theo tỷ lệ cho trước)
Làm nguội tự nhiên ở nhiệt độ phòng r
Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu CDs
Nguyên liệu đầu vào được cân theo tỷ lệ mol và nghiền mịn trước khi cho vào cốc sứ Cốc sứ được bọc kín bằng giấy nhôm và đặt vào Heating mantle, nâng nhiệt đến 150°C và giữ ở nhiệt độ này trong 3 giờ Sau khi làm nguội tự nhiên, thêm 10 mL nước cất vào cốc và thực hiện quá trình siêu âm trong 5 phút Sau đó, sử dụng giấy lọc để loại bỏ chất rắn không tan, và dung dịch đã lọc được đem đi chạy cột sắc ký nhằm loại bỏ tạp chất, thu được dung dịch mẫu tinh sạch.
Khảo sát về tỉ lệ các chất phản ứng -¿- 2S x22 E2 EEEE111122121E 11 2 xee 24
Cu-Complex, hay Copper (II) Acetylacetonate, kết hợp với Para Aminosalicylic Acid (PAS) để tổng hợp vật liệu CDs màu xanh ngọc Các mẫu được chuẩn bị theo bảng 2.3 và phản ứng diễn ra ở nhiệt độ 150°C trong 3 giờ nhằm khảo sát nguyên liệu tạo ra CDs Sự kết hợp của hai chất này ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu, màu sắc và độ phát quang của sản phẩm.
Bảng 2.3 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ các chất phản ứng đến sản phẩm CDs
Tên mẫu Hạo H, H; Ha Hy H; He H, Hạ Ho Ho Hạ;
2.2.3 Khảo sát ảnh hướng nhiệt độ phản ứng
Nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng đáng kể đến màu sắc và cường độ phát quang của vật liệu CDs Sau khi xác định mẫu tốt nhất dựa trên tỷ lệ thành phần, chúng tôi giữ nguyên tỷ lệ chất phản ứng và tiến hành thay đổi nhiệt độ theo bảng 2.4.
Bảng 2.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến sản phẩm CDs
Tên mẫu Hi, Hy Ha Hy, Hj;
Thoi gian 3 gid 3 gid 3 gid 3 gid 3 gid
2.2.4 Khao sat thời gian phản ứng
Sau khi xác định được tỷ lệ và nhiệt độ phản ứng tối ưu, cô định hai yếu tố trên và thay đổi thời gian như bảng 2.5
Bảng 2.5 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến sản phẩm CDs
Tên mẫu H 1 gis H3 gis Hs gis Ayia
Thời gian 1 gio 3 gid 5 giờ 7 giờ
Để xác định điều kiện tối ưu cho việc tổng hợp vật liệu CDs phát quang màu xanh ngọc, cần khảo sát tỷ lệ thành phần các chất phản ứng, sự thay đổi nhiệt độ và thời gian phản ứng Sau khi lựa chọn được điều kiện tốt nhất, tiến hành thực hiện các phép đo để xác định các tính chất của vật liệu.
2.3 Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu CDs Hình thái cấu trúc và các tính chất phát quang của vật liệu CDs được phân tích thông qua các phương pháp như là kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác định kích thước hạt, phân bố kích thước hạt, đặc điểm hình thái của các hạt nano Phổ huỳnh quang điện tử X (XPS) cùng với phố hồng ngoại biến đối Fourier (FTIR) phân tích thành phân nguyên tố và các nhóm chức của vật liệu Ngoài ra, quang phố hấp thụ tử ngoại — khả kiến (UV-Vis) và quang phố phát xạ huỳnh quang (PL) dùng để phân tích các tính chất quang và hiệu suất lượng tử (QYs) của vật liệu CDs
Các phương pháp phân tích cầu trúc và tính chất quang học của vật liệu CDs
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tác chất đến sản phẩm CDs
Sau khi hòa tan vật liệu CDs vào nước cất, các kết quả sơ bộ đã được thu thập để xác định tỷ lệ phù hợp cho nghiên cứu Quá trình khảo sát mẫu dưới đèn UV với bước sóng 365 nm cho thấy sự thay đổi tỷ lệ thành phần các chất phản ứng ảnh hưởng đến màu sắc và cường độ phát quang của sản phẩm CDs màu xanh ngọc Hai mẫu thí nghiệm chỉ chứa Cu-Complex hoặc PAS đều tan trong nước nhưng không phát quang dưới đèn UV Mẫu có tỷ lệ mol các chất phản ứng là 1:3 cho cường độ phát quang sáng nhất và đẹp nhất khi được xử lý ở 150°C trong 3 giờ.
Hình 3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chất phản ứng đến sản phẩm CDs tổng hợp được Ảnh chụp khi chiếu sáng dưới đèn UV 365 nm.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến sản phâm CDs
Dựa trên kết quả khảo sát tỷ lệ thành phần, chúng tôi tiến hành thí nghiệm khảo sát sự thay đổi nhiệt độ ở các mức 110°C, 130°C, 150°C, 170°C và 190°C với tỷ lệ mol nguyên liệu là 1:3 Kết quả cho thấy tại nhiệt độ 170°C, sản phẩm thu được phát quang màu xanh ngọc với cường độ phát quang tốt nhất Kết hợp cả hai yếu tố tỷ lệ tác chất và nhiệt độ phản ứng, chúng tôi quyết định chọn tỷ lệ mol 1:3 và nhiệt độ 170°C để tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng.
Hình 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến sản phẩm CDs tổng hợp được Ảnh chụp khi chiếu sáng đưới đèn UV 365 nm.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến sản phẩm CDs
Hình 3.3 minh họa ảnh hưởng của thời gian phản ứng (từ 1 đến 7 giờ) đến sản phẩm CDs tổng hợp, với tỷ lệ mol tác chất là 1:3 và nhiệt độ phản ứng 170°C Kết quả cho thấy rằng thời gian phản ứng tối ưu là 3 giờ, khi đó sản phẩm đạt được màu sắc và cường độ phát quang tốt nhất.
Hinh 3.3 Két qua khao sat anh hung cua thoi gian phan tng dén san pham CDs tong hop được Ảnh chụp khi chiếu sáng đưới đèn UV 365 nm
Từ các kết quả khảo sát trên có thê kết luận rằng điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu
Quy trình tổng hợp CDs bao gồm tỷ lệ tác chất 1:3, nhiệt độ phản ứng 170°C và thời gian thực hiện phản ứng là 3 giờ Sau khi tổng hợp, sản phẩm CDs sẽ được làm sạch bằng phương pháp cột sắc ký trước khi tiến hành phân tích để khảo sát các tính chất đặc trưng của chúng.
Kết quả xác định thành phần nguyên tố và nhóm chức - 2-2 2 2222 28
Kết quả phân tích hình thái và kích thước (TEM) . - 2 2 2+z+s2£z+zs2 28
Hình 3.4 Ảnh chụp TEM (bên trái) và đồ thị phân bố kích thước hạt (bên phải) của CDs tổng hợp được
Bảng 3.1 Bảng số liệu thống kê kích thước hạt CDs (d, nm) trong ảnh TEM d(nm) | (1;1,5] | (1,5;2] | (2;2,5] | (2,5;3] | (8;3,5] | (3,5;4] | (4:4,5] | (4,5;5] | (5;5,5]
Kích thước trung bình của CDs được tính thông qua công thức:
Trong đó: pi: phan trăm của nhóm hạt có kích thước x; x¡: đường kính trung bình của nhóm hạt có kích thước x¡ đến x;
Bảng 3.2 Kết quả tính toán kích thước hạt theo công thức (3.1) với dữ liệu được cung cấp từ bảng 3.1
29 d(nm) ' Đường kính trung bình (x;) Phần trăm (p,) Kích thước trung bình (nm)
Kết quả từ ảnh chụp TEM thể hiện rằng vật liệu CDs sau khi tổng hợp có kích thước đồng đều Phân bố kích thước hạt cũng được thể hiện rõ ràng trong hình 3.4 (bên trái).
Kích thước hạt CDs được phân bố từ 1 nm đến 5,5 nm, với kích thước trung bình là 3,25 ± 0,79 nm, cho thấy sự đồng đều trong kích thước của các hạt này Kết quả phân bố kích thước hạt được thu thập thông qua việc đo ngẫu nhiên 100 hạt trong ảnh TEM bằng phần mềm Imagel.
Kết quả phân tích DIL/S 2-52 58+ E£EEEEEEEEEEEEEE121112112111112211 11 1 10 30
Size (nm) Hình 3.5 Đồ thị phân bó thé zeta (bén trai) và đồ thị phân bố kích thước hạt theo phổ DLS
(bên phải) của CDs tổng hợp được
Hình 3.5 (bên trái) cho thấy đỉnh của thế Zeta đạt khoảng -15,86 mV, chứng tỏ rằng các hạt CDs tổng hợp có độ ổn định cao trong môi trường nước.
DLS về sự phân bồ kích thước hạt thể hiện ở hình 3.5 (bên phải) cho thấy kích thước hạt
CDs phân bố từ 1§ nm đến 59 nm, có kích thước trung bình tập trung ở 23,82 + 0,79 nm
Các hạt CDs tổng hợp có độ ổn định cao trong môi trường nước và kích thước đồng đều So sánh kết quả phân bố kích thước hạt từ phân tích TEM với DLS cho thấy kích thước hạt CDs đo được bằng TEM là 3,25 + 0,79 nm, trong khi DLS cho kết quả 23,82 + 0,79 nm, cho thấy sự khác biệt lớn Sự khác biệt này được giải thích là do TEM đo kích thước lõi CDs, trong khi DLS đo kích thước của vật liệu tương tác với các phân tử dung môi.
Kết quả phân tích XPS 2- + S1 1E E1115212111111121E111121111112111111 1 y0 31
Kết quả đo XPS trên hình 3.4 cho thấy phố XPS của vật liệu CDs xuất hiện các đỉnh 283,2eV, 398,4 eV, 530,4 eV thuộc về C¡; (55,1%), N¡; (2,6%) và O¡, (42,3%) Vật liệu
CDs tổng hợp được có các thành phần C, O và N nên có thể kết luận đây là vật liệu CDs pha tap nitrogen
Hình 3.6 Phố XPS khảo sát của vật liệu phát quang CDs.
Kết quả phân tích F TIR -¿- 2s SE+E‡2E£EEEEEEE21E1151121E11111111112111E 1E 1e6 32
Kết quả phân tích FTIR cho thấy sự hiện diện của các nhóm chức năng trên bề mặt vật liệu CDs, với đỉnh 3661 cm thể hiện dao động của nhóm O-H, cho thấy sự có mặt của các nhóm hydroxyl, góp phần tăng tính ưa nước của vật liệu Điều này chứng minh rằng vật liệu CDs có khả năng phân tán tốt trong nước Ngoài ra, các đỉnh 2985 nm và 2314 nm cũng thể hiện sự dao động của nhóm C-H, khẳng định cấu trúc hóa học của vật liệu.
H va CEN, C=C Nhóm chức C=O xuất hiện tại đỉnh 1598 cm” và đỉnh 1415 cm” liên quan đến nối đôi C=C Đỉnh tại 1386 cm thuộc về dao động của nhóm COƠ Các đỉnh tại 1223 cm, 1147 cm và 1059 cm tương ứng với các liên kết đơn C-O và các liên kết C-O/C-O-C Kết quả phân tích này phù hợp với phân tích thành phần nguyên tố (XPS) và xác nhận rằng vật liệu CDs được tổng hợp là vật liệu CDs pha tạp nitrogen.
Hinh 3.7 Pho FTIR cua vật liệu phát quang CDs đã tổng hợp.
Kết quả khảo sát tính chất quang học của vật liệu phát quang CDs
Kết quả phân tích UV-Vi§ -s 5+ 1E EE1E21211111112151111111111 2110111 1 10 33
Phố hấp thu tử ngoại của CDs cho thấy khả kiến UV-Vis với hai đỉnh hấp thu sắc nét ở bước sóng 210 nm và 243 nm trong vùng tử ngoại, cùng với hai đỉnh hấp thu thấp tại 342 nm và 396 nm trong vùng khả kiến Các đỉnh hấp thu ở 210 nm và 243 nm liên quan đến sự chuyển đổi 7 — 7* của các liên kết C=C trong nhân thơm của lõi carbon Hai đỉnh hấp thu trong vùng khả kiến tại 342 nm và 396 nm tương ứng với sự chuyển đổi m — 7”, đặc trưng cho trạng thái chuyển tiếp của các nhóm chức C=O, C=N trên bề mặt của vật liệu CDs.
Hình 3.8 Phố hấp phụ UV-Vis của vật liệu phát quang CDs.
Kết quả phân tích PL/E,, PL - +: 2 2x SE+E£EE£EEEEEEE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrkeeg 34
Hình 3.9 a) Phố hấp thụ UV-Vis (màu đen), phổ phát xạ PL (màu đỏ) và phố kích thích
PL (màu xanh) của vật liệu CDs trong nước b) Phổ phát xạ PL của CDs pha tạp nitrogen ở các bước sóng kích thích khác nhau
Phố phát xạ huỳnh quang (PL) của CDs pha tạp nitrogen cho thấy hai đỉnh ở bước sóng 343 và 395 nm, tương ứng với các đỉnh trong phố hấp thụ UV-Vis Cường độ phát xạ PL cao nhất ở bước sóng 343 nm và vị trí đỉnh phát xạ huỳnh quang tại 495 nm không thay đổi khi tăng bước sóng kích thích từ 310 lên 370 nm Kết quả phân tích phố phát xạ PL và phố hấp thu UV-Vis cho thấy vật liệu CDs phát quang đúng với màu sắc thể hiện dưới đèn UV Kết hợp với phân tích TEM và XPS, có thể kết luận rằng vật liệu phát quang tổng hợp là các hạt CDs pha tạp nitrogen phát quang màu xanh ngọc.
Hình 3.10 Phố phát xạ huỳnh quang PL và ảnh chụp mẫu dung dịch CDs phát quang màu xanh ngọc dưới đèn UV ở bước sóng 365 nm.
Tính hiệu suất phát quang của vật liỆu - - 52222232 22£ +2 +zzeesszeeess 35 3.4 Ứng dụng vật liệu CDs đã tổng hợp được -.-¿- + s e+E+E£EEE£EE2EEEEEEEEerkrrrred 37
Hiệu suất phát quang của các vật liệu CDs đã tổng hợp được xác định thông qua phương pháp tương đối, bằng cách so sánh với một chất chuẩn có hiệu suất phát quang đã biết Chất chuẩn được sử dụng trong nghiên cứu này là Quinine Sulfate, với hiệu suất phát quang rõ ràng.
35 quang 1a 0,6+0,02 trong H,SO, 0,05 M) [29] được chọn làm chất chuẩn để so sánh với mẫu vật liệu CDs tổng hợp được [30] a) b) ° `© =
S i 40+ Slope ĩ 4,74956E9 + 3,45457E) 8 H ‘Slope 200018110, 204.1211007 sy a R-Square (COD) | 0,99995 | 5 22, & 'R-Square (COD) 0,99965
Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ giữa diện tích dưới đường cong PL và cường độ hấp thu ở bước sóng 350 nm của a) Dung dịch Quinine Sulfate (QS) trong H;SO¿ 0,05 M và b)
Dung dich CDs trong nude cat
Dựa vào kết quả đo UV-Vis và PL ở bước sóng 360nm, QYs của CDs được tính toán theo công thức (3.2) Phương pháp so sánh sử dụng độ dốc của đường thắng từ biểu đồ độ hấp thụ UV-Vis để xác định hiệu suất lượng tử, liên quan đến cường độ huỳnh quang PL tích hợp.
Hiệu suất lượng tử (Q) của chất huỳnh quang có thể được tính toán thông qua độ dốc (m) của đường thắng trên biểu đồ, chỉ số khúc xạ (n) của dung môi, và chỉ số R của chất huỳnh quang tham chiếu có hiệu suất lượng tử đã biết Cụ thể, Q được xác định bằng thương số giữa hai độ dốc này.
Giá trị của QS được xác định dựa trên tiêu chuẩn lượng tử phát quang đo hiệu suất, với kết quả là 0,6 ± 0,02 Dựa vào giá trị này, chúng tôi đã áp dụng vào công thức để thực hiện các tính toán cần thiết.
Kết quả tính QYs cho thấy vật liệu CDs có hiệu suất phát quang cao đạt 30%
3.4 Ứng dụng vật liệu CDs đã tổng hợp được
3.4.1 Ứng dụng làm mực in phát quang của vật liệu CDs da tong hop được
CDs phát quang màu xanh ngọc được tổng hợp trong nước mang lại lợi thế lớn cho việc sử dụng làm mực in, mực viết và thuốc nhuộm Chúng có thể được ứng dụng trong nhiều mục đích khác nhau, như phân biệt hàng giả và tạo ra các sản phẩm phát quang độc đáo.
Vật liệu CDs tổng hợp được sử dụng làm mực phát quang trên giấy lọc, sau khi sấy khô, cho thấy không có sự khác biệt dưới ánh sáng bình thường Tuy nhiên, khi chiếu dưới đèn UV với bước sóng 365 nm, chữ viết màu xanh ngọc hiện rõ Kết quả này mở ra cơ hội phát triển ứng dụng cho mực in phát quang hiệu quả từ vật liệu CDs tổng hợp.
Hình 3.12 Ảnh giấy lọc viết chữ bằng mực CDs dưới ánh sáng khả kiến và dưới ánh sáng
3.4.2 Ứng dụng làm cảm biến hóa học để phát hiện các ion kim loại
Nghiên cứu và phát triển cảm biến hóa học dựa trên CDs pha tạp nitrogen đang được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực phát hiện kim loại nặng CDs pha tạp nitrogen sở hữu cấu trúc và đặc tính quang học nổi bật, cho phép chúng tương tác hiệu quả với các chất cần phát hiện.
37 ion kim loại có khả năng phát sáng hoặc thay đổi màu sắc khi tiếp xúc với các ion như Pb, Cd, Sn, Mg, Ni, Cu, Ca, K, Fe và nhiều ion kim loại khác.
Mẫu CDs tổng hợp trong nước cất chứa 20% nồng độ ion kim loại như Ag', Ca”, K', Mg””, Cr”' và Ba”” Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng vật liệu CDs gần như không phát quang khi có mặt ion Cr”', thể hiện hiệu ứng dập tắt huỳnh quang Hiệu ứng này cho thấy khả năng ứng dụng của CDs trong việc nhận biết ion Cr”' trong dung dịch nước.
Vật liệu CDs được ứng dụng làm cảm biến hóa học để nhận biết các ion kim loại, bao gồm Ag', Ca”, Cr"", K', Me”” và Ba”’, như thể hiện trong hình 3.13 Ảnh chụp dưới ánh sáng đèn UV 365 nm cho thấy khả năng phát hiện các ion này.
CDs được sử dụng làm cảm biến hóa học để phát hiện ion kim loại thông qua việc điều chỉnh nhóm chức năng trên bề mặt, cải thiện độ nhạy và khả năng phát hiện ở nồng độ thấp Các cảm biến này có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt, giúp giảm chi phí và bảo vệ môi trường bằng cách giảm lượng chất thải.
Sự phát triển này không chỉ quan trọng trong lĩnh vực môi trường mà còn trong y tế, đặc biệt là trong việc phát hiện nhanh các kim loại độc hại trong mẫu sinh học Việc ứng dụng các đĩa carbon (CDs) hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho cả hai lĩnh vực.
38 pha tap nitrogen trong cam biến hóa học hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích thực tiễn trong tương lai
KET LUAN VA KIEN NGHI
Trong luận văn này, chúng tôi trình bày đề tài “Tổng hợp và khảo sát tính chất của vật liệu carbon dots pha tạp nitrogen bằng phương pháp nhiệt phân pha rắn sử dụng heating mantle”, với sự chú trọng vào quá trình phát quang màu xanh ngọc Nội dung chính bao gồm các phương pháp tổng hợp, đặc điểm và ứng dụng của vật liệu carbon dots, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất quang học của chúng.
Vật liệu CDs đã trải qua một quá trình phát triển lịch sử đáng chú ý, với các tính chất đặc trưng và phương pháp tổng hợp đa dạng đã được công bố Nghiên cứu này xây dựng quy trình thực nghiệm để khảo sát các điều kiện tổng hợp tối ưu, bao gồm tỷ lệ các chất phản ứng, nhiệt độ và thời gian phản ứng Kết quả thực nghiệm cho thấy khi sử dụng Cu-Complex và PAS với tỷ lệ mol 1:3, ở nhiệt độ 170°C và thời gian phản ứng phù hợp, vật liệu đạt được các đặc tính mong muốn.
Sau 3 giờ, sản phẩm CDs pha tạp nitrogen phát quang màu xanh ngọc dưới ánh sáng UV đã được tổng hợp Các sản phẩm này được phân tích cấu trúc, hình thái, kích thước và tính chất quang học bằng các phương pháp hiện đại như TEM, DLS, XPS, FTIR, UV-Vis và PL Kết quả đo TEM cho thấy kích thước hạt khoảng 3,25 ± 0,79 nm Phân tích XPS và FTIR xác nhận sự hiện diện của các nguyên tố C, O, N và các nhóm chức như C=O, C=N, NH, khẳng định đây là vật liệu CDs pha tạp nitrogen Đặc biệt, khi kích thích ở bước sóng 343 nm, vật liệu phát quang đạt bước sóng cực đại tại 495 nm, tương ứng với màu xanh ngọc dưới ánh sáng UV Sản phẩm CDs có hiệu suất phát quang 30%, so với chất chuẩn Quinin, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Ứng dụng làm cảm biến hóa học để phát hiện các 1on kim loại
Nghiên cứu và phát triển cảm biến hóa học dựa trên CDs pha tạp nitrogen đang được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực phát hiện kim loại nặng CDs pha tạp nitrogen sở hữu cấu trúc và đặc tính quang học nổi bật, cho phép chúng tương tác hiệu quả với các chất cần phát hiện.
37 ion kim loại có khả năng phát sáng hoặc thay đổi màu sắc khi tiếp xúc với các ion như Pb, Cd, Sn, Mg, Ni, Cu, Ca, K, Fe và nhiều ion kim loại khác.
Mẫu CDs tổng hợp trong nước cất chứa ion kim loại với nồng độ 20% bao gồm các ion như Ag', Ca”, K', Mg”, Cr”' và Ba”” Kết quả thực nghiệm cho thấy vật liệu CDs gần như không phát quang khi có mặt ion Cr”', điều này được thể hiện trong hình 3.13 Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang của CDs có Cr”' cho thấy tiềm năng ứng dụng của CDs trong việc nhận biết ion Cr”' trong dung dịch nước.
Vật liệu CDs được ứng dụng làm cảm biến hóa học để nhận biết các ion kim loại như Ag', Ca”, Cr"", K', Me”” và Ba”’, như thể hiện trong hình 3.13 Hình ảnh được chụp dưới ánh sáng UV 365 nm, cho thấy khả năng phát hiện chính xác các ion này.
CDs được sử dụng làm cảm biến hóa học để phát hiện ion kim loại bằng cách điều chỉnh các nhóm chức năng trên bề mặt, nâng cao độ nhạy và khả năng phát hiện ở nồng độ rất thấp Các cảm biến này có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt mà không bị suy giảm hiệu suất, giúp giảm chi phí và bảo vệ môi trường thông qua việc giảm lượng chất thải.
Sự phát triển này mang lại ý nghĩa quan trọng không chỉ cho môi trường mà còn cho y tế, đặc biệt trong việc phát hiện nhanh chóng các kim loại độc hại trong mẫu sinh học Việc ứng dụng các CD đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực này.
38 pha tap nitrogen trong cam biến hóa học hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích thực tiễn trong tương lai
KET LUAN VA KIEN NGHI
Trong luận văn này, đề tài “Tổng hợp và khảo sát tính chất của vật liệu carbon dots pha tạp nitrogen bằng phương pháp nhiệt phân pha rắn sử dụng heating mantle” được trình bày một cách chi tiết, tập trung vào việc phát quang màu xanh ngọc Nội dung chính bao gồm quy trình tổng hợp, các phương pháp khảo sát tính chất và ứng dụng tiềm năng của vật liệu carbon dots này.
Bài viết cung cấp cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triển, tính chất đặc trưng và phương pháp tổng hợp vật liệu CDs, cùng với các ứng dụng tiềm năng của chúng Dựa trên đó, quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu được thiết lập nhằm khảo sát các điều kiện tối ưu, bao gồm tỷ lệ phản ứng, nhiệt độ và thời gian phản ứng Kết quả cho thấy, khi sử dụng nguyên liệu Cu-Complex và PAS theo tỷ lệ mol 1:3, ở nhiệt độ 170°C và thời gian phản ứng cụ thể, vật liệu đạt được những đặc tính mong muốn.
Sau 3 giờ tổng hợp, sản phẩm CDs pha tạp nitrogen phát quang màu xanh ngọc dưới ánh sáng UV Các sản phẩm này được phân tích cấu trúc, hình thái, kích thước và tính chất quang học bằng các phương pháp hiện đại như TEM, DLS, XPS, FTIR, UV-Vis và PL Kết quả từ TEM cho thấy kích thước hạt đạt 3,25 ± 0,79 nm Phân tích XPS và FTIR xác nhận sự hiện diện của các nguyên tố C, O, N và các nhóm chức như C=O, C=N, NH, khẳng định đây là vật liệu CDs pha tạp nitrogen Đặc biệt, kết quả đo PL cho thấy vật liệu này phát quang tối đa tại 495 nm khi kích thích ở bước sóng 343 nm, phù hợp với màu xanh ngọc dưới ánh sáng UV Sản phẩm CDs tổng hợp đạt hiệu suất phát quang 30% so với chất chuẩn Quinin, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau.
Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu CDs pha tạp nitrogen, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Vật liệu này có khả năng tan tốt trong nước và hiệu suất phát quang cao, mở ra tiềm năng lớn cho các nghiên cứu ứng dụng trong tương lai.
Trong nghiên cứu nảy, chúng tôi đã thực hiện 40 thử nghiệm sơ bộ và đề xuất phát triển các nghiên cứu ứng dụng trong tương lai Đầu tiên, việc ứng dụng vật liệu CDs tổng hợp làm cảm biến hóa học để phát hiện ion kim loại nặng, đặc biệt là Cr, sẽ hỗ trợ hiệu quả cho công tác xử lý ô nhiễm và bảo vệ môi trường Thứ hai, vật liệu CDs tổng hợp cũng có thể được sử dụng làm mực in phát quang, giúp phát hiện và ngăn chặn hàng giả.
C Ding, A Zhu, and Y Tian, "Functional surface engineering of C-dots for fluorescent biosensing and in vivo bioimaging," Accounts of chemical research, vol 47, no 1, pp 20-30, 2014
H Liu, L Zhang, M Yan, and J Yu, "Carbon nanostructures in biology and medicine," Journal of Materials Chemistry B, vol 5, no 32, pp 6437-6450, 2017
R Jelinek, "Carbon quantum dots," Carbon quantum dots Springer International Publishing, Cham, pp 29-46, 2017
X Xu et al., "Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments," Journal of the American Chemical Society, vol 126, no 40, pp 12736-12737, 2004
C Xiong er al., "In situ electro-polymerization of nitrogen doped carbon dots and their application in an electrochemiluminescence biosensor for the detection of intracellular lead ions," Chemical Communications, vol 52, no 32, pp 5589-5592,
C Wang, Z Xu, H Cheng, H Lin, M G Humphrey, and C Zhang, "A hydrothermal route to water-stable luminescent carbon dots as nanosensors for pH and temperature," Carbon, vol 82, pp 87-95, 2015
A Jaiswal, S S Ghosh, and A Chattopadhyay, "One step synthesis of C-dots by microwave mediated caramelization of poly (ethylene glycol)," Chemical communications, vol 48, no 3, pp 407-409, 2012
A Povolotckaia et al., "Plasmonic carbon nanohybrids from laser-induced deposition: controlled synthesis and SERS properties," Journal of Materials
D K Dang et al., "Pyromellitic acid-derived highly fluorescent N-doped carbon dots for the sensitive and selective determination of 4-nitrophenol," Dyes and Pigments, vol 165, pp 327-334, 2019
O m K Kog, A e Uzer, and R a Apak, "High quantum yield nitrogen-doped carbon quantum dot-based fluorescent probes for selective sensing of 2, 4, 6- trinitrotoluene," ACS Applied Nano Materials, vol 5, no 4, pp 5868-5881, 2022
K Chang, Q Zhu, L Qi, M Guo, W Gao, and Q Gao, "Synthesis and properties of nitrogen-doped carbon quantum dots using lactic acid as carbon source,"
S Y Lim, W Shen, and Z Gao, "Carbon quantum dots and their applications," Chemical Society Reviews, vol 44, no 1, pp 362-381, 2015
L Wang and Li, "High-yield synthesis of strong photoluminescent N-doped carbon nanodots derived from hydrosoluble chitosan for mercury ion sensing via smartphone APP," Biosensors and Bioelectronics, vol 79, pp 1-8, 2016
I P.-J Lai, S G Harroun, S.-Y Chen, B Unnikrishnan, Y.-J Li, and C.-C
Huang, "Solid-state synthesis of self-functional carbon quantum dots for detection of bacteria and tumor cells," Sensors and Actuators B: Chemical, vol 228, pp 465-470, 2016
Y Yin et al., "Photoreduction and stabilization capability of molecular weight fractionated natural organic matter in transformation of silver ion to metallic nanoparticle," Environmental science & technology, vol 48, no 16, pp 9366-
F Yan, Z Sun, H Zhang, X Sun, Y Jiang, and Z Bai, "The fluorescence mechanism of carbon dots, and methods for tuning their emission color: a review," Microchimica Acta, vol 186, pp 1-37, 2019
A P Ramos, "Dynamic light scattering applied to nanoparticle characterization," in Nanocharacterization techniques: Elsevier, 2017, pp 99-110
R Xu, "Light scattering: A review of particle characterization applications," Particuology, vol 18, pp 11-21, 2015
L Ge et al., "Photoluminescence of carbon dots prepared by ball milling and their application in Hela cell imaging," Applied Physics A, vol 125, pp 1-9, 2019
V Nguyen, N Zhao, L Yan, P Zhong, and P H Le, "Double-pulse femtosecond laser ablation for synthesis of ultrasmall carbon nanodots," Materials Research Express, vol 7, no 1, p 015606, 2020
Y Choi, Y Choi, O H Kwon, and B S Kim, "Carbon dots: bottom-up syntheses, properties, and light-harvesting applications," Chemistry—An Asian Journal, vol
M Rong, Y Feng, Y Wang, and X Chen, "One-pot solid phase pyrolysis synthesis of nitrogen-doped carbon dots for Fe3+ sensing and bioimaging,"
Sensors and Actuators B: Chemical, vol 245, pp 868-874, 2017
T V de Medeiros, J Manioudakis, F Noun, J.-R Macairan, F Victoria, and R Naccache, "Microwave-assisted synthesis of carbon dots and their applications," Journal of Materials Chemistry C, vol 7, no 24, pp 7175-7195, 2019
P Zuo, X Lu, Z Sun, Y Guo, and H He, "A review on syntheses, properties, characterization and bioanalytical applications of fluorescent carbon dots,"
D K Dang, C Sundaram, Y.-L T Ngo, J S Chung, E J Kim, and S H Hur,
This study presents a one-pot solid-state synthesis method for creating highly fluorescent nitrogen and sulfur co-doped carbon dots These carbon dots are utilized as a fluorescent probe for the detection of silver ions (Ag+) in aqueous solutions The findings are published in the journal Sensors and Actuators B: Chemical, volume 255, pages 3284-3291, in 2018.
S Qu, X Wang, Q Lu, X Liu, and L Wang, "A biocompatible fluorescent ink based on water-soluble luminescent carbon nanodots," Angewandte Chemie- International Edition, vol 51, no 49, p 12215, 2012
Q Xu et al., "Preparation of highly photoluminescent sulfur-doped carbon dots for
Fe (IID) detection," Journal of Materials Chemistry A, vol 3, no 2, pp 542-546,
Y Dong et al., "Carbon-based dots co-doped with nitrogen and sulfur for high quantum yield and excitation-independent emission," Angewandte Chemie
[29] A.M Brouwer, "Standards for photoluminescence quantum yield measurements in solution (IUPAC Technical Report)," Pure and Applied Chemistry, vol 83, no 12, pp 2213-2228, 2011
[30] K.Lawson-Wood, S Upstone, and K Evans, "Determination of Relative
Fluorescence Quantum Yields using the FL6500 Fluorescence Spectrometer," Fluoresc Spectrosc, vol 4, pp 1-5, 2018