Quantenpunkte(QDs) beziehen sich auf Halbleiter-Nanopartikel, deren Größe kleiner als der Bohr-Radius des Exzitons ist und Quanteneinschlusseffekte aufweisen. Aufgrund des Quanteneinschlusseffekts hängt die Fluoreszenzemission von Quantenpunkten von ihrem Durchmesser und ihrer chemischen Zusammensetzung ab. Durch die Verbindung mit Halbleiteroberflächen können deren optische und photochemische Eigenschaften verbessert werden. Herkömmliche Quantenpunkte bestehen größtenteils aus Schwermetallelementen. Obwohl ihre hervorragende Leistung in Bereichen wie der biologischen Bildgebung, Elektrochemie und Energieumwandlung weit verbreitet ist, können Schwermetallelemente Umweltverschmutzung verursachen und die Gesundheit von Organismen beeinträchtigen.
Kohlenstoffquantenpunkte (CQDs)beziehen sich typischerweise auf monodisperse kugelförmige Nanokohlenstoffmaterialien mit einer Größe von weniger als 10 nm, die aus einem sp2/sp3-Kohlenstoffkern und äußeren funktionellen Sauerstoff-/Stickstoffgruppen bestehen. Es verfügt über eine hervorragende Leistung, die mit herkömmlichen Halbleiter-Quantenpunkten vergleichbar ist, kann jedoch die Nachteile hoher Toxizität und schlechter Biokompatibilität wirksam überwinden. Es verfügt über ein breites Quellenspektrum, ist leicht zu synthetisieren und leicht zu funktionalisieren, was es zu einem idealen Ersatzmaterial für herkömmliche Halbleiterquantenpunkte macht.
Chemische Struktur
Kohlenstoffquantenpunkte sind in der Regel kugelförmige Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 nm, die aus sp2/sp3-Kohlenstoffclustern mit amorphen oder nanokristallinen Strukturen bestehen. Untersuchungen haben ergeben, dass die Struktur und die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Kohlenstoffquantenpunkten durch die Einführung verschiedener Oberflächendefekte, die Dotierung mit Heteroatomen und funktionellen Gruppen selektiv verändert werden können.
Optische Eigenschaften von Kohlenstoffquantenpunkten
Kohlenstoffquantenpunkte verfügen über verschiedene hervorragende optische Eigenschaften, wie etwa optische Absorption, Photolumineszenz, Chemilumineszenz und Elektrochemilumineszenz. Diese optischen Eigenschaften sind die Grundlage für die Anwendung von Kohlenstoffquantenpunkten in verschiedenen Bereichen.
Optische Absorption
Der π-π*-Übergang der C=C-Bindung ermöglicht Kohlenstoffquantenpunkten eine starke optische Absorption im ultravioletten Bereich und kann sich bis in den Bereich des sichtbaren Lichts erstrecken. Einige Kohlenstoffquantenpunkte durchlaufen auch n-π*-Übergänge an der C=O-Bindung. Das Absorptionsspektrum kann durch Einführung funktioneller Gruppen und Oberflächenpassivierung angepasst werden.
Photolumineszenz
Die Quanteneffekte von Kohlenstoffquantenpunkten unterschiedlicher Größe werden durch unterschiedliche Emissionsfallen auf der Oberfläche verursacht, und eine wirksame Oberflächenpassivierung ist eine notwendige Voraussetzung dafür, dass Kohlenstoffquantenpunkte eine starke Photolumineszenz aufweisen. Durch unterschiedliche Oberflächenpassivierung kann die gewünschte Photolumineszenzleistung erzielt werden. Darüber hinaus ist die Photolumineszenz von Kohlenstoffquantenpunkten auch pH-abhängig.
Upconversion-Lumineszenz
Unter Upconversion Lumineszenz (UCPL) versteht man das optische Phänomen, bei dem eine Substanz gleichzeitig zwei oder mehr Photonen absorbiert, was auf eine Emissionswellenlänge hinweist, die kleiner als die Anregungswellenlänge ist (Anti-Stokes-Emission). Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Upconversion-Lumineszenz ihren Ursprung im Übergang von hochenergetischen π-Orbitalen zu σ-Orbitalen hat. Die Elektronenrelaxation kann durch Leckage aus dem sekundären Beugungsteil des Monochromators in einem Fluoreszenzspektrometer verursacht werden.
Chemilumineszenz
Kohlenstoffquantenpunkte zeigen Chemilumineszenz (CL), wenn sie mit MnO4- oder Ce4+ koexistieren. Es wird angenommen, dass das Zusammentreffen von Strahlung, die durch durch chemische Reduktion erzeugte Elektronen und durch thermische Anregung erzeugte Löcher verursacht wird, der Grund für die Chemilumineszenz ist.
Elektrochemilumineszenz
Kohlenstoffquantenpunkte weisen Elektrochemilumineszenzeigenschaften (ECL) auf. Unter der Einwirkung von Spannung vernichtet sich der durch den Oxidations-Reduktions-Zustand von Kohlenstoff-Quantenpunkten erzeugte Elektronentransfer und bildet einen angeregten Zustand, der während des Relaxationsprozesses der Rückkehr in den Grundzustand ein Elektrochemilumineszenzsignal erzeugt.
Elektronische Übertragungsleistung
Die angeregten Zustände und damit verbundenen Übergangsphänomene von Kohlenstoffquantenpunkten hängen mit Fluoreszenzemission und Redoxprozessen zusammen. Die Leistung des fotoinduzierten Elektronentransfers (PET) ist die Grundlage für die Energieumwandlung und katalytische Anwendung von Kohlenstoffquantenpunkten. Untersuchungen haben ergeben, dass die Elektronentransferleistung von Kohlenstoffquantenpunkten hauptsächlich durch die Dotierung von Kohlenstoffkernen, funktionellen Gruppen und Heteroatomen beeinflusst wird.
Biologische Leistung
Kohlenstoffquantenpunkte weisen eine deutlich höhere Biokompatibilität auf als andere Nanomaterialien. Untersuchungen haben gezeigt, dass die meisten reinen Kohlenstoffquantenpunkte und oberflächenpassivierten Kohlenstoffquantenpunkte keine signifikante Zytotoxizität aufweisen. In einigen Fällen kann die Oberflächenpassivierung und -funktionalisierung zu einer geringeren biologischen Toxizität von Kohlenstoffquantenpunkten führen.
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