Puntos cuánticos(QD) se refieren a nanopartículas semiconductoras con un tamaño menor que el radio de Bohr del excitón y que exhiben efectos de confinamiento cuántico. Debido al efecto de confinamiento cuántico, la emisión de fluorescencia de los puntos cuánticos está relacionada con su diámetro y composición química. Al combinarse con superficies semiconductoras, se pueden mejorar sus propiedades ópticas y fotoquímicas. Los puntos cuánticos tradicionales están compuestos principalmente de elementos de metales pesados. Aunque su excelente rendimiento se ha utilizado ampliamente en campos como la obtención de imágenes biológicas, la electroquímica y la conversión de energía, los elementos de metales pesados pueden causar contaminación ambiental y afectar la salud de los organismos.
Puntos cuánticos de carbono (CQD)normalmente se refieren a materiales de nanocarbono esféricos monodispersos con un tamaño inferior a 10 nm, compuestos por un núcleo de carbono sp2/sp3 y grupos funcionales externos de oxígeno/nitrógeno. Tiene un rendimiento excelente similar al de los puntos cuánticos semiconductores tradicionales, pero puede superar eficazmente los defectos de alta toxicidad y mala biocompatibilidad. Tiene una amplia gama de fuentes, es fácil de sintetizar y funcionalizar, lo que lo convierte en un material sustituto ideal de los puntos cuánticos semiconductores tradicionales.
Estructura química
Los puntos cuánticos de carbono suelen ser partículas esféricas con un diámetro inferior a 10 nm, compuestas por grupos de carbono sp2/sp3 con estructuras amorfas o nanocristalinas. La investigación ha descubierto que la estructura y las propiedades fisicoquímicas de los puntos cuánticos de carbono pueden alterarse selectivamente mediante la introducción de diferentes defectos en la superficie, el dopaje con heteroátomos y grupos funcionales.
Propiedades ópticas de los puntos cuánticos de carbono.
Los puntos cuánticos de carbono tienen varias propiedades ópticas excelentes, como la absorción óptica, la fotoluminiscencia, la quimioluminiscencia y la electroquimioluminiscencia. Estas propiedades ópticas son la base para la aplicación de puntos cuánticos de carbono en múltiples campos.
Absorción óptica
La transición π - π * del enlace C=C permite que los puntos cuánticos de carbono tengan una fuerte absorción óptica en la región ultravioleta y puedan extenderse a la región de luz visible. Algunos puntos cuánticos de carbono también sufrirán transiciones n - π * en el enlace C=O. El espectro de absorción se puede ajustar mediante la introducción de grupos funcionales y pasivación de superficies.
Fotoluminiscencia
Los efectos cuánticos de los puntos cuánticos de carbono de diferentes tamaños son causados por diferentes trampas de emisión en la superficie, y una pasivación eficaz de la superficie es una condición necesaria para que los puntos cuánticos de carbono tengan una fuerte fotoluminiscencia. Diferentes pasivaciones de superficies pueden lograr el rendimiento de fotoluminiscencia deseado. Además, la fotoluminiscencia de los puntos cuánticos de carbono también depende del pH.
Luminiscencia de conversión ascendente
La luminiscencia de conversión ascendente (UCPL) se refiere al fenómeno óptico en el que una sustancia absorbe simultáneamente dos o más fotones, lo que indica una longitud de onda de emisión más pequeña que la longitud de onda de excitación (emisión anti Stokes). Las investigaciones sugieren que la luminiscencia de conversión ascendente se origina en la transición de los orbitales π de alta energía a los orbitales σ. La relajación de los electrones puede ser causada por una fuga de la parte de difracción secundaria del monocromador en un espectrómetro de fluorescencia.
quimioluminiscencia
Los puntos cuánticos de carbono exhiben quimioluminiscencia (CL) cuando coexisten con MnO4- o Ce4+. Se cree que la coincidencia de la radiación causada por electrones generados mediante reducción química y los agujeros generados por excitación térmica es la razón de la quimioluminiscencia.
electroquimioluminiscencia
Los puntos cuánticos de carbono exhiben propiedades de electroquimioluminiscencia (ECL). Bajo la acción del voltaje, la transferencia de electrones generada por el estado de oxidación-reducción de los puntos cuánticos de carbono se aniquila, formando un estado excitado, que genera una señal de electroquimioluminiscencia durante el proceso de relajación de regreso al estado fundamental.
Rendimiento de transferencia electrónica
Los estados excitados y los fenómenos transitorios relacionados de los puntos cuánticos de carbono están relacionados con la emisión de fluorescencia y los procesos redox. El rendimiento de la transferencia de electrones fotoinducida (PET) es la base para la conversión de energía y las aplicaciones catalíticas de los puntos cuánticos de carbono. La investigación ha descubierto que el rendimiento de la transferencia de electrones de los puntos cuánticos de carbono está influenciado principalmente por el dopaje de los núcleos de carbono, los grupos funcionales y los heteroátomos.
Rendimiento biológico
Los puntos cuánticos de carbono tienen una biocompatibilidad significativamente mayor que otros nanomateriales. Las investigaciones han demostrado que la mayoría de los puntos cuánticos de carbono puro y los puntos cuánticos de carbono pasivados en la superficie no tienen una citotoxicidad significativa. En algunos casos, la pasivación y funcionalización de la superficie puede conducir a una menor toxicidad biológica de los puntos cuánticos de carbono.
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