量子ドット(QD) は、励起子のボーア半径よりも小さいサイズを持ち、量子閉じ込め効果を示す半導体ナノ粒子を指します。量子閉じ込め効果により、量子ドットの蛍光発光はその直径と化学組成に関係します。半導体表面と化合させることにより、その光学的および光化学的特性を高めることができます。従来の量子ドットは主に重金属元素で構成されています。重金属元素はその優れた性能により、生物学的イメージング、電気化学、エネルギー変換などの分野で広く利用されていますが、環境汚染を引き起こし、生物の健康に影響を与える可能性があります。
炭素量子ドット (CQD)通常、sp2/sp3 炭素コアと外側の酸素/窒素官能基で構成される、サイズが 10nm 未満の単分散球状ナノカーボン材料を指します。従来の半導体量子ドットと同様の優れた性能を備えていますが、高い毒性と低い生体適合性という欠点を効果的に克服できます。ソースの種類が豊富で、合成や機能化が容易なため、従来の半導体量子ドットの理想的な代替材料となっています。
化学構造
カーボン量子ドットは通常、直径 10nm 未満の球形の粒子で、アモルファスまたはナノ結晶構造の sp2/sp3 カーボン クラスターで構成されています。研究により、カーボン量子ドットの構造と物理化学的特性は、さまざまな表面欠陥の導入、ヘテロ原子のドーピング、官能基の導入によって選択的に変更できることが判明しました。
カーボン量子ドットの光学的性質
カーボン量子ドットは、光吸収、フォトルミネッセンス、化学発光、電気化学発光など、さまざまな優れた光学特性を持っています。これらの光学特性は、複数の分野での炭素量子ドットの応用の基礎となります。
光吸収
C=C 結合の π - π * 遷移により、カーボン量子ドットは紫外領域で強い光吸収を持ち、可視光領域まで拡張することができます。一部の炭素量子ドットは、C=O 結合で n - π * 遷移も起こします。吸収スペクトルは官能基の導入や表面不動態化により調整できます。
フォトルミネッセンス
異なるサイズの炭素量子ドットの量子効果は、表面の異なる発光トラップによって引き起こされ、効果的な表面不動態化は炭素量子ドットが強いフォトルミネッセンスを持つために必要な条件です。さまざまな表面不動態化により、望ましいフォトルミネッセンス性能を実現できます。さらに、カーボン量子ドットのフォトルミネッセンスも pH に依存します。
アップコンバージョン発光
アップコンバージョン ルミネッセンス (UCPL) は、物質が 2 つ以上の光子を同時に吸収する光学現象を指し、励起波長よりも小さい発光波長 (反ストークス発光) を示します。研究によると、アップコンバージョン発光は、高エネルギーのπ軌道からσ軌道への遷移に由来することが示唆されています。電子緩和は、蛍光分光計のモノクロメーターの二次回折部分からの漏れによって引き起こされる可能性があります。
化学発光
カーボン量子ドットは、MnO4- または Ce4+ と共存すると化学発光 (CL) を示します。化学的還元によって生成された電子と熱励起によって生成された正孔によって引き起こされる放射の一致が化学発光の理由であると考えられています。
電気化学発光
カーボン量子ドットは電気化学発光 (ECL) 特性を示します。電圧の作用下では、カーボン量子ドットの酸化還元状態によって発生した電子移動が消滅して励起状態が形成され、基底状態に戻る緩和過程で電気化学発光信号が発生します。
電子転送パフォーマンス
炭素量子ドットの励起状態および関連する過渡現象は、蛍光発光および酸化還元プロセスに関連しています。光誘起電子移動 (PET) の性能は、カーボン量子ドットのエネルギー変換と触媒用途の基礎です。研究により、炭素量子ドットの電子伝達性能は主に炭素核、官能基、ヘテロ原子のドーピングによって影響されることが判明しました。
生物学的性能
カーボン量子ドットは、他のナノマテリアルに比べて著しく高い生体適合性を持っています。研究により、ほとんどの純粋な炭素量子ドットと表面不動態化された炭素量子ドットには重大な細胞毒性がないことが示されています。いくつかのケースでは、表面の不動態化と機能化により、炭素量子ドットの生物学的毒性が低下する可能性があります。
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