Физики МГУ изучили механизмы тушения фотолюминесценции углеродных точек
Ученые с кафедры квантовой электроники оценили вклады от нескольких механизмов тушения фотолюминесценции углеродных точек катионами тяжелых металлов. Результаты исследования помогут создать дешевые наносенсоры, способные бесконтактно определять концентрации катионов тяжелых металлов с высокой точностью за доли секунд.
Углеродные точки (УТ) — наночастицы, формой приближенные к шару диаметром до 10 нм. В УТ выделяют углеродное ядро и присоединенные к поверхности функциональные группы. Функциональные группы — различные молекулы, способные изменять физико-химические свойства УТ.
«УТ обладают интересными оптическими свойствами, среди которых выделяется интенсивная стабильная люминесценция* — ее квантовый выход может достигать 50% и более, что мы исследовали в прошлых работах. Кроме большого квантового выхода, фотолюминесценция УТ отличается высокой чувствительностью к окружению — вплоть до наноконцентраций растворенных в воде веществ. На основе этого эффекта физики разрабатывают наносенсор тяжелых металлов. Каждый из этих металлов тушит фотолюминесценцию, но тушит ее по разному — какой-то больше, какой-то меньше», — прокомментировала работу аспирантка кафедры квантовой электроники Чугреева Галина Николаевна.
На данный момент не существует аналитической теории, описывающей фотолюминесценцию УТ и ее поведение в зависимости от параметров окружения наночастиц, поэтому предсказать, каким образом какой-либо катион повлияет на свечение УТ, нельзя. Ученые выделяют несколько механизмов тушения ФЛ катионами, и вклад разных механизмов будет зависеть от типа катиона. В этой статье ученые впервые предложили подход оценки вклада каждого из механизмов.
Всего было рассмотрено четыре механизма:
1. Эффект внутреннего фильтра — молекулы, которые находятся в растворе, поглощают часть фотонов, поэтому интенсивность светового сигнала уменьшается.
2. Изменение pH. Из-за того, что pH изменяется, функциональные группы могут брать на себя либо ионы H+, либо OH-, что также влияет на фотолюминесценцию УТ.
3. Статический механизм тушения. Ион подлетает к УТ и присоединяется к ней, в результате чего получается новая нелюминесцирующая структура.
4. Динамический механизм тушения. Ион подлетает к УТ, снимает с нее возбуждение и улетает. В результате фотолюминесценция тушится, однако сама УТ и ее структура остаются неизменными.
Физики оценили вклад каждого из четырех механизмов для каждого катиона. В водный раствор УТ добавлялся один тип катиона, например, медь, снимались спектры, и считался процент тушения от каждого механизмов. Это необходимо, чтобы предсказывать поведение УТ, когда в растворе может оказаться не один, а несколько типов ионов.
Как уже говорилось, на основе этих результатов возможно разработать наносенсор катионов тяжелых металлов. Такой наносенсор может детектировать концентрации веществ вплоть до наномасштабов, к тому же, его возможно быстро и дешево синтезировать в больших объемах. Процесс детектирования занимает доли секунд благодаря обработке спектров методами машинного обучения.
Такие сенсоры могут использоваться для определения концентрации тяжелых ионов в воде. Ученые уже разработали наносенсор для трех катионов и одного аниона, и в дальнейшем планируют расширять сетку катионов и их допустимую концентрацию.
Результаты работы опубликованы в журнале Q1 The Journal of Physical Chemistry: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c05231. Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 22-12-00138.
*Люминесценция — нетепловое свечение, испускание фотона люминесценции при поглощении наночастицей кванта света с определенной длиной волны. Фотоны люминесценции, как правило, сдвинуты по длине волны в более красную область.