エタノールアミンイオン液体ゲルからのN-ドープカーボンドットの水熱合成によるHg, Cu, SOのラベルフリー多機能蛍光プローブの構築

Hydrothermal synthesis of N-doped carbon dots from an ethanolamine-ionic liquid gel to construct label-free multifunctional fluorescent probes for Hg, Cu and SO.

• Baogang Wang
• Hui Tan
• Tailiang Zhang
• Wenmeng Duan
• Yuanqiang Zhu

抄録

エタノールアミンイオン液体（1-カルボキシエチル-3-メチルイミダゾールクロリド）ゲルを前駆体とした水熱法により、N-ドープカーボンドット（NCD）を簡便に合成した。その結果、平均粒径3.4nmのNCDは部分的に結晶性を示し、表面にはアミド基と水酸基、ピリジン/ピロール窒素原子が豊富に存在していた。水中では、NCDは高い塩耐性と350nmの励起下で24.7%の量子収率を有する励起及び濃度依存性フォトルミネッセンス(PL)特性を示した。また、NCD水溶液のPLは4〜11のpH範囲で安定であり、金属イオンとNCDの表面基や窒素原子との強い相互作用により、HgやCuによって著しく消光された。この消光メカニズムは、光誘起電子移動によるものであると考えられる。POとSOのマスキング剤をNCDの水性懸濁液に導入することで、高感度で選択性の高い2つのラベルフリー蛍光プローブを作製した。さらに、消光したNCDs-Hg系は、SOのHgに対する強い親和性により、SOの選択的な"ターンオン"蛍光プローブとして使用することができました。上述の3つのプローブはすべて、Hg（0-10および10-50μM）、Cu（0-2.5および2.5-40μM）およびSO（0-20および20-80μM）のための2つの良好な線形検出範囲を示し、それらの検出限界は0.076、0.125および1.17μMであることが計算された。回収試験により、上記のプローブが信頼性が高く、水道水サンプル中の対応するイオンを満足のいく結果で検出することができることが実証された。

N-Doped carbon dots (NCDs) were facilely synthesized by a hydrothermal method using an ethanolamine-ionic liquid (1-carboxyethyl-3-methyl imidazole chloride) gel as a precursor. The NCDs had an average particle size of 3.4 nm and were partially crystalline and abundant in amide and hydroxyl groups and pyridinic/pyrrolic nitrogen atoms on their surfaces. In water, the NCDs showed excitation- and concentration-dependent photoluminescence (PL) properties with a high salt tolerance and a quantum yield of 24.7% under 350 nm excitation. The PL of the aqueous suspension of NCDs remained stable in a pH range of 4-11 and was significantly quenched by Hg and Cu owing to the strong interactions between the metal ions and the surface groups and/or nitrogen atoms of the NCDs. The possible quenching mechanism was determined to be photo-induced electron transfer. By introducing the masking agents of PO and SO into the aqueous suspension of NCDs, two label-free "turn-off" fluorescent probes for Hg and Cu with a high sensitivity and selectivity were built, respectively. Moreover, the quenched NCDs-Hg system could be used as a selective "turn-on" fluorescent probe for SO due to the strong affinity of SO to Hg. The above described three probes all illustrated two good linear detection ranges for Hg (0-10 and 10-50 μM), Cu (0-2.5 and 2.5-40 μM) and SO (0-20 and 20-80 μM), and their limits of detection were calculated to be 0.076, 0.125 and 1.17 μM. The recovery tests demonstrated that the above described probes were reliable and capable of detecting corresponding ions in tap water samples with satisfactory results.