Sintesis Pyridinic-Rich N, S Co-doped Carbon Quantum Dots sebagai Enzim Efektif Meniru

a Gambar TEM dari N, S-CQD (sisipan adalah gambar HRTEM). b Gambar SAED dari N, S-CQD. c XRD dan d Spektrum FT-IR dari N, S-CQD

Spektrum FT-IR (Gbr. 1d) mengkonfirmasi berbagai kelompok permukaan N, S-CQD. Pita pada 3163cm ⁻¹ dengan bahu 3416 cm ⁻¹ dalam 3000–3500 cm ⁻¹ rentang mewakili N-H dan O-H peregangan getaran, masing-masing [11]. Amino yang cukup besar ini, gugus hidrofilik hidroksil dapat memungkinkan hidrofilisitas superior N, S-CQD [23]. Puncak rangkap tiga yang muncul sekitar tahun 1582, 1656, dan 1704 cm ⁻¹ dapat ditugaskan untuk ikatan getaran karakteristik yang berbeda, masing-masing. Puncaknya sekitar 1704 cm ⁻¹ adalah vibrasi regangan gugus karboksilat C=O dan ikatan C=N [24], dan dua puncak lainnya pada 1656 dan 1582 cm ⁻¹ adalah vibrasi karakteristik gugus amida yang meregangkan C=O (amida I) dan pembengkokan dalam bidang ikatan N–H (amida II) [24, 25]. Puncaknya pada 1405 dan 1345 cm ⁻¹ dapat ditetapkan untuk getaran C–S dan C–N, masing-masing [17], sedangkan pita pada 1177 dan 1084 cm ⁻¹ mengkonfirmasi lebih lanjut keberadaan ikatan C–O dan S=O pada N, S-CQD [17, 23]. Spektrum serapan UV/vis dari N, S-CQD menggambarkan dua pita serapan yang jelas (Gbr. 2a). Pita serapan kuat pada 234 nm dianggap berasal dari transisi elektronik -π* sistem terkonjugasi aromatik sp ² domain [17], sedangkan puncak serapan lemah pada 340 nm dikaitkan dengan transisi n-π* ikatan C=O [26]. Terlihat bahwa intensitas relatif puncak serapan pada 234 nm jauh lebih kuat daripada sampel N, S-CQD yang disintesis dengan metode hidrotermal [17, 26], menunjukkan pembentukan sp yang lebih aromatik. ² domain dengan N-doping ke dalam sistem inti terkonjugasi sebagai pyridinic N. Selain itu, bahu lebar di sekitar 430 nm yang tumpang tindih dengan puncak pada 340 nm berasal dari berbagai jenis transisi keadaan permukaan [26].

a UV/vis dari N, S-CQDs. b PL dari N, S-CQD dan inset adalah gambar N, S-CQD di bawah cahaya sekitar dan penyinaran 365 nm. c Spektrum PL dari N, S-CQDs dengan panjang gelombang eksitasi yang berbeda. d Kurva peluruhan intensitas fotoluminesensi pada cahaya eksitasi 358 nm

Spektrum fotoluminesensi (PL) (Gbr. 2b) menggambarkan bahwa N, S-CQD memiliki distribusi eksitasi yang luas. Panjang gelombang eksitasi maksimum adalah pada 358 (panjang gelombang emisi 436 nm) karena puncak serapan 340 nm. Dapat dilihat dari gambar sisipan pada Gbr. 2b bahwa larutan berair N, S-CQD yang tidak berwarna dan transparan menjadi biru cerah di bawah penyinaran UV 365 nm. Solusi N, S-CQD tetap jernih selama 10 bulan tanpa pengendapan; Stabilitas tinggi partikel N, S-CQD ini dianggap berasal dari ukurannya yang sangat kecil dan seragam serta gugus hidrofilik di permukaannya.

Hasil kuantum fotoluminesensi (PLQY) dari N, S-CQD dihitung menjadi 23,6% di bawah eksitasi pada 358 nm, yang tiga kali lebih tinggi daripada yang dilaporkan untuk N-doped atau N, S-CQD [20, 23]. Sebaliknya, PLQY CQD murni hanya 1,15% yang jauh lebih kecil dari N, S-CQD. Telah dilaporkan bahwa PLQY dari CQDs terkait dengan jumlah N-doping di CQDs [17, 27], dan dengan demikian, banyak pekerjaan telah berusaha untuk meningkatkan jumlah N-doping di CQDs dengan memperpanjang waktu reaksi bahkan hingga 19 jam atau menaikkan suhu reaksi hingga 260 °C [11, 23]. Namun, jumlah N-doping dalam sampel padat akhir masih kurang dari 6%. Dalam pekerjaan kami, tingkat doping N tinggi 12,5% dicapai pada N, S-CQD dengan cara bantuan gelombang mikro fase padat yang efisien, di mana asam sitrat dan molekul tiourea bereaksi cepat dan menghindari sublimasi. Selain itu, tiourea bekerja sebagai basa lemah untuk mempercepat laju polimerisasi. Menariknya, mengubah rasio tiourea dan CA dari 3:1 menjadi 1:3 dan 1:1, PLQY dari N, S-CQDs sedikit berkurang masing-masing menjadi 7 dan 2,1%. Selain itu, meningkatkan waktu reaksi hingga 2 menit hanya memperoleh karbon curah. Untuk lebih memperjelas mekanisme reaksi, kami memperoleh penganalisis termal diferensial termogravimetri (TG-DTA) dan kurva massa TG dari CA rapi dan campuran reaktan CA dan tiourea. Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 3a, ada tiga puncak eksotermik yang dapat diamati pada kurva TG-DTA CA rapi; puncak pertama sesuai dengan air yang menyerap termasuk air kristal. Puncak tajam kedua pada 154 °C menunjukkan pelepasan panas leleh kristal CA, dan puncak yang luas berpusat pada 214 °C berhubungan dengan dehidrasi dan karbonisasi antarmolekul. Sedangkan untuk campuran CA dan tiourea, banyak perubahan pada dua puncak eksotermis terakhir dapat diamati pada spektrum TG-DTA (Gbr. 3b), puncak eksotermik kedua muncul pada suhu rendah 118 °C, menunjukkan bahwa asam –interaksi basa antara CA dan tiourea menghasilkan penurunan dramatis sebesar 36 °C dalam langkah pelepasan panas peleburan. Selain itu, puncak eksotermik ketiga selain yang terkait dengan dehidrasi dan karbonisasi memperoleh dua puncak pada 214 dan 236 °C, dan puncak lemah pada 170 °C dapat diamati, menyiratkan bahwa penambahan tiourea dapat memajukan proses dehidrasi dan karbonisasi. . Membandingkan spektrum massa TG dari CA rapi dan campuran CA dan tiourea (Gbr. 3c), dapat ditemukan bahwa suhu maksimum H₂ Puncak pelepasan O menurun dari 215 °C untuk CA murni menjadi 180 °C untuk campuran CA dan tiourea. Demikian pula, maksimum CO₂ puncak pelepasan adalah pada 227 °C untuk CA, tetapi bergeser ke suhu rendah dan menjadi pelepasan dua langkah masing-masing pada 179 dan 198 °C untuk campuran reaktan CA dan tiourea. Penurunan suhu dalam dehidrasi dan karbonisasi ini sesuai dengan hasil TG-DTA, yang menyiratkan pendekatan reaksi yang berbeda untuk kedua sistem ini. Untuk CA rapi, dehidrasi antarmolekul dan karbonisasi secara bersamaan terjadi pada suhu tinggi. Sedangkan untuk campuran CA dan tiourea, dehidrasi antarmolekul pertama-tama bereaksi antara gugus karboksil CA dan gugus amino tiourea, kemudian terjadi karbonisasi bertahap untuk membentuk inti karbon N, S-CQDs. Dibandingkan dengan interaksi ikatan hidrogen yang lemah antara molekul CA, interaksi asam-basa yang kuat antara gugus karboksil dan gugus amino menghasilkan penurunan suhu dehidrasi yang signifikan. Menariknya, seperti yang ditampilkan pada Gambar. 3c, massa residu untuk CA murni dan reaktan campuran CA dan tiourea masing-masing adalah 1 dan 21 % berat, yang menunjukkan bahwa tiourea yang ditambahkan dapat berperan sebagai basa lemah untuk menurunkan suhu reaksi dan menghindari sublimasi, sehingga meningkatkan kandungan doping N dan S dalam N, S-CQD dengan hasil tinggi.

Kurva TG dan DTA dari a asam sitrat murni, b campuran reaktan asam sitrat dan tiourea. c Kurva TG-Mass CA rapi dan campuran reaktan asam sitrat dan tiourea

Gambar 2c mengilustrasikan spektrum emisi N, S-CQD dengan panjang gelombang eksitasi yang berbeda. Ketika panjang gelombang eksitasi berubah dari 290 menjadi 370 nm, puncak emisi pada 440 nm hampir tidak menunjukkan pergeseran. Komponen emisi cukup konstan dalam energi dan kemungkinan besar berasal dari penyerapan transisi n-π* pada 340 nm. Sifat emisi eksitasi-independen dari CQD telah dipelajari dengan menyesuaikan puncak emisi kompleks untuk beberapa fungsi Gaussian dan menyimpulkan kesimpulan yang sama [26]. Sementara ketika panjang gelombang eksitasi divariasikan dari 390 hingga 490 nm, spektrum emisi PL menunjukkan pergeseran merah sebagai peningkatan panjang gelombang eksitasi, yang mencirikan properti yang bergantung pada panjang gelombang eksitasi. Ini dapat dianggap berasal dari berbagai keadaan permukaan C=O atau peran gugus amida sebagai pusat perangkap eksiton diskrit untuk mempengaruhi energi emisi dalam proses PL [11, 19, 28]. Polidispersitas dan heterogenitas permukaan adalah asal mula perilaku PL yang bergantung pada panjang gelombang eksitasi [28, 29]. Puncak serapan yang luas pada sekitar 430 nm merupakan gabungan dari berbagai keadaan permukaan, termasuk karboksil dan amida, yang memungkinkan perilaku PL yang bergantung pada panjang gelombang eksitasi dari N, S-CQD. Masa pakai fluoresensi N, S-CQD ditentukan untuk mengevaluasi sifat optiknya (Gbr. 2d). Kurva peluruhan PL sampel N, S-CQD dapat dilengkapi dengan rumus eksponensial ganda, di mana τ ₁ adalah 3,48 ns, τ ₂ adalah 11,05 ns, dan masa pakai rata-rata adalah 6,72 ns. Dibandingkan dengan rata-rata masa pakai 2,42 ns CQD murni [30], masa pakai fluoresensi yang lebih lama dari keduanya τ ₁ dan τ ₂ diperoleh pada sampel kami. Telah dilaporkan bahwa τ ₂ proporsi dan umur rata-rata menjadi lebih lama dengan jumlah N-doping meningkat dan menyimpulkan bahwa semakin lama τ ₂ berasal dari keadaan permukaan [11, 31].

Pembentukan N, S-CQD dikuatkan oleh XPS. Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 4a, lima puncak berbeda pada 530, 399, 284, 222, dan 164 eV menunjukkan O 1 , T 1s , C 1s, S 2s dan S 2p sinyal, masing-masing, menunjukkan N dan S memang disuntikkan ke dalam kerangka CQDs [17]. C 1sresolution resolusi tinggi Spektrum XPS (Gbr. 4b) menunjukkan tiga karakteristik struktur C, termasuk sp terkonjugasi aromatik ² C (C=C) pada 284,4 eV, sp ³ C (C–N, C–O, C–S) pada 285,6 eV, dan C=O/C=N pada 288,1 eV [11]. N 1s Spektrum XPS (Gbr. 4c) dari N, S-CQD menunjukkan tiga puncak pada 399,5, 400,3, dan 401,0 eV, yang masing-masing mewakili N piridin, N pirolat, dan N amida [17, 24]. Dalam g-CNQD, rasio atom Ncore/Ccore, yang diturunkan dari rasio intensitas XPS eksperimental, sama dengan 1,40, yang mendekati nilai yang diharapkan 1,33 yang diharapkan untuk C₃ N₄ [19]. Kami melakukan analisis data serupa terhadap sampel kami, dengan mengambil 285,6 eV dari C1s puncaknya sebagai “Ccore” sedangkan keduanya 400,3 eV (pirolat) dan 399,6 eV (piridin) dari N 1s sebagai “Ncore” (karena nilai energi ikat mirip dengan 399,9 eV NCore di [19]), dan Ncore/Ccore yang dihitung adalah 0,43, jauh lebih kecil dari 1,33 untuk C₃ N₄ . Selain itu, rasio relatif pyridinic N untuk pyrrolic N di N kami, S-CQDs ditemukan sangat berbeda dari N- atau N, S co-doped CQDs yang disintesis dengan metode hidrotermal [17, 21]. Pyridinic N adalah dopan dominan dalam sampel N, S-CQD kami, yaitu 1,5 kali N pyrrolic, tetapi biasanya kurang dari 1,0 untuk banyak sampel yang disintesis termal. N pyridinic tinggi tersebut dapat memberikan N, S-CQDs properti unggul untuk aplikasi katalisis lebih lanjut karena mereka dapat bertindak sebagai situs aktif katalitik [32]. Selain itu, pirol N di tepi merupakan komposisi penting dari cacat permukaan dan dapat bertindak sebagai pusat photoluminescence [17, 27]. S 2p Spektrum XPS (Gbr. 4d) menampilkan dua sinyal tipikal pada 163,3 dan 164,4 eV, yang sesuai dengan S 2p _3/2 dan S 2p _1/2 tiofenik S, masing-masing [16]. Menggabungkan dengan spektrum FT-IR, kami berspekulasi bahwa atom belerang berhasil masuk ke dalam kerangka N, S-CQD sebagai S tiofenat dan ada di tepi N, S-CQD untuk meningkatkan PLQY mereka.

a Pemindaian penuh XPS dari N, S-CQD. XPS resolusi tinggi dari C 1s b N 1s c dan d S 2p spektrum N, S-CQD

Katalisis enzim bersifat ekspektatif karena spesifisitas dan aktivitasnya yang tinggi. Horseradish peroxidase (HRP) adalah enzim tanaman yang paling banyak dipelajari yang mengandung pusat aktif siklus porfirin dalam kelompok heme untuk mengkatalisis secara efektif oksidasi satu elektron, berbagai substrat organik dan anorganik oleh hidrogen peroksida [33, 34]. Sifat meniru dari N, S-CQD yang kaya piridinat diuji untuk oksidasi substrat peroksidase dari 3, 3′, 5′, 5′-tetramethylbenzidine (TMB) dengan adanya H₂ O₂ dengan mengukur penyerapan produk oksidasi biru TMB pada 652 nm. Penyerapan UV/vis N, S-CQD memuncak pada 234 dan 340 nm. Gambar 5a mengilustrasikan garis penyesuaian konsentrasi produk oksidasi turunan TMB (μmol/L) melalui waktu dengan adanya N, S-CQD, dan CQD murni. Laju reaksi (r ) untuk dekomposisi H₂ O₂ pada N, S-CQD sebagai peniru enzim adalah 2,16 × 10 ⁻³ mol ⁻¹ L ⁻¹ S ⁻¹ , yang dua kali lebih tinggi dari CQD murni dan CQD bebas doping yang dilaporkan sebelumnya dalam kondisi yang sama [35, 36]. Aktivitas yang sangat baik dari N yang kaya piridinat, S-CQD dapat dikaitkan dengan kandungan doping N yang tinggi yang memiliki elektronegativitas lebih besar daripada atom karbon untuk meningkatkan kerapatan elektron N, S-CQD dan, terutama, piridinat dominan yang memiliki N pasangan elektron bebas yang mengarah pada peningkatan kerapatan elektron dan mobilitas dalam kerangka terkonjugasi dari N, S-CQDs, sehingga mempercepat reaksi. Ini adalah laporan pertama tentang peningkatan dramatis sifat peniru katalase dari ketergantungan CQD pada doping dominan N piridinat dalam kerangka karbon.

a Laju reaksi awal N, S-CQD dan CQD yang didoping bebas. b Uji kegunaan kembali N, S-CQD

Penggunaan kembali N, S-CQD diselidiki dengan penggunaan empat kali berturut-turut untuk reaksi mimik katalase (Gbr. 5b). Pada penggunaan empat siklus, tidak ada penurunan yang jelas dalam aktivitas N, S-CQD yang diamati. Stabilitas yang tinggi dari aktivitas katalisis intrinsik N, S-CQD dianggap berasal dari doping-N piridin yang dominan dalam kerangka C=C karena piridinat N dapat berperan sebagai situs katalitik meniru enzim yang efektif untuk H₂ O₂ dekomposisi.