Сотрудники кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ оценили вклады от нескольких механизмов тушения фотолюминесценции углеродных точек катионами тяжёлых металлов. Полученные данные позволят создать дешёвые наносенсоры, способные бесконтактно определять концентрации катионов тяжёлых металлов с высокой точностью за доли секунд. Результаты исследования опубликованы в журнале Q1 The Journal of Physical Chemistry. Работа проводилась в рамках гранта РНФ № 22-12-00138.

Углеродные точки (УТ) — наночастицы, формой приближенные к шару диаметром до 10 нм. В УТ выделяют углеродное ядро и присоединённые к поверхности функциональные группы. Функциональные группы — различные молекулы, способные изменять физико-химические свойства УТ.

«Углеродные точки 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 растворённых в воде веществ. На основе этого эффекта физики разрабатывают наносенсор тяжёлых металлов. Каждый из этих металлов тушит фотолюминесценцию, но тушит ее по-разному — какой-то больше, какой-то меньше», — прокомментировала работу Галина Чугреева, аспирантка кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ.

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. Учёные выделяют несколько механизмов тушения ФЛ катионами, и вклад разных механизмов будет зависеть от типа катиона. В этой работе учёные 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 четырёх 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 было отмечено ранее, 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 тяжёлых ионов в воде. Учёные уже разработали наносенсор для трёх катионов и одного аниона и в дальнейшем планируют расширять сетку катионов и их допустимую концентрацию.

Источник: МГУ.