Conjugate Size and Surface Oxidation Synergistically Trigger Red Fluorescence in Carbon Dots for Detecting Trace Water in Organic Solvents

doi:10.7503/cjcu20220464

Abstract

Abstract:

In this paper， o-phenylenediamine and dopamine hydrochloride were used as precursors， and the pH values of the reaction system（pH=7， 3， 1） were adjusted by phosphoric acid to obtain carbon dots（CDs） with gradually red-shifted fluorescence， namely CDs-7（green）， CDs-3（orange） and CDs-1（red）， respectively. Trans-mission electron microscopy（TEM）， Raman spectroscopy（Raman）， Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）， X-ray electron spectroscopy（XPS）， UV-Vis absorption spectrum and fluorescence lifetime decay curves analysis demonstrated that the decrease of the reaction system pH promoted the precursor carbonization and cross-linking， which led to the increase of sp² conjugate domain size and graphitization， resulting in the fluorescence red-shift of CDs. In addition， the acidic environment favors the formation of carboxyl groups by oxidation on the surface of CDs， which further promotes the red-shift of CDs fluorescence while improving the quantum efficiency（QY）. Finally， because of its high QY（14.8%） and solvent-dependent luminescence， CDs-1 was used as a fluorescent probe to detect trace water in ethyl alcohol（EtOH）， N，N-dimethylformamide（DMF） and 1，4-dioxane（DIO）， with detection limits of 0.86%， 0.123% and 0.023% respectively. It is proved that CDs-1 has great potential in the detection of trace water.

Key words: Carbon dots, Fluorescent probe, Trace water, Fluorescence redshift

CLC Number:

O657.3

TrendMD:

FU Fangmei, XU Mengru, LIANG Zishan, HUANG Sirui, LI Hui, ZHANG Haoran, LI Wei, ZHENG Mingtao, LEI Bingfu. Conjugate Size and Surface Oxidation Synergistically Trigger Red Fluorescence in Carbon Dots for Detecting Trace Water in Organic Solvents[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(2): 20220464.

Figures/Tables 11

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No.	m（CDs⁃1）/μg	Volume/μL		Water content（%）	No.	m（CDs⁃1）/μg	Volume/μL		Water content（%）
No.	m（CDs⁃1）/μg	DMF/EtOH	H₂O	Water content（%）	No.	m（CDs⁃1）/μg	DMF/EtOH	H₂O	Water content（%）
1	200	1800	0	0	10	200	1400	400	20
2	200	1794	6	0.3	11	200	1300	500	25
3	200	1788	12	0.6	12	200	1200	600	30
4	200	1780	20	1	13	200	1100	700	35
5	200	1740	60	3	14	200	1000	800	40
6	200	1700	100	5	15	200	900	900	45
7	200	1660	140	7	16	200	800	1000	50
8	200	1600	200	10	17	200	700	1100	55
9	200	1500	300	15	18	200	600	1200	60

No.	m（CDs⁃1）/μg	Volume/μL		Water content（%）	No.	m（CDs⁃1）/μg	Volume/μL		Water content（%）
No.	m（CDs⁃1）/μg	DMF/EtOH	H₂O	Water content（%）	No.	m（CDs⁃1）/μg	DMF/EtOH	H₂O	Water content（%）
1	200	1800	0	0	10	200	1400	400	20
2	200	1794	6	0.3	11	200	1300	500	25
3	200	1788	12	0.6	12	200	1200	600	30
4	200	1780	20	1	13	200	1100	700	35
5	200	1740	60	3	14	200	1000	800	40
6	200	1700	100	5	15	200	900	900	45
7	200	1660	140	7	16	200	800	1000	50
8	200	1600	200	10	17	200	700	1100	55
9	200	1500	300	15	18	200	600	1200	60

Element		Function group	Functional group proportion（%）
Element		Function group	CDs⁃7	CDs⁃3	CDs⁃1
C₁_s	C=C		41.35	44.85	49.84
	C—N		25.97	45.42	8.18
	C—O		29.19	6.30	37.13
	COOH		3.49	3.44	4.84
N₁_s	Pyridine N		0	4.23	32.16
	Pyrrolic N		62.19	69.53	49.84
	Graphitic N		27.40	9.29	13.62
	Amino N		10.41	16.94	4.39
O₁_s	C=O		20.32	28.68	54.89
O₁_s	O—H		79.48	71.32	45.11

Element		Function group	Functional group proportion（%）
Element		Function group	CDs⁃7	CDs⁃3	CDs⁃1
C₁_s	C=C		41.35	44.85	49.84
	C—N		25.97	45.42	8.18
	C—O		29.19	6.30	37.13
	COOH		3.49	3.44	4.84
N₁_s	Pyridine N		0	4.23	32.16
	Pyrrolic N		62.19	69.53	49.84
	Graphitic N		27.40	9.29	13.62
	Amino N		10.41	16.94	4.39
O₁_s	C=O		20.32	28.68	54.89
O₁_s	O—H		79.48	71.32	45.11

Sample	τ₁/ns	B₁	τ₂/ns	B₂	τ₃/ns	B₃	τ（avg）/ns	X²
CDs⁃7	0.5027	0.0484	3.647	0.0542	6.268	0.0223	4.50	1.0950
CDs⁃3	0.6430	0.0370	2.417	0.0633	7.957	0.0012	2.47	1.1244
CDs⁃1	2.1980	0.0956	9.565	0.0003	—	—	2.30	1.1970