炭素量子ドット

カーボン量子ドットは、カーボンナノドット、または単にカーボンドット（略してCQD、Cドット、CD）とも呼ばれ、サイズが10nm未満で何らかの表面不動態化が施されたカーボンナノ粒子です。^{[1] [2] [3]}

CQDは2004年にXuらによって単層カーボンナノチューブの精製中に偶然発見されました。^[4]この発見はCQDの蛍光特性を利用するための広範な研究のきっかけとなりました。^{[1] [5]}

新しいクラスの蛍光カーボンナノマテリアルである CQD は、高い安定性、良好な導電性、低毒性、環境への配慮、簡単な合成経路、量子ドットに匹敵する光学特性など、魅力的な特性を備えています。^[6]カーボン量子ドットは、特にその強力で調整可能な蛍光発光特性のために広く研究されており、^[7]バイオメディカル、オプトロニクス、触媒、センシングへの応用が可能です。^[8]ほとんどの場合、CQD は可視光または近赤外域で約数百ナノメートルの帯域の光を発しますが、800～1600 nm のスペクトルをカバーする広帯域 CQD についても報告されています。^[9]

CQD の蛍光能力の基本的なメカニズムについては、激しい議論が交わされています。一部の著者は、サイズに依存する蛍光特性の証拠を提示し、量子閉じ込め効果の影響を受けたドットのコアとの電子遷移から発光が生じることを示唆しています^{[10] [11]。}一方、単一粒子測定を含む他の研究^[12]では、蛍光は表面に捕捉された電荷の再結合に起因するとしたり^{[13] [14]}、コアと表面の電子状態間の結合の形を提案したりしています^[15]。CQD の励起依存蛍光は、その特徴的な発光調整可能性につながりますが、主に多分散性による発光特性の不均一な分布に関連付けられています^{[16] [15]。}ただし、一部の研究では、異常に遅い溶媒緩和から生じるカシャの法則違反として説明しています^{[17] 。}

CQDの構造と成分が、その多様な特性を決定します。^[18] CQD表面の多くのカルボキシル基は、優れた水溶性と生体適合性を付与します。^[7]このような表面基により、CQDはプロトン伝導性ナノ粒子として機能することができます。^[19] CQDは、さまざまな有機、ポリマー、無機、または生物学的材料による化学修飾および表面パッシベーションにも適しています。表面パッシベーションにより、CQDの蛍光特性と物理的特性が向上します。最近、アミンおよびヒドロキサム酸官能化CDは、異なるpH環境に導入されると3色（緑、黄、赤）の発光を生成でき、この3色発光はORMOSILフィルムマトリックスで保存できることが発見されました。^[20] 2019年に発表された論文では、CQDが800°Cもの高温に耐えられることが示され、高温環境でのCQDの応用への道が開かれました。^[21]炭素をベースとするCQDは、優れた導電性、無害な化学組成、光化学的および熱的安定性などの特性を備えています。^[要出典]

CQD の合成方法は、大まかに「トップダウン」と「ボトムアップ」の 2 つのカテゴリに分けられます。これらは、化学的、電気化学的、または物理的手法によって実現できます。^[7]得られた CQD は、調製中または後処理中に最適化できます。^[1] CQD の改質は、溶解性と特定の用途に不可欠な良好な表面特性を得るためにも非常に重要です。^[1]

「トップダウン」合成経路とは、レーザーアブレーション、アーク放電、電気化学技術を用いて、グラファイト、カーボンナノチューブ、ナノダイヤモンドなどのより大きな炭素構造をCQDに分解することを指す。 ^[7]例えば、Zhouらは、最初に電気化学的方法をCQDの合成に適用した。^[22]彼らは、カーボンペーパー上で多層カーボンナノチューブを成長させ、次に、脱気したアセトニトリルと0.1 Mテトラブチルアンモニウム過塩素酸塩を含む支持電解質を含む電気化学セルにカーボンペーパーを挿入した。その後、彼らはこの方法をCNTの切断やCNTを機能的なパターンに組み立てることに適用し、この方法がカーボンナノ構造の操作において多用途に使用できることを実証した。^{[23] [24]}

「ボトムアップ」合成ルートでは、炭水化物、クエン酸、ポリマーシリカナノ複合体などの小さな前駆体から、水熱/溶媒熱処理、担持合成、マイクロ波合成ルートを通じて CQD を合成します。^[25]たとえば、Zhu らは、ポリエチレングリコール (PEG) と糖類の溶液を 500 W の電子レンジで 2 ～ 10 分間加熱することで CQD を調製する簡単な方法を説明しました。^[26]熱分解にかける混合物のクエン酸と尿素 (2 つの一般的な前駆体分子) のモル比を変えることで、主に蛍光体が埋め込まれたカーボンドットを含む、液体と固体の両方の状態で多数の異なる蛍光材料を合成できます。^[27]また、レーザー誘起熱衝撃法は、超広帯域 QCD の合成に利用されています。^[9]最近、グリーン合成アプローチも CQD の製造に採用されています。^{[28] [29] [30] [31] [32]}複数の透析およびクロマトグラフィー分離法を使用して、「ボトムアップ」カーボンドットを小分子やポリエステル凝縮物などの蛍光副産物から分離するように注意する必要があります。^[33]

^[1]

後処理に加えて、調製プロセス中のCQDのサイズを制御することも広く使用されています。たとえば、Zhuらは、クエン酸前駆体の含浸による親水性CQDを報告しました。^[26] CQDを空気中で300℃で2時間熱分解し、シリカを除去した後、透析を行ったところ、1.5～2.5 nmの均一なサイズのCQDが調製され、低毒性、優れた発光、良好な光安定性、アップコンバージョン特性を示しました。^[26]

CQDは新しいタイプの蛍光ナノ粒子であり、その生物学的および環境的に優しい組成と優れた生体適合性により、バイオイメージングおよびバイオセンシングの分野での応用が期待されています。^[1]従来の半導体量子ドットとの競争に生き残るためには、高い量子収率を達成する必要があります。約80％の量子収率を持つCQDの良い例が合成されましたが、^[34]これまでに合成された量子ドットのほとんどは、量子収率が10％未満です。^[7]量子収率を改善するために、通常、表面パッシベーションおよびドーピング法が適用されます。

CQDの表面が環境によって汚染されるのを防ぐために、表面の不活性化が行われ、表面汚染が光学特性に及ぼす悪影響を軽減します。^[35]酸処理されたCQD表面にポリマー材料を付着させることにより、薄い絶縁層が形成され、表面不活性化が達成されます。^[7]

表面パッシベーションに加えて、ドーピングも CQD の特性を調整するためによく使用される方法です。N、^[36] S、^[37] P ^[38]などの元素を用いたさまざまなドーピング方法がCQD の特性を調整するために実証されていますが、その中でも N ドーピングは発光発光を大幅に改善できるため最も一般的な方法です。^[39]窒素ドーピングが CQD の蛍光量子収率を高めるメカニズムや、高濃度 N ドープ CD の構造は、文献で非常に議論されている問題です。^{[40] [41]} Zhou らは、電気化学的に生成されたカーボン QDS の電子構造と発光メカニズムの調査に XANES と XEOL を適用し、N ドーピングが青色発光の原因であることはほぼ間違いないことを発見しました。^[42] CD をベースにした新しいナノ複合材料の合成が、珍しい特性を持つことが報告されています。例えば、ナノザイム活性を持つ前駆体としてCDと磁性Fe ₃ O ₄^{ナノ粒子を使用することでナノ複合体が設計されている。 [43]}

合成後の電気化学エッチングにより、GQD のサイズと蛍光強度が劇的に変化します。

CQD は蛍光発光と生体適合性のため、バイオイメージングに使用できます。^[44] CQD を含む溶媒を生体内に注入することで、検出や診断の目的で生体内画像を取得できます。一例として、有機色素結合 CQD をH ₂ Sの効果的な蛍光プローブとして使用できます。H ₂ Sの存在により、有機色素結合 CQD の青色発光を緑色に調整できます。そのため、蛍光顕微鏡を使用することで、有機色素結合 CQD は生理学的に関連するH ₂ Sレベルの変化を視覚化できました。^{[7]別の例としては、アクセスしやすい表面官能基を使用して EDC-NHS 化学を}介して結合するデュアルモードバイオイメージングがあります。^[45] Saladinoらは、MW 支援合成された窒素ドープ励起非依存 CQD を使用してこの概念を実証しました。これらをロジウムナノ粒子（X線蛍光造影剤）と結合させることで、光学特性とX線蛍光特性の両方を備えたデュアルモードナノハイブリッドが実現しました。さらに、結合プロセスはデュアルモードバイオイメージングを可能にするだけでなく、ロジウムナノ粒子の表面を不動態化し、細胞毒性を低減します。^[46]

CQD は、修飾の柔軟性、水への高い溶解性、無毒性、良好な光安定性、および優れた生体適合性のため、バイオセンサーキャリアとしてバイオセンシングにも応用されています。^[1] CQD および CQs ベースの材料に基づくバイオセンサーは、細胞内の銅、^[47]グルコース、^[48] pH、^[49]微量レベルのH ₂ O ₂ ^[43]および核酸^[50]の視覚的モニタリングに使用できます。一般的な例としては、核酸のラテラルフローアッセイがあります。アンプリコン上の識別タグは、それぞれの抗体と、取り付けられた CQD によって提供される蛍光信号によって認識されます。^[7]より一般的には、CQD の蛍光は pH、^[51]局所極性、^[15]および溶液中の金属イオンの存在に効率的に反応します。^[52]これにより、ナノセンシングアプリケーションの可能性がさらに広がります。^[53]たとえば、汚染物質の分析などです。^[54]

CQDは無毒性と生体適合性を備えているため、バイオメディカル分野では薬物キャリア、蛍光トレーサー、薬物放出制御など幅広い用途に使用されています。^{[55] [56] [57] [31]}この例として、がん細胞を破壊する光線力学療法における光増感剤としてのCQDの使用が挙げられます。^[58]

様々な基のCQDによる機能化の柔軟性により、異なる波長の光を吸収することが可能となり、光触媒への応用に良い機会がもたらされる。^[59] CQD修飾P25 TiO ₂複合体は、UV-Vis照射下で光触媒H2発生の改善を示した。CQDは電子の貯蔵庫として機能し、P25の電子-正孔対の分離効率を向上させる。^{[60]最近では、金属を含まないCQDが}水素発生反応（HER）の速度論を改善することがわかっており、CQDは触媒として持続可能な選択肢となっている。^[61]

CQDは、色素増感太陽電池^[62] 、有機太陽電池^[1] 、スーパーキャパシタ^[63]、発光デバイス^[64]の材料としての可能性を秘めています。CQDは色素増感太陽電池の光増感剤として使用でき、光電変換効率が大幅に向上します。^[65] CQDを組み込んだハイブリッドシリカベースのゾルは、透明な蛍光塗料として使用できます。 ^[66]

最近、CQDはハイブリッドロケット燃料に採用されています。^[67]

CQDは潜在指紋の強調に使用されます。^[68]

• カドミウムフリー量子ドット
• 太陽光発電におけるカーボンナノチューブ
• カーボンナノチューブ量子ドット
• グラフェン量子ドット
• 量子ドット
• シリコン量子ドット

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