Chemické pokusy s nanomateriály/Příprava kvantových teček z citronové šťávy

	Příprava kvantových teček z citronové šťávy
Chemikálie	polyethylenimin a silikagel
Pomůcky	kádinka, elektrický vařič, skleněná tyčinka, Pipeta, Pipetovací balonek, zkumavka, vata, odměrný válec a citronová šťáva
Typ pokusu	střední škola a žákovský školní pokus
Časová náročnost	70 min
Bezpečnost
	Některá data mohou pocházet z datové položky.

Popis pokusu

Pokus je zaměřen na přípravu fluorescenčních uhlíkových kvantových teček z citronové šťávy. CQDs jsou syntetizovány zahříváním směsi citronové šťávy a polyethyleniminu. Připravené kvantové tečky potom při excitaci UV zářením emitují intenzivní elektromagnetické záření ve viditelné oblasti. Jedná se o jednoduchou finančně i časově nenáročnou metodu, kterou lze provést za využití běžně dostupných laboratorních pomůcek.^[1]

Princip

Uhlíkové kvantové tečky (CQDs) jsou nyní jednou z velmi intenzivně zkoumaných oblastí nanotechnologií. Tyto malé útvary o velikosti menší než 10 nm vykazují velmi intenzivní fotoluminiscenci a je možné je snadno dispergovat (rozptýlit) ve vodném prostředí. Uhlíkové kvantové tečky nevykazují toxicitu, což je jejich velkou výhodou oproti polovodičovým kvantovým tečkám, které často obsahují těžké kovy, které jsou toxické pro živé organismy.^[2] Fotoluminiscence CQDs je výsledkem kvantových efektů vznikajících ve struktuře kvantové tečky při záměně jednoho z atomů uhlíku za atom kyslíku, dusíku nebo boru.^[3] Obecně mohou být uhlíkové kvantové tečky připraveny dvěma způsoby, top-down nebo bottom-up metodou. Top-down metody obnášejí použití grafitu nebo podobných materiálů, které jsou mlety či jinak drceny na menší částice například pomocí elektrochemických postupů. Bottom-up metody využívají molekuly obsahující uhlík. Z těchto molekul jsou potom skládány kvantové tečky, při syntézách za zvýšených teplot a tlaků. Oba přístupy, jak top-down, tak bottom-up využívají poměrně levné výchozí látky a nejsou náročné na provedení. Díky relativně snadnému způsobu přípravy se uhlíkové kvantové tečky nabízí jako vhodné pro aplikace v biosenzoringu a medicíně nebo při fotokatalýze.

Postup

Ilustrace popisující chemický pokus - Příprava kvantových teček z citronové šťávy. V ilustraci je znázorněn postup práce a schématické znázornění vnitřní struktury vznikající uhlíkové kvantové tečky.

Navážíme 70 mg polyethyleniminu a smícháme jej v kádince se 3 ml citronové šťávy.
Pečlivě zamíchanou směs začneme za stálého míchání zahřívat na elektrickém vařiči.
Po asi 15 minutách zahřívání dojde ke vzniku tmavé gelovité směsi, v tu chvíli přidáme do kádinky 1 ml vody. Vodu důkladně vmícháme do směsi a pokračujeme v zahřívání.
Po dalších asi 5 minutách dojde opět k zhuštění roztoku a vytvoření gelovité směsi. Znovu přidáme 1 ml vody, důkladně zamícháme a budeme pokračovat v zahřívání. Tento krok opakujeme celkem třikrát. Při posledním zgelovatění a ztmavnutí směsi přidáme 1 ml vody a směs odstavíme z vařiče.
Připravíme si pipetu pro provedení sloupcové chromatografie. Do pipety vložíme malý kousek vaty a na ni nasypeme zhruba 3 cm jemnozrnného silikagelu. Pipetu naplníme vodou, tak aby byla hladina vody nad úrovní silikagelu. Na pipetu nasadíme balonek pomocí, kterého tlakem srovnáme hladinu vody v pipetě s horní hranicí silikagelu. Do horní části naneseme asi 1 ml směsi a balonkem vyvíjíme tlak. Ve spodní části pipety budeme do zkumavek jímat frakce po cca 1 ml (celkově bychom měly připravit 7 frakcí). (dbáme na to aby po celou dobu průběhu chromatografie nedošlo k vyschnutí kolony a v pipetě byl stále dostatek vody.
Připravené najímané frakce naneseme na TLC destičku (případně stačí filtrační papír či samotná zkumavka) a pozorujeme jejich záření pod UV lampou.

Poznámky

Alternativně lze experiment provést pouze jako demonstrační nebo ve zkrácené verzi, a to pouze jako demonstraci luminiscenčních vlastností kvantových teček bez jejich přípravy. Případně je možno porovnat odezvu kvantových teček připravených pouze z citronové šťávy a ze směsi citronové šťáva a polyethylenimiu. Pokud se použije pouze citronová šťáva nedojde pod zdrojem UV k emisi žádného záření.

Reference

↑ Schneider, E. M., Bärtsch, A., Stark, W. J. & Grass, R. N. Safe One-Pot Synthesis of Fluorescent Carbon Quantum Dots from Lemon Juice for a Hands-On Experience of Nanotechnology. J. Chem. Educ. 96, 540–545 (2019).
↑ Lim, S. Y., Shen, W. & Gao, Z. Carbon quantum dots and their applications. Chem. Soc. Rev. 44, 362–381 (2015).
↑ Sierański, K. & Szatkowski, J. Substitutional impurity in the graphene quantum dots. Phys. E Low-Dimensional Syst. Nanostructures 73, 40–44 (2015).

[1] Schneider, E. M., Bärtsch, A., Stark, W. J. & Grass, R. N. Safe One-Pot Synthesis of Fluorescent Carbon Quantum Dots from Lemon Juice for a Hands-On Experience of Nanotechnology. J. Chem. Educ. 96, 540–545 (2019).

[2] Lim, S. Y., Shen, W. & Gao, Z. Carbon quantum dots and their applications. Chem. Soc. Rev. 44, 362–381 (2015).

[3] Sierański, K. & Szatkowski, J. Substitutional impurity in the graphene quantum dots. Phys. E Low-Dimensional Syst. Nanostructures 73, 40–44 (2015).

[1]

[2]

[3]