Quantitatively Switchable pH-Sensitive Photoluminescence of Carbon Nanodots

光致发光 纳米点 离解(化学) 激发态 纳米技术 材料科学 量子点 羧酸盐 共轭体系 光化学 化学 光电子学 立体化学 聚合物 有机化学 物理 原子物理学 复合材料
作者
Cui Liu,Mengli Yang,Jiao Hu,Lei Bao,Bo Tang,Xiaoyuan Wei,Jiang‐Lin Zhao,Zongwen Jin,Qingying Luo,Dai‐Wen Pang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:12 (11): 2727-2735 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.1c00287
摘要

pH sensing plays a key role in the life sciences as well as the environmental, industrial, and agricultural fields. Carbon nanodots (C-dots) with small size, low toxicity, and excellent stability hold great potential in pH sensing as nanoprobes due to their intrinsic pH-sensitive photoluminescence (PL). Nonetheless, the undesirable sensitivity and response range of C-dot PL toward pH cannot meet the requirements of practical applications, and the unclear pH-sensitive PL mechanism makes it difficult to control their pH sensitivity. Herein, the quantitative correlation of pH-sensitive PL with specific surface structures of C-dots is uncovered for the first time, to our best knowledge. The association of carboxylate and H+ increases the ratio of nonradiation to radiation decay of C-dots through excited-state proton transfer, resulting in the decrease of PL intensity. Meanwhile, the dissociation of α-H in β-dicarbonyl forming enolate increases the extent of delocalization of the C-dots conjugated system, which induces the PL broadening to the red region and a decreasing intensity. Based on the understanding of the pH-sensitive PL mechanism, the pH-sensitive PL of C-dots can be switched by quantitative modulation of carboxyl and β-dicarbonyl groups to achieve a desirable pH response range with high sensitivity. This work contributes to a better understanding of the pH-sensitive PL of C-dots and therefore presents an effective strategy for controllably tuning their pH sensitivity, facilitating the rational design of C-dot-based pH sensors.
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