Loading...

Fluorescent Sensor from N-doped Carbon Quantum Dots for Detection of Hg2+ and I- Ions in Environmental Water

Shafie, Saeedeh | 2024

0 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 57674 (46)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Energy Engineering
  6. Advisor(s): Samadfam, Mohammad; Sadjadi, Sudehsadat
  7. Abstract:
  8. In this thesis, nitrogen-doped carbon quantum dots were synthesized from anhydrous trisodium citrate and arginine in water solvent by the hydrothermal method, which was used to develop an on-off-on fluorescence sensor. The hydrothermal method is a suitable method for the synthesis of nitrogen-doped carbon quantum dots due to its affordability, availability, rapidity, and safety. Characterization of nitrogen-doped carbon quantum dots was divided into two parts: in the first part, optical properties were investigated using fluorescence photoluminescence (PL) spectrometer and ultraviolet-visible spectrometer (UV-Vis), and in the second part, Fourier transform infrared spectrometry (FTIR), particle size distribution (DLS), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used for chemical characterization of nitrogen-doped carbon quantum dots. Based on the results obtained, nitrogen-doped carbon quantum dots have a spherical morphology with a particle size of approximately 5 nm. Optimization of parameters such as the concentration of nitrogen-doped quantum dots, pH, and sensor stability has a great impact on the fluorescence intensity. The results of optimizing the concentration of carbon quantum dots revealed that a concentration of 0.4 μg/mL of nitrogen-doped carbon quantum dots achieved the highest fluorescence intensity compared to other concentrations. The stability of the fluorescence intensity of nitrogen-doped carbon quantum dots was investigated over 40 days, and the intensity of these dots remained relatively stable, indicating that the fluorescence intensity is stable for up to 40 days. The fluorescence intensity of nitrogen-doped carbon quantum dots was investigated in acidic and alkaline environments in the pH range of 1 to 14. According to the responses obtained, in the pH range from 7 to 12, the fluorescence intensity remained constant, with a greater brightening effect observed in this pH range. The excitation wavelength of the nitrogen-doped carbon quantum dots was 350 nm, and their emission was at 480 nm. To investigate the performance of the sensor, the response of the nitrogen-doped carbon quantum dots to different ions was initially tested, revealing that the sensor responded to iodide and mercury ions. The selectivity of the fluorescence sensor was also assessed in the presence of various anions and cations, including Hg²⁺, Li⁺, Na⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Pb²⁺, Ag²⁺, Zn²⁺, As²⁺, Ni²⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, Cr⁶⁺, W⁶⁺, V⁵⁺, I⁻, F⁻, Br⁻, Cl⁻, HPO₄³⁻, PO₄³⁻, SO₄²⁻, IO₄²⁻, and NO₃⁻. The sensor selectively responded to iodide and mercury ions, indicating that the presence of other analytes did not interfere with the sensor's selectivity. The effect of different anions and cations was investigated, and all were found ineffective except for iodide (I⁻) and mercury (Hg²⁺). Adding mercury ions to nitrogen-doped carbon quantum dots turned off the sensor, while adding iodide ions at a certain concentration turned on the sensor. A linear calibration curve was obtained for iodide and mercury ions under optimal conditions, with a detection limit of 0.058 μM for iodide ions and 0.608 μM for mercury ions. The quantum efficiency for nitrogen-doped carbon quantum dots was 57%
  9. Keywords:
  10. Nitrogen Doped Carbons ; Hydrothermal Method ; Fluorescence Sensors ; Photoluminescence ; Ultra Violet-Visible ; Fourier Transform Infra Red (FT-IR)Spectroscopy ; Spectrometry ; Quantum Dot ; Selectivity ; Iodine ; On-Off-On Fluorescence Sensor

 Digital Object List

 Bookmark

  • برگه اظهارنامه
  • تقدیم به
  • تقدیم به پدر و مادر بسیار عزیز، دلسوز و فداکارم که پیوسته جرعه نوش جام تعلیم و تربیت، فضلیت و انسانیت آن‌ها بوده‌ام و همواره چراغ وجودشان روشنگر راه من در سختی‌ها و مشکلات بوده است.
  • سپاسگزاری
  • از استاد فرهیخته و فرزانه؛ جناب اقای دکتر محمد صمدفام که در کمال سعه صدر، با حسن خلق و فروتنی، از هیچ کمکی در این عرصه بر من دریغ ننمودند و زحمت این رساله را بر عهده گرفتند و از استاد گرامی سرکار خانم دکتر سوده سادات سجادی که زحمت مشاوره این رساله را ...
  • چکیده
  • فهرست جدول‌ها
  • فهرست نمودارها
  • فهرست علائم
  • فصل1 فصل ۱
  • مقدمه و هدف پژوهش
    • ۱-۱ مقدمه
    • ۲-۱ هدف پژوهش
    • ۳-۱ سوالات پژوهش
    • ۴-۱ نوآوری پژوهش
    • ۵-۱ ساختار پایان‌‌نامه
  • فصل2 فصل۲
  • مرور مفاهیم و پیشینه پژوهش
    • ۱-۲ مقدمه
    • ۲-۲ روش‌های تشخیص ید
      • ۱-۲-۲ روش اسپکتروفتومتری
      • ۲-۲-۲ روش طیف سنجی فلورسانس
      • ۳-۲-۲ روش طیف سنجی جرمی پلاسما جفت شده القایی
    • ۳-۲ مکانیزم‌های فلورسانس
      • ۱-۳-۲ روش خاموش شدن فلورسانس
        • ۱-۱-۳-۲ روش خاموش کردن دینامیک
        • ۲-۱-۳-۲ روش خاموش کردن استاتیک
        • ۳-۱-۳-۲ انتقال الکترون ناشی از نور
        • ۴-۱-۳-۲ اثر فیلتر داخلی
        • ۵-۱-۳-۲ انتقال انرژی دکستر
      • ۲-۳-۲ روش روشن شدن فلورسانس
        • ۱-۲-۳-۲ افزایش نشر ناشی از تجمع
        • ۲-۲-۳-۲ نشر با اتصال متقابل(CEE)
        • ۳-۲-۳-۲ انتقال انرژی رزونانس فورستر (FRET)
      • ۳-۳-۲ ویژگی‌های تحلیلی روش‌های فلورسانس روشن-خاموش
    • ۴-۲ پروب‌های فلورسانس
      • ۱-۴-۲ پروب‌های مبتنی بر نشاسته
      • ۲-۴-۲ پروب‌های مواد رنگی فلورسانس
      • ۳-۴-۲ پروب‌های گروه ماکروسیکیک
      • ۴-۴-۲ پروب‌های پلیمری
      • ۵-۴-۲ پروب‌های نقاط کربنی
      • ۶-۴-۲ پروب‌های نقاط کوانتومی کربن
      • ۷-۴-۲ نقاط کوانتومی کربن دوپ شده با نیتروژن
    • ۵-۲ مراحل ساخت نقاط کربنی
    • ۶-۲ سنتز نقاط کربنی
      • ۱-۶-۲ روش‌های بالا به پایین
        • ۱-۱-۶-۲ روش تخلیه قوس
        • ۲-۱-۶-۲ روش تخریب لیزری
        • ۳-۱-۶-۲ روش کربن‌دار کردن الکتروشیمیایی
      • ۲-۶-۲ روش‌های پایین به بالا
        • ۱-۲-۶-۲ روش هیدروترمال
        • ۲-۲-۶-۲ روش سولوترمال
        • ۳-۲-۶-۲ روش ماکروویو
      • ۳-۶-۲ کنترل اندازه ذرات با استفاده از پیرولیز
    • ۷-۲ خواص و مکانیزم نورافشانی
      • ۱-۷-۲ خواص نوری
        • ۱-۱-۷-۲ جذب
    • ۸-۲ مکانیزم فوتولومینسانس
    • ۹-۲ کاربردها حسگرهای فلورسانس
      • ۱-۹-۲ زیست پزشکی
        • ۱-۱-۹-۲ تصویربرداری زیستی
        • ۲-۱-۹-۲ بیوحسگرها
        • ۳-۱-۹۹-۲ سیستم تحویل زیست پزشکی
      • ۲-۹-۲ حسگرهای شیمیایی
    • ۱۰-۲ اهمیت اندازه‌گیری و تشخیص همزمان یدید و جیوه
  • فصل3 فصل ۳
  • تجهیزات و مواد لازم آزمایشگاهی
  • مقدمه
    • ۱-۳ مواد و ترکیبات شیمیایی
    • ۲-۳ دستگاه‌ها و ابزارهای اندازه‌گیری
    • ۳-۳ تهیه محلول‌های استاندارد
    • ۴-۳ سنتز نقاط کوانتومی کربن دوپ شده با نیتروژن
    • ۵-۳ بررسی pH نقاط کوانتومی کربن
    • ۶-۳ محاسبه بازده کوانتومی
    • ۷-۳ تعیین طول موج بیشینه برانگیختگی
    • ۸-۳ بررسی اندازه‌گیری حساسیت
  • فصل4 فصل ۴
  • ارزیابی آزمایشات انجام شده
  • مقدمه
    • ۱-۴ تجزیه و تحلیل نتایج مشخصه‌یابی نقاط کوانتومی کربن سنتز شده
      • ۴-۱-۱ مشخصه‌یابی شیمیایی N-CQDs
        • ۱-۱-۱-۴ بررسی نتایج طیف سنجی مرئی- فرابنفش (UV-vis)
        • ۲-۱-۱-۴ بررسی نتایج تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی عبوری
        • ۳-۱-۱-۴ بررسی نتایج پراکندگی نور دینامیکی
      • ۴-۱-۱-۴ بررسی نتایج طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه
    • ۲-۴ مشخصه‌یابی نوری N-CQDs
      • ۴-۲-۱ بررسی نتایج حاصل از برانگیختگی و نشر طیف فلورسانس
      • ۴-۲-۲ بررسی فلورسانس N-CQDs در زیر لامپ Uv
    • ۳-۴ بررسی ویژگی‌های فتوفیزکی N-CQDs
      • ۴-۳-۱ بررسی خواص هیدروفیلی N-CQDs
      • ۴-۳-۲ بهینه‌سازی پارامترهای مهم بر خواص N-CQDs
      • ۴-۳-۳ بررسی زمان پایداری نقاط کوانتومی کربن
      • ۴-۳-۴ بررسی اثر قدرت یونی بر N-CQDs
      • ۴-۳-۳ بررسی غلظت N-CQDs
      • ۴-۳-۴ بررسی زمان انکوبه شدن نقاط کوانتومی کربن
      • ۴-۳-۶ بررسی pH نقاط کوانتومی کربن
    • ۴-۴ تعیین تشخیص و حساسیت حسگر
      • ۱-۴-۴ اندازه‌گیری یون یدید در محلول
      • ۲-۴-۴ اندازه‌گیری یون جیوه در محلول نمونه
    • ۴-۴ بررسی اثر مزاحمت
    • ۵-۴ محاسبه بازده کوانتومی
    • ۶-۴ آنالیز نمونه واقعی
  • فصل ۵
  • نتیجه‌گیری و پیشنهادات
    • ۱-۵ نتیجه‌گیری
    • ۲-۵ پیشنهادات
  • مراجع
  • [29] Jaishankar M, Tseten T, Anbalagan N, Mathew BB, Beeregowda KN. Toxicity, mechanism and health effects of some heavy metals. Interdiscip Toxicol. 2014;7:60–72.
  • [31] Houk RS, Fassel VA, Flesch GD, Svec HJ, Gray AL, Taylor CE. Inductively Coupled Argon Plasma as an Ion Source for Mass Spectrometric Determination of Trace Elements. Anal Chem. 1980;52:2283–9.
  • [32] Recent advances in turn off-on fluorescence sensing strategies for sensitive biochemical analysis - A mechanistic approach, Microchemical Journal, Volume 179, 2022, 107511, ISSN 0026-265X.
  • [33] A. Sekar, R. Yadav, N. Basavaraj. Fluorescence quenching mechanism and the application of green carbon nanodots in the detection of heavy metal ions: a review New J. Chem., 45 (2021), pp. 2326-2360.
  • [34] A.K. Singh, V.K. Singh, M. Singh, P. Singh, S.R. Khadim, U. Singh, B. Koch, S.H.
  • Hasan, R.K. Asthana One pot hydrothermal synthesis of fluorescent NP-carbon dots derived from Dunaliella salina biomass and its application in on-off sensing of Hg (II), Cr (VI) and live cell imagingJ. Photochem. Photobiol., A, 376 (2019), pp. 63-72.
  • [57] Hu, y., Yang, J., Tian, J., Yu J. Sh., How do nitrogen - doped corbon dots generat from molecular precursors an Investigation of formation mechanism and asolution based large-scale synthesis. Journal of Materials chemistry B. 2015.
  • [58] Cui L, Ren X, Sun M, Liu H, Xia L. Carbon Dots: Synthesis, Properties and Applications. Nanomaterials (Basel). 2021 Dec 16;11(12):3419.
...see more