Quantitatively Switchable pH-Sensitive Photoluminescence of Carbon Nanodots

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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:29
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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