Diffusion NMR for Measuring Dynamic Ligand Exchange on Colloidal Nanocrystals

化学 配体(生物化学) 扩散 纳米颗粒 纳米晶 胶体 化学物理 核磁共振波谱 平衡常数 物理化学 计算化学 纳米技术 热力学 有机化学 材料科学 受体 物理 生物化学
作者
Xiaoqi Zhou,Zhenfeng Pang,Weicheng Cao,Zhenming Cao,Jie Zhu,Yixin Qi,Xiaogang Peng,Xueqian Kong
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.2c02964
摘要

Ligand exchange is fundamentally related to the surface chemistry of nanoparticles in solution and is also an essential procedure for their synthesis and solution processing. The solution of ligand-bearing nanoparticles can be regarded as a dynamic equilibrium of bound and free ligands depending on the concentration and temperature. The direct experimental calibration of the ligand exchange dynamics relies on the in situ and real-time quantification of bound and free ligands. However, existing analytical strategies are often with limited applicability considering the requirement of special functional groups or the indirect detection of photoluminescence or reaction heat. In this work, we explore diffusion-based methods of solution-state nuclear magnetic resonance (NMR) as a general strategy to probe ligand exchange. Using comprehensive numerical simulations, we show that diffusion NMR with designable time sequences can effectively distinguish bound and free ligands and measure the exchange rate constants from 0.5 to 200 s-1 under typical instrumental settings. These methods are demonstrated experimentally on colloidal CdSe nanocrystal systems with carboxylate or amine ligands whose exchange rates were previously undetectable. The kinetic rate constants, activation energies, and thermodynamic parameters of ligand exchange have been obtained under variable temperature conditions. We expect the diffusion NMR strategies to be generally applicable for calibrating the exchange of organic ligands on various nanoparticle systems.

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