कार्बन क्वांटम डॉट

कार्बन क्वांटम डॉट्स को आमतौर पर कार्बन डॉट्स भी कहा जाता है (संक्षिप्त रूप में CQDs, C-डॉट्स या सीडी) कार्बन नैनोकणों होते हैं जो आकार में 10 एनएम से कम होते हैं और इनमें कुछ प्रकार की सतह निष्क्रियता होती है।

इतिहास
CQDs की खोज सबसे पहले जू एट अल ने की थी। 2004 में गलती से कार्बन नैनोट्यूब | एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के शुद्धिकरण के दौरान। इस खोज ने CQDs के प्रतिदीप्ति गुणों का फायदा उठाने के लिए व्यापक अध्ययन शुरू किया। फ्लोरोसेंट कार्बन नैनोमटेरियल्स की नई श्रेणी के रूप में, सीक्यूडी में उच्च स्थिरता, अच्छी चालकता, कम विषाक्तता, पर्यावरण मित्रता, सरल सिंथेटिक मार्गों के साथ-साथ क्वांटम डॉट्स के तुलनीय ऑप्टिकल गुणों के आकर्षक गुण होते हैं। विशेष रूप से उनके मजबूत और ट्यून करने योग्य प्रतिदीप्ति उत्सर्जन गुणों के कारण कार्बन क्वांटम डॉट्स की बड़े पैमाने पर जांच की गई है, जो बायोमेडिसिन, ऑप्ट्रोनिक्स, कटैलिसीस और सेंसिंग में उनके अनुप्रयोगों को सक्षम करते हैं। ज्यादातर मामलों में CQD दृश्य या निकट-अवरक्त रेंज में लगभग कई सौ नैनोमीटर के बैंड में प्रकाश का उत्सर्जन करता है, हालांकि यह 800 से 1600 एनएम तक स्पेक्ट्रम को कवर करने वाले ब्रॉडबैंड CQDs पर भी रिपोर्ट किया गया था।

CQDs की प्रतिदीप्ति क्षमता के लिए जिम्मेदार मूलभूत तंत्रों पर बहुत बहस होती है। कुछ लेखकों ने आकार-निर्भर प्रतिदीप्ति गुणों के प्रमाण प्रदान किए हैं, यह सुझाव देते हुए कि क्वांटम कारावास प्रभाव से प्रभावित डॉट्स के मूल के साथ इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण से उत्सर्जन उत्पन्न होता है, जबकि अन्य कार्यों ने प्रतिदीप्ति को सतह-फंसे हुए आवेशों के पुनर्संयोजन के लिए जिम्मेदार ठहराया है,  या कोर और सतह इलेक्ट्रॉनिक राज्यों के बीच युग्मन का रूप प्रस्तावित किया। सीक्यूडी के उत्तेजना-निर्भर फ्लोरोसेंस, जो उनके विशिष्ट उत्सर्जन ट्यूनेबिलिटी के लिए अग्रणी है, को ज्यादातर उनके उत्सर्जन विशेषताओं के अमानवीय वितरण से जोड़ा गया है, बहुप्रकीर्णता के कारण, हालांकि कुछ कार्यों ने इसे काशा के नियम के उल्लंघन के रूप में समझाया है जो असामान्य रूप से धीमी विलायक छूट से उत्पन्न होता है।

सीक्यूडी के गुण
CQDs की संरचनाएं और घटक उनके विविध गुण निर्धारित करते हैं। CQD सतह पर कई कार्बोक्सिल भाग पानी और जैव-रासायनिकता में उत्कृष्ट घुलनशीलता प्रदान करते हैं। इस तरह की सतह के टुकड़े CQDs को नैनोकणों का संचालन करने वाले प्रोटॉन के रूप में काम करने में सक्षम बनाते हैं। CQD विभिन्न कार्बनिक, बहुलक, अकार्बनिक या जैविक सामग्रियों के साथ रासायनिक संशोधन और सतह के पारित होने के लिए भी उपयुक्त हैं। सतह निष्क्रियता से, फ्लोरेसेंस गुणों के साथ-साथ सीक्यूडी के भौतिक गुणों को बढ़ाया जाता है। हाल ही में, यह पता चला है कि अलग-अलग पीएच वातावरण के साथ पेश किए जाने पर अमीन और हाइड्रॉक्सैमिक एसिड कार्यात्मक सीडी तिरंगा (हरा, पीला और लाल) उत्सर्जन पैदा कर सकते हैं और इस तिरंगे उत्सर्जन को ORMOSIL फिल्म मैट्रिक्स में संरक्षित किया जा सकता है। 2019 में प्रकाशित पेपर से पता चला है कि CQD 800 °C तक के तापमान का प्रतिरोध कर सकता है, जिससे उच्च तापमान वातावरण में CQD के अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त होता है। कार्बन के आधार पर, सीक्यूडी में अच्छी चालकता, सौम्य रासायनिक संरचना, फोटोकैमिकल और थर्मल स्थिरता जैसे गुण होते हैं।

CQDs का संश्लेषण
CQDs के लिए सिंथेटिक तरीकों को मोटे तौर पर दो श्रेणियों में बांटा गया है, टॉप-डाउन और बॉटम-अप रूट। इन्हें रासायनिक, विद्युत रासायनिक या भौतिक तकनीकों के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। प्राप्त CQDs को तैयारी या उपचार के बाद अनुकूलित किया जा सकता है। अच्छी सतह गुण प्राप्त करने के लिए CQDs का संशोधन भी बहुत महत्वपूर्ण है जो घुलनशीलता और चयनित अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक हैं।

सिंथेटिक तरीके
टॉप-डाउन सिंथेटिक रूट से तात्पर्य लेजर पृथक, आर्क डिस्चार्ज और इलेक्ट्रोकेमिकल तकनीकों का उपयोग करके सीक्यूडी में ग्रेफाइट, कार्बन नैनोट्यूब और nanodiamond ्स जैसी बड़ी कार्बन संरचनाओं को तोड़ना है। उदाहरण के लिए, झोउ एट अल। CQDs के संश्लेषण में पहली बार लागू विद्युत रासायनिक विधि। उन्होंने कार्बन पेपर पर बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब विकसित किए, फिर उन्होंने कार्बन पेपर को इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में डाला, जिसमें डीगैस्ड एसिटोनिट्राइल और 0.1 एम टेट्राब्यूटिल अमोनियम परक्लोरेट सहित सहायक इलेक्ट्रोलाइट शामिल थे। बाद में, उन्होंने सीएनटी को काटने या सीएनटी को कार्यात्मक पैटर्न में इकट्ठा करने में इस पद्धति को लागू किया, जिसने कार्बन नैनोसंरचना जोड़तोड़ में इस पद्धति की बहुमुखी कॉलबिलिटी का प्रदर्शन किया। बॉटम-अप सिंथेटिक मार्ग में हाइड्रोथर्मल / सॉल्वोथर्मल उपचार, समर्थित सिंथेटिक और माइक्रोवेव सिंथेटिक मार्गों के माध्यम से कार्बोहाइड्रेट, साइट्रेट और पॉलिमर-सिलिका नैनोकम्पोजिट जैसे छोटे अग्रदूतों से सीक्यूडी को संश्लेषित करना शामिल है। उदाहरण के लिए, झू एट अल। 500 डब्ल्यू माइक्रोवेव ओवन में 2 से 10 मिनट के लिए पॉली (एथिलीन ग्लाइकॉल) (पीईजी) और सैकराइड के घोल को गर्म करके सीक्यूडी तैयार करने की सरल विधि का वर्णन किया। अल्ट्रा-ब्रॉडबैंड क्यूसीडी के संश्लेषण के लिए लेजर-प्रेरित थर्मल शॉक विधि का भी उपयोग किया जाता है। हाल ही में, CQDs के निर्माण के लिए हरे सिंथेटिक दृष्टिकोणों को भी नियोजित किया गया है।

आकार नियंत्रण
उपचार के बाद के अलावा, तैयारी प्रक्रिया के दौरान सीक्यूडी के आकार को नियंत्रित करने का भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, झू एट अल। साइट्रिक एसिड अग्रदूत संसेचन के माध्यम से हाइड्रोफिलिक CQDs की सूचना दी। हवा में 2 घंटे के लिए 300 °C पर पायरोलाइज़िंग CQDs के बाद, फिर सिलिका को हटाकर, डायलिसिस के बाद, उन्होंने 1.5–2.5 nm के समान आकार के साथ CQDs तैयार किए, जिसमें कम विषाक्तता, उत्कृष्ट चमक, अच्छी फोटोस्टेबिलिटी और अप-कन्वर्ज़न गुण दिखाई दिए।

संशोधन
एक नए प्रकार के फ्लोरोसेंट नैनोपार्टिकल्स होने के नाते, CQD के अनुप्रयोग उनकी जैविक और पर्यावरण के अनुकूल संरचना और उत्कृष्ट जैव-अनुकूलता के कारण बायोइमेजिंग और बायोसेंसिंग के क्षेत्र में हैं। पारंपरिक सेमीकंडक्टर क्वांटम डॉट्स के साथ प्रतिस्पर्धा में जीवित रहने के लिए, उच्च क्वांटम उपज प्राप्त की जानी चाहिए। यद्यपि ~ 80% क्वांटम उपज के साथ सीक्यूडी का अच्छा उदाहरण संश्लेषित किया गया था, अब तक संश्लेषित अधिकांश क्वांटम डॉट्स की क्वांटम उपज 10% से कम है। संशोधनों के लिए भूतल-निष्क्रियता और डोपिंग विधियों को आमतौर पर क्वांटम उपज में सुधार के लिए लागू किया जाता है।

CQDs की सतहों को उनके पर्यावरण द्वारा प्रदूषित होने से बचाने के लिए, उनके ऑप्टिकल गुणों पर सतह संदूषण के हानिकारक प्रभाव को कम करने के लिए सतह निष्क्रियता की जाती है। एसिड द्वारा उपचारित CQDs सतह पर बहुलक सामग्री के लगाव के माध्यम से सतह के पारित होने को प्राप्त करने के लिए पतली इन्सुलेटिंग परत बनाई जाती है।

सरफेस पैसिवेशन के अलावा, डोपिंग भी सामान्य तरीका है जिसका इस्तेमाल CQDs के गुणों को ट्यून करने के लिए किया जाता है। एन, जैसे तत्वों के साथ विभिन्न डोपिंग विधियां एस, P CQDs के गुणों को ट्यून करने के लिए प्रदर्शित किया गया है, जिनमें से एन डोपिंग सबसे आम तरीका है, क्योंकि फोटो ल्यूमिनेसेंस उत्सर्जन में सुधार करने की इसकी महान क्षमता है। तंत्र जिसके द्वारा नाइट्रोजन डोपिंग CQDs की प्रतिदीप्ति क्वांटम उपज को बढ़ाता है, साथ ही भारी एन-डोप्ड सीडी की संरचना, साहित्य में बहुत ही विवादित मुद्दे हैं। झोउ एट अल। उनके इलेक्ट्रोकेमिकली उत्पादित कार्बन QDS में इलेक्ट्रॉनिक संरचना और ल्यूमिनेसेंस तंत्र की जांच में XANES और XEOL को लागू किया और पाया कि N डोपिंग नीले ल्यूमिनेसेंस के लिए लगभग निश्चित रूप से जिम्मेदार है। सीडी पर आधारित नए नैनोकम्पोजिट्स के संश्लेषण को असामान्य गुणों के साथ सूचित किया गया है। उदाहरण के लिए, सीडी और चुंबकीय का उपयोग करके नैनोकम्पोजिट तैयार किया गया है {{chem2|Fe3O4}नैनोकणों को नैनोजाइम गतिविधि के साथ अग्रदूत के रूप में।

बायोइमेजिंग
CQDs का उपयोग उनके प्रतिदीप्ति उत्सर्जन और जैव-अनुकूलता के कारण बायोइमेजिंग के लिए किया जा सकता है। जीवित शरीर में CQDs वाले सॉल्वैंट्स को इंजेक्ट करके, विवो में छवियां पहचान या निदान उद्देश्यों के लिए प्राप्त की जा सकती हैं। उदाहरण यह है कि जैविक डाई-संयुग्मित CQDs को प्रभावी फ्लोरोसेंट जांच के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है H2S. की उपस्थिति H2S कार्बनिक डाई-संयुग्मित CQDs के नीले उत्सर्जन को हरे रंग में ट्यून कर सकता है। तो प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप का उपयोग करके, कार्बनिक डाई-संयुग्मित CQDs शारीरिक रूप से प्रासंगिक स्तरों में परिवर्तन की कल्पना करने में सक्षम थे H2S. ईडीसी-एनएचएस रसायन विज्ञान के माध्यम से उन्हें संयुग्मित करने के लिए उनके अत्यधिक सुलभ सतह कार्यात्मक समूहों का उपयोग करके और उदाहरण दोहरे मोड बायोइमेजिंग हो सकता है। सलादीनो एट अल। MW-सहायता प्राप्त संश्लेषित नाइट्रोजन-डोप्ड उत्तेजना-स्वतंत्र CQDs का उपयोग करके अवधारणा का प्रदर्शन किया। ये रोडियम नैनोकणों के साथ संयुग्मित थे - एक्स-रे प्रतिदीप्ति कंट्रास्ट एजेंट - ऑप्टिकल और एक्स-रे फ्लोरोसेंट गुणों दोनों के साथ दोहरे-मोड नैनोहाइब्रिड के लिए अग्रणी। इसके अलावा, संयुग्मन प्रक्रिया न केवल दोहरे-मोड बायोइमेजिंग के लिए जिम्मेदार है, बल्कि रोडियम नैनोकणों की सतह को भी निष्क्रिय कर देती है, जिसके परिणामस्वरूप साइटोटोक्सिसिटी कम हो जाती है।

संवेदन
CQDs को बायोसेंसिंग में बायोसेंसर वाहक के रूप में उनके संशोधन में लचीलेपन, पानी में उच्च घुलनशीलता, नॉनटॉक्सिसिटी, अच्छी फोटोस्टेबिलिटी और उत्कृष्ट बायोकम्पैटिबिलिटी के लिए भी लागू किया गया था। CQD और CQs-आधारित सामग्रियों पर आधारित बायोसेंसर का उपयोग सेलुलर कॉपर की दृश्य निगरानी के लिए किया जा सकता है, ग्लूकोज, पीएच, के स्तर का पता लगाएं H2O2 और न्यूक्लिक एसिड। सामान्य उदाहरण न्यूक्लिक एसिड पार्श्व प्रवाह परख के बारे में है। एम्पलीकॉन्स पर भेदभाव करने वाले टैग उनके संबंधित एंटीबॉडी और संलग्न सीक्यूडी द्वारा प्रदान किए गए प्रतिदीप्ति संकेतों द्वारा पहचाने जाते हैं। अधिक आम तौर पर, सीक्यूडी की फ्लोरेसेंस पीएच को कुशलतापूर्वक प्रतिक्रिया देती है, स्थानीय ध्रुवीयता, और विलयन में धातु आयनों की उपस्थिति के लिए, जो आगे नैनोसेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए उनकी क्षमता का विस्तार करता है, उदाहरण के लिए प्रदूषकों के विश्लेषण में।

दवा वितरण
सीक्यूडी की गैर-विषाक्तता और जैव-अनुकूलता उन्हें दवा वाहक, फ्लोरोसेंट ट्रैसर के साथ-साथ दवा रिलीज को नियंत्रित करने के रूप में बायोमेडिसिन में व्यापक अनुप्रयोगों के साथ सक्षम बनाती है।  यह कैंसर कोशिकाओं को नष्ट करने के लिए फोटोडायनामिक थेरेपी में फोटोसेंसिटाइज़र के रूप में CQDs के उपयोग से उदाहरण है।

कटैलिसीस
विभिन्न समूहों CQDs के साथ कार्यात्मकता का लचीलापन उन्हें विभिन्न तरंग दैर्ध्य की रोशनी को अवशोषित करना संभव बनाता है, जो फोटोकैटलिसिस में अनुप्रयोगों के लिए अच्छे अवसर प्रदान करता है। CQDs-संशोधित P25 TiO2 कंपोजिट्स ने यूवी-विज़ के साथ विकिरण के तहत बेहतर फोटोकैटलिटिक एच2 विकास का प्रदर्शन किया। P25 के इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों को अलग करने की दक्षता में सुधार करने के लिए CQDs इलेक्ट्रॉनों के लिए जलाशय के रूप में कार्य करते हैं। हाल के दिनों में, धातु-मुक्त सीक्यूडी को हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया | हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया (एचईआर) के कैनेटीक्स में सुधार करने के लिए पाया गया है, जिससे सीक्यूडी कटैलिसीस के लिए स्थायी विकल्प बन गया है।

ऑप्ट्रोनिक्स
CQDs में डाई-संवेदीकृत सौर सेल के लिए सामग्री के रूप में काम करने की क्षमता है, कार्बनिक सौर सेल, अतिसंधारित्र, और प्रकाश उत्सर्जक उपकरण। CQDs को डाई-सेंसिटाइज़्ड सोलर सेल में फोटोसेंसिटाइज़र के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है और फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दक्षता में काफी वृद्धि हुई है। CQD निगमित हाइब्रिड सिलिका आधारित सोल का उपयोग पारदर्शी फ्लोरोसेंट पेंट के रूप में किया जा सकता है,

रॉकेट ईंधन
हाल ही में, CQDs को हाइब्रिड रॉकेट ईंधन में नियोजित किया गया है।

फ़िंगरप्रिंट रिकवरी
CQDs का उपयोग अव्यक्त उंगलियों के निशान को बढ़ाने के लिए किया जाता है।

यह भी देखें

 * क्वांटम डॉट
 * कार्बन नैनोट्यूब क्वांटम डॉट
 * फोटोवोल्टिक्स में कार्बन नैनोट्यूब
 * ग्राफीन क्वांटम डॉट
 * कैडमियम मुक्त क्वांटम डॉट
 * सिलिकॉन क्वांटम डॉट