Onlangs heb ik deelgenomen aan een online-activiteit, gerelateerd aan de Bachelor of Science in Scheikunde, georganiseerd door een universiteit. De activiteit omvatte een experiment met quantumnanodots dat thuis kon worden gedaan, en, zoals je je kunt voorstellen, was ik hier buitengewoon enthousiast over! In deze blog over het experiment geef ik eerst wat achtergrondinformatie over quantumnanodots en vitamine C, om daarna het gehele experiment toe te lichten.
Quantumnanodots, wat zijn dat?
Quantumnanodots zijn halfgeleidende deeltjes, met een grootte in de orde van nanometers, die veel toepassingen hebben, zoals bio-imaging, katalyse, medicijnafgifte en optronische doeleinden zoals zonnecellen. [1,7] Omdat er veel verschillende soorten quantumnanodots zijn, zijn er ook veel manieren om ze te produceren.
Na de synthese kunnen de quantumnanodots op veel interessante manieren worden gebruikt. Dit komt door de elektronische en optische eigenschappen. Deze eigenschappen zijn iets anders dan die in grotere deeltjes. Quantumnanodots hebben daarom een speciale rol in bijvoorbeeld nanotechnologie. [1]
Door de optische eigenschappen kunnen quantumnanodots onder andere worden geëxciteerd door UV-licht. [6] UV-licht, dat een golflengte heeft in de orde van 10-7 meter (100-400 nm), heeft genoeg energie (ongeveer 10 elektron Volt = 16.02176565 Joule) om een elektron in de quantumnanodots naar een hogere energietoestand, een aangeslagen toestand, te krijgen. Wanneer het elektron terugvalt naar zijn oorspronkelijke toestand, geeft het de opgenomen energie vrij door de emissie van licht. Deze emissie wordt fluorescentie (een optisch effect) genoemd en kan worden gebruikt om metingen te doen. [5]
Een specifiek type quantumnanodots zijn koolstof quantum(nanodots). Positieve eigenschappen van dit soort quantumdots zijn de relatief eenvoudige synthese, lage toxiciteit (vergeleken met anorganische quantumnanodots) en milieuvriendelijkheid, naast het feit dat koolstof quantumdots dezelfde optische eigenschappen hebben als 'gewone' quantumnanodots. [6]
De synthese van koolstof quantumdots is onderverdeeld in twee categorieën, 'top-down' en 'bottom-up routes. 'Top-down' is een synthese die werkt door grotere koolstofstructuren zoals koolstofnanobuisjes of grafiet af te breken met bijvoorbeeld lasers of elektrochemische technieken. ‘Bottom-up’, de route die in dit experiment wordt gebruikt, is gebaseerd op het gebruik van kleine ‘bouwblokken’ (zoals bij de quantumnanodots). Een voorbeeld van een bouwblok is citraat (citroenzuur). Het bouwblok en een nanocomposiet vormen carbon quantumdots door hydro-thermische behandeling of microgolfsyntheseroutes. [7]
Wat koolstof quantumdots nog interessanter maakt, is dat in sommige gevallen de fluorescentie in deze koolstof quantumdots zelfs sterker lijkt in vergelijking met de reguliere quantumnanodots.
Er zijn nog veel onduidelijke verklaringen voor dit verschijnsel, waaronder de schending van Kasha's regel. De regel van Kasha stelt dat fluorescentie altijd optreedt in een aanzienlijke opbrengst vanaf het laagste trillingsniveau van de eerste aangeslagen toestand tot de grondtoestand. Dit betekent dat fluorescentie alleen kan optreden wanneer een elektron van de laagste aangeslagen toestand naar de grondtoestand gaat, en niet wanneer een elektron van een hogere aangeslagen toestand naar een lagere, maar nog steeds aangeslagen toestand gaat. [8] Hier gaat de energie verloren in de vorm van warmte via niet-stralende vibratierelaxatie en interne conversie. Wanneer de regel van Kasha wordt 'gebroken', treedt fotoluminescentie op tussen twee aangeslagen toestanden. Dit zou kunnen verklaren waarom koolstof quantumdots meer licht lijken uit te stralen dan quantumnanodots, wat een positieve eigenschap is en koolstof quantumdots zeer geschikt maakt voor metingen zoals in deze blog besproken.
Vitamine C
Vitamine C is de meest voorkomende naam voor ascorbinezuur, een witte of lichtgele vaste stof, en is een van de essentiële vitamines die ons lichaam nodig heeft om bepaalde processen uit te voeren. [2,4] Ascorbinezuur is een organisch molecuul met C6H8O6 als chemische formule. Het heeft een molaire massa van 176,124 gram per mol [3] en is oplosbaar in water (330 gram per liter).
Als het gaat om chemische reacties, zal ascorbinezuur hoogstwaarschijnlijk deelnemen aan een zuur-base-reactie (als een zwak zuur). In dit geval geeft het ascorbinezuur één positief geladen waterstofatoom, een waterstofion, aan een basismolecuul en wordt het negatief geladen als C6H7O6-. Dit anion genaamd ascorbaat [2] kan zouten vormen met verschillende (positief geladen) kationen zoals calcium, kalium en natrium. Daarnaast kan ascorbinezuur ook reageren met andere organische zuren als alcoholvormende ester.
De uitvoering van het experiment
Het experiment bestond uit twee delen. Een deel werd gedaan om de software van de schoenendoos-spectrofotometer-app voor te bereiden door deze te kalibreren. Het andere deel was de eigenlijke meting. Beide stappen worden in de volgende paragrafen toegelicht.
Lijst met benodigdheden
· Twee injectiespuiten of pipetten (volumes: één milliliter en tien milliliter).
· Eén druppelpipet.
· Een hittebestendige mok.
· Vier glazen.
· Een cuvet.
· Een UV-lamp.
· Magnetron.
· Filtratiepapier.
· Een telefoon met een lichtsensor.
· Een doosje waar je telefoon in past en aan de binnenkant is bedekt met donker materiaal.
Chemicaliën:
· Ascorbinezuur (concentratie: 0,1 mg/mL of 0,00057 mol/L) (een volume van ongeveer twee milliliter is voldoende)
· Ureum (ongeveer vijf milliliter, 0,1 mg/ml)
· Sap van citrusvruchten (kan elke citrusvrucht zijn die je hebt)
· 50 milliliter water (hoeft niet gedestilleerd te worden, kraanwater is voldoende)
Het kalibreren van de spectrofotometer app
Bereiding van het kalibratiemonster
Om te beginnen werd één milliliter van het opgeloste ascorbinezuur (0,1 mg/ml) met een injectiespuit opgetrokken en in een hittebestendige mok gedaan. Daaraan werd een milliliter ureum toegevoegd. De mok werd rondgedraaid om ervoor te zorgen dat de twee componenten goed met elkaar vermengd werden. Op dit punt was de oplossing helder en kleurloos. Daarna is de mok in de magnetron gezet en opgewarmd op 600 of 700 Watt (afhankelijk van de instellingen van de gebruikte magnetron). Na elke dertig seconden verwarmen werd het mengsel uit de magnetron gehaald om de kleur te controleren. Het verwarmen werd herhaald tot het water in de oplossing bijna verdampt was, waardoor de oplossing plakkeriger werd. In plaats van helder en kleurloos was de inhoud in de mok nu oranje/bruin, een teken dat de gewenste quantumnanodots gemaakt zijn.
De mok werd vervolgens opzijgezet om een beetje af te koelen. In deze tijd werd een schoon glas gevuld met water. Toen de mok koel genoeg was om aan te raken, werd 10 milliliter water met de spuit afgemeten en in de mok gedaan. De mok werd opnieuw rond gezwenkt om alle quantumnanodots op te lossen. De oplossing werd helder en licht oranje. Om er zeker van te zijn dat er geen onopgeloste deeltjes in de oplossing zouden zitten, werd alles via een stuk filtreerpapier in een glas gedaan. De oplossing die door het filter kwam, was het gewenste product, een oplossing van quantumnanodots. [6]
Het bouwen en kalibreren van de meetinstallatie
Eerst moest de software geïnstalleerd worden op een telefoon met een lichtsensor. De gratis app genaamd 'Shoebox Spectrophotometer' wordt aanbevolen voor een telefoon met het Android-besturingssysteem. Deze is te downloaden in de Google Playstore, of met de volgende link: (Shoebox Spectrophotometer Android) Voor een telefoon met het IOS besturingssysteem kan de app 'Light Meter' (Light Meter IOS) gebruikt worden, dit is gratis voor slechts drie dagen. Beide apps gebruiken de lichtsensor op een telefoon om het licht te meten in de eenheid genaamd lux.
Om deze app goed te laten werken, moet de telefoon in een doos worden geplaatst, die vanbinnen is bedekt met donker materiaal. Ik kon hiervoor de doos gebruiken waar het experimentmateriaal in was opgestuurd. Het enige dat met die doos moest gebeuren, was wat ruimte maken aan de zijkant om de telefoon in te schuiven en een gat in het deksel maken om bij de cuvet te kunnen (zie foto hieronder). Toch heb ik besloten om deze doos niet te gebruiken. Dit kwam omdat ik dacht dat de opstelling die gemaakt moest worden, bijna exact hetzelfde was als tijdens de Spectrofotometer workshop op een conferentie die ik anderhalf jaar geleden bijwoonde. Daarom besloot ik mijn houten "spectrofotometer" -doos te gebruiken (zie foto). Die heb ik na de conferentie gebouwd en bleek veel sterker. Het feit dat ik deze setup al had gemaakt, maakte de voorbereiding een stuk makkelijker. Ik hoefde er nu alleen nog maar mijn telefoon in te doen en wat voorwerpen te herschikken. (zie foto's)
Het enige dat nog moest gebeuren voordat de setup kon worden gebruikt, was de app kalibreren. Dit gebeurde door de cuvet te vullen met de zojuist gemaakte kalibratiestandaard met behulp van een druppelpipet, de UV-lamp aan te zetten, het deksel van de doos te sluiten en op de knop 'kalibreren' in de app te klikken. Daarna kon het monster weer uit de cuvet worden genomen. Dit was alles wat nodig was om de opstelling klaar te maken voor gebruik voor de daadwerkelijke metingen.
De echte meting
Voor het echte experiment moest er een nieuwe oplossing komen. Het doel van dit experiment was om erachter te komen hoeveel vitamine C het sap van een willekeurige citrusvrucht, in dit geval een sinaasappel, bevat. Daarom moest er een monster worden gemaakt dat uit dit sap bestond. Om dit te doen, werd de eerder gebruikte hittebestendige mok eerst zorgvuldig schoongemaakt en gedroogd. Deze werd vervolgens gebruikt om één milliliter sinaasappelsap en één milliliter ureum te mengen door de mok rond te zwenken. Deze oplossing behield de licht oranje/gele kleur van het sinaasappelsap. De mok met de oplossing werd gedurende 30 seconden in de magnetron van 600 Watt geplaatst. Na ongeveer anderhalve minuut werd de oplossing bruin, plakkerig en bruisend (vanwege het koken en verdampen van het water dat het sinaasappelsap bevatte). Op dit punt werd de mok uit de magnetron gehaald en opzijgezet om een beetje af te koelen. Na een korte tijd, toen de mok met blote handen aan te raken was, werd tien milliliter water toegevoegd. De bruine en plakkerige inhoud werd opgelost en werd een licht oranje oplossing. Na dit door een filtreerpapier te hebben gegoten, was deze oplossing klaar om de metingen uit te voeren.
De metingen met deze oplossing zijn op exact dezelfde manier uitgevoerd als het monster om de app te kalibreren. Nadat de oplossing in de cuvet was gedaan, het UV-licht aan was en de doos was gesloten, toonde de app een bepaalde waarde van het door de sensor ontvangen licht. Deze waarde kreeg de eenheid Lux. Deze waarde is opgeslagen om er later mee te kunnen rekenen.
Nadat ik al deze stappen had voltooid, twijfelde ik een beetje over de kwaliteit van de kalibratie die ik deed. De waarden die uit het experiment kwamen, leken een beetje buiten het verwachtte bereik. Daarom besloot ik het hele experiment opnieuw te doen, maar om de app te kalibreren, gebruikte ik geen zelfgemaakte oplossing meer. Het pakket dat mij werd toegestuurd om het experiment te doen, bevatte ook een quantumnanodot-oplossing die al door de docenten van de universiteit was gemaakt. Deze oplossing werd aan ons gegeven zodat de studenten die geen magnetron hadden ook konden meedoen. Ook al had ik een magnetron, ik was nog steeds blij met deze extra oplossing die mij werd gegeven, dit was in feite een kans was om het experiment opnieuw te doen, in de hoop op betere resultaten. Dus deed ik wat ik eerder heb uitgelegd. Ik heb de app gekalibreerd met deze oplossing en daarna heb ik mijn sinaasappelsapmonster opnieuw getest. Deze keer leken de resultaten betrouwbaarder, en na berekeningen bleek dat het echt zo was.
De resultaten
Dit tabelletje is gemaakt na de metingen. De oplossing van bekende concentratie gaf een Lux van 86. Het monster waarvan de concentratie moest worden bepaald, gemarkeerd met een X, gaf een Lux van 78. Deze gegevens werden vervolgens in een grafiek hieronder gezet, inclusief de Lux van 78. Na wat rekenwerk bleek de onbekende concentratie rond de 0,09 milligram per milliliter te liggen. Helaas is dit iets minder dan de verwachte 0,2 tot 0,8 milligram per milliliter. Aan de andere kant kan dit nog steeds een goed resultaat zijn, ervan uitgaande dat wat ascorbinezuur is vernietigd tijdens het maken van het sap en tijdens het verwarmen van de oplossing om de carbonquantumdots te maken.
Uiteindelijk bleek dit experiment zoveel meer te zijn dan ik had verwacht! Ik heb veel nieuwe en geweldige dingen geleerd en veel plezier gehad. Tijdens het schrijven van deze blog ontdekte ik dat de 'quantumnanodots wereld' groot is, en met groot bedoel ik echt groot! Er is zoveel informatie en ik denk dat er nog veel moet komen. In de toekomst zal ik zeker mijn inspanningen in dit onderwerp steken om er meer over te leren. Dit experiment was een geweldige manier om een kleine glimp op te vangen van deze geweldige kwantummechanische wereld.
Referenties
1. Atkins, P., Jones, L., & Laverman, L. (2016). Chemical Principles (7de ed.). Macmillan Publishers.
2. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Gatto Jr., G. J., & Stryer, L. (2019). Biochemistry (9de ed.). Macmillan Publishers.
3. Bouwens, R. E. A., de Groot, P. A. M., Kranendonk, W., van Lune, J. P., Prop - van den Berg, C. M., van Riswick, J. A. M. H., & Westra, J. J. (2013). BINAS havo/vwo (6de editie). Noordhoff.
4. Clayden, J., Greeves, N., & Warren, S. (2012). Organic Chemistry (2nd ed.). Oxford University Press.
5. Driever, B. & Boswell-Bèta Utrecht. (2020). Boswell-Bèta Cursussyllabus Natuurkunde VWO (1.3 editie). Boswell-Bèta.
6. Sugiarti, S., & Darmawan, N. (2015). Synthesis of Fluorescence Carbon Nanoparticles from Ascorbic Acid. Indonesian Journal of Chemistry, 15(2), 141–145. https://doi.org/10.22146/ijc.21207
7. Wang, X., Feng, Y., Dong, P., & Huang, J. (2019). A Mini Review on Carbon Quantum Dots: Preparation, Properties, and Electrocatalytic Application. Frontiers in Chemistry, 7, 1–6. https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00671
8. Wirz, J., & Klán, P. (2009). Photochemistry of Organic Compounds. Wiley. https://books.google.co.uk/books?id=8IstqQf6ZckC&pg=PA40&lpg=PA40&dq=kasha%27s+rule&source=bl&ots=ArmEU3BEC7&sig=RV1DG7mCXuWRSFcXM1Q6YZ8UY3w&hl=en&ei=sjvkS8zINYmEmgPXj5CCBg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9&ved=0CDoQ6AEwCDgK#v=onepage&q=kasha’s%20rule&f=false
Comments