Pontos de carbono como uma plataforma de detecção fluorescente eficaz para detecção de íons de metal

Resumo

Os pontos de carbono fluorescentes (CDs), incluindo pontos quânticos de carbono (CQDs) e pontos quânticos de grafeno (GQDs) têm atraído grande interesse por causa de seu baixo custo e baixa toxicidade, e eles representam uma nova classe de materiais de carbono preparados por rotas sintéticas simples. Em particular, as propriedades ópticas dos CDs podem ser facilmente ajustadas pela passivação da superfície da camada orgânica e funcionalização dos CDs. Com base nas vantagens desses materiais de carbono, CQDs e GQDs foram aplicados em vários campos como nanoplataformas para detecção, geração de imagens e entrega. Nesta revisão, discutimos vários métodos sintéticos para preparar CQDs e GQDs, bem como suas propriedades físicas, e discutimos posteriormente o progresso na pesquisa de CD com ênfase em sua aplicação em detecção de metais pesados.

Introdução

A descoberta de pontos de carbono fluorescentes (CDs), também conhecidos como pontos quânticos de carbono (CQDs), atraiu um tremendo interesse de muitos pesquisadores por causa de suas aplicações versáteis em optoeletrônica, aplicações biomédicas e biossensores químicos [1,2,3]. Todos os materiais de carbono fluorescente de tamanho nanométrico com uma dimensão menor que 10 nm podem ser classificados como CDs, e estes podem ser derivados de vários materiais de carbono, como fulerenos, grafite, nanotubos de carbono e grafeno [4,5,6]. Os CDs têm várias vantagens em comparação com outros sensores fluorescentes convencionais. Por exemplo, os corantes orgânicos são baratos e eficazes como sondas fluorescentes, mas são facilmente fotobranqueadores. Em contraste, os CDs são muito mais resistentes à fotodegradação [7,8,9]. Além disso, os pontos quânticos semicondutores (QDs) são comparativamente tão bons quanto os CDs em termos de fotoestabilidade, eficiência quântica e fluorescência sintonizável, mas os QDs não podem ser usados para rastrear uma única molécula para monitoramento de longo prazo devido ao seu piscar intrínseco [10,11 , 12,13,14,15]. Além disso, a principal armadilha dos QDs é sua toxicidade, que se deve ao seu conteúdo de metais pesados, incluindo metais como o cádmio; isso limita suas aplicações biológicas e ambientais [16,17,18,19]. Em comparação com outras matérias-primas fluorescentes, os CDs são sintetizados a partir de fontes de carbono baratas, abundantes na natureza e, portanto, bio-amigáveis. Além disso, existem vários métodos simples para modificar o estado de superfície dos CDs, que permitem aos pesquisadores ajustar a solubilidade e os rendimentos quânticos dos CDs de acordo com seus requisitos experimentais [20,21,22,23,24,25,26,27,28 , 29,30].

Entre as várias aplicações possíveis dos CDs, aqui resumimos como os CDs podem detectar metais pesados, bem como os tipos de materiais que podem ser utilizados. Alguns metais pesados, como zinco ou ferro, são essenciais para o metabolismo humano e raramente são prejudiciais à saúde humana quando em sua concentração ideal. Em contraste, outros metais, como Hg ²⁺ , Pb ²⁺ e Cd ²⁺ , são prejudiciais para os humanos, mesmo em pequenas quantidades. Esses metais tóxicos são facilmente acumulados no corpo e se coordenam com componentes biológicos, como enzimas e ácidos nucléicos, dificultando as funções e interações biológicas normais. Nesse sentido, os CDs são bons candidatos a componentes para sensores de metal porque são biocompatíveis. Além disso, o rendimento quântico de fluorescência dos CDs pode ser aumentado modificando a superfície do CD, ajustando os componentes intrínsecos e grupos de superfície [31]. Aqui, delineamos os métodos sintéticos e as características físicas dos CDs relatados nos primeiros estudos, e resumimos o progresso recente no uso de CDs como sondas para metais pesados (Fig. 1).

Solução aquosa de CDs anexados a diaminopolietilenoglicol (PEG1500N) ( a ) excitado em 400 nm e fotografado através de filtros de passagem de banda de diferentes comprimentos de onda (conforme indicado) e os CDs ( b ) excitado nos comprimentos de onda indicados e fotografado diretamente [32]

Síntese de pontos quânticos de carbono

Nas últimas décadas, vários métodos sintéticos para a preparação de CDs foram explorados. Esses métodos podem ser amplamente categorizados em duas abordagens:de cima para baixo e de baixo para cima [33]. Simplesmente, o primeiro processo cliva materiais carbonados em massa em CDs por meio de métodos físicos, químicos ou eletroquímicos, enquanto o último sintetiza CDs a partir de precursores apropriados de várias fontes de carbono. A modificação da superfície pode ser aplicada após ou durante a síntese de CD por meio de passivação de superfície, dopagem ou funcionalização. Como muitos procedimentos sintéticos foram resumidos em outro lugar, aqui, descrevemos brevemente o desenvolvimento e os avanços na pesquisa do CD desde os primeiros anos de sua descoberta.

Métodos de cima para baixo

No método de cima para baixo, as macromoléculas de carbono são cortadas em pedaços menores usando forças físicas, como descarga de arco, ablação a laser ou reações eletroquímicas. Posteriormente, outras modificações de superfície são aplicadas para realçar e ajustar sua fluorescência [34]. Os CDs foram descobertos como um subproduto da síntese de nanotubos de parede única (SWNTs) preparados pelo método de descarga de arco [35]. Por causa das impurezas na suspensão resultante, ocorreu mais separação eletroforética e uma banda fluorescente e de movimento rápido foi isolada; estes foram chamados de nanopartículas fluorescentes. Desde então, os pesquisadores ampliaram seu estudo para outros alótropos de carbono, e vários métodos de modificação para criar uma variedade de materiais fluorescentes foram relatados. Sun et al. relataram CDs fotoluminescentes preparados usando ablação a laser (Fig. 2a) [32]. Esses CDs foram preparados a partir da prensagem a quente de cimento e grafite e cortados a laser em câmara de vapor quente. Como os produtos eram compostos de vários tamanhos de partículas não fluorescentes, passivação polimérica adicional com diaminopolietilenoglicol (PEG _1500N ) ou poli (propioniletilenoimina- co -etilenoimina) (PPEI-EI) para conferir fluorescência aos pontos. Um estudo subsequente testou se havia uma relação entre a fluorescência dos CDs e o tipo de solvente. Os CDs iniciais foram preparados a partir de grafite irradiado com um laser em PEG _200N / água [37]. Porque os CDs preparados a partir do PEG _200N eram fluorescentes, o estudo concluiu que solventes podem ser usados para a funcionalização de CDs.

Ilustração da formação de a CDs fluorescentes por ablação a laser com PEG ligado à superfície [32] e b GCDs preparados por esfoliação em um líquido iônico [36]. A inserção é uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) dos GCDs fabricados e a solução iluminada por uma lâmpada UV

Outro estudo relatou outro CD fluorescente preparado usando nanotubos de carbono de múltiplas paredes (MWCNTs) por meio de um método eletroquímico [38]. Os MWCNTs foram colocados entre dois eletrodos em uma solução eletrolítica, e uma tensão foi aplicada a uma taxa constante. A ciclagem de voltagem conduziu recorrentemente à oxidação e redução dos MWCNTs, e isso quebrou as ligações C-C dos MWCNTs, ampliou os defeitos para permitir a incorporação de oxigênio e gerou resíduos de hidroxila / carboxila. Conforme esta reação progrediu, a solução mudou de amarelo para marrom escuro e emitiu luz azul sob irradiação UV. As partículas eram uniformemente esféricas com um tamanho de 2,8 nm de diâmetro. Da mesma forma, outros CDs foram sintetizados a partir do grafite por meio de esfoliação eletroquímica, onde dois eletrodos de grafite são colocados em uma solução eletrolítica alcalina (NaOH / etanol), seguida da aplicação de uma corrente. Os bastonetes de grafite são esfoliados em chips e geram CDs fluorescentes com tamanho de 4 nm [39].

Posteriormente, os pesquisadores tentaram desenvolver métodos mais simples e eficientes de síntese de CD. A seleção de eletrólitos fornece outra maneira de controlar as propriedades dos CDs. Por exemplo, um líquido iônico imidazol pode ser usado como eletrólito. Este líquido desempenha duas funções, atuando como aceptor de elétrons no ânodo e também penetrando na folha de grafite e acelerando o processo de esfoliação [36]. No entanto, sua aplicação gerou uma variedade de tamanhos de partículas e morfologias, e sua remoção é complicada e demorada.

A geração de pontos quânticos de grafeno fluorescente (GQDs) a partir do grafeno requer mais etapas do que outros tipos de macromoléculas de carbono [40]; primeiro, o grafeno deve ser separado de um pedaço de grafite por oxidação [41]; posteriormente, o óxido de grafeno (GO) deve ser cortado com vários métodos, conforme mencionado acima [42,43,44]. O grupo de Pan relatou uma abordagem hidrotérmica simples para o corte da folha de grafeno em GQDs com fotoluminescência azul brilhante [45]. Além disso, Zhu et al. relataram a criação de GQDs com uma estrutura de borda em zigue-zague em grande escala por meio de esfoliação ácida e condicionamento de fibras de carbono de piche [4], e Le et al. preparou CDs fluorescentes pela esfoliação de grafite em líquidos iônicos (Fig. 2b) [46].

Método ascendente

Os métodos ascendentes sintetizam CDs a partir de várias pequenas moléculas de carbono, incluindo citratos, carboidratos e outros materiais verdes. Neste método, é fácil controlar o estado da superfície, bem como o tamanho, dos CDs [47,48,49]. Todo o procedimento sintético é descrito resumidamente. O processo é iniciado a partir da carbonização dos precursores de carbono, que ocorre concomitantemente à desidratação via tratamento térmico por métodos hidrotérmicos, microondas ou pirólise em ácidos concentrados (Fig. 3) [50,51,52]. O método hidrotérmico assistido por micro-ondas é comum e é fácil de sintetizar CDs de várias fontes orgânicas, incluindo sacarose, glicose, sacarídeos, aminoácidos e proteínas, que podem ser usados como blocos de construção para CDs [53,54,55 , 56]. Devido à diversidade de materiais precursores, vários grupos funcionais permanecem após a síntese e são benéficos para aumentar a fluorescência dos CDs. Também é possível criar CDs pelo refluxo da fuligem da vela em um ácido forte, onde a oxidação pelo ácido é importante para a dissolução da fuligem [57]. No entanto, os produtos fluorescentes derivados de pequenas moléculas de carbono limitam a produção em massa de CDs e carecem de controle de qualidade devido à heterogeneidade.

a Esquema mostrando a formação ascendente de CDs em diferentes temperaturas e b a relação entre os diferentes produtos [50]

Propriedades físicas de pontos de carbono

Estruturas

Compreender as estruturas dos CDs é fundamental para compreender seus principais recursos, incluindo fluorescência. Os CDs geralmente têm um espaçamento de rede no plano grafítico de 0,18–0,24 nm e espaços entre camadas de grafite de 0,32 nm (Fig. 4a). Embora a estrutura detalhada dos CDs varie dependendo das matérias-primas e do método sintético, é geralmente aceito que os CDs são compostos de núcleos cristalinos de carbono semelhantes a sp ² aglomerados de carbono e amorfos (Fig. 4b) [33, 58, 59]. Geralmente, o grau de cristalinidade dos CDs é inferior ao dos GQDs e alguns CDs contêm sp ³ semelhante a diamante carbono [37]. A espectroscopia Raman reforça essas observações, e dois picos em torno de 1350 e 1600 cm ⁻¹ são tipicamente observados, indicando sp desordenado ² carbono e carbono grafítico cristalino, respectivamente [33, 59]. Além da estrutura de carbono do núcleo, diferentes grupos funcionais são geralmente introduzidos em CDs por meio de passivação de superfície ou funcionalização, e estes protegem a superfície e aumentam a fluorescência dos CDs.

a Imagens TEM de alta resolução mostrando a medição do espaço entre treliças de CDs e b representação esquemática de CDs com um núcleo carbogênico contendo sp ² carbono [33]

Fluorescência

É geralmente aceito que o estado da superfície dos CDs está intimamente relacionado com sua fluorescência. No entanto, devido à complexidade estrutural dos CDs, o mecanismo subjacente exato da fluorescência do CD não é claro e requer esclarecimento. Pan et al. abordou esta questão com CDs coloridos e azuis (Fig. 5) [60]. As propriedades ópticas dos CDs, mesmo aqueles preparados com os mesmos materiais (misturas com a mesma proporção de ácidos cítricos e formamida), podem diferir dependendo da temperatura e da duração do calor aplicado no método hidrotérmico de microondas. Ou seja, duas amostras de CD diferentes podem exibir diferentes espectros de fluorescência. Os CDs preparados em altas temperaturas para longos tempos de reação apresentaram um espectro de cores completo, enquanto aqueles criados em um curto período em baixas temperaturas apresentaram uma cor azul quando irradiados com o mesmo comprimento de onda. Isso poderia ser atribuído às diferenças no tamanho dos CDs, que afetam os perfis de emissão dos CDs porque, como os QDs de semicondutores, sua emissão depende dos efeitos de confinamento quântico; isto é, conforme o tamanho dos QDs diminui, a lacuna de energia entre a camada de valência e a banda de condução se alarga e o comprimento de onda de emissão diminui. No entanto, as diferenças também podem surgir devido ao estado da superfície dos CDs, e a investigação revelou que os CDs coloridos tinham mais grupos funcionais, incluindo C =N / C =O e grupos CN, em suas superfícies do que a outra amostra [ 59, 60]. Consistente com o estudo anterior, a evidência sugere que a fluorescência dos CDs não é causada por um único fator, mas surge de uma combinação de vários fatores, como tamanho, passivação de superfície, grupos funcionais e heteroátomos [61].

a Esquema da preparação dos CDs de emissão em cores. b Espectros de fluorescência dos CDs fluorescentes (F-CDs) sob diferentes comprimentos de onda de excitação. c Espectros de absorção de UV-vis dos F-CDs. d Fotografias de emissão de fluorescência dos F-CDs gravadas de 330 a 600 nm em incrementos de 30 nm. Todos os espectros e fotografias foram obtidos em H ₂ desionizado O [60]

Passivação de superfície e doping

CDs originais, também chamados de CDs não dopados, expuseram locais de carbono e oxigênio após a etapa inicial de síntese [33]. A passivação protege os grupos contendo carbono e oxigênio na superfície da interação com outras moléculas orgânicas, preservando assim as propriedades optoeletrônicas dos CDs. PEG polimérico _1500N foi introduzido em CDs por tratamento com ácido, e isso mostrou aumentar a fluorescência dos CDs [32]. A passivação da superfície em si também contribui para a funcionalização dos CDs sem necessidade de modificações adicionais. Muitos outros materiais também foram aplicados, tais como diferentes pesos moleculares de PEG, polietilenoimina ramificada (b-PEI) e PEG oligomérico terminado por diamina, produzindo CDs passivados com poliamina e CDs funcionalizados com aminas livres; isso permite o ajuste de fluorescência [62]. Diferentes grupos funcionais afetam os níveis de energia dos CDs, que alteram e aumentam a absorção de luz e o espectro emissivo das sondas. Além disso, a modificação da superfície também permite a modulação da solubilidade dos CDs em certos solventes. Por exemplo, o tratamento com ácido de CDs geralmente resulta na incorporação de grupos carboxila, carbonila e hidroxila [32, 57].

Burlinos et al. demonstraram a funcionalização de CDs por pirólise em uma etapa, na qual uma mistura de ácido cítrico e diferentes aminas sofre decomposição térmica. Nesse sistema, o citrato forneceu o núcleo de carbono, enquanto as aminas foram anexadas como grupos funcionais nos CDs [63]. Yang et al. relataram um método para a preparação em grande escala de CDs dopados com metais pesados com fotoluminescência ajustável [64]. Inicialmente, as nanopartículas de carbono da tinta da China foram oxidadas e clivadas simultaneamente usando um processo estabelecido para obter CDs oxidados como precursores. Em seguida, CQDs dopados com heteroátomo (N, S ou Se) foram obtidos por uma redução hidrotérmica de uma etapa e tratamento de dopagem in situ. Os CQDs dopados com metais pesados têm apenas 1–6 nm de tamanho e melhoram a fotoluminescência com diferentes comprimentos de onda de emissão, dependendo da eletronegatividade dos heteroátomos (Fig. 6). Além disso, esses CDs dopados com N e S foram muito sensíveis para a detecção de Cu ²⁺ e Hg ²⁺ , respectivamente [64].

A relação entre a eletronegatividade de heteroátomos e o comprimento de onda de emissão (λ _em ) dos CDs dopados [64]

Como o grafeno é um material de banda zero, é necessário introduzir propriedades optoeletrônicas ao grafeno puro [65]. A incorporação de átomos dopantes é uma maneira promissora de ajustar as propriedades de fluorescência do grafeno. A funcionalização química também permite que o intervalo de banda seja alterado, e as mudanças nos intervalos de banda resultam em mudanças no nível de Fermi [66]. A dopagem com mais átomos eletronegativos do que o carbono, como o nitrogênio, leva a uma mudança para o azul na emissão, enquanto a dopagem com menos elementos eletronegativos do que o carbono, como o enxofre e o selênio, muda a fluorescência para o vermelho [64]. Em particular, a introdução de oxigênio, especialmente grupos epóxi ou hidroxila, amplia o gap do sp ² -rede de carbono hibridizado. Após a formação do CD, os CDs dopados com N foram preparados por tratamento sequencial com fontes de carbono orgânico, como hidrazina, uréia, hexametilenotetramina, dietilamina, etanolamina e etilenodiamina, o que aumentou a densidade eletrônica, reduziu a função de trabalho dos CDs e resultou em um mudança para o azul na emissão. Além disso, Umrao et al. relataram uma rota sequencial ascendente para produzir GQDs luminescentes verdes e azuis (g-GQDs e b-GQDs) adaptando reversivelmente o tamanho e os grupos funcionais por meio de carbonização por microondas e processos de aromatização a partir de acetilacetona como solvente orgânico inicial (Fig. 7) [ 56]. Em contraste com a luminescência verde inicial de g-GOD, os b-GQDs como o produto final mostram apenas um pico de emissão em 433 nm e luminescência azul independente de pH porque o processo de irradiação de microondas em duas etapas reduziu o tamanho e os grupos funcionais de oxigênio dos g-GQDs como um produto intermediário.

Ilustração esquemática da rota ascendente de microondas para GQDs verdes e GQDs azuis:círculos verdes indicam grupos carboxila e carbonila, e círculos azuis indicam grupos hidroxila [56]

Decoração de CDs para detecção de metais pesados

Os metais pesados são frequentemente necessários e raramente são prejudiciais à saúde humana em baixas concentrações, mas seu acúmulo pode levar a um amplo espectro de doenças debilitantes. Além disso, poluição por metais pesados, que é causada predominantemente por Hg ²⁺ , Como ³⁺ , Pb ^2+, Cd ²⁺ e Cu ²⁺ , é considerada uma das ameaças mais deletérias ao meio ambiente, que pode comprometer permanentemente a sustentabilidade global [67]. Portanto, o desenvolvimento de sistemas versáteis para monitorar rastros de metais pesados continuamente é crucial na sociedade moderna.

Os CDs são candidatos desejáveis para uso em detectores potáveis por causa de sua abundância, alta estabilidade, baixa toxicidade e natureza barata [68,69,70,71]. Além disso, a modificação da superfície é fácil e pode ser usada para tornar os CDs solúveis em água, além de resultar em altos rendimentos quânticos de fluorescência, tornando-os candidatos atrativos para nanomateriais biocompatíveis [72]. A ligação e interação entre as sondas e metais pesados causa mudanças nas propriedades físico-químicas dos fluoróforos, incluindo a intensidade de fluorescência, tempo de vida e anisotropia, e fornece um sinal significativo que pode indicar seletivamente analitos com alta sensibilidade como resultado do confinamento quântico. Aqui, delineamos estudos recentes relacionados a diferentes tipos de materiais de superfície que irão facilitar a aplicação de CDs na detecção de metais pesados [73,74,75,76,77].

Moléculas orgânicas

Os CDs inicialmente sintetizados não exibem fluorescência e são mal dispersos em solventes polares, como H ₂ O e etanol, que limita a utilização de CDs fluorescentes como sondas ambientais ou para aplicações biológicas na detecção de metais pesados. Consequentemente, vários pesquisadores têm se concentrado no desenvolvimento de CDs para aumentar seu rendimento quântico e dispersibilidade em solventes polares. Uma maneira fácil de conseguir isso é incorporar vários grupos funcionais na superfície dos CDs. Zhu et al. relataram um método hidrotérmico fácil usando ácido cítrico e etilenodiamina; curiosamente, eles investigaram como as mudanças na proporção dos dois precursores afetaram o rendimento quântico em resposta ao Fe ³⁺ . Eles descobriram que a mudança da proporção dos dois componentes alterou o número de resíduos de hidroxila e carboxila incorporados. Assim, o produto final apresentou diferentes intensidades de fluorescência. Sem os grupos amina, o rendimento quântico foi inferior a 10% e o rendimento quântico máximo foi 60% em comparação com os do sulfato de quinina. A fluorescência dos CDs foi extinta na presença de Fe ³⁺ , provavelmente devido à coordenação entre os grupos hidroxila dos CDs e Fe ³⁺ . O limite de detecção para Fe ³⁺ foi de 1 ppm [78]. Este resultado sugere claramente que o ajuste dos grupos funcionais é importante para alcançar a fluorescência ideal da sonda. Sun et al. também relataram a preparação de GQDs funcionalizados com amina a partir de amônia por tratamento hidrotérmico, e isso aumentou o rendimento quântico em oito vezes em comparação com os GQDs nativos. Além disso, os GQDs mostraram alta seletividade para íons cobre [79]. Dong et al. relatou um método eficaz para detectar traços de Cu ²⁺ íons usando CDs ramificados funcionalizados com polietilenoimina como sondas fluorescentes [80]. Um aumento na intensidade de fluorescência ocorreu na exposição a Cu ²⁺ . Além disso, eles testaram esta sonda em amostras reais de água de rio, e mostrou uma resposta linear de um Cu ²⁺ concentração de 0 a 9 μM; este sensor foi afetado pelo pH, porém apresentando sensibilidade apenas em pH 4,0.

Um método para adaptar nanomateriais à base de carbono é a introdução de outros átomos, como nitrogênio e enxofre, alterando assim as propriedades eletrônicas. A dopagem de grafeno com nitrogênio forma N-grafeno, que tem propriedades diferentes em comparação com o grafeno puro. Os dopantes de nitrogênio afetam a distribuição das densidades de carga e spin dos átomos de carbono, ativando assim a superfície de grafeno [81, 82]. Ju et al. relataram que GQDs dopados com N sintetizados a partir de ácido cítrico e dopados com hidrazina por meio de um método hidrotérmico simples que são sensíveis a Fe ³⁺ , tendo um limite de detecção de 90 nM [83]. Assim, a dopagem com heteroátomo pode alterar drasticamente as características eletrônicas dos GQDs, e a detecção seletiva e sensível sem rótulo de íons Fe (III) pode ser realizada em amostras reais de água. Assim, este método fornece uma rota simples e de baixo custo para a produção de plataformas de sensores.

CDs co-dopados com nitrogênio-enxofre preparados a partir de um único precursor polimérico como sondas fotoluminescentes altamente sensíveis para detecção de mercúrio foram desenvolvidos por Mohapatra et al. A fluorescência liga-desliga mudou com a adição de mercúrio, e isso é atribuído à transferência de elétrons não radiativos do estado excitado para o orbital d do íon metálico. As interações soft-soft e ácido-base entre a parte de enxofre do CD e Hg ²⁺ tornar a sonda fluorescente mais específica e seletiva para Hg ²⁺ , tendo um limite de detecção de 0,05 nM para íons de mercúrio [84]. Além disso, Wang et al. relataram a síntese de CDs dopados com boro (B-C-dots) por síntese hidrotérmica usando ácido ascórbico e ácido bórico como precursores. Devido à transferência de carga entre os átomos de oxigênio quelato na superfície do CD, a fluorescência forte pode ser extinta pelos íons Cu (II) e Pb (II) [85].

Barman et al. relataram QDs de nitreto de carbono grafítico fluorescente altamente azul (g-CNQDs) para a detecção de íons mercúrico e iodeto. O mercúrio foi escolhido como alvo porque causa uma síndrome neurológica chamada doença de Minamata [86]. Para sintetizar os g-CNQDs, a síntese mediada por microondas foi usada com um precursor de formamida. Por causa de sua maior afinidade com o nitrogênio do que com o carbono, seu grande raio e sua capacidade de formar complexos com nitrogênio, Hg ²⁺ Os íons podem afetar a extinção das propriedades de fluorescência dos g-CNQDs de forma sensível e seletiva. A formação do aglomerado não fluorescente g-CNQD- (Hg ²⁺ ) _x complexo resultou em um estado não fluorescente “DESLIGADO”, enquanto a adição de I ^- íons mudaram este estado “DESLIGADO” para um estado “LIGADO”, indicando que a formação de Hg quelante ²⁺ complexo (Fig. 8).

a Esquema de grafeno dopado com N- (Hg ²⁺ ) Grafeno complexo e dopado com N na adição de íons-I. b A mudança na emissão de fluorescência do grafeno dopado com N (5 μg L ⁻¹ ) na água com a adição de Hg ²⁺ íons. c Extinção de fluorescência de Hg ²⁺ íons comparados aos de outros íons de metal [86]

Biomoléculas e materiais naturais

As biomoléculas têm grande potencial para a modificação ou síntese de CDs quando há preocupações com relação à toxicidade e biocompatibilidade. Vários componentes bioquímicos produzidos na natureza, incluindo aminoácidos, oligossacarídeos e suas macromoléculas e derivados, podem ser usados. Liu et al. relataram que CQDs revestidos com lisina modificados com albumina de soro bovino (CQDs-BSA-Lys) poderiam ser usados para a detecção de Cu ²⁺ íons [87]. A síntese dos CDs puros foi realizada usando uma mistura de glicose e PEG ₂₀₀ por tratamento de microondas. BSA foi misturado com um reagente de acoplamento com agitação suave, resultando na formação de carbodiimida. A adição subsequente de lisina aumentou muito a fluorescência do CQDs-BSA, provavelmente por causa das interações entre os ácidos carboxílicos e aminas de BSA e lisina, bem como a formação de uma camada de revestimento, o que provavelmente reduziu os defeitos de superfície no CDs. Os CDs foram testados quanto à sua função como uma sonda seletiva de cobre na presença de vários metais pesados, e a sonda mostrou especificidade para cobre, detectando Cu ²⁺ concentrações de 2 nmol (Fig. 9). O Cu ²⁺ íons parecem formar múltiplos complexos de coordenação em torno dos ácidos carboxílicos e aminas de lisina nos CQDs e glicina nos CQDs parcialmente não revestidos [87].

a Esquema da modificação do CD com BSA e Lys e Cu ²⁺ detecção. b A seletividade da sonda fluorescente de CDs-BSA-lisina para 2 nmol Cu ²⁺ na presença de outros cátions sob condições ideais [87]

GQDs funcionalizados com valina (Val-GQDs) foram sintetizados por mistura simultânea com ácido cítrico via pirólise térmica [88]. Os GQDs básicos foram formados a partir do ácido cítrico pirolisado por desidratação e carbonização, e a valina incorporada levou a alterações na fluorescência. O rendimento quântico dos Val-GQDs foi quadruplicado em comparação com os GQDs originais. O aumento no rendimento quântico foi causado por mudanças nas propriedades estéricas e eletrônicas, provavelmente induzidas pelo aumento das porções de nitrogênio nos grupos piridina e pirrol formados após a funcionalização com valina [88, 89]. Curiosamente, a presença de frações de valina nos Val-GQDs resultou em uma resposta fluorescente mais sensível ao Hg ²⁺ , mostrando um limite de detecção de 0,4 nM (razão sinal-ruído =3) e uma sensibilidade 14 vezes maior do que os GQDs não modificados.

Chowdhury et al. selecionou a dopamina, um neurotransmissor bem conhecido derivado de aminoácidos, como um conjugador [90]. A ideia deles foi baseada no fato de que a dopamina forma Fe ³⁺ complexos no corpo, o que aumentaria a fluorescência e a sensibilidade ao Fe ³⁺ de GQDs. Os GQDs foram fabricados pela pirólise do ácido cítrico, seguida de conjugação covalente com dopamina. After the addition of ferric ions, complexes with the catechol moiety of dopamine formed, followed by oxidation to o-semiquinone, resulting in a decrease in the fluorescence intensity of the GQDs (Fig. 10a). The fluorescence intensity changed linearly within a range of 0–1.5 μM, and the lowest limit of the detection was 7.6 nM. Cui et al. [91] prepared and tested a fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based system to detect Hg²⁺ using oligodeoxyribonucleotide-conjugated CDs (ODN-CDs). The thymine-rich 22-base-pair nucleotides on the CDs act as electron donor and the GO acts as an electron acceptor. In the absence of Hg²⁺ , the energy of the fluorescence emitted from the oligomers on the CDs was absorbed into GO, and its fluorescence was quenched. On the other hand, in the presence of Hg²⁺ ions, the thymine in the oligomers selectively interact with Hg²⁺ , forming self-hybridized oligomers. The folded structure of the ODN-CDs prevents the interaction with GO, so the quenched fluorescence is recovered (Fig. 10b) [91]. Therefore, the fluorescence was recovered as the mercury concentration increase, and this system could monitor the Hg²⁺ concentration in a linear range from 5 to 200 nM with selectivity for mercury over other cationic metals except Fe²⁺ .

Schematic of the a preparation of a dopamine-functionalized GQD (DA-GQD) sensor [89], and b the proposed mechanism for Fe³⁺ ions and the FRET-based sensor system for Hg²⁺ detection using CDs and GO [91]

Chitosan is a natural material and is the main component of the outer shells of shellfish such as crabs. Its abundance and biosafety are advantageous for its use as a CD precursor, and studies have shown that it can be used to produce N-doped CDs in a simple process because it provides both carbon and nitrogen together [91]. This method overcomes the general problems suffered by CDs derived from natural materials, which often have low quantum yields, and the CDs showed a 31.8% quantum yield. In addition to smartphone applications, these materials also have possible applications as portable detection probes for Hg²⁺ , having a detection limit of 80 nM. The N-doped CDs showed strong fluorescence near 440 nm without Hg²⁺ , whereas the fluorescence was greatly quenched in the presence of Hg²⁺ . Its fluorescence decay was linear within a range of 80–300 μM Hg²⁺ [92].

Sahu et al. reported a green synthesis for the fabrication of highly fluorescent CDs from natural source, the leaves of Ocimum sanctum , in a single step. The eco-friendly prepared CDs have excellent selectivity toward Pb²⁺ ions with a detection limit of 0.59 nM and linear detection range of 0.01–1.0 μM and good cell-permeability and low cytotoxicity, thus effectively used for the fluorescence cell imaging [93].

Metal Nanoparticles

Novel metal nanoparticles, such as those of Au, Ag, and Pt, exhibit distinctive surface plasmon resonance (SPR) peaks depending on their size and shape. Interestingly, composites of carbon-based nanomaterials and novel metal nanoparticles have been studied because of their characteristic optical properties. Noble metal clusters can be immobilized with great stability through hybridization between the sp² dangling bonds at the defect sites of graphene sheets and the clusters. After immobilization, the fluorescence of the GQDs can be quenched by these metal nanoparticles or clusters of ions can form by charge transfer processes [94]. Inspired by these phenomena, Ran et al. synthesized Ag nanoparticles decorated with GQDs for the rapid, and sensitive detection of Ag⁺ and bithiols [95]. The formation of AgNPs on GQDs quenches the fluorescence of the GQDs, and the addition of bithiols causes a further turn-off phenomenon via their strong interactions through the formation of Ag–S bonds.

Ting et al. reported novel conjugates of cysteamine-capped gold nanoparticles (AuNPs) and GQDs, and these were used for the sensitive electrochemical detection of Hg²⁺ e Cu ²⁺ with detection limits of 0.02 and 0.05 nM, respectively [96]. The Hg²⁺ ions are pre-concentrated onto the electrode by applying a negative voltage (− 0.2 V and 120 s), and the negatively charged hydroxyl and carboxyl groups interact with Hg²⁺ because of the formation of R-COO-(Hg²⁺ )-OOC-R groups, as well as the initial binding of mercury onto AuNPs. In the case of Cu²⁺ ions, the anodic stripping voltage of copper occurs at 0 V, meaning that it is clearly separated from that of mercury ions and implying the possibility of the simultaneous detection of the two-ion species. In addition, Bourlinos et al. presented the synthesis of ultrafine sized Gd(III)-doped CDs with dual fluorescence/magnetic resonance imaging (MRI) character via the thermal decomposition of a precursor composed of an organic salt and a gadolinium(III) complex. The dots are water-dispersible, display bright fluorescence in the visible range upon light excitation, and show strong T1-weighted MRI contrast comparable to that of commercial Gadovist, as well as possess low cytotoxicity (Fig. 11) [97].

Synthesis of Gd-QCDs. The Gd(III) centers are immobilized in the carbonaceous matrix through coordination by residual O and N heteroatoms [97]. The inset shows the MRI positive contrast effects in T1-weighted images of the Gd-QCDs and the commercial Gd-based contrast agent-Gadovist

Zhang et al. reported an efficient CQD-gold nanocluster (CQDs/AuNCs) nanohybrid prepared by a one-step hydrothermal treatment with alanine and histidine. The hybrid materials were used for ratiometric fluorescent probe for sensitive and selective sensing of CD (II) ions with a detection limit of 32.5 nM. Interestingly, the quenched fluorescence by Cd²⁺ can be gradually recovered upon the concentration of l-ascorbic acid (AA)with a detection limit of 105 nM and this fluorescent “on-off-on” system can be practically used for the excellent detection to Cd²⁺ and AA in lake water and in human serum, respectively [98].

Conclusion

Much research into carbon-based quantum dots has been reported in the last few decades, and a wide range of synthetic methods and characterization techniques have been used. In most cases, studies of these fluorescent materials have focused on their bioimaging applications. Although some heavy metals are essential in the human body, excess heavy metals cause disease, for example, Minamata disease and Itai-itai disease. Thus, recent progress in fluorescent CDs has opened the possibility of developing portable detectors for dangerous heavy metals, and we have outlined recent studies related to surface materials that will enable the development of heavy metal sensors as a portable device [99]. Moreover, the progress in biocompatible fluorescent CDs enables harmless onsite detection as well as the color-mediated analysis provides easy interpretable readout even for non-professional persons. However, relatively low solubility of CDs in water remains challenges and low cost for fabricating devices is another requirement for the use of CDs in various fields, even though many synthetic methods have been developed. In addition, the exact mechanism for different photoluminescent which depends on the synthetic method and raw carbon sources should be more cleared. We hope that this review will inform researchers about the recent progress in carbon-based quantum dots for heavy metal sensing, leading to develop new eco-friend and cost-effective synthetic methods and practical use.

Disponibilidade de dados e materiais

It is a review article that gives a comprehensive study about the recent progress in carbon-based quantum dots for fabrication, features, and application in heavy metal sensing.