Pontos Quânticos de Carbono Fluorescentes Brilhantes a Partir de Suco de Limão: Síntese Hidrotérmica e Caracterização Óptica

Resumo

Pontos quânticos de carbono (CQDs) solúveis em água e fluorescentes são sintetizados utilizando suco de limão como recurso de carbono via reação hidrotérmica simples. Os CQDs obtidos têm tamanho médio de 3,1 nm. Revelam morfologia uniforme e bem cristalinos e podem gerar emissão de luz azul-esverdeada brilhante sob irradiação UV ou luz azul. Descobrimos que a fluorescência destes CQDs é induzida principalmente pela presença de grupos contendo oxigênio na superfície e borda dos CQDs. Além disso, demonstramos que os CQDs preparados podem ser aplicados à imagem de células vegetais. Este estudo relaciona-se à fabricação, investigação e aplicação de nanoestruturas de carbono recém-desenvolvidas.

Introdução

Ponto quântico de carbono (CQD) é nova classe de nanomaterial à base de carbono normalmente com tamanho espacial menor que 20 nm, descoberto por Xu et al. em 2004 [1]. Nanopartículas de carbono fluorescentes foram fabricadas por Sun et al. via ablação a laser de pó de grafite em 2006 [2] e desde então nomeadas "pontos quânticos de carbono (CQDs)". CQDs fluorescentes têm grande potencial para aplicação em fotocatálise, dispositivos optoeletrônicos, biomedicina, displays de filme fino, iluminação saudável e outras disciplinas de aplicações práticas. Comparados com pontos quânticos baseados em semicondutores tradicionais, CQDs podem ser obtidos por técnicas de fabricação de baixo custo e possuem características fascinantes e importantes como boa biocompatibilidade, alvo biológico preciso, baixa toxicidade e efeito de tamanho quântico mais forte. Nos últimos anos, CQDs fluorescentes atraíram tremenda atenção [3, 4] devido às suas excelentes propriedades estruturais e ópticas [5]. Foram propostos como materiais de substituição para pontos quânticos de semicondutores convencionais em áreas incluindo imagem biológica, marcação biológica, LED de ponto quântico (QLED), proteção ambiental e outros campos relacionados [6,7,8,9]. A pesquisa em CQDs cresce rapidamente em física da matéria condensada, ciência de materiais, eletrônica e optoeletrônica. Estudos fundamentais e de aplicação têm sido extensivamente realizados mundialmente [3,4,5,6,7,8,9].

Atualmente, existem diversas técnicas [10, 11] para sintetizar CQDs, como abordagem hidrotérmica [11, 12], método de micro-ondas [13], etc. CQDs foram sintetizados de vários precursores de carbono como glicose [14], ácido cítrico [15] e ácido ascórbico [16]. No entanto, a técnica para fabricação eficiente de CQDs fluorescentes biocompatíveis em larga escala de produção ainda é necessária e tornou-se desafio para aplicações práticas dos CQDs. Notou-se que a síntese direta de CQDs a partir de produtos alimentícios [17,18,19] e/ou subprodutos [20] é uma das estratégias promissoras e significativas. Pontos de carbono emissores de vermelho (R-CDs) com diâmetro médio de 4 nm e alto rendimento quântico (QY) de 28% em água foram sintetizados [21] aquecendo solução etanólica de suco de limão sem polpa. Um forte redutor NaBH₄ adicionado aos R-CDs foi usado para aumentar intensidade de emissão de luz dos R-CDs. No entanto, sabemos que NaBH₄ é tóxico. Muito recentemente, fabricamos CQDs emissores de verde e azul a partir de efluente de tofu sem adicionar substâncias tóxicas [22]. CQDs feitos de produtos alimentícios e/ou subprodutos são considerados seguros para aplicações biológicas porque há quase nenhuma toxicidade conhecida nesses recursos naturais de carbono. Recentemente, várias investigações sérias foram realizadas para sintetizar CQDs de recursos de carbono não-tóxicos usando abordagem de uma etapa e progresso significativo foi alcançado na síntese, estudo e aplicação desses CQDs. Por exemplo, alho foi usado como fonte verde para sintetizar CQDs [23]. Estudos estruturais e de composição detalhados demonstraram [23] que o conteúdo de N e formação de C–N e C=N são chaves para melhorar o rendimento quântico de fotoluminescência (PL). Além disso, CQDs exibem excelente estabilidade em ampla faixa de pH e altas concentrações de NaCl, tornando-os aplicáveis em condições complexas e severas [23].

A motivação principal do presente trabalho é desenvolver método experimental simples e eficiente para fabricação de baixo custo de CQDs a partir de suco de limão usando tratamento hidrotérmico em temperaturas relativamente baixas e processo menos demorado. Sabe-se que suco de limão pode ser facilmente e barato obtido, sendo boa fonte de carbono para fabricação de amostras e dispositivos baseados em CQDs. Comparado com estudo prévio [21], os CQDs não-tóxicos obtidos em nosso trabalho são mais adequados para imagem biológica e marcadores celulares. Neste estudo, também conduzimos exame das propriedades básicas de material e ópticas dos CQDs realizados a partir de suco de limão e aplicamos os CQDs à imagem de células vegetais.

Métodos

Materiais Precursores

Neste estudo, os materiais precursores de carbono são obtidos de suco de limão fresco. Os principais ingredientes e suas porcentagens são obtidos por medição de cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) como mostrado na Tabela 1. Para preparação da amostra, o limão fresco tomado como fonte de carbono e cebola fresca usada para imagem celular foram comprados no supermercado local. O etanol era analiticamente puro e usado como agente dispersante. Água desionizada (18,25 MΩ cm) foi usada nos experimentos.

Síntese de CQDs

CQDs foram sintetizados a partir de suco de limão por tratamento hidrotérmico simples em temperaturas relativamente baixas e processo menos demorado. Os processos típicos de preparação da amostra são mostrados na Fig. 1. Oitenta mililitros de suco de limão sem polpa foi misturado com 60 mL de etanol. A mistura foi então transferida para autoclave de aço inoxidável equipada com politetrafluoretileno e aquecida a temperatura constante cerca de 120 °C por 3 h. Após a reação, o produto marrom escuro foi obtido após resfriamento natural à temperatura ambiente. A solução marrom escura foi lavada com excesso de diclorometano para remover moieties orgânicos não reagidos e esta etapa pode ser repetida 2–3 vezes. Água desionizada foi adicionada até o volume da solução marrom aumentar até um terço da solução e centrifugada a 10000 rpm por 15 min para separar partículas grandes. Assim, as amostras de CQD podem ser obtidas por carbonização de suco de limão, que contém carboidratos e ácidos orgânicos como glicose, frutose, sacarose, ácido ascórbico, ácido cítrico, etc. como precursores de carbono. Nossa reação hidrotérmica facilitada está em temperatura mais baixa (120 °C) e leva menos tempo (3 h), comparado ao método relatado [24].

Caracterização

Morfologia e microestruturas dos CQDs realizados a partir de suco de limão foram analisadas por microscópio eletrônico de transmissão (JEM 2100, Japão) operado a 300 KV. Fase cristalina dos CQDs foi investigada por difração de raios-X (Rigaku TTR-III, Japão) usando radiação Cu-Kα (λ = 0,15418 nm). Espectro de absorção UV-Vis foi medido por espectrofotômetro UV-Vis (Specord200). Emissão de luz induzida por fótons foi examinada por espectrofotômetro de fluorescência (IHR320, HORIBA Jobin Yvon, EUA) para diferentes comprimentos de onda de excitação variando de 330 a 490 nm. Espectros de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foram registrados por espectrômetro de fotoelétrons PHI5000 Versa Probe II com Al Kα a 1486,6 eV.

Resultados e Discussões

Imagens de microscópio eletrônico de transmissão (TEM) dos CQDs são mostradas na Fig. 2. A imagem TEM de baixa ampliação das amostras preparadas indica que CQDs têm dispersão uniforme. CQDs são esféricos com distribuição estreita de tamanho variando de 2,0 a 4,5 nm e tamanho médio de 3,1 nm mostrado na Fig. 2b, c. Figura 2d mostra espaçamento de rede de 0,215 nm correspondente à faceta [100] de carbono grafítico, e o padrão correspondente de transformada rápida de Fourier (FFT) dos CQDs mostra ainda estrutura altamente cristalina, consistente com relato prévio [25]. Comparado com estudos prévios [19, 21,22,23], como mostrado na Fig. 2, os CQDs obtidos em nosso trabalho não apenas têm boa qualidade mas também mostram morfologia uniforme melhor. Portanto, CQDs com morfologia arredondada uniforme e bem cristalinos podem ser fabricados através de processo hidrotérmico facilitado. O rendimento de produção (PY) de CQDs pode ser calculado segundo definição PY = (m/M) × 100%, onde m é massa dos CQDs, e M é massa de suco de limão fresco. O rendimento de produção de CQDs preparados neste estudo é cerca de 0,1% segundo resultados de medição, ou seja, 100 g líquido com 6,30% de ácido cítrico pode obter cerca de 0,1 g CQDs (ver Tabela 1).

O típico padrão de difração de raios-X (XRD) e perfil XPS dos CQDs são mostrados na Fig. 3. Há um pico largo (002) centrado a 2θ~21,73°, e o espaçamento intercamadas foi calculado como 0,409 nm, correspondendo à estrutura de grafite, como mostrado na Fig. 3a, similar aos valores relatados para CQDs preparados por outros métodos [15, 26]. A variação de distância intercamadas pode ser causada pela introdução de mais grupos contendo oxigênio como presença de –OH e –COOH na superfície e borda dos CQDs durante o procedimento de reação hidrotérmica para preparação dos CQDs. XPS e FTIR foram empregados para detectar composição dos CQDs. Como mostrado na Fig. 3b, c, o espectro XPS mostra pico dominante de C1s grafítico a 284,5 eV e pico O1s a 531,4 eV dos CQDs. O pico típico a 284,7, 286,5 e 288,9 eV em varredura de alta resolução do espectro XPS C1s (Fig. 3c) é atribuído a C=C/C–C, C–O e C=O/COOH, respectivamente. Indica claramente que CQDs foram funcionalizados com grupos hidroxila, carbonila e ácido carboxílico, benéficos para modificação e funcionalização de superfície, e também favoráveis à solubilidade em água. Figura 3d mostra espectro de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) dos CQDs. A presença de funcionalidades de oxigênio de diferentes tipos nos CQDs foi confirmada por picos a 3450 cm⁻¹ (vibrações de estiramento O–H), 2927 cm⁻¹, 1407 cm⁻¹ (vibrações de estiramento C–H), 1726 cm⁻¹(vibrações de estiramento C=O), 1639 cm⁻¹ (vibrações de estiramento C=C), 1227 cm⁻¹ (vibrações de estiramento C–OH), e 1080 cm⁻¹ (vibrações de estiramento C–O). Nota-se que análise FTIR está alinhada com resultado XPS acima. Mais importante, o pico C–O–C (epóxi) desapareceu completamente a 1290 cm⁻¹. Esses resultados implicam mecanismo de formação de CQDs, com grupos epóxi rompendo e ligações C–C subjacentes formadas, subsequentemente domínios sp² extraídos de precursores de moléculas pequenas como glicose, frutose, ácido ascórbico e ácido cítrico por desidratação ou carbonização adicional e finalmente formar CQDs. Portanto, a quebra de ligação dos grupos de oxigênio circundantes contribui para formação dos CQDs [15, 27].

Para examinar propriedades ópticas dos CQDs, espectros de absorção ultravioleta-visível (UV-Vis) e fotoluminescência (PL) dos CQDs foram medidos. Como mostrado na Fig. 4a, pico de absorção óptica dos CQDs foi observado na região ultravioleta com absorção máxima a 283 nm, devido a transição n-π* da banda C=O [29]. O espectro PL na Fig. 4b mostra que comprimento de onda de emissão PL dos CQDs atinge pico a 482 nm com comprimento de onda de excitação de 410 nm. Comprimento de onda de emissão deslocou-se de 430 a 530 nm quando comprimento de onda de excitação aumentou de 330 a 490 nm. Com aumento do comprimento de onda de excitação, picos de emissão de fluorescência tendem a deslocamento para vermelho, referindo-se à ocorrência de reabsorção de fótons. O resultado revela que CQDs têm característica PL dependente de excitação [30]. CQDs fluorescentes verdes também mostram pico PL largo que se desloca com mudança de comprimento de onda de excitação, relacionado a efeito de confinamento quântico e defeitos de borda. Com medição PL padrão [22], o rendimento quântico de fluorescência dos CQDs é 16,7% com comprimento de onda de excitação de 410 nm, onde sulfato de quinina foi usado como referência. Este valor é significativamente melhor que QY (8,95%) de CQDs feitos de suco de limão em relato prévio [24]. Sabe-se que QY dos CQDs pode ser dramaticamente aumentado após modificação ou passivação de superfície [30]. A adição de etanol durante o processo de síntese pode introduzir mais grupos funcionais que podem resultar em QY mais alto dos CQDs. No entanto, QY dos CQDs neste estudo é marcadamente menor que QY de CQDs sintetizados usando ácido cítrico (CA) e etanolamina (EA) como moléculas modelo. Aqui, pirólise a 180 °C resultou em precursor molecular com PL intensamente forte e alto QY de 50%, devido à dopagem de N durante o processo de síntese [30].

Sendo não-tóxicos e ambientalmente amigáveis, CQDs são considerados alternativas para pontos quânticos de semicondutores a serem aplicados em sistemas biológicos tanto in vitro quanto in vivo. Os CQDs como sintetizados foram aplicados em imagem óptica de células epidérmicas de cebola como mostrado na Fig. 5. Microscopia de fluorescência revela que paredes celulares e núcleo celular das células epidérmicas internas da cebola podem ser vistos claramente, bem acomodados e forte em sentido tridimensional. Os resultados mostram que coloração e imagem de pontos quânticos de carbono são excelentes e não têm efeito adverso em organismos e nenhum dano morfológico das células observado, demonstrando ainda CQDs com baixa citotoxicidade. A imagem confocal na Fig. 5 indica que CQDs sintetizados a partir de suco de limão podem ser usados em imagem de células vegetais como indicadores fluorescentes, além de mostrar aplicações potenciais de CQDs em imagem biológica.

Conclusões

Neste estudo, pontos quânticos de carbono fluorescentes solúveis em água foram sintetizados usando suco de limão como recurso de carbono por reação hidrotérmica facilitada. Estes CQDs têm boas propriedades de material e ópticas. Podem emitir fluorescência azul-esverdeada brilhante sob irradiação UV ou luz azul. Demonstramos que CQDs podem ser usados em imagem de células vegetais. Esperamos que esses achados importantes e significativos possam nos ajudar a ganhar compreensão aprofundada de CQDs e explorar mais aplicações práticas das nanoestruturas de carbono recém-baseadas.

Abreviações

CQDs

Pontos quânticos de carbono

FFT

Transformada rápida de Fourier

HPLC

Cromatografia líquida de alta eficiência

PL

Fotoluminescência

QLED

LED de ponto quântico

QY

Rendimento quântico

R-CDs

Pontos de carbono emissores de vermelho

TEM

Microscópio eletrônico de transmissão

UV-Vis

Ultravioleta-visível

XPS

Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X

XRD

Difração de raios-X