Pontos de Carbono Dopados com Nitrogênio Brilhantes e Multicoloridos do Ácido Ascórbico e Fenilenodiamina: Emissão Ajustável via Polaridade do Solvente e pH

Resumo

Nesta pesquisa, relatamos pontos de carbono (PCs) dopados com nitrogênio emissores de cores verde, azul e laranja, sintetizados a partir de ácido ascórbico e o-/m-/p-fenilenodiamina (o-PDA, m-PDA e p-PDA, respectivamente). Os efeitos da polaridade do solvente e do pH da solução nas propriedades de emissão de fotoluminescência (FL) dos PCs sintetizados foram investigados sistematicamente. Observou-se que a emissão de FL dos PCs sintetizados diminui com o aumento da polaridade do solvente devido à maior aglomeração. A carga superficial dos PCs também mostra efeitos proeminentes nas propriedades de emissão de FL dependentes do pH.

Introdução

Recentemente, pontos de carbono fluorescentes (PCs) têm atraído considerável atenção devido aos seus altos rendimentos quânticos, baixa toxicidade, excelente biocompatibilidade e procedimentos de preparação fáceis [1,2,3,4]. PCs podem ser amplamente utilizados em sensoriamento, displays e aplicações de bioimagem. A maioria dos PCs emite na região azul ou verde, o que limita sua aplicação em imagem de tecidos vivos, pois este processo precisa de penetração profunda de luz e remoção de autofluorescência, bem como limitações relacionadas à dispersão de luz de fundo. Portanto, a síntese de PCs que emitem em comprimentos de onda maiores tornou-se importante. A este respeito, a síntese química verde de PCs emissores multicoloridos é importante, pois excluiria os riscos sintéticos associados e etapas críticas de separação [5].

O ajuste da superfície dos PCs por dopagem de heteroátomos, como nitrogênio (N), boro (B) e enxofre (S), pode ser usado para modificar as propriedades de fluorescência dos PCs. Para este fim, moléculas orgânicas/inorgânicas com funcionalidades de heteroátomos podem ser usadas como co-precursores junto com a fonte de carbono ou como precursores [6,7,8]. Isômeros de fenilenodiamina [o-fenilenodiamina (o-PDA), m-fenilenodiamina (m-PDA) e p-fenilenodiamina (p-PDA)], com funcionalidades amina (–NH₂), provaram ser fonte eficiente de heteroátomos para síntese de PCs dopados com N [3, 9, 10].

Neste trabalho, PCs dopados com N emissores de cores verde, azul e laranja foram sintetizados com sucesso a partir de tratamento hidrotérmico de ácido ascórbico (AA) e m-PDA, o-PDA e p-PDA individuais, respectivamente (Am-, Ao- e Ap-PCs, respectivamente). Os efeitos das condições de reação e solventes, e pH da solução nas propriedades de fluorescência de cada tipo de PCs foram investigados sistematicamente. Em particular, PCs emissores de cor verde sintetizados a partir de ácido ascórbico e m-PDA exibiram rendimento quântico (RQ) muito alto no solvente etanol.

Métodos Experimentais

Síntese de Am-, Ao- e Ap-PCs

Para preparar Am-PCs, ácido ascórbico (0,1 M, 0,8 mL) e m-fenilenodiamina (0,1 M, 0,8 mL) (razão AA: m-PDA = 1:1) foram adicionados em 10,4 mL de água deionizada e agitados por 5 min. Em seguida, a mistura foi transferida para um autoclave revestido com Teflon de 50 mL, aquecido e mantido a 160 °C por 6 h em forno para reação adicional. Após resfriamento à temperatura ambiente (TA), os Am-PCs foram coletados após remoção de partículas suspensas via centrifugação a 10.000 rpm por 20 min, e purificados adicionalmente por tubo de diálise por 6 h para remover produtos químicos residuais. A solução de Am-PCs obtida foi armazenada a 4 °C para caracterização posterior.

Para preparar Ao-PCs e Ap-PCs, todos os procedimentos experimentais foram os mesmos dos Am-PCs, exceto pela razão dos precursores. Para Ao-PCs, ácido ascórbico (0,1 M, 1,2 mL) e o-fenilenodiamina (0,1 M, 0,8 mL) (razão AA: o-PDA = 3:2) foram usados; e para Ap-PCs, ácido ascórbico (0,1 M, 0,8 mL) e p-fenilenodiamina (0,1 M, 0,4 mL) (razão AA: p-PDA = 2:1) foram usados, respectivamente.

Arquivo Adicional 1: Fig. S1 mostra que a temperatura de reação e a razão dos precursores foram otimizadas para obter a maior fluorescência para cada PCs.

A Figura 1 mostra que a intensidade de emissão e o comprimento de onda dos PCs sintetizados são totalmente diferentes dos materiais precursores. A comparação geral é resumida no Arquivo Adicional 1: Tabela S1. É interessante notar que PCs emissores de verde Am-PCs podem ser obtidos de AA e m-PDA emissores de ciano e azul, enquanto PCs emissores de azul Ao-PCs podem ser obtidos de AA e o-PDA emissores de ciano e amarelo, o que indica a nova estrutura conjugada formada da reação entre AA e PDAs.

Medida de Rendimento Quântico

Os rendimentos quânticos (RQs) dos Am-, Ao- e Ap-PCs foram obtidos por um método de inclinação relativa bem conhecido a TA usando vários corantes que correspondem às suas emissões com as de cada PCs [9]. Para Am-PCs (comprimento de onda de excitação de 450 nm), Rodamina 101 em etanol (RQ = 100%) foi selecionado como referência; para Ao-PCs (comprimento de onda de excitação de 360 nm), sulfato de quinina (SQ) em solução de ácido sulfúrico 0,1 M (RQ = 54%); e para Ap-PCs (comprimento de onda de excitação de 514 nm), rodamina B em água (RQ = 31%).

Para calcular os RQs, as intensidades de FL integradas da amostra e referência foram plotadas contra absorbância em várias concentrações, e os gradientes foram obtidos e comparados.

Os RQs dos três PCs foram obtidos da seguinte equação:

$$\Phi_{{\text{s}}} = \Phi_{{\text{r}}} *\frac{{K_{{\text{s}}} }}{{K_{{\text{r}}} }}*\frac{{\eta_{{\text{s}}} }}{{\eta_{{\text{r}}} }}$$ (1)

onde Φ é o rendimento quântico relativo, K é a inclinação da linha ajustada, e η é o índice de refração do solvente. O subscrito "r" refere-se à referência, e "s" à amostra. Os valores de índice de refração para água e etanol são 1,33 e 1,36, respectivamente.

Resultados e Discussão

Caracterização dos PCs Sintetizados

A morfologia e tamanho dos Ax-PCs (x = m, o e p) foram analisados a partir de imagens de MET. As Figuras 2, 3 e 4 mostram que os diâmetros médios dos Am-PCs, Ao-PCs e Ap-PCs foram 3,39 nm, 3,65 nm e 4,45 nm, respectivamente. Os espaçamentos interplanares dos Ax-PCs foram 0,23 nm, 0,21 nm e 0,35 nm analisados a partir de imagens de MET de alta resolução, respectivamente, que correspondem aos planos (100) e (002) de carbono grafítico [11].

As estruturas cristalinas dos Ax-PCs foram investigadas por DRX. A Figura 5a mostra que os três PCs têm um pico de difração único e amplo em torno de 2θ = 21°–23°, que origina-se da estrutura de carbono grafítico [3, 12].

As ligações químicas e grupos funcionais de superfície dos Ax-PCs foram analisados por espectros FT-IR. A Figura 5b mostra os picos em ~ 3460 e ~ 3313–3353 cm⁻¹ que podem ser atribuídos às vibrações de estiramento de O–H e N–H, respectivamente. A presença de grupos hidrofílicos pode melhorar a solubilidade dos PCs em solvente polar pela formação de ligações de hidrogênio [13, 14]. Os picos em ~ 1070, ~ 2877 e ~ 2964 cm⁻¹ podem ser atribuídos às vibrações de estiramento de C–H [8]. O pico forte observado em ~ 1633 cm⁻¹ pode ser atribuído à vibração de estiramento de ligação C=O no grupo amida, que confirma a reação de amidação entre os ácidos carboxílicos do AA e aminas dos PDAs [15]. Os picos que aparecem em ~ 1520 cm⁻¹ podem originar-se da vibração de flexão de C=C [16]. Além disso, os picos observados em ~ 1361 cm⁻¹ podem ser atribuídos à vibração de estiramento de C–N, que confirma a presença de átomo de nitrogênio nos PCs sintetizados [10]. A quase identidade dos espectros FT-IR de todos os três PCs indica a presença de ligações químicas e grupos funcionais similares nos PCs, independentemente da posição do grupo amina nas espécies isoméricas de PDA.

A XPS foi usada para analisar a composição elementar e grupos funcionais dos Ax-PCs. A Figura 6a mostra o espectro de levantamento XPS dos Am-PCs, que indica a existência de átomos C, O e N nos Am-PCs sintetizados. Arquivo Adicional 1: Figs. S2 e S3 mostram que os três PCs têm composições elementares similares, como resumido na Tabela 1. As análises XPS também indicam estado de oxidação e funcionalidades similares nos três PCs. A Figura 6 e Arquivo Adicional 1: Figs. S2 e S3 mostram os espectros XPS C1s de alta resolução para Ax-PCs, que revelam que o carbono pode ser desconvovido em vários picos centrados em ~ 284,0, ~ 285,2, ~ 286,9 e ~ 290,1 eV, que correspondem a grupos C=C, C–C, C–O e N–C=O, respectivamente. Os espectros O1s de alta resolução podem ser desconvovidos em picos mostrados em ~ 531,8 e ~ 532,8 eV que podem ser atribuídos a grupos C=O e C–O, respectivamente [17]. Os espectros N1s revelam a presença de grupos N–H, C–N–C e N grafítico mostrados em ~ 399,0, ~ 400,0 e ~ 401,4 eV, respectivamente [18].

Propriedades Ópticas dos Ax-PCs

As propriedades ópticas dos Ax-PCs foram exploradas por espectros de absorção UV-Vis e FL. A Figura 7 mostra a absorção UV-Vis, excitação de fotoluminescência (EFL) e espectros de FL dos Ax-PCs. Dois picos de absorção centrados em 289 e 400 nm são observados na absorção UV-Vis dos Am-PCs (Fig. 7a), que correspondem às transições π–π* da estrutura C=C e transições n–π* de grupos C=O [15]. Ao-PCs e Ap-PCs mostraram dois picos nos espectros UV-Vis, porém as posições e intensidades dos picos foram diferentes (Fig. 7c, e). Esta diferença pode ser atribuída à diferente extensão de transições eletrônicas. Além disso, o pico de absorção amplo adicional mostrado em ~ 510 nm pode ser atribuído à absorção de superfície dos Ap-PCs e excitação subsequente da emissão de FL [19]. Consequentemente, os espectros EFL e FL são diferentes para todos os três Ax-PCs. Os Am-PCs mostram emissão na região verde a 521 nm quando excitados a 450 nm. Os Ao-PCs e Ap-PCs mostram picos de excitação em 360 e 580 nm e emitem na região azul a 432 nm e região laranja a 596 nm, respectivamente.

As Figuras 7b, d, f mostram que Am- e Ao-PCs mostram emissão dependente de excitação enquanto Ap-PCs mostram emissão independente de excitação. O comportamento de emissão de FL dependente do comprimento de onda de excitação pode originar-se do tamanho não uniforme dos PCs, presença de vários defeitos de superfície e vários grupos funcionais de superfície nos PCs [20, 21]. O comportamento de emissão de FL independente do comprimento de onda de excitação dos Ap-PCs indica estados de emissão uniformes, que também resultam em largura de emissão estreita. As diferentes propriedades de FL relacionadas ao comprimento de onda de excitação entre os Ax-PCs implicam diferentes estados de energia e sua morfologia [22, 23].

Efeitos do Solvente e RQ nas Propriedades de Emissão de FL

Os efeitos do solvente, incluindo água deionizada (H₂O), Metanol (MeOH), Etanol (EtOH), Álcool isopropílico (IPA), Acetona (ACE), Acetonitrila (ACN), N,N-Dimetilformamida (DMF) e Dimetilsulfóxido (DMSO) nas propriedades de emissão de FL dos Ax-PCs foram investigados. Arquivo Adicional 1: Fig. S4 mostra que o comprimento de onda de emissão de FL muda em diferentes solventes. Isso mostra as propriedades solvatocrômicas típicas dos PCs causadas pela interação entre grupos funcionais de superfície dos PCs e solventes [21, 24].

Arquivo Adicional 1: Fig. S5 mostra que os Am-PCs possuíam o maior RQ entre os três PCs. Além disso, os Ax-PCs em solvente etanol exibem RQ maior do que em água, o que pode ser explicado por (1) maior extensão de aglomeração dos PCs em solvente altamente polar, (2) taxa aumentada de decaimento não radiativo durante a interação entre solvente altamente polar e PCs, e (3) mudança morfológica induzida por água [25].

Efeitos do pH na Emissão de Fluorescência dos Ax-PCs

As intensidades de emissão de FL dos Am-, Ao- e Ap-PCs preparados foram monitoradas em várias condições de pH. A Figura 8 mostra que Am- e Ao-PCs exibem comportamento de emissão de FL similar à medida que o pH da solução muda. A diminuição na emissão de FL à medida que o pH aumenta pode ser atribuída à desprotonação dos grupos funcionais de superfície dos Am- e Ao-PCs, resultando na aglomeração dos PCs [26,27,28,29].

Por outro lado, para Ap-PCs, a intensidade de FL aumenta à medida que o pH da solução aumenta. Este fenômeno pode ser atribuído à diferente carga de superfície dos Ap-PCs em relação aos outros PCs.

Para investigar os diferentes comportamentos dependentes do pH entre Ax-PCs, o potencial zeta foi monitorado em vários valores de pH. Como mostrado na Fig. 9, os potenciais zeta dos Am- e Ao-PCs diminuíram gradualmente com o aumento do pH, enquanto o potencial zeta dos Ap-PCs aumentou com o aumento do pH. Isso pode resultar em menor aglomeração e intensidade de FL aumentada dos Ap-PCs [30, 31].

Conclusão

Neste trabalho, PCs dopados com N emissores de cores verde, azul e laranja foram sintetizados com sucesso a partir da reação entre ácido ascórbico (AA) e m-PDA, o-PDA e p-PDA, respectivamente. Para este fim, um método simples de síntese hidrotérmica a baixa temperatura foi empregado. As propriedades fotofísicas e ópticas dos três PCs foram investigadas minuciosamente em diferentes solventes e pH. Os Ax-PCs sintetizados exibiram RQs maiores em etanol do que em água. A menor aglomeração, taxa reduzida de decaimento não radiativo e menor mudança morfológica dos PCs podem ser a razão por trás de tal comportamento. Além disso, a carga de superfície dos Ax-PCs sintetizados resultou em diferentes propriedades de emissão de FL dependentes do pH. Estas propriedades únicas dos PCs sintetizados permitirão suas aplicações em diferentes campos de imagem e sensoriamento.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo e em seus arquivos de informação suplementar.

Abreviações

PCs:

Pontos de carbono

AA:

Ácido ascórbico

m-PDA:

m-Fenilenodiamina

o-PDA:

o-Fenilenodiamina

p-PDA:

p-Fenilenodiamina

Ax-PCs:

x = m, o e p

RQ:

Rendimento quântico

SI:

Informação Suplementar

TA:

Temperatura ambiente

SQ:

Sulfato de quinina

EFL:

Excitação de fotoluminescência

H₂O:

Água deionizada

MeOH:

Metanol

EtOH:

Etanol

IPA:

Álcool isopropílico

ACE:

Acetona

ACN:

Acetonitrila

DMF:

N,N-Dimetilformamida

DMSO:

Dimetilsulfóxido

MET-AR:

Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução

FT-IR:

Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier

DRX:

Difração de raios X

XPS:

Espectroscopia de fotoelétrons de raios X