Puntos cuánticos de carbono fluorescentes brillantes a partir de jugo de limón: síntesis hidrotérmica y caracterización óptica

Resumen

Se sintetizaron puntos cuánticos de carbono (CQDs) solubles en agua y fluorescentes utilizando jugo de limón como recurso de carbono mediante una simple reacción hidrotérmica. Los CQDs obtenidos presentan un tamaño promedio de 3,1 nm. Revelan morfología uniforme, son bien cristalinos y generan una brillante emisión de luz azul-verde bajo irradiación UV o luz azul. Se encontró que la fluorescencia de estos CQDs se induce principalmente por la presencia de grupos que contienen oxígeno en la superficie y bordes de los CQDs. Además, se demuestra que los CQDs preparados pueden aplicarse a la obtención de imágenes de células vegetales. Este estudio se relaciona con la fabricación, investigación y aplicación de nanoestructuras de carbono recién desarrolladas.

Antecedentes

El punto cuántico de carbono (CQD) es una nueva clase de nanomaterial basado en carbono, normalmente con tamaño espacial inferior a 20 nm, descubierto por Xu et al. en 2004 [1]. Las nanopartículas de carbono fluorescentes fueron fabricadas por Sun et al. mediante ablación láser de polvo de grafito en 2006 [2] y desde entonces se denominaron "puntos cuánticos de carbono (CQDs)". Los CQDs fluorescentes tienen un gran potencial para aplicarse en fotocatálisis, dispositivos optoelectrónicos, biomedicina, pantallas de película delgada, iluminación saludable y otras disciplinas de aplicaciones prácticas. Comparados con los puntos cuánticos basados en semiconductores tradicionales, los CQDs pueden obtenerse mediante técnicas de fabricación de bajo costo y presentan características fascinantes e importantes como buena biocompatibilidad, blanco biológico preciso, baja toxicidad y efecto de tamaño cuántico más fuerte. En años recientes, los CQDs fluorescentes han atraído una tremenda atención [3, 4] debido a sus excelentes propiedades estructurales y ópticas [5]. Se han propuesto como materiales sustitutivos de los puntos cuánticos de semiconductores convencionales en áreas de aplicación que incluyen imagen biológica, marcado biológico, LED de puntos cuánticos (QLED), protección ambiental y otros campos relacionados [6,7,8,9]. La investigación sobre CQDs ha crecido rápidamente en física de la materia condensada, ciencia de materiales, electrónica y optoelectrónica. Estudios fundamentales y de aplicación se han llevado a cabo extensamente en todo el mundo [3,4,5,6,7,8,9].

Actualmente, existen diversas técnicas [10, 11] para sintetizar CQDs, como el enfoque hidrotérmico [11, 12], el método de microondas [13], entre otros. Los CQDs se han sintetizado a partir de diversos precursores de carbono como glucosa [14], ácido cítrico [15] y ácido ascórbico [16]. Sin embargo, la técnica para la fabricación eficiente de CQDs fluorescentes biocompatibles a gran escala de producción sigue siendo necesaria y se ha convertido en un desafío para las aplicaciones prácticas de los CQDs. Se ha notado que la síntesis directa de CQDs a partir de productos alimenticios [17,18,19] y/o subproductos [20] es una de las estrategias prometedoras y significativas. Puntos de carbono de emisión roja (R-CDs) con diámetro promedio de 4 nm y alto rendimiento cuántico (QY) del 28 % en agua fueron sintetizados [21] calentando una solución de etanol de jugo de limón sin pulpa. Un fuerte reductor, NaBH₄, añadido a los R-CDs se usó para aumentar la intensidad de emisión de luz de los R-CDs. Sin embargo, sabemos que el NaBH₄ es tóxico. Muy recientemente, hemos fabricado CQDs de emisión verde y azul a partir de aguas residuales de tofu sin añadir sustancias tóxicas [22]. Los CQDs hechos a partir de productos alimenticios y/o subproductos se consideran seguros para aplicaciones biológicas porque casi no hay toxicidad conocida en estos recursos de carbono naturales. Recientemente, se han llevado a cabo varias investigaciones serias para sintetizar CQDs a partir de recursos de carbono no tóxicos usando un enfoque en un solo paso y se ha logrado un progreso significativo en la síntesis, estudio y aplicación de estos CQDs. Por ejemplo, el ajo se usó como fuente verde para sintetizar CQDs [23]. Estudios estructurales y de composición detallados demostraron [23] que el contenido de N y la formación de C–N y C=N son claves para mejorar el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PL). Además, los CQDs exhiben excelente estabilidad en un amplio rango de pH y altas concentraciones de NaCl, lo que los hace aplicables en condiciones complejas y severas [23].

La motivación principal del presente trabajo es desarrollar un método experimental simple y eficiente para la fabricación de bajo costo de CQDs a partir de jugo de limón mediante tratamiento hidrotérmico a temperaturas relativamente bajas y mediante un proceso menos consumidor de tiempo. Se sabe que el jugo de limón puede obtenerse fácil y baratamente, por lo que es una buena fuente de carbono para la fabricación de muestras y dispositivos basados en CQDs. Comparado con el estudio previo [21], los CQDs no tóxicos obtenidos en nuestro trabajo son más adecuados para imágenes biológicas y marcadores celulares. En este estudio, también realizamos el examen de las propiedades ópticas y de material básicas de los CQDs realizados a partir de jugo de limón y aplicamos los CQDs a la obtención de imágenes de células vegetales.

Métodos

Materiales Precursores

En este estudio, los materiales precursores de carbono se toman de jugo de limón fresco. Los ingredientes principales y sus porcentajes se obtuvieron por medición de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) como se muestra en la Tabla 1. Para la preparación de muestras, el limón fresco tomado como fuente de carbono y la cebolla fresca usada para imágenes celulares se compraron en el supermercado local. El etanol fue analíticamente puro y se usó como agente dispersante. Agua desionizada (18,25 MΩ cm) se usó para los experimentos.

Síntesis de CQDs

Los CQDs se sintetizaron a partir de jugo de limón mediante un simple tratamiento hidrotérmico a temperaturas relativamente bajas y a través de un proceso menos consumidor de tiempo. Los procesos típicos de preparación de muestra se muestran en la Fig. 1. Ochenta mililitros de jugo de limón sin pulpa se mezclaron con 60 mL de etanol. La mezcla se transfirió luego a un autoclave de acero inoxidable equipado con politetrafluoroetileno y se calentó a temperatura constante a unos 120 °C durante 3 h. Tras la reacción, se obtuvo el producto marrón oscuro tras enfriamiento natural a temperatura ambiente. La solución marrón oscura se lavó con exceso de diclorometano para eliminar los moieties orgánicos no reaccionados y este paso puede repetirse 2-3 veces. Se añadió agua desionizada hasta que el volumen de la solución marrón aumentó hasta un tercio de la solución y se centrifugó a 10000 rpm durante 15 min para separar las partículas grandes. Así, las muestras de CQDs pueden obtenerse por carbonización del jugo de limón, que contiene carbohidratos y ácidos orgánicos como glucosa, fructosa, sacarosa, ácido ascórbico, ácido cítrico, etc. como precursores de carbono. Nuestra reacción hidrotérmica facil es a una temperatura más baja (120 °C) y toma menos tiempo (3 h), comparado con el método reportado [24].

Caracterización

La morfología y microestructuras de los CQDs realizados a partir de jugo de limón fueron analizadas por microscopio electrónico de transmisión (JEM 2100, Japón) operado a 300 KV. La fase cristalina de los CQDs fue investigada por difracción de rayos X (Rigaku TTR-III, Japón) usando radiación Cu-Kα (λ = 0,15418 nm). El espectro de absorción UV-Vis fue medido por un espectrofotómetro UV-Vis (Specord200). La emisión de luz inducida por fotones fue examinada por espectrofotómetro de fluorescencia (IHR320, HORIBA Jobin Yvon, EE. UU.) para diferentes longitudes de onda de excitación que van de 330 a 490 nm. Los espectros de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) fueron registrados por espectrómetro de fotoelectrones PHI5000 Versa Probe II con Al Kα a 1486,6 eV.

Resultados y Discusión

Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de los CQDs se muestran en la Fig. 2. La imagen TEM de baja magnificación de las muestras preparadas indica que los CQDs tienen una dispersidad uniforme. Los CQDs son esféricos en forma con una distribución de tamaño estrecha que varía de 2,0 a 4,5 nm y con un tamaño promedio de 3,1 nm mostrado en la Fig. 2b, c. La Fig. 2d muestra el espaciado de red de 0,215 nm que corresponde a la faceta [100] de carbono grafítico, y el patrón correspondiente de transformada rápida de Fourier (FFT) de los CQDs muestra además la estructura altamente cristalina, consistente con el reporte previo [25]. Comparado con estudios previos [19, 21,22,23], como se muestra en la Fig. 2, los CQDs obtenidos en nuestro trabajo no solo tienen buena calidad sino que también muestran mejor morfología uniforme. Por tanto, CQDs con morfología redondeada uniforme y bien cristalinos pueden fabricarse a través de un proceso de tratamiento hidrotérmico facil. El rendimiento de producción (PY) de CQDs puede calcularse según la definición PY = (m/M) × 100%, donde m es la masa de los CQDs, y M es la masa de jugo de limón fresco. El rendimiento de producción de CQDs preparados en este estudio es de aproximadamente 0,1 % según los resultados de medición, es decir, 100 g de líquido con 6,30 % de ácido cítrico pueden obtener aproximadamente 0,1 g de CQDs (ver Tabla 1).

Los perfiles típicos de difracción de rayos X (XRD) y XPS de CQDs se muestran en la Fig. 3. Hay un pico ancho (002) centrado en 2θ~21,73°, y el espaciado intercapas se calculó en 0,409 nm, correspondiente a la estructura de grafito, como se muestra en la Fig. 3a, similar a los valores reportados para CQDs preparados por otros métodos [15, 26]. La variación de la distancia intercapas puede ser causada por la introducción de más grupos que contienen oxígeno como la presencia de –OH y –COOH en la superficie y borde del CQD durante el procedimiento de reacción hidrotérmica para la preparación de CQDs. XPS y FTIR se emplearon para detectar la composición de CQDs. Como se muestra en la Fig. 3b, c, el espectro XPS muestra un pico dominante de C1s grafítico a 284,5 eV y pico O1s a 531,4 eV de CQDs. El pico típico a 284,7, 286,5 y 288,9 eV en un barrido de alta resolución del espectro C1s XPS (Fig. 3c se atribuye a C=C/C–C, C–O y C=O/COOH, respectivamente. Indica claramente que los CQDs fueron funcionalizados con grupos hidroxilo, carbonilo y ácido carboxílico, lo que es beneficioso para la modificación y funcionalización superficial, y también es conducente a la solubilidad en agua. La Fig. 3d muestra el espectro de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) de los CQDs. La presencia de funcionalidades de oxígeno de diferentes tipos en CQDs fue confirmada por picos a 3450 cm⁻¹ (vibraciones de estiramiento O–H), 2927 cm⁻¹, 1407 cm⁻¹ (vibraciones de estiramiento C–H), 1726 cm⁻¹ (vibraciones de estiramiento C=O), 1639 cm⁻¹ (vibraciones de estiramiento C=C), 1227 cm⁻¹ (vibraciones de estiramiento C–OH) y 1080 cm⁻¹ (vibraciones de estiramiento C–O). Se nota que el análisis FTIR está en línea con el resultado XPS anterior. Lo más importante, el pico de C–O–C (epoxi) desapareció completamente a 1290 cm⁻¹. Estos resultados implican el mecanismo de formación de CQDs, con los grupos epoxi rompiéndose y los enlaces C–C subyacentes formándose, posteriormente los dominios sp² fueron extraídos de precursores de moléculas pequeñas como glucosa, fructosa, ácido ascórbico y ácido cítrico por deshidratación o carbonización adicional y finalmente para formar CQDs. Por tanto, la escisión de enlace de los grupos de oxígeno circundantes contribuye a la formación de los CQDs [15, 27].

Actualmente, los posibles mecanismos para la formación de CQDs a partir de precursores de carbono por el método hidrotérmico han sido propuestos y examinados [28]. Sobre la base de estos resultados publicados, podemos entender el mecanismo de síntesis de CQDs a partir de jugo de limón. El jugo de limón sin pulpa se calienta y deshidrata para formar el marco básico de C=C/C–C que está compuesto principalmente de CQDs, y el resto de las moléculas alcanzan la superficie del núcleo para producir un nuevo enlace C=C/C–C y luego crecen continuamente en esta forma. Con la extensión del tiempo de calentamiento, la morfología de los CQDs se forma gradualmente. Al mismo tiempo, en el proceso de tratamiento hidrotérmico para formar CQDs, la superficie y borde de los CQDs pueden contener muchos grupos funcionales que contienen oxígeno como hidroxilo (–OH), carboxilo (–COOH) y carbonilo (–C=O); una porción de los átomos H y O en estos grupos podría eliminarse por deshidratación en el ambiente hidrotérmico.

Para examinar las propiedades ópticas de los CQDs, se midieron los espectros de absorción ultravioleta-visible (UV-Vis) y fotoluminiscencia (PL) de los CQDs según corresponda. Como se muestra en la Fig. 4a, el pico de absorción óptica de los CQDs se observó en la región ultravioleta con una absorción máxima a 283 nm, lo cual se debe a la transición n-π* de la banda C=O [29]. El espectro PL en la Fig. 4b muestra que la longitud de onda de emisión PL de los CQDs alcanza el pico a 482 nm con una longitud de onda de excitación de 410 nm. La longitud de onda de emisión se desplazó de 430 a 530 nm cuando la longitud de onda de excitación se aumentó de 330 a 490 nm. Con el aumento de la longitud de onda de excitación, los picos de emisión de fluorescencia tienden a desplazarse al rojo, refiriéndose a la ocurrencia de reabsorción de fotones. El resultado revela que los CQDs tienen una característica PL dependiente de la excitación [30]. Los CQDs fluorescentes verdes también muestran un pico PL ancho que se desplaza con el cambio de longitud de onda de excitación, lo cual está relacionado con el efecto de confinamiento cuántico y defectos de borde. Con la medición PL estándar [22], el rendimiento cuántico de fluorescencia de los CQDs es del 16,7 % con una longitud de onda de excitación de 410 nm, donde se había usado sulfato de quinina como referencia. Este valor es significativamente mejor que el QY (8,95 %) de CQDs hechos de jugo de limón en el reporte previo [24]. Se sabe que el QY de los CQDs puede mejorar dramáticamente tras modificación o pasivación superficial [30]. La adición de etanol durante el proceso de síntesis puede introducir más grupos funcionales que pueden resultar en un QY más alto de CQDs. Sin embargo, el QY de los CQDs en este estudio es marcadamente menor que el QY de los CQDs sintetizados usando ácido cítrico (CA) y etanolamina (EA) como moléculas modelo. Aquí, la pirólisis a 180 °C resultó en un precursor molecular con PL intensamente fuerte y alto QY del 50 %, lo cual se debe al dopaje de N durante el proceso de síntesis [30].

Al ser no tóxicos y amigables con el medio ambiente, los CQDs se consideran como alternativas para los puntos cuánticos de semiconductores para aplicarse en sistemas biológicos tanto in vitro como in vivo. Los CQDs sintetizados se aplicaron en una imagen óptica de células epidérmicas de cebolla como se muestra en la Fig. 5. La microscopía de fluorescencia revela que las paredes celulares y el núcleo celular de las células epidérmicas internas de la cebolla pueden verse claramente, bien definidos y fuertes en sentido tridimensional. Los resultados muestran que la tinción e imagen de puntos cuánticos de carbono son excelentes y no tienen efecto adverso en los organismos y no se observaron daños morfológicos en las células, demostrando además CQDs con baja citotoxicidad. La imagen confocal en la Fig. 5 indica que los CQDs sintetizados a partir de jugo de limón pueden usarse en la imagen de células vegetales como indicadores fluorescentes, además mostrando las aplicaciones potenciales de CQDs en imagen biológica.

Conclusiones

En este estudio, los puntos cuánticos de carbono fluorescentes solubles en agua han sido sintetizados usando jugo de limón como recurso de carbono mediante una reacción hidrotérmica facil. Estos CQDs presentan buenas propiedades de material y ópticas. Pueden emitir fluorescencia de color azul-verde brillante bajo irradiación UV o luz azul. Hemos demostrado que los CQDs pueden usarse en la obtención de imágenes de células vegetales. Esperamos que estos hallazgos importantes y significativos nos ayuden a obtener una comprensión profunda de los CQDs y a explorar más aplicaciones prácticas de las nanoestructuras basadas en carbono recién desarrolladas.

Abreviaturas

CQDs:

Puntos cuánticos de carbono

FFT:

Transformada rápida de Fourier

HPLC:

Cromatografía líquida de alto rendimiento

PL:

Fotoluminiscencia

QLED:

LED de puntos cuánticos

QY:

Rendimiento cuántico

R-CDs:

Puntos de carbono de emisión roja

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión

UV-Vis:

Ultravioleta-visible

XPS:

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X

XRD:

Difracción de rayos X