Puntos de carbono dopados con nitrógeno multicolores y brillantes a partir de ácido ascórbico y fenilendiaminas: emisión ajustable mediante polaridad del disolvente y pH

Resumen

En esta investigación se reporta la síntesis de puntos de carbono (CDs) dopados con nitrógeno que emiten en verde, azul y naranja, obtenidos a partir de ácido ascórbico y o-/m-/p-fenilendiamina (o-PDA, m-PDA y p-PDA, respectivamente). Se han investigado sistemáticamente los efectos de la polaridad del disolvente y el pH de la solución sobre las propiedades de fotoluminiscencia (PL) de los CDs sintetizados. Se observa que la emisión PL disminuye al aumentar la polaridad del disolvente debido a una mayor aglomeración. La carga superficial de los CDs también muestra efectos prominentes en las propiedades de emisión PL dependientes del pH.

Introducción

Recientemente, los puntos de carbono fluorescentes (CDs) han atraído gran atención por sus altos rendimientos cuánticos, baja toxicidad, excelente biocompatibilidad y sencillos procedimientos de preparación. Los CDs pueden usarse ampliamente en sensores, pantallas e imagen biológica. La mayoría emiten en la región azul o verde, lo que limita su aplicación en imagen de tejidos vivos, ya que esta requiere penetración profunda de luz y eliminación de autofluorescencia y dispersión de luz de fondo. Por tanto, la síntesis de CDs que emitan a mayor longitud de onda se ha vuelto importante. En este sentido, la síntesis verde química de CDs multicolores es relevante para evitar riesgos sintéticos y pasos críticos de separación.

El ajuste de la superficie de los CDs mediante dopaje con heteroátomos como nitrógeno (N), boro (B) y azufre (S) permite modificar sus propiedades de fluorescencia. Para ello, moléculas orgánicas/inorgánicas con funcionalidades de heteroátomos pueden usarse como co-precursores junto con la fuente de carbono o como precursores. Los isómeros de fenilendiamina [o-fenilendiamina (o-PDA), m-fenilendiamina (m-PDA) y p-fenilendiamina (p-PDA)], con grupos amino (–NH₂), han demostrado ser fuentes eficientes de heteroátomos para la síntesis de CDs dopados con N.

En este trabajo, se sintetizaron con éxito CDs dopados con N que emiten en verde, azul y naranja mediante tratamiento hidrotérmico de ácido ascórbico (AA) y m-PDA, o-PDA y p-PDA individualmente (denominados Aₘ-, Aₒ- y Aₚ-CDs, respectivamente). Se investigaron sistemáticamente los efectos de las condiciones de reacción, disolventes y pH de la solución sobre las propiedades de fluorescencia de cada tipo de CDs. En particular, los CDs emisores en verde sintetizados a partir de AA y m-PDA mostraron un rendimiento cuántico (QY) muy alto en disolvente etanol.

Métodos experimentales

Síntesis de Aₘ-, Aₒ- y Aₚ-CDs

Para preparar Aₘ-CDs, se añadieron ácido ascórbico (0.1 M, 0.8 mL) y m-fenilendiamina (0.1 M, 0.8 mL) (relación AA:m-PDA = 1:1) en 10.4 mL de agua desionizada y se agitó 5 min. La mezcla se transfirió a un autoclave de 50 mL revestido de teflón y se calentó a 160 °C durante 6 h en horno. Tras enfriar a temperatura ambiente (TA), los Aₘ-CDs se recogieron eliminando partículas en suspensión por centrifugación a 10,000 rpm durante 20 min, y se purificaron adicionalmente por diálisis durante 6 h para eliminar químicos residuales. La solución de Aₘ-CDs obtenida se almacenó a 4 °C para caracterización posterior.

Para Aₒ-CDs y Aₚ-CDs, los procedimientos fueron idénticos salvo por la relación de precursores. Para Aₒ-CDs: ácido ascórbico (0.1 M, 1.2 mL) y o-fenilendiamina (0.1 M, 0.8 mL) (relación AA:o-PDA = 3:2). Para Aₚ-CDs: ácido ascórbico (0.1 M, 0.8 mL) y p-fenilendiamina (0.1 M, 0.4 mL) (relación AA:p-PDA = 2:1). El Archivo Adicional 1: Fig. S1 muestra que la temperatura de reacción y la relación de precursores se optimizaron para obtener la mayor fluorescencia en cada tipo de CDs.

La Figura 1 muestra que la intensidad y longitud de onda de emisión de los CDs sintetizados son totalmente diferentes a las de los materiales precursores. La comparación general se resume en el Archivo Adicional 1: Tabla S1. Es interesante notar que los Aₘ-CDs emisores en verde se obtienen a partir de AA y m-PDA emisores en cian y azul, mientras que los Aₒ-CDs emisores en azul provienen de AA y o-PDA emisores en cian y amarillo, lo que indica la formación de una nueva estructura conjugada por la reacción entre AA y PDAs.

Medida del rendimiento cuántico

Los rendimientos cuánticos (QYs) de Aₘ-, Aₒ- y Aₚ-CDs se obtuvieron por el método de pendiente relativa a TA usando colorantes de referencia que coinciden con sus emisiones. Para Aₘ-CDs (longitud de onda de excitación 450 nm), rodamina 101 en etanol (QY = 100%); para Aₒ-CDs (360 nm), sulfato de quinina (QS) en ácido sulfúrico 0.1 M (QY = 54%); para Aₚ-CDs (514 nm), rodamina B en agua (QY = 31%).

Para calcular los QYs, las intensidades PL integradas de muestra y referencia se representaron frente a la absorbancia a varias concentraciones, obteniendo las pendientes que se compararon. El QY se calculó mediante: Φₛ = Φᵣ × (Kₛ/Kᵣ) × (ηₛ/ηᵣ), donde Φ es el rendimiento cuántico relativo, K la pendiente de la recta ajustada, η el índice de refracción del disolvente; subíndices “r” para referencia y “s” para muestra. Los índices de refracción para agua y etanol son 1.33 y 1.36 respectivamente.

Resultados y discusión

Caracterización de los CDs sintetizados

La morfología y tamaño de los Aₓ-CDs (x = m, o, p) se analizaron mediante imágenes TEM. Las Figs. 2, 3 y 4 muestran que los diámetros medios de Aₘ-, Aₒ- y Aₚ-CDs fueron 3.39 nm, 3.65 nm y 4.45 nm respectivamente. Los espaciamientos interplanares fueron 0.23 nm, 0.21 nm y 0.35 nm (analizados por HR-TEM), correspondientes a los planos (100) y (002) de carbono grafítico.

Las estructuras cristalinas se investigaron por difracción de rayos X (XRD). La Fig. 5a muestra que los tres CDs presentan un pico de difracción ancho único alrededor de 2θ = 21°–23°, característico de estructura de carbono grafítico.

Los enlaces químicos y grupos funcionales superficiales se analizaron por espectroscopía FT-IR. La Fig. 5b muestra picos en ~3460 y ~3313–3353 cm⁻¹ atribuidos a vibraciones de estiramiento de O–H y N–H respectivamente. La presencia de grupos hidrofílicos mejora la solubilidad en disolventes polares mediante enlaces de hidrógeno. Los picos en ~1070, ~2877 y ~2964 cm⁻¹ se asignan a vibraciones de estiramiento de C–H. El pico fuerte en ~1633 cm⁻¹ corresponde a vibración de estiramiento de C=O en grupo amida, confirmando la reacción de amidación entre ácidos carboxílicos del AA y aminas de las PDAs. Los picos en ~1520 cm⁻¹ pueden originarse en vibración de flexión de C=C. Los picos en ~1361 cm⁻¹ se atribuyen a vibración de estiramiento de C–N, confirmando la presencia de nitrógeno en los CDs. La casi identidad de los espectros FT-IR de los tres CDs indica la presencia de enlaces químicos y grupos funcionales similares, independientemente de la posición del grupo amino en los isómeros de PDA.

La espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se usó para analizar la composición elemental y grupos funcionales. La Fig. 6a muestra el espectro XPS de barrido de Aₘ-CDs, indicando existencia de átomos C, O y N. Los Archivos Adicionales 1: Figs. S2 y S3 muestran que los tres CDs tienen composiciones elementales similares (Tabla 1). Los análisis XPS también indican estados de oxidación y funcionalidades similares. Los espectros C1s de alta resolución revelan picos en ~284.0, ~285.2, ~286.9 y ~290.1 eV correspondientes a C=C, C–C, C–O y N–C=O. Los espectros O1s se descomponen en picos a ~531.8 y ~532.8 eV (C=O y C–O). Los espectros N1s revelan grupos N–H, C–N–C y N grafítico en ~399.0, ~400.0 y ~401.4 eV.

Propiedades ópticas de los Aₓ-CDs

Las propiedades ópticas se exploraron mediante espectros de absorción UV-Vis y PL. La Figura 7 muestra los espectros de absorción UV-Vis, excitación de fotoluminiscencia (PLE) y PL de los Aₓ-CDs. En Aₘ-CDs (Fig. 7a) se observan dos picos de absorción a 289 y 400 nm, correspondientes a transiciones π–π* de estructura C=C y n–π* de grupos C=O. Aₒ-CDs y Aₚ-CDs mostraron dos picos en UV-Vis, pero con posiciones e intensidades diferentes (Fig. 7c, e), atribuibles a diferente extensión de transiciones electrónicas. Además, Aₚ-CDs muestra un pico ancho adicional en ~510 nm atribuido a absorción superficial y excitación subsiguiente de emisión PL. En consecuencia, los espectros PLE y PL son diferentes para los tres Aₓ-CDs. Aₘ-CDs emiten en región verde a 521 nm al excitar a 450 nm. Aₒ-CDs y Aₚ-CDs muestran picos de excitación a 360 y 580 nm y emiten en azul a 432 nm y naranja a 596 nm respectivamente.

Las Figs. 7b, d, f muestran que Aₘ- y Aₒ-CDs presentan emisión dependiente de la longitud de onda de excitación, mientras que Aₚ-CDs muestran emisión independiente. El comportamiento dependiente de la excitación puede originarse en tamaño no uniforme de CDs, presencia de diversos defectos superficiales y grupos funcionales. La independencia en Aₚ-CDs indica estados de emisión uniformes, resultando en ancho de emisión estrecho. Las diferentes propiedades PL relacionadas con la excitación implican diferentes estados energéticos y morfología.

Efectos del disolvente y QY en la emisión PL

Se investigaron los efectos de disolventes (agua desionizada, metanol, etanol, alcohol isopropílico, acetona, acetonitrilo, DMF, DMSO) sobre las propiedades de emisión PL de los Aₓ-CDs. El Archivo Adicional 1: Fig. S4 muestra que la longitud de onda de emisión PL cambia con el disolvente, evidenciando propiedades solvatocrómicas típicas causadas por la interacción entre grupos funcionales superficiales de los CDs y los disolventes.

El Archivo Adicional 1: Fig. S5 muestra que Aₘ-CDs poseen el QY más alto entre los tres CDs. Además, los Aₓ-CDs en etanol exhiben QY más alto que en agua, explicable por: (1) mayor aglomeración en disolventes muy polares, (2) mayor tasa de decaimiento no radiante durante la interacción con disolventes muy polares, y (3) cambios morfológicos inducidos por agua.

Efectos del pH en la fluorescencia de los Aₓ-CDs

Se monitorizaron las intensidades de emisión PL de Aₘ-, Aₒ- y Aₚ-CDs a diversos pH. La Figura 8 muestra que Aₘ- y Aₒ-CDs exhiben comportamiento similar: la emisión PL disminuye al aumentar el pH, atribuible a la desprotonación de grupos funcionales superficiales, resultando en aglomeración de CDs. Por el contrario, para Aₚ-CDs la intensidad PL aumenta con el pH, atribuible a su diferente carga superficial.

Para investigar las diferentes conductas dependientes del pH, se monitorizó el potencial zeta a varios valores de pH. La Figura 9 muestra que los potenciales zeta de Aₘ- y Aₒ-CDs disminuyen gradualmente al aumentar el pH, mientras que el de Aₚ-CDs aumenta. Esto resulta en menor aglomeración y mayor intensidad PL de Aₚ-CDs.

Conclusión

En este trabajo, CDs dopados con N emisores en verde, azul y naranja se sintetizaron con éxito mediante reacción entre ácido ascórbico (AA) y m-PDA, o-PDA y p-PDA respectivamente, empleando un método hidrotérmico simple a baja temperatura. Las propiedades fotofísicas y ópticas de los tres CDs se investigaron a fondo en diferentes disolventes y pH. Los Aₓ-CDs sintetizados exhibieron QYs más altos en etanol que en agua. La menor aglomeración, tasa reducida de decaimiento no radiante y menor cambio morfológico podrían explicar este comportamiento. Además, la carga superficial de los Aₓ-CDs sintetizados resultó en diferentes propiedades de emisión PL dependientes del pH. Estas propiedades únicas permitirán sus aplicaciones en diversos campos de imagen y sensores.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio están incluidos en este artículo y sus archivos de información suplementaria.

Abreviaturas

CDs:

Puntos de carbono

AA:

Ácido ascórbico

m-PDA:

m-Fenilendiamina

o-PDA:

o-Fenilendiamina

p-PDA:

p-Fenilendiamina

Aₓ-CDs:

x = m, o, p

QY:

Rendimiento cuántico

SI:

Información suplementaria

TA:

Temperatura ambiente

QS:

Sulfato de quinina

PLE:

Excitación de fotoluminiscencia

H₂O:

Agua desionizada

MeOH:

Metanol

EtOH:

Etanol

IPA:

Alcohol isopropílico

ACE:

Acetona

ACN:

Acetonitrilo

DMF:

N,N-Dimetilformamida

DMSO:

Dimetilsulfóxido

HR-TEM:

Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución

FT-IR:

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

XRD:

Difracción de rayos X

XPS:

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X