Material dan Sifat Optik Titik Kuantum Karbon Fluoresen yang Dibuat dari Jus Lemon melalui Reaksi Hidrotermal
Abstrak
Titik kuantum karbon fluoresen yang larut dalam air (CQDs) disintesis dengan memanfaatkan jus lemon sebagai sumber karbon melalui reaksi hidrotermal sederhana. CQD yang diperoleh memiliki ukuran rata-rata 3,1 nm. Mereka mengungkapkan morfologi seragam dan baik-kristal dan dapat menghasilkan emisi cahaya biru-hijau terang di bawah iradiasi sinar UV atau cahaya biru. Kami menemukan bahwa fluoresensi dari CQD ini terutama disebabkan oleh adanya kelompok yang mengandung oksigen di permukaan dan tepi CQD. Selain itu, kami menunjukkan bahwa CQD yang disiapkan dapat diterapkan pada pencitraan sel tanaman. Studi ini terkait dengan fabrikasi, investigasi, dan penerapan struktur nano karbon yang baru dikembangkan.
Latar Belakang
Carbon quantum dot (CQD) adalah kelas baru dari nanomaterial berbasis karbon yang biasanya berukuran spasial kurang dari 20 nm, yang ditemukan oleh Xu et al. pada tahun 2004[1]. Nanopartikel karbon fluoresen dibuat oleh Sun et al. melalui ablasi laser bubuk grafit pada tahun 2006 [2] dan telah dinamai sebagai "titik kuantum karbon (CQDs)" sejak saat itu. CQD fluoresen memiliki potensi besar untuk diterapkan dalam fotokatalisis, perangkat optoelektronik, biomedis, tampilan film tipis, pencahayaan yang sehat, dan disiplin aplikasi praktis lainnya. Dibandingkan dengan titik kuantum berbasis semikonduktor tradisional, CQD dapat diperoleh dengan teknik fabrikasi berbiaya rendah dan memiliki fitur menarik dan penting seperti bio-kompatibilitas yang baik, target biologis yang tepat, toksisitas rendah, dan efek ukuran kuantum yang lebih kuat. Dalam beberapa tahun terakhir, CQD fluoresen telah menarik perhatian yang luar biasa [3, 4] karena sifat struktural dan optiknya yang sangat baik [5]. Mereka telah diusulkan sebagai bahan substitusi untuk titik kuantum semikonduktor konvensional di area aplikasi termasuk pencitraan biologis, pelabelan biologis, LED titik kuantum (QLED), perlindungan lingkungan, dan bidang terkait lainnya [6,7,8,9]. Penelitian tentang CQD telah berkembang pesat dalam fisika benda terkondensasi, ilmu material, elektronik, dan optoelektronika. Studi fundamental dan aplikasi terkait telah dilakukan secara ekstensif di seluruh dunia [3,4,5,6,7,8,9].
Saat ini, terdapat beragam teknik [10, 11] untuk mensintesis CQD, seperti pendekatan hidrotermal [11, 12], metode gelombang mikro [13], dan sebagainya. CQDs telah disintesis dari berbagai prekursor karbon seperti glukosa [14], asam sitrat [15], dan asam askorbat [16]. Namun, teknik untuk fabrikasi efisien CQD fluoresen biokompatibel pada skala produksi besar masih dibutuhkan dan telah menjadi tantangan untuk aplikasi praktis CQD. Telah diketahui bahwa sintesis langsung CQD dari produk makanan [17,18,19] dan/atau produk sampingan [20] adalah salah satu strategi yang menjanjikan dan signifikan. Titik karbon pemancar merah (R-CD) dengan diameter rata-rata 4 nm dan hasil kuantum tinggi (QY) 28% dalam air disintesis [21] dengan memanaskan larutan etanol jus lemon bebas pulp. NaBH pereduksi kuat4 ditambahkan ke dalam R-CD digunakan sebagai sarana untuk meningkatkan intensitas emisi cahaya dari R-CD. Namun, kita tahu bahwa NaBH4 beracun. Baru-baru ini, kami telah membuat CQD yang memancarkan hijau dan biru dari air limbah tahu tanpa menambahkan zat beracun apa pun [22]. CQD yang dibuat dari produk makanan dan/atau produk sampingan dianggap aman untuk aplikasi biologis karena hampir tidak ada toksisitas yang diketahui dalam sumber karbon alami ini. Baru-baru ini, beberapa penyelidikan serius telah dilakukan untuk mensintesis CQD dari sumber karbon tidak beracun menggunakan pendekatan satu langkah dan kemajuan signifikan telah dicapai dalam sintesis, studi, dan penerapan CQD ini. Misalnya, bawang putih digunakan sebagai sumber hijau untuk mensintesis CQDs [23]. Studi struktur dan komposisi terperinci menunjukkan [23] bahwa kandungan N dan pembentukan C–N dan C=N adalah kunci untuk meningkatkan fotoluminesensi (PL) QY. Selanjutnya, CQD menunjukkan stabilitas yang sangat baik dalam rentang pH yang luas dan konsentrasi NaCl yang tinggi, menjadikannya dapat diterapkan dalam kondisi yang rumit dan keras [23].
Motivasi utama dari pekerjaan ini adalah untuk mengembangkan metode eksperimental yang sederhana dan efisien untuk fabrikasi CQD berbiaya rendah dari jus lemon dengan menggunakan perlakuan hidrotermal pada suhu yang relatif rendah dan melalui proses yang memakan waktu lebih sedikit. Diketahui bahwa jus lemon dapat diperoleh dengan mudah dan murah, dan oleh karena itu, jus lemon merupakan sumber karbon yang baik untuk sampel dan fabrikasi perangkat berbasis CQD. Dibandingkan dengan penelitian sebelumnya [21], CQD non-toksik yang diperoleh dalam pekerjaan kami lebih cocok untuk pencitraan biologis dan penanda sel. Dalam penelitian ini, kami juga melakukan pemeriksaan bahan dasar dan sifat optik CQD yang direalisasikan dari jus lemon dan menerapkan CQD pada pencitraan sel tanaman.
Metode
Materi Awal
Dalam penelitian ini, bahan prekursor karbon diambil dari jus lemon segar. Bahan utama dan persentasenya diperoleh dengan pengukuran kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC) seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Untuk preparasi sampel, lemon segar yang diambil sebagai sumber karbon dan bawang segar yang digunakan untuk pencitraan sel dibeli dari supermarket lokal. Etanol secara analitik murni dan digunakan sebagai zat pendispersi. Air deionisasi (18,25 MΩ cm) digunakan untuk eksperimen.
Sintesis CQD
CQD disintesis dari jus lemon dengan perlakuan hidrotermal sederhana pada suhu yang relatif rendah dan melalui proses yang memakan waktu lebih sedikit. Proses preparasi sampel yang khas ditunjukkan pada Gambar 1. Delapan puluh mililiter jus lemon bebas pulp dicampur dengan 60 mL etanol. Campuran tersebut kemudian dipindahkan ke dalam autoklaf baja tahan karat yang dilengkapi polytetrafluoroethylene dan dipanaskan pada suhu konstan sekitar 120 °C selama 3 jam. Setelah reaksi, produk coklat tua diperoleh setelah pendinginan alami hingga suhu kamar. Larutan coklat tua dicuci dengan diklorometana berlebih untuk menghilangkan bagian organik yang tidak bereaksi dan langkah ini dapat diulang 2-3 kali. Air deionisasi ditambahkan sampai volume larutan coklat meningkat hingga sepertiga dari larutan dan disentrifugasi pada 10.000 rpm selama 15 menit untuk memisahkan partikel besar. Dengan demikian, sampel CQD dapat diperoleh dengan karbonisasi jus lemon, yang mengandung karbohidrat dan asam organik seperti glukosa, fruktosa, sukrosa, asam askorbat, asam sitrat, dll sebagai prekursor karbon. Reaksi hidrotermal kami yang lancar berada pada suhu yang lebih rendah (120 °C) dan membutuhkan waktu lebih sedikit (3 jam), dibandingkan dengan metode yang dilaporkan [24].
Persiapan CQD dari jus lemon dengan perawatan hidrotermal
Karakterisasi
Morfologi dan struktur mikro CQD yang dihasilkan dari jus lemon dianalisis dengan mikroskop elektron transmisi (JEM 2100, Jepang) yang dioperasikan pada 300 KV. Fase kristal CQD diselidiki dengan difraksi sinar-X (Rigaku TTR-III, Jepang) menggunakan radiasi Cu-Kα (λ = 0.15418 nm). Spektrum serapan UV-Vis diukur dengan spektrofotometer UV-Vis (Specord200). Emisi cahaya yang diinduksi foton diperiksa dengan spektrofotometer fluoresensi (IHR320, HORIBA Jobin Yvon, USA) untuk panjang gelombang eksitasi yang berbeda mulai dari 330 hingga 490 nm. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) direkam oleh spektrometer fotoelektron PHI5000 Versa Probe II dengan Al Kα pada 1486,6 eV.
Hasil dan Diskusi
Gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) dari CQD ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar TEM perbesaran rendah dari sampel yang disiapkan menunjukkan bahwa CQD memiliki dispersi yang seragam. CQD berbentuk bola dengan distribusi ukuran sempit mulai dari 2,0 hingga 4,5 nm dan dengan ukuran rata-rata 3,1 nm yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, c. Gambar 2d menunjukkan jarak kisi 0,215 nm yang sesuai dengan [100] segi karbon grafit, dan pola transformasi Fourier cepat (FFT) yang sesuai dari CQD selanjutnya menunjukkan struktur yang sangat kristal, konsisten dengan laporan sebelumnya [25]. Dibandingkan dengan penelitian sebelumnya [19, 21,22,23], seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, CQD yang diperoleh dalam pekerjaan kami tidak hanya memiliki kualitas yang baik tetapi juga menunjukkan morfologi seragam yang lebih baik. Oleh karena itu, CQD dengan morfologi bulat yang seragam dan kristalin yang baik dapat dibuat melalui proses pengolahan hidrotermal yang lancar. Hasil produksi (PY) CQD dapat dihitung menurut definisi PY = (m /M ) × 100%, di mana m adalah massa CQD, dan M adalah massa jus lemon segar. Hasil produksi CQD yang disiapkan dalam penelitian ini adalah sekitar 0,1% menurut hasil pengukuran, yaitu, 100 g cairan dengan asam sitrat 6,30% dapat memperoleh sekitar 0,1 g CQD (lihat Tabel 1).
a , c , d gambar TEM. b Distribusi ukuran partikel CQD. e Pola FFT CQD yang sesuai
Difraksi sinar-X khas (XRD) dan profil XPS dari CQD ditunjukkan pada Gambar. 3. Ada puncak lebar (002) yang berpusat di 2θ ~21,73°, dan jarak antarlapisan dihitung menjadi 0,409 nm, sesuai dengan struktur grafit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, yang serupa dengan penurunan nilai yang dilaporkan untuk CQD yang disiapkan dengan metode lain [15, 26]. Variasi jarak antar lapisan mungkin disebabkan oleh masuknya lebih banyak gugus yang mengandung oksigen seperti adanya –OH dan –COOH pada permukaan dan tepi CQD selama prosedur reaksi hidrotermal untuk pembuatan CQD. XPS dan FTIR digunakan untuk mendeteksi komposisi CQD. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, c, spektrum XPS menunjukkan puncak C1s grafis dominan pada 284,5 eV dan puncak O1 pada 531,4 eV CQD. Puncak khas pada 284,7, 286,5, dan 288,9 eV dalam pemindaian resolusi tinggi spektrum C1s XPS (Gbr. 3c dikaitkan dengan C=C/C–C, C–O dan C=O/COOH, masing-masing. Ini dengan jelas menunjukkan bahwa CQD difungsikan dengan gugus hidroksil, karbonil, dan asam karboksilat, yang bermanfaat untuk modifikasi dan fungsionalisasi permukaan, dan juga kondusif untuk kelarutan dalam air.Gambar 3d menunjukkan spektrum spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dari CQD. Adanya fungsi oksigen dari berbagai jenis CQD dikonfirmasi oleh puncak pada 3450 cm
−1
(Getaran peregangan O–H), 2927 cm
−1
, 1407 cm
−1
(Getaran peregangan C–H), 1726 cm
−1
(Getaran peregangan C=O), 1639 cm
−1
(Getaran peregangan C=C), 1227 cm
−1
(Getaran peregangan C–OH), dan 1080 cm
−1
(Vibrasi ulur C–O). Terlihat bahwa analisis FTIR sejalan dengan hasil XPS di atas. Yang terpenting, puncak C–O–C (epoksi) menghilang sepenuhnya pada 1290 cm
−1
. Hasil ini menyiratkan mekanisme pembentukan CQD, dengan pecahnya gugus epoksi dan ikatan C–C yang mendasarinya terbentuk, selanjutnya sp
2
domain diekstraksi dari prekursor molekul kecil seperti glukosa, fruktosa, asam askorbat, dan asam sitrat dengan dehidrasi atau karbonisasi lebih lanjut dan akhirnya membentuk CQD. Oleh karena itu, pemutusan ikatan gugus oksigen di sekitarnya berkontribusi pada pembentukan CQD [15, 27].
a pola XRD. b Spektrum XPS rentang rendah. c Pemindaian resolusi tinggi XPS dari wilayah C1s. d Spektrum FTIR CQD
Saat ini, mekanisme yang mungkin untuk pembentukan CQDs dari prekursor karbon dengan metode hidrotermal telah diusulkan dan diperiksa [28]. Berdasarkan hasil yang dipublikasikan ini, kita dapat memahami mekanisme sintesis CQD dari jus lemon. Jus lemon bebas pulp dipanaskan dan dikeringkan untuk membentuk kerangka dasar C=C/C–C yang terutama terdiri dari CQD, dan molekul lainnya mencapai permukaan nukleus untuk menghasilkan C=C/ baru. ikatan C–C dan kemudian tumbuh terus menerus dalam bentuk ini. Dengan perpanjangan waktu pemanasan, morfologi CQD secara bertahap terbentuk. Pada saat yang sama, dalam proses perlakuan hidrotermal untuk membentuk CQD, permukaan dan tepi CQD mungkin mengandung banyak hidroksil (–OH), karboksil (–COOH), dan karbonil (–C=O) atau oksigen lainnya. mengandung gugus fungsi; sebagian dari atom H dan O dalam kelompok ini dapat dihilangkan dengan dehidrasi di lingkungan hidrotermal.
Untuk memeriksa sifat optik CQD, spektrum serapan ultraviolet-tampak (UV-Vis) dan spektrum fotoluminesensi (PL) CQD diukur. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, puncak penyerapan optik CQD diamati di wilayah ultraviolet dengan penyerapan maksimum pada 283 nm, yang disebabkan oleh n -π * transisi pita C=O [29]. Spektrum PL pada Gambar 4b menunjukkan bahwa panjang gelombang emisi PL CQD mencapai puncak pada 482 nm dengan panjang gelombang eksitasi 410 nm. Panjang gelombang emisi bergeser dari 430 menjadi 530 nm ketika panjang gelombang eksitasi dinaikkan dari 330 menjadi 490 nm. Dengan meningkatnya panjang gelombang eksitasi, puncak pemancar fluoresensi berubah menjadi pergeseran merah, mengacu pada terjadinya reabsorpsi foton. Hasilnya mengungkapkan bahwa CQD memiliki fitur PL yang bergantung pada eksitasi [30]. CQD fluoresen hijau juga menunjukkan puncak PL luas yang bergeser dengan perubahan panjang gelombang eksitasi, yang terkait dengan efek kurungan kuantum dan cacat tepi. Dengan pengukuran PL standar [22], hasil kuantum fluoresensi CQD adalah 16,7% dengan panjang gelombang eksitasi 410 nm, di mana kina sulfat telah digunakan sebagai referensi. Nilai ini secara signifikan lebih baik daripada QY (8,95%) CQD yang dibuat dari jus lemon pada laporan sebelumnya [24]. Diketahui bahwa QY dari CQD dapat ditingkatkan secara dramatis setelah modifikasi permukaan atau pasivasi [30]. Penambahan etanol selama proses sintesis dapat memperkenalkan lebih banyak gugus fungsi yang dapat menghasilkan QY CQD yang lebih tinggi. Namun, QY CQD dalam penelitian ini jauh lebih rendah daripada QY CQD yang disintesis dengan menggunakan asam sitrat (CA) dan etanolamin (EA) sebagai molekul model. Di sini, pirolisis pada 180 °C menghasilkan prekursor molekuler dengan PL yang sangat kuat dan QY tinggi 50%, yang disebabkan oleh doping N selama proses sintesis [30].
a Spektrum serapan UV-Vis CQD, inset:gambar optik di bawah siang hari (kiri) dan sinar UV (kanan). b Spektrum PL CQD pada panjang gelombang eksitasi yang berbeda
Karena tidak beracun dan ramah lingkungan, CQD dianggap sebagai alternatif untuk titik kuantum semikonduktor untuk diterapkan dalam sistem biologis baik in vitro maupun in vivo. CQD yang disintesis diterapkan dalam gambar optik sel epidermis bawang seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Mikroskop fluoresensi mengungkapkan bahwa dinding sel dan inti sel dari sel epidermis bagian dalam bawang dapat dilihat dengan jelas, berlapis baik dan kuat dalam arti tiga dimensi. Hasil menunjukkan bahwa pewarnaan dan pencitraan titik kuantum karbon sangat baik dan tidak memiliki efek buruk pada organisme dan tidak ada kerusakan morfologi sel yang diamati, lebih lanjut menunjukkan CQD dengan sitotoksisitas rendah. Gambar confocal pada Gbr. 5 menunjukkan bahwa CQD yang disintesis dari jus lemon dapat digunakan dalam pencitraan sel tumbuhan sebagai indikator fluoresen, selain itu menunjukkan potensi aplikasi pencitraan biologis CQD.
Gambar optik sel epidermis bawang merah yang diwarnai menggunakan CQD yang diterangi oleh sumber cahaya biru
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, titik kuantum karbon fluoresen yang larut dalam air telah disintesis menggunakan jus lemon sebagai sumber karbon melalui reaksi hidrotermal yang lancar. CQD ini memiliki material dan sifat optik yang baik. Mereka dapat memancarkan fluoresensi warna biru-hijau terang di bawah sinar UV atau sinar biru. Kami telah menunjukkan bahwa CQD dapat digunakan dalam pencitraan sel tumbuhan. Kami berharap temuan penting dan signifikan ini dapat membantu kami memperoleh pemahaman mendalam tentang CQD dan untuk mengeksplorasi aplikasi yang lebih praktis dari struktur nano berbasis karbon yang baru.
