CQD Fluoresceren Cair dari Jus Lemon: Sintesis Hidrotermal dan Karakterisasi Optik
Abstrak
Titik kuantum karbon (CQD) yang larut air dan fluoresceren disintesis dengan memanfaatkan jus lemon sebagai sumber karbon melalui reaksi hidrotermal sederhana. CQD yang dihasilkan memiliki ukuran rata-rata 3,1 nm. Mereka menunjukkan morfologi seragam, kristal yang baik, dan dapat menghasilkan sinar biru-hijau terang di bawah sinar UV atau cahaya biru. Kami menemukan bahwa fluoresensi dari CQD ini terutama disebabkan oleh kehadiran grup yang mengandung oksigen pada permukaan dan tepi CQD. Selain itu, kami menunjukkan bahwa CQD yang disiapkan dapat digunakan untuk citra sel tanaman. Studi ini terkait dengan pembuatan, investigasi, dan aplikasi struktur nano karbon yang baru dikembangkan.
Latar Belakang
Titik kuantum karbon (CQD) adalah kelas baru dari nanomaterial berbasis karbon biasanya dengan ukuran spasial kurang dari 20 nm, yang ditemukan oleh Xu et al. pada tahun 2004 [1]. Nanopartikel karbon fluoresceren dibuat oleh Sun et al. melalui ablasi laser serbuk grafit pada tahun 2006 [2] dan sejak itu dinamakan "titik kuantum karbon (CQD)". CQD fluoresceren memiliki potensi besar untuk diterapkan dalam fotokatalisis, perangkat optoelektronik, biomedis, layar tipis, pencahayaan sehat, dan disiplin aplikasi praktis lainnya. Dibandingkan titik kuantum berbidasar semiconductor tradisional, CQD dapat diperoleh dengan teknik pembuatan biaya rendah dan memiliki fitur menarik dan penting seperti biokompatibilitas yang baik, target biologis yang presisi, toksisitas rendah, dan efek ukuran kuantum yang lebih kuat. Dalam beberapa tahun terakhir, CQD fluoresceren telah menarik perhatian yang luar biasa [3, 4] karena properti struktural dan optik yang unggul [5]. Mereka telah diusulkan sebagai bahan pengganti titik kuantum semiconductor konvensional dalam area aplikasi termasuk citra biologis, pelabelan biologis, titik kuantum LED (QLED), perlindungan lingkungan, dan bidang terkait lainnya [6,7,8,9]. Penelitian CQD telah berkembang pesat dalam fisika padatan, ilmu materi, elektronika, dan optoelektronika. Studi fundamental dan aplikasi terkait telah dilakukan secara luas di seluruh dunia [3,4,5,6,7,8,9].
Saat ini, ada teknik beragam [10, 11] untuk sintesis CQD, seperti pendekatan hidrotermal [11, 12], metode microwave [13], dan lain-lain. CQD telah disintesis dari berbagai prekursor karbon seperti glukosa [14], asam sitrat [15], dan asam asorbat [16]. Namun, teknik untuk pembuatan CQD fluoresceren biokompatibel yang efisien dalam skala produksi besar masih diperlukan dan telah menjadi tantangan untuk aplikasi praktis CQD. Telah diperhatikan bahwa sintesis langsung CQD dari produk pangan [17,18,19] dan/atau sampingan [20] adalah salah satu strategi yang menjanjikan dan signifikan. Titik karbon merah (R-CDs) dengan diameter rata-rata 4 nm dan rendemen kuantum (QY) tinggi sebesar 28% dalam air disintesis [21] dengan memanaskan larutan etanol jus lemon tanpa daging. Redukan kuat NaBH₄ ditambahkan ke R-CDs digunakan sebagai cara untuk meningkatkan intensitas emissi cahaya dari R-CDs. Namun, kami tahu bahwa NaBH₄ beracun. Baru-baru ini, kami telah membuat CQD yang menghasilkan cahaya hijau dan biru dari air limbah tahu tanpa menambahkan bahan acak apa pun [22]. CQD yang dibuat dari produk pangan dan/atau sampingan dianggap aman untuk aplikasi biologis karena hampir tidak ada toksisitas yang diketahui pada sumber karbon alami ini. Baru-baru ini, beberapa penelitian serius telah dilakukan untuk sintesis CQD dari sumber karbon non-toksik menggunakan pendekatan satu tahap dan kemajuan signifikan telah dicapai dalam sintesis, studi, dan aplikasi CQD ini. Misalnya, bawang putih digunakan sebagai sumber hijau untuk sintesis CQD [23]. Studi struktur dan komposisi terperinci menunjukkan [23] bahwa kandungan N dan pembentukan ikatan C–N dan C=N adalah kunci untuk meningkatkan PL QY. Selain itu, CQD menunjukkan stabilitas yang luar biasa dalam rentang pH yang luas dan konsentrasi NaCl tinggi, menjadikannya dapat diterapkan dalam kondisi yang kompleks dan keras [23].
Motivasi utama dari karya ini adalah untuk mengembangkan metode eksperimen yang sederhana dan efisien untuk pembuatan CQD biaya rendah dari jus lemon dengan menggunakan perawatan hidrotermal pada suhu relatif rendah dan melalui proses yang tidak memakan waktu banyak. Diketahui bahwa jus lemon dapat dengan mudah dan murah diperoleh, dan oleh karena itu, ini adalah sumber karbon yang baik untuk pembuatan sampel dan perangkat berbasis CQD. Dibandingkan dengan studi sebelumnya [21], CQD non-toksik yang dihasilkan dalam karya kami lebih cocok untuk citra biologis dan penanda sel. Dalam studi ini, kami juga melakukan pemeriksaan properti material dan optik dasar CQD yang dihasilkan dari jus lemon dan menerapkan CQD untuk citra sel tanaman.
Metode
Bahan Prekursor
Dalam studi ini, bahan prekursor karbon diambil dari jus lemon segar. Bahan utama dan persentasenya diperoleh dengan pengukuran kromatografi cair alta performa (HPLC) seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 1. Untuk persiapan sampel, lemon segar yang digunakan sebagai sumber karbon dan bawang merah segar yang digunakan untuk citra sel dibeli dari supermarket setempat. Etanol adalah kimia analitik dan digunakan sebagai agen dispersi. Air deionisasi (18,25 MΩ cm) digunakan untuk eksperimen.
Sintesis CQD
CQD disintesis dari jus lemon dengan perawatan hidrotermal sederhana pada suhu relatif rendah dan melalui proses yang tidak memakan waktu banyak. Proses persiapan sampel yang khas ditunjukkan pada Gambar 1. Delapan puluh mililiter jus lemon tanpa daging dicampur dengan 60 mL etanol. Campuran kemudian dipindahkan ke autoclave stainless steel yang dilengkapi politetrafluoroetilena dan dipanaskan pada suhu konstan sekitar 120 °C selama 3 jam. Setelah reaksi, produk coklat gelap diperoleh setelah pendinginan alami ke suhu ruangan. Larutan coklat gelap dicuci dengan diklorometana berlebih untuk menghilangkan bagian organik yang tidak bereaksi dan langkah ini dapat diulang 2–3 kali. Air deionisasi ditambahkan hingga volume larutan coklat meningkat hingga sepertiga dari larutan dan disentrifugas pada 10000 rpm selama 15 menit untuk memisahkan partikel besar. Dengan demikian, sampel CQD dapat diperoleh melalui karbonisasi jus lemon, yang mengandung karbohidrat dan asam organik seperti glukosa, frukosa, sukrosa, asam asorbat, asam sitrat, dll. sebagai prekursor karbon. Reaksi hidrotermal mudah kami pada suhu 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 mikrostruktur CQD yang dihasilkan dari jus lemon dianalisis dengan mikroskop transmisi elektron (JEM 2100, Jepang) yang dioperasikan pada 300 KV. Fase kristal CQD diselidiki dengan difraksi X-ray (Rigaku TTR-III, Jepang) menggunakan radiasi Cu-Kα (λ = 0,15418 nm). Spektra absorpsi 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 bervariasi dari 330 hingga 490 nm. Spektra spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS) direkam dengan spektrometer fotoelektron PHI5000 Versa Probe II dengan Al Kα pada 1486,6 eV.
Hasil dan Diskusi
Citra TEM CQD ditunjukkan pada Gambar 2. Citra TEM dengan pembesaran rendah dari sampel yang disiapkan menunjukkan bahwa CQD memiliki dispersi seragam. CQD berbentuk bola dengan distribusi ukuran sempit yang berkisar 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 jaringan 0,215 nm yang sesuai dengan faceta [100] karbon grafit, dan pola FFT yang sesuai dari CQD lebih menunjukkan struktur kristal yang tinggi, konsisten dengan laporan sebelumnya [25]. Dibandingkan dengan studi sebelumnya [19, 21,22,23], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, CQD yang dihasilkan dalam karya kami tidak hanya memiliki kualitas yang baik tetapi juga menunjukkan morfologi seragam yang lebih baik. Oleh karena itu, CQD dengan morfologi bundel seragam dan kristal yang baik dapat dibuat melalui proses perawatan hidrotermal yang mudah. Rendemen produksi (PY) CQD dapat dihitung menurut definisi PY = (m/M) × 100%, di mana m adalah massa CQD, dan M adalah massa jus lemon segar. Rendemen produksi CQD yang disiapkan dalam studi ini sekitar 0,1% menurut hasil pengukuran, yaitu, 100 g cairan dengan 6,30% asam sitrat dapat memperoleh sekitar 0,1 g CQD (lihat Tabel 1).
a, c, d Citra TEM. b Distribusi ukuran partikel CQD. e Pola FFT yang sesuai dari CQD
Pola XRD dan profil XPS yang khas dari CQD ditunjukkan pada Gambar 3. Ada puncak (002) lebar yang berpusat pada 2θ~21,73°, dan jaran lapisan dihitung sebesar 0,409 nm, yang sesuai dengan struktur grafit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, yang mirip dengan nilai yang dilaporkan untuk CQD yang disiapkan dengan metode lain [15, 26]. Variasi jarak lapisan mungkin disebabkan oleh perkenalan grup yang lebih banyak mengandung oksigen seperti kehadiran –OH dan –COOH pada permukaan dan tepi CQD selama proses reaksi hidrotermal untuk persiapan CQD. XPS dan FTIR digunakan untuk mendeteksi komposisi CQD. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, c, spektra XPS menunjukkan puncak grafitik C1s dominan pada 284,5 eV dan puncak O1s pada 531,4 eV dari CQD. Puncak khas pada 284,7, 286,5, dan 288,9 eV dalam pemindaian resolusi tinggi spektra XPS C1s (Gambar 3c) dikaitkan dengan C=C/C–C, C–O, dan C=O/COOH, masing-masing. Ini menunjukkan dengan jelas bahwa CQD difungsionalkan dengan grup hidroksil, karbonil, dan asam karboksilat, yang bermanfaat untuk modifikasi permukaan dan difungsionalisasi, dan juga membantu keberlarutan dalam air. Gambar 3d menunjukkan spektra spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dari CQD. Kehadiran fungsionalitas oksigen dengan berbagai jenis dalam CQD dikonfirmasi oleh puncak pada 3450 cm⁻¹ (gerangan O–H), 2927 cm⁻¹, 1407 cm⁻¹ (gerangan C–H), 1726 cm⁻¹ (gerangan C=O), 1639 cm⁻¹ (gerangan C=C), 1227 cm⁻¹ (gerangan C–OH), dan 1080 cm⁻¹ (gerangan C–O). Telah diperhatikan bahwa analisis FTIR selaras dengan hasil XPS di atas. Yang paling penting, puncak C–O–C (epoks) pada 1290 cm⁻¹ menghilang sepenuhnya. Hasil ini menyiratkan mekanisme pembentukan CQD, dengan retakan grup epoks dan ikatan C–C yang terbentuk di bawahnya, kemudian domain sp² diekstrak dari prekursor molekul kecil seperti glukosa, frukosa, asam asorbat, dan asam sitrat melalui dehidrasi atau karbonisasi lebih lanjut dan akhirnya membentuk CQD. Oleh karena itu, pemutusan ikatan grup oksigen di sekitarnya berkontribusi pada pembentukan CQD [15, 27].
a Pola XRD. b Spektra XPS rentang rendah. c Pemindaian resolusi tinggi XPS wilayah C1s. d Spektra FTIR CQDs
Saat ini, mekanisme yang mungkin untuk pembentukan CQD dari prekursor karbon dengan metode hidrotermal telah diusulkan dan diperiksa [28]. Berdasarkan hasil yang diterbitkan ini, kami dapat memahami mekanisme sintesis CQD dari jus lemon. Jus lemon tanpa daging dipanaskan dan didehidrasi untuk membentuk kerangka dasar C=C/C–C yang terutama terdiri dari CQD, dan sisa molekul mencapai inti untuk menghasilkan ikatan C=C/C–C baru dan kemudian tumbuh secara berkelanjutan dalam bentuk ini. Seiring bertambahnya waktu pemanasan, morfologi CQD terbentuk secara bertahap. Pada saat yang sama, dalam proses perawatan hidrotermal untuk membentuk CQD, permukaan dan tepi CQD mungkin mengandung banyak grup hidroksil (–OH), asam karboksil (–COOH), dan karbonil (–C=O) atau grup fungsional yang mengandung oksigen lainnya; sebagian atom H dan O dalam grup ini dapat dihilangkan dengan dehidrasi dalam lingkungan hidrotermal.
Untuk memeriksa properti optik CQD, spektra absorpsi ultraviolet-visible (UV-Vis) dan fotoluminesensi (PL) CQD diukur sesuai. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, puncak absorpsi optik CQD diamati di wilayah ultraviolet dengan absorpsi maksimum pada 283 nm, yang disebabkan oleh transisi n–π* dari pita C=O [29]. Spektra 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 beralih dari 430 hingga 530 nm ketika panjang gelombang eksitasi ditingkatkan dari 330 hingga 490 nm. Seiring peningkatan panjang gelombang eksitasi, puncak emisi fluoresensi beralih ke redshift, yang mengacu pada terjadinya reabsorpsi foton. Hasil ini mengungkapkan bahwa CQD memiliki fitur PL yang tergantung pada eksitasi [30]. CQD fluoresen hijau juga menunjukkan puncak PL lebar yang berubah seiring perubahan panjang gelombang eksitasi, yang terkait dengan efek konfinansi kuantum dan cacat tepi. Dengan pengukuran PL standar [22], rendemen kuantum fluoresensi CQD adalah 16,7% dengan panjang gelombang eksitasi 410 nm, di mana sulfat kinin digunakan sebagai referensi. Nilai ini jauh lebih baik dari QY (8,95%) CQD yang dibuat dari jus lemon dalam laporan sebelumnya [24]. Diketahui bahwa QY CQD dapat ditingkatkan secara dramatis setelah modifikasi atau passivasi permukaan [30]. Penambahan etanol selama proses sintesis dapat memperkenalkan lebih banyak grup fungsional yang dapat menghasilkan QY CQD yang lebih tinggi. Namun, QY CQD dalam studi ini jauh lebih rendah dari QY CQD yang disintesis menggunakan asam sitrat (CA) dan etanolamina (EA) sebagai molekul model. Di sini, pirolisis pada 180 °C menghasilkan prekursor molekuler dengan PL yang sangat kuat dan QY tinggi sebesar 50%, yang disebabkan oleh dopant N selama proses sintesis [30].
a Spektra absorpsi UV-Vis CQD, inset: citra optik di bawah cahaya siang (kiri) dan cahaya UV (kanan). b Spektra PL CQD pada berbagai panjang gelombang eksitasi
Karena non-toksik dan ramah lingkungan, CQD dianggap sebagai alternatif untuk titik kuantum semiconductor untuk diterapkan dalam sistem biologis baik in vitro maupun in vivo. CQD yang disintesis diterapkan pada citra optik sel epidermis bawang sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5. Mikroskopi fluoresensi menunjukkan bahwa dinding sel dan inti sel epidermis dalam bawang dapat terlihat dengan jelas, rata, dan kuat dalam pengaruh tiga dimensi. Hasil menunjukkan bahwa pewarnaan dan citra titik kuantum karbon sangat baik dan tidak memiliki efek buruk pada organisme dan tidak ada kerusakan morfologi sel yang diamati, lebih mendemonstrasikan CQD dengan sitotoksitas rendah. Citra konfokal pada Gambar 5 menunjukkan bahwa CQD yang disintesis dari jus lemon dapat digunakan dalam citra sel tanaman sebagai indikator fluoresen, dan lebih menunjukkan potensi aplikasi CQD dalam citra biologis.
Citra optik sel epidermis bawang yang diwarnai menggunakan CQD diiluminasi oleh sumber cahaya biru
Kesimpulan
Dalam studi ini, titik kuantum karbon (CQD) fluoresen yang larut air telah disintesis menggunakan jus lemon sebagai sumber karbon melalui reaksi hidrotermal yang mudah. CQD ini memiliki properti material dan optik yang baik. Mereka dapat menghasilkan fluoresensi biru-hijau terang di bawah sinar UV atau cahaya biru. Kami telah menunjukkan bahwa CQD dapat digunakan untuk citra sel tanaman. Kami berharap temuan penting dan signifikan ini dapat membantu kami untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang CQD dan untuk menjelajahi lebih banyak aplikasi praktis dari struktur nano berbasis karbon yang baru.
