Titik Karbon: Nanotermometer Generasi Berikutnya – Tinjauan Komprehensif
Abstrak
Pengukuran suhu mode non-kontak yang sangat sensitif sangat penting untuk mempelajari reaksi kimia dasar, proses biologis, serta aplikasi diagnostik medis. Termometer berbasis skala nano menawarkan sona non-invasif untuk pengukuran suhu yang sensitif dan presisi dengan resolusi subseluler. Sensor suhu berbasis fluoresensi telah menunjukkan potensi besar karena beroperasi dalam mode "non-kontak" dan menyediakan fungsi ganda: citra seluler dan pengukuran suhu pada tingkat molekular. Kemajuan dalam nanomaterial dan nanoteknologi telah mengarah pada pengembangan sensor inovatif, seperti nanotermometer—bahan pengukur suhu baru dengan resolusi spasial tinggi pada skala nano. Nanotermometer ini telah dikembangkan menggunakan berbagai platform, seperti protein fluoresens, senyawa organik, nanopartikel logam, nanopartikel terpenu logam langka, dan titik kuantum semiikon. Titik karbon (CDs) telah menarik perhatian di banyak bidang penelitian karena properti luar biasa, termasuk fluoresensi kuat, resistensi fotobleaching, stabilitas kimia, prekursor berbiaya rendah, toksisitas rendah, dan kompatibilitas biologis. Laporan terbaru menunjukkan perilaku pengukuran termal beberapa CDs yang menjadikan mereka alternatif bagi termometer berbasis nanomaterial lain. Jenis termometer berbasis luminesensi ini menjanjikan untuk pengukuran suhu nanokaviti dan pemetaan termal guna memahami proses biologis dengan lebih baik. Karena CDs masih dalam tahap awal sebagai bahan skala nano untuk pengukuran termal, tinjauan ini menyediakan pemahaman komprehensif tentang nanotermometer inovatif ini, metode fungsionalisasi untuk meningkatkan sensitivitas dan resolusi termal, serta mekanisme perilaku pengukuran termal.
Pendahuluan
Suhu adalah variabel termodinamik dasar yang berpengaruh signifikan terhadap sistem biologis dan kimia. Berdasarkan luasnya aplikasi, hampir di semua bidang ilmu pengetahuan alam, teknik, pertanian, dan ilmu kedokteran, penetapan suhu yang presisi sangat penting [1, 2]. Dalam aplikasi medis, termometri digunakan untuk deteksi dini berbagai penyakit, seperti stroke, kanker, atau peradangan, salah satu gejala awalnya adalah munculnya karakteristik suhu lokal.
Secara historis, estimasi suhu paling awal mungkin didasarkan pada perasaan atau pengamatan. Pada zaman kuno, 200–10 SM, eksperimen pneumatik (expansi udara oleh panas) dianggap sebagai referensi tertua yang dikenal dari aparatur yang digunakan untuk pengukuran kuantitatif panas. Di antara tulisan paling primitif terkait dengan udara yang mengalami ekspansi panas dikreditkan kepada karya Philo Byzantium dan Hero (atau Heron) Alexandria mengenai eksperimen pneumatik [3]. Kemudian, antara tahun 1592 hingga 1603, Galileo Galilei menciptakan termoskop dengan melakukan eksperimen menggunakan expansi udara melalui panas dengan membangun aparatur sederhana menggunakan tabung yang mengandung udara terperangkap di atas kolom air. Setelah Galileo, orang Italia Santorio diberi kredit pertama untuk mengintegrasikan aparatur sederhana ini ke dalam pemeriksaan medis demam. Termometer cairan dalam kaca yang sepenuhnya teredap pertama, tabung kaca terisi alkohol, dirangka oleh Ferdinand II pada tahun 1641. Dia dapat mengukur suhu tanpa dibantu oleh tekanan barometrik, berbeda dengan termoskop terbuka Galileo dan Santorio. Kerja praktis Fahrenheit dalam termometri muncul pada tahun 1706; dia memulai dengan alkohol tetapi kemudian menjadi legendaris dengan termometer merkuri-nya. Pengakuan untuk skala suhu centesimal diberikan kepada Anders Celsius, yang pada tahun 1742 mengajukan skala dengan nol pada suhu air mendidih dan 100 pada suhu air membeku. Eksperimen elektronik dilakukan pada abad kesembilan belas ketika Thomas Johann Seebeck mempertimbangkan konsep termoelektrik. Dalam serangkaian eksperimen yang dilakukan antara tahun 1820 dan 1823, dia memverifikasi potensi listrik di titik-titik sambungan dua logam yang berbeda ketika ada perbedaan panas di antara sambungan. Ini kemudian dikenal sebagai Efek Seebeck dan berfungsi sebagai asal-usul termokopel yang dianggap sebagai pengukuran suhu paling akurat [3,4,5,6,7]. Garis waktu skematis termometer ditunjukkan dalam Gambar 1.
Skema garis waktu untuk evolusi termometer
Termometer konvensional dapat dikategorikan menjadi:
Termometer kaca terisi cairan berdasarkan expansi termal bahan
Termokopel berdasarkan efek Seebeck
Sensor optik [8]
Selain itu, mereka dapat diklasifikasikan sebagai termometer kontak atau non-kontak. Mode kontak, termasuk termometer kaca terisi cairan klasik, termokopel, termistor, dan detektor suhu resistensi (RTD), semuanya memerlukan kabel listrik dan sentuhan langsung antara termometer dan substrat. Mode ini tidak cocok untuk aplikasi di mana derau elektromagnetik kuat, percikan bisa berbahaya, lingkungan destruktif, atau bagian bergerak dengan cepat. Selain itu, termometer tradisional tidak mampu melakukan pengukuran ketika resolusi spasial menurun ke skala sub-mikron, misalnya, dalam variasi suhu seluler dan pemetaan suhu mikro Sirkuit dan mikrofluida [9]. Demikian pula, aplikasi teknik memerlukan strategi termosensitif canggih untuk wilayah miniatur dan lingkungan sulit [10]. Oleh karena itu, untuk domain skala nano, seseorang harus memikirkan pendekatan dan bahan lainnya.
Termometri non-kontak baru dapat mengatasi masalah-masalah di atas. Misalnya, sensor optik termal (termometer molekuler) adalah generasi alat analitis yang lebih baru yang terdiri dari kelas molekuler yang menggunakan pengukuran cahaya yang dipancarkan untuk mengekstrak suhu [11, 12]. Probe suhu sensitif fluoresensi menawarkan area yang menjanjikan untuk termometri dalam aplikasi sistem nano. Informasi suhu dapat diekstrak berdasarkan intensitas fluoresensi, bentuk pita, pergeseran Stokes, atau umur peluruhan yang dapat berkaitan dengan suhu jika dikalibrasi dengan baik [13, 14].
Termometer molekuler memiliki potensi besar dalam mendiagnosis sel penyakit atau karsinogenik, yang memiliki suhu fisiologis yang berbeda dari sel biasa. Dalam aplikasi medis, kemungkinan berkisar dari kontrol ekspresi gen yang diinduksi suhu [15] dan metabolisme sel [16] hingga penetrasi selektif sel dan pengobatan penyakit [17] serta peningkatan pengedaran panas dari sumber panas terintegrasi [18]. Baru-baru ini, nanomaterial seperti semiikon [19], polimer [10], dan nanopartikel logam [20] telah digunakan sebagai sensor termal (nanotermometer) yang menunjukkan resolusi termal sub-mikron.
Termometer yang dapat mengatasi derajat suhu dalam rentang suhu yang luas yang juga dapat diintegrasikan dalam sistem hidup dapat menawarkan alat baru yang berpengaruh di banyak area penelitian biologis, fisik, dan kimia. Oleh karena itu, dalam tinjauan ini, kami fokus pada "generasi baru" atau "kelas baru" nanotermometer yang didasarkan pada nanomaterial karbon (bahan karbonaceous). Sejauh kami mengetahui, tidak ada artikel tinjauan yang dilaporkan tentang titik karbon sebagai nanotermometer. Baru-baru ini, titik karbon (titik kuantum karbon, titik kuantum grafen) bersama dengan karakteristik unik mereka telah menunjukkan properti termal sensitif yang menjadikan mereka kandidat unggul untuk perilaku termometrik pada domain skala nano. Di sini, definisi, keuntungan, dan mekanisme perilaku pengukuran termal dari titik karbon ditinjau. Terakhir, perspektif masa depan kelas baru bahan termo ini disajikan.
Nanotermometri
Yang dimaksud dengan "nano-termometri" adalah menggunakan bahan termosensitif skala nano untuk memberikan informasi suhu tentang lingkungan lokal wilayah skala nano atau mikro [21, 22]. Sonda termal berbasis nanopartikel memiliki kapasitas besar dalam spektrum luas aplikasi pengukuran, dan banyak "nanotermometer" progresif baru-baru ini telah dilaporkan. Selain itu, berbagai jenis nanomaterial konvensional telah dilaporkan memiliki properti luminesensi termosensitif, seperti polimer [23, 24], kristal nano [25], nanopartikel terpenu logam langka [26, 27], dan nanopartikel logam [28].
Oleh karena itu, sensor nanosuhu adalah termometer non-invasif, mode non-kontak, akurat yang bekerja pada skala nano dengan resolusi sensitivitas tinggi [9]. Pengukuran termal menggunakan nanomaterial dapat dicapai dengan memanipulasi properti optik mereka. Nanotermometri fluoresensi dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kelas berdasarkan parameter tepat yang digunakan untuk mendapatkan pengukuran termal, meliputi intensitas sinyal, bentuk pita, umur fluoresensi, pergeseran pita, polarisasi panjang gelombang eksitasi, dan pergeseran spektral. Dalam kasus pertama, fluoresensi berubah dengan suhu yang berbeda dan dapat terdeteksi sebagai peningkatan (atau penurunan) mutlak dalam sinyal [9, 29,30,31].
Pengukuran nanotermometri luminesensi non-kontak, yang menggunakan nanomaterial luminesensi dengan emisi bergantung pada suhu, terutama cocok untuk aplikasi biologis [32, 33]. Nanomaterial luminesensi ini termasuk polimer fluoresens [24], nanopartikel logam [34], nanopartikel terpenu logam langka [35], dan nanobiram [36] yang memiliki properti termosensitif dalam rentang fisiologis. Karya-karya pionir ini mampu memberikan suhu rata-rata untuk sel individual. Probe luminesensi bergantung pada suhu berdasarkan warna organik (misalnya, Rhodamine 6G) dan polimer (misalnya, poly(N-isopropyl akrilamide)) umumnya menunjukkan stabilitas foto yang buruk dan sensivitas silang yang jelas terhadap oksigen, yang tidak diinginkan untuk kerja sel hidup [8]. Selain itu, ada ketergantungan pH yang kuat pada umur fluorofor, yang membuatnya sulit digunakan tanpa kontrol presisi pH lingkungan yang ditinjau [37].
Kelas lain nanotermometer berdasarkan kristal nano semiikon murni dan terpenu telah dilaporkan, dengan kandidat terkemuka seperti CdSe, ZnS, InP, atau PbSe [19, 38,39,40]. Titik kuantum semiikon (SQDs) adalah kandidat untuk termometer skala nano, mengingat mereka memiliki hasil kuantum tinggi, umur panjang sebelum fotobleaching, dan kompatibilitas biologis yang memadai setelah modifikasi permukaan yang tepat. Selain itu, mereka dapat dengan mudah dikonjugasi dengan protein dan DNA untuk pengukuran dan citra [41]. Tantangan luar biasa yang dihadapi oleh jenis termometer luminesensi ini adalah pengenalan terkait kecerahan, stabilitas foto, sensitivitas, dan presisi pada T = 20–40 °C saat menyinggih mikroambiente subseluler. SQDs telah ditinjau secara luas dalam hal sintesis, properti fisikokimia, luminesensi, serta aplikasi potensial mereka. Di sini, kami mengarahkan perhatian pembaca kepada tinjauan menakjubkan ini [42,43,44,45,46]. Dibandingkan dengan warna organik, SQDs menunjukkan kecerahan yang lebih baik untuk deteksi, profil eksitasi yang lebih lebar untuk multiplexing, dan stabilitas foto yang lebih baik untuk studi jangka panjang. Selain itu, SQDs sebagai sensor suhu tahan terhadap pH dan variasi lingkungan lain yang diharapkan prevalen di dalam sel [47].
Umumnya, dalam SQDs karena kombinasi berbagai proses, peningkatan suhu menghasilkan penurunan intensitas fluoresensi (quenching), yang diiringi pergeseran spektral. Pergeseran ini dapat diasumsikan linear dalam rentang biofisika. Magnitudo kedua efek (penurunan luminesensi dan pergeseran spektral) sangat bergantung pada bahan yang membentuk QDs dan pada ukurannya [48].
Setiap grup nanomaterial luminesensi memiliki keterbatasan penggunaan beserta keuntungannya. Seperti yang dijelaskan di atas, SQDs lebih disukai daripada polimer fluoresens dan warna organik. SQDs baik dalam hal stabilitas foto, efisiensi kuantum, dan fluoresensi yang dapat diatur, tetapi QDs tidak dapat digunakan untuk melacak satu molekül untuk pemantauan jangka panjang karena blinking intrinsik mereka [49]. Selain itu, kelemahan utama QDs adalah toksisitas mereka, yang disebabkan oleh kandungan logam berat mereka, termasuk logam seperti kadmium; ini membatasi aplikasi biologis dan lingkungan mereka. Selain itu, ketersediaan elemen prekursor di alam relatif rendah dan oleh karena itu SQDs dianggap mahal [50].
Titik Karbon sebagai Nanotermometer
Untuk mengatasi masalah yang timbul dari nanotermometer non-bahan karbon (seperti yang kami jelaskan di bagian sebelumnya), nanomaterial berbasis karbon telah disiapkan dan menunjukkan properti unik, seperti toksisitas rendah, sintesis mudah, prekursor berbiaya rendah, stabilitas foto, dan kompatibilitas biologis. Nanomaterial berbasis karbon ini menunjukkan properti pengukuran termal yang sensitif. Selain itu, peningkatan nanopartikel bebas logam penting dan mendesak karena bahaya lingkungan untuk aplikasi biologis bagi bahan beracun ini [51, 52]. Di antara keluarga nanomaterial berbasis karbon, nanobiram fluoresen telah pertama kali dilaporkan sebagai nanotermometer [53]. Nanobiram fluoresen memiliki kompatibilitas biologis intrinsik yang timbul dari permukaan yang kimiawi kuat dan iners [54]. Nanobiram lainnya baru-baru ini digunakan untuk pengukuran termal seluler dengan akurasi sub-derajat [55, 56]. Sensitivitas termal nanobiram ini didasarkan pada pusat warna nitrogen-kosong yang disebut demikian, yang merupakan cacat titik yang terdiri dari atom nitrogen yang menggantikan atom karbon jaringan dan lokasi jaringan kosong di dekatnya [48, 57]. Pusat nitrogen-kosong dari nanobiram fluoresen telah ditinjau secara luas dan telah dikarakterisasi dengan baik untuk fisikanya, serta penggunaannya dalam aplikasi biologis [58]. Prinsip kerja termometri berbasis nitrogen-kosong bergantung pada pengukuran yang akurat dari pusat warna ini, yang dapat terdeteksi secara optik dengan resolusi spasial tinggi [30, 59]. Namun, efisiensi fluoresensi rendah dan kontrolabilitas yang buruk menghambat aplikasi nanobiram fluoresen secara signifikan [36].
Salah satu kelas baru dari keluarga nanomaterial berbasis karbon adalah titik karbon (CDs) yang sangat luminesen, yang memiliki fotoluminesensi sangat terang, stabilitas fotokimia, keberlarutan dalam air, kompatibilitas biologis yang hebat, dan non-toksisitas [60,61,62]. CDs adalah nanopartikel nol-dimensi dan berbentuk bola dengan diameter kurang dari 10 nm [63, 64]. Berbagai pendekatan telah diterapkan untuk menyiapkan berbagai jenis CDs, misalnya, ablasi laser [65], solvothermal [66], sintesis hidrotermal [67], bantu microwave [68], kelistrikan silang [69], oksidasi asam [70], dan pendekatan kimia dan fisika lainnya [71, 72]. Selain itu, CDs menampilkan prospek yang diinginkan untuk berbagai aplikasi, seperti citra biologis [73], pengukuran kimia dan biosensor [74,75,76,77], pengiriman obat target [78], analisis farmasi [79], dan katalisis [80, 81]. Titik karbon telah ditinjau secara luas dalam hal sintesis, properti fisikokimia, serta aplikasi potensial mereka. Di sini, kami merujuk pembaca kepada banyak tinjauan bagus tentang titik karbon [72, 82,83,84,85,86,87,88].
Pada tahun-tahun terakhir, fluoresen CD sebagai sensor suhu telah menarik perhatian besar dari peneliti. Secara prinsip, beberapa kebutuhan diperlukan untuk pengukuran suhu yang efektif, seperti titik karbon nano harus menunjukkan variasi yang signifikan dalam fotoluminesensi mereka dalam rentang suhu yang relevan [89]. Stabilitas foto, stabilitas pH, dan usia simpan adalah kebutuhan lain yang harus dipertimbangkan untuk aplikasi praktis.
CDs adalah alternatif yang menjanjikan untuk titik kuantum semiikon konvensional (SQDs). Dibandingkan dengan QDs, CDs menunjukkan banyak keuntungan luar biasa seperti biaya rendah, toksisitas rendah, dan properti optik/kimia yang unik dan kokoh [90] Selain itu, CDs menunjukkan fotobleaching yang sangat sedikit. Dibandingkan dengan bahan mentah fluoresen lainnya, CDs diproduksi dari sumber karbon yang murah dan melimpah di alam [91]. Selain itu, ada beberapa metode sederhana untuk memodifikasi dan memfungsikan status permukaan CDs, yang memungkinkan penyesuaian keberlarutan, stabilitas, properti fisikokimia, dan hasil kuantum CDs sesuai dengan kebutuhan eksperimental mereka [49, 92, 93].
Dalam literatur, ada sejumlah kecil artikel yang dilaporkan tentang titik karbon dengan fluoresensi bergantung pada suhu dan ditunjukkan dalam Tabel 1.
a Pengukuran fotoluminesensi resolusi waktu sebagai fungsi suhu. b Spektral fluoresensi film CD sebagai fungsi suhu. c Spektral fluoresensi pada 300 K yang dipasang dengan fungsi Gaussian ganda. d Lebar pita fluoresensi sebagai fungsi suhu. (Direproduksi dengan izin dari referensi [51])
Spektral PL menunjukkan puncak asimetris, oleh karena itu spektral PL pada setiap suhu dapat difit dengan baik oleh fungsi Gaussian ganda yang ditunjukkan dalam Gambar 2c. Pita energi tinggi, pita I; pita energi rendah, pita II (Gambar 2d).
Selain itu, jarak energi (lebar pita) fluoresensi diperiksa sebagai fungsi suhu (Gambar 2d). Lebar pita total ditandai oleh scattering elektron-elektron yang tidak bergantung pada suhu, dan scattering elektron-fonon serta permukaan/cacat yang bergantung pada suhu. Lebar pita pita I dan pita II tidak bergantung pada suhu, yang menentukan bahwa scattering elektron-elektron mendominasi dalam CDs.
Oleh karena itu, efek suhu lemah dalam CDs sepadan dengan fakta bahwa mekanisme interaksi utama melibatkan interaksi elektron-elektron daripada pengakuan elektron-fonon. Selain itu, pita PL lebar (> 100 nm) yang biasanya diamati bahkan pada suhu sangat rendah (77 K) mengacu pada interaksi elektron-elektron yang kuat (Gambar 2c). Hasil ini mirip dengan klaster logam nano dan berbeda dari QDs semiikon. Oleh karena itu, Yu dan rekan-rekannya spekulasi bahwa elektron-π dalam CDs dapat bertindak sama seperti elektron bebas dalam klaster logam nano.
Kalytchuk et al. [89] menyintesis N, S-CDs yang larut dalam air dan sangat luminesen dengan perlakuan hidrotermal satu tahap dari asam sitrat dan l-sistein. Mereka mengumpulkan spektral absorpsi steady-state pada rentang suhu yang luas untuk mengkarakterisasi properti PL yang bergantung pada suhu dari CDs. Spektral absorpsi N, S-CDs yang terdisersi dalam air pada suhu antara 10 dan 70 °C (meningkat 5 °C per langkah) ditunjukkan dalam Gambar 3a. Tidak seperti dalam kristal nano semiikon, posisi dan intensitas pita absorpsi tidak berubah dengan suhu. Hasil serupa sebelumnya dilaporkan untuk CDs yang disintesis dengan perlakuan hidrotermal glukosa ke dalam kehadiran glutation [1].
a Absorpsi bergantung pada suhu yang diambil dalam rentang suhu 10 hingga 70 °C. b Plot warna ternormalisasi dari emisi PL bergantung pada suhu pada suhu antara 2 dan 80 °C dengan ukuran langkah 2 °C dan eksitasi pada 355 nm. Perubahan bergantung pada suhu yang sesuai dalam puncak maksimum PL λmax (c), PL fwhm (d), dan intensitas PL terintegrasi (e). (Direproduksi dari referensi [89])
Dalam karya mereka, mereka menunjukkan plot warna dari spektral PL N, S-CDs yang diperoleh pada suhu berkisar dari 2 hingga 80 °C dengan langkah 2 °C (Gambar 3b). Peningkatan suhu mengurangi intensitas emisi PL sekitar faktor 2 tanpa perpindahan yang terdeteksi dari emisi PL [89]. Posisi puncak maksimum emisi PL, lebar pita setengah maksimum PL (fwhm), dan intensitas PL terintegrasi ditentukan secara kuantitatif pada suhu yang diteliti, mengkondensasi hasilnya dalam Gambar 3c–e, masing-masing.
Posisi puncak PL N, S-CDs menunjukkan ketergantungan suhu yang lemah, tidak seperti sebagian besar kristal nano semiikon, yang jarak energi mereka berubah dengan suhu, menginduksi perpindahan emisi PL. Selain itu, PL fwhm mereka hanya menunjukkan perlebaran yang tidak signifikan (1,4 ± 1 nm) dalam rentang suhu yang sama (Gambar 3d), yang menunjukkan bahwa puncak PL N, S-CDs menunjukkan perlebaran termal yang dapat diabaikan. Untuk mengkarakterisasi proses relaksasi nonradiatif yang terjadi dalam CDs, mereka menganalisis penurunan intensitas PL terintegrasi sebagai fungsi suhu. Plot intensitas PL terintegrasi bergantung pada suhu untuk N, S-CDs ditunjukkan dalam Gambar 3e, dengan nilai yang dinormalisasi ke intensitas pada 2 °C, yang mengungkapkan bahwa intensitas menurun monoton dalam rentang suhu yang diteliti, dengan yang pada 80 °C sekitar separuh dari pada 2 °C. Berdasarkan hasil ini, energi aktivasi penurunan termal untuk CDs pada suhu antara 2 dan 80 °C diperkirakan sebesar 17,0 ± 0,7 meV menggunakan rumus Arrhenius untuk N, S-CDs, yang dekat dengan nilai yang dilaporkan oleh Yu et al. [51].
Selain itu, Kalytchuk et al. [89] memeriksa dinamika emisi CD pada berbagai suhu. Gambar 4a–c menunjukkan ketergantungan suhu yang kuat dari emisi PL resolusi waktu mereka, menunjukkan data spektroskopi emisi resolusi waktu untuk tiga suhu yang berbeda. Peta emisi PL transient dari CD diperoleh di daerah spektral antara 375 dan 650 nm pada 2, 50, dan 80 °C, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a–c. Ada penurunan yang jelas dalam peluruhan PL seiring bertambahnya suhu, yang menunjukkan bahwa CD memiliki properti yang memuaskan untuk pengukuran suhu berbasis umur PL. Penting untuk dicatat bahwa peluruhan eksponensial tunggal yang seragam secara spektral diamati di seluruh profil emisi titik pada semua suhu yang diteliti, yang menunjukkan bahwa rekombinasi terjadi melalui saluran yang sangat serupa dan sangat emisif di seluruh himpunan CD. Dinamika PL CD adalah kualitas paling menjanjikan mereka terkait dengan aplikasi pengukuran suhu. Secara khusus, sensitivitas suhu CD menjadikan mereka nanotermometer umur PL.
Emisi PL bergantung pada suhu resolusi waktu dari CD. Plot warna ternormalisasi yang menunjukkan peta emisi PL resolusi waktu untuk CD pada a 2 °C, b 50 °C, dan c 80 °C. d Plot warna ternormalisasi dari intensitas PL resolusi waktu pada puncak emisi PL (λem = 421 nm) pada suhu antara 2 dan 80 °C. e Umur PL yang diekstraksi difplot sebagai fungsi suhu dalam rentang 2–80 °C. (Direproduksi dari referensi [89])
Variasi umur PL CD pada suhu antara 2 dan 80 °C telah diteliti secara menyeluruh; Gambar 4d, e menunjukkan data PL resolusi waktu yang dikumpulkan pada puncak emisi PL titik sebagai fungsi suhu. Plot warna transient PL di seluruh rentang suhu yang diteliti disajikan dalam Gambar 4d, menunjukkan bahwa peningkatan suhu mengarah pada pendekatan monotonik dari peluruhan PL yang tampak. Semua kurva peluruhan yang direkam difit menggunakan fungsi eksponensial tunggal. Data tentang umur yang diekstraksi disajikan dalam Gambar 4e. Seiring bertambahnya suhu dari 2 hingga 80 °C, umur PL menurun monotonik dari 11,0 hingga 5,3 ns. Rentang suhu di mana sensitivitas umur PL ini telah ditunjukkan (2–80 °C) mencakup baik rentang suhu yang relevan fisiologis dan suhu operasi typikal banyak perangkat elektronik. Sensitivitas pseudo-linear mutlak dari probe termal berbasis CD umur PL ini adalah 0,08 ns K−1, dan sensitivitas relatif maksimumnya adalah 1,79% K−1 pada 62 °C. Fitting eksponensial tunggal dari peluruhan PL probe nanopluminesensi berbasis CD di seluruh rentang suhu yang diteliti menghasilkan satu parameter, umur PL (τ), yang dapat dikonversi langsung ke satuan suhu menggunakan kurva kalibrasi. Ini adalah keuntungan penting dibandingkan titik kuantum semiikon typikal, yang menunjukkan peluruhan multi-eksponsial yang membatasi kegunaannya dalam aplikasi yang melibatkan pengukuran umur PL.
Mereka juga mempelajari ketergantungan suhu umur PL CD dalam larutan garam fosfat (PBS) dan medium Eagle modifikasi Dulbecco (DMEM) dan menunjukkan perilaku serupa.
Untuk menunjukkan kegunaan kembali termometer luminesensi berbasis CD, kurva peluruhan PL dari sampel terpilih diukur selama tujuh siklus pemanasan dan pendinginan berturut-turut pada suhu antara 15 dan 45 °C (Gambar 5a).
a Plot warna ternormalisasi dari reversibilitas peluruhan PL selama tujuh siklus berturut-turut pemanasan dan pendinginan. b Stabilitas termal yang sesuai dari umur PL selama tujuh siklus pemanasan dan pendinginan antara 15 dan 40 °C. (Direproduksi dari referensi [89])
Dalam setiap siklus pengukuran, peluruhan PL diukur setelah 5 menit seimbang termal. Tidak ada histeresis termal yang diamati selama siklus pemanasan dan pendinginan, dan variasi umur PL yang dihasilkan difplot sebagai fungsi waktu dalam (Gambar 5b), menunjukkan bahwa umur PL CD menunjukkan stabilitas termal yang sangat baik.
Kemudian, beberapa CD dengan emisi bergantung pada suhu disiapkan menggunakan berbagai metode sintesis, seperti perlakuan hidrotermal dan solvothermal [2, 77, 92, 95, 97,98,99,100,101,102,103], reflux panas [94, 96], dan ablasi laser [14] seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 1. CD yang disiapkan menunjukkan fluoresensi bergantung pada suhu linear dalam rentang fisiologis (ditunjukkan dalam Tabel 1). Intensitas fluoresensi CD menurun seiring bertambahnya suhu. Selain itu, kegunaan kembali dan pemulihan intensitas fluoresensi telah dipelajari dalam semua artikel. Gambar 6 menunjukkan beberapa properti umum CD yang dipelajari dalam berbagai artikel.
a Foto digital dari N, S-CDs di bawah cahaya UV (365 nm) eksitasi pada suhu yang berbeda selama proses pemanasan (atas) dan pendinginan (bawah). (Direproduksi dari referensi [96]). b Spektral emisi fluoresensi N, S co-doped CD yang diukur dalam rentang 5–75 °C (atas ke bawah) saat diekstimulasi pada 340 nm, inset: regresi linear yang sesuai dari suhu versus Ln (F/F0). (Direproduksi dari referensi [97]). c Plot FL/FL0-suhu dari MnOx-CDs selama proses pendinginan dan pemanasan. (Direproduksi dari referensi [103]). d Ketergantungan suhu yang dapat dipulihkan dari PL larutan CD. (Direproduksi dari referensi [102])
Nguyen et al. [14] menyintesis titik karbon (CD) menggunakan ablasi laser femtosecond bubuk grafit dalam etilena-diamina. Grup fungsional yang melimpah terbentuk pada permukaan yang membentuk berbagai status permukaan pada situs permukaan dan menghasilkan emisi multi dari CD. Mereka menyelidiki sensitivitas suhu bergantung pada fluoresensi CD menggunakan spektral fluoresensi steady-state. Spektral emisi bergantung pada suhu CD pada eksitasi 320 nm ditunjukkan dalam Gambar 7a. Kedua intensitas fluoresensi puncak 400 dan 465 nm secara bertahap menurun seiring bertambahnya suhu karena aktivasi termal jalur peluruhan nonradiatif. Intensitas puncak berubah linear dengan suhu berkisar dari 5 hingga 85 °C (Gambar 7b). CD sensitif suhu menunjukkan perubahan intensitas fluoresensi sebesar 3,3 dan 2,1% per °C untuk puncak 400 dan 465 nm, masing-masing. Ini menunjukkan bahwa CD dapat digunakan sebagai sensor suhu konvensional berbasis intensitas dengan sensitivitas tinggi.
a Spektral emisi CD yang direkam dari 5 hingga 85 °C, diekstimulasi pada 320 nm. b Intensitas fluoresensi puncak 400 dan 465 nm versus suhu. c Rasio intensitas 400 nm terhadap puncak 465 nm sebagai fungsi suhu. d Studi kegunaan kembali suhu CD antara 20 dan 50 °C. (Direproduksi dari referensi [14])
Secara menakjubkan, properti emisi multi unik menjadikan CD fluorofor yang menjanjikan untuk sensor suhu fluoresensi rasio. Rasio dua intensitas fluoresensi pada 400 dan 465 nm (eksitasi 320 nm) versus suhu ditunjukkan dalam Gambar 5c. Ada hubungan linear yang sangat baik antara rasio intensitas dan suhu dalam rentang suhu yang luas dari 5 hingga 85 °C (R2 = 0,998). Linearitas termal menguntungkan karena membuat korelasi antara rasio intensitas puncak dan suhu menjadi sederhana dan sambil memberikan sensitivitas termal konstan di seluruh rentang dinamis. Sensitivitas suhu CD ditentukan sebesar 1,48% °C−1, yang dapat dibandingkan dengan bahan lain. Harap dicatat bahwa rentang respons suhu CD jauh lebih luas dari laporan lain tentang sensor suhu emisi ganda dan mencakup suhu fisiologis untuk studi biologi dan suhu operasi untuk banyak perangkat elektronik. Selain eksitasi 320 nm, CD juga bekerja pada panjang gelombang eksitasi lain, seperti 340 dan 365 nm, dengan sensitivitas yang sama. Oleh karena itu, CD dapat digunakan untuk pengukuran suhu dalam banyak aplikasi praktis dengan memilih panjang gelombang kerja yang berbeda.
Mereka telah menunjukkan bahwa sensor suhu rasio dapat dipulihkan antara 20 dan 50 °C, empat siklus dan stabil foto (ketika intensitas sumber daya berubah) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7d. Hasil ini menunjukkan bahwa sistem sensori CD stabil dan kokoh dengan setiap perubahan konsentrasi sampel, eksitasi, atau efisiensi deteksi.
Peningkatan suhu tidak selalu diiringi penurunan PL; namun, itu juga dapat menunjukkan peningkatan PL. Macairan et al. [29] menunjukkan peningkatan PL dari titik karbon fluoresensi ganda seiring bertambahnya suhu. Mereka menyiapkan titik karbon fluoresensi ganda kompatibel biologis CD dalam reaksi bantu microwave satu tahap menggunakan formamida dan glutation. Mereka menemukan bahwa setelah eksitasi pada 640 nm, intensitas fluoresensi dan luas terintegrasi PL meningkat dalam rentang 5–60 °C dengan faktor 3,5 yang diamati di seluruh rentang analisis dan suhu (Gambar 8a). Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8b, respons linear (R2 = 0,999) diamati di seluruh rentang analisis dan sensitivitas suhu ditentukan sebesar 3,71% C−1.
a Eksitasi pada 640 nm menghasilkan peningkatan intensitas fluoresensi 3,5 kali lipat dan luas terintegrasi yang sesuai difplot dalam b menunjukkan respons linear dalam rentang 5–60 °C. c Perubahan dalam spektral fluoresensi CD (λex = 405 nm) sebagai fungsi suhu di seluruh rentang. Penurunan 1,3 kali lipat dicatat untuk fluoresensi biru dalam kontras dengan peningkatan 3 kali lipat untuk samplah merah. d Rasio luas terintegrasi komponen fluoresensi merah dan biru difplot sebagai fungsi suhu menunjukkan peningkatan linear di seluruh rentang suhu. (Direproduksi dari referensi [29])
Fluoresensi bergantung pada suhu juga dipelajari setelah eksitasi pada 405 nm. Menariknya, pita fluoresensi biru dan merah tidak sama sensitif terhadap perubahan suhu. Seiring bertambahnya suhu, intensitas fluoresensi (dan luas terintegrasi yang sesuai di bawah kurva) komponen biru menunjukkan penurunan yang sangat ringan dalam kontras dengan komponen merah, yang meningkat secara signifikan (Gambar 8c). Pengamatan ini dicatat dalam rentang 5–60 °C di mana emisi biru menurun dengan faktor 1,3 dalam kontras dengan emisi merah, yang meningkat dengan faktor 3,0.
Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8d, rasio fluoresensi merah terhadap biru meningkat dengan suhu, dan respons yang sangat linier dicapai pada 3 sampel unik dan plot linier mencerminkan yang diamati dengan R2 = 0,998. Analisis ini diulang dalam rata-rata pengukuran ini, yang memiliki deviasi kecil pada setiap suhu. Sensitivitas termal CD, di seluruh rentang suhu, bervariasi dari 1,33 hingga 4,81% °C−1, yang merupakan perbaikan dibandingkan sistem nano-termometri titik karbon yang dilaporkan sebelumnya dan nanomaterial emisi ganda lain seperti titik kuantum dan komposit kerangka logam organik-warna. Resolusi termal CD dihitung sebesar 0,048 K−1 yang menunjukkan bahwa memang memungkinkan untuk mengukur perubahan termal kecil.
Zhang et al. [98] menyintesis CD yang memiliki karakteristik responsif suhu dalam rentang 25–95 °C, dan mereka memiliki sensitivitas yang sangat baik dan kegunaan kembali/pemulihan yang luar biasa (Gambar 9a). Komposit CD/epoxy disiapkan lebih lanjut dengan merata-doping CD ke dalam resin epoxy. Pertama, 5 μg CD dilarutkan dalam 50 μL trietilentetramin (TETA). Kemudian, 350 μL resin epoxy ditambahkan ke dalam larutan campuran dan dicampur sepenuhnya dengan pengadukan kecepatan tinggi. Komposit yang dihasilkan menunjukkan respons suhu yang ditingkatkan secara signifikan.
a Ketergantungan suhu emisi CD. b Komposit CD/epoxy. c Ketergantungan suhu emisi komposit CD/epoxy. (Direproduksi dari referensi [98])
Resin epoxy adalah resin termoset umum dan banyak digunakan untuk mengemas chip LED. Gambar 9b menunjukkan mikroskopis optik cakram komposit CD/epoxy dengan diameter sekitar 2 cm dan ketebalan 8–10 mm. Komposit CD/epoxy yang sudah direbus transparan, dan spektral emisi fluoresensinya ditunjukkan dalam Gambar 9c. Puncak emisi komposit CD/epoxy bergeser biru sekitar 10 nm dibandingkan dengan larutan CD. Secara menakjubkan, respons suhu komposit ditingkatkan secara signifikan. Dalam rentang suhu 25–95 °C, intensitas fluoresensi menurun 35% seiring bertambahnya suhu, yang lebih dari dua kali lipat dari keadaan larutan, dan hasil linier lebih stabil. Persamaan linear memenuhi I0/I = 0,0074 [°C] + 0,80454 (R2 = 0,99724), di mana I0 dan I adalah intensitas fluoresensi komposit CD/epoxy sebelum dan setelah kenaikan suhu, dan panjang gelombang eksitasi adalah 360 nm. Pergeseran biru puncak emisi dan peningkatan karakteristik respons suhu mungkin disebabkan oleh perubahan konstanta dielektrik lingkungan tempat CD berada. Komposit memiliki rentang deteksi suhu yang luas, dan sensitivitas serta stabilitas yang luar biasa menjadikannya cocok untuk digunakan sebagai sensor suhu berbasis nanomaterial fluoresen dalam berbagai lingkungan.
Mekanisme Pengukuran Termal
Sampai sekarang, belum ada mekanisme yang telah dirumuskan dengan baik untuk menjelaskan perilaku pengukuran termal dari titik karbon. Beberapa laporan mengaitkan mekanisme pada aktivasi termal saluran nonradiatif status permukaan (trap/cacat). Gambaran umum adalah bahwa saluran nonradiatif tidak diaktifkan pada suhu rendah, sehingga elektron terpacu dapat mempancarkan foton secara radiatif. Sebaliknya, seiring bertambahnya suhu, lebih banyak saluran nonradiatif diaktifkan, dan elektron terpacu kembali ke keadaan dasar melalui proses nonradiatif, yang mengarah pada penurunan intensitas fluoresensi [2, 95, 99, 100, 103]. Mekanisme emisi CD dengan pemanasan/pendinginan ditunjukkan dalam Gambar 10.
Ilustrasi skematis CD merespons perubahan suhu
Untuk memahami termodinamika proses emisi CD dengan lebih baik, Kalytchuk et al. [89] mengaitkan laju rekombinasi radiative (\( {\tau}_r^{-1} \)) dan nonradiative ( \( {\tau}_{nr}^{-1} \)) dari sampel CD dengan hasil kuantum PL-nya. Laju radiative ditentukan dari hasil kuantum PL (QY) dan laju rekombinasi yang diukur τ−1 sebagai \( {\tau}_r^{-1} \) = QY × τ−1. Laju relaksasi nonradiative \( {\tau}_{nr}^{-1} \) dinyatakan sebagai \( {\tau}_{nr}^{-1} \) = τ−1 - \( {\tau}_r^{-1} \). Hasil kuantum PL CD pada berbagai suhu dihitung dari absorpsi bergantung pada suhu dan intensitas PL terintegrasi bersama dengan hasil kuantum PL yang ditentukan pada suhu ruang. Kedua laju rekombinasi radiative dan nonradiative yang berasal dari data pengukuran PL resolusi waktu difplot sebagai fungsi suhu dalam Gambar 11. Laju rekombinasi radiative lebih besar dari laju nonradiative yang sesuai hingga 70 °C dan tidak bervariasi secara signifikan pada suhu antara 2 dan 80 °C, tetap dalam rentang (0,74–0,82) × 106 s−1. Sebaliknya, terjadi peningkatan monotonik yang jelas (sekitar 7 kali lipat, dari 0,16 × 106 hingga 1,12 × 106 s−1) dalam laju rekombinasi nonradiative seiring bertambahnya suhu dari 2 hingga 80 °C. Pertukaran bergantung pada suhu antara laju radiative dan nonradiative terjadi pada 70 °C, pada suhu ini hasil kuantum PL adalah 50%. Hasil ini menunjukkan bahwa aktivasi termal penurunan PL dalam CD mereka terutama disebabkan oleh aktivasi saluran relaksasi nonradiative [89].
Laju rekombinasi radiative (simbol padat, warna biru) dan nonradiative (simbol rongga, warna merah) untuk CD difplot terhadap suhu untuk suhu 2–80 °C. (Direproduksi dari informasi pendukung referensi [89])
Guo et al. [102] mengaitkan penurunan termal CD yang disiapkan mereka tidak hanya pada aktivasi proses peluruhan nonradiative, tetapi juga pada terjadinya trapping nonradiative seiring bertambahnya suhu. Mereka mengukur umur peluruhan bergantung pada suhu CD dan ditunjukkan dalam Gambar 12a. Data dikumpulkan dengan memantau puncak emisi sebagai fungsi suhu di bawah eksitasi laser 320 nm. Hasil menunjukkan bahwa umur PL menurun dari 15,03 hingga 11,70 ns seiring bertambahnya suhu dari 283 hingga 343 K, yang dapat diaitkan pada terjadinya proses peluruhan nonradiative. Selain itu, dinamika relaksasi PL CD menunjukkan peluruhan multi-eksponsial seiring bertambahnya suhu, yang menunjukkan bahwa fotoelektron terpacu mengikuti proses relaksasi yang rumit. Terjadinya trapping nonradiative akan meningkat seiring kenaikan suhu, dan ini dapat dianalisis secara kuantitatif oleh plot Arrhenius dari intensitas PL terintegrasi sebagai:
$$ I={I}_0/\left[1+\mathrm{a}\ \exp\ \left(\hbox{-} {\mathrm{E}}_a/\mathrm{kT}\right)\right] $$Kurva peluruhan bergantung pada suhu dari larutan CD (a, λex = 350 nm, λem = 450 nm); ketergantungan ln[(I0/IT)-1] pada 1/kT larutan CD (b). (Direproduksi dari referensi [102])
di mana Ea adalah energi aktivasi, k adalah konstanta Boltzmann, dan a adalah konstanta. Gambar 12a menampilkan plotting intensitas emisi terhadap 1/T, di mana nilai energi aktivasi (Ea) dihitung sebesar 0,329 ± 0,02 eV. Untuk menyelidiki alasan penurunan termal proses emisi CD, laju rekombinasi radiative (Vr) dan nonradiative (Vnr) CD ditentukan dari umur (τ*) dan hasil kuantum (QY) sebagai:
Hasil kuantum PL CD pada berbagai suhu dihitung dari absorpsi bergantung pada suhu dan intensitas PL terintegrasi dengan hasil kuantum yang ditentukan pada suhu ruang. Mereka telah memperhatikan bahwa laju radiative mengalami penurunan ringan ketika suhu naik dari 283 hingga 343 K; pada saat yang sama, laju rekombinasi nonradiative telah meningkat secara bertahap sekitar 2 kali lipat. Hasil ini lebih lanjut menunjukkan bahwa penurunan PL yang diaktifkan suhu dalam CD terutama disebabkan oleh aktivasi saluran relaksasi nonradiative [102].
Grup lain menggunakan teknik mikroskopi dan spektroskopi untuk memahami mekanisme pengukuran termal titik karbon.
Wang et al. menggunakan TEM dan spektral UV–Vis untuk mempelajari perilaku PL responsif suhu dari CD yang disiapkan. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 13a, CD tidak menunjukkan perubahan dalam spektral UV–Vis saat suhu ditingkatkan dari 20 hingga 80 °C. Namun, ditemukan bahwa diameter rata-rata CD meningkat dari 2,6 ± 0,2 nm pada suhu ruang hingga 4,4 ± 0,2 nm pada 80 °C (Gambar 13b). Oleh karena itu, seiring bertambahnya suhu, agregasi CD yang disiapkan terjadi yang menyebabkan penurunan fluoresensi yang jelas [1].
a Spektral absorpsi UV–Vis CD dalam larutan air pada 20 dan 80 °C. b Citra TEM CD dalam larutan air (a) pada suhu ruang, ukuran rata-rata 2,6 ± 0,2 nm (b) pada 80 °C, dan ukuran meningkat hingga 4,4 ± 0,2 nm. (Direproduksi dari referensi [1])
He et al. [101] melaporkan bahwa ukuran partikel hidrasi CD mereka tampak lebih besar seiring bertambahnya suhu (Gambar 14a), yang menunjukkan bahwa kenaikan suhu menyebabkan agregasi CD, yang pada gilirannya mengakibatkan penurunan fluoresensi. Namun, dengan penurunan suhu, ukuran partikel hidrasi CD mulai menurun (Gambar 14b), yang menunjukkan bahwa pendinginan memiliki potensi untuk menyebabkan depolimerisasi CD [101].
Perubahan ukuran partikel hidrasi titik karbon selama pemanasan (a) dan pendinginan (b). (Direproduksi dari referensi [101])
Grup lain seperti Cui et al. juga mengaitkan penurunan fluoresensi dengan agregasi CD. Mereka juga mencoba menerapkan CD tanpa dopan yang disintesis hanya menggunakan asam akrilat sebagai prekursor dalam sensor suhu. Sayangnya, CD tanpa dopan menunjukkan efek penurunan yang lebih lemah di bawah kenaikan suhu yang sama dibandingkan CD dengan dopan [92].
Yang et al. [94] dalam karya mereka mengajukan dua faktor kunci mengenai properti PL yang bergantung pada suhu dari N-CD, termasuk (i) grup fungsional permukaan dan (ii) interaksi ikatan hidrogen. Untuk memeriksa efek faktor pertama, grup O yang terkandung pada permukaan, satu eksperimen kontrol dilakukan dengan merawat N-CD (4,0 mL) dengan agen reduksi kuat NaBH4 (1,0 mL, 0,1 mol L−1) untuk menghilangkan spesies C=O pada permukaan titik karbon. N-CD yang direduksi yang diperoleh disebut r-N-CD untuk kesederhanaan. Dibandingkan dengan N-CD, r-N-CD menunjukkan intensitas fluoresensi yang lebih lemah (Gambar 15a). Selain itu, intensitas fluoresensi r-N-CD hanya menurun 13% dengan suhu meningkat dari 20 hingga 80 °C (inset dalam Gambar 15a) yang memberikan sensitivitas suhu yang jauh lebih rendah, yang diaitkan pada penurunan grup O yang terkandung [94].
a Spektral PL (panjang gelombang eksitasi, 400 nm) dari N-CD (lintasan hitam) dan r-N-CD (lintasan merah). Inset menunjukkan I/I0−T dari N-CD yang direduksi. b Spektral PL (panjang gelombang eksitasi, 400 nm) dari N-CD yang terdisersi dalam C2H5OH pada berbagai suhu. c Mekanisme skematis untuk intensitas fluoresensi bergantung pada suhu dari N-CD. (Direproduksi dari referensi [94])
Faktor kedua, efek ikatan hidrogen dengan pelarut pada perilaku fluoresensi N-CD dieksplorasi. Larutan N-CD (1,0 mL) dititikkan pada kertas filter dan dibiarkan kering di udara untuk mendapatkan sampel padat, yang masih memancarkan fluoresensi cerah. Namun, tidak ada perubahan yang jelas dalam intensitas fluoresensi N-CD padat seiring kenaikan suhu yang diamati. Mereka juga mengukur fluoresensi N-CD yang terdisersi dalam etanol. Intensitas fluoresensi N-CD dalam C2H5OH lebih rendah dari pada dalam air dan sedikit variasi intensitas PL diamati dengan suhu meningkat dari 20 hingga 80 °C (Gambar 15b). Oleh karena itu, ikatan hidrogen yang kuat memainkan peran kunci dalam properti PL bergantung pada suhu dari N-CD. Gambar 15c adalah mekanisme skematis untuk intensitas fluoresensi bergantung pada suhu dari N-CD [94].
Namun, kelompok kami menggunakan strategi eksperimental yang sama dengan kelompok Yang; dalam kedua kasus, emisi r-CD dan e-CD diturunkan secara linier seiring bertambahnya suhu, dengan cara yang sama dengan hasil asli CD mereka (Gambar 16). Oleh karena itu, hasil kami menyimpulkan efek sinergi dari grup fungsional O yang melimpah dan ikatan hidrogen [77].
a, b Spektral fluoresensi CD yang direduksi (r-CD) dan CD dalam etanol (e-CD) pada suhu (20 hingga 60 °C). c, d Korelasi linier antara intensitas fluoresensi dan suhu (°C) untuk r-CD dan e-CD masing-masing. (Direproduksi dari informasi pendukung referensi [77])
Citra Bio di Sel Hidup (Citra Termal)
Dalam literatur, hanya beberapa artikel yang mengeksplorasi properti fluoresensi responsif suhu CD dalam citra biologis. Sebelum eksperimen semacam itu, analisis sitotoksisitas in vitro sangat penting untuk CD karena mereka memungkinkan estimasi toksisitas CD pada subjek hidup. Analisis sitotoksisitas in vitro mengevaluasi efek atau pengaruh nanomaterial pada sel yang dikultur [89].
Yang et al. [94] memverifikasi bahwa CD dapat digunakan sebagai termometer yang efektif dalam sel hidup; sel HeLa dicuci dengan PBS setelah perawatan dengan CD selama 6 jam. Fluoresensi biru cerah dari CD dalam sel HeLa diamati ketika suhu 25 °C seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 17a. Seiring bertambahnya suhu menjadi 37 °C, fluoresensi biru menjadi lebih lemah (Gambar 17b), fluoresensi N-CD pulih ketika suhu diturunkan ke 25 °C (Gambar 17c). Sebagai citra termal in vivo, citra fluoresensi tikus dikumpulkan segera setelah disuntik dengan N-CD pada suhu yang berbeda. Dengan menetapkan intensitas fluoresensi pada 28 °C sebagai referensi (Io), I/Io dari area tempat CD disuntik bervariasi dari 1,0 hingga 0,87 seiring bertambahnya suhu dari 28 hingga 34 °C (Gambar 17d, e). Seiring bertambahnya suhu lebih lanjut menjadi 43 °C, I/Io menurun menjadi 0,52 dan fluoresensi hampir tidak terdeteksi (Gambar 17f). Dan I/Io dapat dipulihkan secara reversibel dari 0,66 hingga 1,0 seiring turunnya suhu dari 39 hingga 28 °C (Gambar 17g–i). Semua hasil ini menunjukkan bahwa N-CD dapat digunakan sebagai nanotermometer in vitro dan in vivo yang efektif [94].
a–c Citra fluoresensi dari satu sel HeLa pada 25, 37, dan 25 °C setelah perawatan dengan N-CD, masing-masing. d–f Foto fluoresensi tikus yang diberi suntikan N-CD pada suhu yang meningkat. g–i Foto fluoresensi tikus yang diberi suntikan N-CD pada suhu yang menurun. (Direproduksi dari referensi [94])
Dalam eksperimen eksploratif, Kalytchuk et al. menguji kapasitas CD untuk pemantauan suhu selular dalam sel kanker rahim leher rahim manusia HeLa. Gambar 18 menunjukkan suhu selular yang diukur dari sel HeLa yang diinkubasi dengan CD (500 μg/mL). Kurva peluruhan PL CD pada setiap suhu sangat dapat direproduksi dan dapat difit dengan fungsi eksponensial tunggal pada semua suhu yang direkam. Dalam Gambar 18a, kurva peluruhan PL yang direkam untuk suhu antara 25 dan 50 °C (dengan ukuran langkah 5 °C) ditunjukkan oleh simbol, sementara fitting eksponensial tunggal yang sesuai direpresentasikan oleh garis padat. Mereka dapat mengonfirmasi bahwa sinyal PL dalam pengukuran umur PL ini berasal esclusif dari CD untuk konsentrasi CD ≥ 100 μg/mL. Suhu selular dalam setiap pengukuran ditentukan dari kurva kalibrasi antara umur PL seiring bertambahnya suhu dari 2 hingga 80 °C. Suhu yang ditentukan dengan cara ini (Tmeas) difplot sebagai fungsi umur PL dalam Gambar 18b. Secara independen, suhu larutan sel ditentukan menggunakan termometer referensi yang dikalibrasi (ditunjukkan dalam Gambar 18b sebagai Tset). Suhu yang dilaporkan oleh probe CD luminesensi dan detektor referensi dalam kesepakatan yang baik. Hasil ini menunjukkan bahwa umur PL nanoproses berbasis CD dapat digunakan secara andal untuk mengukur suhu selular [89].
Pengukuran suhu selular PL umur in vitro menggunakan CD. a Peluruhan emisi PL sel HeLa yang diinkubasi dengan CD (500 μg/mL) pada suhu yang berbeda (Tset). b Suhu yang ditentukan menggunakan kalibrasi (Tmeas) dan suhu yang ditetapkan (Tset) difplot terhadap umur PL. c–f Kegunaan CD untuk pemantauan suhu selular jarak jauh jangka panjang. c Umur PL yang diekstraksi dari transient PL yang direkam setiap 15 menit selama 24 jam dari sel HeLa yang diinkubasi dengan CD (500 μg/mL). d Suhu yang ditentukan menggunakan kurva kalibrasi. e Suhu yang diukur dengan termometer referensi (Tref). f Histogram yang menunjukkan distribusi perbedaan suhu antara suhu yang diperoleh dan referensi; garis padat adalah kurva distribusi. (Direproduksi dari referensi [89])
Untuk mengevaluasi lebih lanjut potensi probe nanopluminesensi CD untuk pemantauan suhu real-time jangka panjang, profil peluruhan PL sel HeLa yang diinkubasi dengan CD (500 μg/mL) setiap 15 menit selama 24 jam direkam. Umur PL yang diekstraksi dari nilai peluruhan PL yang diukur selama periode ini kemudian difplot sebagai fungsi waktu, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 18c. Menggunakan hasil ini, variasi suhu seiring waktu dihitung menggunakan kurva kalibrasi, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 18d. Selain itu, suhu sampel pada setiap titik pengukuran ditentukan menggunakan termometer referensi dengan reproduksi suhu 60 mK. Suhu yang ditentukan dengan termometer referensi difplot dalam Gambar 18e, yang menunjukkan bahwa ada kesepakatan yang sangat baik antara suhu yang diukur dan referensi. Akurasi tinggi pengukuran suhu berbasis PL lebih lanjut ditunjukkan oleh analisis statistik perbedaan antara suhu yang diukur dan aktual (referensi) (Gambar 18f). Menggunakan data ini, akurasi rata-rata mutlak deteksi suhu dengan metode yang disajikan dihitung sebesar 0,27 °C. Eksperimen ini mengonfirmasi potensi probe termal berbasis CD dalam sistem biologis [89].
Macairan et al. [29] menunjukkan bahwa CD yang disiapkan dapat digunakan untuk pengukuran termal di dalam sel menggunakan pendekatan intensitas dan rasio. Sel HeLa yang diperlakukan dengan CD dibiarkan seimbang pada 32, 37, dan 42 °C (Gambar 19). Eksitasi pada 640 nm digunakan untuk memantau secara selektif fluoresensi merah CD dalam sel. Perubahan termal mungkin disebabkan oleh perubahan konsentrasi selular atau tidak berkorelasi dengan perubahan intensitas (λex + 640 nm). Ini mungkin disebabkan oleh perubahan konsentrasi selular atau lokasi CD pada suhu yang lebih tinggi. Dengan demikian, hanya bergantung pada perubahan intensitas fluoresensi mengarah pada pengukuran termal selular yang akurat.
Citra mikroskopi fluoresensi sel HeLa yang diperlakukan CD. Sinyal fluoresensi dari CD (λex = 640 nm; kiri dan 405 nm; kanan) rasio fluoresensi adalah 1,8 pada 32 °C, 2,0 pada 37 °C, dan 2,3 pada 42 °C. Kontrol menunjukkan sel HeLa yang tidak diperlakukan pada 42 °C tanpa sinyal fluoresensi seperti yang diharapkan. (Direproduksi dari referensi [29])
Di sisi lain, keterbatasan ini dikecualikan menggunakan pendekatan rasio. CD mempertahankan fluoresensi biru dan merah ganda dalam sel setelah eksitasi pada 405 nm, seperti yang sebelumnya diamati untuk disperloid koloid (Gambar 19). Rasio merah-ke-biru meningkat seiring bertambahnya suhu, dengan nilai 1,8 pada 32 °C, 2,0 pada 37 °C, dan 2,3 pada 42 °C. Hubungan rasio fluoresensi merah-ke-biru CD menunjukkan keuntungan pengukuran suhu rasio dalam pengembangan probe nano-termometri fluoresensi. Rasio emisi merah-ke-biru relatif tidak terpengaruh, terlepas dari jumlah CD yang diangkat oleh sel, yang dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti konfluensi dan tidak bergantung pada konsentrasi. Terakhir, CD telah menunjukkan kegunaan kembali fluoresensi terhadap perubahan suhu selular. Setelah diinkubasi dalam sel HeLa, mereka diberi siklus pemanasan/pendinginan dari 32/42/32 °C. Ini menekankan keandalan nanotermometer CD yang diusulkan dan temuan ini lebih lanjut menunjukkan kegunaan kembali fluoresensi [29].
Mikroskopi laser konfokal digunakan untuk citra termal sel kanker usus besar HT-29 menggunakan N, S, dan I-doped CD, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 20 [100]. Titik fluoresensi bergantung pada suhu seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 20g–i, yang paling intens pada 15 °C, sementara titik terlemah pada 35 °C. Menariknya, titik fluoresensi dapat dipulihkan, dan titik-titik sangat stabil foto setelah 20 menit eksitasi berkelanjutan [100]. Shin et al. [96] juga menggunakan mikroskopi laser konfokal untuk sel HeLa, ditunjukkan dalam Gambar 20e–g.
a–d Citra mikroskopi konfokal sel kanker usus besar HT-29 yang ditempeli N, S, I-CD dengan bidang fluoresensi yang sesuai pada 15, 25, 35, dan 15 °C, masing-masing. (Direproduksi dari referensi [100]). e–g Citra mikroskopi konfokal sel yang ditempeli N, S-CD dengan bidang fluoresensi yang sesuai pada 25, 35, dan 25 °C, masing-masing. (Direproduksi dari referensi [96])
Li et al. 103 menyusun komposit nanopartikel yang terdiri dari MnOx-CD untuk digunakan sebagai fluorofor responsif suhu nano untuk lingkungan biologis. Sel HepG2 diinkubasi dengan MnOx-CD pada suhu kultur yang berbeda. Seperti yang diilustrasikan oleh mikroskopi laser konfokal (diekstimulasi pada 405 nm), luminesensi biru MnOx-CD dalam sel HepG2 lemah ketika suhu lingkungan 40 °C (Gambar 21a), dan luminesensi biru MnOx-CD dalam sel HepG2 meningkat seiring turunnya suhu menjadi 30 °C (Gambar 21b) bahkan hingga 20 °C (Gambar 21c). Karena properti responsif suhu, MnOx-CD yang disintesis ini dapat dengan mudah diterapkan dalam bidang biomedis seperti citra bio dan terapi fototermal dalam pengobatan kanker [103].
Citra mikroskopi laser konfokal (diekstimulasi pada 405 nm) dari MnOx-CD dalam sel HepG2 pada 40 °C (a), pada 30 °C (b), dan 20 °C (c). (Direproduksi dari referensi [103])
Kesimpulan dan Perspektif Masa Depan
Titik karbon nano menunjukkan properti unik untuk dieksploitasi dalam nano-termometri, seperti sensitivitas termal, biaya rendah, dan stabilitas foto. Modifikasi permukaan yang fleksibel dan sintesis mudah akan membuka jalan untuk mendirikan sejumlah besar nanomaterial sensitif termal untuk berbagai aplikasi. Tren keseluruhan dalam nanomaterial pengukuran termal bertujuan untuk meningkatkan stabilitas foto dan resolusi termal dengan menggunakan bahan yang murah dan aman. CD dapat diklasifikasikan sebagai generasi baru termometer yang dapat memenuhi persyaratan ini dan dapat digunakan untuk aplikasi termometri medis, seperti pemantauan suhu selama terapi hipertermia. Protokol sintesis mudah, kompatibilitas biologis, dan fungsionalisasi yang mudah dari CD adalah kriteria yang menjanjikan yang menjadikan CD alternatif bahan nanotermometer generasi depan. Lebih banyak upaya diperlukan untuk mempromosikan penelitian dasar dalam bidang ini. Keterbatasan harus diatasi untuk menghasilkan nanotermometer berbasis titik karbon yang mencakup peningkatan sensitivitas termal, dan bekerja dalam rentang suhu yang lebih luas. Pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme pengukuran termal fluoresensi adalah isu kunci lainnya untuk dapat merancang dan memanipulasi struktur CD serta meningkatkan resolusi termal. Lebih banyak eksperimen dan pemodelan teoretis diperlukan untuk memahami korelasi antara metode pembuatan CD dengan perilaku termal mereka.
