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Punto cuántico de carbono

Los puntos cuánticos de carbono, también llamados comúnmente nanopuntos de carbono o simplemente puntos de carbono (abreviados como CQD , C-dots o CD ), son nanopartículas de ca...

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Los puntos cuánticos de carbono, también llamados comúnmente nanopuntos de carbono o simplemente puntos de carbono (abreviados como CQD , C-dots o CD ), son nanopartículas de carbono que tienen un tamaño inferior a 10 nm y tienen algún tipo de pasivación superficial . [1] [2] [3]

Historia

Los CQD fueron descubiertos por primera vez por Xu et al. en 2004 accidentalmente durante la purificación de nanotubos de carbono de pared simple . [4] Este descubrimiento desencadenó estudios extensos para explotar las propiedades de fluorescencia de los CQD. [1] [5]

Como una nueva clase de nanomateriales de carbono fluorescentes , los CQD poseen las atractivas propiedades de alta estabilidad, buena conductividad, baja toxicidad, respeto al medio ambiente, rutas sintéticas simples, así como propiedades ópticas comparables a los puntos cuánticos. [6] Los puntos cuánticos de carbono han sido ampliamente investigados especialmente debido a sus fuertes y ajustables propiedades de emisión de fluorescencia, [7] que permiten sus aplicaciones en biomedicina, optrónica, catálisis y detección. [8] En la mayoría de los casos, los CQD emiten la luz en una banda de unos cientos de nanómetros en el rango visible o infrarrojo cercano, sin embargo, también se informó sobre CQD de banda ancha que cubren el espectro de 800 a 1600 nm. [9]

Puntos de carbono preparados a partir de diferentes precursores: urea, alanina y sacarosa (fabricado por Paliienko Konstantin)

Los mecanismos fundamentales responsables de la capacidad de fluorescencia de los CQD son muy debatidos. Algunos autores han aportado pruebas de propiedades de fluorescencia dependientes del tamaño, sugiriendo que la emisión surge de transiciones electrónicas con el núcleo de los puntos, influenciadas por efectos de confinamiento cuántico, [10] [11] mientras que otros trabajos, incluidas las mediciones de partículas individuales, [12] han atribuido más bien la fluorescencia a la recombinación de cargas atrapadas en la superficie, [13] [14] o han propuesto una forma de acoplamiento entre los estados electrónicos del núcleo y la superficie. [15] La fluorescencia dependiente de la excitación de los CQD, que conduce a su característica capacidad de ajuste de la emisión, se ha relacionado principalmente con la distribución no homogénea de sus características de emisión, [16] [15] debido a la polidispersidad, aunque algunos trabajos la han explicado como una violación de la regla de Kasha que surge de una relajación del disolvente inusualmente lenta. [17]

Propiedades

Las estructuras y componentes de los CQD determinan sus diversas propiedades. [18] Muchas fracciones carboxilo en la superficie del CQD imparten una excelente solubilidad en agua y biocompatibilidad. [7] Dichas fracciones superficiales permiten que los CQD sirvan como nanopartículas conductoras de protones. [19] Los CQD también son adecuados para la modificación química y la pasivación de la superficie con varios materiales orgánicos, poliméricos, inorgánicos o biológicos. Mediante la pasivación de la superficie, se mejoran las propiedades de fluorescencia, así como las propiedades físicas de los CQD. Recientemente, se ha descubierto que el CD funcionalizado con amina y ácido hidroxámico puede producir emisión tricolor (verde, amarillo y rojo) cuando se introduce con un entorno de pH diferente y esta emisión tricolor se puede conservar en la matriz de película ORMOSIL. [20] Un artículo publicado en 2019 mostró que el CQD puede resistir temperaturas de hasta 800 °C, allanando el camino para aplicaciones de CQD en entornos de alta temperatura. [21] Basados ​​en carbono, los CQD poseen propiedades tales como buena conductividad, composición química benigna y estabilidad fotoquímica y térmica. [ cita requerida ]

Síntesis

Los métodos sintéticos para los CQD se dividen en dos categorías: rutas "de arriba hacia abajo" y "de abajo hacia arriba". Estas pueden lograrse mediante técnicas químicas, electroquímicas o físicas. [7] Los CQD obtenidos podrían optimizarse durante la preparación o el postratamiento. [1] La modificación de los CQD también es muy importante para obtener buenas propiedades de superficie que son esenciales para la solubilidad y las aplicaciones seleccionadas. [1]

Métodos sintéticos

La ruta sintética "de arriba hacia abajo" se refiere a la descomposición de estructuras de carbono más grandes, como grafito , nanotubos de carbono y nanodiamantes , en CQD mediante ablación láser , descarga de arco y técnicas electroquímicas. [7] Por ejemplo, Zhou et al. aplicaron por primera vez el método electroquímico en la síntesis de CQD. [22] Cultivaron nanotubos de carbono de paredes múltiples en un papel carbón, luego insertaron el papel carbón en una celda electroquímica que contenía un electrolito de soporte que incluía acetonitrilo desgasificado y perclorato de tetrabutilamonio 0,1 M. Más tarde, aplicaron este método para cortar CNT o ensamblar CNT en patrones funcionales, lo que demostró la versatilidad de este método en las manipulaciones de nanoestructuras de carbono. [23] [24]

La ruta sintética "de abajo hacia arriba" implica sintetizar CQD a partir de pequeños precursores como carbohidratos , citrato y nanocompuestos de polímero-sílice a través de tratamiento hidrotermal/solvotermal, sintético soportado y rutas sintéticas de microondas. [25] Por ejemplo, Zhu et al. describieron un método simple para preparar CQD calentando una solución de poli(etilenglicol) (PEG) y sacárido en un horno microondas de 500 W durante 2 a 10 min. [26] También se explota un método de choque térmico inducido por láser para la síntesis de QCD de banda ultra ancha. [9] Recientemente, también se han empleado enfoques sintéticos verdes para la fabricación de CQD. [27] [28] [29] [30] [31] Se debe tener cuidado para separar los puntos de carbono "de abajo hacia arriba" de los subproductos fluorescentes como moléculas pequeñas o condensados ​​de poliéster utilizando múltiples métodos de separación por diálisis y cromatografía. [32]

Control de tamaño

[1]

Además del postratamiento, el control del tamaño de los CQD durante el proceso de preparación también es ampliamente utilizado. Por ejemplo, Zhu et al. informaron sobre CQD hidrófilos mediante la impregnación de un precursor de ácido cítrico. [26] Después de pirolizar los CQD a 300 °C durante 2 horas en aire, luego eliminar la sílice, seguido de diálisis, prepararon CQD con un tamaño uniforme de 1,5 a 2,5 nm que mostraron baja toxicidad, excelente luminiscencia, buena fotoestabilidad y propiedades de conversión ascendente. [26]

Modificación

Al ser un nuevo tipo de nanopartículas fluorescentes, las aplicaciones de CQD se encuentran en el campo de la bioimagen y la biodetección debido a su composición biológica y respetuosa con el medio ambiente y su excelente biocompatibilidad. [1] Para sobrevivir a la competencia con los puntos cuánticos semiconductores convencionales, se debe lograr un alto rendimiento cuántico. Aunque se sintetizó un buen ejemplo de CQD con un rendimiento cuántico de ~80%, [33] la mayoría de los puntos cuánticos sintetizados hasta ahora tienen un rendimiento cuántico por debajo del 10%. [7] Los métodos de pasivación de superficie y dopaje para modificaciones se aplican generalmente para mejorar el rendimiento cuántico.

Para evitar que las superficies de los CQD se contaminen por su entorno, se realiza una pasivación superficial para aliviar la influencia perjudicial de la contaminación de la superficie en sus propiedades ópticas. [34] Se forma una fina capa aislante para lograr la pasivación de la superficie mediante la unión de materiales poliméricos en la superficie de los CQD tratada con ácido. [7]

Además de la pasivación de la superficie, el dopaje también es un método común utilizado para ajustar las propiedades de los CQD. Se han demostrado varios métodos de dopaje con elementos como N, [35] S, [36] P [37] para ajustar las propiedades de los CQD, entre los cuales el dopaje con N es la forma más común debido a su gran capacidad para mejorar las emisiones de fotoluminiscencia. [38] Los mecanismos por los cuales el dopaje con nitrógeno mejora el rendimiento cuántico de fluorescencia de los CQD, así como la estructura de los CD fuertemente dopados con N, son temas muy debatidos en la literatura. [39] [40] Zhou et al. aplicaron XANES y XEOL para investigar la estructura electrónica y el mecanismo de luminiscencia en sus QDS de carbono producidos electroquímicamente y encontraron que el dopaje con N es casi con certeza responsable de la luminiscencia azul. [41] Se ha informado sobre la síntesis de nuevos nanocompuestos basados ​​en CD con propiedades inusuales. Por ejemplo, se ha diseñado un nanocompuesto utilizando CD y nanopartículas magnéticas de Fe3O4 como precursores con actividad nanozimática . [42]

El grabado electroquímico posterior a la síntesis produce cambios drásticos en el tamaño de los GQD y en la intensidad de la fluorescencia.

Aplicaciones

Los CQD con propiedades únicas tienen un gran potencial en biomedicina, optrónica, catálisis y sensores [1]

Bioimagen

Los CQD se pueden utilizar para bioimágenes debido a sus emisiones de fluorescencia y biocompatibilidad. [43] Al inyectar solventes que contienen CQD en un cuerpo vivo, se pueden obtener imágenes in vivo para fines de detección o diagnóstico. Un ejemplo es que los CQD conjugados con colorante orgánico podrían usarse como sondas fluorescentes efectivas para H 2 S . La presencia de H 2 S podría ajustar la emisión azul de los CQD conjugados con colorante orgánico a verde. Entonces, al usar un microscopio de fluorescencia, los CQD conjugados con colorante orgánico pudieron visualizar cambios en los niveles fisiológicamente relevantes de H 2 S . [7] Otro ejemplo puede ser la bioimágenes de modo dual usando sus grupos funcionales de superficie altamente accesibles para conjugarlos a través de la química EDC-NHS. [44] Saladino et al . demostraron el concepto usando CQD independientes de la excitación dopados con nitrógeno sintetizados asistidos por MW. Estos se conjugaron con nanopartículas de rodio ( agentes de contraste de fluorescencia de rayos X ) dando lugar a nanohíbridos de modo dual con propiedades tanto ópticas como de fluorescencia de rayos X. Además, el proceso de conjugación no solo permite la bioimagen de modo dual, sino que también pasiva la superficie de las nanopartículas de rodio, lo que reduce la citotoxicidad. [45]

Detección

Los CQD también se han aplicado en biodetección como portadores de biosensores por su flexibilidad en la modificación, alta solubilidad en agua, no toxicidad, buena fotoestabilidad y excelente biocompatibilidad. [1] Los biosensores basados ​​en CQD y materiales basados ​​en CQs podrían utilizarse para el control visual del cobre celular, [46] glucosa, [47] pH, [48] niveles traza de H2O2 [42] y ácido nucleico. [49] Un ejemplo general es el de los ensayos de flujo lateral de ácidos nucleicos. Las etiquetas discriminantes de los amplicones son reconocidas por sus respectivos anticuerpos y señales de fluorescencia proporcionadas por los CQD unidos. [7] De manera más general, la fluorescencia de los CQD responde de manera eficiente al pH, [50] polaridad local, [15] y a la presencia de iones metálicos en solución, [51] lo que expande aún más su potencial para aplicaciones de nanodetección, [52] por ejemplo en el análisis de contaminantes. [53]

Entrega de medicamentos

La no toxicidad y biocompatibilidad de los CQD les permite tener amplias aplicaciones en biomedicina como portadores de fármacos, trazadores fluorescentes y para controlar la liberación de fármacos. [54] [55] [56] [30] Esto se ejemplifica con el uso de CQD como fotosensibilizadores en terapia fotodinámica para destruir células cancerosas. [57]

Catálisis

La flexibilidad de funcionalización con varios grupos de CQD les permite absorber luces de diferentes longitudes de onda, lo que ofrece buenas oportunidades para aplicaciones en fotocatálisis. [58] Los compuestos de TiO2 P25 modificados con CQD exhibieron una evolución fotocatalítica de H2 mejorada bajo irradiación con UV-Vis. Los CQD sirven como un reservorio de electrones para mejorar la eficiencia de separación de los pares electrón-hueco de P25. [59] En los últimos tiempos, se ha descubierto que los CQD libres de metales mejoran la cinética de la reacción de evolución de hidrógeno (HER) , lo que hace que los CQD sean una opción sostenible para la catálisis. [60]

Optrónica

Los CQD tienen el potencial de servir como materiales para células solares sensibilizadas con colorante , [61] células solares orgánicas , [1] supercondensadores , [62] y dispositivos emisores de luz. [63] Los CQD se pueden utilizar como fotosensibilizadores en células solares sensibilizadas con colorante y la eficiencia de conversión fotoeléctrica se mejora significativamente. [64] El sol híbrido a base de sílice incorporado en CQD se puede utilizar como pintura fluorescente transparente , [65]

Combustibles para cohetes

Recientemente, los CQD se han empleado en combustibles para cohetes híbridos. [66]

Recuperación de huellas dactilares

Los CQD se utilizan para mejorar las huellas dactilares latentes. [67]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

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  • Li, Haitao; He, Xiaodie; Liu, Yang; Huang, Hui; Lian, Suoyuan; Lee, Shuit-Tong; Kang, Zhenhui (2011). "Síntesis ultrasónica en un solo paso de nanopartículas de carbono solubles en agua con excelentes propiedades fotoluminiscentes". Carbon . 49 (2): 605–9. doi :10.1016/j.carbon.2010.10.004.
  • Zong, Jie; Zhu, Yihua; Yang, Xiaoling; Shen, Jianhua; Li, Chunzhong (2011). "Síntesis de puntos carbogénicos fotoluminiscentes utilizando esferas de sílice mesoporosas como nanorreactores". Química . 47 (2): 764–6. doi :10.1039/C0CC03092A. PMID  21069221.
  • Krysmann, Marta J.; Kelarakis, Antonios; Dallas, Panagiotis; Giannelis, Emmanuel P. (2012). "Mecanismo de formación de nanopartículas carbogénicas con emisión de fotoluminiscencia dual". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 134 (2): 747–50. doi :10.1021/ja204661r. PMID  22201260.
  • Chandra, Sourov; Patra, Prasun; Pathan, Shaheen H.; Roy, Shuvrodeb; Mitra, Shouvik; Layek, Animesh; Bhar, Radhaballabh; Pramanik, Panchanan; Goswami, Arunava (2013). "Puntos luminiscentes de carbono dopado con S: una arquitectura emergente para aplicaciones multimodales". Revista de Química de Materiales B. 1 (18): 2375–82. doi :10.1039/C3TB00583F. PMID  32261072.
  • Kim, Jinhyun; Lee, Sahng Ha; Tieves, Florian; Choi, Da Som; Hollmann, Frank; Paul, Caroline E.; Park, Chan Beum (15 de octubre de 2018). "Reducción biocatalítica del enlace C=C mediante regeneración sensibilizada con nanopuntos de carbono de análogos de NADH". Angewandte Chemie International Edition . 57 (42): 13825–13828. doi :10.1002/anie.201804409. PMID  30062834. S2CID  51870319.
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