Synthesis and characterization of fluorescent carbon quantum dots from citric acid as potential optical sensor for the detection of metal cations

Abstract

Los puntos cuánticos de carbono (CQDs) como nanomateriales fluorescentes basados en el carbono, han despertado un gran interés debido a su pequeño tamaño, alta estabilidad química, excelente solubilidad en agua, bajo costo y propiedades ópticas fascinantes. El reciente Premio Nobel de Química 2023, otorgado a Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus y Aleksey Yakimov por el descubrimiento y síntesis de los puntos cuánticos, que han sido objeto de cientos de investigaciones desde su descubrimiento, resalta el potencial de estos materiales. Estas nanopartículas y sus versiones modificadas tienen aplicaciones en nanotecnología, como fuentes de luz para televisores y lamparas LED, y en biomedicina, guiando a los cirujanos durante la extirpación de tumores. El objetivo de este estudio es sintetizar CQDs de ácido cítrico funcionalizados con donadores de N, S y O mediante síntesis hidrotermal, haciendo una comparación de los efectos de los diferentes heteroatomos sobre sus propiedades, evaluando la influencia de los componentes y los parámetros de síntesis. Los CQDs se sintetizaron utilizando seis precursores diferentes: ácido cinámico, alicina, 2-mercaptoetanol, L-cisteına (L-CQDs), etilendiamina (E-CQDs) y dietilentriamina (D-CQDs). El análisis morfológico realizado por TEM revelo que el tamaño de los L-CQDs oscilan entre 3 y 5 nm. La espectroscopia UV-Vis confirmo las transiciones características de los L-CQDs, E-CQDs y D-CQDs, mientras que los resultados de FT-IR confirmaron la incorporación de cada precursor, revelando diferencias estructurales en los heteroatomos. Los estudios de concentración mostraron que los L-CQDs y los D-CQDs sufrían un apagamiento inducido por agregación, mientras que los E-CQDs presentaban una emisión inducida por agregación. Para estabilizar los CQDs a lo largo del tiempo, se incorporaron a matrices polimericas (VCL-PEGDA y NIPA), que demostraron un aumento de las propiedades fluorescentes con el tiempo. Se desarrollo un sensor óptico basado en CQDs para la detección selectiva y sensible de iones metálicos en medios acuosos. Los estudios de selectividad revelaron sensibilidad a Cd2+ para L-CQDs y a Hg2+ para E-CQDs y D-CQDs. Se emplearon modelos teóricos utilizando la Teoría del Funcional de la Densidad Dependiente del Tiempo (TD-DFT) para dilucidar los mecanismos fotofısicos subyacentes, revelando que los grupos funcionales en las estructuras de carbono afectan a las propiedades ópticas de los CQDs.