Puntos cuánticos de carbono puro y dopado como sondas fluorescentes para la detección de compuestos fenólicos y antibióticos en acuarios - Caucho de Xiamen negro de carbón Co., Ltd

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12863 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

Los residuos de antibióticos y productos químicos orgánicos resultantes del cambio climático continuo, la urbanización y la creciente demanda de alimentos tienen un impacto perjudicial en la protección del medio ambiente y la salud humana. Por lo tanto, creamos un nanosensor fluorescente único basado en B, N-CQD (puntos cuánticos de carbono dopados con boro y nitrógeno) para investigar nuevas metodologías de detección para la identificación precisa y concentrada de antibióticos y sustancias derivadas de fenol para garantizar que estén incluidos en los porcentajes permitidos. . Los B, N-CQD altamente fluorescentes preparados tenían un rango limitado de tamaños entre 1 y 6 nm y tamaños promedio de 2,5 nm en nuestro estudio. Los nuevos B, N-CQD mostraron una alta sensibilidad y selectividad para derivados fenólicos como hidroquinona, resorcinol y paraaminofenol, así como para disolventes orgánicos como hexano, con límites de detección bajos de 0,05, 0,024, 0,032 y 0,013 µM respectivamente en un medio acuoso. Las sondas B, N-CQD de alta fluorescencia se examinaron mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (XRD), espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y espectroscopia UV/VIS. Los resultados se compararon con puntos cuánticos de carbono (CQD) generados previamente a partir de urea.

El cambio climático y la expansión de la población mundial han aumentado la demanda de alimentos y medicinas. Las preocupaciones sobre la pesca han llevado al mal uso de los antibióticos, ya que se han abusado de ellos. En 2010 se utilizaron alrededor de 63.000 toneladas de antibióticos, cifra que se prevé aumentará a 107.000 toneladas para 20301. Los antibióticos utilizados en cantidades tan grandes en hábitats acuáticos pueden aumentar el riesgo de que los microorganismos sean resistentes al antibiótico. Más de 700.000 personas mueren cada año a causa de enfermedades provocadas por bacterias resistentes a los antibióticos, lo que convierte a este en un problema grave en nuestra sociedad. Para 2050, si no se controla, esta cifra podría llegar a 10 millones2.

Debido al vertido de aguas residuales contaminadas procedentes de actividades industriales, agrícolas y domésticas, existen compuestos fenólicos en los cuerpos de agua. Se sabe que estas sustancias son peligrosas y afectan negativamente a las personas y los animales. La hidroquinona, uno de los principales derivados del fenol, es una sustancia química hepatotóxica y cancerígena bien conocida3. Investigaciones recientes revelaron que la hidroquinona podría aumentar el riesgo de cáncer al dañar el ADN y deteriorar el sistema inmunológico4. Los aminofenoles son sustancias químicas potencialmente peligrosas y mutagénicas que se utilizan o liberan en los sectores industrial, medicinal y agrícola5,6. Los paraaminofenoles (PAP) también se utilizan como materia prima para producir paracetamol, uno de los fármacos más utilizados a nivel mundial. Están disponibles para administración oral desde hace mucho tiempo7. La cantidad de PAP en el mundo está aumentando a un ritmo del 5% anual. La PAP induce nefrotoxicidad y, de manera similar al paracetamol, induce hepatotoxicidad8. Además, la (PAP) afecta negativamente a la vida acuática9,10. Por eso es fundamental buscar tecnologías no tóxicas altamente eficientes, respetuosas con el medio ambiente y estables.

Debido a sus características excepcionales, como una mayor no toxicidad y biocompatibilidad, resistencia mecánica y estabilidad térmica, los nanomateriales a base de carbono han atraído recientemente mucho interés en la investigación. Estas características abren numerosas posibilidades en diversos campos de estudio11,12 Los puntos cuánticos de carbono (CQD) son materiales de dimensión cero (0D) con un tamaño medio inferior a 10 nm13. Los CQD tienen una amplia gama de aplicaciones en los campos de la salud y el medio ambiente14.

Debido al potencial de nuevas investigaciones sobre los mecanismos y métodos futuros mejorados para detectar diversas sustancias químicas ambientales, los sensores basados en CQD han sido objeto de importantes investigaciones. Se sugirió que era una estrategia prometedora para la detección de contaminantes y el monitoreo ambiental15,16 debido a su alta fotoestabilidad, biocompatibilidad, fuerza de fluorescencia relativa y potencial de fotoluminiscencia controlable para la funcionalización de superficies17. Se ha demostrado que el dopaje de CQD con N-, P-, S- y B- y otros heteroátomos altera su banda prohibida y su densidad electrónica, mejorando su rendimiento cuántico y ampliando su gama de aplicaciones18. Los CQD dopados detectan con éxito productos farmacéuticos y contaminantes ambientales no deseados, como pesticidas, antibióticos, productos químicos fenólicos, hidrocarburos poliaromáticos e iones de metales pesados19.

La mayoría de los CQD dopados reportados se producen utilizando dos o más precursores de reacción costosos, lo que puede complicar la purificación20. Por lo tanto, encontrar un precursor simple, fácilmente disponible y de bajo costo para fabricar dos tipos diferentes de CQD dopados con heteroátomos sigue siendo un desafío. Para mejorar aún más las variedades y usos de los CQD, pretendemos sintetizar un nuevo CQD único dopado con nitrógeno y boro mediante un método sencillo y sencillo para aplicaciones de detección de variables.

Nuestra investigación se concentra en los puntos cuánticos de carbono (CQD) y cómo pueden usarse para detectar diversas sustancias químicas. Esta detección es importante para objetivos biológicos, farmacológicos y ambientales. Se están investigando sensores ópticos innovadores y avanzados de doble función basados en B, N-CQD. Demostramos cómo biosensores analíticos creativos basados en nanomateriales pueden detectar, cuantificar y confirmar con éxito la presencia de residuos de antibióticos para garantizar que se encuentren dentro del porcentaje permitido.

Además, demostrar su capacidad para detectar derivados fenólicos en soluciones acuosas como sensores químicos. Aquí se revisan en detalle sus propiedades ópticas y químicas, centrándose en los avances hacia la creación de nanopartículas luminiscentes con varios usos de detección para recomendar el desarrollo de sensores más eficientes, susceptibles y precisos. Es importante mencionar que esta innovadora tecnología no solo reconoce un tipo de antibiótico; identifica múltiples tipos y también determina las variadas concentraciones de cada uno. Esto es lo que distingue nuestro trabajo y no lo logran otros. Finalmente, se presentan nuevos puntos de vista para resaltar las numerosas oportunidades y obstáculos que aún no se han resuelto pero que son cruciales para desbloquear todo el potencial de estos potentes nanomateriales.

Describimos la estrategia de detección sin precedentes de los CQD con dopaje fluorescente B, N, que elimina la necesidad de técnicas tradicionales costosas y que consumen mucho tiempo. Por lo tanto, ayuda a desarrollar sensores ecológicos avanzados para diversas aplicaciones futuras. Y proporcionar una técnica para crear sistemas de detección de modo dual basados en materiales nuevos que responden a estímulos para diferentes usos analíticos.

El monohidrato de ácido cítrico, la urea, el citrato trisódico y el ácido bórico se adquirieron de Sigma-Aldrich and Merck Chemical Company. Gránulos de ácido nítrico (HNO3, 72 %) e hidróxido de sodio (NaOH, 99 %) extra puros de Oxford Lab Fine Chem. India, eritromicina, floroquina y penicilina se obtuvieron de (Medical Professions for Veterinary Products Co. MUVCO). El clorhidrato de oxitetraciclina se adquirió en (Pharma SWEDE). Los antibióticos probados se prepararon calculando los materiales activos equivalentes y pesando el polvo. El polvo de hidroquinona (+ 99%) se adquirió en (Chemsavers, Egipto), y el polvo de p-aminofenol (99%) y el resorcinol (99%) se adquirieron en (Sigma-Aldrich). Todos los productos químicos se marcaron como grado reactivo y se utilizaron tal como se recibieron sin purificación adicional. Para todos los experimentos se utilizó agua doblemente desionizada.

Un procedimiento de descomposición térmica21 produjo CD con cambios mínimos. Para preparar soluciones translúcidas, se mezclaron 40 ml de agua desionizada con 6 g de ácido cítrico y 12 g de urea. En un horno eléctrico, la solución transparente se calentó a 200 °C y se mantuvo a esa temperatura durante 4 h. Luego se dejó que la combinación se enfriara naturalmente a temperatura ambiente, transformándose de un líquido incoloro a un sólido negro. Luego, los productos se disolvieron en agua desionizada y los CD se filtraron utilizando un filtro de membrana de 0,45 µm. Finalmente, se encontró una solución para los CD. Se realizaron más investigaciones y aplicaciones en los CD creados.

Los CD codopados con B y N se crearon combinando procedimientos informados previamente con cambios mínimos22. Se mezclaron 3 g de citrato trisódico, 3 g de urea y 3 g de ácido bórico con 150 ml de agua desionizada y se trataron hidrotermalmente a 180 °C durante cuatro horas en un autoclave de acero inoxidable con recubrimiento de teflón. Luego, los CD se filtraron usando un filtro de membrana de papel de filtro de 0,45 µm después de que el autoclave se enfrió a temperatura ambiente en condiciones ambientales. Debido a la alta intensidad y el rendimiento cuántico de la solución final, se diluyó 1 ml (13 mg ml-1) de la solución madre de CD a 50 ml para una mayor caracterización y aplicaciones.

Primero, se prepararon soluciones madre de diversas concentraciones de antibióticos: clorhidrato de oxitetraciclina, penicilina, eritromicina y floroquina. Las concentraciones de ingredientes activos de todos los antibióticos se mantuvieron constantes para garantizar que los resultados fueran precisos. Se preparó una solución madre idéntica de tolueno, acetonitrilo, hexano, butano, THF, hidroquinona, resorcinol y paraaminofenol con concentraciones que oscilaban entre 500 nM y 5 µM.

Se añadió una pequeña cantidad de solución de antibiótico (0,1 ml) a 0,1 ml de solución diluida de B, N-CQD y se agitó suavemente durante 5 minutos a temperatura ambiente. Luego, utilizando un espectrofotómetro de fluorescencia Perkin Elmer modelo LS55 con una longitud de onda de excitación de 330 nm, la solución estuvo lista para mediciones de PL (espectroscopia de fotoluminiscencia). Para la determinación de derivados fenólicos se utilizó el mismo procedimiento. Todas las mediciones se realizaron en las mismas condiciones y a temperatura ambiente.

El rendimiento cuántico de fluorescencia de B, N-CQD se ha informado en estudios previos23. Se calculó a partir de la siguiente ecuación utilizando Fluorescente como estándar cuyo rendimiento cuántico es de aproximadamente 0,95.

donde Y denota el rendimiento cuántico, FX y Fs denotan la intensidad de fluorescencia integrada, AX y As indican la absorbancia, y ηx y ηs denotan los índices de refracción del disolvente de los CD y la solución de fluoresceína, respectivamente. Se midió la absorbancia a 340 nm y se obtuvo el espectro de fluorescencia a esta longitud de onda.

Para explorar las estructuras cristalinas de los materiales producidos, se registraron patrones de difracción de rayos X (DRX) en un espectrofotómetro de difracción de rayos X utilizando radiación Cu K (λ = 1,5406, voltaje de funcionamiento de 45 kV y corriente de 40 mA) en un tamaño de paso. de 0,02° y rango 2θ de 20–90°.

Se utilizó un microscopio electrónico de transmisión (TEM) para examinar la morfología de las nanopartículas (JEM-1400 Plus, Japón). La muestra se obtuvo disolviendo nanopartículas en agua destilada, sonicándolas durante 30 minutos para asegurar una dispersión completa y luego aplicando una sola gota de solución de nanopartículas sobre una rejilla de cobre recubierta de carbono (400 mallas) y secando a temperatura ambiente.

Los espectros FTIR se capturaron con la ayuda de (Nicolet 6700, Nicolet, Estados Unidos. Todos los espectros se obtuvieron utilizando gránulos elaborados combinando KBr (Sigma Aldrich) con polvo puro de las nanopartículas producidas en el rango de 4000 a 400 cm. UV-Vis. El espectro de absorción se investigó utilizando el modelo científico térmico EVO300.

Se utilizó TEM para describir el tamaño y la morfología de los CQD sintetizados. Las imágenes TEM y el histograma en las figuras 1a, b muestran que B, CQD dopado con N y CQD exhiben una distribución uniforme con buena dispersión de estructuras morfológicas de cuasiesferas con tamaños promedio de 2,5 y 6 nm, respectivamente.

Imágenes TEM e histograma de (a) CQD dopados con B, N (b) Puntos cuánticos de carbono (CQD).

El patrón XRD de los CQD preparados y los CQD de co-dopaje B, N se ilustran en las Fig. 2a, b. Los amplios picos de difracción con jorobas centrados en 27° y 30° para los CQD dopados y puros, respectivamente, revelan la estructura amorfa de ambos materiales, en referencia a la producción de átomos de carbono increíblemente desordenados. Los picos de difracción observados corresponden al espaciado entre capas de 3,2 y 2,8 Å para CQD con dopaje conjunto de CQD y B, N, respectivamente24 (Información complementaria 1 y 2).

Patrón XRD de (a) CQD dopados con B, N (b) Puntos cuánticos de carbono (CQD).

Se realizaron mediciones FTIR para investigar el grupo funcional en la superficie de los CQD preparados. El análisis FTIR para los CQD sintetizados y los CQD dopados con B, N se muestran en las Fig. 3a, b. Los espectros de las dos muestras muestran una fuerte banda ancha a 3440 cm-1, comparable a los enlaces vibratorios y N-H que estiran –OH. El CH fue responsable de los picos de absorción a 2771 cm-1. Las bandas fuertes detectadas en el número de onda 1600-1750 cm-1 muestran la presencia de enlaces C=O en la superficie de las partículas, lo que indica la presencia de la molécula de citrato en la superficie de las partículas, que es lo que le da a los CD su carácter hidrofílico y agua. -Propiedades solubles además de aumentar su estabilidad. Las bandas a 1400 cm-1 y 1453 cm-1 fueron comparables a CN y –CO, respectivamente. El pico de vibración de C=N se descubrió a 1643 cm-1. Por otro lado, los espectros FTIR de los CQD dopados con B, N sintetizados mostraron diferencias con respecto a los CQD, como la vibración de estiramiento de B – O a 1405 cm −1 y el pico de absorción para B – O – C detectado a 920 cm − 1. Las vibraciones de flexión B-OH y de estiramiento C = B mostraron picos a 1189 cm-1 y 1076 cm-1, respectivamente. Sin embargo, los dos picos aparecieron en 1354 cm-1 y 816 cm-1. (vibración de estiramiento B – N en el plano y vibración de flexión B – N fuera del plano, respectivamente) están conectadas a B – N con enlace sp2. Todos los datos de FTIR y XRD demostraron con éxito la formación de B, CQD dopadas con N y los grupos funcionales B – O, B – O – C, B – OH, C = B, C – N, N – H y C = N confirma el dopaje, proporcionando un alto rendimiento y propiedades de detección excepcionales.

Espectros FTIR de (a) puntos cuánticos de carbono (CQD) (b) CQD dopados con B, N.

Se utilizaron espectros de fotoluminiscencia y absorción UV-Vis para evaluar las características ópticas de los CQD B, N y CQD sintetizados a partir de urea. El agua desionizada diluyó las muestras a 0,2–0,05 mg/ml. Los resultados obtenidos se ilustran en las figuras 4a, b. El espectro UV-visible de los CQD preparados en agua muestra tres bandas de absorción25 a 320 nm, 360 nm y 430 nm, que corresponden a la transición π → π* de los enlaces C=C o C=O en los que el orbital era sp2. Se asignaron bandas hibridadas y distintas a 350 nm y 340 nm a la transición n → π* de los grupos funcionales de borde de electrones de los átomos de B, O y N26.

Espectros de absorción UV-VIS de (a) CQD co-dopaje con B, N (b) CQD de puntos cuánticos de carbono.

Estos átomos tienen una electronegatividad más fuerte que el carbono; por lo tanto, extraen inductivamente electrones de los orbitales π. La conjugación de altos átomos de carbono facilitó el proceso. La cola de absorción extendida, que se extiende hasta 550 nm, es causada por transiciones de baja energía dentro de los estados superficiales causadas por grupos funcionales superficiales27. Para investigar más a fondo las propiedades ópticas, se exploró la variación de fotoluminiscencia (PL) de B, N-CQD y CQD de urea con diferentes longitudes de onda estimuladas para aprender más sobre sus características de PL. Los resultados se ilustran en la Fig. 5. Se observan picos excitantes a 470 nm para todas las longitudes de onda excitadas para el B, N-CQD preparado. La intensidad de los picos disminuye al disminuir la longitud de onda de excitación de 330 a 270 nm, Fig. 5a.

(a) Espectros de fotoluminiscencia de B, N-CQD a diferentes longitudes de onda de excitación 270,280,290,300 y 330 nm. (b) Espectros de fotoluminiscencia de CQD a diferentes longitudes de onda de excitación 300,330,350 y 380 nm. (c) Comparación de espectros de fluorescencia de B, N-CQD y CQD con una longitud de onda de excitación de 330 nm.

Por otro lado, los CQD preparados a partir de urea se ilustran en la Fig. 5b. La intensidad de los picos disminuye con el aumento de la longitud de onda de excitación de 300 a 380 nm; eso significa que los picos de intensidad se vuelven más fuertes a medida que disminuye la longitud de onda excitante. La transición de banda prohibida, que puede regular la fluctuación de fluorescencia de los CQD fabricados, puede hacer que la banda prohibida aumente.

Como se observó anteriormente, esta propiedad intrínseca se debe a los tamaños variables de partículas y la amplia distribución de los sitios de trampa emisiva en los CQD preparados. Aunque se desconoce el mecanismo de la fotoluminiscencia de los CQD, se sabe que está significativamente asociado con los estados, la distribución y la asociación de grupos funcionales en la superficie28. La Figura 5c compara los espectros de fluorescencia de los CQD y los CQD de dopaje a una longitud de onda de excitación de 330 nm, lo que ilustra un cambio significativo al rojo de la fluorescencia a la longitud de onda más alta (menor energía) de 480 a 600 nm para los CQD preparados a partir de urea. Por otro lado, es fundamental mencionar que se utilizó un filtro para reducir 10 veces la intensidad de fluorescencia de los CQD co-dopados para obtener estos resultados. Los resultados mostraron una alta fluorescencia para las B, N-CQD. Esta variación evidente confirma que los B, N-CQD tienen propiedades de fluorescencia únicas y pueden usarse como una nanosonda prometedora para aplicaciones variables.

Este estudio analizó las comparaciones entre B, N-CQD y CQD de urea, lo que confirma que los B, N-CQD son mejores. Una pequeña cantidad y poca concentración fueron suficientes para medir y obtener los resultados deseados. No se requieren preparativos costosos, lo que tiene un impacto económico en la vida real. Por tanto, podemos decir que los CQD dopados con B, N son sondas de fluorescencia prometedoras para detectar antibióticos variables en soluciones acuosas.

Los CQD se utilizaron como sensores de fluorescencia para la determinación sensible y selectiva de antibióticos, aunque en diversos grados, según los beneficios descritos anteriormente, que resumieron el excelente rendimiento de fotoluminiscencia de los CQD preparados. Los residuos de antibióticos en grandes cantidades en la acuicultura y el agua potable suponen una grave amenaza. Los antibióticos más utilizados en la acuicultura egipcia son el clorhidrato de oxitetraciclina, la eritromicina, la penicilina y el floriquin. Estos antibióticos fueron elegidos como sujetos de prueba para estudiar sus capacidades de detección de luz utilizando CQD superiores como quimiosensor. Como resultado, se variará la señal de fluorescencia del sistema de detección compuesto por CQD y varios antibióticos (AB). Los resultados se describen y representan en la Fig. 6.

Espectro representativo de extinción de fluorescencia al agregar antibióticos variables para (a) B, N-CQD, (b) CQD.

Con múltiples antibióticos en las mismas condiciones analíticas, los espectros de fluorescencia del sistema de detección B, N-CQD (AB) se alteraron. la penicilina y la eritromicina tienen una respuesta de extinción de la fluorescencia mayor que los otros antibióticos; sin embargo, tienen distintos grados, Fig. 6a. Sin embargo, en el caso de los CQD, los resultados revelaron que la penicilina y el clorhidrato de oxitetraciclina tienen un efecto de extinción de la fluorescencia más significativo que los otros antibióticos, Fig. 6b. Los resultados también demostraron que la respuesta de extinción de la fluorescencia de los CQD y el sistema de detección de los CQD con dopaje B, N podrían detectar la penicilina con una sensibilidad y selectividad excepcionales. Como resultado, se considera una nueva sonda de detección exitosa que puede distinguir entre múltiples tipos de antibióticos y un solo tipo, lo que distingue nuestro trabajo del resto de resultados anteriores.

Los resultados del B, N-CQD investigado para varios antibióticos se presentan en la Fig. 7a. Los hallazgos revelaron que la penicilina y la eritromicina tienen un mayor efecto de extinción de la fluorescencia. Según el gráfico de porcentajes de extinción de la fluorescencia, los CQD son más sensibles para detectar penicilina y eritromicina que cualquier otro antibiótico. Los CQD elaborados a partir de urea fueron más selectivos para la penicilina y el clorhidrato de oxitetraciclina (Fig. 7b). Es crucial tener en cuenta que, después de comparar CQD y CQD co-dopados, los sensores basados en B, N-CQD serán más efectivos que los CQD y debido a sus propiedades específicas altamente fluorescentes (se utilizaron filtros para reducir la intensidad de la fluorescencia en diez doblar).

Diagrama de porcentaje de extinción para demostrar la eficacia selectiva de los antibióticos para los CQD (a) B, N-CQD y (b) investigados.

(a) La mayoría de los estudios creen que los estados del núcleo de carbono, los estados de defectos de la superficie y los estados moleculares causan principalmente la compleja fluorescencia característica de los CQD.

Los estados del núcleo de carbono causados por la separación de la banda de valencia y conducción del dominio π, principalmente del núcleo de grafeno,

El estado de defecto de la superficie es el principal mecanismo de fluorescencia de los CQD más estudiados producidos por diferentes grupos funcionales de la superficie. La combinación de estos numerosos grupos funcionales produce emisiones dependientes de la excitación, emisiones multicolores y una relajación radiativa complicada. Además, el dopaje heteroatómico con elementos como N, S y B mejora la recombinación radiativa y aumenta el rendimiento cuántico de los estados de defectos superficiales30.

Los fluoróforos o cromóforos en la superficie de los CQD provocan los estados moleculares fluorescentes. Los estados moleculares mostraron un comportamiento idéntico al de los tintes orgánicos, que frecuentemente exhiben un alto rendimiento cuántico, una fluorescencia más aparente, fuerte y una débil resistencia al fotoblanqueo.

Los fluoróforos, como cromóforos, son compuestos que absorben la luz en el espectro UV o visible. Reemiten parte de la luz en forma de radiación, proceso que se denomina fluorescencia.

La extinción de la fluorescencia que puede usarse para la detección de analitos puede resultar de interacciones específicas de las CQD con diversas moléculas, incluidos iones metálicos, antibióticos y proteínas31.

El proceso de enfriamiento puede ser estático o dinámico, dependiendo del sistema de enfriamiento. El extintor y la sonda de fluorescencia forman una conexión no fluorescente durante el procedimiento de extinción estática. El número de estos complejos aumenta a medida que aumenta la concentración de moléculas extintoras [Q]. Sin embargo, las concentraciones del extintor no afectan la vida útil de la fluorescencia correspondiente (tasa de disminución de la fluorescencia).

Un proceso de enfriamiento recomendado para los CQD es el enfriamiento estático, que ocurre cuando entran en contacto con analitos y generan un nuevo estado fundamental del complejo analito-CQD debido a una fuerte conexión de enlace. Una vez estimulados los CQD, la fluorescencia también se puede extinguir mediante colisión dinámica con el extintor, lo que da como resultado una transferencia de energía no radiativa32.

En la extinción dinámica, la molécula del extintor choca con el fluoróforo mientras es estimulado, lo que provoca que cambien las concentraciones del extintor. Como resultado, el cambio en KSV y el valor de vida útil T asociado disminuyen a medida que aumentan las concentraciones del extintor [Q] de acuerdo con la siguiente ecuación33:

KSV es la constante de Stern-Volmer y T es la tasa de disminución de la fluorescencia.

La transferencia de electrones fotoinducida (PET) también puede tener lugar entre los CQD y el analito. Cuando interactúan el analito y los CQD ricos/pobres en electrones, un electrón puede moverse de una estructura a otra. Debido a esto, los electrones se ven obligados a tomar un camino diferente (los electrones caen desde el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) al orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de los CQD. El PET se puede dividir en dos categorías: transferencia oxidativa de electrones, en el que los CQD funcionan como donadores de electrones, y la transferencia reductora de electrones, en la que los CQD actúan como receptores de electrones. El electrón normalmente se mueve desde el LUMO de los CQD al LUMO del extintor durante la transferencia oxidativa de electrones. Para la transferencia reductora de electrones desde el LUMO del extintor al HOMO de los CQD, ambas situaciones a menudo resultan en una fluorescencia reducida34.

La detección de analitos no dependía únicamente de un proceso de extinción basado en contacto. Existen otros métodos sin contacto que pueden usarse para detectar una variedad de analitos, incluido el efecto de filtro interno (IFE), la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia y quimioluminiscencia (FRET y CRET), y otros35.

Se agregaron diferentes concentraciones de soluciones estándar de penicilina y eritromicina a las soluciones de B, N CQD en condiciones experimentales óptimas. Es importante mencionar que las mediciones de PL de los CQD B y N analizados se examinaron mediante un filtro. Con concentraciones variadas de penicilina, el sistema de detección se alteraba. Las concentraciones de penicilina en el sistema de detección de 1 ml fueron 0, 5,8, 10,3, 23,2, 47,68, 93,4, 143,04, 300 y 350 µM, como se muestra en la Fig. 8a. Cuando se aumenta la concentración de penicilina en las mismas condiciones analíticas, la intensidad de la fluorescencia en el sistema de detección disminuye constantemente.

(a) espectros PL de B, N-CQD tras la adición de diferentes concentraciones de penicilina y (b) gráfico de relaciones de intensidad de fluorescencia de Io/I frente a la concentración de penicilina (μM) en el rango de 0 μM a 350 μM.

Por otro lado, la Fig. 9a muestra la relación entre la concentración de eritromicina y la intensidad de fluorescencia en un sistema de detección de 1 ml, con concentraciones de eritromicina de 2, 10, 60, 100, 400, 800 nM, 1,7, 5, 10, 20, 40. y 80 µM. Según las observaciones, la extinción de la fluorescencia aumenta cuando aumenta la concentración.

(a) espectros FL de B, N-CQD tras la adición de diferentes concentraciones de eritromicina y (b) gráfico de relaciones de intensidad de fluorescencia de Io/I frente a la concentración de eritromicina (μM) en el rango de 2 nM a 80 μM.

Es crucial tener en cuenta que la penicilina y la eritromicina apagaron la intensidad de la fluorescencia de los CQD B, N, y la extinción de la fluorescencia aumentó a medida que aumentaban las concentraciones de antibióticos. Además, esto confirma la sensibilidad incomparable de los CQD B, N. En consecuencia, se considera una nueva sonda de detección exitosa que tiene una excelente sensibilidad a bajas concentraciones de antibióticos (Información complementaria 3).

La sensibilidad de B, N-CQD a antibióticos como la penicilina y la eritromicina se probó en perfectas condiciones experimentales y los resultados se muestran en las Figs. 8b, 9b. La intensidad de fluorescencia (Io/I) aumenta a medida que aumenta la concentración de antibióticos, donde Io e I fueron la intensidad de fluorescencia de B y N CQD en ausencia y presencia de antibióticos, respectivamente. Los rangos de concentración de penicilina y eritromicina fueron de 0 a 350 µM y de 2 nM a 60 µM, respectivamente. Dentro de los límites de la ecuación de regresión lineal, el gráfico reveló una relación lineal excelente y el coeficiente de correlación lineal (R2) fue de 0,962 y 0,9818, respectivamente. Además, se determinó que el límite de detección fue de 10 nM y 5 nM con base en 3σ/S, donde σ y S representan la desviación estándar y la pendiente de la curva, respectivamente. El rendimiento analítico de este trabajo se muestra en la Tabla 1.

Los B, N-CQD sintetizados proporcionan sitios activos y una alta relación superficie/volumen para la adsorción de antibióticos. Además, puede alterar la banda prohibida, lo que resulta en un aumento de la fluorescencia que podría usarse para fabricar sensores36.

En general, se sabe que la tasa de adsorción está influenciada de manera más sustancial por la proporción de anillos aromáticos en los antibióticos37. Los antibióticos con varios anillos aromáticos mejoran su capacidad de unión a las superficies B, N-CQD. Esto sugiere que la cantidad de anillos aromáticos que posee un antibiótico afectará la rapidez con la que puede unirse a materiales a base de carbono. Como se mencionó anteriormente, el principal mecanismo por el cual los antibióticos se unen a B, N-CQD es mediante interacción π-π38. Según las razones expuestas B, los N-CQD estarían entre los mejores nanosensores de doble función en el futuro previsible.

Los derivados fenólicos y la contaminación por compuestos fenólicos son dos de los desafíos más frecuentes que enfrenta la población mundial. Debido a su toxicidad y capacidad de persistir en el medio ambiente durante períodos prolongados, es fundamental controlar la cantidad de compuestos fenólicos en nuestro medio ambiente. Estábamos interesados en emplear CQD para detectar sustancias químicas fenólicas en este estudio.

Se estudió que los CQD únicos desempeñan un papel vital en la detección de análogos de fenol (paraaminofenol, resorcinol e hidroquinona), que son contaminantes bien conocidos. La Figura 10 muestra los hallazgos de B, N-CQD y CQD como sensores prometedores para la detección de fenol, y evaluamos su selectividad y sensibilidad en varios solventes. La Figura 10a mostró que la intensidad de fluorescencia de los CQD co-doping con B, N cambió ligeramente con la adición de derivados fenólicos, lo que indica su alta selectividad para la detección de hidroquinona sobre resorcinol y luego aminofenol. Los CQD tienen la máxima sensibilidad para detectar derivados de fenol más que cualquier otro disolvente orgánico en las mismas condiciones. La Figura 10b mostró que los CQD tienen más sensibilidad a los compuestos fenólicos que cualquier otro solvente orgánico y son más selectivos al resorcinol que otros. Según los resultados, los diagramas de porcentajes de extinción demuestran la eficacia particular de los CQD examinados para una variedad de compuestos derivados fenólicos (hidroquinona, resorcinol y paraaminofenol). Debido a su estructura química fenólica, tuvieron una respuesta de extinción de fluorescencia más alta que los otros solventes orgánicos, lo que implica que los CQD son más sensibles para detectar derivados químicos fenólicos que cualquier otro solvente orgánico. En el caso de los CQD con dopaje B, N, Fig. 11a. Según los hallazgos, la hidroquinona tiene un mayor efecto de extinción de la fluorescencia. Los CQD, por otro lado, fueron más selectivos para el resorcinol (Fig. 11b).

Espectro representativo de extinción de fluorescencia al agregar compuestos orgánicos variables y derivados fenólicos para (a) B, N-CQD y (b) puntos cuánticos de carbono (CQD).

Diagrama de porcentaje de enfriamiento para demostrar la eficiencia selectiva de diferentes compuestos orgánicos y derivados fenólicos para los CQD (a) B, N-CQD investigados (b) CQD.

Después de comparar los CQD y CQD de codopaje, es esencial mencionar que los sensores basados en B, N-CQD serán más fiables que los CQD debido a sus características distintivas de alta fluorescencia (se necesitaba un filtro para disminuir la fluorescencia 10 veces). Por lo tanto, se esperaba que las B, N-CQD fueran la sonda más prometedora para la detección de derivados de fenoles.

El espectro FT-IR mostró la comparación entre los CQD con dopaje de B, N puro y diferentes picos que representan algunos grupos funcionales ubicados en la superficie de los CQD de B, N con analitos objetivo. Fig. 12. Vibración de estiramiento de C – OH (3400 cm- 1) y C=C (1700 cm-1). Además, se registraron bandas de absorción vibratoria correspondientes a C = O y C – O – C a 1700 cm-1, 1500 cm-1 y 1250 cm-139.

Comparación de espectros FT-IR de B, N-CQD y diferentes analitos.

Según datos anteriores, PL proporciona resultados más exactos, precisos y detallados que FTIR para estudiar la fluorescencia de los CQD con diferentes analitos, incluso con concentraciones bajas (conc. <80 µM), donde la espectrometría de fluorescencia es uno de los métodos analíticos más prometedores.

La detección de sustancias químicas derivadas del fenol se exploró utilizando los CQD de co-dopaje B, N adquiridos. Para las mediciones de PL, se introdujeron diferentes concentraciones de derivados de fenol que oscilaban entre 5 y 500 µM en una solución acuosa de B, N-CQD. Como se muestra en la Fig. 13, a una longitud de onda de excitación de 330 nm, la intensidad de fluorescencia de los B, N-CQD disminuye a medida que aumenta la concentración de compuestos derivados de fenol. Este hallazgo implica que los derivados del fenol como la hidroquinona, el resorcinol y el paraaminofenol pueden apagar la fluorescencia de B, N-CQD.

Espectros PL de B, N-CQD y relaciones de intensidad de fluorescencia de Io/I frente a la concentración en el rango de 500 m a 5 m de (a) hidroquinona, (b) resorcinol, (c) paraaminofenol y (d) hexano.

La conexión entre el valor de extinción de la fluorescencia (Io/I) y la concentración de derivados de fenol [Q] se muestra en la Fig. 13. (Io e I son la intensidad de fluorescencia de B, N-CQD a 330 nm en ausencia y presencia de compuestos derivados de fenol). El gráfico de fluorescencia (Fig. 13a-c) muestra una excelente correlación lineal con hidroquinona, resorcinol y paraaminofenol, con concentraciones que oscilan entre 5 µM y 500 µM. El valor del coeficiente de regresión correspondiente (R2) fue 0,989, 0,977 y 0,981, respectivamente, lo que confirma la relación lineal. Se calculó que el límite de detección (LOD) era 0,05, 0,024 y 0,032 µM según la fórmula LOD = 3δ/S, donde S es la pendiente del gráfico de calibración lineal y δ es la desviación estándar de la señal en blanco.

Los CQD de co-dopaje B, N no se limitaron a la determinación de derivados de fenol. Aún así, también puede identificar solventes orgánicos, y del gráfico de la Fig. 13d se desprende claramente que la extinción aumenta a medida que aumenta la concentración de hexano (un ejemplo de un solvente orgánico). El gráfico mostrado en la Fig. 13d confirma los resultados. Se puede observar una excelente relación lineal con un rango lineal de 5-500 µM, un valor R2 de 0,9707 y un límite de detección (LOD) de 0,013 µM. Los datos completos se resumen en la Tabla 2.

Los múltiples grupos carboxilo en la superficie de los CQD permiten la formación de enlaces de hidrógeno con el fenol, lo que da como resultado una selectividad y sensibilidad notables para la detección de fenol. La investigación de la teoría funcional de la densidad (DFT) y la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo (TDDFT) ha demostrado que los enlaces de hidrógeno (C=O•••H–O) entre el fenol y los CQD fluorescentes son los que causan la capacidad de los CQD para apagar la fluorescencia. El complejo (CQD @ fenol) fue el modelo de enlace de hidrógeno más estable. El átomo de O de los CQD y el átomo de H del fenol crean un enlace de hidrógeno, lo que permite una sensibilidad notable para la detección de fenol.

El rendimiento analítico de esta investigación se comparó con métodos de detección anteriores para antibióticos y productos químicos derivados de fenol, y los resultados se presentaron en las Tablas 3, 4. Los resultados revelaron que el límite de detección de este experimento es más bajo que el de la mayoría de los enfoques publicados anteriormente, el rango lineal es amplio y no es necesaria ninguna modificación química sofisticada. Nuestro dispositivo sensor supera a las nanosondas fluorescentes convencionales para detectar antibióticos y derivados de fenol con precisión. En consecuencia, se clasifica como un nanosensor de doble función. Pero los demás no tuvieron una actuación tan poderosa. La sensibilidad de una sonda para detectar derivados fenólicos, pesticidas y antibióticos, así como diversos fármacos, está influenciada por varios factores. Estos factores incluyen los grupos funcionales de la superficie de los CQD y las constantes de extinción y unión de los pesticidas o antibióticos objetivo. Los sensores de antibióticos basados en CQD, por otro lado, han recibido la menor atención y requieren investigación adicional. La interacción química entre los CQD y ciertos compuestos es la principal causa de la extinción de la fluorescencia. Los sensores de fluorescencia basados en CQD son eficaces en la detección de antibióticos y prácticos para la detección de derivados de fenol y pesticidas.

En conclusión, hemos desarrollado con éxito una técnica única para producir sondas de doble funcionalidad altamente fluorescentes y hemos demostrado sus beneficios en términos de simplicidad, rentabilidad y respeto al medio ambiente. Los CQD se sintetizaron de dos formas distintas en este estudio. La síntesis de sondas únicas de alta fluorescencia B, N-CQD también ha sido un sensor prometedor. Tanto los antibióticos como los derivados del fenol se pueden detectar utilizando el nanosensor sugerido. La detección depende de la extinción de la fluorescencia. Los porcentajes de extinción representan la sensibilidad de la nanoprobe B, N-CQD producida, siendo los antibióticos más sensibles la penicilina y la eritromicina. La tarea de la Nanoprobe que se está examinando incluye no sólo la detección de antibióticos, sino también la detección sensible de derivados fenólicos peligrosos como la hidroquinona, el resorcinol y el paraaminofenol como disolventes orgánicos como el hexano y otros productos químicos comparables. Los estados superficiales de los puntos de carbono regulan las propiedades de fotoluminiscencia; por tanto, se les puede atribuir la fluorescencia. Los enlaces de hidrógeno (CQO•••H–O) entre compuestos fenólicos y CQD fluorescentes son responsables del efecto de los CQD sobre los derivados fenólicos.

Los resultados muestran que a medida que aumenta la concentración, la fluorescencia de los B, N-CQD de alta luminiscencia disminuye progresivamente, lo que indica que el dispositivo sensor de corriente es susceptible. Las observaciones experimentales pueden ser un paso importante hacia la creación de una sonda prometedora que servirá como sensor óptimo. Este nuevo método basado en extinción de fluorescencia es sensible, requiere menos tiempo y no requiere preparaciones costosas para reemplazar el método de detección cromatográfica ampliamente utilizado.

Los datos utilizados y analizados durante el presente estudio están disponibles a través de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

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Facultad de Ciencias, Universidad Benha, Banha, Egipto

Mahmoud A. Mousa

Facultad de Ciencias, Universidad de Alejandría, Alejandría, Egipto

Hanaa H. Abdelrahman y Amira SE Moustafa

Departamento de Química Marina, División Ambiental, Instituto Nacional de Oceanografía y Pesca (NIOF), Alejandría, Egipto

Mamdouh A. Fahmy y Dina G. Ebrahim

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MA Mousa y AHE Moustafa terminaron el diseño del estudio. MA Fahmy y DG Ebrahim finalizaron sus estudios experimentales. AHE Moustafa, DG Ebrahim y SS Abdelrahman finalizaron el análisis de datos. MA Mousa y AHE Moustafa y SS Abdel Rahman terminaron la edición del manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Amira SE Moustafa.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Mousa, MA, Abdelrahman, HH, Fahmy, MA et al. Puntos cuánticos de carbono puro y dopado como sondas fluorescentes para la detección de compuestos fenólicos y antibióticos en acuarios. Informe científico 13, 12863 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39490-y

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Recibido: 25 de febrero de 2023

Aceptado: 26 de julio de 2023

Publicado: 08 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39490-y

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