Los puntos cuánticos de carbono (CQD, puntos C o CD) son pequeñas nanopartículas de carbono (de menos de 10 nm de tamaño) con alguna forma 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 provocó extensos estudios para explotar las propiedades de fluorescencia de los CQD. Se ha avanzado mucho en la síntesis, propiedades y aplicaciones de los CQD. [1]
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 y propiedades ópticas comparables a los puntos cuánticos. [5] Los puntos cuánticos de carbono se han investigado ampliamente, especialmente debido a sus propiedades de emisión de fluorescencia fuertes y sintonizables, [6] que permiten sus aplicaciones en biomedicina, optrónica, catálisis y detección. [7]
Los mecanismos fundamentales responsables de la capacidad de fluorescencia de las CQD son muy debatidos. Algunos autores han proporcionado evidencia 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, [8] [9] mientras que otros trabajos han atribuido la fluorescencia a la recombinación de cargas atrapadas en la superficie, [10] [11] o propusieron una forma de acoplamiento entre los estados electrónicos del núcleo y de la superficie. [12] La fluorescencia dependiente de la excitación de los CQD, que conduce a su sintonización de emisión característica, se ha relacionado principalmente con la distribución no homogénea de sus características de emisión, [13] [12] debido a la polidispersidad, aunque algunos trabajos lo han explicado como una violación de la regla de Kasha que surge de una relajación solvente inusualmente lenta. [14]
Propiedades de los CQD
Las estructuras y componentes de los CQD determinan sus diversas propiedades. Muchos restos carboxilo de la superficie de CQD imparten una excelente solubilidad en agua y biocompatibilidad. [6] Estos restos superficiales permiten que los CQD sirvan como nanopartículas conductoras de protones. [15] Los CQD también son adecuados para la modificación química y pasivación de superficies con diversos materiales orgánicos, poliméricos, inorgánicos o biológicos. Mediante la pasivación de la superficie, se mejoran las propiedades de fluorescencia y las propiedades físicas de los CQD. Recientemente, se ha descubierto que la CD funcionalizada con amina y ácido hidroxámico puede producir una 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 de ORMOSIL. [16] Un artículo publicado en 2019 mostró que CQD puede resistir temperaturas de hasta 800 ° C, allanando el camino para aplicaciones de CQD en entornos de alta temperatura. [17] Basado en carbono, los CQD poseen propiedades tales como buena conductividad, composición química benigna, estabilidad fotoquímica y térmica. [ cita requerida ]
Síntesis de CQD
Los métodos sintéticos para CQD se dividen aproximadamente en dos categorías, rutas "de arriba hacia abajo" y "de abajo hacia arriba". Estos se pueden lograr mediante técnicas químicas, electroquímicas o físicas. [6] Las CQD obtenidas podrían optimizarse durante la preparación o el postratamiento. [1] La modificación de los CQD también es muy importante para obtener buenas propiedades superficiales que son esenciales para la solubilidad y aplicaciones seleccionadas. [1]
Métodos sintéticos
La ruta sintética "de arriba hacia abajo" se refiere a la descomposición de estructuras de carbono más grandes como el grafito , los nanotubos de carbono y los nanodiamantes en CQD mediante ablación láser , descarga de arco y técnicas electroquímicas. [6] Por ejemplo, Zhou et al. primer método electroquímico aplicado en la síntesis de CQD. [18] Crecieron 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 tetrabutil amonio 0,1 M. Más tarde, aplicaron este método para cortar CNT o ensamblar CNT en patrones funcionales que demostraron la versatilidad de este método en manipulaciones de nanoestructuras de carbono. [19] [20]
La ruta sintética "de abajo hacia arriba" implica sintetizar CQD a partir de pequeños precursores como carbohidratos , citrato y nanocompuestos de polímero-sílice mediante tratamiento hidrotermal / solvotermal, sintético soportado y rutas sintéticas de microondas. [21] Por ejemplo, Zhu et al. describió un método simple para preparar CQD calentando una solución de poli (etilenglicol) (PEG) y sacárido en un horno de microondas de 500 W durante 2 a 10 min. [22]
Recientemente, también se han empleado enfoques sintéticos verdes para la fabricación de CQD. [23] [24] [25] [26] [27]
Control de tamaño
Para lograr propiedades uniformes para aplicaciones particulares y estudios mecánicos, es de gran importancia controlar el tamaño de los CQD durante el proceso de preparación o mediante el postratamiento. [1]
La mayoría de los informes demostraron los procesos de purificación de los fragmentos de CQD sintetizados mediante postratamiento, como filtración, centrifugación, cromatografía en columna y electroforesis en gel. [1]
Además del postratamiento, también se usa ampliamente el control del tamaño de los CQD durante el proceso de preparación. Por ejemplo, Zhu et al. reportaron CQD hidrófilos a través de la impregnación de precursor de ácido cítrico. [22] Después de pirolizar las CQD a 300 ° C durante 2 horas en el 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 aumento propiedades de conversión. [22]
Modificación
Al tratarse de un nuevo tipo de nanopartículas fluorescentes, las aplicaciones de la 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 de semiconductores convencionales, se debe lograr un alto rendimiento cuántico. Aunque se sintetizó un buen ejemplo de CQD con ~ 80% de rendimiento cuántico, [28] la mayoría de los puntos cuánticos sintetizados tienen un rendimiento cuántico inferior al 10% hasta ahora. [6] Los métodos de pasivación superficial y dopaje para modificaciones se suelen aplicar para mejorar el rendimiento cuántico.
Para evitar que las superficies de los CQD se contaminen con su entorno, se realiza una pasivación de la superficie para aliviar la influencia perjudicial de la contaminación de la superficie en sus propiedades ópticas. [29] 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 tratados con ácido. [6]
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, [30] S, [31] P [32] para ajustar las propiedades de los CQD, entre los que el dopaje con N es la forma más común debido a su gran capacidad para mejorar la fotoluminiscencia. emisiones. [33] 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. [34] [35] Zhou et al aplicaron XANES y XEOL en la investigación de la estructura electrónica y el mecanismo de luminiscencia en su QDS de carbono producido electroquímicamente y encontraron que el dopaje N es casi con certeza responsable de la luminiscencia azul. [36] Se ha informado de la síntesis de nuevos nanocompuestos basados en CD con propiedades inusuales. Por ejemplo, se ha diseñado un nuevo nanocompuesto utilizando CD y nanopartículas magnéticas de Fe3O4 como precursores con actividad nanozimética. [37]
Aplicaciones
Poseer propiedades tan superiores como baja toxicidad y buena biocompatibilidad hace que los CQD sean materiales favorables para aplicaciones en bioimagen, biosensor y administración de fármacos . [1] Basado en las excelentes propiedades ópticas y electrónicas, los CQD también pueden encontrar aplicaciones en catálisis, sensores y optrónica. [1]
Bioimagen
Los CQD se pueden utilizar para la obtención de imágenes biológicas debido a sus emisiones de fluorescencia y biocompatibilidad. [38] Al inyectar disolventes que contienen CQD en un cuerpo vivo, se pueden obtener imágenes in vivo con fines de detección o diagnóstico. Un ejemplo es que CQD orgánicos colorante conjugado podría ser utilizado como un sondas fluorescentes eficaces para H 2 S. La presencia de H 2 S puede sintonizar la emisión azul de los CQD orgánicos colorante conjugado a verde. Por lo tanto, mediante el uso de un microscopio de fluorescencia, las CQD conjugadas con colorantes orgánicos pudieron visualizar cambios en los niveles fisiológicamente relevantes de H 2 S [6].
Sintiendo
Los CQD también se aplicaron en biosensores 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 usarse para el monitoreo visual de cobre celular, [39] glucosa, [40] pH, [41] niveles traza de H2O2 [37] y ácido nucleico. [42] Un ejemplo general son los ensayos de flujo lateral de ácidos nucleicos. Las etiquetas de discriminación en los amplicones son reconocidas por sus respectivos anticuerpos y señales de fluorescencia proporcionadas por los CQD adjuntos. [6] De manera más general, la fluorescencia de los CQD responde de manera eficiente al pH, [43] la polaridad local, [12] y a la presencia de iones metálicos en solución, [44] lo que amplía aún más su potencial para aplicaciones de nanosensores, [45] para ejemplo en el análisis de contaminantes. [46]
Entrega de medicamentos
La no toxicidad y la biocompatibilidad de las CQD les permiten amplias aplicaciones en biomedicina como portadores de fármacos, trazadores fluorescentes y para controlar la liberación de fármacos. [47] [48] [49] [26] Esto se ejemplifica con el uso de CQD como fotosensibilizadores en la terapia fotodinámica para destruir las células cancerosas. [50]
Catálisis
La flexibilidad de funcionalización con CQDs de varios grupos permite absorber luces de diferentes longitudes de onda, lo que ofrece buenas oportunidades para aplicaciones en fotocatálisis. Los compuestos P25 TiO2 modificados con CQD exhibieron una evolución mejorada de H2 fotocatalítico bajo irradiación con UV-Vis. Los CQD sirven como depósito de electrones para mejorar la eficiencia de separación de los pares de electrones y huecos de P25. [51]
Optrónica
CQD poseen el potencial de servir como materiales para células solares sensibilizadas por colorante , [52] las células solares orgánicas , [1] de supercondensadores , [53] y dispositivos emisores de luz. [54] Los CQD se pueden utilizar como fotosensibilizadores en células solares sensibilizadas con colorante y la eficiencia de conversión fotoeléctrica se mejora significativamente. [55] El sol híbrido a base de sílice con CQD incorporado se puede utilizar como pintura fluorescente transparente , [56]
Combustibles para cohetes
Recientemente, se han empleado CQD en combustibles híbridos para cohetes. [57]
Recuperación de huellas dactilares
Los CQD se utilizan para mejorar las huellas dactilares latentes. [58]
Ver también
- Punto cuántico
- Punto cuántico de nanotubos de carbono
- Nanotubos de carbono en energía fotovoltaica
- Punto cuántico de grafeno
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