Points quantiques de carbone fluorescents brillants à partir de jus de citron : synthèse hydrothermale et caractérisation optique

Résumé

Des points quantiques de carbone (CQDs) hydrosolubles et fluorescents sont synthétisés en utilisant du jus de citron comme source de carbone via une réaction hydrothermale simple. Les CQDs obtenus ont une taille moyenne de 3,1 nm. Ils révèlent une morphologie uniforme et une bonne cristallinité, et génèrent une émission lumineuse bleu-vert brillante sous irradiation UV ou lumière bleue. Nous trouvons que la fluorescence de ces CQDs est principalement induite par la présence de groupes contenant de l'oxygène à la surface et aux bords des CQDs. De plus, nous démontrons que les CQDs ainsi préparés peuvent être appliqués à l'imagerie de cellules végétales. Cette étude concerne la fabrication, l'investigation et l'application de nanostructures de carbone nouvellement développées.

Contexte

Le point quantique de carbone (CQD) est une nouvelle classe de nanomatériau à base de carbone, normalement de taille spatiale inférieure à 20 nm, découvert par Xu et al. en 2004 [1]. Les nanoparticules de carbone fluorescentes ont été fabriquées par Sun et al. via ablation laser de poudre de graphite en 2006 [2] et ont été nommées « points quantiques de carbone (CQDs) » depuis lors. Les CQDs fluorescents ont un grand potentiel d'application en photocatalyse, dispositifs optoélectroniques, biomédecine, affichage à film mince, éclairage sain et autres disciplines d'applications pratiques. Comparés aux points quantiques traditionnels à base de semi-conducteurs, les CQDs peuvent être obtenus par des techniques de fabrication à faible coût et possèdent des caractéristiques fascinantes et importantes telles que bonne biocompatibilité, ciblage biologique précis, faible toxicité et effet de taille quantique plus fort. Ces dernières années, les CQDs fluorescents ont attiré une attention considérable [3, 4] en raison de leurs excellentes propriétés structurales et optiques [5]. Ils ont été proposés comme matériaux de substitution pour les points quantiques semi-conducteurs conventionnels dans des domaines d'application incluant l'imagerie biologique, le marquage biologique, les LED à points quantiques (QLED), la protection de l'environnement et d'autres domaines connexes [6,7,8,9]. La recherche sur les CQDs s'est développée rapidement en physique de la matière condensée, science des matériaux, électronique et optoélectronique. Des études fondamentales et applicatives ont été largement entreprises dans le monde entier [3,4,5,6,7,8,9].

Actuellement, il existe diverses techniques [10, 11] pour synthétiser des CQDs, telles que l'approche hydrothermale [11, 12], la méthode micro-ondes [13], etc. Les CQDs ont été synthétisés à partir de divers précurseurs de carbone tels que le glucose [14], l'acide citrique [15] et l'acide ascorbique [16]. Cependant, la technique pour une fabrication efficace de CQDs fluorescents biocompatibles à grande échelle de production est encore nécessaire et est devenue un défi pour les applications pratiques des CQDs. Il a été remarqué que la synthèse directe des CQDs à partir de produits alimentaires [17,18,19] et/ou sous-produits [20] est l'une des stratégies prometteuses et significatives. Des points de carbone à émission rouge (R-CDs) avec un diamètre moyen de 4 nm et un rendement quantique (RQ) élevé de 28 % dans l'eau ont été synthétisés [21] en chauffant une solution d'éthanol de jus de citron sans pulpe. Un fort réducteur NaBH₄ ajouté aux R-CDs était utilisé comme moyen d'augmenter l'intensité d'émission lumineuse des R-CDs. Cependant, nous savons que le NaBH₄ est toxique. Très récemment, nous avons fabriqué des CQDs à émission verte et bleue à partir d'eaux usées de tofu sans ajouter aucune substance toxique [22]. Les CQDs fabriqués à partir de produits alimentaires et/ou sous-produits sont considérés comme sûrs pour les applications biologiques car il n'y a presque aucune toxicité connue dans ces ressources carbonées naturelles. Récemment, plusieurs investigations sérieuses ont été menées pour synthétiser des CQDs à partir de ressources carbonées non toxiques en utilisant une approche en une étape et un progrès significatif a été réalisé dans la synthèse, l'étude et l'application de ces CQDs. Par exemple, l'ail a été utilisé comme source verte pour synthétiser des CQDs [23]. Des études structurales et compositionnelles détaillées ont démontré [23] que la teneur en N et la formation de liaisons C–N et C=N sont essentielles pour améliorer le rendement quantique de photoluminescence (PL). De plus, les CQDs présentent une excellente stabilité dans une large gamme de pH et de fortes concentrations en NaCl, les rendant applicables dans des conditions complexes et difficiles [23].

La motivation principale du présent travail est de développer une méthode expérimentale simple et efficace pour la fabrication à faible coût de CQDs à partir de jus de citron en utilisant un traitement hydrothermal à des températures relativement basses et par un processus moins chronophage. Il est connu que le jus de citron peut être obtenu facilement et à bon marché, et constitue donc une bonne source de carbone pour la fabrication d'échantillons et dispositifs basés sur les CQDs. Comparé à l'étude précédente [21], les CQDs non toxiques obtenus dans notre travail sont plus adaptés à l'imagerie biologique et aux marqueurs cellulaires. Dans cette étude, nous examinons également les propriétés matérielles et optiques de base des CQDs réalisés à partir de jus de citron et appliquons les CQDs à l'imagerie de cellules végétales.

Méthodes

Matériaux précurseurs

Dans cette étude, les matériaux précurseurs de carbone proviennent de jus de citron frais. Les ingrédients majeurs et leurs pourcentages sont obtenus par mesure de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) comme indiqué dans le Tableau 1. Pour la préparation des échantillons, le citron frais pris comme source de carbone et l'oignon frais utilisé pour l'imagerie cellulaire ont été achetés au supermarché local. L'éthanol était analytiquement pur et utilisé comme agent dispersant. L'eau déionisée (18,25 MΩ cm) était utilisée pour les expériences.

Synthèse des CQDs

Les CQDs étaient synthétisés à partir de jus de citron par un traitement hydrothermal simple à des températures relativement basses et par un processus moins chronophage. Les processus typiques de préparation d'échantillons sont montrés en Fig. 1. Quatre-vingts millilitres de jus de citron sans pulpe étaient mélangés avec 60 mL d'éthanol. Le mélange était ensuite transféré dans un autoclave en acier inoxydable équipé de polytétrafluoroéthylène et chauffé à température constante d'environ 120 °C pendant 3 h. Après la réaction, le produit brun foncé était obtenu après refroidissement naturel à température ambiante. La solution brune foncée était lavée avec un excès de dichlorométhane pour éliminer les moitiés organiques non réagies et cette étape peut être répétée 2–3 fois. L'eau déionisée était ajoutée jusqu'à ce que le volume de la solution brune augmente jusqu'à un tiers de la solution et centrifugée à 10000 tr/min pendant 15 min pour séparer les grosses particules. Ainsi, les échantillons de CQDs peuvent être obtenus par carbonisation du jus de citron, qui contient des glucides et des acides organiques comme le glucose, fructose, saccharose, acide ascorbique, acide citrique, etc. comme précurseurs de carbone. Notre réaction hydrothermale facile est à une température plus basse (120 °C) et prend moins de temps (3 h), comparée à la méthode rapportée [24].

Caractérisation

La morphologie et les microstructures des CQDs réalisés à partir de jus de citron étaient analysées par microscope électronique à transmission (JEM 2100, Japon) opéré à 300 kV. La phase cristalline des CQDs était étudiée par diffraction des rayons X (Rigaku TTR-III, Japon) utilisant un rayonnement Cu-Kα (λ = 0,15418 nm). Le spectre d'absorption UV-Vis était mesuré par un spectrophotomètre UV-Vis (Specord200). L'émission de lumière induite par photons était examinée par spectrofluorimètre (IHR320, HORIBA Jobin Yvon, USA) pour différentes longueurs d'onde d'excitation allant de 330 à 490 nm. Les spectres de spectroscopie photoélectronique X (XPS) étaient enregistrés par un spectromètre photoélectronique PHI5000 Versa Probe II avec Al Kα à 1486,6 eV.

Résultats et discussions

Les images au microscope électronique à transmission (MET) des CQDs sont montrées en Fig. 2. L'image MET à bas grossissement des échantillons préparés indique que les CQDs ont une dispersité uniforme. Les CQDs sont de forme sphérique avec une distribution de taille étroite allant de 2,0 à 4,5 nm et une taille moyenne de 3,1 nm montrée en Fig. 2b, c. La Figure 2d montre l'espacement de réseau de 0,215 nm qui correspond au faciès [100] du carbone graphitique, et le motif de transformée de Fourier rapide (FFT) correspondant des CQDs montre en outre la structure hautement cristalline, cohérente avec le rapport précédent [25]. Comparé aux études précédentes [19, 21,22,23], comme montré en Fig. 2, les CQDs obtenus dans notre travail non seulement ont une bonne qualité mais montrent aussi une meilleure morphologie uniforme. Par conséquent, des CQDs avec une morphologie arrondie uniforme et bien cristallins peuvent être fabriqués par un processus de traitement hydrothermal facile. Le rendement de production (PY) des CQDs peut être calculé selon la définition PY = (m/M) × 100 %, où m est la masse des CQDs, et M est la masse de jus de citron frais. Le rendement de production des CQDs préparés dans cette étude est d'environ 0,1 % selon les résultats de mesure, à savoir 100 g de liquide avec 6,30 % d'acide citrique peuvent obtenir environ 0,1 g de CQDs (voir Tableau 1).

Le diagramme de diffraction des rayons X (DRX) typique et le profil XPS des CQDs sont montrés en Fig. 3. Il y a un pic large (002) centré à 2θ~21,73°, et l'espacement inter couches était calculé à 0,409 nm, correspondant à la structure graphite, comme montré en Fig. 3a, ce qui est similaire aux valeurs rapportées pour des CQDs préparés par d'autres méthodes [15, 26]. La variation de la distance inter couches peut être causée par l'introduction de plus de groupes contenant de l'oxygène tels que la présence de –OH et –COOH sur la surface et les bords des CQDs pendant la procédure de réaction hydrothermale pour la préparation des CQDs. XPS et FTIR étaient employés pour détecter la composition des CQDs. Comme montré en Fig. 3b, c, le spectre XPS montre un pic dominant C1s graphitique à 284,5 eV et un pic O1s à 531,4 eV des CQDs. Le pic typique à 284,7, 286,5 et 288,9 eV dans un balayage haute résolution du spectre C1s XPS (Fig. 3c) est attribué aux liaisons C=C/C–C, C–O et C=O/COOH, respectivement. Cela indique clairement que les CQDs étaient fonctionnalisés avec des groupes hydroxyle, carbonyle et acide carboxylique, ce qui est bénéfique pour la modification et la fonctionnalisation de surface, et favorise aussi la solubilité dans l'eau. La Figure 3d montre le spectre de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) des CQDs. La présence de fonctionnalités oxygénées de différents types dans les CQDs était confirmée par des pics à 3450 cm⁻¹ (vibrations d'étirement O–H), 2927 cm⁻¹, 1407 cm⁻¹ (vibrations d'étirement C–H), 1726 cm⁻¹ (vibrations d'étirement C=O), 1639 cm⁻¹ (vibrations d'étirement C=C), 1227 cm⁻¹ (vibrations d'étirement C–OH) et 1080 cm⁻¹ (vibrations d'étirement C–O). Il est remarqué que l'analyse FTIR est en accord avec le résultat XPS ci-dessus. Plus important encore, le pic C–O–C (époxy) a complètement disparu à 1290 cm⁻¹. Ces résultats impliquent le mécanisme de formation des CQDs, avec les groupes époxy se rompant et les liaisons C–C sous-jacentes se formant, ensuite les domaines sp² étaient extraits de précurseurs de petites molécules tels que glucose, fructose, acide ascorbique et acide citrique par déshydratation ou carbonisation supplémentaire et finalement pour former des CQDs. Par conséquent, la rupture de liaison des groupes oxygénés environnants contribue à la formation des CQDs [15, 27].

Actuellement, les mécanismes possibles pour la formation des CQDs à partir de précurseurs de carbone par la méthode hydrothermale ont été proposés et examinés [28]. Sur la base de ces résultats publiés, nous pouvons comprendre le mécanisme de synthèse des CQDs à partir de jus de citron. Le jus de citron sans pulpe est chauffé et déshydraté pour former le cadre de base de C=C/C–C qui est principalement composé de CQDs, et le reste des molécules atteint la surface du noyau pour produire une nouvelle liaison C=C/C–C et grandit continuellement sous cette forme. Avec l'extension du temps de chauffage, la morphologie des CQDs se forme progressivement. En même temps, dans le processus de traitement hydrothermal pour former des CQDs, la surface et le bord des CQDs peuvent contenir beaucoup de groupes fonctionnels contenant de l'oxygène tels que hydroxyle (–OH), carboxyle (–COOH) et carbonyle (–C=O) ; une partie des atomes H et O dans ces groupes pourrait être éliminée par déshydratation dans l'environnement hydrothermal.

Pour examiner les propriétés optiques des CQDs, les spectres d'absorption ultraviolet-visible (UV-Vis) et de photoluminescence (PL) des CQDs étaient mesurés en conséquence. Comme montré en Fig. 4a, le pic d'absorption optique des CQDs était observé dans la région ultraviolette avec une absorption maximale à 283 nm, ce qui est dû à la transition n-π* de la bande C=O [29]. Le spectre PL en Fig. 4b montre que la longueur d'onde d'émission PL des CQDs atteint le pic à 482 nm avec une longueur d'onde d'excitation de 410 nm. La longueur d'onde d'émission décalait de 430 à 530 nm lorsque la longueur d'onde d'excitation était augmentée de 330 à 490 nm. Avec l'augmentation de la longueur d'onde d'excitation, les pics d'émission de fluorescence se décalent vers le rouge, faisant référence à la survenue de réabsorption de photons. Le résultat révèle que les CQDs ont une caractéristique PL dépendante de l'excitation [30]. Les CQDs fluorescents verts montrent aussi un large pic PL qui se décale avec le changement de longueur d'onde d'excitation, ce qui est lié à l'effet de confinement quantique et aux défauts de bord. Avec la mesure PL standard [22], le rendement quantique de fluorescence des CQDs est de 16,7 % avec une longueur d'onde d'excitation de 410 nm, où le sulfate de quinine avait été utilisé comme référence. Cette valeur est significativement meilleure que le RQ (8,95 %) des CQDs faits à partir de jus de citron dans le rapport précédent [24]. Il est connu que le RQ des CQDs peut être dramatiquement amélioré après modification ou passivation de surface [30]. L'ajout d'éthanol pendant le processus de synthèse peut introduire plus de groupes fonctionnels qui peuvent résulter en un RQ plus élevé des CQDs. Cependant, le RQ des CQDs dans cette étude est nettement inférieur au RQ des CQDs synthétisés en utilisant l'acide citrique (CA) et l'éthanolamine (EA) comme molécules modèles. Ici, la pyrolyse à 180 °C a résulté en un précurseur moléculaire avec une PL intensément forte et un RQ élevé de 50 %, ce qui est dû au dopage N pendant le processus de synthèse [30].

Étant non toxiques et respectueux de l'environnement, les CQDs sont considérés comme alternatives aux points quantiques semi-conducteurs pour être appliqués dans les systèmes biologiques tant in vitro qu'in vivo. Les CQDs synthétisés étaient appliqués dans une image optique de cellules épidermiques d'oignon comme montré en Fig. 5. La microscopie de fluorescence révèle que les parois cellulaires et le noyau cellulaire des cellules épidermiques internes de l'oignon peuvent être vus clairement, bien imbriqués et forts en trois dimensions. Les résultats montrent que la coloration et l'imagerie par les points quantiques de carbone sont excellentes et n'ont aucun effet indésirable sur les organismes et aucun dommage morphologique des cellules observé, démontrant davantage les CQDs avec une faible cytotoxicité. L'image confocale en Fig. 5 indique que les CQDs synthétisés à partir de jus de citron peuvent être utilisés dans l'imagerie de cellules végétales comme indicateurs fluorescents, montrant de plus les applications potentielles des CQDs en imagerie biologique.

Conclusions

Dans cette étude, les points quantiques de carbone hydrosolubles et fluorescents ont été synthétisés en utilisant du jus de citron comme ressource de carbone par une réaction hydrothermale facile. Ces CQDs ont de bonnes propriétés matérielles et optiques. Ils peuvent émettre une fluorescence bleu-vert brillante sous irradiation UV ou lumière bleue. Nous avons démontré que les CQDs peuvent être utilisés dans l'imagerie de cellules végétales. Nous espérons que ces découvertes importantes et significatives peuvent nous aider à acquérir une compréhension approfondie des CQDs et à explorer plus d'applications pratiques des nanostructures à base de carbone nouvellement développées.

Abréviations

CQDs:

Points quantiques de carbone

FFT:

Transformée de Fourier rapide

HPLC:

Chromatographie liquide à haute performance

PL:

Photoluminescence

QLED:

LED à points quantiques

QY:

Rendement quantique

R-CDs:

Points de carbone à émission rouge

TEM:

Microscope électronique à transmission

UV-Vis:

Ultraviolet-visible

XPS:

Spectroscopie photoélectronique X

XRD:

Diffraction des rayons X