Pontos quânticos de carbono: Desenvolvimento de uma plataforma para o sensoriamento de açúcares

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Iniciação Científica

Autores

de Souza, J.P.B. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Cruz, A.A.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Fechine, P.B.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ)

Resumo

Pontos quânticos de carbono são um novo tipo de nanomaterial fluorescente com aplicação para quantificação de moléculas biológicas, tais como os carboidratos. Neste trabalho, pontos quânticos de carbono foram sintetizados a partir da termólise de ácido cítrico com ácido fosfórico. As nanopartículas foram caracterizadas por espectroscopia UV-Vis, fluorescência e Raman. A intensidade de fluorescência das nanopartículas sintetizadas foi medida na presença de diferentes concentrações de glicose e manose. A fluorescência se mostrou dependente do comprimento de onda de excitação e diminuiu com o aumento de concentração dos carboidratos.

Palavras chaves

Pontos quânticos; Carbono; Manose

Introdução

Pontos quânticos de carbono (do inglês, carbon quantum dots, CQDs) são uma nova classe de nanomateriais fluorescentes. Diferente de pontos quânticos inorgânicos, em geral feitos de elementos tóxicos, os CQDs apresentam principalmente carbono e oxigênio, apresentando normalmente baixa toxicidade, o que permite seu uso em bioimagem (WANG et al, p. 46, 2014). A maioria dos CQDs, porém, apresenta emissão na região do azul, assim como boa parte das amostras biológicas, o que restringe seu uso nesta área (WU et al, p 3803, 2017). Dentre os métodos procurados para alterar as características ópticas dos CQDs, encontra-se a adição de heteroátomos à estrutura da nanopartícula (NAMDARI et al, p. 214, 2017). Em casos reportados na literatura, a adição de outros elementos alterou a estrutura eletrônica dos CQDs e, consequentemente, suas propriedades de modo inesperado (WU et al, p 3803, 2017). Em análises, CQDs podem ser utilizados na detecção de açúcares. Diabetes é um dos maiores problemas de saúde pública na atualidade e, para combatê-la, novos métodos de quantificação de glicose estão sendo desenvolvidos. Diferentes outras nanopartículas utilizadas nestes métodos, CQDs podem ser sintetizados em uma única etapa, evitando rotas incontroláveis de modificação de superfície (SHEN et al, p.5323, 2014). Neste trabalho, pontos de carbono foram preparados a partir da termólise do ácido cítrico e ácido fosfórico visando a adição de fósforo à estrutura da nanopartícula e, em seguida, caracterizados por técnicas espectroscópicas. Além disso, a intensidade de fluorescência dos CQDs foi medida para diferentes concentrações de glucose e manose.

Material e métodos

CQDs foram sintetizados via termólise de 500 mg de ácido cítrico e 500 mg de ácido fosfórico a 180ºC por 30 minutos. O produto da síntese foi diluído em água Milli-Q e purificado por meio de diálise em membrana de 1kDa, fornecida por Spectrum Laboratories, durante 48 horas. A solução obtida foi liofilizada para em seguida ser caracterizada. As medidas de absorbância e fluorescência foram realizadas em leitor de microplaca (Molecular Devices SpectraMax M5). O espectro Raman (LabRAM Jobin-Yvon, HORIBA) foi obtido para um comprimento de onda de excitação de 785 nm. A intensidade de fluorescência de CQDs na presença de glicose e sacarose foi medida para diferentes concentrações destes carboidratos. Soluções de glicose e manose foram preparadas com água Milli-Q. As medidas de fluorescência foram realizadas com concentração constante de 0,230mg.mL^-1 de CQDs em solução tampão de fosfato 7,4.

Resultado e discussão

O espectro UV-Vis dos CQDs apresentam duas bandas apreciáveis, em 250 e em 325 nm. A primeira foi atribuída a transições π - π* da estrutura contendo C=C típica de CQDs (PAN et al, p. 735, 2010). A segunda pode ser atribuída a transições n- π* de ligações C=O. Mediram-se os espectros de fluorescência com comprimentos de onda variando de 300 a 400 nm. A fluorescência dos CQDs se mostrou dependente do comprimento de onda de excitação, havendo uma maior intensidade de emissão quando as nanopartículas são excitadas com luz de 350 nm. O espectro Raman apresenta uma banda em 1392 cm^-1, atribuída à banda D, associada com átomos de carbono sp³ desordenados; e em 1507 cm^-1, considerada banda G, associada com estruturas bem organizadas de carbono e vibrações de carbonos sp². A razão entre as intensidades da banda D e G (I_D/I_G) pode ser utilizada para indicar o grau de organização da nanopartícula (Ding et al, p. 2516,2013). I_D/I_G é 0,84, o que indica uma alta organização da estrutura carbônica da nanopartícula. A razão da intensidade de fluorescência dos CQDs na presença pela intensidade na ausência do analito (I/Io) diminui com o aumento da concentração de glicose e manose (Figura 1). No intervalo de concentração analisado, foram encontradas boas relações lineares: R= 0,9978 para glicose e R= 0,9989 para manose. O decaimento na fluorescência possivelmente ocorreu devido a uma transferência de elétrons entre CQDs e o açúcar, permitindo relaxação não radioativa.

Espectros de fluorescência (a, c) e gráfico de Stern-Volmer (b, d) de CQDs em solução de glicose e manose, respectivamente.

Conclusões

A diminuição da intensidade de fluorescência dos CQDs com o aumento da concentração de glicose e manose pode ser utilizada para desenvolver um método de quantificação desses açúcares. O tratamento estatístico pode ser feito por técnicas como LDA e PCA, utilizando o sistema R.

Agradecimentos

Os autores agradecem as agências brasileiras de fomento: CNPq, Funcap, Capes e à UFC.

Referências

DING, H; CHENG, L.W; MA, Y. Y; KONG, J.L; XIONG, H. M. Luminescent carbon quantum dots and their application in cell imaging. New Journal of Chemistry, nº 8, p. 2515-2520, 2013. NAMDARI, P; NEGAHDARI, B; EATEMADI, A. Synthesis, properties and biomedical applications of carbon-based quantum dots: An updated review. Biomedicine & Pharmacotherapy, nº87, 209-222, 2017. PAN, D; ZHANG, J; LI, Z; WU, M. Hydrothermal Route for Cutting Graphene Sheets into Blue-Luminescent Graphene Quantum Dots. Advanced Materials, nº 22, 734-738, 2010. SHEN, P; XIA, Y. Synthesis-Modification Integration: One-Step Fabrication of Boronic Acid Functionalized Carbon Dots for Fluorescent Blood Sugar Sensing. Analytical chemistry, nº 86, 5323-5329, 2014. WANG, W; LI, Y; CHENG, LU; CAO, Z; LIU, W. Water-soluble and phosphorus-containing carbon dots with strong green fluorescence for cell labeling. Journal of Materials Chemistry B, nº2, 46-48, 2014. WU, Z. L; LIU, Z. X; YUAN, Y. H. Carbon dots: materials, synthesis, properties and approaches to long-wavelength and multicolor emission. Journal of Materials Chemistry B, nº5, 3794-3809, 2017.