Punti quantici di carbonio puro e drogato come sonde fluorescenti per la rilevazione di composti fenolici e antibiotici negli acquari

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12863 (2023) Citare questo articolo

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I residui antibiotici e le sostanze chimiche organiche derivanti dai continui cambiamenti climatici, dall’urbanizzazione e dalla crescente domanda alimentare hanno un impatto dannoso sulla protezione dell’ambiente e della salute umana. Pertanto, abbiamo creato un nanosensore fluorescente unico basato su B, N-CQD (boro, nitrogeno doping carbon quantum dots) per studiare nuove metodologie di rilevamento per l'identificazione precisa e concentrata di antibiotici e sostanze derivate dal fenolo per garantire che siano incluse nelle percentuali consentite . I B, N-CQD altamente fluorescenti preparati avevano un intervallo limitato di dimensioni tra 1 e 6 nm e dimensioni medie di 2,5 nm nel nostro studio. I nuovi B, N-CQD hanno mostrato un'elevata sensibilità e selettività per i derivati ​​fenolici come idrochinone, resorcinolo e para amminofenolo, nonché solventi organici come l'esano, con limiti di rilevamento bassi rispettivamente di 0,05, 0,024, 0,032 e 0,013 µM in un mezzo acquoso. Le sonde B, N-CQD ad alta fluorescenza sono state esaminate utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), la diffrazione di raggi X (XRD), la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) e la spettroscopia UV/VIS. I risultati sono stati confrontati con i punti quantici di carbonio (CQD) precedentemente generati dall’urea.

Il cambiamento climatico e l’espansione della popolazione globale hanno aumentato la domanda di cibo e medicinali. Le preoccupazioni per la pesca hanno portato all’uso improprio degli antibiotici poiché sono stati abusati. Nel 2010 sono state utilizzate circa 63.000 tonnellate di antibiotici, cifra che si prevede salirà a 107.000 tonnellate entro il 20301. Gli antibiotici utilizzati in quantità così grandi negli habitat acquatici possono aumentare il rischio di microrganismi resistenti agli antibiotici. Ogni anno oltre 700.000 persone muoiono a causa di malattie causate da batteri resistenti agli antibiotici, rendendo questo un problema serio nella nostra società. Se non verrà controllato, entro il 2050 questo numero potrebbe raggiungere i 10 milioni2.

A causa dello scarico di acque reflue contaminate da attività industriali, agricole e domestiche, nei corpi idrici sono presenti composti fenolici. È noto che queste sostanze sono pericolose e hanno un impatto negativo su persone e animali. L'idrochinone, uno dei principali derivati ​​del fenolo, è una nota sostanza chimica epatotossica e cancerogena3. Una recente ricerca ha rivelato che l'idrochinone potrebbe aumentare il rischio di cancro danneggiando il DNA e compromettendo il sistema immunitario4. Gli aminofenoli sono sostanze chimiche potenzialmente pericolose e mutagene utilizzate o rilasciate nei settori industriale, medicinale e agricolo5,6. I para-amminofenoli (PAP) sono utilizzati anche come materia prima per la produzione del paracetamolo, uno dei farmaci più comunemente prodotti a livello globale. Sono disponibili per la somministrazione orale da molto tempo7. La quantità di PAP nel mondo sta aumentando ad un tasso del 5% annuo. La PAP induce nefrotossicità e, analogamente al paracetamolo, induce epatotossicità8. Inoltre, (PAP) influisce negativamente sulla vita acquatica9,10. Pertanto è fondamentale cercare tecnologie non tossiche altamente efficienti, rispettose dell’ambiente e stabili.

Grazie alle loro caratteristiche eccezionali, come la non tossicità e la biocompatibilità superiori, la resistenza meccanica e la stabilità termica, i nanomateriali a base di carbonio hanno recentemente attirato molto interesse nella ricerca. Queste caratteristiche aprono numerose possibilità in vari campi di studio11,12 I punti quantici di carbonio (CQD) sono materiali a dimensione zero (0D) con una dimensione media inferiore a 10 nm13. I CQD hanno un’ampia gamma di applicazioni nei settori della salute e dell’ambiente14.

A causa del potenziale di nuove ricerche sui meccanismi e di metodi futuri migliorati per il rilevamento di varie sostanze chimiche ambientali, i sensori basati su CQD sono stati oggetto di ricerche sostanziali. È stato suggerito che sia una strategia promettente per il rilevamento di inquinanti e il monitoraggio ambientale15,16 A causa della loro elevata fotostabilità, biocompatibilità, forza relativa della fluorescenza e potenziale di fotoluminescenza controllabile per la funzionalizzazione della superficie17. È stato dimostrato che il drogaggio di CQD con N-, P-, S- e B- e altri eteroatomi altera il loro band gap e la densità elettronica, migliorando la loro resa quantica ed estendendo la loro gamma di applicazioni18. I CQD drogati rilevano con successo prodotti farmaceutici indesiderati e contaminanti ambientali come pesticidi, antibiotici, sostanze chimiche fenoliche, idrocarburi poliaromatici e ioni di metalli pesanti19.