Síntese e caracterização de pontos quânticos de carbono para identificação de microplásticos em meio aquoso

Abstract

O plástico é um material de extrema versatilidade e baixo custo, mas seu alto consumo e produção acelerada geram um grave problema de resíduos. Estima-se que apenas 55% do plástico produzido pode ser reciclado, porém apenas 9% é realmente reciclado (Eriksen et al., 2019; Davis et al., 2023). A formação de microplásticos, partículas menores que 5 mm, surge da decomposição de plásticos maiores, tendo o potencial de penetrar células e tecidos dos seres vivos. Dessa forma, novos métodos de detecção e tratamento de águas se tornam essenciais. Métodos químicos, físicos e biológicos têm sido estudados para detectar, categorizar e remover microplásticos do ambiente. Existe assim, a necessidade do desenvolvimento de novos materiais capazes de identificar e capturar essas partículas. Os pontos quânticos de carbono (PQC) são nanopartículas biocompatíveis, quimicamente inertes, fotoluminescentes e com grande área superficial. Essas partículas têm se mostrado úteis na detecção e remoção de contaminantes, podendo ser usadas como adsorventes. Neste estudo, os pontos quânticos de carbono foram sintetizados utilizando ureia, ácido cítrico e água a 180 °C em um reator de micro-ondas durante 60 minutos. A solução obtida foi diluída em álcool etílico e centrifugada para se obter os pontos quânticos. Para a obtenção das micropartículas plásticas, embalagens de Polietileno Tereftalato (PET) foram trituradas e separadas em três grupos de tamanho: A (1 > x > 0,5 mm), B (0,5 > x > 0,25 mm) e C (x < 0,25 mm). O objetivo foi identificar em qual faixa de tamanho a detecção seria mais eficiente. O pH das suspensões contendo microplásticos e pontos quânticos foi variado para avaliar sua influência na intensidade de fluorescência dos PQC durante a detecção dos microplásticos. As caracterizações foram realizadas usando Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) para analisar a morfologia e a distribuição dos pontos quânticos, Espectroscopia de Fluorescência UV-Vis para verificar o poder de identificação dos pontos quânticos frente aos microplásticos, e para avaliar a estabilidade coloidal dos PQC e sua carga superficial. Os resultados mostraram que os pontos quânticos de carbono apresentaram boa dispersibilidade, hidrofilicidade, sendo observados agregados com aproximadamente 500 nm constituídos por partículas predominantemente esféricas. A análise do pH revelou que o poder de identificação dos pontos quânticos de carbono está relacionado ao pH da solução: quanto maior o pH, menor a intensidade de fluorescência dos pontos quânticos. Concluiu-se que os pontos quânticos de carbono são eficientes na detecção de microplásticos PET, especialmente nas faixas de tamanho entre 1,0 e 0,25 mm, em meio aquoso.

Plastic is a highly versatile and low-cost material; however, its widespread consumption and increasing production have led to a serious waste management problem. It is estimated that although approximately 55% of the plastic produced is technically recyclable, only 9% is actually recycled (Eriksen et al., 2019; Davis et al., 2023). Microplastics, defined as plastic particles smaller than 5 mm, are generated through the degradation of larger plastic debris and have the potential to penetrate the cells and tissues of living organisms. Therefore, the development of new methods for water treatment and microplastic detection has become increasingly important. Chemical, physical, and biological approaches have been investigated to detect, classify, and remove microplastics from the environment. Consequently, there is a growing need to develop new materials capable of identifying and capturing these particles. Carbon quantum dots (CQDs) are biocompatible, chemically inert, photoluminescent nanoparticles with a high specific surface area. These nanoparticles have shown great potential for the detection and removal of contaminants and may also be employed as adsorbent materials. In this study, carbon quantum dots were synthesized using urea, citric acid, and water at 180 °C in a microwave-assisted reactor for 60 min. The resulting solution was diluted with ethanol and centrifuged to obtain the CQDs. Polyethylene terephthalate (PET) packaging was ground to produce plastic microparticles, which were subsequently separated into three particle-size groups: A (1 > x > 0.5 mm), B (0.5 > x > 0.25 mm), and C (x < 0.25 mm). The objective was to determine the particle-size range in which detection would be most effective. The pH of the suspensions containing PET microparticles and carbon quantum dots was adjusted to evaluate its influence on the fluorescence intensity of the CQDs during microplastic detection. The synthesized CQDs were characterized by Transmission Electron Microscopy (TEM) to investigate their morphology and distribution, UV–Vis fluorescence spectroscopy to evaluate their fluorescence response toward PET microplastics, and zeta potential analysis to assess the colloidal stability and surface charge of the CQDs. The results demonstrated that the synthesized CQDs exhibited good dispersibility and hydrophilicity. Aggregates approximately 500 nm in size, composed of predominantly spherical nanoparticles, were observed. The pH analysis revealed that the detection capability of the carbon quantum dots was influenced by the pH of the solution, with higher pH values resulting in lower fluorescence intensity. It was concluded that carbon quantum dots are effective for the detection of PET microplastics in aqueous media, particularly for particles with sizes ranging from 1.0 to 0.25 mm.