Sintesis carbon dots (CDs) dari rumput gajah (Pennisetum purpureum) dan aplikasinya sebagai sensor ion besi(III)

Fathah Dian Sari, Prof. Indriana Kartini, S.Si., M.Si., Ph.D.; Dr. Chotimah, MS.; Prof. Drs. Roto M.Eng., Ph.D.

2024 | Disertasi | S3 Ilmu Kimia

Nanomaterial berfluoresensi saat ini sedang aktif dikembangkan karena kemampuannya dalam mendeteksi ion logam dengan cepat dan akurat melalui teknik sederhana berbasis fluoresensi. Sebagian besar sensor yang dikembangkan saat ini masih menggunakan material aktif yang melibatkan ion logam berat seperti Cadmium selenida (CdSe) dan Indium galium arsenida (InGaAs), yang dapat menimbulkan dampak negatif terhadap lingkungan melalui residu logam tersebut. Oleh karena itu, diperlukan pengembangan material berbasis bahan alam yang lebih ramah lingkungan. Dalam penelitian ini, diusulkan pemanfaatan Carbon Dots (CDs), sebuah material baru dalam kelas karbon nanomaterial berdimensi 0 (0D) yang memiliki sifat optik khas. Carbon Dots pada penelitian ini disintesis dari rumput gajah (Pennisetum purpureum) dengan metode hidrotermal satu tahap dengan menggunakan pelarut akuabides. Tujuan penelitian ini adalah memperoleh CDs yang optimum untuk sensor ion logam dan meningkatkan kinerjanya melalui pasivasi permukaan berupa doping heteroatom. Karakterisasi sifat optik dilakukan dengan UV-Vis dan spektrofluorometer, analisis gugus fungsi dan senyawa karbon dilakukan dengan spektrofotometer ATR/FTIR dan Raman, sedangkan kristalinitas, ukuran, dan morfologi CDs yang terbentuk dianalisis dengan XRD dan TEM/HRTEM. Penelitian ini melibatkan serangkaian tahap, dimulai dari optimalisasi sintesis Carbon Dots (CDs) yang berasal dari rumput gajah dengan memvariasikan berat prekursor, suhu, dan waktu hidrotermal. Tahap berikutnya melibatkan pasivasi melalui doping atom nitrogen dan nitrogen-sulfur. Pada tahap terakhir, CDs yang dihasilkan dari sintesis tersebut diuji sebagai sensor ion logam. 

Hasil penelitian menunjukkan bahwa kondisi optimal untuk sintesis Carbon Dots (CDs) adalah pada suhu 180 °C selama 6 jam dengan berat prekursor sebanyak 1 g. Ukuran diameter rata-rata dari CDs yang dihasilkan adalah 3,1 nm. CDs ini diketahui mengandung gugus-gugus fungsi oksigen (OCG) yang dapat menghasilkan emisi fluoresensi pada rentang 350–570 nm dengan quantum yield (QY) sekitar 10,29%. Pengenalan doping atom nitrogen dari urea dan etilendiamin (EDA), serta ko-doping atom nitrogen-sulfur dari tiourea, terbukti meningkatkan karakteristik fluoresensi CDs. Peningkatan QY masing-masing sebesar 28%, 26%, dan 17% diamati untuk N-CDs Urea, N-CDs EDA, dan N,S-CDs. Carbon dots yang dihasilkan dari sintesis menunjukkan kinerja selektivitas yang baik dalam mendeteksi ion Fe3+ dalam rentang konsentrasi 0–600 ?M, dengan limit deteksi (LOD) sebesar 7,32 ?M untuk CDs murni, dan masing-masing 0,023; 0,069; serta 33,37 ?M untuk N-CDs Urea, N-CDs EDA, dan N,S-CDs. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa CDs yang berasal dari rumput gajah memiliki potensi besar untuk diaplikasikan sebagai sensor ion Fe3+ yang tidak hanya selektif, tetapi juga sensitif melalui mekanisme quenching.

Fluorescent nanomaterials are currently being actively developed due to their ability to rapidly and accurately detect metal ions through a simple fluorescence-based technique. Many of the sensors developed today still utilize active materials involving heavy metal ions such as Cadmium selenide (CdSe) and Indium gallium arsenide (InGaAs), which can have negative environmental impacts through the residues of these metals. Therefore, there is a need for the development of environmentally friendly, natural-based materials. In this study, the utilization of Carbon dots (CDs) is proposed, a novel material in the 0-dimensional carbon nanomaterial class with distinctive optical properties. The CDs in this research were synthesized from elephant grass (Pennisetum purpureum) using a one-step hydrothermal method with an aqueous solvent. The objective of this research is to obtain optimal CDs for metal ion sensors and enhance their performance through surface passivation involving heteroatom doping. Optical property characterization is conducted using UV-Vis and spectrofluorometer, functional group and carbon compound analyses are performed using ATR/FTIR and Raman spectrophotometer, while crystallinity, size, and morphology of the formed CDs are analyzed using XRD and TEM/HRTEM. This study involves a series of stages, starting with the optimization of the synthesis of CDs derived from elephant grass by varying precursor weight, temperature, and hydrothermal time. The subsequent stage involves passivation through nitrogen and nitrogen-sulfur atom doping. In the final stage, the CDs produced from this synthesis are tested as metal ion sensors.

The research results indicate that the optimal conditions for CDs synthesis are at a temperature of 180 °C for 6 hours with a precursor weight of 1 g. The average diameter of the produced CDs is 3.1 nm. These CDs are known to contain oxygen functional groups (OCG) that emit fluorescence in the range of 350–570 nm with a quantum yield (QY) of approximately 10.29%. The introduction of nitrogen atom doping from urea and ethylenediamine (EDA), as well as co-doping of nitrogen-sulfur atoms from thiourea, has proven to enhance the fluorescence characteristics of CDs. QY improvements of 28%, 26%, and 17% were observed for N-CDs Urea, N-CDs EDA, and N,S-CDs, respectively. The CDs produced from the synthesis demonstrate excellent selectivity performance in detecting Fe3+ ions within the concentration range of 0–600 ?M, with a detection limit (LOD) of 7.32 ?M for pure CDs, and 0.023; 0.069; and 33.37 ?M, respectively, for N-CDs Urea, N-CDs EDA, and N,S-CDs. The findings of this research indicate that CDs derived from elephant grass have significant potential for application as Fe3+ ion sensors, not only due to their selectivity but also their sensitivity through the quenching mechanism.

Kata Kunci : Carbon dots, doping atom, fluoresensi, rumput gajah, sensor ion logam