Perkembangan Carbon Dots dalam Bidang Biologi

Di berbagai bidang seperti ilmu rekayasa dan material, Carbon dots (CDs) telah menarik perhatian besar dalam sepuluh tahun terakhir. CDs merupakan nanomaterial atau nanopartikel karbon yang berukuran kurang dari 10 nm dengan memiliki sifat optik, konduktivitas dan biokompatibilitas yang baik.

Dalam ilmu material, CDs dapat diaplikasikan untuk meningkatkan sifat mekanik dan fungsional material komposit. Misalnya, penambahan CDs ke polimer dapat meningkatkan konduktivitas termal dan listrik serta meningkatkan sifat mekanik seperti modulus elastisitas. Selain itu, pengaplikasian CDs dimanfaatkan untuk membuat perangkat elektronik fleksibel dan bahan penyimpanan energi seperti baterai dan superkapasitor pada bidang teknik. Pengaplikasian kapabilitas CDs untuk mentransfer elektron sangat efektif dapat berbagai bidang.

CDs juga dapat diterapkan dalam berbagai bidang selain ilmu material dan rekayasa seperti pada bidang biomedis dan industri energi berdasarkan sifat uniiknya. Pada bidang biomedis, luminesensi yang kuat dari CDs dapat digunakan dalam bioimaging dan sensor untuk pengiriman obat dan terapi fotodinaik berdasarkan biokompatibilitas CDs. Selain itu, CDs juga dapat digunakan dalam industri energi seperti sel surya dan superkapasitor.

Pengembangan bahan komposit dengan sifat mekanik yang baik dapat diaplikasikan melalui CDs. Misalnya penambahan CDs ke polimer atau logam dapat meningkatkan ketahanan dan kekuatan material tersebut. CDs juga dapat berfungsi sebagai katalis dalam reaksi kimia, meningkatkan efisiensi dan selektivitas reaksi.

Secara umum, terdapat dua metode yang dapat digunakan dalam mensintesis CDs yaitu metode top-down dan bottom-up. Metode top-down melibatkan dekomposisi bahan karbon kompleks menjadi partikel yang sederhana (nanomaterial) melalui proses fisika atau kimia seperti oksidasi elektrokimia, pelepasan laser dan percikan arus. Sedangkan metode bottom-up melibatkan pembentukan CDs menjadi struktur nano melalui reaksi kimia seperti sintesis microwave dan sintesis hdirotermal (Gambar 1).

Gambar 1. Sintesis Carbon dots (CDs)

Tren terbaru dalam sintesis CDs melibatkan penggunaan bahan awal yang ramah lingkungan dan proses sintesis yang lebih efisien. Penggunaan bahan alami seperti biomassa dan limbah pertanian sebagai sumber karbon untuk sintesis CDs semakin berkembang karena metode sintesis CDs yang lebih sederhana dan hemat energi untuk meningkatkan skalabilitas produksi CDs seperti microwave-assisted synthesis.

Salah satu kemajuan besar dalam sintesis CDs adalah pengendalian ukuran dan bentuk CDs dengan presisi tinggi. Teknik baru sangat memungkinkan produksi CDs dengan ukuran yang homogen dan distribusi partikel yang lebih baik. Selain itu, pengembangan metode sintesis yang dapat diadaptasikan memungkinkan produksi CDs dengan karakteristik yang diinginkan seperti luminesensi yang ditingkatkan atau permukaan yang dapat berfungsi. Perkembangan terbaru dalam sintesis CDs mencakup teknik modifikasi permukaan dan doping dengan unsur lain untuk meningkatkan sifat optik dan elektroniknya. Modifikasi permukaan dilakukan dengan penambahan berbagai gugus fungsional pada permukaan CDs dapat meningkatkan kestabilan, kinerja fotoluminesensi dan biokompatibilitas. Sedangkan doping dengan unsur seperti nitrogen, fosfor dan sulfur telah terbukti meningkatkan efisiensi kuantum dan sifat fotoluminesensi CDs.

Penerapan teknik karakterisasi canggih seperti transmisi elektron mikroskopi (TEM), spektroskopi fotoluminesensi dan spektroskopi sinar-X memberikan pemahaman lebih dalam tentang sifat dan struktur CDs. Penelitian terbaru berfokus pada pengembangan CDs dengan sifat yang dapat dikontrol seperti CDs yang responsif terhadap pH atau suhu telah membuka peluang untuk aplikasi baru dalam biosensing dan terapi.

Green CDs merupakan CDs yang disintesis menggunakan bahan dasar yang ramah lingkungan dan teknik yang berkelanjutan. Penggunaan karbon dari sumber alami seperit buah-buahan, tumbuhan dan limbah organik merupakan tren yang diterapkan dalam green CDs. Tren tersebut semakin populer karena kesadaran manusia meningkat terhadap keberlanjutan dan kebutuhan manusia unutk mengurangi dampak lingkungkan dari produksi nanomaterial. Green CDs dapat berfungsi sebagai sebagai sensor untuk mendeteksi polutan dan bahan berbahaya lainnya dilingkungan. Proses sintesis dalam green CDs melibatkan reaksi hydrothermal atau solvothermal dengan menggunakan air sebagai pelarut untuk mengurangi penggunaan bahan kimia berbahaya di dalamnya. CDs yang dihasilkan dari proses sintesis yang menggunakan bahan alami menunjukkan sifat biokompatibilitas tinggi menjadikan hasil sintesis CDs dapat diaplikasikan dalam bidang biomedis.

Pada saat ini perkembangan penelitian terhadap modifikasi CDs dengan senyawa supramolekular berkembang pesat. Senyawa supramolekular merupakan molekul yang kapasitas untuk membentuk struktur kompleks melalui interaksi non-kovalen (ikatan hidrogen, van der Waals dan interaksi elektrostatik) sehingga dalam memodifikasi CDs dengan supramolekular dapat meningkatkan sifat-sifat CDs seperti luminesensi, stabilitas dan kemampuan untuk berinteraksi dengan biomolekul. Modifikasi tersebut melibatkan perancangan senyawa supramolekul yang berikatan dengan permukaan CDs. Teknik modifikasi CDs dengan supramolekul melibatkan penggunaan cucurbituril, cyclodextrin dan calixarene yang dapat membentuk kompleks inklusi dengan CDs dalam peningkatan solubilitas, selektivitas sensorik dan stabilitas fotoluminesensi. Hasil modifikasi tersebut yaitu material hybrid dengan sifat yang dapat ditingkatkan untuk diaplikasikan dalam berbagai aplikasi seperti katalisis, sensor dan pengiriman obat. CDs juga dapat berfungsi dalam kondisi yang lebih beragam seperti pada lingkungan dengan pH dan suhu ekstrem akibat modifikasi CDs dengan supramolekul (Gambar 2).

Gambar 2. Pengaplikasian Modifikasi CDs dengan Senyawa Supramolekular

Integrasi CDs dengan material 2D seperti graphene, boron nitride (BN), molybdenum disulfide (MoS₂) dan transition metal dichalcogenides (TMDs) telah menarik perhatian besar beberapa tahun terakhir. Material hybrid tersebut menggabungkan karakteristik unik dari kedua komponen seperti konduktivitas tinggi dari graphene dan sifat optik dari CDs untuk meningkatkan kinerja kombinasi tersebut dalam aplikasi sensor, perangkat optoelektronik dan superkapasitor. Pengembangan kombinasi material hybrid CDs dengan 2D terdiri atas assembly layer-by-layer dan elektrostatic self-assembly. Teknik tersebut dapat mengendalikan secara presisi terhadap struktur dan morfologi material hybrid yang sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja material hybrid sehingga dapat membantu dalam merancang material dengan karakteristik spesifik untuk tujuan tertentu (Gambar 3).