Mengurangi ukuran material 2D inovatif menjadi kurang dari 10 nm mengungkap sifat optik yang luar biasa dengan aplikasi sensor yang belum pernah ada sebelumnya. Penelitian bahan 2D, seperti graphene, layered double hydroxides (LDHs), metal halides, perovskites, silicate clays, hexagonal boron nitride (h-BN), transition metal dichalcogenides (TMDs), MXenes, Metal-Organic Frameworks (MOFs), karbon nitrida grafit, dan Covalent-Organic Frameworks (COFs) dipicu sejak penemuan graphene oleh Novoselov et al. pada tahun 2004. Penemuan bahan 2D yang seperti lembaran dan setipis atom ini telah menarik perhatian para peneliti untuk aplikasi luas di bidang ilmu material seperti fisika terkondensasi, biomedis, penyimpanan energi, katalisis, optoelektronik, sensor, dan remediasi air yang dianggap berasal untuk sifat mekanik, fisik, listrik dan optik mereka yang tak tertandingi.
MQD (Quantum Dots MXene) telah terbukti menjadi bahan yang efektif untuk produksi biosensor, dan harus dianggap sebagai alternatif untuk platform penginderaan berbasis graphene, menurut beberapa penelitian terbaru. Menurut tinjauan literatur, upaya signifikan telah dilakukan untuk membuat sistem deteksi optik berbasis MQD yang dapat mendeteksi berbagai analit, seperti biomarker kanker, ion logam, biomolekul, mikroorganisme patogen, antigen, pestisida, racun kimia, bahan peledak, gas, eksosom, dan senyawa organik yang mudah menguap. Untuk memajukan dan memperluas penggunaan MQD di masa mendatang, terdapat beberapa celah dan kesulitan yang perlu diisi dalam literatur yang dibahas di bawah ini:
1. Agen yang digunakan dalam proses produksi MXenes modern adalah HF. Ini berbahaya bagi lingkungan dan juga beracun. Interkalasi dan delaminasi juga dilakukan dengan menggunakan pelarut organik yang tidak aman bagi lingkungan. Proses sintesis tradisional membatasi pembuatan MXene dalam skala besar karena tidak cukup beradaptasi untuk peningkatan. Penggunaan pengetsa seperti HCl/LiF dan seng klorida masih terbatas untuk memproduksi MXena dalam jumlah kecil. Tanpa ruang untuk keragaman, metode sintesis MXene tradisional hanya menghasilkan satu jenis MXene dengan atribut yang sama. Sintesis MXenes dengan hasil tinggi yang bebas fluor, ramah lingkungan, dan berkelanjutan perlu mendapat perhatian lebih besar. Selain itu, hanya sejumlah kecil material MXenes yang telah disintesis di laboratorium; sebagian besar dari mereka telah dipahami secara teoritis.
2. Gugus terminal permukaan (-O, -F, dan -OH) dapat muncul secara acak dan tidak merata pada MXena sebagai akibat penerapan proses etsa HF. Permukaan MXenes hanya dapat dimodifikasi sampai batas tertentu karena tidak banyak lagi gugus fungsi permukaan yang tersedia untuk fungsionalisasi lebih lanjut. Tanpa morfologi yang diatur dengan baik dan fungsionalisasi permukaan, sintesis top-down dapat menghasilkan MXenes. Oleh karena itu, diperlukan lebih banyak studi untuk membuat teknik sintesis bottom-up untuk MXenes.
3. Ada banyak penelitian tentang penginderaan ion logam menggunakan MQD, terutama berfokus pada pendinginan fluoresensi MQD. Namun, mekanisme di balik proses quenching ini dan faktor yang berkontribusi terhadap selektivitas belum sepenuhnya dipahami. Sementara doping dan modifikasi permukaan MQD memainkan peran penting, masih banyak yang harus dipahami tentang sistem yang rumit ini dan bagaimana MQD dapat menunjukkan kinerja yang beragam. Ini menghadirkan peluang yang signifikan bagi para peneliti di bidang ini, mengingat hasil awal yang menjanjikan. Selain itu, sangat penting dari sudut pandang komersial, karena pembuatan perangkat yang andal menjadi tantangan jika perubahan kecil pada bahan atau prosedur memengaruhi kinerja sensor secara keseluruhan.
4. Modifikasi gugus fungsi permukaan yang sesuai memiliki potensi untuk meningkatkan biokompatibilitas, selektivitas, sensitivitas, dan stabilitas MQD. Upaya saat ini dalam memfungsikan MQD terutama berkisar pada modifikasi permukaan, doping heteroatom, dan pengembangan material komposit. Namun, material MQD yang difungsikan lebih lanjut masih memerlukan desain dan pengembangan lebih lanjut untuk sepenuhnya mewujudkan fungsionalitasnya yang kuat. Perlu dicatat bahwa sebagian besar struktur yang diusulkan untuk MQD yang difungsikan masih dalam tahap teoritis, dengan hanya sedikit yang diperoleh pada skala laboratorium. Oleh karena itu, diperlukan upaya penelitian tambahan untuk mengoptimalkan sintesis dan sifat spesifik dari senyawa berharga ini.
Oleh karena itu, untuk meningkatkan kegunaan praktis MQD untuk pembuatan biosensor dan aplikasi lain, diperlukan teknik modifikasi permukaan baru dan metodologi sintesis. Selain itu, sintesis MQD skala tinggi yang merupakan transduksi yang baik akan memastikan pengembangan aplikasi penginderaan yang dapat dikenakan di masa mendatang. Tujuan utamanya adalah untuk mencapai industrialisasi, produksi massal, dan aplikasi praktis dari MQD yang difungsikan.
HASIL
Dengan kualitas yang bermanfaat seperti struktur yang dapat disesuaikan, topologi, morfologi, dan kimia permukaan, MXene telah mencapai perkembangan luar biasa di bidang penginderaan dalam sepuluh tahun terakhir. QD yang diturunkan dari MXene menunjukkan emisi cahaya dan hasil kuantum yang meningkat secara signifikan sambil tetap mempertahankan karakteristik bahan induknya.
MQD dapat digunakan dalam sensor fluoresen setelah pendinginan mekanisme. Sensor MQD disintesis dengan pendekatan hidrotermal top-down, sonikasi, dan solvotermal. Sintesis ini melibatkan pra dan pasca modifikasi MQD untuk meningkatkan QY. Meskipun hidrotermal dan sonikasi adalah metode persiapan yang paling umum, teknik bantuan gelombang mikro dapat mengurangi waktu persiapan dan meningkatkan kemurnian MQD. Mekanisme pendinginan fluoresensi telah digunakan untuk mendeteksi berbagai ion logam, deteksi senyawa biologis, dan deteksi serum dan ion secara nyata. Sebagian besar, quenching disebabkan oleh FRET dan IFE. Doping dan modifikasi permukaan digunakan untuk meningkatkan sifat pendaran foto MQD. Efek doping dengan heteroatom (N, P, S atau atom logam) dan co-doping (N-P, N-S, N-Pt dll.) pada MQD telah diamati. Saat menggunakan EDA sebagai sumber nitrogen terbukti efisien untuk mengurangi ukuran QD dan N, MQD hijau yang difungsikan P juga terbukti berhasil dalam meningkatkan hasil kuantum hingga 21,5%. Dengan doping permukaan yang tepat atau fungsionalisasi gugus fungsi yang ada, selektivitas/sensitivitas dan stabilitas serta fungsi biologis dan keamanan hayati dari struktur nano berbasis MXene QD dapat ditingkatkan.
Penulis: Yanuardi Raharjo, Ph.D.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
Imtiaz Ahmad, Yanuardi Raharjo, Ateeqa Batool, Ayesha Zakir, Hirra Manzoor, Aqsa Arooj, Jaweria Khalid, Nisar Ali, Kashif Rasool
Rekayasa permukaan titik-titik kuantum MXene untuk perancangan sensor logam optik, Trends in Environmental Analytical Chemistry, 39, 2023, e00210.
DOI: 10.1016/j.teac.2023.e00210
