Luminescent sensors for emerging contaminants based on Eu3+ complexed by clay minerals - amino acids hybrid materials

Abstract

[EN] With the advancement of social and economic development in recent decades, millions of chemical compounds are dumped into natural effluents, putting both the biome and human health at risk. The lack of research and knowledge about the behavior of these contaminants in the environment, as well as the emergence of new substances from the mixture of these pollutants are a challenge for green chemistry. Thus, hybrid materials of clay minerals and amino acids complexed to the Eu3+ ion were synthesized to be applied as luminescent sensors of contaminants Cr3+, caffeine and estrogen. Lanthanide ions have unique optical properties such as: they have thin emission bands and long emission lifetimes, which provide the sensor with selectivity and sensitivity (necessary prerequisites mainly for quantification of the analytes at reduced concentrations). The natural clay mineral kaolinite and the synthetic clay minerals hydrotalcite, LAPONITE® and saponite were used as matrices for the luminescent complexes and the amino acids phenylalanine and proline were used as ligands, as well as the secondary ligand tenoyltrifluoroacetone (tta) was used. The materials were characterized by X-ray diffraction, infrared molecular absorption spectroscopy, thermal analysis, scanning electron microscopy, UV/Visible and luminescence spectroscopy. Materials with phenylalanine had better optical properties and higher quantum emission yields (from 15 to 52%). The kaolinite samples showed higher interaction strengths with the complexes and both the kaolinite and saponite samples showed good properties as a luminescent sensor for Cr3+ and caffeine contaminants with linear correlation greater than 97%. The adsorption kinetic studies showed better convergence for the pseudo-second order model, while the equilibrium studies showed greater convergence for the Freundlich isotherm.

[ES] Con el avance del desarrollo social y económico en las últimas décadas, millones de compuestos químicos se vierten en efluentes naturales, poniendo en riesgo tanto el bioma como la salud humana. La falta de investigación y conocimiento sobre el comportamiento de estos contaminantes en el medio ambiente, así como la aparición de nuevas sustancias a partir de la mezcla de estos contaminantes son un desafío para la química verde. Teniendo esto en cuenta, se sintetizaron materiales híbridos de minerales arcillosos y aminoácidos complejados con el ion Eu3+ para aplicarlos como sensores luminiscentes de contaminantes Cr3+, cafeína y estrógeno. Los iones lantánidos tienen propiedades ópticas únicas, tales como bandas de emisión delgadas y un tiempo de vida de emisión prolongada, lo que proporciona al sensor selectividad y sensibilidad (requisitos previos necesarios principalmente para la cuantificación de analitos en concentraciones reducidas). El mineral de arcilla natural caolinita y los minerales de arcilla sintética hidrotalcita, LAPONITA® y saponita se utilizaron como matrices para los complejos luminiscentes y los aminoácidos fenilalanina y prolina como ligandos, así como el ligando secundario tenoiltrifluoroacetona (tta). Los materiales se caracterizaron por difracción de rayos X, espectroscopía de absorción molecular infrarroja, análisis térmico, microscopía electrónica de barrido, espectroscopía UV/Visible y de luminiscencia. Los materiales con fenilalanina mostraron mejores propiedades ópticas y mayores rendimientos de emisión cuántica (del 15 al 52%). Las muestras de caolinita mostraron mayores fuerzas de interacción con los complejos y tanto las muestras de caolinita como de saponita mostraron buenas propiedades como sensor luminiscente para contaminantes de Cr3+ y cafeína con correlación lineal superior al 97%. Los estudios de cinética de adsorción mostraron una mejor convergencia para el modelo de pseudo segundo orden, mientras que los estudios de equilibrio mostraron una mayor convergencia para la isoterma de Freundlich