Molecular Imprinted Core-Shell CdSe@SiO2/CD's als een ratiometrische fluorescentieprobe voor 4-nitrofenoldetectie
Abstract
4-nitrofenol (4-NP) is een prioritaire verontreinigende stof in water en is zowel kankerverwekkend als genotoxisch voor mens en dier, zelfs bij zeer lage concentraties. Daarom hebben we hierin een nieuwe moleculair ingeprinte core-shell nanohybride gefabriceerd als een ratiometrische fluorescerende sensor voor de zeer gevoelige en selectieve detectie van 4-NP. Deze sensor functioneerde door de overdracht van fluorescentieresonantie-energie tussen fotoluminescente koolstofdots (CD's) en 4-NP. Deze sensor is gesynthetiseerd door organosilaan-gefunctionaliseerde cd's te koppelen aan met silica gecoate CdSe-kwantumdots (CdSe@SiO2 ) via Si-O-bindingen. De nanohybriden werden verder gemodificeerd door een moleculair ingeprinte polymeer (MIP) -laag op de ratiometrische fluorescerende sensor te verankeren via een gemakkelijke sol-gel-polymerisatiemethode. De morfologie, chemische structuur en optische eigenschappen van de resulterende moleculair ingeprinte fluorescerende sonde met dubbele emissie werden gekarakteriseerd door transmissie-elektronenmicroscopie en spectroscopische analyse. De sonde werd vervolgens toegepast bij de detectie van 4-NP en vertoonde een goede lineariteit tussen 0,051 en 13,7 g/ml, naast een lage detectielimiet van 0,026 g/ml. Bovendien tonen de eenvoud, betrouwbaarheid, hoge selectiviteit en hoge gevoeligheid van de ontwikkelde sensor aan dat de combinatie van MIP's en ratiometrische fluorescentie de voorbereiding van uitstekende fluorescentiesensoren voor de detectie van sporen- of ultraspooranalyten mogelijk maakt.
Achtergrond
Nitrofenolen behoren tot de meest voorkomende milieuverontreinigende stoffen vanwege hun wijdverbreide gebruik bij de productie van herbiciden, pesticiden, synthetische kleurstoffen en farmaceutische producten [1]. In het bijzonder is 4-nitrofenol (4-NP) een van de meest giftige gesubstitueerde nitrofenolen, en is zowel kankerverwekkend als genotoxisch voor mensen en dieren in het wild, zelfs bij zeer lage concentraties [2]. De Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) heeft 4-NP inderdaad als prioritaire verontreinigende stof aangemerkt en heeft een maximaal toegestane limiet van 60 ng/ml 4-NP in drinkwater gespecificeerd [3]. De ontwikkeling van gevoelige en selectieve methoden voor de detectie van 4-NP is dus van bijzonder belang. Tot op heden zijn er verschillende analytische methoden voorgesteld voor de bepaling van 4-NP in water, waaronder chromatografie [4, 5], elektrochemische detectie [3, 6, 7], chemiluminescentiedetectie [8] en fluorescentiemonitoring [9,10 ,11]. Quantum dots (QD's) worden meestal gebruikt als responssignaal bij fluorescentiemonitoring en worden ook veel gebruikt bij foto-elektrochemische waterstofgeneratie, opto-elektronische apparaten en biologische beeldvorming vanwege hun grootte/samenstelling-afhankelijke optische en elektronische eigenschappen [12,13,14]. Fluorescentiemethoden voor de bepaling van sporenhoeveelheden van 4-NP zijn voordelig vanwege hun eenvoud, snelheid en lage kosten. Dergelijke methoden zijn echter over het algemeen gebaseerd op de verandering in fluorescentie-intensiteit van een enkele luminofoor, die gemakkelijk wordt verstoord door een fluctuatie in de excitatielichtintensiteit [15], de probeconcentratie [16], en de aanwezigheid van fluorescentie-uitdovers zoals zware metaalionen [17] en reactieve zuurstofsoorten [18]. Als zodanig kunnen strategieën op basis van ratiometrische fluorescentie als superieur worden beschouwd, aangezien ze de meeste van deze dubbelzinnigheden elimineren door zelfkalibratie van twee of meer verschillende banden [19]. Interessant is dat een aantal ratiometrische fluorescentiesondes aanzienlijk verbeterde detectiegevoeligheden vertoonden in vergelijking met enkelvoudige emitterende kwantumpuntsondes en daarom op grote schaal zijn gebruikt bij de constructie van fluorescerende sondes voor de detectie van milieuverontreinigende stoffen, zoals Hg 2+ , waterstofsulfide en zwaveldioxide [20,21,22].
Bovendien zijn moleculair ingeprinte polymeren (MIP's) polymere matrices die op maat kunnen worden gemaakt om hoge selectiviteiten voor doelmoleculen te vertonen en die vaak worden gebruikt in scheiding, sensoren en katalysatoren [23, 24]. De ontwikkeling van fluorescerende sensoren die hoge gevoeligheden en selectiviteiten vertonen, is van bijzonder belang, waarbij deze eigenschappen worden gegarandeerd door respectievelijk ratiometrische fluorescentie en moleculaire imprinting-strategieën. Rapporten over dergelijke moleculair ingeprinte fluorescerende sensoren met dubbele emissie voor de bepaling van sporenanalyten zijn echter beperkt [25, 26].
Daarom rapporteren we hierin de constructie van een moleculair ingeprinte fluorescerende sensor met dubbele emissie voor de gevoelige en selectieve detectie van 4-NP op basis van fluorescentieresonantie-energieoverdracht (FRET) tussen 4-NP en fotoluminescente koolstofstippen (CD's). In deze ratiometrische fluorescerende sensor worden CdSe QD's ingebed in silicaschalen (CdSe@SiO2 ) om als referentiesignaal te dienen. We verwachten dat de silicacoating niet alleen de fotoluminescentie-eigenschappen van de CdSe QD's zal behouden vanwege de inerte aard en optische transparantie [8], maar ook lekkage van de giftige zware metalen Cd en Se [27] zal voorkomen. Verder is de CdSe@SiO2 QD's zullen verder worden omringd met organosilaan-gefunctionaliseerde cd's (CdSe@SiO2 /CD's). Als een nieuw opkomende klasse van fluorescerende materialen hebben cd's veel aandacht getrokken vanwege hun lage kosten, gebrek aan toxiciteit, fysisch-chemische en fotochemische stabiliteiten en instelbare fotoluminescentie-eigenschappen [28,29,30]. Meer specifiek behouden organosilaan-gefunctionaliseerde cd's die zijn gesynthetiseerd door de pyrolyse van watervrij citroenzuur met aminosilaan de voordelen van ongerepte cd's en kunnen ze gemakkelijk worden geïmmobiliseerd op CdSe@SiO2 via een eenvoudig verwarmingsproces [31]. Bovendien kunnen sjabloonmoleculen gemakkelijk worden verankerd op de oppervlakken van CdSe@SiO2 /CD's via een moleculair imprintproces van sol-gel [32]. Bovendien kan FRET in ons voorgestelde systeem plaatsvinden vanwege de overlap van het emissiespectrum van de voorbereide CD's en het absorptiespectrum van 4-NP, wat cruciaal is voor de detectie van 4-NP. Uiteindelijk streven we ernaar om moleculair bedrukt CdSe@SiO2 /CD nanohybriden (CdSe@SiO2 /CDs/MIP) na voorbereiding van de bedrukte schelpen op het oppervlak van de CdSe@SiO2 /CD's die 4-NP als sjabloon gebruiken. De morfologie, chemische structuur en optische eigenschappen van de voorbereide sensor zullen vervolgens worden bepaald door transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en spectroscopische analyse. Ten slotte zullen de adsorptiecapaciteit, gevoeligheid en selectiviteit van deze sensor naar 4-NP worden onderzocht.
Methoden
Materialen
Tetraethoxysilaan (TEOS), Triton X-100 en petroleumether werden verkregen van Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China). Cyclohexaan, 4-NP, hexylalcohol, ammoniumhydroxide (25 gew.%), absolute ethylalcohol, methylbenzeen en isopropylalcohol werden gekocht bij Guangfu Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China). 3-Aminopropyltrimetoxysilaan (APTMS) en watervrij citroenzuur werden gekocht bij Aladdin Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Alle reagentia waren van analytische kwaliteit en werden zonder verdere zuivering gebruikt zoals ontvangen. Carboxyl-gemodificeerde CdSe / ZnS QD's (CdSe QD's) werden gekocht bij Wuhan Jiayuan Quantum Dot Technological Development Co., Ltd. (Wuhan, China). Al het water werd gezuiverd met behulp van een Sartorius Arium® Pro VF-waterzuiveringssysteem (18,2 MΩ soortelijke weerstand).
Synthese van CdSe@SiO2
Cyclohexaan (7,7 ml), Triton X-100 (1,77 ml), n-hexanol (1,8 ml) en een oplossing van de CdSe QD's (400 μL, 8 μM) werden onder krachtig magnetisch roeren gemengd. Na succesvolle vorming van de omgekeerde micro-emulsie werden TEOS (50 L) en een ammoniumhydroxide-oplossing (200 μL, 25 gew.%) geïntroduceerd. Het reactiesysteem werd vervolgens afgesloten en het roeren werd 24 uur bij 25°C voortgezet. Na deze tijd werd isopropylalcohol (36 ml) toegevoegd om de emulsie te breken en het resulterende precipitaat werd verschillende keren gewassen met ethanol totdat er geen fluorescentiesignaal werd gedetecteerd in het supernatant. Tijdens elke wasprocedure werd de deeltjesdispersie onderworpen aan centrifugatie, gevolgd door verwijdering van het supernatant en herdispersie van het neerslag in ethanol. Ten slotte werd het neerslag onder ultrasone trillingen in tolueen gedispergeerd.
Synthese van organosilaan-gefunctionaliseerde cd's
De organosilaan-gefunctionaliseerde cd's werden bereid door pyrolyse van watervrij citroenzuur en APTMS. In een typisch experiment werd APTMS (10 ml) verwarmd tot 185°C, waarna watervrij citroenzuur (0,5 g) snel onder krachtig roeren werd toegevoegd en het resulterende mengsel werd gedurende 1 minuut op 185°C gehouden. Na deze tijd liet men de oplossing afkoelen tot 25°C en het verkregen donkergroene product werd gezuiverd door extractie met petroleumether (x-5) met een volumeverhouding van 1:1. De onderste fase van de extractvloeistof waren de bereide met organosilaan gefunctionaliseerde CD's. Er werd ongeveer 2 ml gefunctionaliseerde cd's verkregen.
Synthese van de MIP- en NIP-Coated Dual-Emission CdSe@SiO2 /CD Nanohybriden
Een deel van de vers bereide met organosilaan gefunctionaliseerde cd's (10 L) werd toegevoegd aan een mengsel van tolueen (25 ml) dat CdSe@SiO2 bevat. (5 mg). Na 12 uur onder roeren verhitten tot 113°C onder terugstromen, werd het resulterende mengsel gecentrifugeerd, waarbij het neerslag het CdSe@SiO2 bevatte. /CD nanohybriden werd gedispergeerd in ethanol (2 ml) en 4-NP (0,2 mg) werd toegevoegd. Het systeem mocht vervolgens 2 uur reageren bij 25°C onder roeren. Hierna werden TEOS (25 L) en ammoniumhydroxide (25 L) in het mengsel geïnjecteerd, dat nog 5 uur bij 25°C mocht reageren. Tenslotte werd het verkregen product onderworpen aan drie precipitatie/centrifugatiecycli en gewassen met ethanol om eventuele overmaat reactanten te verwijderen. De resulterende nanohybriden werden gedispergeerd in ethanol voor verder gebruik.
Er werden ook controle-experimenten uitgevoerd met behulp van niet-bedrukte, met polymeer beklede (NIP-gecoate) CdSe@SiO2 /CD nanohybriden, die zijn bereid met de bovenstaande methode maar zonder toevoeging van het sjabloonmolecuul.
Adsorptiecapaciteiten van de CdSe@SiO2 /CD/MIP en CdSe@SiO2 /CD/NIP Nanohybriden naar 4-NP
4-NP (0,1 mg) werd toegevoegd aan afzonderlijke oplossingen van de CdSe@SiO2 /CD/MIP en CdSe@SiO2 /CD/NIP nanohybriden (1 ml, 1,5 mg/ml) onder roeren. Na 120 min werden de oplossingen onderworpen aan centrifugatie (12.000 rpm, 15 min) en de 4-NP-concentraties in de supernatanten werden bepaald door UV-vis-metingen bij 400 nm. De adsorptiecapaciteiten (\( Q \)) van de MIP-gecoate en NIP-gecoate nanohybriden werden vervolgens berekend met behulp van Vgl. 1.
$$ Q=\left({C}_0-{C}_{\mathrm{t}}\right)V/W $$ (1)waar C 0 en C t zijn de concentraties van 4-NP voor respectievelijk na adsorptie, V is het volume van de oplossing, en W is de massa van nanohybriden.
Karakterisering
TEM met hoge resolutie (HRTEM) werd uitgevoerd met behulp van een JEM-2100 transmissie-elektronenmicroscoop (JEOL Ltd., Akishima, Japan) die werkte bij een versnellingsspanning van 200 kV. Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) werd uitgevoerd op een Nicolet Magna IR-560 FTIR-spectrometer (Nicolet Co., Madison, WI, VS) over 20 scans, met een resolutie van 4 cm − 1 . Fluorescentiemetingen werden verkregen met behulp van een Cary Eclipse-fluorescentiespectrofotometer (Agilent Technologies, Inc., VS) in een kwartscel van 1 cm x -1 cm. UV–vis-spectroscopie werd uitgevoerd op een spectrofotometer uit de TU-1810-serie (Purkinje General Instrument Co. Ltd., Beijing, China) met behulp van een kwartscel met een optisch pad van 1,0 cm.
Fluorescerende detectie van 4-NP
Naar een aliquot van de bereide CdSe@SiO2 /CD/MIP, nanohybride in ethanol (1 ml, 1,5 mg/ml) werd nog een portie ethanol (2 ml) en de gewenste hoeveelheid 4-NP toegevoegd. De eindconcentratie van 4-NP in de oplossing werd verkregen door een eenvoudige berekening. Na grondig mengen werd de fluorescentie-intensiteit na 10 min gemeten en werden de fluorescentiespectra geregistreerd bij een excitatiegolflengte van 350 nm met excitatie-/emissiespleten van 10 nm. Wat de incubatietijd betreft, deze werd ingesteld op 10 minuten volgens de incubatietijd die is aangenomen in de gerapporteerde werken van ratiometrische fluorescerende sonde [33, 34]. Omdat in dit werk ultrapuur water werd gebruikt in plaats van bufferoplossingen, was de detectie-pH van dit werk ongeveer pH 7,0, in overeenstemming met de geoptimaliseerde werk-pH bij de detectie van 4-NP in een gerapporteerd werk [10].
Resultaten en discussie
Voorafgaand aan de voorbereiding van de ratiometrische fluorescentiesensor voor 4-NP-detectie, hebben we eerst de emissie- en absorptiespectra van verschillende materialen onderzocht. Bij onderzoek van de emissiespectra van de CdSe QD's en de CD's (aanvullend bestand 1:figuur S1), was het duidelijk dat er geen interferentie plaatsvond tussen de twee soorten, waarbij hun emissiemaxima werden waargenomen bij respectievelijk 460 en 615 nm. Bovendien geeft de waargenomen overlap tussen het absorptiespectrum van 4-NP en het emissiespectrum van de cd's (aanvullend bestand 1:figuur S2) aan dat FRET zou kunnen plaatsvinden tussen deze soorten, wat leidt tot fluorescentie-uitdoving van de CdSe@SiO2 /CD/MIP nanohybriden op 455 nm. Bovendien vertoonden de CdSe QD's en CD's vergelijkbare optimale excitatiegolflengten (d.w.z. 350 nm), en dus waren deze soorten geschikt voor de constructie van de ratiometrische fluorescentiesensor voor de detectie van 4-NP. Als zodanig dienden de CdSe QD's als referentiesignaal, terwijl de CD's als responssignaal fungeerden. Zo kan een ratiometrische fluorescentierespons worden gedetecteerd bij het uitdoven van de CD's door 4-NP, terwijl de fluorescentie-intensiteit van de CdSe QD's constant blijft.
De synthetische route die wordt gebruikt voor de bereiding van de moleculair ingeprinte ratiometrische fluorescentiesensor wordt geïllustreerd in Schema 1. Aanvankelijk werden de CdSe QD's gecoat met een silica-omhulsel met behulp van een gemodificeerde omgekeerde micro-emulsiemethode [35] om direct contact van de CdSe QD's met de externe oplosmiddelen en om de afstand tussen de CdSe QD's en de CD's te regelen door de dikte van de silicaschaal aan te passen [36]. Vervolgens werd de verkregen CdSe@SiO2 QD's waren versierd met organosilaan-gefunctionaliseerde cd's om het koppelen van CdSe@SiO2 te vergemakkelijken en de CD's via silicium-zuurstofbindingen, evenals om de interacties tussen de CD's en de moleculair ingeprinte silicamatrix te verbeteren [37]. Dit resulteerde in de succesvolle constructie van de gewenste core-shell gestructureerde dual-emission ratiometrische fluorescerende nanohybriden. Verder is de CdSe@SiO2 /CD-nanohybriden werden ingekapseld met met silica bedrukte film door de sol-gel-condensatiereactie van TEOS gekatalyseerd door een waterige ammoniakoplossing [38]. Deze modificatie was nodig om lekkage van de CD's uit de matrix te voorkomen en om een superieure permeabiliteit voor de templatemoleculen te behouden [37]. Na verwijdering van de matrijsmoleculen door elutie met oplosmiddel, blijven holtes die complementair zijn in vorm, grootte en elektronische of waterstofbindingsbehoefte in de matrix, waardoor selectieve herkenning en coöperatieve binding aan het doelmolecuul wordt gegarandeerd [39]. Deze laatste stap produceerde de moleculair bedrukte fluorescerende sensor met dubbele emissie van het doelwit.
Schematische weergave van het proces dat wordt gebruikt voor de bereiding van de moleculair bedrukte, met polymeer beklede dubbele emissie CdSe@SiO2 /CD nanohybriden
Voorbereiding en karakterisering van CdSe@SiO2 /CD/MIP Nanohybride
Na hun succesvolle voorbereiding, de morfologische structuur en optische eigenschappen van de verkregen CdSe@SiO2 /CD/MIP nanohybriden werden in detail bestudeerd. Zoals getoond in Fig. 1a, b, werden de CdSe QD's met succes ingekapseld in de silicaschalen. De cd's konden echter niet worden waargenomen in HRTEM-beelden van de CdSe@SiO2 /CD nanodeeltjes (Fig. 1c, d), aangezien de bereide CD's amorfe nanodeeltjes waren zonder duidelijke roosterranden [40, 41]. Bovendien bevestigen de afbeeldingen in Fig. 1a-f dat de voorbereide CdSe@SiO2 , CdSe@SiO2 /CD, en CdSe@SiO2 /CD/MIP-soorten waren uniforme sferische nanodeeltjes met gemiddelde diameters van respectievelijk 46,7 ± 2,5, 53,6 ± 2,7 en 66,4 ± 2,0 nm (aanvullend bestand 1:figuur S3). Deze toename van de gemiddelde diameter valt samen met de laag-voor-laag afzetting van cd's en met silica bedrukte film op de CdSe@SiO2 nanodeeltjes. Na inkapseling door de met silica bedrukte laag, wordt het oppervlak van de CdSe@SiO2 /CD nanohybriden werden ruw, wat kan worden toegeschreven aan de inhomogene groei van deze laag. Aangezien de sol-gel-methode een veelgebruikte methode is voor de constructie van met silica bedrukte film met instelbare dikte [42], werd de dikte van de gefabriceerde bedrukte laag dienovereenkomstig bepaald om het plaatsvinden van FRET te bevorderen. De bedrukte laag die de donor (CD's) en acceptor (4-NP) bevat, meette ~-12,8 nm, wat voldoende is om FRET gemakkelijk FRET [43, 44] te laten plaatsvinden.
Karakterisering van de bereide hybride nanodeeltjes. HRTEM-beelden van de CdSe@SiO2 (een , b ), CdSe@SiO2 /CD (c , d ), en CdSe@SiO2 /CD/MIP (e , v ) nanodeeltjes. En de FTIR-spectra (g ) van CdSe@SiO2 (kromme A), CdSe@SiO2 /CD's (curve B), CdSe@SiO2 /CD's/MIP (curve C) en 4-NP (curve D)
Om succesvolle chemische modificatie na elke fase te bevestigen, worden de FTIR-spectra van de CdSe@SiO2 , CdSe@SiO2 /CD, en CdSe@SiO2 /CD/MIP-producten werden opgenomen en vergeleken. Zoals weergegeven in Fig. 1g, vertoonden alle drie de FTIR-spectra karakteristieke SiO2 pieken op 1091 en 468 cm − 1 , wat overeenkwam met respectievelijk de symmetrische rektrilling van Si-O-Si en de antisymmetrische rektrilling van Si-O. Bovendien, vergeleken met het FTIR-spectrum van CdSe@SiO2 , het FTIR-spectrum van de CdSe@SiO2 /CD-nanodeeltjes bevatten drie extra pieken, namelijk de rektrilling van –C=ONR bij 1648 cm − 1 , de rektrilling van C–H bij 2940 cm − 1 , en een kenmerk –NH2 piek bij 1400-1460 cm − 1 , die afkomstig is van het amino-gemodificeerde SiO2 schelp [45]. Verder is de vergelijking van de spectra van 4-NP, CdSe@SiO2 /CD, en CdSe@SiO2 /CD/MIP-nanodeeltjes bevestigden dat 4-NP-imprinting succesvol was vanwege de aanwezigheid van pieken die overeenkomen met de buigtrilling buiten het vlak van =C–H (860–800 cm − 1 ) en de asymmetrische rektrilling van –NO2 (1550 en 1300 cm − 1 ) in de spectra van de 4-NP en CdSe@SiO2 /CD/MIP nanodeeltjes.
De fluorescentie-emissiespectra van de bereide CdSe@SiO2 /CD/MIP-nanodeeltjes werden vervolgens opgenomen voor en na verwijdering van de sjabloonmoleculen (Fig. 2a), en de fluorescentie van de CD's werd significant gedoofd in aanwezigheid van 4-NP. Bovendien werd na verwijdering van de sjabloonmoleculen door wassen en daaropvolgende elutie de fluorescentie van de CD's teruggevonden en werd er geen overlap waargenomen met de emissieband van de CdSe QD's bij een excitatiegolflengte van 350 nm. Het was daarom duidelijk dat de moleculair ingeprinte ratiometrische fluorescentiesensor een goed opgeloste dubbele emissie vertoonde en geschikt was voor de ratiometrische detectie van 4-NP.
Fluorescentie van de bereide hybride nanodeeltjes. een Fluorescentie-emissiespectra van de CdSe@SiO2 /CD/MIP nanodeeltjes voor (zwarte lijn) en na (rode lijn) verwijdering van de sjabloonmoleculen en b hun fotostabiliteit gedispergeerd in ethanol na de verwijdering van 4-NP. c Adsorptiecapaciteiten van de CdSe@SiO2 /CD/MIP en CdSe@SiO2 /CD/NIP nanohybriden. d De grafieken van de fluorescentie-intensiteit van CdSe@SiO2 /CDs/MIP en CdSe@SiO2 /CDs/NIP met respectievelijk 4-NP. (Fb0 en Fb vertegenwoordigen de fluorescentie-intensiteit van CdSe@SiO2 /CDs/MIP en CdSe@SiO2 /CD's/NIP bij 455 nm in de afwezigheid en aanwezigheid van verschillende hoeveelheden 4-NP)
De fluorescentiestabiliteit van de sensor werd vervolgens geëvalueerd door herhaalde fluorescentiemetingen van de CdSe@SiO2 /CD/MIP-systeem met intervallen van 2 minuten. Zoals getoond in Fig. 2b, werd er geen significante verandering in de fluorescentie-intensiteit waargenomen gedurende 120 minuten bij 615 nm, waardoor de fotostabiliteit van de sonde op lange termijn wordt gesuggereerd [46]. Bovendien behield de fluorescentie-intensiteit van de CD's> 95% van zijn oorspronkelijke respons bij 455 nm, en het werd niet verwacht dat deze lichte afname een significant effect zou hebben op de bepaling van 4-NP. Deze resultaten tonen daarom aan dat de moleculair ingeprinte laag effectief was verankerd op het oppervlak van de CdSe@SiO2 /CD nanodeeltjes en dat de CD's en CdSe QD's goed beschermd waren.
Specifieke en selectieve detectie van 4-NP
Om de bindingsaffiniteit van de CdSe@SiO2 . te onderzoeken /CD/MIP en CdSe@SiO2 /CD/NIP nanohybriden, werden adsorptietests uitgevoerd met behulp van de 4-NP-template. Zoals weergegeven in Fig. 2c, zijn de adsorptiecapaciteiten van CdSe@SiO2 /CD/MIP en CdSe@SiO2 /CD/NIP richting 4-NP waren respectievelijk 9,1 en 1,58 mg/g. Deze superieure adsorptiecapaciteit van de moleculair ingeprinte nanohybriden kan worden toegeschreven aan de vorming van holtes die specifiek zijn voor 4-NP tijdens het imprintingsproces. Bovendien is de inferieure adsorptiecapaciteit van de CdSe@SiO2 /CD/NIP nanohybride werd waarschijnlijk veroorzaakt door het ontbreken van herkenningsplaatsen en het dominante effect van niet-specifieke adsorptie afkomstig van waterstofbindingsinteracties tussen 4-NP en de –NH2 groepen aan het oppervlak van de organosilaan-gefunctionaliseerde cd's [8].
Voor elke gegeven hoeveelheid CD-donor kan de fluorescentie-uitdovingsefficiëntie worden gecontroleerd door de spectrale overlap tussen de donor en acceptor af te stemmen of door het aantal acceptoren rond de donor aan te passen binnen een afstand van 10 nm [47]. In dit geval, voor zowel CdSe@SiO2 /CD/MIP en CdSe@SiO2 /CD/NIP nanohybriden, zou de FRET kunnen plaatsvinden tussen de cd's en de 4-NP in de oplossing binnen 10 nm van de cd's, wat kan leiden tot een aanzienlijke uitdovingsefficiëntie. Met het voordeel van de moleculair ingeprinte lagen, is het adsorptievermogen van CdSe@SiO2 /CD/MIP nanohybriden werd effectief verbeterd (Fig. 2c); er zou dus een groter aantal 4-NP-moleculen beschikbaar zijn binnen 10 nm van de cd's dan in het geval van de CdSe@SiO2 /CD/NIP nanohybriden, waardoor FRET in grotere mate kan plaatsvinden. De speciale herkenning van de moleculair ingeprinte nanohybriden werd dus onderzocht door de fluorescentieresponsen van CdSe@SiO2 te vergelijken. /CD/MIP en CdSe@SiO2 /CD/NIP met verschillende concentraties van 4-NP. Zoals getoond in Fig. 2d, bij het verhogen van de concentratie van 4-NP, de waarde van (F b0 −F b )/F b0 (d.w.z. de fluorescentie-uitdovingsefficiëntie) nam toe voor zowel CdSe@SiO2 /CD/MIP en CdSe@SiO2 /CD/NIP. In de bovenstaande uitdrukking, F b0 en F b vertegenwoordigen de fluorescentie-intensiteiten van de CdSe@SiO2 /CD/MIP (of CdSe@SiO2 /CD/NIP) soorten bij 455 nm in de afwezigheid en aanwezigheid van verschillende concentraties van 4-NP [48]. Verder konden we, na vergelijking van de lineaire hellingen (d.w.z. de uitdovingsconstanten) van de twee grafieken, concluderen dat sjabloonmoleculen een significanter effect hadden op de uitdoving van de fluorescentie van CdSe@SiO2 /CD/MIP dan die van CdSe@SiO2 /CD/NIP bij gelijke 4-NP-concentraties, wat verder wijst op de uitstekende specifieke herkenning en bindingsaffiniteit van de CdSe@SiO2 /CD/MIP nanohybride richting 4-NP [9, 49].
Ter illustratie van de selectiviteit van CdSe@SiO2 /CD/MIP naar het 4-NP-matrijsmolecuul, werden controle-experimenten uitgevoerd met verbindingen met vergelijkbare structuren of optische eigenschappen (d.w.z. fenol, 2-NP en hydrochinon). Zoals weergegeven in Fig. 3, is de fluorescentie-uitdovingsefficiëntie ((F b0 −F b )/F b0 ) van de analogen waren kleiner dan die van 4-NP, waarschijnlijk vanwege hun verschillende optische eigenschappen en chemische structuren in vergelijking met die van 4-NP [9]. De voor fenol en hydrochinon verkregen absorptiespectra verschilden inderdaad significant van 4-NP en vertoonden geen overlap met de emissiespectra van de CD's (gegevens niet getoond). In het geval van 2-NP, hoewel de absorptiespectra en chemische eigenschappen vergelijkbaar waren met die van 4-NP, was het een minder perfecte match voor de ingeprinte 4-NP-plaatsen, wat resulteerde in een drievoudige vermindering van de waargenomen uitdovingsefficiëntie . Deze resultaten gaven daarom aan dat de hierin bereide fluorescerende sensor selectief is voor 4-NP in de aanwezigheid van analogen en dus verder kan worden toegepast op de selectieve detectie van 4-NP.
De selectiviteit van de voorbereide ratiometrische fluorescerende sonde. Fluorescentiereacties van de CdSe@SiO2 /CD/MIP en CdSe@SiO2 /CD/NIP nanohybriden naar 4,8 μg/ml oplossingen van 4-NP, fenol, 2-NP (2-nitrofenol) en hydrochinon
Detectie van 4-NP
Ten slotte onderzochten we de verandering in het fluorescentieprofiel van CdSe@SiO2 /CD/MIP bij toevoeging van verschillende hoeveelheden 4-NP. Zoals getoond in Fig. 4a, was de fluorescentie-intensiteit bij 455 nm zeer gevoelig voor de 4-NP-concentratie, en vertoonde een afname naarmate de concentratie van 4-NP werd verhoogd. Bovendien werd er geen duidelijke verandering waargenomen in de fluorescentie van de CdSe QD's bij 615 nm, wat suggereerde dat de CdSe QD's ingekapseld in een SiO2 zijn geschikt voor gebruik als referentiesignaal. Verder, zoals weergegeven in Fig. 4b, is de plot van F b /F r tegen 4-NP-concentraties tussen 0,051 en 13,7 μg/ml vertoonden een goede lineariteit naast een hoge correlatiecoëfficiënt (R 2 = 0,985). In deze uitdrukking, F b en F r vertegenwoordigen de fluorescentie-intensiteiten van de CdSe@SiO2 /CD/MIP nanohybride bij respectievelijk 455 en 615 nm. Op basis van deze resultaten werd de detectielimiet berekend op 0,026 μg/ml (3δ/k ), wat aanzienlijk lager is dan de toegestane limiet in drinkwater, zoals gespecificeerd door de Amerikaanse EPA (d.w.z. 60 ng/ml), wat aangeeft dat onze moleculair ingeprinte ratiometrische fluorescerende sensor potentieel heeft voor gebruik in praktische toepassingen. In vergelijking met de lineaire bereiken en detectielimieten van eerder gerapporteerde methoden (zie tabel 1), is het duidelijk dat ons systeem vergelijkbaar of superieur is aan de gerapporteerde elektrochemische en fluorescerende methoden in de context van het 4-NP-detectiebereik en de detectielimiet. Bovendien kunnen de gevoeligheid, selectiviteit en detectielimiet worden verbeterd door verdere kwantificering en optimalisatie van de bepalingsomstandigheden, zoals dikte van de ingeprinte laag, verhouding van CD's tot CdSe QD's, verhouding van sjabloon tot monomeer, incubatietijd, en pH [10].
De detectie van 4-NP. een Fluorescentiespectra van de CdSe@SiO2 /CD/MIP-nanohybriden verkregen bij toenemende 4-NP-concentraties onder een excitatiegolflengte van 350 nm. b Effect van 4-NP-concentratie op de verhouding van F r tot F b voor de MIP-gecoate CdSe@SiO2 /CD nanohybriden. 4-NP-concentraties van 0,051, 2,1, 4,8, 6,7, 8,9, 11,52 en 13,7 g/ml werden gebruikt. F b en F r vertegenwoordigen de fluorescentie-intensiteiten van de CdSe@SiO2 /CD/MIP nanohybriden bij respectievelijk 455 en 615 nm
Conclusies
Samenvattend hebben we met succes een nieuwe 4-nitrofenol (4-NP) bedrukte core-shell dual-emission (d.w.z. ratiometrische) fluorescerende sensor voorbereid voor de gevoelige en selectieve detectie van 4-NP. Deze nieuwe sensor vertoonde zowel de hoge gevoeligheid van ratiometrische fluorescentie als de hoge selectiviteit van een moleculair bedrukt polymeer (MIP). Zoals verwacht werd, in de aanwezigheid van 4-NP, de fluorescentie van de koolstofstippen (CD's) gedoofd door middel van fluorescentieresonantie-energieoverdracht (FRET) tussen 4-NP en de fotoluminescente CD's, terwijl de fluorescentie-intensiteit van de CdSe-kwantumstippen aanwezig in dit systeem bleef relatief constant. Als zodanig bleek deze sensor een effectief platform te zijn voor de betrouwbare en snelle detectie van 4-NP in concentraties van 0,051 tot 13,7 g/ml, met een bijzonder lage detectielimiet van 0,026 μg/mL. Verder is de eenvoud, betrouwbaarheid, hoge selectiviteit en hoge gevoeligheid van de ontwikkelde CdSe@SiO2 /CD/MIP nanohybride sensor tonen aan dat de combinatie van MIP's en ratiometrische fluorescentie de voorbereiding van fluorescerende sensoren mogelijk maakt voor de detectie van sporen- of ultraspooranalyten.
Nanomaterialen
- Vooruitgang en uitdagingen van fluorescerende nanomaterialen voor synthese en biomedische toepassingen
- Elektrospun polymeer nanovezels versierd met edele metalen nanodeeltjes voor chemische detectie
- Koolstofnanodots als dual-mode nanosensoren voor selectieve detectie van waterstofperoxide
- Mesoporeuze nikkeloxide (NiO) nanopetals voor ultragevoelige glucosewaarneming
- Een hervatbare fluorescerende sonde BHN-Fe3O4@SiO2 hybride nanostructuur voor Fe3+ en de toepassing ervan in bioimaging
- Een op grafeenoxide gebaseerde fluorescerende aptasensor voor de inschakeldetectie van CCRF-CEM
- Eenvoudige synthese van polydopamine-koolstofstippen voor fotothermische therapie
- Op zetmeel gebaseerde tribo-elektrische nanogenerator voor detectie van menselijke transpiratie
- Een nieuwe magneto-elastische nanobiosensor voor zeer gevoelige detectie van atrazine
- All-Si fotodetectoren met een resonantieholte voor nabij-infrarood polarimetrische detectie
- Microfluïdisch apparaat rechtstreeks gefabriceerd op gezeefdrukte elektroden voor ultragevoelige elektrochemische detectie van PSA