Dual-mode koolstof nanodot sensoren voor snelle, selectieve waterstofperoxide detectie

Samenvatting

Waterstofperoxide (H₂O₂) is een belangrijk product van oxidase-gebaseerde enzymatische reacties, zoals glucose/glucose oxidase (GOD) reactie. Daarom is het detecteren van gegenereerd H₂O₂ voor het bereiken van de detectie van verschillende koolhydraten en hun oxidasen zeer significante. Hier rapporteren we een soort dubbele-emissie koolstof nanodots (CDs) die kunnen dienen als nieuwe dual-mode nanosensoren met zowel fluorometrische als colorimetrische output voor de selectieve detectie van H₂O₂. De dual-mode nanosensoren worden gevestigd alleen door de ongedecoreerde dual-emissie CDs, waar significante fluorometrische en colorimetrische veranderingen worden waargenomen met de toevoeging van verschillende concentraties H₂O₂ in de CD-oplossing, wat gunstig is voor de realisatie van blote-oog detectie voor H₂O₂. Het mechanisme van de nanosensoren kan worden toegeschreven aan het feit dat externe chemische stimuli zoals hydroxyradicalen van H₂O₂ een verandering van de oppervlakte-eigenschappen en de aggregatie van CDs teweegbrengen, welke de emissie en absorptie van CDs domineren. De geconstrueerde dual-mode nanosensoren vertonen goede biocompatibiliteit en hoge selectiviteit ten aanzien van H₂O₂ met een lineair detectiebereik van 0,05 tot 0,5 M en laten de detectie van H₂O₂ toe tot 14 mM.

Achtergrond

Fluorescerende koolstof nanodots (CDs) hebben uitgebreid onderzoeksaandacht getrokken voor hun unieke fysico-chemische eigenschappen zoals goede biocompatibiliteit, lage toxiciteit, afstelbare photoluminescentie (PL) en hoge quantum yield. Vanwege de bovengenoemde karakters hebben CDs potentiële toepassingen gevonden in een verscheidenheid aan velden met inbegrip van maar niet beperkt tot bio-imaging, biosensoren en licht-emitterende apparaten [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Bovendien, door hun up-conversie en down-conversie vermogen, gebrek aan optisch knipperen, en hoge fotostabiliteit vergeleken met organische kleurstoffen of halfgeleider quantum dots (QDs), zijn CDs meer geschikt voor toepassingen in fluorescerende nanosensoren door fluoresentie toename of quenching [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19].

Waterstofperoxide (H₂O₂) is een soort veelvoorkomende oxideringsmiddel, wat altijd gebruikt wordt als medisch desinfectiemiddel voor de capaciteit van sterilisatie. Daarnaast is H₂O₂ ook een belangrijk product van oxidase-gebaseerde enzymatische reacties, zoals glucose/glucose oxidase (GOD) reactie. Daarom kan de sensoring strategie door het detecteren van H₂O₂ worden ingezet als een veelbelovende benadering voor de detectie van koolhydraten en hun oxidasen. Om deze reden kan de sensing van H₂O₂ worden gebruikt om ziekten over koolhydraatstofwisseling te monitoren, zoals diabetes. Op dit moment, hoewel verschillende glucosesensoren gebaseerd op de bepaling van H₂O₂ zijn ontwikkeld door gebruik te maken van een verscheidenheid aan analytische methodes, zijn earliger gerapporteerde sensoring systemen hoofdzakelijk gebaseerd op een enkel signaal zoals conductometrisch, fluorometrisch of colorimetrisch verandering [20,21,22]. Onlangs hebben vooruitgang in nanotechnologie, met name in fluorescerende nanopartikels zoals halfgeleider QDs en opkomende koolstof-gebaseerde nanopartikels, nieuwe H₂O₂ nanosensoren gebracht. Lu et al. ontwikkelden een soort dubbele-emissie microhybriden (DEMBs) door CdTe QDs en rhodamine te combineren voor ratiometrische fluorescensensing van glucose door monitoring van de generatie van H₂O₂ [20]. Zhang et al. rapporteerden een fluorescerende nanosensor die selectieve en gevoelige reactie toonde op H₂O₂ door de fluoresentie quenching van CDs [21, 22]. Echter, deze werken brachten onvermijdelijk de intrinsieke defecten van halfgeleider-gebaseerde QDs met dure chemische bestanddelen en zware metaalvervuiling mee. Bovendien kunnen nanosensoren gebaseerd op enkel signaal uitlezing, ofwel fluoresentie quenching of kleurverandering, slechte assay stabiliteit hebben door fluctuaties van omgevingsfactoren en experimentele bedieningsfouten. Rekening houdend met de bovengenoemde overwegingen, willen we een nieuwe klasse van fluorescerende CDs ontwikkelen, wiens fluoresentie en oplossingskleur zeer gevoelig zijn voor de verandering van de concentraties van H₂O₂. Dus, een dual-mode nanosensor gebaseerd op deze CDs kan worden bereikt voor distinctief en gevoelig detecteren van H₂O₂ door simultaan de fluorometrische en colorimetrische veranderingen van de CD-oplossing te inspecteren, wat gunstig is voor de realisatie van blote-oog detectie van H₂O₂.

In deze studie hebben we een gemakkelijke en handige methode ontwikkeld om een nieuw type CDs te synthetiseren, dat een donkerrode oplossingskleur vertoont onder zichtbaar licht en dubbele fluorescentsemissie onder een 365-nm UV-lamp (blauwe en groene fluorescentsemissie). De CDs worden eenvoudig gesynthetiseerd via solvothermale methode met citraatzuur, ureum en N,N-dimethylformamide (DMF) als koolstofbron, stikstofbron en reactiesolvent, respectievelijk. De fluoresentie en oplossingskleur zijn zeer gevoelig voor veranderingen in de concentraties van H₂O₂. Dus, een dual-mode nanosensor gebaseerd op deze CDs kan worden bereikt voor distinctief en gevoelig detecteren van H₂O₂ door simultaan de fluorometrische en colorimetrische veranderingen van de CD-oplossing te inspecteren, wat gunstig is voor de realisatie van blote-oog detectie van H₂O₂. Zonder de introductie van enige dure instrumenten, is een dual-mode nanosensor gebaseerd op deze CDs gevestigd. Dit sensoringssysteem kan effectief potentiële bedieningsfouten vermijden en de betrouwbaarheid van de meting aanzienlijk verbeteren. Bovendien zijn de CD-gebaseerde nanosensoren veelbelovend in de toepassing van bloedglucose detectie zowel in vivo als in vitro vanwege hun goede biocompatibiliteit en hoge wateroplosbaarheid.

Methoden

Synthese van CDs

De CDs werden bereid met een solvothermale methode met citraatzuur als koolstofbron, ureum als stikstofbron en DMF als co-reactant. In een typisch experiment werden citraatzuur (1 g) en ureum (2 g) opgelost in 10 mL DMF. De oplossing werd vervolgens overgebracht naar een 25-mL poly(tetrafluoroetheen)-beklede autoklaaf en verwarmd bij 160 °C gedurende 4 uur. Na de reactie werd de autoklaaf van nature afgekoeld tot kamertemperatuur. Een donkerrode oplossing werd verkregen. De CDs werden uitgevallen door 5 mL reactieoplossing toe te voegen aan 25 mL overvloedig ethanol en te centrifugeren met 7500 toer/min gedurende 30 min. Vervolgens werd het neerslag gedialyseerd om zuivere CDs te verkrijgen. De zo bereide CDs werden verzameld en gedroogd in een vacuüm droogkast bij 60 °C en onder <1 Pa gedurende 12 uur. Vervolgens werden de CDs heropgelost in gedemineraliseerd water om 0,75 mg mL⁻¹ CD-oplossing te vormen voor verder onderzoek. En de daaropvolgende H₂O₂-behandelde CDs werden verzameld en gedroogd met dezelfde methode voor de karakterisering van de oppervlaktemorfologie en structurele eigenschappen.

Metingen

De oppervlaktemorfologie van de CDs werd gekarakteriseerd door een hoogresolutie transmissie elektronenmicroscoop (HRTEM, JEOL JSM-IT100). De structurele eigenschappen van de CDs werden uitgevoerd door een Röntgendiffractometer (XRD, PA National X’Pert Pro) en een micro-Raman spectrometer (Renishaw RM 2000). De absorptiespectra van de CDs werden gemeten op een Hitachi U-3900 UV-Vis-NIR spectrophotometer. De fluorescentspectra van de CDs werden gemeten door een spectrophotometer (Hitachi F-7000). De fluorescentsquantum yield van de CDs werd verkregen door de Horiba FL-322 spectrometer met een gekalibreerde integrerende bol. De fluorescentsvervalkrommen van de CDs werden ook gemeten door Horiba FL-322 met een 405-nm NanoLED de emissie monitorend bij 450 en 500 nm, respectievelijk. De Fourier transformatie infrarood spectrum (FTIR) van de CDs werd opgenomen op een Bio-Rad Excalibur spectrometer (Bruker Vector 22). Röntgenfotoelektronspectroscopie (XPS) werd opgenomen op een ESCALAB MK II Röntgenfotoelektronspectrometer met Mg als opwekkingsbron.

Vestiging van de CD nanosensoren

Voor de detectie van H₂O₂, werden de fluorescents- en absorptiespectra van de CDs in de aanwezigheid van H₂O₂ onderzocht in PBS-buffer (pH = 7,4, bij 25 °C). In een typisch experiment werd een verschillend bedrag H₂O₂ eerst gemengd with gedemineraliseerd water en vervolgens 20 μL 0,75 mg mL⁻¹ CD-oplossing geïnjiceerd in 4 mL H₂O₂ oplossing met verschillende concentraties (0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,25, 0,5, 1,0 en 2,0 M). Vervolgens werden foto's, fluorescents- en absorptiespectra genomen na de CDs werden toegevoegd aan de H₂O₂ oplossing.

De selectiviteit van de CD-gebaseerde nanosensoren werd ook geëvalueerd. De CD-oplossing (20 μL, 3,75 μg mL⁻¹) werd gemengd met verschillende soorten kationen en oxidanten (4 mL, 0,1 M) en vervolgens werd de oplossing 1 min geschud. Ten slotte werden de UV-Vis absorptie- en fluorescentspectra van de oplossing opgenomen na de CDs werden toegevoegd aan de H₂O₂ oplossing.

Resultaten en discussie

Karakterisering van de CDs

De morfologie van de zo bereide CDs werd gemeten door transmissie elektronenmicroscoop (TEM). Zoals getoond in Fig. 1a, zijn de CDs goed gedispergeerd met een uniforme groottebereik van 2,5–6,5 nm en een gemiddelde diameter van ongeveer 5 nm (Additioneel bestand 1: Figuur S1b). Bovendien toont de HRTEM-afbeelding (inset van Fig. 1a) de diffractiefringes rond 0,21 nm wat overeenkomt met de (100) van grafiet. De XRD-patronen van de CDs getoond in Fig. 1b vertonen een brede piek rond 23,4°, wat correspondeert met de hoogst ongerichte koolstofatomen met een grafiet-achtige koolstofstructuur. De Raman-spectra van de CDs (Fig. 1c) onthullen twee banden: D-band (rond 1347 cm⁻¹, wat te wijten was aan de trillingen van sp³-hybride koolstof met imperfectie en onorde) en G-band (rond 1577 cm⁻¹, wat geassocieerd was met de E_2g trillingsmodi van sp²-hybride koolstof in een twee-dimensionale hexagonale kristallijne structuur). De FTIR-spectra van de CDs (Fig. 1d) tonen brede trillingsabsorptiebanden van O–H/N–H bij 3100–3600 cm⁻¹, de rektrillingen van C=O/C=C rond 1690–1610 cm⁻¹ en de rektrillingen van N–O rond 1350–1390 cm⁻¹. De bovengenoemde gegevens geven aan dat er sommige functionele groepen op het oppervlak van de CDs kunnen zijn, en deze functionele groepen kunnen een belangrijke rol spelen in de hoge hydrofiliciteit en stabiliteit van de CDs in waterige oplossing.

Het fluorescente gedrag van de CD-gebaseerde nanosensoren ten aanzien van H₂O₂ werd gemeten in de CD waterige oplossingen getoond in Fig. 1e. Onder een enkele golflengte opwekking bij 365 nm, illustreren de CD-oplossingen asymmetrische emissiespectra, die kunnen worden gefit door dubbele-emissie fluorescente banden gecentreerd bij 450 en 500 nm, corresponderend met blauwe en groene fluorescente banden, respectievelijk. Wanneer de CD-oplossingen gemengd worden met H₂O₂, toont de intensiteit van de blauwe band een grotere afname dan die van de groene. Dienovereenkomstig verschuiven de sterkste emissies van de CDs van 450 naar 500 nm uit de resultaten van de opwekking-emissie matrices van de CDs na de toevoeging van H₂O₂ (Additioneel bestand 1: Figuur S2). Als resultaat verandert de fluoresentiekleur van de CD-oplossingen van blauw naar groen onder een 365-nm UV-lamp verlichting (inset van Fig. 1e). Bovendien ervaren de CD-oplossingen gelijktijdig een colorimetrische verandering van donkerrood naar groen na toevoeging van H₂O₂ (inset van Fig. 1f). Deze kleurverandering kan worden toegeschreven aan de intensiteits evolutie van de absorptiebanden rond 555 en 595 nm veroorzaakt door de toevoeging van H₂O₂ in de CD-oplossing (Fig. 1f). Samen genomen bevestigen deze resultaten dat de CDs gebruikt kunnen worden als een dual-mode nanosensor voor de detectie van H₂O₂.

Sensing mechanisme

Om het sensormechanisme te onderzoeken, werden de morfologie en fluorescente eigenschappen van de CDs na toevoeging van H₂O₂ ook gekarakteriseerd. Zoals geïllustreerd in Additioneel bestand 1: Figuren S1a en S1c, kan de toevoeging van H₂O₂ in de CD-oplossing leiden tot de aggregatie van CDs, wier groottes variëren van 30 tot 60 nm. De H₂O₂-geïnduceerde aggregatie van CDs werd ook onthuld in de genormaliseerde absorptiespectra (Additioneel bestand 1: Figuur S3); namelijk, de absorptieband van de CDs verschuift naar rood van 555 naar 595 nm in het zichtbare gebied [15]. Correspondent varieert de kleur van de CD-oplossing van donkerrood naar groen, samen met de dispersietoestand van CDs die verandert in een aggregatietoestand. De XRD-spectra (Fig. 1b en Additioneel bestand 1: Figuur S4) van de CDs voor en na toevoeging van H₂O₂ veranderen nauwelijks, wat aangeeft dat er geen veranderingen zijn in de kristallijne structuur van de CDs.

De fluorescente evolutie van de zo bereide CDs met de toevoeging van H₂O₂ werd onderzocht door fluorescentspectra. De opwekking-emissie matrices tonen aan dat de toevoeging van H₂O₂ de emissiecentra van de CDs verandert van 450 naar 500 nm (Additioneel bestand 1: Figuur S2). De fluorescentsvervalkrommen getoond in Fig. 2a voor de CDs met emissie bij 450 en 500 nm kunnen goed worden gefit door een mono-exponentiële vervalfunctie met een gemiddelde levensduur van 7,96 en 7,12 ns, respectievelijk (onder opwekking van 365 nm). In tegenstelling, de fluorescentsvervallevensduur van de CDs na de H₂O₂ behandeling veranderde in 4,53 en 4,83 ns (Fig. 2b en Tabel 1). Tegelijkertijd veranderde de PL quantum yield (η _int) van CDs van 5,5 naar 4,6% toen H₂O₂ werd toegevoegd aan de CD-oplossing. Rekening houdend met de verandering van fluorescentslevensduur en PL quantum yield, kan geconcludeerd worden dat ladingsoverdracht (CT) kan plaatsvinden tussen CDs en H₂O₂, wat een trigger kan zijn om de verandering van PL-spectra van de CDs te maken.

De FTIR- en XPS-spectra van de CDs werden gemeten om inzicht te geven in de chemische samenstelling en omgevingsveranderingen veroorzaakt door H₂O₂. De FTIR-spectra van CDs voor en na toevoeging van H₂O₂ getoond in Additioneel bestand 1: Figuur S7 illustreren dat de rektrillingen van N–O rond 1350–1390 cm⁻¹ toenemen met de toevoeging van H₂O₂, wat ook bevestigd wordt door het resultaat van de XPS-spectra. Het wordt waargenomen uit de complete overzichts XPS-spectra (Additioneel bestand 1: Figuur S8) dat de O tot N verhouding van de CDs voor en na de H₂O₂ behandeling 1,57 en 3,85 was, respectievelijk. De toenemende verhouding van O/N onthult dat de bindingsstatussen van N in de CDs kunnen veranderen met de toevoeging van H₂O₂, wat in lijn is met de hoge-resolutie N1s XPS-spectra getoond in Fig. 2c, d. Uit het resultaat van de N1s XPS-spectra is de inhoud van grafiet N in de CDs toegenomen met de toevoeging van H₂O₂. Bovendien is er een additionele piek van N–O toestand bij 407,3 eV in de N1s-spectra na de toevoeging van H₂O₂, wat duidelijk aantoont dat de invoer van H₂O₂ een variatie van de oppervlaktetoestanden in de CDs teweegbrengt. Alle onderzoeken manifesteren dat het oppervlakte N-framework kan worden gewijzigd door de toevoeging van H₂O₂.

Eerdere rapporten suggereren dat de emissiebanden van de CDs gerelateerd zijn aan de oppervlaktetoestanden zoals N-gedopte radicalen en ureumgroepen [5, 9, 12, 23,24,25]. Tegelijkertijd zijn deze oppervlaktetoestanden gevoelig voor externe fysieke of chemische stimuli. Op basis van de fotofysische en oppervlakte-omgevingsanalyse stellen we het mechanisme van de fluorescente evolutie met de introductie van H₂O₂ voor (Fig. 3). De randtoestand van de zo bereide CDs bestaat uit geconjugeerde pyrrolique N-groepen. Dit type N-toestand kan meestal gelokaliseerd zijn op hoog energieniveau. Dus, het geëxciteerde elektronen kan niet-radiatief relaxeren naar het hoog-niveau oppervlakte N-toestand en dan radiatief overgaan naar grondtoestand vergezeld met fluorescentsemissiebanden rond 450 nm. In tegenstelling, de fluorescentsintensiteit van de CD-oplossing neemt iets af vanwege de dynamische quenching tussen H₂O₂ en de CDs, waar CT ontstaat tussen CDs en H₂O₂ vergelijkbaar met eerdere rapporten [26,27,28,29]. Anders kan het worden afgeleid dat de hoge-energie fluorescentsradicalen (gerelateerde N-toestand) getransformeerd worden in de lagere-energie N–O toestand door de impact van hydroxyradicaal van H₂O₂. Dus, het geëxciteerde elektronen kan meestal relaxeren met een radiatieve overgang van de lagere-energie N–O toestand naar grondtoestand met een groene emissieband bij 500 nm, wat ook resulteert in de statische quenching van 450-nm fluoresentie. Daarom kunnen de belangrijkste emissiebanden van CDs een verandering vertonen van de blauwe emissie naar de groene emissie.

Evaluatie van de CD nanosensoren

Op basis van het bovengenoemde fluorescente en colorimetrische gedrag van de CDs hebben we een nanosensor ontwikkeld om H₂O₂ te detecteren door de CDs. Voorgesteld sensoringssysteem bestaat uit CDs met passende concentratie in waterige oplossing (3,75 μg mL⁻¹, Additioneel bestand 1: Figuur S9), waar de CDs een dubbele functie vervullen als zowel colorimetrische als fluorometrische rapporteurs in dit systeem.

Het voorgestelde nanosensingssysteem gebaseerd op de CD-oplossing is geïllustreerd in Fig. 4. De fluorometrische en colorimetrische verandering veroorzaakt door H₂O₂ kan distinct worden gevisualiseerd door het blote oog (Fig. 4c, f), waar een reeks opvallende kleurverandering van blauw naar groen en van donkerrood naar groen kan worden waargenomen onder UV-licht en daglichtverlichting. Bovendien kan de toevoeging van H₂O₂ in de CD-oplossing ook kwantitatief worden uitgedrukt met de fluorescents- en absorptiespectra (Fig. 4a, d). Zoals getoond in Fig. 4a, neemt de fluorescentsband gecentreerd bij 450 en 500 nm geleidelijk af met de toename van de H₂O₂ concentratie van 0 tot 2 M. Echter, de toename van de H₂O₂ concentratie leidt tot de verschillende afname van fluorescentsintensiteit bij 450 nm (I ₄₅₀) en 500 nm (I ₅₀₀), wat goed overeenkomt met de fluorescentskleurverandering in de CD-oplossing (Fig. 4c). Daarom wordt de verhouding van de fluorescentsintensiteit bij 500 nm tot die bij 450 nm geselecteerd om de H₂O₂ concentratie te monitoren (Fig. 4a, b). De lagere verhouding is gerelateerd aan de blauwe emissie, terwijl de groene fluoresentie kan worden waargenomen door het blote oog bij een hogere verhouding van I ₅₀₀ tot I ₄₅₀. Het lineaire detectiebereik door deze middelen strekt zich uit van 0,05 tot 0,5 M met een lineaire correlatie R ² = 0,987. Op dezelfde manier treedt de colorimetrische verandering op in de CD-oplossing ten gevolge van de inhomogene afname van de absorptieband bij 555 en 595 nm. Zoals weergegeven in Fig. 4d, neemt de absorptie-intensiteit af in het zichtbare gebied, maar de toename van de H₂O₂ concentratie resulteert erin dat de absorptie rond 595 nm langzamer afneemt dan rond 555 nm. Daarom kan de verhouding van de absorptie bij 595 nm (A ₅₉₅) tot die bij 555 nm (A ₅₅₅) ook worden gebruikt om de H₂O₂ concentratie te meten. De verhouding van A ₅₉₅ tot A ₅₅₅ neemt exponentieel toe van 0,05 tot 2 M met een exponentiële correlatie R ² = 0,999, en de colorimetrische verandering correleert goed met het H₂O₂ concentratiebereik van 0,05 tot 0,25 M met de lineaire detectielimiet (LOD) van 14 mM (Additioneel bestand 1: Figuur S11 en Tabel S1). De dual-mode nanosensoren hebben een passende gevoeligheid van deze methode die voldoet aan de klinische en medicinale eisen vanwege de concentratie van H₂O₂ via de GOD reactie die rond millimolaire (~10 mM) in plasma ligt [20]. Bovendien hebben de dual-mode nanosensoren een intrinsieke ingebouwde calibratiereferentie, zodat intensiteitsfluctuaties en andere extern veroorzaakte factoren geëlimineerd kunnen worden, wat bijdraagt aan de verbetering van de testnauwkeurigheid.

Om de selectiviteit van de nanosensoren ten aanzien van H₂O₂ te evalueren, werden interferentie-assays uitgevoerd onder identieke omstandigheden met behulp van enkele veelvoorkomende kationen, zoals Na⁺, K⁺, NH₄ ⁺, Ca²⁺, Zn²⁺ en Fe²⁺. Zoals getoond in Fig. 5a, b, zijn de fluorometrische en colorimetrische veranderingen van de CDs onderzocht in de aanwezigheid van verschillende kationen. In de aanwezigheid van Na⁺, K⁺, NH₄ ⁺, Ca²⁺, Zn²⁺ en Fe²⁺, blijken de fluorescentsverhouding van I ₅₀₀ tot I ₄₅₀ en de absorptieverhouding van A ₅₉₅ tot A ₅₅₅ slechts een lichte variatie ten opzichte van het blanco monster, wat betekent dat deze kationen weinig interferentie hebben op de detectie van H₂O₂. Bovendien hebben we ook de impact op de CDs vergeleken met andere oxidanten, zoals HNO₃, KClO₃, FeCl₃, NaClO, K₂Cr₂O₇ en KMnO₄ (Fig. 5c, d en Additioneel bestand 1: Figuren S12 en S13), en we vonden dat de fluorescentskleur verandert van blauw naar groen met de toevoeging van deze oxidanten behalve K₂Cr₂O₇ en KMnO₄. Dus, we kunnen de interferentie van K₂Cr₂O₇ en KMnO₄ uitsluiten door de fluorescentsverandering. Bovendien kunnen we de impact van andere oxidanten zoals HNO₃, KClO₃, FeCl₃ en NaClO eenvoudig uitsluiten uit het resultaat van de absorptieverhouding van A ₅₉₅ tot A ₅₅₅. Daarom kunnen de dual-mode nanosensoren gedemonstreerd in dit papier zeer veelbelovend zijn in de hoge selectiviteit van de bepaling door het synergistische effect van de twee onafhankelijke detectiemethoden [30,31,32,33]. Verder hebben we de responstijd van de fluorometrische verandering bij de toevoeging van H₂O₂ gemeten en vonden dat de fluoresentie na het injecteren van H₂O₂ afneemt en stabiel blijft op ongeveer 3,3 s (Additioneel bestand 1: Figuur S14).

De levensvatbaarheid van A549-cel werd onderzocht met behulp van standaard CCK-8 assay voor het beoordelen van de cytotoxiciteit van CDs. Zoals getoond in Fig. 6, vinden we dat bijna 80% levensvatbaarheid wordt verkregen door de A549-cellen te incuberen met CDs gedurende 48 uur zelfs bij hoge concentratie van CDs zoals 500 μg mL⁻¹. Het is berekend dat de 50% inhibitieve concentratie (IC50) van CDs ongeveer 1106 μg mL⁻¹ is door GraphPad Prism 5.0, wat afleidt dat de CDs goede biocompatibiliteit en zeer lage cytotoxiciteit bij hoge concentratie hebben. Bovendien hebben we de analytische prestaties van eerdere gerapporteerde nanosensoren voor de H₂O₂ bepaling vergeleken getoond in Additioneel bestand 1: Tabel S2. De biocompatibiliteit, eenvoud en visualisatie van de detectie zijn vergelijkbaar met of zelfs beter dan de meeste van deze gerapporteerde H₂O₂ assays. Rekening houdend met het feit dat de CD-gebaseerde dual-mode nanosensoren een goede selectiviteit hebben ten aanzien van H₂O₂ detectie, de passende detectielimiet (LOD = 14 mM) op dezelfde orde met de bloedglucose, en zeer lage cytotoxiciteit bij hoge concentratie van CDs, zijn de nanosensoren veelbelovend om te worden gebruikt in de test van bloedglucose en andere klinische eisen.

Conclusies

Concluderend, stellen we een dual-mode nanosensor voor gebaseerd op CDs met zowel colorimetrische als fluorometrische output voor de kwantitatieve detectie van H₂O₂ gebaseerd op de fluorometrische en colorimetrische verandering van de CD-oplossing bij de introductie van H₂O₂. De nanosensoren zijn eenvoudig en gemakkelijk om blote-oog detectie voor H₂O₂ te bereiken. Het mechanisme van de nanosensoren kan worden toegeschreven aan het feit dat externe chemische stimuli zoals hydroxyradicalen van H₂O₂ een verandering van de oppervlakte-eigenschappen en de aggregatie van CDs teweegbrengen, welke de emissie en absorptie van CDs domineren. De voorgestelde nanosensoren vertonen goede biocompatibiliteit, hoge selectiviteit ten aanzien van H₂O₂ met een lineair detectiebereik van 0,05 tot 0,5 M en een detectielimiet van ongeveer 14 mM, wat vergelijkbaar is met het niveau van H₂O₂ geproduceerd door de GOD reacties. Het wordt geglove dat de strategie gerapporteerd in dit papier een veelbelovende benadering kan bieden voor het ontwikkelen van een nieuwe sensor in bloedglucose, wat waardevol kan zijn in ziekte diagnostiek en milieu testen.