Een Moleculair Geïmprimeerd CdSe@SiO₂ Kern-Schil Nanohybride: Een Ratiometrische Fluorescente Sonde voor Ultra-Gevoelige 4-Nitrofenol Detectie

Samenvatting

4-Nitrofenol (4-NP) is een prioritaire verontreiniging die significante kankerverwekkende en genotoxische risico's vormt voor mens en dier zelfs bij sporen. Hier rapporteren we een nieuwe moleculair geïmprimeerde kern-schil nanohybride die functioneert als een ratiometrische fluorescente sensor voor hoogst gevoelige en selectieve 4-NP detectie. De sensor exploiteert fluorescentie resonantie energieoverdracht (FRET) tussen fotoluminescente koolstofdots (CDs) en 4-NP, terwijl een silica-gecoate CdSe quantum dot (CdSe@SiO₂) een stabiel referentie signaal biedt. De dubbele-emissie nanohybride wordt gesynthetiseerd door covalent koppelen van organosilaan-gefunctionaliseerde CDs aan CdSe@SiO₂ via Si-O bindingen, gevolgd door een sol-gel polymerisatiestap die een moleculair geïmprimeerd polymer (MIP) laag om de sonde ankert. Transmissie elektronenmicroscopie en spectroscopische analyses bevestigen de succesvolle assemblage van de kern-schil structuur en zijn optische eigenschappen. De sensor levert een lineaire respons over 0,051–13,7 µg mL⁻¹ met een detectielimiet van 0,026 µg mL⁻¹, wat huidige fluorescentie-gebaseerde methoden overtreft. De integratie van MIP en ratiometrische fluorescentie demonstreert een robuust platform voor sporen analyte detectie in milieumonitoring.

Achtergrond

Nitrofenolen worden wijd gebruikt in herbiciden, pesticiden, kleurstoffen, en farmaceutica, wat ze tot de meest voorkomende milieuentaminanten maakt. 4-Nitrofenol (4-NP) is bijzonder gevaarlijk, gecategoriseerd door de EPA als prioritaire verontreiniging met een toelaatbare drinkwaterlimiet van 60 ng mL⁻¹. Daarom zijn betrouwbare detectiemethoden essentieel. Traditionele analytische technieken—chromatografie, electrochemisch, chemiluminescent, en fluorescentie assays—bieden diverse afwegingen tussen gevoeligheid, kosten, en operationele complexiteit. Fluorescentie detectie is aantrekkelijk vanwege zijn eenvoud en snelheid; echter, single-emissie lijders onder intensiteitsfluctuaties veroorzaakt door excitatie variaties, sond concentratiereveranderingen, en interferentie van kwellers zoals zware metalen of reactieve zuurstofsoorten. Ratiometrische fluorescentie, die de intensiteitsverhouding van twee emissiebanden meet, mitigeert deze problemen door zelfkalibratie, wat meer betrouwbare kwantificering oplevert. Hoewel diverse ratiometrische sondes verbeterde gevoeligheid voor verontreinigingen zoals Hg²⁺ en H₂S hebben getoond, combineren weinig ratiometrische uitlezing met moleculaire imprinting om zowel hoge gevoeligheid als selectiviteit voor sporen analieten te bereiken.

Om deze kloof te overbruggen, bouwden we een dubbele-emissie sensor die een ratiometrisch FRET systeem combineert met een MIP afgestemd op 4-NP. CdSe quantum dots ingesloten in een silica schil (CdSe@SiO₂) dienen als referentie fluorofor, terwijl organosilaan-gefunctionaliseerde CDs fungeren als FRET donor. Het silica schil beschermt de giftige Cd en Se kernen en biedt een inerte, transparante matrix voor FRET. De MIP laag, gevormd via sol-gel polymerisatie in de aanwezigheid van 4-NP, creëert selectieve herkenningsplaatsen die binding en kwellingsefficiëntie verhogen. Deze architectuur levert zowel hoge gevoeligheid (vanwege FRET) als hoge selectiviteit (vanwege MIP).

Methoden

Materialen

Tetraethoxysilane (TEOS), Triton X-100, en petroleumether werden gekocht van Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China). Cyclohexaan, 4-NP, hexylalcohol, ammoniumhydroxide (25 wt%), absolute ethylic alcohol, methylbenzeen, en isopropylalcohol werden bezorgd door Guangfu Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China). 3-Aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) en anhydre citroenzuur werden verkregen van Aladdin Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Carboxyl-gemodificeerde CdSe/ZnS quantum dots werden geleverd door Wuhan Jiayuan Quantum Dot Technological Development Co., Ltd. (Wuhan, China). Alle reagentia waren analytische graad en werden gebruikt zoals ontvangen. Gedemineraliseerd water (18,2 MΩ cm) werd bereid met een Sartorius Arium® Pro VF systeem.

Synthese van CdSe@SiO₂

Een reverse micro-emulsie werd gevormd door 7,7 mL cyclohexaan, 1,77 mL Triton X-100, 1,8 mL n-hexanol, en 400 µL van de CdSe QD oplossing (8 µM) te mengen. Na stabilisatie van de micro-emulsie, werden 50 µL TEOS en 200 µL 25 wt% ammoniumhydroxide toegevoegd. Het systeem werd geroerd bij 25 °C gedurende 24 uur, dan verbroken met 36 mL isopropylalcohol. Het resulterende neerslag werd herhaaldelijk gewassen met ethanol door centrifugatie tot het supernatans geen fluorescentie meer vertoonde. De gezuiverde deeltjes werden tenslotte gedispergeerd in tolueen onder ultrasonificatie.

Synthese van Organosilaan-Gefunctionaliseerde CDs

APTMS (10 mL) werd verhitt tot 185 °C, gevolgd door snelle toevoeging van 0,5 g anhydre citroenzuur onder vigoureus roeren. Na 1 min bij 185 °C, koelde het mengsel af tot 25 °C. Het donker-groene product werd gezuiverd door extractie met petroleumether (×5, 1:1 volume verhouding). De lagere fase leverde ongeveer 2 mL organosilaan-gefunctionaliseerde CDs op.

Coating van CdSe@SiO₂ met CDs en MIP Laag

10 µL organosilaan-gefunctionaliseerde CDs werden toegevoegd aan 25 mL tolueen bevattende 5 mg CdSe@SiO₂. Het mengsel werd verwarmd bij 113 °C onder reflux gedurende 12 uur met roeren, gecentrifugeerd, en heropgelost in 2 mL ethanol. 0,2 mg 4-NP werd geïntroduceerd en 2 uur bij 25 °C gereageerd. TEOS (25 µL) en ammoniumhydroxide (25 µL) werden vervolgens toegevoegd, en het systeem werd nog 5 uur bij 25 °C geroerd. Na drie neerslag/centrifugatie cycli en ethanol wassen, werd het product—CdSe@SiO₂/CDs/MIP—gedispergeerd in ethanol voor gebruik. Niet-geïmprimeerde controles (NIP) werden identiek bereid maar zonder 4-NP.

Adsorptiecapaciteit Bepaling

Voor elk monster werd 0,1 mg 4-NP toegevoegd aan 1 mL (1,5 mg mL⁻¹) van de nanohybriden en 120 min geroerd. Na centrifugatie (12.000 rpm, 15 min), werd het supernatans geanalyseerd door UV-vis bij 400 nm. De adsorptiecapaciteit (Q) werd berekend via Q=(C₀-Cₜ)V/W, waar C₀ en Cₜ de initiële en finale concentraties zijn, V het oplossingsvolume, en W de massa van nanohybriden.

Karakterisering

Hoog-resolutie TEM (JEOL JEM-2100, 200 kV) werd gebruikt om morfologie te visualiseren. FTIR spectra werden opgenomen op een Nicolet Magna IR-560 (20 scans, 4 cm⁻¹ resolutie). Fluorescentiemetingen werden uitgevoerd op een Cary Eclipse spectrophotometer (1 cm cellen). UV-vis spectra werden verkregen met een TU-1810 spectrophotometer (1 cm cellen).

Fluorescente Detectie van 4-NP

1 mL van de CdSe@SiO₂/CDs/MIP in ethanol (1,5 mg mL⁻¹) werd gemengd met 2 mL ethanol en het gewenste bedrag 4-NP. Na 10 min incubatie bij kamertemperatuur (pH ≈ 7,0), werden fluorescentiespectra opgenomen bij 350 nm excitatie (10 nm splitsingen). De 10-min incubatie werd gekozen gebaseerd op precedent voor ratiometrische sondes.

Resultaten en Discussie

Initiële spectrale analyse bevestigde dat CdSe QDs (emissie 460 nm) en CDs (emissie 615 nm) niet overlappen, wat een duidelijke ratiometrische uitlezing mogelijk maakt. Belangrijk is dat de emissieband van CDs de absorptie van 4-NP overlapt, wat FRET-gemedieerde kwelling bij 455 nm toestaat terwijl de CdSe referentie ongewijzigd blijft.

De synthetische route (Schema 1) omvatte (i) silica coating van CdSe QDs om CdSe@SiO₂ te vormen, (ii) bevestiging van organosilaan-gefunctionaliseerde CDs, en (iii) inkapseling met een TEOS-gebaseerde MIP laag. Deze architectuur behoudt de fotoluminescentie van de QDs, bevestigt de CDs in de matrix, en genereert 4-NP-specifieke kaviteiten.

Morfologie en Optische Eigenschappen

HRTEM afbeeldingen (Fig. 1) tonen uniforme sferische deeltjes met gemiddelde diameters van 46,7 ± 2,5 nm (CdSe@SiO₂), 53,6 ± 2,7 nm (CdSe@SiO₂/CD), en 66,4 ± 2,0 nm (CdSe@SiO₂/CD/MIP). De toename in grootte weerspiegelt opeenvolgende lagen van CDs en de MIP schil. De MIP dikte (~12,8 nm) is optimaal voor FRET nabijheid (<10 nm). FTIR spectra (Fig. 1g) bevestigen de aanwezigheid van Si-O-Si, C=O, C-H, en NH₂ trillingen, en de karakteristieke NO₂ pieken na imprinting, wat succesvolle MIP vorming verifieert.

Fluorescentie Stabiliteit en Gevoeligheid

Fluorescentiespectra voor en na sjabloonverwijdering (Fig. 2a) tonen aan dat de CD emissie bij 615 nm intact blijft, terwijl de 455 nm band herstelt bij 4-NP verwijdering, wat reversibele kwelling aangeeft. De sonde behoudt >95% van zijn 455 nm intensiteit over 120 min, wat uitstekende fotostabiliteit bevestigt (Fig. 2b). De adsorptiecapaciteit van de MIP nanohybride (9,1 mg g⁻¹) is aanzienlijk hoger dan die van de NIP (1,58 mg g⁻¹), wat het selectieve kaviteitontwerp reflecteert.

Selectiviteitsbeoordeling

Om specificiteit te evalueren, werd de sonde geconfronteerd met fenol, 2-NP, en hydrochinon. De kwellingsefficiëntie voor deze analoga was aanzienlijk lager dan voor 4-NP (Fig. 3), toeschrijfbaar aan mismatched absorptie-overlap en kaviteit mismatch. 2-NP, ondanks structurele gelijkenis, vertoonde slechts een derde van de kwelling, wat de selectieve herkenning van de MIP bevestigt.

Kwantitatieve Detectie van 4-NP

Stapsgewijze toevoeging van 4-NP (0,051–13,7 µg mL⁻¹) produceerde een duidelijke afname in de 455 nm band terwijl de 615 nm referentie constant bleef (Fig. 4a). Het uitzetten van de intensiteitsverhouding F_b/F_r tegen 4-NP concentratie levert een lineaire relatie (R² = 0,985) over het werkbereik, met een berekende detectielimiet van 0,026 µg mL⁻¹ (3σ/k). Deze LOD ligt ver onder de EPA richtlijn van 60 ng mL⁻¹, wat de geschiktheid van de sensor voor real-world monitoring demonstreert. Vergeleken met literatuur methoden (Tabel 1), matcht of overtreft de voorgestelde nanohybride de huidige electrochemische en fluorescentie technieken in zowel gevoeligheid als lineariteit.

Conclusies

We hebben een moleculair geïmprimeerde CdSe@SiO₂ kern-schil nanohybride ontworpen die fungeert als een ratiometrische fluorescente sonde voor ultra-sporen detectie van 4-NP. Het dubbele-emissie systeem benut FRET-gemedieerde kwelling van CDs door 4-NP terwijl een stabiel CdSe referentie signaal behouden blijft. De MIP laag biedt hoge bindingsaffiniteit en selectiviteit, wat een lineaire respons van 0,051 tot 13,7 µg mL⁻¹ en een detectielimiet van 0,026 µg mL⁻¹ oplevert—ver onder regelgevende limieten. Dit werk demonstreert dat het combineren van moleculaire imprinting met ratiometrische fluorescentie een krachtige strategie biedt voor gevoelige, selectieve, en betrouwbare monitoring van gevaarlijke milieuentaminanten.