Zeer selectieve en gevoelige detectie van Hg2+ op basis van Förster-resonantie-energieoverdracht tussen CdSe Quantum Dots en g-C3N4 Nanosheets

Abstract

In aanwezigheid van Hg²⁺ , werd een fluorescentie-resonantie-energieoverdracht (FRET) -systeem geconstrueerd tussen CdSe-kwantumdots (QD's) (donor) en g-C₃ N₄ (receptoren). Nanocomposieten van g-C₃ N₄ ondersteund door CdSe QD's (CdSe QD's/g-C₃ N₄ nanosheets) werden vervaardigd via een elektrostatische interactieroute in een waterige oplossing. De nanocomposieten werden gekarakteriseerd door röntgenfoto-elektronenspectroscopie, röntgendiffractie, Fourier-transformatie infraroodspectroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie. De resultaten toonden aan dat de g-C₃ N₄ nanosheets werden willekeurig versierd door CdSe QD's, met een gemiddelde diameter van ongeveer 7 nm. De haalbaarheid van het FRET-systeem als sensor werd aangetoond door Hg (II)-detectie in water. Bij pH 7 werd een lineair verband waargenomen tussen de intensiteit van de fluorescentie en de concentratie van Hg (II) (0-32 nmol/L), met een detectielimiet van 5,3 nmol/L. De nieuwe detectiemethode bleek gevoelig te zijn voor het detecteren van Hg²⁺ in wateroplossingen. Bovendien vertoonde de methode een hoge selectiviteit voor Hg²⁺ over verschillende metaalionen, waaronder Na⁺ , Mg²⁺ , Ca²⁺ , Pb²⁺ , Cr³⁺ , Cd²⁺ , Zn²⁺ , en Cu²⁺ . De CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet-conjugaat vertoonde gewenste stabiliteit en omkeerbaarheid op lange termijn als een nieuwe FRET-sensor. De nieuwe op FRET gebaseerde fluorescentiedetectie bood een aantrekkelijk testplatform voor het kwantificeren van Hg²⁺ in complexe wateroplossingen.

Achtergrond

De belangrijkste oorzaak van kwikvergiftiging bij mensen was vervuild natuurlijk water [1]. Hg²⁺ ionenmetabolisme door aquatische microben produceert methylkwik, dat een krachtig neurotoxine was dat geassocieerd werd met cognitieve en bewegingsstoornissen [2]. Daarom zijn kwikdetectiemethoden nodig die snel, kosteneffectief, gemakkelijk en toepasbaar zijn in complexe omgevingen. Met name nanomaterialen met unieke optische eigenschappen kunnen worden gebruikt om optische sensoren te ontwikkelen met een hoge gevoeligheid en selectiviteit [3]. Halfgeleider quantum dots (QD's), fluorescerende metalen nanoclusters (NC's), edelmetaal nanodeeltjes (NP's) en koolstof nanodots (CD's) werden vaak gebruikt bij het ontwerp van Hg²⁺ optische sensoren vanwege hun onderscheidende eigenschappen, zoals gemakkelijke synthese, hoge stabiliteit, functionalisering en biocompatibiliteit. Veel fluorescerende sensoren voor Hg²⁺ gemeld [4,5,6,7,8]. Huang et al. [9] ontwikkelde een tijdgestuurde Förster-resonantie-energieoverdrachtssensor (FRET) voor Hg²⁺ detectie. Bovendien waren er verschillende FRET-systemen ontwikkeld voor de detectie van Hg²⁺ [10,11,12]. Met name FRET-systemen kunnen op dezelfde manier worden gebouwd met behulp van nanodeeltjes, zoals QD's, evenals organische en anorganische NP's [13,14,15]. Onder de nanodeeltjes, g-C₃ N₄ nanosheets hadden veel belangstelling gewekt [16, 17]. Hoewel g-C₃ N₄ nanosheets zijn toegepast als sensoren, een FRET-detectiesysteem met g-C₃ N₄ nanosheets en CdSe QD's voor metaalionen is niet gerapporteerd. Op FRET gebaseerde fluorescentiedetectiesystemen bieden meerdere voordelen [18].

In de huidige studie werd een nieuwe FRET-gebaseerde fluorescentiesensor ontwikkeld om kwikionen in waterige media te detecteren met behulp van g-C₃ N₄ nanosheets en CdSe QDs-deeltjes als voertuigen. Het voorgestelde mechanisme werd geïllustreerd in figuur 1.

De mechanismen van op FRET gebaseerde detectie van kwikionen

Methoden

Materialen

Kwik (II) chloride (HgCl₂ ) werd gekocht van het Tong Ren Chemical Research Institute (Guizhou, China). Ureum en CdSe QD's werden gekocht bij Aladdin Reagent Company (Shanghai, China). Andere reagentia en chemicaliën waren van analytische reagenskwaliteit en werden zonder verdere zuivering gebruikt. Alle oplossingen werden bereid met gezuiverd water uit een Milli-Q-gradiëntwaterzuiveringssysteem (Millipore Inc., VS; nominale soortelijke weerstand 18,2 MÙ cm).

Karakterisering

Een röntgendiffractometer (Rigaku D/max-2400) werd gebruikt om diffractiepatronen te verkrijgen. Ultraviolet-zichtbare (UV-vis) spectra werden opgenomen op een UV-vis 800-spectrofotometer bij kamertemperatuur. Fourier-transform infrarood (FTIR) spectra werden opgenomen op een Nicolet-nexus670 spectrometer met gebruikmaking van KBr. Fluorescentiemetingen werden uitgevoerd bij kamertemperatuur met een RF-5301PC fluorescentiespectrometer. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) metingen werden uitgevoerd met behulp van een multifunctionele spectrometer (Thermo Scientific).

Constructie van FRET-sensor tussen de g-C₃ N₄ Nanosheets en CdSe QD-deeltjes

In een typische procedure, g-C₃ N₄ (125 mg, gesynthetiseerd volgens ons vorige rapport [19]) werd gedispergeerd in 250 ml water (1:1) en gedurende 5 uur bij kamertemperatuur met ultrasone trillingen behandeld. Vervolgens werden CdSe QD's (1,838 g, 0,0216 mol) gedurende 2 uur in de oplossing opgelost door middel van sonicatie. Aangezien de aminegroep op de g-C₃ N₄ nanosheets en CdSe QD's hadden een carboxylgroep, g-C₃ N₄ nanosheets en CdSe QD's nanodeeltjes zouden worden gecombineerd door elektrostatische interactie. Alle oplossingen werden bereid in Milli-Q-gradiëntwater (pH =7). De CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet geconjugeerde emissiespectra werden opgenomen. Alle monsters werden geëxciteerd bij 334 nm, wat in de buurt van de minimale acceptorabsorptie was.

Fluorescentiedetectie van Hg²⁺

Hg²⁺ werd geblust bij kamertemperatuur in water. Tijdens een normale bewerking wordt 10 μL van de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet-conjugaten werden toegevoegd aan 3 ml ultrapuur water en vervolgens de berekende hoeveelheid Hg²⁺ was toegevoegd. De emissiespectra van de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet-conjugaten werden 2 minuten later bij kamertemperatuur geregistreerd.

Interferentie- en concurrentieanalyses

De reactie van de FRET-nanoprobe op andere metaalionen (Na⁺ , Mg²⁺ , Ca²⁺ , Pb²⁺ , Cr³⁺ , Cd²⁺ , Zn²⁺ , en Cu²⁺ ) werd bestudeerd door middel van fluorescentiespectroscopie. Er zijn onderzoeken uitgevoerd met behulp van de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet-conjugaten die uitzenden bij 450 nm. De geconjugeerde oplossing werd in een kwartsfluorescentiecuvet met een optische weg van 1 cm geplaatst. De fluorescentie-intensiteit werd gemeten bij een emissiegolflengte van 450 nm onder een excitatiegolflengte van 334 nm in aanwezigheid van elke mogelijke interferentie (32 nM). Er werden ook competitie-assays uitgevoerd voor alle mogelijke interferenties die eerder waren geanalyseerd. Voor competitie-experimenten, 32 nM Hg²⁺ waterige oplossingen werden bereid.

Resultaten en discussie

Karakterisering

De structuur en morfologie van g-C₃ N₄ nanosheets werden gekenmerkt door TEM, XPS en XRD. De TEM-afbeelding in Fig. 2a liet zien dat de g-C₃ N₄ nanosheet bezat een grafeenachtige morfologie die voornamelijk uit een paar lagen bestaat [19]. Afbeelding 2a toonde de XRD-patronen van de g-C₃ N₄ nanobladen. De sterke XRD-piek gecentreerd op 27,4° kwam overeen met de typische grafitische tussenlaagstapeling (002) piek van g-C₃ N₄ . De kleine piek bij 13,1° kwam overeen met het periodieke structurele pakkingskenmerk in de platen [20, 21]. XPS-meting werd gebruikt om de valentietoestanden van g-C₃ . te analyseren N₄ nanobladen. Het XPS-spectrum in figuur 2c toonde de C-C gebonden aan N bij 284,8 en 288,0 eV, en het N 1s-spectrum was bij 397,04 eV. In Fig. 2d, de piek bij 811 cm⁻¹ werd toegeschreven aan de trilling van de triazinering. De pieken rond 1000 cm⁻¹ vertegenwoordigde de rekmodi van CN-heterocycli, en de piek bij 1800 cm⁻¹ kwam overeen met C-NH-C. De pieken bij 300-3600 cm⁻¹ kwam overeen met N–H en O–H strektrillingen [22].

Karakterisering van de as-bereide g-C₃ N₄ nanoblad. een TEM-afbeelding. b XRD-afbeelding. c XPS-spectrum. d FTIR-spectrum

UV-vis en fluorescentie-eigenschappen van CdSe QD's/g-C₃ N₄ Nanovellen

Fluorescentie- en UV-vis-absorptiespectra werden verkregen om de optische eigenschappen van CdSe QDs/g-C₃ te evalueren N₄ nanobladen. Zoals weergegeven in figuur 3a, werd een grote piek bij ongeveer 334 nm waargenomen in het UV-vis-absorptiespectrum. Bovendien werden de fluorescentie-emissie- en excitatiepieken waargenomen bij 452 en 334 nm in de synchrone fluorescentiespectroscopie in Fig. 3b en werden geassocieerd met de emissiefluorescentie en ultraviolet lichtexcitatie van nanosheets. De emissiepieken vertoonden een verschuiving ten opzichte van het zuivere g-C₃ N₄ nanosheets bij 14-16 nm (emissie- en excitatiepieken werden waargenomen bij 438 en 310 nm zoals weergegeven in figuur 3c), wat kan worden toegeschreven aan de FRET. De invloed van excitatiegolflengten op de fluorescentie-intensiteiten werd ook bevestigd.

Het UV-vis absorptie- en fluorescentiespectrum van CdSe QDs/g-C₃ N₄ vervoegt

Effect van pH op de fluorescentie van de CdSe QD's/g-C₃ N₄ Nanosheet-conjugaten

Afbeelding 4 toonde de fluorescentie van de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet conjugaat bij verschillende pH-waarden. De pH-waarde steeg van 3 naar 7 met de fluorescentie-intensiteit. De intensiteit van de fluorescentie nam echter geleidelijk af wanneer de pH-waarde varieerde van 7 tot 10, wat kon worden toegeschreven aan het effect van de pH op de verandering in de oppervlaktelading als gevolg van protonering-deprotonering als gevolg van het bestaan van aminogroepen in de structuur van gC₃ N₄ nanobladen. In deze studie werden de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet-conjugaten werden uitgevoerd voor de detectie van Hg²⁺ ionen, en de pH-waarde van 7 werd gekozen als de optimale pH-waarde. De fluorescentie-emissies werden gemeten bij pH 7 met verschillende concentraties NaCl om de stabiliteit van de CdSe QD's/g-C₃ te verkrijgen N₄ nanosheet-conjugaten onder omstandigheden met hoge ionensterkte. Er werd slechts een kleine verandering waargenomen onder hoge ionsterkte in de fluorescentie-intensiteiten van de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet-conjugaten. Het resultaat toonde aan dat een hoge ionsterkte minimale effecten had op de fluorescentie-intensiteiten van de conjugaten.

Het effect van pH op de fluorescentie van de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheets-conjugaten

Selectiviteit van CdSe QD's/g-C₃ N₄ Nanosheet FRET-systeem bij het detecteren van kwikionen

Selectiviteit is een belangrijke parameter van een nieuw detectiesysteem. De selectiviteit van de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet FRET-sensor werd geëvalueerd met behulp van verschillende metaalionen (bijv. Cu²⁺ , Mg²⁺ , Na⁺ , Ca²⁺ , Hg²⁺ , Cr³⁺ , Pb²⁺ , Cd²⁺ , en Zn²⁺ ); de resultaten werden getoond in Fig. 5a. Vergeleken met het blanco monster zonder ionen, is de fluorescentieverhouding van Hg²⁺ nam duidelijk toe, terwijl de fluorescentie-intensiteit van andere metaalionen licht veranderde of gelijk bleef. Deze resultaten gaven aan dat de FRET-sensor meer selectiviteit vertoonde dan de andere (Fig. 5b). Dus de CdSe QDs/g-C₃ N₄ vertoonde een hoge selectiviteit naar Hg²⁺ . Dit fenomeen was duidelijk in vergelijking met pure g-C₃ N₄ nanosheet, die selectief was voor Cu²⁺ en Hg²⁺ [23, 24].

De selectiviteitsexperimenten voor de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheets FRET-sensor

Haalbaarheid van het FRET-fluorescentieproces bij het detecteren van Hg²⁺

Om de bruikbaarheid van de FRET-sensor te bestuderen, heeft de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet fluorescentiedetectie van Hg²⁺ werd uitgevoerd. De aanwezigheid van Hg²⁺ resulteerde in verminderde fluorescentie-intensiteit zoals weergegeven in Fig. 6, wat illustreerde dat Hg²⁺ zou de FRET-sensor effectief kunnen doven. Om de gevoeligheid te bestuderen, de reactie van de sensor op verschillende Hg²⁺ concentraties werden verder geëvalueerd door fluorescentiespectroscopie en de resultaten werden getoond in Fig. 6a. De fluorescentie-intensiteit van g-C₃ N₄ nanosheets namen geleidelijk af met toenemende Hg²⁺ concentraties. In figuur 6b wordt uitgelegd dat de I /Ik ₀ was afhankelijk van de concentratie Hg²⁺ , waar ik ₀ en ik waren de fluorescentie-intensiteit bij respectievelijk afwezigheid en aanwezigheid van Hg²⁺ . Bovendien is de relatie van I /Ik ₀ tussen concentraties van Hg²⁺ was lineair, en de vergelijking van lineaire regressie was I = − 9.6 × 10⁷ + 550.5(R ² = 0.9882), zoals weergegeven in de inzet van Fig. 6b. Vergeleken met recent gerapporteerde luminescentiemethoden had de voorgestelde methode een lagere detectielimiet en een hogere gevoeligheid [25, 26]. De g-C₃ N₄ nanosheets en CdSe QD's vertoonden geen duidelijke uitdovingsreactie op andere metaalionen behalve Hg²⁺ , wat een relatief hoge selectiviteit voor deze methode suggereerde.

De detectie-eigenschappen van de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheets-conjugaten en de afhankelijkheid van de fluorescentie-intensiteit van de concentratie van Hg²⁺ (C_Hg ²⁺ :1, 0 nM; 2, 4 nM; 3, 8 nM; 4, 12 nM; 5, 16 nM; 6, 20 nM; 7, 24 nM; 8, 28 nM; 9, 32 nM)

De andere naast elkaar bestaande kationen die de detectie van kwikionen beïnvloeden, werden ook gedetecteerd. Het antwoord van de CdSe QDs/g-C₃ N₄ op nanosheets gebaseerd detectiesysteem richting Hg²⁺ ion in aanwezigheid van alkali-, aardalkali- en andere overgangsmetaalionen werd getoond in Tabel 1. Het naast elkaar bestaan van de meeste metaalionen interfereerde niet met de binding van Hg²⁺ , wat aangaf dat de interferentie van deze naast elkaar bestaande ionen op de Hg²⁺ sensor was verwaarloosbaar.

Bovendien is stabiliteit op lange termijn een superieure eigenschap van sensoren. De absorptie en de fluorescentie tijdens het continue onderzoek om de 3 dagen binnen 2 weken gaven aan dat de activiteit van CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheets bleven boven 92% van de initiële efficiëntie hoewel ze in een omgevingsomgeving werden bewaard. De resultaten gaven aan dat de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheets omdat FRET-sensoren een goede stabiliteit op lange termijn hadden.

Vergeleken met eerdere rapporten over fluorescentiebepalingen voor Hg²⁺ (resultaten staan in tabel 2), de CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheet fluorescentieprobe op basis van FRET met de concentratie van Hg (II) in het bereik van 0-32 nmol/L bij pH =7 vertoonde een detectielimiet van 5,3 nmol/L. Zo verkreeg onze methode een superieure detectielimiet en lineair bereik.

Toepassing van de FRET-sensor

De CdSe QDs/g-C₃ N₄ nanosheets als FRET-sensor hebben met succes een goed platform opgeleverd voor het detecteren van Hg²⁺ in echte monsters vanwege hun gevoeligheid en selectiviteit. Welnu, meer- en kraanwater werden geselecteerd als echte monsters voor analyse waarin het herstel van Hg²⁺ lagen in het bereik van 95,4-101,6% (tabel 3). De relatieve standaarddeviatie (RSD) van Hg²⁺ was in het bereik van 0,64-1,72%. Het resultaat vermeldde duidelijk dat de ontworpen methode efficiënt kan worden gebruikt om Hg²⁺ . te detecteren bij praktische toepassingen. De acceptabele waarden van RSD en relatieve fout bevestigden de hoge gevoeligheid, hoge precisie en hoge betrouwbaarheid van de voorgestelde FRET-sensor voor Hg²⁺ vastberadenheid in praktische toepassingen.

Conclusies

Er is een op FRET gebaseerd systeem ontwikkeld voor het detecteren van Hg²⁺ binnen g-C₃ N₄ nanosheets/CdSe QD's. De detectielimiet voor Hg²⁺ ion was 5,3 nM, met een lineaire respons variërend van 0 tot 32 nM. De toepasbaarheid van deze sensor is aangetoond door het meten van het gehalte aan Hg²⁺ in echte monsters. Gezien de stabiliteit op lange termijn, de lage kosten en de gemakkelijke voorbereiding van de CdSe QD's/g-C₃ N₄ nanosheet-conjugaten, zou de fluorescentietest kunnen worden gebruikt als een sensor voor milieubescherming. Deze strategie zou een alternatieve benadering bieden voor het bouwen van op FRET gebaseerde sensoren voor Hg²⁺ in waterige media, inclusief milieu- en biologische monsters.

Hoogtepunten

1.
Fluorescentie-resonantie-energieoverdracht (FRET) -systeem werd geconstrueerd tussen CdTe-kwantumdots (QD's) (donor) en g-C₃ N₄ (acceptor) in aanwezigheid van Hg²⁺ voor de eerste keer.
2.
De nanocomposieten van g-C₃ N₄ ondersteund door CdSe QD's (CdSe QD's /g-C₃ N₄ ) werden vervaardigd via een eenvoudige elektrostatische interactieroute in een waterige oplossing.
3.
De haalbaarheid van het FRET-systeem als sensor werd aangetoond voor het detecteren van Hg (II) in wateroplossing. Bij pH 7 werd een lineair verband waargenomen tussen de uitgedoofde fluorescentie-intensiteit van de concentratie van Hg (II) in het bereik van 0-32 nmol/L. De detectielimiet was 5,3 nmol/L.
4.
De nieuwe op FRET gebaseerde fluorescentiedetectie kan een aantrekkelijk testplatform bieden voor het kwantificeren van Hg²⁺ in complexe wateroplossingen.