Hoog Gevoelige en Selectieve Hg²⁺ Detectie via FRET tussen CdSe Kwantum Dots en g-C₃N₄ Nanosheets

Samenvatting

We hebben een Förster-resonantie-energie-overdracht (FRET) systeem ontworpen dat CdSe kwantum dots (QDs) als donors koppelt met g-C₃N₄ nanosheets als acceptors om snelle, kosteneffectieve en hoogselectieve detectie van Hg²⁺ in aqueuze media te bereiken. De CdSe QDs/g-C₃N₄ nancomposiet werd gefabriceerd via een eenvoudige elektrostatische zelf-assemblage in water, wat willekeurig gedecoreerde nanosheets opleverde met een gemiddelde QD-diameter van ~7 nm. Fluorescentie kwencing van de donor was lineair met Hg²⁺-concentratie (0–32 nM) bij neutrale pH, wat een detectielimiet van 5,3 nM opleverde. De probe discrimineerde Hg²⁺ van een paneel van veelvoorkomende metaalionen (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) en behield >92 % van de initiële fluorescentie na 2 weken opslag. Echte watermonsters (put, meer, kraan) werden gekwantificeerd met herstellingen tussen 95,4 % en 101,6 % en relatieve standaarddeviaties onder 2 %. Dit FRET-platform biedt een robuuste, herbruikbare en milieuvriendelijke oplossing voor het monitoren van kwikverontreiniging.

Achtergrond

Kwikverontreiniging van natuurlijke wateren blijft de voornaamste bron van menselijke blootstelling aan dit neurotoxische element. De microbiële conversie van Hg²⁺ tot methylkwik, een krachtige neurotoxine, wordt geassocieerd met cognitieve en motorische stoornissen wereldwijd. Snelle, gevoelige en selectieve detectiemethoden die in complexe matrices kunnen opereren, zijn daarom essentieel voor milieumonitoring en volksgezondheidsbescherming.

Nanomaterialen met unieke optische eigenschappen – zoals halfgeleider kwantum dots, fluorescente metaal nanoclusters, edelmetaal nanodeeltjes en koolstof nanodots – zijn uitgebreid onderzocht voor kwiksensing. Deze platforms profiteren van eenvoudige synthese, hoge fotostabiliteit, functionaliseringsversatiliteit en biocompatibiliteit. Verscheidene FRET-gebaseerde sensoren die kwantum dots of andere nanostructuren gebruiken zijn gerapporteerd; echter, een FRET-systeem dat CdSe QDs koppelt met grafietachtige koolstofnitride (g-C₃N₄) nanosheets voor Hg²⁺ detectie is nog niet beschreven.

g-C₃N₄ nanosheets bezitten een grafene-achtige, weinig-gelaagde structuur, sterke zichtbare absorptie en veelvuldige oppervlakte aminegroepen, wat ze aantrekkelijk maakt als energie-acceptors. Door deze nanosheets te combineren met CdSe QDs via elektrostatische interacties, creëerden we een compacte, hoogresponsieve FRET-sensor capabel van het onderscheiden van Hg²⁺ van andere metaalionen.

Het sensorwerkingsprincipe is geïllustreerd in Figuur 1 (mechanismediagram).

De mechanismen van FRET-gebaseerde detectie voor kwikionen

Methoden

Materialen

Kwik(II)chloride (HgCl₂) werd verkregen van Tong Ren Chemical Research Institute (Guizhou, China). Ureum en CdSe QDs werden gekocht van Aladdin Reagent Company (Shanghai, China). Alle overige reagentia waren van analytische graad en werden zonder verdere zuivering gebruikt. Oplossingen werden bereid met Milli-Q water (18,2 MΩ cm).

Karakterisering

Röntgendiffractie (Rigaku D/max-2400), UV-vis spectroscopie (UV-vis 800), Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie (Nicolet-nexus670), fluorescentiespectroscopie (RF-5301PC), röntgenfotoelectronspectroscopie (Thermo Scientific) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) werden gebruikt om de structurele en optische eigenschappen van het nancomposiet te onderzoeken.

Constructie van de FRET-sensor

In een typische synthese werden 125 mg g-C₃N₄ (vooraf gesynthetiseerd) gedispergeerd in 250 mL water en 5 u gesonicieerd. Vervolgens werden 1,838 g CdSe QDs (0,0216 mol) toegevoegd en 2 u gesonicieerd om elektrostatische hechting te bevorderen via de aminegroepen op g-C₃N₄ en gecarboxyleerde QDs. Het resulterende CdSe QDs/g-C₃N₄ conjugaaat werd geëxciteerd bij 334 nm (nabij de QD-absorptierand) en de emissie vastgelegd bij 452 nm.

Fluorescentie Detectie van Hg²⁺

Voor elke assay werd 10 µL van het conjuugaat gemengd met 3 mL ultrazuiver water, gevolgd door toevoeging van de gewenste Hg²⁺-concentratie. Fluorescentiespectra werden verkregen na 2 min bij kamertemperatuur.

Interferentie en Competitie Analyses

Potentiële interferentie van Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ en Cu²⁺ (32 nM elk) werd beoordeeld door de fluorescentie bij 450 nm te meten onder 334 nm excitatie. Competitie-experimenten werden uitgevoerd door 32 nM Hg²⁺ toe te voegen in de aanwezigheid van elk interferent.

Resultaten en Discussie

Karakterisering

Transmissie-elektronenmicroscopie (Figuur 2a) bevestigde de weinig-gelaagde, grafene-achtige morfologie van g-C₃N₄ nanosheets. Röntgendiffractie (Figuur 2b) toonde de karakteristieke (002) piek bij 27,4°, wat grafietachtige stapeling bevestigt, terwijl een kleine piek bij 13,1° in-plan periodiciteit aanwees. Röntgenfotoelectronspectroscopie (Figuur 2c) onthulde C–C/N binding bij 284,8 en 288,0 eV en N 1s bij 397,04 eV. FTIR (Figuur 2d) toonde triazine-ringtrillingen bij 811 cm⁻¹, CN-heterocyclische rekken bij ~1000 cm⁻¹, C–NH–C bij 1800 cm⁻¹ en N–H/O–H rekken tussen 300–3600 cm⁻¹.

Karakterisering van de as-geprepareerde g-C₃N₄ nanosheet. a TEM-beeld. b XRD-patroon. c XPS-spectrum. d FTIR-spectrum

UV-vis en Fluorescentie Eigenschappen

Het CdSe QDs/g-C₃N₄ conjuugaat vertoonde een prominente absorptiepiek bij ~334 nm (Figuur 3a). Fluorescentie-emissie piekte bij 452 nm bij 334 nm excitatie (Figuur 3b), een 14–16 nm rode verschuiving ten opzichte van pristine g-C₃N₄ (438 nm emissie, 310 nm excitatie) toeschrijfbaar aan efficiënte FRET.

De UV-vis absorptie en fluorescentiespectrum van CdSe QDs/g-C₃N₄ conjuugaten

Effect van pH

Fluorescentie-intensiteit nam toe van pH 3 tot 7 en nam af van 7 tot 10 (Figuur 4), waarschijnlijk door protonatie/deprotonatie van oppervlakte aminegroepen die oppervlaktelading beïnvloeden. Neutrale pH 7 werd gekozen voor Hg²⁺ sensing, waar hoge ionische sterkte (NaCl) verwaarloosbare impact had op fluorescentie.

Het effect van pH op de fluorescentie van het CdSe QDs/g-C₃N₄ nanosheet conjuugaat

Selectiviteit

Wanneer blootgesteld aan een paneel van concurrerende metaalionen, steeg de sensor's fluorescentieverhouding (I/I₀) alleen significant in de aanwezigheid van Hg²⁺ (Figuur 5a), terwijl andere ionen verwaarloosbare veranderingen produceerden. Deze selectiviteit contrasteert met pristine g-C₃N₄, wat reageert op zowel Cu²⁺ als Hg²⁺, wat de rol van CdSe QDs in het verlenen van Hg²⁺ specificiteit benadrukt (Figuur 5b).

De selectiviteitsexperimenten voor de CdSe QDs/g-C₃N₄ nanosheet FRET-sensor

Haalbaarheid en Gevoeligheid

Fluorescentiekwencing nam lineair toe met Hg²⁺-concentratie van 0 tot 32 nM (Figuur 6a). De I/I₀-verhouding volgde de vergelijking I = –9,6 × 10⁷ + 550,5 (R² = 0,9882), wat een detectielimiet van 5,3 nM opleverde. De probe vertoonde verwaarloosbare respons op andere metaalionen, wat hoge selectiviteit bevestigt. Stabiliteitstesten toonden aan dat na 14 dagen bij omstandigheden het conjuugaat >92 % van de initiële fluorescentie behield.

De sensing-eigenschappen van het CdSe QDs/g-C₃N₄ nanosheet conjuugaat en de afhankelijkheid van fluorescentie-intensiteit van Hg²⁺-concentratie (0–32 nM)

Co-bestaande kationen (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) interfereerden niet met Hg²⁺-detectie, zoals getoond in Tabel 1. Lange-termijn stabiliteit en reproduceerbaarheid werden bevestigd door periodieke fluorescentiemetingen over 14 dagen.

Toepassing op Echte Monsters

De sensor werd toegepast op meer, kraan- en putwater gespiked met Hg²⁺. Herstellingen varieerden van 95,4 % tot 101,6 % met RSD's tussen 0,64 % en 1,72 % (Tabel 3), wat betrouwbare prestaties in complexe matrices demonstreert.

Conclusies

We hebben een FRET-gebaseerde Hg²⁺-sensor ontwikkeld die CdSe QDs koppelt met g-C₃N₄ nanosheets. De probe biedt een detectielimiet van 5,3 nM, een lineair bereik van 0–32 nM en uitzonderlijke selectiviteit tegen veelvoorkomende metaalionen. De eenvoudige, aqueous-fase synthese, hoge fotostabiliteit en lage kosten maken het geschikt voor milieumonitoring en potentieel voor biomedische toepassingen.

Highlights

1. Constructie van een FRET-systeem tussen CdSe kwantum dots en g-C₃N₄ nanosheets voor Hg²⁺-detectie.
2. Synthese van CdSe QDs/g-C₃N₄ nancomposieten via eenvoudige elektrostatische zelf-assemblage in water.
3. Gedemonstreerde lineaire fluorescentiekwencing van Hg²⁺ (0–32 nM) bij pH 7 met een detectielimiet van 5,3 nM.
4. Voorgesteld FRET-platform biedt een veelzijdige, herbruikbare assay voor het kwantificeren van Hg²⁺ in complexe watermonsters.

Afkortingen

FRET:

Förster-resonantie-energie-overdracht

FTIR:

Fourier-transformatie infrarood

UV–vis:

Ultraviolet-zichtbaar

XPS:

Röntgenfotoelectronspectroscopie

XRD:

Röntgendiffractometer