Un Nanohíbrido Núcleo-Capa CdSe@SiO₂ Impreso Molecularmente: Sonda Fluorescente Radiométrica para Detección Ultra-sensible de 4-Nitrofenol

Resumen

El 4-Nitrofenol (4-NP) es un contaminante prioritario que representa riesgos carcinogénicos y genotóxicos significativos para humanos y vida silvestre incluso a niveles traza. Aquí reportamos un novedoso nanohíbrido núcleo-capa impreso molecularmente que funciona como sensor fluorescente radiométrico para detección altamente sensible y selectiva de 4-NP. El sensor explota transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (FRET) entre puntos de carbono fotoluminiscentes (CDs) y 4-NP, mientras un punto cuántico de CdSe recubierto de sílice (CdSe@SiO₂) proporciona señal de referencia estable. El nanohíbrido de doble emisión se sintetiza enlazando covalentemente CDs funcionalizados con organosilano a CdSe@SiO₂ vía enlaces Si-O, seguido por un paso de polimerización sol-gel que ancla una capa de polímero impreso molecularmente (MIP) alrededor de la sonda. Microscopía electrónica de transmisión y análisis espectroscópicos confirman el ensamblaje exitoso de la estructura núcleo-capa y sus propiedades ópticas. El sensor entrega respuesta lineal sobre 0,051–13,7 µg mL⁻¹ con límite de detección de 0,026 µg mL⁻¹, superando métodos basados en fluorescencia actuales. La integración de MIP y fluorescencia radiométrica demuestra una plataforma robusta para detección de analitos traza en monitoreo ambiental.

Introducción

Los nitrofenoles se usan ampliamente en herbicidas, pesticidas, tintes y fármacos, convirtiéndolos en contaminantes ambientales más comunes. El 4-Nitrofenol (4-NP) es particularmente peligroso, clasificado por la EPA como contaminante prioritario con límite de agua potable permisible de 60 ng mL⁻¹. Por tanto, métodos de detección confiables son esenciales. Técnicas analíticas tradicionales—cromatografía, electroquímica, quimioluminiscencia y ensayos de fluorescencia—ofrecen varios trade-offs entre sensibilidad, costo y complejidad operacional. La detección por fluorescencia es atractiva por su simplicidad y velocidad; sin embargo, sondas de emisión única sufren fluctuaciones de intensidad causadas por variaciones de excitación, cambios de concentración de sonda e interferencia de quenches como metales pesados o especies reactivas de oxígeno. La fluorescencia radiométrica, que mide la relación de intensidad de dos bandas de emisión, mitiga estos problemas mediante auto-calibración, produciendo cuantificación más confiable. Aunque varias sondas radiométricas han mostrado sensibilidad mejorada para contaminantes como Hg²⁺ y H₂S, pocas combinan lecturas radiométricas con impronta molecular para lograr tanto alta sensibilidad como selectividad para analitos traza.

Para abordar esta brecha, construimos un sensor de doble emisión que fusiona un sistema FRET radiométrico con un MIP adaptado a 4-NP. Puntos cuánticos de CdSe incrustados en capa de sílice (CdSe@SiO₂) sirven como fluoróforo de referencia, mientras CDs funcionalizados con organosilano actúan como donador FRET. La capa de sílice protege los núcleos tóxicos de Cd y Se y proporciona matriz inerte y transparente para FRET. La capa MIP, formada vía polimerización sol-gel en presencia de 4-NP, crea sitios de reconocimiento selectivos que mejoran eficiencia de unión y apague. Esta arquitectura entrega tanto alta sensibilidad (debido a FRET) como alta selectividad (debido a MIP).

Métodos

Materiales

Tetraetoxisilano (TEOS), Triton X-100 y éter de petróleo comprados de Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China). Ciclohexano, 4-NP, alcohol hexílico, hidróxido de amonio (25 % p/p), alcohol etílico absoluto, metilbenceno, y alcohol isopropílico provenían de Guangfu Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China). 3-Aminopropiltrimetoxisilano (APTMS) y ácido cítrico anhidro se obtuvieron de Aladdin Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Puntos cuánticos CdSe/ZnS modificados con carboxilo suministrados por Wuhan Jiayuan Quantum Dot Technological Development Co., Ltd. (Wuhan, China). Todos los reactivos fueron grado analítico y usados tal cual. Agua desionizada (18,2 MΩ cm) preparada con sistema Sartorius Arium® Pro VF.

Síntesis de CdSe@SiO₂

Una microemulsión inversa se formó mezclando 7,7 mL ciclohexano, 1,77 mL Triton X-100, 1,8 mL n-hexanol, y 400 µL de solución QD CdSe (8 µM). Tras estabilizar la microemulsión, se añadieron 50 µL TEOS y 200 µL hidróxido de amonio 25 % p/p. El sistema se agitó a 25 °C por 24 h, luego se rompió con 36 mL alcohol isopropílico. El precipitado resultante se lavó repetidamente con etanol por centrifugación hasta que el sobrenadante no mostró fluorescencia. Las partículas purificadas se dispersaron finalmente en tolueno bajo ultrasonicación.

Síntesis de CDs Funcionalizados con Organosilano

APTMS (10 mL) se calentó a 185 °C, seguido por adición rápida de 0,5 g ácido cítrico anhidro bajo agitación vigorosa. Tras 1 min a 185 °C, la mezcla enfrió a 25 °C. El producto verde oscuro se purificó extrayendo con éter de petróleo (×5, ratio volumétrico 1:1). La fase inferior produjo aproximadamente 2 mL de CDs funcionalizados con organosilano.

Recubrimiento de CdSe@SiO₂ con CDs y Capa MIP

10 µL de CDs funcionalizados con organosilano se añadieron a 25 mL tolueno conteniendo 5 mg CdSe@SiO₂. La mezcla se calentó a 113 °C bajo reflujo por 12 h con agitación, luego se centifugó y resuspendió en 2 mL etanol. 0,2 mg 4-NP se introdujo y reaccionó por 2 h a 25 °C. TEOS (25 µL) e hidróxido de amonio (25 µL) se añadieron luego, y el sistema se agitó por otras 5 h a 25 °C. Tras tres ciclos de precipitación/centrifugación y lavado con etanol, el producto—CdSe@SiO₂/CDs/MIP—se dispersó en etanol para uso. Controles no impresos (NIP) se prepararon idénticamente pero sin 4-NP.

Determinación de Capacidad de Adsorción

Para cada muestra, 0,1 mg 4-NP se añadió a 1 mL (1,5 mg mL⁻¹) de nanohíbridos y agitó por 120 min. Tras centrifugación (12.000 rpm, 15 min), el sobrenadante se analizó por UV-vis a 400 nm. La capacidad de adsorción (Q) se calculó vía Q=(C₀-Cₜ)V/W, donde C₀ y Cₜ son concentraciones inicial y final, V es volumen de solución, y W es masa de nanohíbridos.

Caracterización

TEM de alta resolución (JEOL JEM-2100, 200 kV) usó para visualizar morfología. Espectros FTIR se registraron en Nicolet Magna IR-560 (20 barridos, 4 cm⁻¹ resolución). Medidas de fluorescencia en espectrofotómetro Cary Eclipse (celdas 1 cm). Espectros UV-vis adquiridos con espectrofotómetro TU-1810 (celdas 1 cm).

Detección Fluorescente de 4-NP

1 mL de CdSe@SiO₂/CDs/MIP en etanol (1,5 mg mL⁻¹) se mezcló con 2 mL etanol y la cantidad deseada de 4-NP. Tras 10 min incubación a temperatura ambiente (pH ≈ 7,0), espectros de fluorescencia se registraron a excitación 350 nm (rendijas 10 nm). La incubación de 10 min se eligió basada en precedentes para sondas radiométricas.

Resultados y Discusión

El análisis espectral inicial confirmó que QDs CdSe (emisión 460 nm) y CDs (emisión 615 nm) no se solapan, permitiendo lectura radiométrica clara. Importante, la banda de emisión de CDs se solapa la absorción de 4-NP, permitiendo apague mediado por FRET a 455 nm mientras la referencia CdSe permanece inalterada.

La ruta sintética (Esquema 1) involucró (i) recubrimiento de sílice de QDs CdSe para formar CdSe@SiO₂, (ii) unión de CDs funcionalizados con organosilano, y (iii) encapsulación con capa MIP basada en TEOS. Esta arquitectura preserva la fotoluminiscencia de los QDs, asegura los CDs dentro de la matriz, y genera cavidades específicas para 4-NP.

Morfología y Propiedades Ópticas

Imágenes HRTEM (Fig. 1) muestran partículas esféricas uniformes con diámetros promedio de 46,7 ± 2,5 nm (CdSe@SiO₂), 53,6 ± 2,7 nm (CdSe@SiO₂/CD), y 66,4 ± 2,0 nm (CdSe@SiO₂/CD/MIP). El aumento de tamaño refleja estratificación secuencial de CDs y capa MIP. El espesor MIP (~12,8 nm) es óptimo para proximidad FRET (<10 nm). Espectros FTIR (Fig. 1g) confirman presencia de vibraciones Si-O-Si, C=O, C-H, y NH₂, y picos característicos NO₂ tras impronta, verificando formación exitosa de MIP.

Estabilidad y Sensibilidad de Fluorescencia

Espectros de fluorescencia antes y tras remoción de plantilla (Fig. 2a) muestran que la emisión CD a 615 nm permanece intacta, mientras la banda 455 nm recupera tras remoción de 4-NP, indicando apague reversible. La sonda mantiene >95 % de su intensidad 455 nm sobre 120 min, confirmando excelente fotoestabilidad (Fig. 2b). La capacidad de adsorción del nanohíbrido MIP (9,1 mg g⁻¹) es marcadamente mayor que la del NIP (1,58 mg g⁻¹), reflejando diseño de cavidad selectivo.

Evaluación de Selectividad

Para evaluar especificidad, el sensor se desafió con fenol, 2-NP, e hidroquinona. Las eficiencias de apague para estos análogos fueron sustancialmente menores que para 4-NP (Fig. 3), atribuibles a solapamiento de absorción desajustado y desajuste de cavidad. 2-NP, a pesar de similitud estructural, exhibió solo un tercio del apague, confirmando reconocimiento selectivo del MIP.

Detección Cuantitativa de 4-NP

Adición incremental de 4-NP (0,051–13,7 µg mL⁻¹) produjo disminución pronunciada en banda 455 nm mientras referencia 615 nm permaneció constante (Fig. 4a). Trazar la relación de intensidad F_b/F_r contra concentración de 4-NP produce relación lineal (R² = 0,985) sobre rango de trabajo, con límite de detección calculado de 0,026 µg mL⁻¹ (3σ/k). Este LOD está bien por debajo de la guía EPA de 60 ng mL⁻¹, demostrando idoneidad del sensor para monitoreo real. Comparado con métodos literarios (Tabla 1), el nanohíbrido propuesto iguala o supera técnicas electroquímicas y de fluorescencia actuales en tanto sensibilidad como linealidad.

Conclusiones

Hemos diseñado un nanohíbrido núcleo-capa CdSe@SiO₂ impreso molecularmente que funciona como sonda fluorescente radiométrica para detección ultra-traza de 4-NP. El sistema de doble emisión aprovecha apague mediado por FRET de CDs por 4-NP mientras mantiene señal de referencia CdSe estable. La capa MIP brinda alta afinidad de unión y selectividad, produciendo respuesta lineal de 0,051 a 13,7 µg mL⁻¹ y límite de detección de 0,026 µg mL⁻¹—bien por debajo de límites regulatorios. Este trabajo demuestra que combinar impronta molecular con fluorescencia radiométrica ofrece estrategia poderosa para monitoreo sensible, selectivo y confiable de contaminantes ambientales peligrosos.