Detección altamente selectiva y sensible de Hg2 + basada en la transferencia de energía de resonancia Förster entre puntos cuánticos de CdSe y nanohojas g-C3N4

Resumen

En presencia de Hg ²⁺ , se construyó un sistema de transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (FRET) entre puntos cuánticos (QD) de CdSe (donante) y g-C ₃ N ₄ (receptores). Nanocomposites de g-C ₃ N ₄ compatible con CdSe QDs (CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanohojas) se fabricaron mediante una ruta de interacción electrostática en una solución acuosa. Los nanocompuestos se caracterizaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, difracción de rayos X, espectroscopía de infrarrojos por transformada de Fourier y microscopía electrónica de transmisión. Los resultados mostraron que el g-C ₃ N ₄ Las nanoláminas se decoraron aleatoriamente con CdSe QD, con un diámetro medio de aproximadamente 7 nm. La viabilidad del sistema FRET como sensor se demostró mediante la detección de Hg (II) en agua. A pH 7, se observó una relación lineal entre la intensidad de la fluorescencia y la concentración de Hg (II) (0-32 nmol / L), con un límite de detección de 5,3 nmol / L. Se demostró que el nuevo método de detección es sensible para detectar Hg ²⁺ en soluciones de agua. Además, el método mostró una alta selectividad para Hg ²⁺ sobre varios iones metálicos, incluido Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Pb ²⁺ , Cr ³⁺ , Cd ²⁺ , Zn ²⁺ y Cu ²⁺ . El CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ El conjugado de nanohojas exhibió una estabilidad y reversibilidad a largo plazo deseables como un nuevo sensor FRET. La nueva detección de fluorescencia basada en FRET proporcionó una plataforma de ensayo atractiva para cuantificar Hg ²⁺ en soluciones de agua complejas.

Antecedentes

La principal causa de intoxicación por mercurio en los seres humanos fueron las aguas naturales contaminadas [1]. Hg ²⁺ El metabolismo iónico de los microbios acuáticos produce metilmercurio, que era una potente neurotoxina asociada con trastornos cognitivos y del movimiento [2]. Por lo tanto, son necesarios métodos de detección de mercurio que sean rápidos, rentables, fáciles y aplicables a entornos complejos. En particular, se pueden emplear nanomateriales con propiedades ópticas únicas para desarrollar sensores ópticos con alta sensibilidad y selectividad [3]. Los puntos cuánticos (QD) de semiconductores, los nanoclusters de metales fluorescentes (NC), las nanopartículas de metales nobles (NP) y los nanodots de carbono (CD) se utilizaron comúnmente en el diseño de Hg ²⁺ sensores ópticos debido a sus propiedades distintivas, como fácil síntesis, alta estabilidad, funcionalización y biocompatibilidad. Muchos sensores fluorescentes para Hg ²⁺ [4, 5, 6, 7, 8]. Por ejemplo, Huang et al. [9] desarrolló un sensor de transferencia de energía de resonancia (FRET) de Förster controlado por tiempo para Hg ²⁺ detección. Además, se han desarrollado diferentes sistemas FRET para la detección de Hg ²⁺ [10, 11, 12]. En particular, los sistemas FRET podrían construirse de manera similar utilizando nanopartículas, como QD, así como NP orgánicas e inorgánicas [13,14,15]. Entre las nanopartículas, g-C ₃ N ₄ nanohojas había atraído un interés generalizado [16, 17]. Aunque g-C ₃ N ₄ Se han aplicado nanohojas como sensores, un sistema de detección FRET con g-C ₃ N ₄ No se ha informado de nanohojas y CdSe QD para iones metálicos. Los sistemas de detección de fluorescencia basados en FRET ofrecen múltiples ventajas [18].

En el presente estudio, se desarrolló un nuevo sensor de fluorescencia basado en FRET para detectar iones de mercurio en medios acuosos utilizando g-C ₃ N ₄ nanohojas y partículas CdSe QD como vehículos. El mecanismo propuesto se ilustra en la Fig. 1.

Los mecanismos de detección de iones de mercurio basados en FRET

Métodos

Materiales

Cloruro de mercurio (II) (HgCl ₂ ) se adquirió en el Instituto de Investigación Química Tong Ren (Guizhou, China). Los QD de urea y CdSe se adquirieron de Aladdin Reagent Company (Shanghai, China). Otros reactivos y productos químicos eran de grado reactivo analítico y se utilizaron sin purificación adicional. Todas las soluciones se prepararon utilizando agua purificada de un sistema de purificación de agua en gradiente Milli-Q (Millipore Inc., EE. UU.; Resistividad nominal 18,2 MÙ cm).

Caracterización

Se utilizó un difractómetro de rayos X (Rigaku D / max-2400) para obtener patrones de difracción. Los espectros ultravioleta-visible (UV-vis) se registraron en un espectrofotómetro UV-vis 800 a temperatura ambiente. Los espectros de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) se registraron en un espectrómetro Nicolet-nexus670 usando KBr. Las medidas de fluorescencia se realizaron a temperatura ambiente con un espectrómetro de fluorescencia RF-5301PC. Las mediciones de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se realizaron utilizando un espectrómetro multifuncional (Thermo Scientific).

Construcción del sensor FRET entre el g-C ₃ N ₄ Nanosheets y partículas CdSe QD

En un procedimiento típico, g-C ₃ N ₄ (125 mg, que se sintetizó de acuerdo con nuestro informe anterior [19]) se dispersó en 250 ml de agua (1:1) y se sometió a ultrasonidos durante 5 ha temperatura ambiente. A continuación, se disolvieron CdSe QD (1,838 g, 0,0216 mol) en la solución mediante sonicación durante 2 h. Dado que el grupo amina en el g-C ₃ N ₄ nanohojas y CdSe QD tenían un grupo carboxilo, g-C ₃ N ₄ nanohojas y nanopartículas CdSe QDs se combinarían por interacción electrostática. Todas las soluciones se prepararon en agua en gradiente Milli-Q (pH =7). El CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Se registraron los espectros de emisión conjugada de nanohojas. Todas las muestras se excitaron a 334 nm, que estaba cerca de la absorción mínima del aceptor.

Detección de fluorescencia de Hg ²⁺

Hg ²⁺ se inactivó a temperatura ambiente en agua. Durante una operación típica, 10 μL de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Se agregaron conjugados de nanohojas a 3 ml de agua ultrapura y luego la cantidad calculada de Hg ²⁺ fue añadido. Los espectros de emisión de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Los conjugados de nanohojas se registraron 2 minutos más tarde a temperatura ambiente.

Análisis de interferencia y competencia

La respuesta de la nanoonda FRET a otros iones metálicos (Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Pb ²⁺ , Cr ³⁺ , Cd ²⁺ , Zn ²⁺ y Cu ²⁺ ) se estudió mediante espectroscopia de fluorescencia. Los estudios se llevaron a cabo utilizando el CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanohojas que emiten a 450 nm. La solución de conjugado se colocó en una cubeta de fluorescencia de cuarzo de trayectoria óptica de 1 cm. La intensidad de la fluorescencia se midió a una longitud de onda de emisión de 450 nm con una longitud de onda de excitación de 334 nm en presencia de cada posible interferencia (32 nM). También se realizaron ensayos de competencia para todas las posibles interferencias analizadas previamente. Para experimentos de competición, 32 nM Hg ²⁺ se prepararon soluciones acuosas.

Resultados y discusión

Caracterización

La estructura y morfología de g-C ₃ N ₄ Las nanohojas se caracterizaron por TEM, XPS y XRD. La imagen TEM en la Fig. 2a mostró que el g-C ₃ N ₄ nanohoja poseía una morfología similar al grafeno que consta principalmente de unas pocas capas [19]. La Figura 2a mostró los patrones XRD del g-C ₃ N ₄ nanohojas. El pico fuerte de XRD centrado en 27,4 ° correspondía al pico típico de apilamiento entre capas de grafito (002) de g-C ₃ N ₄ . El pequeño pico a 13,1 ° correspondía a la característica de empaquetamiento estructural en plano periódico dentro de las láminas [20, 21]. La medición XPS se utilizó para analizar los estados de valencia de g-C ₃ N ₄ nanohojas. El espectro XPS en la Fig. 2c mostró el C – C unido a N en 284,8 y 288,0 eV, y el espectro de N 1 s estaba en 397,04 eV. En la Fig. 2d, el pico a 811 cm ⁻¹ se atribuyó a la vibración del anillo de triazina. Los picos alrededor de 1000 cm ⁻¹ representó los modos de estiramiento de los heterociclos CN y el pico a 1800 cm ⁻¹ correspondió a C – NH – C. Los picos a 300–3600 cm ⁻¹ correspondía a las vibraciones de estiramiento N – H y O – H [22].

Caracterización del g-C ₃ preparado N ₄ nanohoja. un Imagen TEM. b Imagen XRD. c Espectro XPS. d Espectro FTIR

Propiedades de fluorescencia y UV-vis de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Nanohojas

Se obtuvieron espectros de fluorescencia y absorción UV-vis para evaluar las propiedades ópticas de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanohojas. Como se muestra en la Fig. 3a, se observó un gran pico a aproximadamente 334 nm en el espectro de absorción UV-vis. Además, los picos de excitación y emisión de fluorescencia se observaron a 452 y 334 nm en la espectroscopia de fluorescencia síncrona en la Fig. 3b y se asociaron con la fluorescencia de emisión y la excitación de luz ultravioleta de nanohojas. Los picos de emisión mostraron un cambio en comparación con el g-C ₃ puro N ₄ nanohojas a 14-16 nm (se observaron picos de emisión y excitación a 438 y 310 nm como se presenta en la Fig. 3c), que podrían atribuirse al FRET. También se confirmó la influencia de las longitudes de onda de excitación en las intensidades de fluorescencia.

El espectro de fluorescencia y absorción UV-vis de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados

Efecto del pH sobre la fluorescencia del CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Conjugados de nanohojas

La Figura 4 mostró la fluorescencia de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados nanohojas a diferentes valores de pH. El valor de pH aumentó de 3 a 7 con la intensidad de la fluorescencia. Sin embargo, la intensidad de la fluorescencia disminuyó gradualmente cuando el valor del pH varió aumentó de 7 a 10, lo que podría atribuirse al efecto del pH sobre el cambio en la carga superficial debido a la protonación-desprotonación debido a la existencia de grupos amino en la estructura de gC ₃ N ₄ nanohojas. En este estudio, el CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Se realizaron conjugados de nanohojas para la detección de Hg ²⁺ iones, y se seleccionó el valor de pH de 7 como el valor de pH óptimo. Las emisiones de fluorescencia se midieron a pH 7 que contenían diferentes concentraciones de NaCl para obtener la estabilidad del CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanoplacas en circunstancias de alta fuerza iónica. Solo se observó un ligero cambio bajo alta fuerza iónica en las intensidades de fluorescencia de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanohojas. El resultado mostró que la alta fuerza iónica tenía efectos mínimos en las intensidades de fluorescencia de los conjugados.

El efecto del pH sobre la fluorescencia del CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanohojas

Selectividad de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Sistema FRET de nanohojas en la detección de iones de mercurio

La selectividad es un parámetro importante de un nuevo sistema de detección. La selectividad de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ El sensor FRET de nanohojas se evaluó utilizando varios iones metálicos (p. ej., Cu ²⁺ , Mg ²⁺ , Na ⁺ , Ca ²⁺ , Hg ²⁺ , Cr ³⁺ , Pb ²⁺ , Cd ²⁺ y Zn ²⁺ ); los resultados se muestran en la Fig. 5a. En comparación con la muestra en blanco sin iones, la proporción de fluorescencia de Hg ²⁺ aumentó obviamente, mientras que la intensidad de fluorescencia de otros iones metálicos cambió ligeramente o permanece igual. Estos resultados indicaron que el sensor FRET mostró más selectividad que los demás (Fig. 5b). Por lo tanto, el CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ mostró una alta selectividad hacia Hg ²⁺ . Este fenómeno fue distinto en comparación con el g-C ₃ puro N ₄ nanohoja, que era selectiva para Cu ²⁺ y Hg ²⁺ [23, 24].

Los experimentos de selectividad para CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ sensor FRET de nanohojas

Viabilidad del proceso de fluorescencia FRET para detectar Hg ²⁺

Para estudiar la viabilidad del sensor FRET, el CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ detección de fluorescencia en nanohojas de Hg ²⁺ se realizó. La presencia de Hg ²⁺ resultó en una disminución de la intensidad de la fluorescencia como se muestra en la Fig.6, que ilustra que Hg ²⁺ podría apagar eficazmente el sensor FRET. Para estudiar la sensibilidad, la respuesta del sensor a diferentes Hg ²⁺ Las concentraciones se evaluaron adicionalmente mediante espectroscopía de fluorescencia y los resultados se muestran en la Fig. 6a. La intensidad de fluorescencia de g-C ₃ N ₄ las nanohojas disminuyeron gradualmente con el aumento de Hg ²⁺ concentraciones. La Figura 6b explica que el I / Yo ₀ dependía de la concentración de Hg ²⁺ , donde yo ₀ y yo fueron la intensidad de la fluorescencia en ausencia y presencia, respectivamente, de Hg ²⁺ . Además, la relación de I / Yo ₀ entre concentraciones de Hg ²⁺ era lineal, y la ecuación de regresión lineal era I =- 9,6 × 10 ⁷ + 550,5 ( R ² =0,9882), como se muestra en el recuadro de la Fig. 6b. En comparación con los métodos de luminiscencia informados recientemente, el método propuesto tenía un límite de detección más bajo y una mayor sensibilidad [25, 26]. El g-C ₃ N ₄ nanosheets y CdSe QDs no mostraron una respuesta obvia de extinción a otros iones metálicos aparte de Hg ²⁺ , lo que sugirió una selectividad relativamente alta para este método.

Las propiedades de detección de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanohojas y la dependencia de la intensidad de la fluorescencia a la concentración de Hg ²⁺ (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)

También se detectaron los otros cationes coexistentes que afectan la detección de iones de mercurio. La respuesta del CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ sistema de detección basado en nanohojas hacia Hg ²⁺ ion en presencia de iones alcalinos, alcalinotérreos y otros iones de metales de transición se muestra en la Tabla 1. La coexistencia de la mayoría de los iones metálicos no interfirió con la unión de Hg ²⁺ , que indicó que la interferencia de estos iones coexistentes en el Hg ²⁺ el sensor era insignificante.

Además, la estabilidad a largo plazo es una propiedad superior de los sensores. La absorbancia y la fluorescencia durante la investigación continua cada 3 días dentro de 2 semanas indicaron que la actividad de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Las nanohojas se mantuvieron por encima del 92% de la eficiencia inicial aunque se almacenaron en un entorno ambiental. Los resultados indicaron que el CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanohojas como sensores FRET tenían una buena estabilidad a largo plazo.

En comparación con informes anteriores sobre ensayos de fluorescencia para Hg ²⁺ (los resultados se enumeran en la Tabla 2), el CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ La sonda de fluorescencia de nanoplacas basada en FRET con una concentración de Hg (II) en el rango de 0 a 32 nmol / L a pH =7 exhibió un límite de detección de 5,3 nmol / L. Por lo tanto, nuestro método obtuvo un límite de detección y un rango lineal superiores.

Aplicación del sensor FRET

El CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanoheets como sensor FRET proporcionaron con éxito una buena plataforma para detectar Hg ²⁺ en muestras reales por su sensibilidad y selectividad. Bueno, las aguas del lago y del grifo se seleccionaron como muestras reales para el análisis en el que la recuperación de Hg ²⁺ estaban en el rango de 95,4 a 101,6% (Tabla 3). La desviación estándar relativa (RSD) de Hg ²⁺ estaba en el rango de 0,64 a 1,72%. El resultado indicó claramente que el método diseñado se puede utilizar de manera eficiente para detectar Hg ²⁺ en aplicaciones prácticas. Los valores aceptables de RSD y el error relativo confirmaron la alta sensibilidad, alta precisión y alta confiabilidad del sensor FRET propuesto para Hg ²⁺ determinación en aplicaciones prácticas.

Conclusiones

Se desarrolló un sistema basado en FRET para detectar Hg ²⁺ dentro de g-C ₃ N ₄ nanohojas / CdSe QDs. El límite de detección de Hg ²⁺ ión fue de 5,3 nM, con una respuesta lineal que varía de 0 a 32 nM. La aplicabilidad de este sensor se demostró midiendo el contenido de Hg ²⁺ en muestras reales. Dada la estabilidad a largo plazo, el bajo costo y la fácil preparación de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanoplacas, el ensayo de fluorescencia podría usarse como un sensor de protección ambiental. Esta estrategia proporcionaría un enfoque alternativo para construir sensores basados en FRET para Hg ²⁺ en medios acuosos, incluidas muestras ambientales y biológicas.

Aspectos destacados

1.
El sistema de transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (FRET) se construyó entre puntos cuánticos (QD) de CdTe (donante) y g-C ₃ N ₄ (aceptor) en presencia de Hg ²⁺ por primera vez.
2.
Los nanocompuestos de g-C ₃ N ₄ compatible con CdSe QDs (CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ ) se fabricaron mediante una ruta de interacción electrostática simple en una solución acuosa.
3.
Se demostró la viabilidad del sistema FRET como sensor para detectar Hg (II) en una solución acuosa. A pH 7, se observó una relación lineal entre la intensidad de fluorescencia apagada de la concentración de Hg (II) en el rango de 0 a 32 nmol / L. El límite de detección fue de 5,3 nmol / L.
4.
La nueva detección de fluorescencia basada en FRET puede proporcionar una plataforma de ensayo atractiva para cuantificar Hg ²⁺ en soluciones de agua complejas.