Detección Hg²⁺ altamente sensible y selectiva vía FRET entre puntos cuánticos CdSe y nano láminas g-C₃N₄

Resumen

Diseñamos sistema transferencia resonancia energía Förster (FRET) acoplando puntos cuánticos CdSe (QDs) donantes con nano láminas g-C₃N₄ aceptoras para lograr detección rápida, rentable y altamente selectiva Hg²⁺ en medios acuosos. Nanocompuesto CdSe QDs/g-C₃N₄ fabricado vía autoensamblaje electrostático simple en agua, produciendo nano láminas decoradas aleatoriamente con diámetro QD medio ~7 nm. Cuenching fluorescencia donante lineal con concentración Hg²⁺ (0–32 nM) pH neutro, proporcionando límite detección 5,3 nM. Sonda discriminó Hg²⁺ de panel iones metálicos comunes (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) y mantuvo >92 % fluorescencia inicial tras 2 semanas almacenamiento. Muestras agua real (pozo, lago, grifo) cuantificadas recuperaciones 95,4–101,6 % y desviaciones estándar relativas <2 %. Esta plataforma FRET ofrece solución robusta, reutilizable y ecológica monitorizar contaminación mercurio.

Antecedentes

Contaminación mercurio aguas naturales sigue principal fuente exposición humana este neurotóxico. Conversión microbiana Hg²⁺ a metil-mercurio, neurotoxina potente, asociada trastornos cognitivos y motores mundialmente. Métodos detección rápidos, sensibles y selectivos operando matrices complejas esenciales para monitoreo ambiental y protección salud pública.

Nanomateriales propiedades ópticas únicas —puntos cuánticos semiconductor, nanoclusters fluorescentes metal, nanopartículas metal noble, nanodots carbono— explorados extensivamente sensores mercurio. Estas plataformas benefician síntesis fácil, alta fotoestabilidad, versatilidad funcionalización, y biocompatibilidad. Varios sensores basados FRET empleando puntos cuánticos u otras nanoestructuras reportados; sin embargo, sistema FRET acoplando CdSe QDs con nano láminas nitruro carbono grafítico (g-C₃N₄) para detección Hg²⁺ no descrito aún.

Nano láminas g-C₃N₄ poseen estructura pocas capas tipo grafeno, absorción visible fuerte, y abundantes grupos amino superficie, haciéndolas atractivas aceptores energía. Combinando estas nano láminas con CdSe QDs vía interacciones electrostáticas, creamos sensor FRET compacto, altamente responsivo capaz distinguir Hg²⁺ otros iones metálicos.

Principio funcionamiento sensor ilustrado Figura 1 (diagrama mecanismo).

Métodos

Materiales

Cloruro mercurio(II) (HgCl₂) fuente Tong Ren Chemical Research Institute (Guizhou, China). Urea y CdSe QDs comprados Aladdin Reagent Company (Shanghai, China). Todos reactivos grado analítico usados sin purificación adicional. Soluciones preparadas agua Milli-Q (18,2 MΩ cm).

Caracterización

Difracción rayos X (Rigaku D/max‑2400), espectroscopía UV-vis (UV-vis 800), espectroscopía infrarroja transformada Fourier (FTIR) (Nicolet-nexus670), espectroscopía fluorescencia (RF‑5301PC), espectroscopía fotoelectrónica rayos X (Thermo Scientific), y microscopía electrónica transmisión (TEM) empleadas sondear propiedades estructurales y ópticas nanocompuesto.

Construcción Sensor FRET

Síntesis típica: 125 mg g-C₃N₄ (pre-sintetizado) dispersos 250 mL agua sonicados 5 h. Subsecuentemente, 1,838 g CdSe QDs (0,0216 mol) añadidos y sonicados 2 h promover unión electrostática vía grupos amino g-C₃N₄ y QDs carboxilados. Conjugado CdSe QDs/g-C₃N₄ resultante excitado 334 nm (cerca borde absorción QD) emisión registrada 452 nm.

Detección Fluorescencia Hg²⁺

Cada ensayo: 10 µL conjugado mezclado 3 mL agua ultrapura, seguido adición concentración Hg²⁺ deseada. Espectros fluorescencia adquiridos 2 min temperatura ambiente.

Análisis Interferencia y Competencia

Interferencia potencial Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺ (32 nM cada) evaluada midiendo fluorescencia 450 nm excitación 334 nm. Experimentos competencia realizados añadiendo 32 nM Hg²⁺ presencia cada interferente.

Resultados y Discusión

Caracterización

Microscopía electrónica transmisión (Figura 2a) confirmó morfología pocas capas tipo grafeno nano láminas g-C₃N₄. Difracción rayos X (Figura 2b) mostró pico característico (002) 27,4°, confirmando apilamiento graítico, mientras pico menor 13,1° indicó periodicidad intra-plano. Espectroscopía fotoelectrónica rayos X (Figura 2c) reveló enlaces C-C/N 284,8 y 288,0 eV y N 1s 397,04 eV. FTIR (Figura 2d) mostró vibraciones anillo triazina 811 cm⁻¹, estiramientos heterociclo CN ~1000 cm⁻¹, C-NH-C 1800 cm⁻¹, y estiramientos N-H/O-H 300–3600 cm⁻¹.

Propiedades UV-vis y Fluorescencia

Conjugado CdSe QDs/g-C₃N₄ exhibió pico absorción prominente ~334 nm (Figura 3a). Emisión fluorescencia pico 452 nm excitación 334 nm (Figura 3b), desplazamiento rojo 14–16 nm relativo g-C₃N₄ prístino (emisión 438 nm, excitación 310 nm) atribuible FRET eficiente.

Efecto pH

Intensidad fluorescencia aumentó pH 3 a 7 y declinó 7 a 10 (Figura 4), probablemente por protonación/desprotonación grupos amino superficie afectando carga superficial. pH neutro 7 elegido sensado Hg²⁺, donde alta fuerza iónica (NaCl) impacto insignificante fluorescencia.

Selectividad

Expuesto panel iones metálicos competidores, razón fluorescencia sensor (I/I₀) aumentó marcadamente solo presencia Hg²⁺ (Figura 5a), mientras otros iones produjeron cambios despreciables. Esta selectividad contrasta g-C₃N₄ prístino, que responde tanto Cu²⁺ como Hg²⁺, subrayando papel CdSe QDs confiriendo especificidad Hg²⁺ (Figura 5b).

Factibilidad y Sensibilidad

Cuenching fluorescencia aumentó linealmente concentración Hg²⁺ 0–32 nM (Figura 6a). Razón I/I₀ siguió ecuación I = –9,6 × 10⁷ + 550,5 (R² = 0,9882), rindiendo límite detección 5,3 nM. Sonda exhibió respuesta despreciable otros iones metálicos, confirmando alta selectividad. Pruebas estabilidad mostraron tras 14 días condiciones ambiente, conjugado retuvo >92 % fluorescencia inicial.

Cationes coexistentes (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) no interfirieron detección Hg²⁺, como muestra Tabla 1. Estabilidad largo plazo y reproducibilidad confirmadas mediciones periódicas fluorescencia 14 días.

Aplicación Muestras Reales

Sensor aplicado lago, grifo, y agua pozo espolvoreados Hg²⁺. Recuperaciones 95,4–101,6 % con RSD 0,64–1,72 % (Tabla 3), demostrando rendimiento fiable matrices complejas.

Conclusiones

Desarrollamos sensor Hg²⁺ basado FRET acoplando CdSe QDs con nano láminas g-C₃N₄. Sonda ofrece límite detección 5,3 nM, rango lineal 0–32 nM, y selectividad excepcional contra iones metálicos comunes. Síntesis simple fase acuosa, alta fotoestabilidad, y bajo coste la hacen adecuada monitoreo ambiental y potencialmente aplicaciones biomédicas.

Aspectos Destacados

1. Construcción sistema FRET entre puntos cuánticos CdSe y nano láminas g-C₃N₄ para detección Hg²⁺.
2. Síntesis nanocompuestos CdSe QDs/g-C₃N₄ vía autoensamblaje electrostático sencillo en agua.
3. Demostrado cuenching fluorescencia lineal Hg²⁺ (0–32 nM) pH 7 con límite detección 5,3 nM.
4. Plataforma FRET propuesta proporciona ensayo versátil, reutilizable cuantificar Hg²⁺ muestras agua complejas.

Abreviaturas

FRET:

Transferencia resonancia energía Förster

FTIR:

Infrarrojo transformada Fourier

UV–vis:

Ultravioleta–visible

XPS:

Espectroscopía fotoelectrónica rayos X

XRD:

Difractómetro rayos X