Detecção altamente seletiva e sensível de Hg2 + com base na transferência de energia de ressonância de Förster entre pontos quânticos CdSe e nanofolhas g-C3N4

Resumo

Na presença de Hg ²⁺ , um sistema de transferência de energia de ressonância de fluorescência (FRET) foi construído entre pontos quânticos CdSe (QDs) (doador) e g-C ₃ N ₄ (receptores). Nanocompósitos de g-C ₃ N ₄ suportado por CdSe QDs (CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanofolhas) foram fabricadas por meio de uma rota de interação eletrostática em solução aquosa. Os nanocompósitos foram caracterizados por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, difração de raios-X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier e microscopia eletrônica de transmissão. Os resultados mostraram que o g-C ₃ N ₄ nanofolhas foram decoradas aleatoriamente por CdSe QDs, com diâmetro médio de aproximadamente 7 nm. A viabilidade do sistema FRET como sensor foi demonstrada pela detecção de Hg (II) na água. Em pH 7, foi observada uma relação linear entre a intensidade de fluorescência e a concentração de Hg (II) (0-32 nmol / L), com um limite de detecção de 5,3 nmol / L. O novo método de detecção provou ser sensível para detectar Hg ²⁺ em soluções de água. Além disso, o método mostrou alta seletividade para Hg ²⁺ sobre vários íons de metal, incluindo Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Pb ²⁺ , Cr ³⁺ , Cd ²⁺ , Zn ²⁺ e Cu ²⁺ . O CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugado de nanofolha exibiu estabilidade e reversibilidade de longo prazo desejáveis como um novo sensor FRET. A nova detecção de fluorescência baseada em FRET forneceu uma plataforma de ensaio atraente para quantificar Hg ²⁺ em soluções de água complexas.

Histórico

A principal causa do envenenamento por mercúrio em humanos foi a poluição das águas naturais [1]. Hg ²⁺ o metabolismo de íons por micróbios aquáticos produz metil mercúrio, que era uma potente neurotoxina associada a distúrbios cognitivos e de movimento [2]. Portanto, métodos de detecção de mercúrio que sejam rápidos, econômicos, fáceis e aplicáveis a ambientes complexos são necessários. Particularmente, nanomateriais com propriedades ópticas únicas podem ser empregados para desenvolver sensores ópticos com alta sensibilidade e seletividade [3]. Pontos quânticos semicondutores (QDs), nanoclusters de metal fluorescente (NCs), nanopartículas de metal nobre (NPs) e nanopontos de carbono (CDs) foram comumente usados no projeto de Hg ²⁺ sensores óticos por causa de suas propriedades distintas, como fácil síntese, alta estabilidade, funcionalização e biocompatibilidade. Muitos sensores fluorescentes para Hg ²⁺ foi relatado [4,5,6,7,8]. Por exemplo, Huang et al. [9] desenvolveu um sensor de transferência de energia de ressonância Förster limitado por tempo (FRET) para Hg ²⁺ detecção. Além disso, diferentes sistemas FRET foram desenvolvidos para a detecção de Hg ²⁺ [10,11,12]. Notavelmente, os sistemas FRET podem ser construídos de forma semelhante usando nanopartículas, como QDs, bem como NPs orgânicos e inorgânicos [13,14,15]. Entre as nanopartículas, g-C ₃ N ₄ nanofolhas atraíram amplo interesse [16, 17]. Embora g-C ₃ N ₄ nanofolhas foram aplicadas como sensores, um sistema de detecção FRET com g-C ₃ N ₄ nanofolhas e CdSe QDs para íons metálicos não foram relatados. Os sistemas de detecção de fluorescência baseados em FRET oferecem múltiplas vantagens [18].

No presente estudo, um novo sensor de fluorescência baseado em FRET foi desenvolvido para detectar íons de mercúrio em meio aquoso usando g-C ₃ N ₄ nanofolhas e partículas CdSe QDs como veículos. O mecanismo proposto foi ilustrado na Fig. 1.

Métodos

Materiais

Cloreto de mercúrio (II) (HgCl ₂ ) foi adquirido do Tong Ren Chemical Research Institute (Guizhou, China). Ureia e CdSe QDs foram adquiridos da Aladdin Reagent Company (Shanghai, China). Outros reagentes e produtos químicos eram de grau de reagente analítico e usados sem purificação adicional. Todas as soluções foram preparadas usando água purificada de um sistema de purificação de água com gradiente Milli-Q (Millipore Inc., EUA; resistividade nominal 18,2 MÙ cm).

Caracterização

Um difratômetro de raios X (Rigaku D / max-2400) foi usado para obter os padrões de difração. Os espectros de ultravioleta-visível (UV-vis) foram registrados em um espectrofotômetro de UV-vis 800 em temperatura ambiente. Os espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foram registrados em um espectrômetro Nicolet-nexus670 usando KBr. As medições de fluorescência foram realizadas à temperatura ambiente com um espectrômetro de fluorescência RF-5301PC. As medidas de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foram realizadas usando um espectrômetro multifuncional (Thermo Scientific).

Construção do sensor FRET entre o g-C ₃ N ₄ Nanofolhas e partículas CdSe QD

Em um procedimento típico, g-C ₃ N ₄ (125 mg, que foi sintetizado de acordo com nosso relatório anterior [19]) foi disperso em 250 mL de água (1:1) e ultrassom por 5 h em temperatura ambiente. Em seguida, CdSe QDs (1,838 g, 0,0216 mol) foram dissolvidos na solução por sonicação por 2 h. Dado que o grupo amina no g-C ₃ N ₄ nanofolhas e CdSe QDs tinham um grupo carboxila, g-C ₃ N ₄ nanofolhas e nanopartículas de CdSe QDs seriam combinadas por interação eletrostática. Todas as soluções foram preparadas em gradiente de água Milli-Q (pH =7). O CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ espectros de emissão de conjugado de nanofolha foram registrados. Todas as amostras foram excitadas a 334 nm, que estava perto da absorção mínima do aceitador.

Detecção de fluorescência de Hg ²⁺

Hg ²⁺ foi extinto à temperatura ambiente em água. Durante uma operação típica, 10 μL do CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanofolha foram adicionados a 3 mL de água ultrapura e, em seguida, a quantidade calculada de Hg ²⁺ foi adicionado. Os espectros de emissão do CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanofolha foram registrados 2 minutos depois à temperatura ambiente.

Análises de interferência e competição

A resposta da nanossonda FRET a outros íons metálicos (Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Pb ²⁺ , Cr ³⁺ , Cd ²⁺ , Zn ²⁺ e Cu ²⁺ ) foi estudado por meio de espectroscopia de fluorescência. Os estudos foram realizados usando o CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanofolha emitindo a 450 nm. A solução de conjugado foi colocada em uma cubeta de fluorescência de quartzo com trajeto óptico de 1 cm. A intensidade da fluorescência foi medida no comprimento de onda de emissão de 450 nm sob o comprimento de onda de excitação de 334 nm na presença de cada possível interferência (32 nM). Ensaios de competição também foram realizados para todas as possíveis interferências previamente analisadas. Para experimentos de competição, 32 nM Hg ²⁺ soluções aquosas foram preparadas.

Resultados e discussão

Caracterização

A estrutura e morfologia de g-C ₃ N ₄ nanofolhas foram caracterizadas por TEM, XPS e XRD. A imagem TEM na Fig. 2a mostrou que o g-C ₃ N ₄ nanofolha possuía uma morfologia semelhante ao grafeno que consiste principalmente em algumas camadas [19]. A Figura 2a mostrou os padrões de XRD do g-C ₃ N ₄ nanofolhas. O forte pico de XRD centrado em 27,4 ° correspondeu ao pico de empilhamento entre camadas de grafite típico (002) de g-C ₃ N ₄ . O pequeno pico em 13,1 ° correspondeu à característica de empacotamento estrutural in-plain periódico dentro das folhas [20, 21]. A medição XPS foi usada para analisar os estados de valência de g-C ₃ N ₄ nanofolhas. O espectro de XPS na Fig. 2c mostrou o C – C ligado a N em 284,8 e 288,0 eV, e o espectro de N 1 s estava em 397,04 eV. Na Fig. 2d, o pico em 811 cm ⁻¹ foi atribuído à vibração do anel de triazina. Os picos em torno de 1000 cm ⁻¹ representou os modos de alongamento de heterociclos CN, e o pico em 1800 cm ⁻¹ correspondeu a C – NH – C. Os picos em 300-3600 cm ⁻¹ correspondeu às vibrações de alongamento N – H e O – H [22].

Propriedades de UV-vis e fluorescência de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Nanofolhas

Os espectros de fluorescência e absorção de UV-vis foram obtidos para avaliar as propriedades ópticas de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanofolhas. Conforme mostrado na Fig. 3a, um grande pico em aproximadamente 334 nm foi observado no espectro de absorção de UV-vis. Além disso, os picos de emissão e excitação de fluorescência foram observados em 452 e 334 nm na espectroscopia de fluorescência síncrona na Fig. 3b e foram associados com a emissão de fluorescência e excitação de luz ultravioleta de nanofolhas. Os picos de emissão mostraram uma mudança em comparação com o g-C puro ₃ N ₄ nanofolhas em 14-16 nm (picos de emissão e excitação foram observados em 438 e 310 nm, conforme apresentado na Fig. 3c), que poderiam ser atribuídos ao FRET. A influência dos comprimentos de onda de excitação nas intensidades de fluorescência também foi confirmada.

Efeito do pH na fluorescência do CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Conjugados de nanofolha

A Figura 4 mostrou a fluorescência do CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanosheet conjugados em diferentes valores de pH. O valor do pH aumentou de 3 para 7 com a intensidade da fluorescência. No entanto, a intensidade da fluorescência diminuiu gradativamente quando o valor do pH variou aumentou de 7 para 10, o que poderia ser atribuído ao efeito do pH na mudança da carga superficial devido à protonação-desprotonação devido à existência de grupos amino na estrutura de gC ₃ N ₄ nanofolhas. Neste estudo, o CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanofolhas foram conduzidos para a detecção de Hg ²⁺ íons, e o valor de pH de 7 foi selecionado como o valor de pH ótimo. As emissões de fluorescência foram medidas em pH 7 contendo diferentes concentrações de NaCl para obter a estabilidade do CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanofolha sob circunstâncias de alta força iônica. Apenas uma ligeira mudança foi observada sob alta força iônica nas intensidades de fluorescência do CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanofolhas. O resultado mostrou que a alta força iônica teve efeitos mínimos nas intensidades de fluorescência dos conjugados.

Seletividade de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Sistema FRET de nanosheet na detecção de íons de mercúrio

A seletividade é um parâmetro importante de um novo sistema de detecção. A seletividade do CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ O sensor de nanosheet FRET foi avaliado usando vários íons de metal (por exemplo, Cu ²⁺ , Mg ²⁺ , Na ⁺ , Ca ²⁺ , Hg ²⁺ , Cr ³⁺ , Pb ²⁺ , Cd ²⁺ e Zn ²⁺ ); os resultados foram mostrados na Fig. 5a. Em comparação com a amostra em branco sem íons, a razão de fluorescência de Hg ²⁺ aumentou obviamente, enquanto a intensidade de fluorescência de outros íons metálicos mudou ligeiramente ou permanece a mesma. Esses resultados indicaram que o sensor FRET apresentou maior seletividade do que os demais (Fig. 5b). Assim, o CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ mostrou alta seletividade para Hg ²⁺ . Este fenômeno foi distinto em comparação com g-C puro ₃ N ₄ nanofolha, que era seletiva para Cu ²⁺ e Hg ²⁺ [23, 24].

Viabilidade do processo de fluorescência FRET na detecção de Hg ²⁺

Para estudar a praticabilidade do sensor FRET, o CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ detecção de fluorescência de nanofolha de Hg ²⁺ foi realizada. A presença de Hg ²⁺ resultou na diminuição da intensidade de fluorescência, conforme mostrado na Fig. 6, que ilustrou que Hg ²⁺ poderia efetivamente extinguir o sensor FRET. A fim de estudar a sensibilidade, a resposta do sensor a diferentes Hg ²⁺ as concentrações foram avaliadas posteriormente por espectroscopia de fluorescência e os resultados foram mostrados na Fig. 6a. A intensidade de fluorescência de g-C ₃ N ₄ nanofolhas diminuíram gradualmente com o aumento de Hg ²⁺ concentrações. A Figura 6b explicou que o eu / eu ₀ dependia da concentração de Hg ²⁺ , onde eu ₀ e eu foram a intensidade de fluorescência na ausência e presença, respectivamente, de Hg ²⁺ . Além disso, a relação de eu / eu ₀ entre as concentrações de Hg ²⁺ era linear, e a equação de regressão linear era I =- 9,6 × 10 ⁷ + 550,5 ( R ² =0,9882), como mostrado na inserção da Fig. 6b. Comparado com métodos de luminescência relatados recentemente, o método proposto tinha limite de detecção inferior e sensibilidade superior [25, 26]. O g-C ₃ N ₄ nanofolhas e CdSe QDs não exibiram nenhuma resposta de têmpera óbvia para outros íons metálicos além de Hg ²⁺ , o que sugere uma seletividade relativamente alta para este método.

Os outros cátions coexistentes que afetam a detecção do íon mercúrio também foram detectados. A resposta do CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ sistema de detecção baseado em nanosheet para Hg ²⁺ íon na presença de íons alcalinos, alcalino-terrosos e outros íons de metal de transição foi mostrado na Tabela 1. A coexistência da maioria dos íons de metal não interferiu na ligação de Hg ²⁺ , que indicou que a interferência desses íons coexistentes no Hg ²⁺ sensor era insignificante.

Além disso, a estabilidade a longo prazo é uma propriedade superior dos sensores. A absorbância e a fluorescência durante a investigação contínua a cada 3 dias dentro de 2 semanas indicaram que a atividade de CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanofolhas permaneceram acima de 92% da eficiência inicial, embora fossem armazenadas no ambiente ambiente. Os resultados indicaram que o CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanofolhas como sensores FRET tinham boa estabilidade a longo prazo.

Em comparação com relatórios anteriores sobre ensaios de fluorescência para Hg ²⁺ (os resultados estão listados na Tabela 2), o CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ A sonda de fluorescência de nanofolha baseada em FRET com a concentração de Hg (II) na faixa de 0-32 nmol / L em pH =7 exibiu um limite de detecção de 5,3 nmol / L. Assim, nosso método obteve um limite de detecção e faixa linear superiores.

Aplicação do Sensor FRET

O CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ nanofolhas como um sensor FRET forneceram com sucesso uma boa plataforma para detectar Hg ²⁺ em amostras reais devido à sua sensibilidade e seletividade. Poço, lago e águas de torneira foram selecionados como amostras reais para análise em que a recuperação de Hg ²⁺ estavam na faixa de 95,4–101,6% (Tabela 3). O desvio padrão relativo (RSD) de Hg ²⁺ estava na faixa de 0,64-1,72%. O resultado afirmou claramente que o método projetado pode ser usado de forma eficiente para detectar Hg ²⁺ em aplicações práticas. Os valores aceitáveis de RSD e erro relativo confirmaram a alta sensibilidade, alta precisão e alta confiabilidade do sensor FRET proposto para Hg ²⁺ determinação em aplicações práticas.

Conclusões

Um sistema baseado em FRET foi desenvolvido para detectar Hg ²⁺ dentro de g-C ₃ N ₄ nanofolhas / CdSe QDs. O limite de detecção de Hg ²⁺ íon foi de 5,3 nM, com uma resposta linear variando de 0 a 32 nM. A aplicabilidade deste sensor foi demonstrada medindo o conteúdo de Hg ²⁺ em amostras reais. Dada a estabilidade a longo prazo, baixo custo e preparação fácil do CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ conjugados de nanofolhas, o ensaio de fluorescência pode ser usado como um sensor de proteção ambiental. Esta estratégia forneceria uma abordagem alternativa para a construção de sensores baseados em FRET para Hg ²⁺ em meio aquoso, incluindo amostras ambientais e biológicas.

Destaques

1.
O sistema de transferência de energia de ressonância de fluorescência (FRET) foi construído entre pontos quânticos de CdTe (QDs) (doador) e g-C ₃ N ₄ (aceitador) na presença de Hg ²⁺ pela primeira vez.
2.
Os nanocompósitos de g-C ₃ N ₄ suportado por CdSe QDs (CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ ) foram fabricados por meio de uma rota de interação eletrostática simples em uma solução aquosa.
3.
A viabilidade do sistema FRET como sensor foi demonstrada para detectar Hg (II) em solução aquosa. Em pH 7, uma relação linear foi observada entre a intensidade de fluorescência extinta da concentração de Hg (II) no intervalo de 0-32 nmol / L. O limite de detecção foi de 5,3 nmol / L.
4.
A nova detecção de fluorescência baseada em FRET pode fornecer uma plataforma de ensaio atraente para quantificar Hg ²⁺ em soluções de água complexas.