Nanohíbrido Núcleo-Casca CdSe@SiO₂ Impresso Molecularmente: Sonda Fluorescente Raciométrica para Detecção Ultra-Sensível de 4-Nitrofenol

Resumo

4-Nitrofenol (4-NP) é poluente prioritário que apresenta riscos carcinogênicos e genotóxicos significativos a humanos e vida selvagem mesmo em níveis traço. Relatamos novo nanohíbrido núcleo-casca impresso molecularmente que funciona como sensor fluorescente raciométrico para detecção altamente sensível e seletiva de 4-NP. Sensor explora transferência de energia por ressonância de fluorescência (FRET) entre pontos de carbono fotoluminescentes (CDs) e 4-NP, enquanto ponto quântico CdSe revestido com sílica (CdSe@SiO₂) fornece sinal referência estável. Nanohíbrido de dupla emissão sintetizado ligando covalentemente CDs funcionalizados com organossilano a CdSe@SiO₂ via ligações Si-O, seguido por etapa polimerização sol-gel que ancorada camada polímero impresso molecularmente (MIP) ao redor da sonda. Microscopia eletrônica de transmissão e análises espectroscópicas confirmam montagem bem-sucedida da estrutura núcleo-casca e suas propriedades ópticas. Sensor entrega resposta linear 0,051–13,7 µg mL⁻¹ com limite detecção 0,026 µg mL⁻¹, superando métodos atuais baseados em fluorescência. Integração MIP e fluorescência raciométrica demonstra plataforma robusta para detecção analito traço em monitoramento ambiental.

Introdução

Nitrofenóis amplamente usados em herbicidas, pesticidas, corantes e farmacêuticos, tornando-os entre contaminantes ambientais mais comuns. 4-Nitrofenol (4-NP) particularmente perigoso, classificado EPA como poluente prioritário com limite água potável permitida 60 ng mL⁻¹. Portanto, métodos detecção confiáveis essenciais. Técnicas analíticas tradicionais — cromatografia, eletroquímica, quimioluminescência, ensaios fluorescência — oferecem trade-offs variados entre sensibilidade, custo e complexidade operacional. Detecção fluorescência atrativa por simplicidade e velocidade; porém, sondas mono-emissão sofrem flutuações intensidade causadas por variações excitação, mudanças concentração sonda, interferência quenchers como metais pesados ou espécies reativas oxigênio. Fluorescência raciométrica, que mede razão intensidade duas bandas emissão, mitiga estes problemas via auto-calibração, resultando quantificação mais confiável. Embora várias sondas raciométricas tenham mostrado sensibilidade melhorada para poluentes como Hg²⁺ e H₂S, poucas combinam leituras raciométricas com impressão molecular para alcançar alta sensibilidade e seletividade para analitos traço.

Para abordar esta lacuna, construímos sensor dupla-emissão que funde sistema raciométrico FRET com MIP adaptado a 4-NP. Pontos quânticos CdSe embutidos em casca sílica (CdSe@SiO₂) servem como fluoróforo referência, enquanto CDs funcionalizados organossilano atuam como doador FRET. Casca sílica protege núcleos tóxicos Cd e Se e fornece matriz inerte, transparente para FRET. Camada MIP, formada via polimerização sol-gel na presença 4-NP, cria sítios reconhecimento seletivos que aumentam ligação e eficiência quenching. Esta arquitetura entrega alta sensibilidade (devido FRET) e alta seletividade (devido MIP).

Métodos

Materiais

Tetraetoxissilano (TEOS), Triton X-100, éter petróleo comprados Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China). Ciclohexano, 4-NP, hexil álcool, hidróxido amônio (25% p/p), álcool etílico absoluto, metilbenzeno, álcool isopropílico de Guangfu Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China). 3-Aminopropiltrimetoxissilano (APTMS) e ácido cítrico anidro de Aladdin Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Pontos quânticos CdSe/ZnS carboxyl-modificados fornecidos Wuhan Jiayuan Quantum Dot Technological Development Co., Ltd. (Wuhan, China). Todos reagentes grau analítico usados como recebidos. Água desionizada (18,2 MΩ cm) preparada com sistema Sartorius Arium® Pro VF.

Síntese CdSe@SiO₂

Microemulsão reversa formada misturando 7,7 mL ciclohexano, 1,77 mL Triton X-100, 1,8 mL n-hexanol, e 400 µL solução PQ CdSe (8 µM). Após estabilização microemulsão, 50 µL TEOS e 200 µL hidróxido amônio 25% adicionados. Sistema agitado 25 °C por 24 h, então quebrado com 36 mL álcool isopropílico. Precipitado resultante repetidamente lavado com etanol por centrifugação até sobrenadante sem fluorescência. Partículas purificadas finalmente dispersas em tolueno sob ultrassom.

Síntese CDs Funcionalizados Organossilano

APTMS (10 mL) aquecido 185 °C, seguido adição rápida 0,5 g ácido cítrico anidro sob agitação vigorosa. Após 1 min a 185 °C, mistura resfriada 25 °C. Produto verde-escuro purificado extraindo com éter petróleo (×5, razão volume 1:1). Fase inferior rendeu aproximadamente 2 mL CDs funcionalizados organossilano.

Revestimento CdSe@SiO₂ com CDs e Camada MIP

10 µL CDs funcionalizados organossilano adicionados a 25 mL tolueno contendo 5 mg CdSe@SiO₂. Mistura aquecida 113 °C sob refluxo 12 h com agitação, então centrifugada e ressuspensa em 2 mL etanol. 0,2 mg 4-NP introduzido e reagido 2 h a 25 °C. TEOS (25 µL) e hidróxido amônio (25 µL) então adicionados, sistema agitado mais 5 h a 25 °C. Após três ciclos precipitação/centrifugação e lavagem etanol, produto — CdSe@SiO₂/CDs/MIP — disperso em etanol para uso. Controles não-impressos (NIP) preparados identicamente mas sem 4-NP.

Determinação Capacidade Adsorção

Para cada amostra, 0,1 mg 4-NP adicionado a 1 mL (1,5 mg mL⁻¹) nanohíbridos e agitado 120 min. Após centrifugação (12.000 rpm, 15 min), sobrenadante analisado UV-vis a 400 nm. Capacidade adsorção (Q) calculada via Q=(C₀-Cₜ)V/W, onde C₀ e Cₜ concentrações inicial e final, V volume solução, W massa nanohíbridos.

Caracterização

MET alta resolução (JEOL JEM-2100, 200 kV) usada visualizar morfologia. Espectros FTIR registrados Nicolet Magna IR-560 (20 varreduras, resolução 4 cm⁻¹). Medidas fluorescência realizadas espectrofotômetro Cary Eclipse (células 1 cm). Espectros UV-vis adquiridos espectrofotômetro TU-1810 (células 1 cm).

Detecção Fluorescente 4-NP

1 mL CdSe@SiO₂/CDs/MIP em etanol (1,5 mg mL⁻¹) misturado com 2 mL etanol e quantidade desejada 4-NP. Após 10 min incubação temperatura ambiente (pH ≈ 7,0), espectros fluorescência registrados excitação 350 nm (fendas 10 nm). Incubação 10-min escolhida baseada em precedentes sondas raciométricas.

Resultados e Discussão

Análise espectral inicial confirmou que PQs CdSe (emissão 460 nm) e CDs (emissão 615 nm) não se sobrepõem, permitindo leitura raciométrica clara. Importante, banda emissão CDs sobrepõe absorção 4-NP, permitindo quenching mediado FRET a 455 nm enquanto referência CdSe permanece inalterada.

Rota sintética (Esquema 1) envolveu (i) revestimento sílica PQs CdSe formando CdSe@SiO₂, (ii) fixação CDs funcionalizados organossilano, e (iii) encapsulamento com camada MIP baseada TEOS. Arquitetura preserva fotoluminescência PQs, fixa CDs na matriz, e gera cavidades específicas 4-NP.

Morfologia e Propriedades Ópticas

Imagens HRTEM (Fig. 1) mostram partículas esféricas uniformes com diâmetros médios 46,7 ± 2,5 nm (CdSe@SiO₂), 53,6 ± 2,7 nm (CdSe@SiO₂/CD), e 66,4 ± 2,0 nm (CdSe@SiO₂/CD/MIP). Aumento tamanho reflete camadas sequenciais CDs e casca MIP. Espessura MIP (~12,8 nm) ótima para proximidade FRET (<10 nm). Espectros FTIR (Fig. 1g) confirmam presença vibrações Si-O-Si, C=O, C-H, NH₂, e picos NO₂ característicos após impressão, verificando formação MIP bem-sucedida.

Estabilidade e Sensibilidade Fluorescência

Espectros fluorescência antes e após remoção molde (Fig. 2a) mostram emissão CD a 615 nm permanece intacta, enquanto banda 455 nm recupera após remoção 4-NP, indicando quenching reversível. Sonda mantém >95% intensidade 455 nm por 120 min, confirmando excelente fotostabilidade (Fig. 2b). Capacidade adsorção nanohíbrido MIP (9,1 mg g⁻¹) marcadamente maior que NIP (1,58 mg g⁻¹), refletindo design cavidade seletiva.

Avaliação Seletividade

Para avaliar especificidade, sensor desafiado com fenol, 2-NP, e hidroquinona. Eficiências quenching para estes análogos substancialmente menores que 4-NP (Fig. 3), atribuível a sobreposição absorção incompatível e incompatibilidade cavidade. 2-NP, apesar similaridade estrutural, exibiu apenas um-terço quenching, confirmando reconhecimento seletivo MIP.

Detecção Quantitativa 4-NP

Adição incremental 4-NP (0,051–13,7 µg mL⁻¹) produziu diminuição pronunciada banda 455 nm enquanto referência 615 nm permaneceu constante (Fig. 4a). Plotando razão intensidade F_b/F_r contra concentração 4-NP resulta relação linear (R² = 0,985) na faixa trabalho, com limite detecção calculado 0,026 µg mL⁻¹ (3σ/k). Este LOD bem abaixo diretriz EPA 60 ng mL⁻¹, demonstrando adequação sensor para monitoramento real. Comparado métodos literatura (Tabela 1), nanohíbrido proposto iguala ou supera técnicas eletroquímicas e fluorescência atuais em sensibilidade e linearidade.

Conclusões

Projetamos nanohíbrido núcleo-casca CdSe@SiO₂ impresso molecularmente que funciona como sonda fluorescente raciométrica para detecção ultra-traço 4-NP. Sistema dupla-emissão aproveita quenching mediado FRET de CDs por 4-NP mantendo sinal referência CdSe estável. Camada MIP proporciona alta afinidade ligação e seletividade, resultando resposta linear 0,051–13,7 µg mL⁻¹ e limite detecção 0,026 µg mL⁻¹ — bem abaixo limites regulatórios. Este trabalho demonstra que combinar impressão molecular com fluorescência raciométrica oferece estratégia poderosa para monitoramento sensível, seletivo e confiável poluentes ambientais perigosos.