Detecção Altamente Sensível e Seletiva de Hg²⁺ via FRET entre Pontos Quânticos de CdSe e Nanofolhas de g-C₃N₄

Resumo

Desenvolvemos um sistema de transferência de energia por ressonância de Förster (FRET) que acopla pontos quânticos (PQs) de CdSe como doadores com nanofolhas de g-C₃N₄ como aceitadores para alcançar detecção rápida, custo-efetiva e altamente seletiva de Hg²⁺ em meios aquosos. O nanocompósito CdSe PQs/g-C₃N₄ foi fabricado via auto-montagem eletrostática simples em água, resultando em nanofolhas decoradas aleatoriamente com diâmetro médio de PQ de ~7 nm. O quenching de fluorescência do doador foi linear com a concentração de Hg²⁺ (0–32 nM) em pH neutro, fornecendo limite de detecção de 5,3 nM. A sonda discriminou Hg²⁺ de um painel de íons metálicos comuns (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) e manteve >92% de sua fluorescência inicial após 2 semanas de armazenamento. Amostras reais de água (poço, lago, torneira) foram quantificadas com recuperações entre 95,4% e 101,6% e desvios padrão relativos abaixo de 2%. Esta plataforma FRET oferece uma solução robusta, reutilizável e ambientalmente amigável para monitoramento de contaminação por mercúrio.

Introdução

A contaminação de águas naturais por mercúrio permanece a principal fonte de exposição humana a este elemento neurotóxico. A conversão microbiana de Hg²⁺ em metil-mercúrio, uma potente neurotoxina, está associada a distúrbios cognitivos e motores em todo o mundo. Métodos de detecção rápidos, sensíveis e seletivos que operem em matrizes complexas são, portanto, essenciais para monitoramento ambiental e proteção da saúde pública.

Nanomateriais com propriedades ópticas únicas — como pontos quânticos semicondutores, nanoclusters metálicos fluorescentes, nanopartículas de metais nobres e nanodots de carbono — têm sido amplamente explorados para detecção de mercúrio. Estas plataformas beneficiam-se de síntese facilitada, alta fotoestabilidade, versatilidade de funcionalização e biocompatibilidade. Vários sensores baseados em FRET empregando pontos quânticos ou outras nanoestruturas foram relatados; contudo, um sistema FRET que acople PQs de CdSe com nanofolhas de nitreto de carbono grafítico (g-C₃N₄) para detecção de Hg²⁺ ainda não foi descrito.

Nanofolhas de g-C₃N₄ possuem estrutura de poucas camadas tipo grafeno, forte absorção no visível e abundantes grupos amina na superfície, tornando-as atraentes como aceitadores de energia. Combinando estas nanofolhas com PQs de CdSe via interações eletrostáticas, criamos um sensor FRET compacto e altamente responsivo capaz de distinguir Hg²⁺ de outros íons metálicos.

O princípio de operação do sensor é ilustrado na Figura 1 (diagrama do mecanismo).

Os mecanismos de detecção baseada em FRET para íons de mercúrio

Métodos

Materiais

Cloreto de mercúrio(II) (HgCl₂) foi obtido do Instituto de Pesquisa Química Tong Ren (Guizhou, China). Ureia e PQs de CdSe foram adquiridos da Aladdin Reagent Company (Xangai, China). Todos os demais reagentes eram de grau analítico e usados sem purificação adicional. Soluções foram preparadas com água Milli-Q (18,2 MΩ cm).

Caracterização

Difração de raios-X (Rigaku D/max-2400), espectroscopia UV-vis (UV-vis 800), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) (Nicolet-nexus670), espectroscopia de fluorescência (RF-5301PC), espectroscopia de fotoelétrons por raios-X (Thermo Scientific) e microscopia eletrônica de transmissão (MET) foram empregadas para investigar as propriedades estruturais e ópticas do nanocompósito.

Construção do Sensor FRET

Em uma síntese típica, 125 mg de g-C₃N₄ (pré-sintetizado) foram dispersos em 250 mL de água e sonicados por 5 h. Subsequentemente, 1,838 g de PQs de CdSe (0,0216 mol) foram adicionados e sonicados por 2 h para promover fixação eletrostática via grupos amina no g-C₃N₄ e PQs carboxilados. O conjugado CdSe PQs/g-C₃N₄ resultante foi excitado a 334 nm (próximo à borda de absorção do PQ) e sua emissão registrada a 452 nm.

Detecção de Fluorescência de Hg²⁺

Para cada ensaio, 10 µL do conjugado foram misturados com 3 mL de água ultrapura, seguido da adição da concentração desejada de Hg²⁺. Espectros de fluorescência foram adquiridos após 2 min à temperatura ambiente.

Análises de Interferência e Competição

Potencial interferência de Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ e Cu²⁺ (32 nM cada) foi avaliada medindo a fluorescência a 450 nm sob excitação a 334 nm. Experimentos de competição foram realizados adicionando 32 nM de Hg²⁺ na presença de cada interferente.

Resultados e Discussão

Caracterização

Microscopia eletrônica de transmissão (Figura 2a) confirmou a morfologia de poucas camadas, tipo grafeno, das nanofolhas de g-C₃N₄. Difração de raios-X (Figura 2b) exibiu o pico característico (002) a 27,4°, confirmando empilhamento grafitico, enquanto um pico menor a 13,1° indicou periodicidade no plano. Espectroscopia de fotoelétrons por raios-X (Figura 2c) revelou ligações C-C/N a 284,8 e 288,0 eV e N 1s a 397,04 eV. FTIR (Figura 2d) mostrou vibrações de anel triazina a 811 cm⁻¹, alongamentos de heterociclos CN próximo a 1000 cm⁻¹, C-NH-C a 1800 cm⁻¹, e alongamentos N-H/O-H entre 300–3600 cm⁻¹.

Caracterização das nanofolhas de g-C₃N₄ preparadas. a Imagem MET. b Padrão DRX. c Espectro XPS. d Espectro FTIR

Propriedades UV-vis e de Fluorescência

O conjugado CdSe PQs/g-C₃N₄ exibiu pico de absorção proeminente a ~334 nm (Figura 3a). A emissão de fluorescência atingiu pico a 452 nm sob excitação a 334 nm (Figura 3b), um deslocamento vermelho de 14–16 nm relativo ao g-C₃N₄ puro (emissão a 438 nm, excitação a 310 nm) atribuível a FRET eficiente.

Espectro de absorção UV-vis e fluorescência dos conjugados CdSe PQs/g-C₃N₄

Efeito do pH

A intensidade de fluorescência aumentou do pH 3 a 7 e declinou de 7 a 10 (Figura 4), provavelmente devido a protonação/desprotonação de grupos amina superficiais afetando a carga superficial. pH neutro 7 foi escolhido para detecção de Hg²⁺, onde alta força iônica (NaCl) teve impacto negligenciável na fluorescência.

Efeito do pH na fluorescência do conjugado CdSe PQs/nanofolhas de g-C₃N₄

Seletividade

Quando exposto a um painel de íons metálicos competidores, a razão de fluorescência do sensor (I/I₀) aumentou marcadamente apenas na presença de Hg²⁺ (Figura 5a), enquanto outros íons produziram mudanças negligenciáveis. Esta seletividade contrasta com g-C₃N₄ puro, que responde a ambos Cu²⁺ e Hg²⁺, ressaltando o papel dos PQs de CdSe em conferir especificidade para Hg²⁺ (Figura 5b).

Experimentos de seletividade para o sensor FRET de CdSe PQs/nanofolhas de g-C₃N₄

Viabilidade e Sensibilidade

O quenching de fluorescência aumentou linearmente com a concentração de Hg²⁺ de 0 a 32 nM (Figura 6a). A razão I/I₀ seguiu a equação I = –9,6 × 10⁷ + 550,5 (R² = 0,9882), resultando em limite de detecção de 5,3 nM. A sonda exibiu resposta negligenciável a outros íons metálicos, confirmando alta seletividade. Testes de estabilidade mostraram que após 14 dias em condições ambientes, o conjugado reteve >92% de sua fluorescência inicial.

Propriedades de detecção do conjugado CdSe PQs/g-C₃N₄ e dependência da intensidade de fluorescência na concentração de Hg²⁺ (0–32 nM)

Cátions coexistentes (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) não interferiram na detecção de Hg²⁺, conforme mostrado na Tabela 1. Estabilidade a longo prazo e reprodutibilidade foram confirmadas através de medições periódicas de fluorescência ao longo de 14 dias.

Aplicação em Amostras Reais

O sensor foi aplicado a água de lago, torneira e poço espalhada com Hg²⁺. Recuperações variaram de 95,4% a 101,6% com DPRs entre 0,64% e 1,72% (Tabela 3), demonstrando desempenho confiável em matrizes complexas.

Conclusões

Desenvolvemos um sensor de Hg²⁺ baseado em FRET que acopla PQs de CdSe com nanofolhas de g-C₃N₄. A sonda oferece limite de detecção de 5,3 nM, faixa linear de 0–32 nM e seletividade excepcional contra íons metálicos comuns. Sua síntese simples em fase aquosa, alta fotoestabilidade e baixo custo tornam-na adequada para monitoramento ambiental e potencialmente para aplicações biomédicas.

Destaques

1. Construção de um sistema FRET entre pontos quânticos de CdSe e nanofolhas de g-C₃N₄ para detecção de Hg²⁺.
2. Síntese de nanocompósitos CdSe PQs/g-C₃N₄ via auto-montagem eletrostática direta em água.
3. Demonstrado quenching linear de fluorescência de Hg²⁺ (0–32 nM) a pH 7 com limite de detecção de 5,3 nM.
4. Plataforma FRET proposta fornece ensaio versátil e reutilizável para quantificação de Hg²⁺ em amostras de água complexas.

Abreviações

FRET:

Transferência de energia por ressonância de Förster

FTIR:

Infravermelho com transformada de Fourier

UV-vis:

Ultravioleta-visível

XPS:

Espectroscopia de fotoelétrons por raios-X

XRD:

Difratômetro de raios-X