Молекулярно-импринтированный CdSe@SiO₂ ядро-оболочка наногибрид: ратиометрический флуоресцентный зонд для ультра-чувствительного обнаружения 4-нитрофенола

Аннотация

4-нитрофенол (4-NP) — приоритетный загрязнитель, представляющий значительные канцерогенные и генотоксические риски для людей и дикой природы даже при следовых уровнях. Здесь мы сообщаем о новом молекулярно-импринтированном ядро-оболочка наногибриде, функционирующем как ратиометрический флуоресцентный сенсор для высокочувствительного и селективного обнаружения 4-NP. Сенсор использует резонансный перенос энергии флуоресценции (FRET) между фоtoluminescence карбонными точками (CDs) и 4-NP, в то время как кремнеземистый CdSe квантовая точка (CdSe@SiO₂) обеспечивает стабильный референсный сигнал. Двойной-эмиссионный наногибрид синтезируется ковалентным связыванием органсилилан-функционализированных CDs к CdSe@SiO₂ через Si-O связи, за которым следует соль-гель полимеризация, закрепляющая молекулярно-импринтированный полимер (MIP) слой вокруг зонда. Трансляционная электронная микроскопия и спектроскопические анализы подтверждают успешную сборку ядро-оболочка структуры и ее оптические свойства. Сенсор дает линейный отклик в диапазоне 0,051–13,7 мкг мл⁻¹ с пределом детектирования 0,026 мкг мл⁻¹, превосходя текущие флуоресцентные методы. Интеграция MIP и ратиометрической флуоресценции демонстрирует надежную платформу для следового анализа в экологическом мониторинге.

Введение

Нитрофенолы широко используются в гербицидах, пестицидах, красителях и фармацевтике, делая их среди наиболее распространенных экологических загрязнителей. 4-нитрофенол (4-NP) особенно опасен, классифицирован EPA как приоритетный загрязнитель с допустимым лимитом в питьевой воде 60 нг мл⁻¹. Соответственно, надежные методы детектирования необходимы. Традиционные аналитические техники — хроматография, электрохимические, хемилюминесцентные и флуоресцентные анализы — предлагают различные компромиссы между чувствительностью, стоимостью и операционной сложностью. Флуоресцентное детектирование привлекательно своей простотой и скоростью; однако одиночно-эмиссионные зонды страдают от интенсивностных флуктуаций, вызванных вариациями возбуждения, изменениями концентрации зонда и интерференцией от квинчеров, таких как тяжелые металлы или реактивные кислородные виды. Ратиометрическая флуоресценция, измеряющая отношение интенсивностей двух эмиссионных полос, смягчает эти проблемы через само-калибровку, давая более надежную квантификацию. Хотя несколько ратиометрических зондов показали улучшенную чувствительность для загрязнителей вроде Hg²⁺ и H₂S, малое число сочетают ратиометрическое чтение с молекулярным импринтингом для достижения высокой чувствительности и селективности к следовым аналитам.

Для устранения этого пробела мы построили двойной-эмиссионный сенсор, объединяющий ратиометрическую FRET систему с MIP, адаптированным к 4-NP. CdSe квантовые точки, встроенные в кремнеземистую оболочку (CdSe@SiO₂), служат референсным флуорофором, в то время как органсилилан-функционализированные CDs действуют как FRET донор. Кремнеземистая оболочка защищает токсичные Cd и Se ядра и обеспечивает инертную, прозрачную матрицу для FRET. MIP слой, сформированный соль-гель полимеризацией в присутствии 4-NP, создает селективные сайты распознавания, улучшающие связывание и эффективность кинения. Эта архитектура обеспечивает как высокую чувствительность (благодаря FRET), так и высокую селективность (благодаря MIP).

Методы

Материалы

Тетраэтоксисилан (TEOS), Triton X-100 и нефтяной эфир приобрели у Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. Циклогексан, 4-NP, гексиловый спирт, гидроксид аммония (25 вес.%), абсолютный этиловый спирт, метилбензен и изопропиловый спирт получены от Guangfu Chemical Reagent Co., Ltd. 3-аминопропилтриметоксисилан (APTMS) и безводная лимонная кислота получены от Aladdin Chemical Reagent Co., Ltd. Карбоксил-модифицированные CdSe/ZnS квантовые точки поставлялись Wuhan Jiayuan Quantum Dot Technological Development Co., Ltd. Все реактивы аналитического класса и использованы как получены. Деионизированная вода (18,2 МОм см) готовилась системой Sartorius Arium® Pro VF.

Синтез CdSe@SiO₂

Обратная микроэмульсия формировалась смешиванием 7,7 мл циклоhexан, 1,77 мл Triton X-100, 1,8 мл n-геxanол и 400 мкл CdSe КТ раствора (8 мкМ). После стабилизации микроэмульсии добавляли 50 мкл TEOS и 200 мкл 25 вес.% гидроксида аммония. Систему перемешивали при 25 °C 24 ч, затем разрушали 36 мл изопропиловым спиртом. Полученный осадок многократно промывали этанолом центрифугированием до отсутствия флуоресценции в supernatанте. Очищенные частицы финально диспергировали в толуоле под ультразвуком.

Синтез органсилилан-функционализированных CDs

APTMS (10 мл) нагревали до 185 °C, за чем быстро добавляли 0,5 г безводной лимонной кислоты под интенсивным перемешиванием. После 1 мин при 185 °C смесь охлаждали до 25 °C. Темно-зеленый продукт очищали экстракцией нефтяным эфиром (×5, объемное соотношение 1:1). Нижняя фаза давала примерно 2 мл органсилилан-функционализированных CDs.

Покрытие CdSe@SiO₂ CDs и MIP слоем

10 мкл органсилилан-функционализированных CDs добавляли к 25 мл толуола, содержащего 5 мг CdSe@SiO₂. Смесь нагревали при 113 °C под рефлюксом 12 ч с перемешиванием, затем центрифугировали и ресуспендировали в 2 мл этанола. 0,2 мг 4-NP вводили и реагировали 2 ч при 25 °C. TEOS (25 мкл) и гидроксид аммония (25 мкл) затем добавляли, и система перемешивали еще 5 ч при 25 °C. После трех циклов осаждения/центрифугирования и промывки этанолом продукт — CdSe@SiO₂/CDs/MIP — диспергировали в этаноле для использования. Не-импринтированные контролы (NIP) готовили идентично но без 4-NP.

Определение адсорбционной способности

Для каждого образца 0,1 мг 4-NP добавляли к 1 мл (1,5 мг мл⁻¹) наногибридов и перемешивали 120 мин. После центрифугирования (12 000 об/мин, 15 мин) supernatант анализировали UV-vis при 400 нм. Адсорбционная способность (Q) рассчитывалась через Q=(C₀-Cₜ)V/W, где C₀ и Cₜ — начальная и финальная концентрации, V — объем раствора, W — масса наногибридов.

Характеристика

Высокое разрешение TEM (JEOL JEM-2100, 200 кВ) использовали для визуализации морфологии. FTIR спектры записывали на Nicolet Magna IR-560 (20 сканов, 4 см⁻¹ разрешение). Флуоресцентные измерения выполняли на Cary Eclipse спектрофотометре (1 см кюветы). UV-vis спектры получали на TU-1810 спектрофотометре (1 см кюветы).

Флуоресцентное детектирование 4-NP

1 мл CdSe@SiO₂/CDs/MIP в этаноле (1,5 мг мл⁻¹) смешивали с 2 мл этанола и желаемым количеством 4-NP. После 10 мин инкубации при комнатной температуре (pH ≈ 7,0) флуоресцентные спектры записывали при 350 нм возбуждении (10 нм щели). 10-минутная инкубация выбрана на основе прецедента для ратиометрических зондов.

Результаты и обсуждение

Первичный спектральный анализ подтвердил, что CdSe КТ (эмиссия 460 нм) и CDs (эмиссия 615 нм) не перекрываются, позволяя четкое ратиометрическое чтение. Важно, что эмиссионная полоса CDs перекрывает поглощение 4-NP, позволяя FRET-медированное кинение при 455 нм, в то время как CdSe референс остается неизменным.

Синтетический маршрут (Схема 1) включал (i) кремнеземистое покрытие CdSe КТ для формирования CdSe@SiO₂, (ii) присоединение органсилилан-функционализированных CDs и (iii) инкапсуляцию TEOS-базированным MIP слоем. Эта архитектура сохраняет фоtoluminescence КТ, фиксирует CDs в матрице и генерирует 4-NP-специфические полости.

Морфология и оптические свойства

HRTEM изображения (Рис. 1) показывают единообразные сферические частицы со средними диаметрами 46,7 ± 2,5 нм (CdSe@SiO₂), 53,6 ± 2,7 нм (CdSe@SiO₂/CD) и 66,4 ± 2,0 нм (CdSe@SiO₂/CD/MIP). Увеличение размера отражает последовательное наложение CDs и MIP оболочки. Толщина MIP (~12,8 нм) оптимальна для FRET близости (<10 нм). FTIR спектры (Рис. 1g) подтверждают присутствие Si-O-Si, C=O, C-H и NH₂ вибраций, и характерные NO₂ пики после импринтинга, верифицируя успешное MIP формирование.

Флуоресцентная стабильность и чувствительность

Флуоресцентные спектры до и после удаления шаблона (Рис. 2a) показывают, что CDs эмиссия при 615 нм остается целой, в то время как 455 нм полоса восстанавливается при удалении 4-NP, указывая на обратимое кинение. Зонд сохраняет >95% своей 455 нм интенсивности за 120 мин, подтверждая отличную фотостабильность (Рис. 2b). Адсорбционная способность MIP наногибрида (9,1 мг г⁻¹) заметно выше, чем NIP (1,58 мг г⁻¹), отражая селективный дизайн полостей.

Оценка селективности

Для оценки специфичности сенсор вызывали фенолом, 2-NP и гидрохиноном. Кинение эффективности для этих аналогов была существенно ниже, чем для 4-NP (Рис. 3), атрибутируемое несовпадению поглощения перекрытия и полости. 2-NP, несмотря на структурное сходство, демонстрировал только треть кинения, подтверждая селективное распознавание MIP.

Количественное детектирование 4-NP

Инкрементальное добавление 4-NP (0,051–13,7 мкг мл⁻¹) давало выраженное снижение 455 нм полосы, в то время как 615 нм референс оставался постоянным (Рис. 4a). Построение отношения интенсивностей F_b/F_r против концентрации 4-NP дает линейную зависимость (R² = 0,985) в рабочем диапазоне, с рассчитанным пределом детектирования 0,026 мкг мл⁻¹ (3σ/k). Этот LOD значительно ниже EPA гайдлайна 60 нг мл⁻¹, демонстрируя пригодность сенсора для реального мониторинга. По сравнению с литературными методами (Таблица 1), предложенный наногибрид соответствует или превосходит текущие электрохимические и флуоресцентные техники по чувствительности и линейности.

Заключение

Мы спроектировали молекулярно-импринтированный CdSe@SiO₂ ядро-оболочка наногибрид, функционирующий как ратиометрический флуоресцентный зонд для ультра-следовых детектирования 4-NP. Двойная-эмиссионная система использует FRET-медированное кинение CDs 4-NP, сохраняя стабильный CdSe референсный сигнал. MIP слой обеспечивает высокую связывающую аффинность и селективность, давая линейный отклик 0,051–13,7 мкг мл⁻¹ и предел детектирования 0,026 мкг мл⁻¹ — значительно ниже регуляторных лимитов. Эта работа демонстрирует, что сочетание молекулярного импринтинга с ратиометрической флуоресценцией предлагает мощную стратегию для чувствительного, селективного и надежного мониторинга опасных экологических загрязнителей.