Высокоселективное и чувствительное обнаружение Hg2 + на основе передачи энергии резонанса Фёрстера между квантовыми точками CdSe и нанолистами g-C3N4

Фон

Основной причиной отравления человека ртутью были загрязненные природные воды [1]. Hg ²⁺ При ионном метаболизме водными микробами образуется метилртуть, которая была мощным нейротоксином, связанным с когнитивными и двигательными расстройствами [2]. Следовательно, необходимы быстрые, экономичные, простые и применимые в сложных средах методы обнаружения ртути. В частности, наноматериалы с уникальными оптическими свойствами могут быть использованы для создания оптических сенсоров с высокой чувствительностью и селективностью [3]. Полупроводниковые квантовые точки (КТ), флуоресцентные нанокластеры металлов (НК), наночастицы благородных металлов (НЧ) и углеродные наноточки (КТ) обычно использовались при разработке Hg ²⁺ оптические датчики из-за их различных свойств, таких как простой синтез, высокая стабильность, функционализация и биосовместимость. Множество флуоресцентных датчиков Hg ²⁺ было сообщено [4,5,6,7,8]. Например, Хуанг и др. [9] разработали датчик резонансной передачи энергии Фёрстера (FRET) с синхронизацией по времени для Hg ²⁺ . обнаружение. Кроме того, были разработаны различные системы FRET для обнаружения Hg ²⁺ [10,11,12]. Примечательно, что системы FRET могут быть аналогичным образом построены с использованием наночастиц, таких как КТ, а также органических и неорганических НЧ [13,14,15]. Среди наночастиц g-C ₃ N ₄ нанолисты вызвали широкий интерес [16, 17]. Хотя g-C ₃ N ₄ нанолисты были применены в качестве датчиков, система обнаружения FRET с g-C ₃ N ₄ о нанолистах и ​​квантовых точках CdSe для ионов металлов не сообщалось. Системы измерения флуоресценции на основе FRET обладают множеством преимуществ [18].

В настоящем исследовании был разработан новый датчик флуоресценции на основе FRET для обнаружения ионов ртути в водных средах с использованием g-C ₃ N ₄ нанолисты и частицы КТ CdSe как носители. Предлагаемый механизм показан на рис. 1.

Механизмы обнаружения ионов ртути на основе FRET

Методы

Материалы

Хлорид ртути (II) (HgCl ₂ ) был приобретен в Tong Ren Chemical Research Institute (Гуйчжоу, Китай). КТ мочевины и CdSe были приобретены у Aladdin Reagent Company (Шанхай, Китай). Остальные реагенты и химические вещества были чистыми для аналитических реагентов и использовались без дополнительной очистки. Все растворы были приготовлены с использованием очищенной воды из системы очистки воды с градиентом Milli-Q (Millipore Inc., США; номинальное удельное сопротивление 18,2 МÙ см).

Характеристика

Для получения дифракционных картин использовали рентгеновский дифрактометр (Rigaku D / max-2400). Спектры ультрафиолетового и видимого (УФ-видимого) диапазонов записаны на спектрофотометре УФ-видимого диапазона 800 при комнатной температуре. Инфракрасные спектры с преобразованием Фурье (FTIR) записывали на спектрометре Nicolet-nexus670 с использованием KBr. Измерения флуоресценции проводили при комнатной температуре с помощью флуоресцентного спектрометра RF-5301PC. Измерения рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) были выполнены с использованием многофункционального спектрометра (Thermo Scientific).

Конструкция датчика FRET между g-C ₃ N ₄ Нанолисты и частицы CdSe QD

В типичной процедуре g-C ₃ N ₄ (125 мг, который был синтезирован согласно нашему предыдущему отчету [19]) диспергировали в 250 мл воды (1:1) и обрабатывали ультразвуком в течение 5 ч при температуре окружающей среды. Затем КТ CdSe (1.838 г, 0.0216 моль) растворяли в растворе обработкой ультразвуком в течение 2 часов. Учитывая, что аминогруппа на g-C ₃ N ₄ нанолисты и квантовые точки CdSe имели карбоксильную группу g-C ₃ N ₄ нанолисты и наночастицы КТ CdSe будут объединены электростатическим взаимодействием. Все растворы готовили в градиентной воде Milli-Q (pH =7). КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ Спектры излучения сопряженных нанолистов были записаны. Все образцы возбуждали на длине волны 334 нм, что близко к минимальному поглощению акцептора.

Обнаружение флуоресценции Hg ²⁺

Hg ²⁺ закалили в воде при комнатной температуре. Во время типичной операции 10 мкл квантовых точек CdSe / г-C ₃ N ₄ Конъюгаты нанолистов добавляли к 3 мл сверхчистой воды, а затем рассчитывали количество Hg ²⁺ был добавлен. Спектры излучения КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ Конъюгаты нанолистов были записаны через 2 минуты при комнатной температуре.

Анализ помех и конкуренции

Отклик нанозонда FRET на ионы других металлов (Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Pb ²⁺ , Cr ³⁺ , CD ²⁺ , Zn ²⁺ , и Cu ²⁺ ) был изучен методом флуоресцентной спектроскопии. Исследования проводились с использованием CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ нанолистовые конъюгаты, излучающие на длине волны 450 нм. Раствор конъюгата помещали в кварцевую флуоресцентную кювету с оптическим путем длиной 1 см. Интенсивность флуоресценции измеряли при длине волны излучения 450 нм при длине волны возбуждения 334 нм в присутствии каждой возможной интерференции (32 нМ). Также были проведены конкурентные анализы для всех проанализированных ранее возможных помех. Для конкурентных экспериментов 32 нМ Hg ²⁺ были приготовлены водные растворы.

Результаты и обсуждение

Характеристика

Строение и морфология g-C ₃ N ₄ Нанолисты охарактеризованы методами ПЭМ, РФЭС и РФА. ПЭМ-изображение на рис. 2а показало, что g-C ₃ N ₄ Нанолист имел графеноподобную морфологию, которая в основном состоит из нескольких слоев [19]. На рис. 2а показаны рентгенограммы g-C ₃ N ₄ нанолисты. Сильный пик XRD с центром при 27,4 ° соответствует типичному пику графитового межслойного наложения (002) g-C ₃ N ₄ . Небольшой пик при 13,1 ° соответствует периодической плоской структурной упаковке внутри листов [20, 21]. Измерение XPS использовалось для анализа валентных состояний g-C ₃ N ₄ нанолисты. Спектр XPS на рис. 2c показал связь C – C с N при 284,8 и 288,0 эВ, а спектр N 1 s был при 397,04 эВ. На рис. 2d пик на 811 см ⁻¹ было приписано вибрации триазинового кольца. Пики около 1000 см ⁻¹ представлены режимы растяжения гетероциклов CN, а пик при 1800 см ⁻¹ соответствует C – NH – C. Пики при 300–3600 см ⁻¹ соответствовали валентным колебаниям N – H и O – H [22].

Характеристика свежеприготовленного g-C ₃ N ₄ нанолист. а ТЕМ изображение. б XRD-изображение. c Спектр XPS. г ИК-Фурье спектр

УФ-видимые и флуоресцентные свойства квантовых точек CdSe / g-C ₃ N ₄ Нанолистовые материалы

Спектры флуоресценции и поглощения в УФ-видимой области были получены для оценки оптических свойств КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ нанолисты. Как показано на рис. 3а, в спектре поглощения УФ-видимой области наблюдался большой пик примерно при 334 нм. Более того, пики эмиссии и возбуждения флуоресценции наблюдались при 452 и 334 нм в синхронной флуоресцентной спектроскопии на фиг. 3b и были связаны с эмиссионной флуоресценцией и возбуждением нанолистов ультрафиолетовым светом. Пики выбросов показали сдвиг по сравнению с чистым g-C ₃ N ₄ нанолистов с длиной волны 14–16 нм (пики излучения и возбуждения наблюдались при 438 и 310 нм, как показано на рис. 3c), которые можно отнести к FRET. Также было подтверждено влияние длин волн возбуждения на интенсивность флуоресценции.

Спектр поглощения и флуоресценции в УФ-видимой области квантовых точек CdSe / g-C ₃ N ₄ конъюгаты

Влияние pH на флуоресценцию QD CdSe / g-C ₃ N ₄ Конъюгаты нанолистов

На рисунке 4 показана флуоресценция КТ CdSe / g-C ₃ . N ₄ нанолистовые конъюгаты при различных значениях pH. Значение pH увеличивалось с 3 до 7 с увеличением интенсивности флуоресценции. Однако интенсивность флуоресценции постепенно снижалась при изменении значения pH от 7 до 10, что можно было объяснить влиянием pH на изменение поверхностного заряда из-за протонирования-депротонирования из-за наличия аминогрупп в структуре gC ₃ N ₄ нанолисты. В этом исследовании КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ конъюгаты нанолистов были проведены для обнаружения Hg ²⁺ ионов, и значение pH 7 было выбрано в качестве оптимального значения pH. Эмиссия флуоресценции измерялась при pH 7, содержащем различные концентрации NaCl, для получения стабильности КТ CdSe / г-C ₃ N ₄ нанолистовые конъюгаты в условиях высокой ионной силы. При высокой ионной силе наблюдалось лишь небольшое изменение интенсивности флуоресценции квантовых точек CdSe / г-C ₃ N ₄ нанолистовые конъюгаты. Результат показал, что высокая ионная сила оказывает минимальное влияние на интенсивность флуоресценции конъюгатов.

Влияние pH на флуоресценцию КТ CdSe / г-C ₃ N ₄ нанолисты конъюгаты

Селективность квантовых точек CdSe / g-C ₃ N ₄ Система Nanosheet FRET для обнаружения ионов ртути

Избирательность - важный параметр новой сенсорной системы. Селективность квантовых точек CdSe / g-C ₃ N ₄ Датчик FRET с нанолистом оценивался с использованием ионов различных металлов (например, Cu ²⁺ , Mg ²⁺ , Na ⁺ , Ca ²⁺ , Hg ²⁺ , Cr ³⁺ , Pb ²⁺ , CD ²⁺ , и Zn ²⁺ ); результаты показаны на рис. 5а. По сравнению с холостым образцом без ионов коэффициент флуоресценции Hg ²⁺ очевидно увеличилась, в то время как интенсивность флуоресценции других ионов металлов изменилась незначительно или осталась прежней. Эти результаты показали, что датчик FRET показал большую избирательность, чем другие (рис. 5b). Таким образом, КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ показал высокую селективность по отношению к Hg ²⁺ . Это явление было отличным по сравнению с чистым g-C ₃ N ₄ нанолист, который был селективным для Cu ²⁺ и Hg ²⁺ [23, 24].

Эксперименты по селективности для КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ нанолистовый датчик FRET

Возможности процесса флуоресценции FRET при обнаружении Hg ²⁺

Чтобы изучить возможность использования датчика FRET, CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ обнаружение флуоресценции нанолиста Hg ²⁺ был выполнен. Наличие Hg ²⁺ привело к снижению интенсивности флуоресценции, как показано на рис. 6, который показывает, что Hg ²⁺ может эффективно погасить датчик FRET. Чтобы изучить чувствительность, отклик датчика на различную Hg ²⁺ Концентрации далее оценивали с помощью флуоресцентной спектроскопии, и результаты показаны на фиг. 6а. Интенсивность флуоресценции g-C ₃ N ₄ нанолисты постепенно уменьшались с увеличением Hg ²⁺ концентрации. На рисунке 6b показано, что I / Я ₀ зависел от концентрации Hg ²⁺ , где I ₀ и я были интенсивностью флуоресценции в отсутствие и в присутствии, соответственно, Hg ²⁺ . Более того, отношение I / Я ₀ между концентрациями Hg ²⁺ было линейным, и уравнение линейной регрессии было I =- 9,6 × 10 ⁷ + 550,5 ( R ² =0,9882), как показано на вставке к рис. 6б. По сравнению с недавно опубликованными методами люминесценции предложенный метод имел более низкий предел обнаружения и более высокую чувствительность [25, 26]. G-C ₃ N ₄ нанолисты и квантовые точки CdSe не показали очевидной реакции тушения на ионы других металлов, кроме Hg ²⁺ , что свидетельствует об относительно высокой избирательности этого метода.

Чувствительные свойства КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ нанолисты конъюгатов и зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации Hg ²⁺ (C _Hg ²⁺ :1, 0 нМ; 2, 4 нМ; 3,8 нМ; 4, 12 нМ; 5, 16 нМ; 6, 20 нМ; 7, 24 нМ; 8,28 нМ; 9, 32 нМ)

Были обнаружены и другие сосуществующие катионы, влияющие на обнаружение иона ртути. Отклик квантовых точек CdSe / g-C ₃ N ₄ система определения содержания ртути на основе нанолистов ²⁺ в присутствии ионов щелочных, щелочноземельных и других переходных металлов показано в таблице 1. Сосуществование большинства ионов металлов не мешает связыванию Hg ²⁺ , что указывает на то, что интерференция этих сосуществующих ионов на Hg ²⁺ датчик был незначительным.

Кроме того, превосходным свойством датчиков является долговременная стабильность. Поглощение и флуоресценция во время непрерывного исследования каждые 3 дня в течение 2 недель показали, что активность КТ CdSe / г-C ₃ N ₄ нанолисты оставались выше 92% от начальной эффективности, хотя они хранились в окружающей среде. Результаты показали, что КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ нанолисты в качестве датчиков FRET обладают хорошей долговременной стабильностью.

По сравнению с предыдущими отчетами о флуоресцентных анализах на Hg ²⁺ (результаты приведены в таблице 2), КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ Флуоресцентный зонд с нанолистом на основе FRET с концентрацией Hg (II) в диапазоне 0–32 нмоль / л при pH =7 показал предел обнаружения 5,3 нмоль / л. Таким образом, наш метод получил превосходный предел обнаружения и линейный диапазон.

Применение датчика FRET

КТ CdSe / g-C ₃ N ₄ нанолисты в качестве датчика FRET успешно предоставили хорошую платформу для обнаружения Hg ²⁺ в реальных образцах из-за их чувствительности и избирательности. Вода, озерная и водопроводная вода были выбраны в качестве реальных проб для анализа, в которых извлечение Hg ²⁺ находились в диапазоне 95,4–101,6% (таблица 3). Относительное стандартное отклонение (RSD) Hg ²⁺ находился в диапазоне 0,64–1,72%. Результат ясно показал, что разработанный метод может быть эффективно использован для обнаружения Hg ²⁺ в практических приложениях. Приемлемые значения RSD и относительной погрешности подтвердили высокую чувствительность, высокую точность и высокую надежность предлагаемого датчика FRET для Hg ²⁺ . определение в практических приложениях.

Выводы

Система на основе FRET была разработана для обнаружения Hg ²⁺ в пределах g-C ₃ N ₄ нанолисты / квантовые точки CdSe. Предел обнаружения Hg ²⁺ ион был 5,3 нМ, с линейным откликом от 0 до 32 нМ. Применимость этого датчика была продемонстрирована путем измерения содержания Hg ²⁺ в реальных образцах. Учитывая долгосрочную стабильность, низкую стоимость и простоту получения квантовых точек CdSe / g-C ₃ N ₄ конъюгатов нанолистов, флуоресцентный анализ можно использовать в качестве датчика защиты окружающей среды. Эта стратегия обеспечит альтернативный подход к созданию датчиков на основе FRET для Hg ²⁺ в водных средах, включая образцы окружающей среды и биологические образцы.

Основные моменты

1. 1.

   Система флуоресцентного резонансного переноса энергии (FRET) была создана между квантовыми точками (КТ) CdTe (донор) и g-C ₃ N ₄ (акцептор) в присутствии Hg ²⁺ впервые.

2. 2.

   Нанокомпозиты g-C ₃ N ₄ поддерживается квантовыми точками CdSe (квантовые точки CdSe / g-C ₃ N ₄ ) были изготовлены путем простого электростатического взаимодействия в водном растворе.

3. 3.

   Возможность использования системы FRET в качестве сенсора была продемонстрирована для обнаружения Hg (II) в водном растворе. При pH 7 наблюдалась линейная зависимость между интенсивностью тушенной флуоресценции и концентрацией Hg (II) в диапазоне 0–32 нмоль / л. Предел обнаружения составил 5,3 нмоль / л.

4. 4.

   Новое обнаружение флуоресценции на основе FRET может обеспечить привлекательную платформу для анализа для количественного определения Hg ²⁺ в сложных водных растворах.

Сокращения

FRET:

Фёрстеровский резонансный перенос энергии

FTIR:

Инфракрасное преобразование Фурье

UV – vis:

Ультрафиолет - видимый

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновский дифрактометр