Высокочувствительное и селективное обнаружение Hg²⁺ через FRET между CdSe квантовыми точками и g-C₃N₄ нанолистами

Аннотация

Мы спроектировали систему Фёрстеровского резонансного энергопередачи (FRET), связывающую CdSe квантовые точки (QD) как доноры с g-C₃N₄ нанолистами как акцепторы для достижения быстрого, стоимоэффективного и высокоселективного обнаружения Hg²⁺ в водных средах. CdSe QD/g-C₃N₄ нанокомпозит изготавливался простой электростатической самоорганизацией в воде, давая случайно декорированные нанолисты со средним диаметром QD ~7 нм. Кетчение флуоресценции донора было линейно с концентрацией Hg²⁺ (0–32 нМ) при нейтральном pH, обеспечивая предел обнаружения 5,3 нМ. Зонд дикриминировал Hg²⁺ от панели распространенных металлических ионов (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) и сохранял >92 % начальной флуоресценции после 2 недель хранения. Реальные водные образцы (колодец, озеро, водопровод) количественно определялись с восстановлением между 95,4 % и 101,6 % и относительными стандартными отклонениями ниже 2 %. Эта FRET платформа предлагает надежное, повторно используемое и экологически дружественное решение для мониторинга ртутного загрязнения.

Введение

Ртутное загрязнение естественных вод остается главным источником воздействия этого нейротоксичного элемента на человека. Микробное превращение Hg²⁺ в метилртуть, мощный нейротоксин, ассоциируется с когнитивными и моторными расстройствами по всему миру. Быстрые, чувствительные и селективные методы обнаружения, способные работать в сложных матрицах, поэтому необходимы для экологического мониторинга и защиты общественного здоровья.

Наноматериалы с уникальными оптическими свойствами — такие как полупроводниковые квантовые точки, флуоресцентные металлические нанокластеры, благородные металлические наночастицы и углеродные наноточки — широко изучались для сенсирования ртути. Эти платформы выигрывают от легкого синтеза, высокой фотostaбильности, универсальности функционализации и биосовместимости. Несколько FRET-основанных сенсоров, использующих квантовые точки или другие наноструктуры, были сообщены; однако FRET система, связывающая CdSe QD с графитовым углеродным нитридом (g-C₃N₄) нанолистами для обнаружения Hg²⁺, еще не описывалась.

g-C₃N₄ нанолисты обладают графеноподобной, малослойной структурой, сильным видимым поглощением и обильными поверхностными аминогруппами, делая их привлекательными как энергетические акцепторы. Комбинируя эти нанолисты с CdSe QD через электростатические взаимодействия, мы создали компактный, высокочувствительный FRET сенсор, способный отличать Hg²⁺ от других металлических ионов.

Принцип работы сенсора иллюстрирован на Рисунке 1 (диаграмма механизма).

Методы

Материалы

Хлорид ртути(II) (HgCl₂) приобретен в Tong Ren Chemical Research Institute (Гуйчжоу, Китай). Мочевина и CdSe QD куплены в Aladdin Reagent Company (Шанхай, Китай). Все остальные реактивы были аналитического grades и использовались без дальнейшей очистки. Растворы готовили на Milli-Q воде (18,2 МΩ·см).

Характеризация

Рентгеновская дифракция (Rigaku D/max-2400), УФ-Vis спектроскопия (UV-Vis 800), Фурье-трансформационная инфракрасная (FTIR) спектроскопия (Nicolet-nexus670), флуоресцентная спектроскопия (RF-5301PC), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (Thermo Scientific) и проходная электронная микроскопия (ТЭМ) использовались для зондирования структурных и оптических свойств нанокомпозита.

Конструкция FRET сенсора

В типичном синтезе 125 мг g-C₃N₄ (предварительно синтезированного) диспергировали в 250 мл воды и соникали 5 ч. Затем добавляли 1,838 г CdSe QD (0,0216 моль) и соникали 2 ч для продвижения электростатического присоединения через аминогруппы на g-C₃N₄ и карбоксилированные QD. Полученный CdSe QD/g-C₃N₄ конъюгат возбуждали при 334 нм (близко к краю поглощения QD) и его эмиссию записывали при 452 нм.

Флуоресцентное обнаружение Hg²⁺

Для каждого анализа 10 мкл конъюгата смешивали с 3 мл сверхчистой воды, затем добавляли желаемую концентрацию Hg²⁺. Флуоресцентные спектры приобретали через 2 мин при комнатной температуре.

Анализ интерференции и конкуренции

Потенциальная интерференция от Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ и Cu²⁺ (по 32 нМ каждый) оценивалась измерением флуоресценции при 450 нм под 334 нм возбуждением. Конкурентные эксперименты проводили добавлением 32 нМ Hg²⁺ в присутствии каждого интерферента.

Результаты и обсуждение

Характеризация

Проходная электронная микроскопия (Рисунок 2а) подтвердила малослойную, графеноподобную морфологию g-C₃N₄ нанолистов. Рентгеновская дифракция (Рисунок 2б) показала характерный (002) пик при 27,4°, подтверждая графитовое наслаивание, в то время как второстепенный пик при 13,1° указывал на в-плоскостную периодичность. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (Рисунок 2в) раскрыла C–C/N связи при 284,8 и 288,0 эВ и N 1s при 397,04 эВ. FTIR (Рисунок 2г) показал вибрации триазинового кольца при 811 см⁻¹, растяжения CN гетероцикла около 1000 см⁻¹, C–NH–C при 1800 см⁻¹ и N–H/O–H растяжения между 300–3600 см⁻¹.

УФ-Vis и флуоресцентные свойства

CdSe QD/g-C₃N₄ конъюгат демонстрировал заметный пик поглощения при ~334 нм (Рисунок 3а). Флуоресцентная эмиссия пиковала при 452 нм при 334 нм возбуждении (Рисунок 3б), 14–16 нм красно-смещение относительно исходного g-C₃N₄ (438 нм эмиссия, 310 нм возбуждение), атрибутируемое эффективному FRET.

Влияние pH

Интенсивность флуоресценции росла от pH 3 до 7 и падала от 7 до 10 (Рисунок 4), вероятно из-за протонирования/депротонирования поверхностных аминогрупп, влияющих на поверхностный заряд. Нейтральный pH 7 выбран для Hg²⁺ сенсирования, где высокая ионная сила (NaCl) имела незначительное влияние на флуоресценцию.

Селективность

При воздействии панели конкурирующих металлических ионов, флуоресцентное отношение сенсора (I/I₀) выраженно увеличивалось только в присутствии Hg²⁺ (Рисунок 5а), в то время как другие ионы производили пренебрежимые изменения. Эта селективность контрастирует с исходным g-C₃N₄, который реагирует и на Cu²⁺, и на Hg²⁺, подчеркивая роль CdSe QD в придаче Hg²⁺ специфичности (Рисунок 5б).

Реализуемость и чувствительность

Кетчение флуоресценции линейно увеличивалось с концентрацией Hg²⁺ от 0 до 32 нМ (Рисунок 6а). Отношение I/I₀ следовало уравнению I = –9,6 × 10⁷ + 550,5 (R² = 0,9882), давая предел обнаружения 5,3 нМ. Зонд демонстрировал пренебрежимый отклик на другие металлические ионы, подтверждая высокую селективность. Тесты стабильности показали, что после 14 дней при обычных условиях конъюгат сохранял >92 % начальной флуоресценции.

Сосуществующие катионы (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) не интерферировали с Hg²⁺ обнаружением, как показано в Таблице 1. Долгосрочная стабильность и воспроизводимость подтверждались периодическими флуоресцентными измерениями в течение 14 дней.

Применение к реальным образцам

Сенсор применяли к озерной, водопроводной и колодецной воде, зашпикованной Hg²⁺. Восстановление варьировалось от 95,4 % до 101,6 % с RSD между 0,64 % и 1,72 % (Таблица 3), демонстрируя надежную производительность в сложных матрицах.

Заключение

Мы разработали FRET-основанный Hg²⁺ сенсор, связывающий CdSe QD с g-C₃N₄ нанолистами. Зонд предлагает 5,3 нМ предел обнаружения, линейный диапазон 0–32 нМ и исключительную селективность против распространенных металлических ионов. Его простой, водный синтез, высокая фотostaбильность и низкая стоимость делают его хорошо подходящим для экологического мониторинга и потенциально для биомедицинских применений.

Основные моменты

1. Конструкция FRET системы между CdSe квантовыми точками и g-C₃N₄ нанолистами для обнаружения Hg²⁺.
2. Синтез CdSe QD/g-C₃N₄ нанокомпозитов через простую электростатическую самоорганизацию в воде.
3. Демонстрировано линейное кетчение флуоресценции Hg²⁺ (0–32 нМ) при pH 7 с пределом обнаружения 5,3 нМ.
4. Предложенная FRET платформа предоставляет универсальный, повторно используемый анализ для количественного определения Hg²⁺ в сложных водных образцах.

Аббревиатуры

FRET:

Фёрстеровское резонансное энергопередача

FTIR:

Фурье-трансформационная инфракрасная спектроскопия

UV–vis:

Ультрафиолетово-видимая спектроскопия

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновский дифрактометр