Molekular geprägte Kern-Schale-CdSe@SiO2/CDs als ratiometrische Fluoreszenzsonde für die 4-Nitrophenol-Erfassung

Hintergrund

Nitrophenole gehören aufgrund ihrer weit verbreiteten Verwendung bei der Herstellung von Herbiziden, Pestiziden, synthetischen Farbstoffen und Pharmazeutika zu den am häufigsten vorkommenden Umweltschadstoffen [1]. Insbesondere 4-Nitrophenol (4-NP) ist eines der giftigsten substituierten Nitrophenole, das bereits in sehr geringen Konzentrationen sowohl krebserregend als auch genotoxisch für Mensch und Tier ist [2]. Tatsächlich hat die US-Umweltschutzbehörde EPA 4-NP als prioritären Schadstoff eingestuft und einen maximal zulässigen Grenzwert von 60 ng/ml 4-NP im Trinkwasser festgelegt [3]. Daher kommt der Entwicklung sensitiver und selektiver Methoden zum Nachweis von 4-NP besondere Bedeutung zu. Bisher wurden verschiedene analytische Methoden zur Bestimmung von 4-NP in Wasser vorgeschlagen, darunter Chromatographie [4, 5], elektrochemische Detektion [3, 6, 7], Chemilumineszenzdetektion [8] und Fluoreszenzüberwachung [9,10 ,11]. Quantenpunkte (QDs) werden normalerweise als Antwortsignal bei der Fluoreszenzüberwachung verwendet und werden aufgrund ihrer größen-/zusammensetzungsabhängigen optischen und elektronischen Eigenschaften auch häufig in der photoelektrochemischen Wasserstofferzeugung, optoelektronischen Geräten und der biologischen Bildgebung verwendet [12,13,14]. Fluoreszenzmethoden zur Bestimmung von Spurenmengen von 4-NP sind aufgrund ihrer Einfachheit, Schnelligkeit und geringen Kosten vorteilhaft. Solche Methoden basieren jedoch im Allgemeinen auf der Änderung der Fluoreszenzintensität eines einzelnen Luminophors, die leicht durch eine Fluktuation der Anregungslichtintensität [15], der Sondenkonzentration [16] und der Anwesenheit von Fluoreszenzlöschern wie schweren Metallionen [17] und reaktive Sauerstoffspezies [18]. Daher können auf der ratiometrischen Fluoreszenz basierende Strategien als überlegen angesehen werden, da sie den Großteil dieser Mehrdeutigkeiten durch die Selbstkalibrierung von zwei oder mehr unterschiedlichen Banden beseitigen [19]. Interessanterweise haben eine Reihe von ratiometrischen Fluoreszenzsonden im Vergleich zu einzelnen emittierenden Quantenpunktsonden eine deutlich verbesserte Nachweisempfindlichkeit gezeigt und wurden daher häufig bei der Konstruktion von Fluoreszenzsonden zum Nachweis von Umweltschadstoffen wie Hg ^{2+ , Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid [20,21,22].}

Darüber hinaus sind molekular geprägte Polymere (MIPs) polymere Matrices, die maßgeschneidert werden können, um hohe Selektivitäten gegenüber Zielmolekülen zu zeigen und häufig in Trennung, Sensoren und Katalysatoren verwendet werden [23, 24]. Von besonderem Interesse ist die Entwicklung von Fluoreszenzsensoren mit hohen Empfindlichkeiten und Selektivitäten, bei denen diese Eigenschaften durch ratiometrische Fluoreszenz- bzw. molekulare Imprinting-Strategien gewährleistet werden. Die Berichte über solche molekular geprägten Dual-Emissions-Fluoreszenzsensoren zur Bestimmung von Spurenanalyten sind jedoch begrenzt [25, 26].

Daher berichten wir hier über die Konstruktion eines molekular geprägten Dual-Emissions-Fluoreszenzsensors für den empfindlichen und selektiven Nachweis von 4-NP basierend auf dem Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET) zwischen 4-NP und photolumineszenten Kohlenstoffpunkten (CDs). In diesem ratiometrischen Fluoreszenzsensor werden CdSe-QDs in Silikathüllen eingebettet (CdSe@SiO₂ ) als Referenzsignal dienen. Wir erwarten, dass die Siliziumdioxidbeschichtung aufgrund ihrer inerten Natur und optischen Transparenz nicht nur die Photolumineszenzeigenschaften der CdSe-QDs bewahrt [8], sondern auch das Austreten der giftigen Schwermetalle Cd und Se [27] verhindert. Darüber hinaus ist das CdSe@SiO₂ QDs werden weiterhin mit Organosilan-funktionalisierten CDs (CdSe@SiO₂ /CDs). Als neu aufkommende Klasse fluoreszierender Materialien haben CDs aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer fehlenden Toxizität, ihrer physikalisch-chemischen und photochemischen Stabilität und ihrer einstellbaren Photolumineszenz-Eigenschaften große Aufmerksamkeit auf sich gezogen [28,29,30]. Genauer gesagt behalten organosilanfunktionalisierte CDs, die durch Pyrolyse von wasserfreier Zitronensäure mit Aminosilan synthetisiert wurden, die Vorteile von reinen CDs und können leicht auf CdSe@SiO₂ . immobilisiert werden über einen einfachen Erwärmungsprozess [31]. Darüber hinaus können Templatmoleküle leicht auf den Oberflächen von CdSe@SiO₂ . verankert werden /CDs über einen molekularen Sol-Gel-Prägungsprozess [32]. Darüber hinaus kann FRET in unserem vorgeschlagenen System aufgrund der Überlappung des Emissionsspektrums der hergestellten CDs und des Absorptionsspektrums von 4-NP stattfinden, was für den Nachweis von 4-NP entscheidend ist. Letztendlich wollen wir molekular geprägtes CdSe@SiO₂ . herstellen /CD-Nanohybride (CdSe@SiO₂ /CDs/MIP) nach Präparation der geprägten Schalen auf der Oberfläche des CdSe@SiO₂ /CDs mit 4-NP als Vorlage. Morphologie, chemische Struktur und optische Eigenschaften des präparierten Sensors werden dann durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und spektroskopische Analyse bestimmt. Schließlich werden die Adsorptionskapazität, Empfindlichkeit und Selektivität dieses Sensors gegenüber 4-NP untersucht.

Methoden

Materialien

Tetraethoxysilan (TEOS), Triton X-100 und Petrolether wurden von Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China) bezogen. Cyclohexan, 4-NP, Hexylalkohol, Ammoniumhydroxid (25 Gew.-%), absoluter Ethylalkohol, Methylbenzol und Isopropylalkohol wurden von Guangfu Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, China) bezogen. 3-Aminopropyltrimetoxysilan (APTMS) und wasserfreie Zitronensäure wurden von Aladdin Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China) bezogen. Alle Reagenzien waren von analytischer Qualität und wurden wie erhalten ohne weitere Reinigung verwendet. Carboxyl-modifizierte CdSe/ZnS-QDs (CdSe-QDs) wurden von Wuhan Jiayuan Quantum Dot Technological Development Co., Ltd. (Wuhan, China) bezogen. Das gesamte Wasser wurde mit einem Sartorius Arium® Pro VF-Wasserreinigungssystem (18,2 MΩ Widerstand) gereinigt.

Synthese von CdSe@SiO₂

Cyclohexan (7,7 ml), Triton X-100 (1,77 ml), n-Hexanol (1,8 ml) und eine Lösung der CdSe-QDs (400 μl, 8 μM) wurden unter starkem Magnetrührer gemischt. Nach erfolgreicher Bildung der reversen Mikroemulsion wurden TEOS (50 μl) und eine Ammoniumhydroxidlösung (200 μl, 25 Gew.-%) eingeführt. Das Reaktionssystem wurde dann verschlossen und das Rühren bei 25 °C für 24 Stunden fortgesetzt. Nach dieser Zeit wurde Isopropylalkohol (36 ml) zugegeben, um die Emulsion aufzubrechen, und der resultierende Niederschlag wurde mehrmals mit Ethanol gewaschen, bis im Überstand kein Fluoreszenzsignal mehr nachgewiesen wurde. Während jedes Waschvorgangs wurde die Partikeldispersion einer Zentrifugation unterzogen, gefolgt von der Entfernung des Überstands und der Redispergierung des Niederschlags in Ethanol. Schließlich wurde der Niederschlag unter Ultraschall in Toluol dispergiert.

Synthese von Organosilan-funktionalisierten CDs

Die Organosilan-funktionalisierten CDs wurden durch Pyrolyse von wasserfreier Zitronensäure und APTMS hergestellt. In einem typischen Experiment wurde APTMS (10 ml) auf 185 °C erhitzt, woraufhin unter kräftigem Rühren schnell wasserfreie Zitronensäure (0,5 g) zugegeben und die resultierende Mischung 1 min bei 185 °C gehalten wurde. Nach dieser Zeit ließ man die Lösung auf 25 °C abkühlen und das erhaltene dunkelgrüne Produkt wurde durch Extraktion mit Petrolether (× 5) unter Verwendung eines Volumenverhältnisses von 1:1 gereinigt. Die untere Phase der Extraktlauge waren die hergestellten Organosilan-funktionalisierten CDs. Ungefähr 2 ml funktionalisierte CDs wurden erhalten.

Synthese des MIP- und NIP-beschichteten Dual-Emission CdSe@SiO₂ /CD Nanohybride

Ein Teil der frisch hergestellten Organosilan-funktionalisierten CDs (10 μL) wurde zu einer Mischung aus Toluol (25 ml) mit CdSe@SiO₂ . gegeben (5 mg). Nach 12 stündigem Erhitzen auf 113 °C unter Rückfluss unter Rühren wurde die resultierende Mischung einer Zentrifugation unterzogen, wobei der Niederschlag das CdSe@SiO₂ . enthielt /CD-Nanohybriden wurde in Ethanol (2 ml) dispergiert und 4-NP (0,2 mg) wurde zugegeben. Das System wurde dann 2 h lang bei 25 °C unter Rühren reagieren gelassen. Nach dieser Zeit wurden TEOS (25 μL) und Ammoniumhydroxid (25 μL) in die Mischung injiziert, die weitere 5 h bei 25 °C reagieren gelassen wurde. Schließlich wurde das erhaltene Produkt drei Fällungs-/Zentrifugationszyklen unterzogen und mit Ethanol gewaschen, um alle überschüssigen Reaktanten zu entfernen. Die resultierenden Nanohybride wurden zur weiteren Verwendung in Ethanol dispergiert.

Kontrollexperimente wurden auch mit nicht bedrucktem, polymerbeschichtetem (NIP-beschichtetem) CdSe@SiO₂ . durchgeführt /CD-Nanohybride, die mit der obigen Methode hergestellt wurden, jedoch ohne Zugabe des Templatmoleküls.

Adsorptionskapazitäten von CdSe@SiO₂ /CD/MIP und CdSe@SiO₂ /CD/NIP-Nanohybride in Richtung 4-NP

4-NP (0,1 mg) wurde zu separaten Lösungen von CdSe@SiO₂ . hinzugefügt /CD/MIP und CdSe@SiO₂ /CD/NIP-Nanohybride (1 ml, 1,5 mg/ml) unter Rühren. Nach 120 min wurden die Lösungen zentrifugiert (12.000 U/min, 15 min) und die 4-NP-Konzentrationen in den Überständen wurden durch UV-Vis-Messungen bei 400 nm bestimmt. Die Adsorptionskapazitäten (\( Q \)) der MIP-beschichteten und NIP-beschichteten Nanohybride wurden dann mit Gl. 1.

wobei C ₀ und C _t sind die Konzentrationen von 4-NP vor bzw. nach der Adsorption, V das Volumen der Lösung ist und W ist die Masse von Nanohybriden.

Charakterisierung

Hochauflösendes TEM (HRTEM) wurde unter Verwendung eines JEM-2100-Transmissionselektronenmikroskops (JEOL Ltd., Akishima, Japan) durchgeführt, das bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV betrieben wurde. Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie wurde auf einem Nicolet Magna IR-560 FTIR-Spektrometer (Nicolet Co., Madison, WI, USA) über 20 Scans mit einer Auflösung von 4 cm ^− 1 . durchgeführt . Fluoreszenzmessungen wurden unter Verwendung eines Cary Eclipse-Fluoreszenzspektrophotometers (Agilent Technologies, Inc., USA) in einer 1 cm  ×  1 cm Quarzzelle erhalten. Die UV-Vis-Spektroskopie wurde auf einem Spektrophotometer der Serie TU-1810 (Purkinje General Instrument Co. Ltd., Peking, China) unter Verwendung einer Quarzzelle mit einem optischen Weg von 1,0 cm durchgeführt.

Fluoreszenzerkennung von 4-NP

Zu einem Aliquot des hergestellten CdSe@SiO₂ /CD/MIP, Nanohybrid in Ethanol (1 ml, 1,5 mg/ml) wurde eine weitere Portion Ethanol (2 ml) und die gewünschte Menge 4-NP zugegeben. Die Endkonzentration von 4-NP in der Lösung wurde durch eine einfache Rechnung erhalten. Nach gründlicher Durchmischung wurde die Fluoreszenzintensität nach 10 min gemessen und die Fluoreszenzspektren wurden bei einer Anregungswellenlänge von 350 nm mit Anregungs-/Emissionsschlitzen von 10 nm aufgenommen. In Bezug auf die Inkubationszeit wurde sie auf 10 min festgelegt, entsprechend der Inkubationszeit, die in den berichteten Arbeiten zur ratiometrischen Fluoreszenzsonde [33, 34] übernommen wurde. Da in dieser Arbeit Reinstwasser anstelle von Pufferlösungen verwendet wurde, lag der Detektions-pH dieser Arbeit bei etwa pH 7,0, entsprechend dem optimierten Arbeits-pH-Wert beim Nachweis von 4-NP in einer veröffentlichten Arbeit [10].

Ergebnisse und Diskussion

Vor der Vorbereitung des ratiometrischen Fluoreszenzsensors für die 4-NP-Detektion untersuchten wir zunächst die Emissions- und Absorptionsspektren verschiedener Materialien. Bei der Untersuchung der Emissionsspektren der CdSe-QDs und der CDs (Zusatzdatei 1:Abbildung S1) war offensichtlich, dass keine Interferenzen zwischen den beiden Spezies auftraten, wobei ihre Emissionsmaxima bei 460 bzw. 615 nm beobachtet wurden. Darüber hinaus weist die beobachtete Überlappung zwischen dem Absorptionsspektrum von 4-NP und dem Emissionsspektrum der CDs (zusätzliche Datei 1:Abbildung S2) darauf hin, dass zwischen diesen Spezies FRET stattfinden könnte, was zur Fluoreszenzlöschung von CdSe@SiO<. führt sub>2 /CD/MIP-Nanohybride bei 455 nm. Darüber hinaus wiesen die CdSe-QDs und -CDs vergleichbare optimale Anregungswellenlängen (d. h. 350 nm) auf, sodass diese Spezies für die Konstruktion des ratiometrischen Fluoreszenzsensors zum Nachweis von 4-NP geeignet waren. Als solche dienten die CdSe-QDs als Referenzsignal, während die CDs als Antwortsignal fungierten. Somit kann beim Löschen der CDs durch 4-NP eine ratiometrische Fluoreszenzantwort nachgewiesen werden, während die Fluoreszenzintensität der CdSe-QDs konstant bleibt.

Der Syntheseweg zur Herstellung des molekular geprägten ratiometrischen Fluoreszenzsensors ist in Schema 1 dargestellt. Zunächst wurden die CdSe-QDs mithilfe einer modifizierten Umkehrmikroemulsionsmethode mit einer Siliciumdioxidhülle beschichtet [35], um den direkten Kontakt der CdSe-QDs mit dem . zu verhindern externe Lösungsmittel und den Abstand zwischen den CdSe-QDs und den CDs durch Einstellen der Dicke der Kieselsäurehülle zu kontrollieren [36]. Anschließend wird das erhaltene CdSe@SiO₂ QDs wurden mit Organosilan-funktionalisierten CDs dekoriert, um die Verknüpfung von CdSe@SiO₂ . zu erleichtern und den CDs über Silizium-Sauerstoff-Bindungen, sowie um die Wechselwirkungen zwischen den CDs und der molekular geprägten Kieselsäurematrix zu verstärken [37]. Dies führte zum erfolgreichen Aufbau der gewünschten fluoreszierenden Nanohybride mit dualer Emission mit Ratiometrie und Kern-Schale-Struktur. Darüber hinaus ist das CdSe@SiO₂ /CD-Nanohybride wurden durch die Sol-Gel-Kondensationsreaktion von TEOS, katalysiert durch eine wässrige Ammoniaklösung, mit einem auf Siliciumdioxid geprägten Film verkapselt [38]. Diese Modifikation war notwendig, um ein Austreten der CDs aus der Matrix zu verhindern und eine überlegene Permeabilität für die Templatmoleküle aufrechtzuerhalten [37]. Nach Entfernung der Templatmoleküle durch Lösungsmittelelution verbleiben in der Matrix komplementäre Hohlräume in Form, Größe und Bedarf an elektronischen oder Wasserstoffbrücken, wodurch eine selektive Erkennung und kooperative Bindung an das Zielmolekül sichergestellt wird [39]. Dieser letzte Schritt erzeugte den molekular geprägten Dual-Emissions-Fluoreszenzsensor des Ziels.

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung des molekular geprägten polymerbeschichteten Dual-Emissions-CdSe@SiO₂ /CD-Nanohybride

Herstellung und Charakterisierung von CdSe@SiO₂ /CD/MIP Nanohybrid

Nach ihrer erfolgreichen Herstellung werden die morphologische Struktur und die optischen Eigenschaften des erhaltenen CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanohybride wurden im Detail untersucht. Wie in Abb. 1a, b gezeigt, wurden die CdSe-QDs erfolgreich in die Siliciumdioxidhüllen eingekapselt. Die CDs konnten jedoch nicht in HRTEM-Bildern von CdSe@SiO₂ . beobachtet werden /CD-Nanopartikel (Abb. 1c, d), da die hergestellten CDs amorphe Nanopartikel ohne offensichtliche Gittersäume waren [40, 41]. Darüber hinaus bestätigen die in Abb. 1a–f gezeigten Bilder, dass das so hergestellte CdSe@SiO₂ , CdSe@SiO₂ /CD und CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Spezies waren einheitliche kugelförmige Nanopartikel mit durchschnittlichen Durchmessern von 46,7 ± 2,5, 53,6 ± 2,7 bzw. 66,4 ± 2,0 nm (zusätzliche Datei 1:Abbildung S3). Diese Zunahme des durchschnittlichen Durchmessers fällt mit der schichtweisen Abscheidung von CDs und silikageprägten Filmen auf dem CdSe@SiO₂ . zusammen Nanopartikel. Nach der Verkapselung durch die mit Siliciumdioxid bedruckte Schicht wird die Oberfläche des CdSe@SiO₂ /CD-Nanohybride wurden rauh, was auf das inhomogene Wachstum dieser Schicht zurückzuführen ist. Da die Sol-Gel-Methode ein weit verbreitetes Verfahren zum Aufbau von mit Kieselsäure bedruckten Filmen mit einstellbarer Dicke ist [42], wurde die Dicke der hergestellten geprägten Schicht entsprechend bestimmt, um das Auftreten von FRET zu fördern. Tatsächlich maß die geprägte Schicht, die den Donor (CDs) und den Akzeptor (4-NP) enthält, ~ 12,8 nm, was ausreichend ist, damit FRET leicht stattfinden kann FRET [43, 44].

Charakterisierung der hergestellten Hybrid-Nanopartikel. HRTEM-Bilder von CdSe@SiO₂ (a , b ), CdSe@SiO₂ /CD (c , d ) und CdSe@SiO₂ /CD/MIP (e , f ) Nanopartikel. Und die FTIR-Spektren (g ) von CdSe@SiO₂ (Kurve A), CdSe@SiO₂ /CDs (Kurve B), CdSe@SiO₂ /CDs/MIP (Kurve C) und 4-NP (Kurve D)

Um die erfolgreiche chemische Modifikation nach jeder Stufe zu bestätigen, werden die FTIR-Spektren von CdSe@SiO₂ , CdSe@SiO₂ /CD und CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Produkte wurden aufgezeichnet und verglichen. Wie in Abb. 1g gezeigt, zeigten alle drei FTIR-Spektren charakteristisches SiO₂ . Spitzen bei 1091 und 468 cm ^− 1 , die der symmetrischen Streckschwingung von Si–O–Si bzw. der antisymmetrischen Streckschwingung von Si–O entspricht. Außerdem verglichen mit dem FTIR-Spektrum von CdSe@SiO₂ , das FTIR-Spektrum von CdSe@SiO₂ /CD-Nanopartikel enthielten drei zusätzliche Peaks, nämlich die Streckschwingung von –C=ONR bei 1648 cm ^− 1 , die Streckschwingung von C–H bei 2940 cm ^− 1 , und ein Merkmal –NH₂ Spitze bei 1400–1460 cm ^− 1 , das aus dem aminomodifizierten SiO₂ . stammt Schale [45]. Der Vergleich der Spektren von 4-NP, CdSe@SiO₂ /CD und CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanopartikel bestätigten, dass das 4-NP-Prägen erfolgreich war, da Peaks vorhanden waren, die der außerhalb der Ebene liegenden Biegeschwingung von =C–H (860–800 cm ^− 1 .) entsprachen ) und die asymmetrische Streckschwingung von –NO₂ (1550 und 1300 cm ^− 1 ) in den Spektren von 4-NP und CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanopartikel.

Die Fluoreszenzemissionsspektren des präparierten CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanopartikel wurden dann vor und nach dem Entfernen der Templatmoleküle aufgezeichnet (Abb. 2a), und die Fluoreszenz der CDs wurde in Gegenwart von 4-NP signifikant gelöscht. Darüber hinaus wurde nach dem Entfernen der Templatmoleküle durch Waschen und anschließender Elution die Fluoreszenz der CDs wiederhergestellt und es wurde keine Überlappung mit der Emissionsbande der CdSe-QDs bei einer Anregungswellenlänge von 350 nm beobachtet. Es war daher offensichtlich, dass der molekular geprägte ratiometrische Fluoreszenzsensor eine gut aufgelöste duale Emission aufwies und sich für den ratiometrischen Nachweis von 4-NP eignete.

Fluoreszenz der hergestellten Hybridnanopartikel. a Fluoreszenzemissionsspektren von CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanopartikel vor (schwarze Linie) und nach (rote Linie) Entfernung der Templatmoleküle und b ihre Photostabilität dispergiert in Ethanol nach der Entfernung von 4-NP. c Adsorptionskapazitäten des CdSe@SiO₂ /CD/MIP und CdSe@SiO₂ /CD/NIP-Nanohybride. d Die Kurven der Fluoreszenzintensität von CdSe@SiO₂ /CDs/MIP und CdSe@SiO₂ /CDs/NIP mit 4-NP bzw. (F_b0 und F_b repräsentieren die Fluoreszenzintensität von CdSe@SiO₂ /CDs/MIP und CdSe@SiO₂ /CDs/NIP bei 455 nm in Abwesenheit und Anwesenheit verschiedener Mengen an 4-NP)

Die Fluoreszenzstabilität des Sensors wurde dann durch wiederholte Fluoreszenzmessungen des CdSe@SiO₂ . bewertet /CD/MIP-System in 2-Minuten-Intervallen. Wie in Abb. 2b gezeigt, wurde über 120 min bei 615 nm keine signifikante Änderung der Fluoreszenzintensität beobachtet, was auf die langfristige Photostabilität der Sonde hindeutet [46]. Darüber hinaus behielt die Fluoreszenzintensität der CDs> 95 % ihrer ursprünglichen Reaktion bei 455 nm bei, und es wurde nicht erwartet, dass diese leichte Abnahme einen signifikanten Einfluss auf die Bestimmung von 4-NP hat. Diese Ergebnisse zeigen daher, dass die molekular geprägte Schicht effektiv auf der Oberfläche des CdSe@SiO₂ . verankert wurde /CD-Nanopartikel und dass die CDs und CdSe-QDs gut geschützt waren.

Spezifischer und selektiver Nachweis von 4-NP

Um die Bindungsaffinität von CdSe@SiO₂ . zu untersuchen /CD/MIP und CdSe@SiO₂ /CD/NIP-Nanohybriden wurden Adsorptionstests mit dem 4-NP-Templat durchgeführt. Wie in Abb. 2c gezeigt, sind die Adsorptionskapazitäten von CdSe@SiO₂ /CD/MIP und CdSe@SiO₂ /CD/NIP gegenüber 4-NP betrug 9,1 bzw. 1,58 mg/g. Diese überlegene Adsorptionskapazität der molekular geprägten Nanohybride könnte auf die Bildung von 4-NP-spezifischen Hohlräumen während des Prägeprozesses zurückgeführt werden. Darüber hinaus ist die mindere Adsorptionskapazität des CdSe@SiO₂ /CD/NIP-Nanohybrid wurde wahrscheinlich durch das Fehlen von Erkennungsstellen und den dominanten Effekt der unspezifischen Adsorption verursacht, die von Wasserstoffbrücken-Wechselwirkungen zwischen 4-NP und dem –NH₂ . herrührt Gruppen an der Oberfläche der Organosilan-funktionalisierten CDs [8].

Für jede gegebene Menge an CD-Donor kann die Effizienz der Fluoreszenzlöschung entweder durch Abstimmung der spektralen Überlappung zwischen Donor und Akzeptor oder durch Anpassen der Anzahl der Akzeptoren um den Donor in einem Abstand von 10 nm gesteuert werden [47]. In diesem Fall sowohl für CdSe@SiO₂ /CD/MIP und CdSe@SiO₂ /CD/NIP-Nanohybriden, kann der FRET zwischen den CDs und dem 4-NP in der Lösung innerhalb von 10 nm der CDs stattfinden, was zu einer beträchtlichen Löscheffizienz führen kann. Mit dem Vorteil der molekular geprägten Schichten ist jedoch die Adsorptionsfähigkeit von CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanohybride wurde effektiv verbessert (Abb. 2c); somit wäre eine größere Anzahl von 4-NP-Molekülen innerhalb von 10 nm um die CDs verfügbar als im Fall von CdSe@SiO₂ /CD/NIP-Nanohybride, die FRET in größerem Umfang ermöglichen. Die besondere Erkennung der molekular geprägten Nanohybride wurde daher durch den Vergleich der Fluoreszenzantworten von CdSe@SiO₂ . untersucht /CD/MIP und CdSe@SiO₂ /CD/NIP mit verschiedenen Konzentrationen von 4-NP. Wie in Abb. 2d gezeigt, wird bei Erhöhung der Konzentration von 4-NP der Wert von (F _b0 −F _b )/F _b0 (d. h. die Effizienz der Fluoreszenzlöschung) sowohl für CdSe@SiO₂ . erhöht /CD/MIP und CdSe@SiO₂ /CD/NIP. Im obigen Ausdruck F _b0 und F _b repräsentieren die Fluoreszenzintensitäten von CdSe@SiO₂ /CD/MIP (oder CdSe@SiO₂ /CD/NIP)-Spezies bei 455 nm in Abwesenheit und Anwesenheit verschiedener Konzentrationen von 4-NP [48]. Darüber hinaus konnten wir beim Vergleich der linearen Steigungen (d. h. der Löschkonstanten) der beiden Diagramme schlussfolgern, dass Templatmoleküle einen signifikanteren Einfluss auf die Fluoreszenzlöschung von CdSe@SiO₂ . hatten /CD/MIP als CdSe@SiO₂ /CD/NIP bei gleichen 4-NP-Konzentrationen, was weiter auf die ausgezeichnete spezifische Erkennung und Bindungsaffinität von CdSe@SiO₂ . hindeutet /CD/MIP-Nanohybrid zu 4-NP [9, 49].

Zur Veranschaulichung der Selektivität von CdSe@SiO₂ /CD/MIP gegenüber dem 4-NP-Templatmolekül wurden Kontrollexperimente unter Verwendung von Verbindungen mit ähnlichen Strukturen oder optischen Eigenschaften (d. h. Phenol, 2-NP und Hydrochinon) durchgeführt. Wie in Abb. 3 gezeigt, ist die Fluoreszenzlöschungseffizienz ((F _b0 −F _b )/F _b0 ) der Analoga waren kleiner als die von 4-NP, wahrscheinlich aufgrund ihrer unterschiedlichen optischen Eigenschaften und chemischen Strukturen im Vergleich zu denen von 4-NP [9]. Tatsächlich unterschieden sich die für Phenol und Hydrochinon erhaltenen Absorptionsspektren signifikant von 4-NP und zeigten keine Überlappung mit den Emissionsspektren der CDs (Daten nicht gezeigt). Im Fall von 2-NP stimmten seine Absorptionsspektren und chemischen Eigenschaften zwar mit denen von 4-NP überein, es passte jedoch weniger perfekt zu den geprägten 4-NP-Zentren, was zu einer dreifachen Verringerung der beobachteten Löscheffizienz führte . Diese Ergebnisse zeigten daher, dass der hier hergestellte Fluoreszenzsensor in Gegenwart von Analoga gegenüber 4-NP selektiv ist und somit weiter auf den selektiven Nachweis von 4-NP angewendet werden kann.

Die Selektivität der hergestellten ratiometrischen Fluoreszenzsonde. Fluoreszenzantworten von CdSe@SiO₂ /CD/MIP und CdSe@SiO₂ /CD/NIP-Nanohybride zu 4,8 μg/ml-Lösungen von 4-NP, Phenol, 2-NP (2-Nitrophenol) und Hydrochinon

Erkennung von 4-NP

Schließlich haben wir die Veränderung des Fluoreszenzprofils von CdSe@SiO₂ . untersucht /CD/MIP bei Zugabe unterschiedlicher Mengen an 4-NP. Wie in Abb. 4a gezeigt, war die Fluoreszenzintensität bei 455 nm sehr empfindlich gegenüber der 4-NP-Konzentration und zeigte eine Abnahme, wenn die Konzentration von 4-NP erhöht wurde. Darüber hinaus wurde keine offensichtliche Änderung der Fluoreszenz der CdSe-QDs bei 615 nm beobachtet, was darauf hindeutet, dass die CdSe-QDs in einem SiO₂ . eingekapselt sind sind als Referenzsignal geeignet. Darüber hinaus ist, wie in Abb. 4b gezeigt, der Plot von F _b /F _r gegen 4-NP-Konzentrationen zwischen 0,051 und 13,7 μg/ml zeigten neben einem hohen Korrelationskoeffizienten (R ² = 0,985). In diesem Ausdruck ist F _b und F _r repräsentieren die Fluoreszenzintensitäten von CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanohybrid bei 455 bzw. 615 nm. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde die Nachweisgrenze zu 0,026 μg/ml (3δ/k ), der deutlich unter dem von der US-amerikanischen EPA (d. h. 60 ng/ml) zulässigen Grenzwert für Trinkwasser liegt, was darauf hindeutet, dass unser molekular geprägter ratiometrischer Fluoreszenzsensor Potenzial für den Einsatz in der Praxis besitzt. Im Vergleich mit den linearen Bereichen und Nachweisgrenzen früher bekannter Methoden (siehe Tabelle 1) ist unser System im Hinblick auf den 4-NP-Nachweisbereich und die Nachweisgrenze den berichteten elektrochemischen und fluoreszierenden Methoden vergleichbar oder überlegen. Darüber hinaus können Sensitivität, Selektivität und Nachweisgrenze durch weitere Quantifizierung und Optimierung der Bestimmungsbedingungen, wie Dicke der geprägten Schicht, Verhältnis von CDs zu CdSe-QDs, Verhältnis von Templat zu Monomer, Inkubationszeit, und pH [10].

Der Nachweis von 4-NP. a Fluoreszenzspektren von CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanohybride, erhalten bei steigenden 4-NP-Konzentrationen bei einer Anregungswellenlänge von 350 nm. b Einfluss der 4-NP-Konzentration auf das Verhältnis von F _r zu F _b für das MIP-beschichtete CdSe@SiO₂ /CD-Nanohybriden. 4-NP-Konzentrationen von 0,051, 2,1, 4,8, 6,7, 8,9, 11,52 und 13,7 μg/ml wurden verwendet. F _b und F _r repräsentieren die Fluoreszenzintensitäten von CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanohybride bei 455 bzw. 615 nm

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir erfolgreich einen neuartigen 4-Nitrophenol (4-NP)-geprägten Kern-Schale-Doppelemissions-(d. h. ratiometrischen) Fluoreszenzsensor für den empfindlichen und selektiven Nachweis von 4-NP hergestellt. Dieser neuartige Sensor zeigte sowohl die hohe Empfindlichkeit der ratiometrischen Fluoreszenz als auch die hohe Selektivität eines molekular geprägten Polymers (MIP). Wie erwartet wurde in Gegenwart von 4-NP die Fluoreszenz der Kohlenstoffpunkte (CDs) durch den Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) zwischen 4-NP und den photolumineszenten CDs gelöscht, während die Fluoreszenzintensität der CdSe-Quantenpunkte in dieses System blieb relativ konstant. Als solcher erwies sich dieser Sensor als effektive Plattform für den zuverlässigen und schnellen Nachweis von 4-NP in Konzentrationen von 0,051 bis 13,7 μg/ml mit einer besonders niedrigen Nachweisgrenze von 0,026 μg/ml. Darüber hinaus sind die Einfachheit, Zuverlässigkeit, hohe Selektivität und hohe Empfindlichkeit des entwickelten CdSe@SiO₂ /CD/MIP-Nanohybridsensor demonstrieren, dass die Kombination von MIPs und ratiometrischer Fluoreszenz die Herstellung von Fluoreszenzsensoren für den Nachweis von Spuren- oder Ultraspurenanalyten ermöglicht.