Hochselektiver und empfindlicher Nachweis von Hg2+ basierend auf Förster-Resonanzenergietransfer zwischen CdSe-Quantenpunkten und g-C3N4-Nanoblättern

Hintergrund

Die Hauptursache für Quecksilbervergiftungen beim Menschen waren verschmutzte natürliche Gewässer [1]. Hg ²⁺ Ionenmetabolismus durch aquatische Mikroben produziert Methylquecksilber, ein starkes Neurotoxin, das mit kognitiven und Bewegungsstörungen in Verbindung gebracht wird [2]. Daher sind schnelle, kostengünstige, einfache und auf komplexe Umgebungen anwendbare Quecksilbernachweismethoden erforderlich. Insbesondere Nanomaterialien mit einzigartigen optischen Eigenschaften können verwendet werden, um optische Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität zu entwickeln [3]. Halbleiter-Quantenpunkte (QDs), fluoreszierende Metall-Nanocluster (NCs), Edelmetall-Nanopartikel (NPs) und Kohlenstoff-Nanopunkte (CDs) wurden häufig beim Design von Hg ²⁺ . verwendet optische Sensoren aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wie einfache Synthese, hohe Stabilität, Funktionalisierung und Biokompatibilität. Viele Fluoreszenzsensoren für Hg ²⁺ berichtet worden [4,5,6,7,8]. Huang et al. [9] entwickelten einen zeitgesteuerten Förster-Resonanzenergietransfer-(FRET)-Sensor für Hg ²⁺ Erkennung. Darüber hinaus wurden verschiedene FRET-Systeme zum Nachweis von Hg ²⁺ . entwickelt [10,11,12]. Bemerkenswerterweise könnten FRET-Systeme auf ähnliche Weise unter Verwendung von Nanopartikeln wie QDs sowie organischen und anorganischen NPs aufgebaut werden [13,14,15]. Unter den Nanopartikeln g-C₃ N₄ Nanoblätter hatten breites Interesse geweckt [16, 17]. Obwohl g-C₃ N₄ Nanoblätter wurden als Sensoren verwendet, ein FRET-Detektionssystem mit g-C₃ N₄ Nanoblätter und CdSe-QDs für Metallionen wurden nicht beschrieben. FRET-basierte Fluoreszenzsensorsysteme bieten mehrere Vorteile [18].

In der vorliegenden Studie wurde ein neuer FRET-basierter Fluoreszenzsensor zum Nachweis von Quecksilberionen in wässrigen Medien mit g-C₃ . entwickelt N₄ Nanoblätter und CdSe-QDs-Partikel als Vehikel. Der vorgeschlagene Mechanismus ist in Abb. 1 dargestellt.

Die Mechanismen der FRET-basierten Detektion von Quecksilberionen

Methoden

Materialien

Quecksilber(II)-chlorid (HgCl₂ .) ) wurde vom Tong Ren Chemical Research Institute (Guizhou, China) bezogen. Harnstoff- und CdSe-QDs wurden von der Aladdin Reagent Company (Shanghai, China) bezogen. Andere Reagenzien und Chemikalien waren von analytischer Reagensqualität und wurden ohne weitere Reinigung verwendet. Alle Lösungen wurden unter Verwendung von gereinigtem Wasser aus einem Milli-Q-Gradienten-Wasserreinigungssystem (Millipore Inc., USA; nominaler Widerstand 18,2 MÙ cm) hergestellt.

Charakterisierung

Ein Röntgendiffraktometer (Rigaku D/max-2400) wurde verwendet, um Beugungsmuster zu erhalten. Ultraviolett-sichtbare (UV-vis) Spektren wurden auf einem UV-vis 800 Spektrophotometer bei Raumtemperatur aufgenommen. Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Spektren wurden auf einem Nicolet-nexus670-Spektrometer unter Verwendung von KBr aufgezeichnet. Fluoreszenzmessungen wurden bei Raumtemperatur mit einem RF-5301PC-Fluoreszenzspektrometer durchgeführt. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Messungen wurden unter Verwendung eines multifunktionalen Spektrometers (Thermo Scientific) durchgeführt.

Aufbau des FRET-Sensors zwischen den g-C₃ N₄ Nanoblätter und CdSe-QD-Partikel

In einem typischen Verfahren ist g-C₃ N₄ (125 mg, das gemäß unserem vorherigen Bericht [19] synthetisiert wurde) wurde in 250 ml Wasser (1:1) dispergiert und 5 h bei Umgebungstemperatur mit Ultraschall behandelt. Dann wurden CdSe-QDs (1,838 g, 0,0216 Mol) durch Beschallung für 2 Stunden in der Lösung gelöst. Da die Amingruppe am g-C₃ N₄ Nanoblätter und CdSe-QDs hatten eine Carboxylgruppe, g-C₃ N₄ Nanoblätter und CdSe-QDs-Nanopartikel würden durch elektrostatische Wechselwirkung kombiniert. Alle Lösungen wurden in Milli-Q-Gradientenwasser (pH =7) hergestellt. Die CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Konjugat-Emissionsspektren wurden aufgezeichnet. Alle Proben wurden bei 334 nm angeregt, was nahe der minimalen Akzeptorabsorption lag.

Fluoreszenznachweis von Hg ²⁺

Hg ²⁺ wurde bei Raumtemperatur in Wasser abgeschreckt. Während eines typischen Vorgangs 10 μl CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Konjugate wurden zu 3 ml Reinstwasser gegeben und dann die berechnete Menge an Hg ²⁺ wurde hinzugefügt. Die Emissionsspektren der CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Konjugate wurden 2 Minuten später bei Raumtemperatur aufgezeichnet.

Störungs- und Wettbewerbsanalysen

Die Reaktion der FRET-Nanosonde auf andere Metallionen (Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Pb ²⁺ , Cr ³⁺ , Cd ²⁺ , Zn ²⁺ , und Cu ²⁺ ) wurde durch Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Die Studien wurden mit den CdSe QDs/g-C₃ . durchgeführt N₄ Nanoblatt-Konjugate, die bei 450 nm emittieren. Die Konjugatlösung wurde in eine Quarz-Fluoreszenzküvette mit optischem Weg von 1 cm gegeben. Die Fluoreszenzintensität wurde bei einer Emissionswellenlänge von 450 nm unter einer Anregungswellenlänge von 334 nm in Gegenwart jeder möglichen Interferenz (32 nM) gemessen. Kompetitionsassays wurden auch für alle zuvor analysierten möglichen Interferenzen durchgeführt. Für Konkurrenzexperimente:32 nM Hg ²⁺ wässrige Lösungen wurden hergestellt.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung

Die Struktur und Morphologie von g-C₃ N₄ Nanoblätter wurden durch TEM, XPS und XRD charakterisiert. Das TEM-Bild in Abb. 2a zeigte, dass der g-C₃ N₄ nanosheet besaß eine graphenähnliche Morphologie, die hauptsächlich aus wenigen Schichten besteht [19]. Abbildung 2a zeigt die XRD-Muster von g-C₃ N₄ Nanoblätter. Der starke XRD-Peak zentriert bei 27,4 ° entsprach dem typischen Peak der graphitischen Zwischenschichtstapelung (002) von g-C₃ N₄ . Der kleine Peak bei 13,1° entsprach dem periodischen Strukturpackungsmerkmal in der Ebene innerhalb der Blätter [20, 21]. Die XPS-Messung wurde verwendet, um die Valenzzustände von g-C₃ . zu analysieren N₄ Nanoblätter. Das XPS-Spektrum in Abb. 2c zeigte das an N gebundene C-C bei 284,8 und 288,0 eV, und das N1 s-Spektrum lag bei 397,04 eV. In Abb. 2d der Peak bei 811 cm ⁻¹ wurde der Schwingung des Triazinrings zugeschrieben. Die Spitzen um 1000 cm ⁻¹ repräsentierten die Streckmoden von CN-Heterocyclen und den Peak bei 1800 cm ⁻¹ entsprach C–NH–C. Die Spitzen bei 300–3600 cm ⁻¹ entsprach N–H- und O–H-Streckschwingungen [22].

Charakterisierung des so hergestellten g-C₃ N₄ Nanoblatt. a TEM-Bild. b XRD-Bild. c XPS-Spektrum. d FTIR-Spektrum

UV-Vis- und Fluoreszenzeigenschaften von CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblätter

Fluoreszenz- und UV-Vis-Absorptionsspektren wurden aufgenommen, um die optischen Eigenschaften von CdSe-QDs/g-C₃ . zu bewerten N₄ Nanoblätter. Wie in Abb. 3a gezeigt, wurde im UV-Vis-Absorptionsspektrum ein großer Peak bei etwa 334 nm beobachtet. Darüber hinaus wurden die Fluoreszenzemissions- und Anregungspeaks bei 452 und 334 nm in der synchronen Fluoreszenzspektroskopie in Abb. 3b beobachtet und waren mit der Emissionsfluoreszenz und ultravioletten Lichtanregung von Nanoblättern verbunden. Die Emissionspeaks zeigten eine Verschiebung gegenüber dem reinen g-C₃ N₄ Nanoblätter bei 14–16 nm (Emissions- und Anregungspeaks wurden bei 438 und 310 nm beobachtet, wie in Abb. 3c dargestellt), was dem FRET zugeschrieben werden konnte. Der Einfluss der Anregungswellenlängen auf die Fluoreszenzintensitäten wurde ebenfalls bestätigt.

Das UV-Vis-Absorptions- und Fluoreszenzspektrum von CdSe QDs/g-C₃ N₄ konjugiert

Einfluss des pH-Werts auf die Fluoreszenz der CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Konjugate

Abbildung 4 zeigt die Fluoreszenz der CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Konjugate bei unterschiedlichen pH-Werten. Der pH-Wert stieg mit der Fluoreszenzintensität von 3 auf 7 an. Allerdings nahm die Fluoreszenzintensität allmählich ab, wenn der pH-Wert von 7 auf 10 variierte, was auf den Einfluss des pH-Werts auf die Änderung der Oberflächenladung aufgrund der Protonierung-Deprotonierung aufgrund der Existenz von Aminogruppen in der Struktur von . zurückgeführt werden könnte gC₃ N₄ Nanoblätter. In dieser Studie wurden die CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Konjugate wurden zum Nachweis von Hg ²⁺ . durchgeführt Ionen, und als optimaler pH-Wert wurde ein pH-Wert von 7 gewählt. Die Fluoreszenzemissionen wurden bei pH 7 mit unterschiedlichen Konzentrationen von NaCl gemessen, um die Stabilität der CdSe-QDs/g-C₃ . zu erhalten N₄ Nanoblatt-Konjugate unter Bedingungen hoher Ionenstärke. Bei hoher Ionenstärke wurde nur eine geringfügige Änderung der Fluoreszenzintensitäten der CdSe-QDs/g-C₃ . beobachtet N₄ Nanoblatt-Konjugate. Das Ergebnis zeigte, dass eine hohe Ionenstärke minimale Auswirkungen auf die Fluoreszenzintensitäten der Konjugate hatte.

Die Wirkung des pH-Werts auf die Fluoreszenz von CdSe QDs/g-C₃ N₄ Nanoblätter-Konjugate

Selektivität von CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanosheet-FRET-System zum Nachweis von Quecksilberionen

Die Selektivität ist ein wichtiger Parameter eines neuen Sensorsystems. Die Selektivität der CdSe QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-FRET-Sensor wurde unter Verwendung verschiedener Metallionen (z. B. Cu ²⁺ , Mg ²⁺ , Na ⁺ , Ca ²⁺ , Hg ²⁺ , Cr ³⁺ , Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , und Zn ²⁺ ); die Ergebnisse sind in Abb. 5a dargestellt. Im Vergleich zur Blindprobe ohne Ionen ist das Fluoreszenzverhältnis von Hg ²⁺ deutlich erhöht, während sich die Fluoreszenzintensität anderer Metallionen geringfügig veränderte oder gleich blieb. Diese Ergebnisse zeigten, dass der FRET-Sensor eine höhere Selektivität aufwies als die anderen (Abb. 5b). Somit sind die CdSe-QDs/g-C₃ N₄ zeigte eine hohe Selektivität gegenüber Hg ²⁺ . Dieses Phänomen war im Vergleich zu reinem g-C₃ . deutlich N₄ Nanoblatt, das für Cu ²⁺ . selektiv war und Hg ²⁺ [23, 24].

Die Selektivitätsexperimente für die CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblätter FRET-Sensor

Machbarkeit des FRET-Fluoreszenzverfahrens beim Nachweis von Hg ²⁺

Um die Praktikabilität des FRET-Sensors zu untersuchen, wurden die CdSe QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Fluoreszenzdetektion von Hg ²⁺ wurde durchgeführt. Das Vorhandensein von Hg ²⁺ führte zu einer verringerten Fluoreszenzintensität, wie in Abb. 6 gezeigt, die veranschaulicht, dass Hg ²⁺ könnte den FRET-Sensor effektiv löschen. Um die Empfindlichkeit zu untersuchen, muss die Reaktion des Sensors auf verschiedene Hg ²⁺ Konzentrationen wurden durch Fluoreszenzspektroskopie weiter ausgewertet und die Ergebnisse sind in Abb. 6a gezeigt. Die Fluoreszenzintensität von g-C₃ N₄ Nanoblätter nahmen mit steigendem Hg ²⁺ . allmählich ab Konzentrationen. Abbildung 6b erklärt, dass das I /Ich ₀ war abhängig von der Konzentration von Hg ²⁺ , wo ich ₀ und ich waren die Fluoreszenzintensität in Abwesenheit bzw. Anwesenheit von Hg ²⁺ . Außerdem ist die Beziehung von I /Ich ₀ zwischen den Konzentrationen von Hg ²⁺ war linear und die lineare Regressionsgleichung war I = − 9.6 × 10 ⁷ + 550.5(R ² = 0,9882), wie im Einschub von Abb. 6b gezeigt. Im Vergleich zu kürzlich berichteten Lumineszenzmethoden hatte die vorgeschlagene Methode eine niedrigere Nachweisgrenze und eine höhere Empfindlichkeit [25, 26]. Die g-C₃ N₄ Nanoblätter und CdSe-QDs zeigten keine offensichtliche Löschreaktion auf andere Metallionen außer Hg ²⁺ , was auf eine relativ hohe Selektivität für diese Methode hindeutet.

Die Sensoreigenschaften der CdSe QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Konjugate und die Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität von der Konzentration von Hg ²⁺ (C_Hg ²⁺ :1, 0 nM; 2, 4 nM; 3, 8 nM; 4, 12 nM; 5, 16 nM; 6, 20 nM; 7, 24 nM; 8, 28 nM; 9, 32 nM)

Die anderen koexistierenden Kationen, die den Nachweis von Quecksilberionen beeinflussen, wurden ebenfalls nachgewiesen. Die Reaktion der CdSe QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-basiertes Sensorsystem für Hg ²⁺ -Ionen in Gegenwart von Alkali-, Erdalkali- und anderen Übergangsmetallionen wurde in Tabelle 1 gezeigt. Die Koexistenz der meisten Metallionen beeinträchtigte die Bindung von Hg ²⁺ . nicht , was darauf hindeutet, dass die Interferenz dieser koexistierenden Ionen auf dem Hg ²⁺ Sensor war vernachlässigbar.

Darüber hinaus ist die Langzeitstabilität eine überlegene Eigenschaft von Sensoren. Die Extinktion und die Fluoreszenz während der kontinuierlichen Untersuchung alle 3 Tage innerhalb von 2 Wochen zeigten, dass die Aktivität von CdSe QDs/g-C₃ N₄ Nanoblätter blieben über 92% der anfänglichen Effizienz, obwohl sie bei Umgebungsbedingungen gelagert wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblätter als FRET-Sensoren hatten eine gute Langzeitstabilität.

Verglichen mit früheren Berichten über Fluoreszenzassays für Hg ²⁺ (Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt), die CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Fluoreszenzsonde auf FRET-Basis mit einer Hg(II)-Konzentration im Bereich von 0–32 nmol/L bei pH =7 wies eine Nachweisgrenze bei 5,3 nmol/L auf. Somit erzielte unsere Methode eine überlegene Nachweisgrenze und einen linearen Bereich.

Anwendung des FRET-Sensors

Die CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblätter als FRET-Sensor boten erfolgreich eine gute Plattform zum Nachweis von Hg ²⁺ in realen Proben aufgrund ihrer Empfindlichkeit und Selektivität. Nun, See- und Leitungswasser wurden als echte Proben für die Analyse ausgewählt, in denen die Rückgewinnung von Hg ²⁺ lagen im Bereich von 95,4–101,6 % (Tabelle 3). Die relative Standardabweichung (RSD) von Hg ²⁺ lag im Bereich von 0,64–1,72 %. Das Ergebnis zeigte eindeutig, dass die entwickelte Methode effizient zum Nachweis von Hg ²⁺ . eingesetzt werden kann bei praktischen Anwendungen. Die akzeptablen Werte für RSD und relativer Fehler bestätigten die hohe Empfindlichkeit, hohe Präzision und hohe Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen FRET-Sensors für Hg ²⁺ Bestimmung in praktischen Anwendungen.

Schlussfolgerungen

Es wurde ein FRET-basiertes System zum Nachweis von Hg ²⁺ . entwickelt innerhalb von g-C₃ N₄ Nanoblätter/CdSe-QDs. Die Nachweisgrenze für Hg ²⁺ ion betrug 5,3 nM, mit einer linearen Reaktion im Bereich von 0 bis 32 nM. Die Anwendbarkeit dieses Sensors wurde durch die Messung des Gehalts an Hg ²⁺ . nachgewiesen in echten Mustern. Angesichts der Langzeitstabilität, der geringen Kosten und der einfachen Herstellung der CdSe-QDs/g-C₃ N₄ Nanoblatt-Konjugaten könnte der Fluoreszenzassay als Umweltsensor verwendet werden. Diese Strategie würde einen alternativen Ansatz für die Konstruktion von FRET-basierten Sensoren für Hg ²⁺ . bieten in wässrigen Medien, einschließlich Umwelt- und biologischen Proben.

Highlights

1. 1.

   Das Fluoreszenzresonanzenergietransfersystem (FRET) wurde zwischen CdTe-Quantenpunkten (QDs) (Donor) und g-C₃ . konstruiert N₄ (Akzeptor) in Gegenwart von Hg ²⁺ zum ersten Mal.

2. 2.

   Die Nanokomposite von g-C₃ N₄ unterstützt von CdSe QDs (CdSe QDs /g-C₃ N₄ ) wurden über einen einfachen elektrostatischen Wechselwirkungsweg in wässriger Lösung hergestellt.

3. 3.

   Die Machbarkeit des FRET-Systems als Sensor zum Nachweis von Hg (II) in wässriger Lösung wurde demonstriert. Bei pH 7 wurde eine lineare Beziehung zwischen der Intensität der gelöschten Fluoreszenz und der Konzentration von Hg (II) im Bereich von 0–32 nmol/L beobachtet. Die Nachweisgrenze lag bei 5,3 nmol/l.

4. 4.

   Die neuartige FRET-basierte Fluoreszenzdetektion kann eine attraktive Assay-Plattform für die Quantifizierung von Hg ²⁺ . bieten in komplexen Wasserlösungen.

Abkürzungen

FRET:

Förster-Resonanz-Energieübertragung

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarot

UV–vis:

Ultraviolett – sichtbar

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgendiffraktometer