Dual-Mode Kohlenstoff-Nanopunkt-Sensoren für schnelle, selektive Wasserstoffperoxid-Detektion

Zusammenfassung

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein wichtiges Produkt von Oxidase-basierten enzymatischen Reaktionen, wie der Glucose/Glucose-Oxidase (GOD) Reaktion. Daher ist das Nachweisen von generiertem H₂O₂ zur Detektion verschiedener Kohlenhydrate und ihrer Oxidasen sehr bedeutsam. Hier berichten wir über eine Art dual-emittierender Kohlenstoff-Nanopunkte (CDs), die als neuartige Dual-Mode-Nanosensoren mit sowohl fluorometrischem als auch colorimetrischem Output für die selektive Detektion von H₂O₂ dienen können. Die Dual-Mode-Nanosensoren werden ausschließlich durch die undekorierten dual-emittierenden CDs etabliert, wobei signifikante fluorometrische und colorimetrische Veränderungen bei der Zugabe unterschiedlicher Konzentrationen von H₂O₂ in der CD-Lösung beobachtet werden, was der nackten-Augen-Detektion von H₂O₂ zugutekommt. Der Mechanismus der Nanosensoren kann darauf zurückgeführt werden, dass externe chemische Reize wie Hydroxylradikale aus H₂O₂ eine Veränderung der Oberflächeneigenschaften und Aggregation der CDs bewirken, die die Emission und Absorption der CDs dominieren. Die konstruierten Dual-Mode-Nanosensoren zeigen gute Biokompatibilität und hohe Selektivität gegenüber H₂O₂ mit einem linearen Detektionsbereich von 0,05 bis 0,5 M und ermöglichen die Detektion von H₂O₂ bis zu 14 mM.

Hintergrund

Fluoreszierende Kohlenstoff-Nanopunkte (CDs) haben aufgrund ihrer einzigartigen physikochemischen Eigenschaften wie guter Biokompatibilität, niedriger Toxizität, einstellbarer Photolumineszenz (PL) und hohem Quantenausbeute umfangreiche Forschungsaufmerksamkeit erregt. Aufgrund dieser Eigenschaften haben CDs potenzielle Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen gefunden, einschließlich aber nicht beschränkt auf Bioimaging, Biosensoren und Lichtemittierende Geräte [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Zudem sind CDs aufgrund ihrer Up-Conversion- und Down-Conversion-Fähigkeit, Fehlens optischen Blinkens und hoher Photostabilität im Vergleich zu organischen Farbstoffen oder Halbleiter-Quantenpunkten (QDs) besser für Anwendungen in fluoreszierenden Nanosensoren durch Fluoreszenzzunahme oder -löschung geeignet [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19].

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist eine Art gängiges Oxidationsmittel, das aufgrund seiner Sterilisationsfähigkeit häufig als medizinisches Desinfektionsmittel verwendet wird. Außerdem ist H₂O₂ ein wichtiges Produkt von Oxidase-basierten enzymatischen Reaktionen, wie der Glucose/Glucose-Oxidase (GOD) Reaktion. Daher kann die Sensorsstrategie durch das Nachweisen von H₂O₂ als vielversprechender Ansatz für die Detektion von Kohlenhydraten und ihren Oxidasen eingesetzt werden. Aus diesem Grund kann das Sensorn von H₂O₂ zur Überwachung von Erkrankungen des Kohlenhydratstoffwechsels, wie Diabetes, verwendet werden. Derzeit wurden zwar verschiedene Glucosesensoren basierend auf der Bestimmung von H₂O₂ mit einer Vielzahl von analytischen Methoden entwickelt, basieren bisher berichtete Sensorsysteme hauptsächlich auf einem einzelnen Signal wie leitfähigkeitsbasierter, fluorometrischer oder colorimetrischer Änderung [20,21,22]. Kürzlich haben Fortschritte in der Nanotechnologie, insbesondere bei fluoreszierenden Nanopartikeln wie Halbleiter-QDs und neuartigen kohlenstoffbasierten Nanopartikeln, neuartige H₂O₂-Nanosensoren hervorgebracht. Lu et al. entwickelten eine Art dual-emittierender Mikrohybriden (DEMBs) durch Kombination von CdTe QDs und Rhodamin für ratiometrisches fluoreszierendes Sensorn von Glucose durch Überwachung der Generierung von H₂O₂ [20]. Zhang et al. berichteten über einen fluoreszierenden Nanosensor, der eine selektive und empfindliche Reaktion auf H₂O₂ durch Fluoreszenzlöschung von CDs zeigte [21, 22]. Diese Arbeiten brachten jedoch unvermeidlich die intrinsischen Defekte von Halbleiter-basierten QDs mit teuren chemischen Bestandteilen und Schwermetallverschmutzung mit sich. Zudem können Nanosensoren, die auf einem Einzel-Signal-Readout basieren, entweder Fluoreszenzlöschung oder Farbänderung, aufgrund von Umgebungsfaktorschwankungen und experimentellen Bedienungsfehlern eine schlechte Assay-Stabilität aufweisen. Aus den oben genannten Überlegungen möchten wir eine neue Klasse fluoreszierender CDs entwickeln, deren Fluoreszenz und Lösungsfarbe sehr empfindlich auf Konzentrationsänderungen von H₂O₂ reagieren. Damit kann ein Dual-Mode-Nanosensor basierend auf diesen CDs für die distincte und empfindliche Detektion von H₂O₂ durch gleichzeitiges Überprüfen der fluorometrischen und colorimetrischen Änderungen der CD-Lösung erreicht werden, was der Realisierung der nackten-Augen-Detektion von H₂O₂ zugutekommt.

In dieser Studie haben wir eine einfache und bequeme Methode entwickelt, um einen neuartigen Typ von CDs zu synthetisieren, der unter sichtbarem Licht eine dunkelrote Lösungsfarbe und unter einer 365-nm UV-Lampe duale fluoreszierende Emission (blaue und grüne Fluoreszenzemission) aufweist. Die CDs werden einfach durch solvothermale Methode mit Zitronensäure, Harnstoff und N,N-Dimethylformamid (DMF) als Kohlenstoffquelle, Stickstoffquelle bzw. Reaktionslösungsmittel synthetisiert. Die Fluoreszenz und Lösungsfarbe sind sehr empfindlich gegenüber Änderungen der Konzentrationen von H₂O₂. Somit kann ein Dual-Mode-Nanosensor basierend auf diesen CDs für die distincte und empfindliche Detektion von H₂O₂ durch gleichzeitiges Überprüfen der fluorometrischen und colorimetrischen Änderungen der CD-Lösung erreicht werden, was der Realisierung der nackten-Augen-Detektion von H₂O₂ zugutekommt. Ohne die Einführung teurer Instrumente wurde ein Dual-Mode-Nanosensor basierend auf diesen CDs etabliert. Dieses Sensorsystem kann potenzielle Bedienungsfehler effektiv vermeiden und die Zuverlässigkeit der Messung deutlich verbessern. Darüber hinaus sind die CD-basierten Nanosensoren vielversprechend in der Anwendung der Blutzuckerdetektion sowohl in vivo als auch in vitro aufgrund ihrer guten Biokompatibilität und hohen Wasserlöslichkeit.

Methoden

Synthese der CDs

Die CDs wurden mit einer solvothermalen Methode unter Verwendung von Zitronensäure als Kohlenstoffquelle, Harnstoff als Stickstoffquelle und DMF als Co-Reaktant hergestellt. In einem typischen Experiment wurden Zitronensäure (1 g) und Harnstoff (2 g) in 10 mL DMF gelöst. Die Lösung wurde dann in einen 25-mL-Poly(tetrafluorethylen)-ausgekleideten Autoklaven übertragen und bei 160 °C für 4 h erhitzt. Nach der Reaktion wurde der Autoklav natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt. Eine dunkelrote Lösung wurde erhalten. Die CDs wurden durch Hinzufügen von 5 mL Reaktionslösung in 25 mL reichlich Ethanol gefällt und bei 7500 rpm für 30 min zentrifugiert. Anschließend wurde der Niederschlag dialysiert, um reine CDs zu erhalten. Die hergestellten CDs wurden gesammelt und in einem Vakuumtrockenschrank bei 60 °C und <1 Pa für 12 h getrocknet. Anschließend wurden die CDs in deionisiertem Wasser wieder gelöst, um eine 0,75 mg mL⁻¹ CD-Lösung für weitere Forschungen zu bilden. Und die nachfolgenden H₂O₂-behandelten CDs wurden mit derselben Methode gesammelt und getrocknet zur Charakterisierung der Oberflächenmorphologie und strukturellen Eigenschaften.

Messungen

Die Oberflächenmorphologie der CDs wurde mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop (HRTEM, JEOL JSM-IT100) charakterisiert. Die strukturellen Eigenschaften der CDs wurden mit einem Röntgendiffraktometer (XRD, PA National X'Pert Pro) und einem Mikro-Raman-Spektrometer (Renishaw RM 2000) durchgeführt. Die Absorptionsspektren der CDs wurden auf einem Hitachi U-3900 UV-Vis-NIR-Spektrophotometer gemessen. Die Fluoreszenzspektren der CDs wurden mit einem Spektrophotometer (Hitachi F-7000) gemessen. Der Fluoreszenzquantenausbeute der CDs wurde mit dem Horiba FL-322 Spektrometer mit einer kalibrierten Integrationskugel ermittelt. Die Fluoreszenzabklingkurven der CDs wurden ebenfalls mit Horiba FL-322 unter Verwendung einer 405-nm NanoLED gemessen, wobei die Emission bei 450 und 500 nm überwacht wurde. Das Fourier-Transform-Infrarotspektrum (FTIR) der CDs wurde auf einem Bio-Rad Excalibur Spektrometer (Bruker Vector 22) aufgenommen. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde an einem ESCALAB MK II Röntgenphotoelektronenspektrometer mit Mg als Anregungsquelle aufgezeichnet.

Etablierung der CD-Nanosensoren

Für die Detektion von H₂O₂ wurden die Fluoreszenz- und Absorptionsspektren der CDs in Gegenwart von H₂O₂ in PBS-Puffer (pH = 7,4, bei 25 °C) untersucht. In einem typischen Experiment wurde eine unterschiedliche Menge H₂O₂ zuerst mit destilliertem Wasser gemischt und dann 20 µL 0,75 mg mL⁻¹ CD-Lösung in 4 mL H₂O₂-Lösung mit unterschiedlichen Konzentrationen (0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,25, 0,5, 1,0 und 2,0 M) injiziert. Anschließend wurden Fotografien, Fluoreszenz- und Absorptionsspektren aufgenommen, nachdem die CDs der H₂O₂-Lösung zugesetzt wurden.

Die Selektivität der CD-basierten Nanosensoren wurde ebenfalls bewertet. Die CD-Lösung (20 µL, 3,75 µg mL⁻¹) wurde mit verschiedenen Arten von Kationen und Oxidationsmitteln (4 mL, 0,1 M) gemischt und die Lösung dann 1 min geschüttelt. Schließlich wurden die UV-Vis-Absorptions- und Fluoreszenzspektren der Lösung aufgezeichnet, nachdem die CDs der H₂O₂-Lösung zugesetzt wurden.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung der CDs

Die Morphologie der hergestellten CDs wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) gemessen. Wie in Abb. 1a gezeigt, sind die CDs gut dispersiert mit einem einheitlichen Größenbereich von 2,5–6,5 nm und einem durchschnittlichen Durchmesser von ca. 5 nm (Additional file 1: Figure S1b). Zudem zeigt das HRTEM-Bild (Inset von Abb. 1a) Beugungsstreifen um 0,21 nm, was mit der (100)-Ebene von Graphit übereinstimmt. Die XRD-Muster der CDs in Abb. 1b zeigen einen breiten Peak bei ca. 23,4°, der den hochgradig ungeordneten Kohlenstoffatomen mit einer graphitähnlichen Kohlenstoffstruktur entspricht. Die Raman-Spektren der CDs (Abb. 1c) zeigen zwei Bänder: D-Band (bei ca. 1347 cm⁻¹, aufgrund von Schwingungen von sp³-hybridisiertem Kohlenstoff mit Unvollkommenheiten und Unordnung) und G-Band (bei ca. 1577 cm⁻¹, assoziiert mit den E_2g-Schwingungsmoden von sp²-hybridisiertem Kohlenstoff in einer zweidimensionalen hexagonalen Kristallstruktur). Die FTIR-Spektren der CDs (Abb. 1d) präsentieren breite Vibrationsabsorptionsbänder von O–H/N–H bei 3100–3600 cm⁻¹, Streckungsschwingungen von C=O/C=C bei ca. 1690–1610 cm⁻¹ und Streckungsschwingungen von N–O bei ca. 1350–1390 cm⁻¹. Die obigen Daten deuten darauf hin, dass es einige Funktionsgruppen auf der Oberfläche der CDs geben kann, und diese Funktionsgruppen können eine wichtige Rolle bei der hohen Hydrophilie und Stabilität der CDs in wässriger Lösung spielen.

Das fluoreszente Verhalten der CD-basierten Nanosensoren gegenüber H₂O₂ wurde in den CD-wässrigen Lösungen gemessen, wie in Abb. 1e gezeigt. Unter Einwelliger Anregung bei 365 nm veranschaulichen die CD-Lösungen asymmetrische Emissionsspektren, die durch dual-emittierende fluoreszierende Bänder, zentriert bei 450 und 500 nm, angepasst werden können, die blauer bzw. grüner fluoreszierender Bänder entsprechen. Wenn die CD-Lösungen mit H₂O₂ gemischt werden, zeigt die Intensität des blauen Bands einen größeren Abfall als die des grünen. Entsprechend verschieben sich die stärksten Emissionen der CDs von 450 auf 500 nm aus den Ergebnissen der Anregungs-Emissions-Matrizen der CDs nach Zugabe von H₂O₂ (Additional file 1: Figure S2). Als Ergebnis ändert sich die Fluoreszenzfarbe der CD-Lösungen unter 365-nm UV-Lampenbeleuchtung von blau zu grü (Inset von Abb. 1e). Zudem erfahren die CD-Lösungen gleichzeitig eine colorimetrische Veränderung von dunkelrot zu grün nach Zugabe von H₂O₂ (Inset von Abb. 1f). Diese Farbänderung kann der Intensitätsentwicklung der Absorptionsbänder bei ca. 555 und 595 nm zugeschrieben werden, die durch die Zugabe von H₂O₂ in der CD-Lösung verursacht wird (Abb. 1f). Zusammen bestätigen diese Ergebnisse, dass die CDs als Dual-Mode-Nanosensor für die Detektion von H₂O₂ verwendet werden können.

Sensormechanismus

Um den Sensormechanismus zu untersuchen, wurden auch die Morphologie und Fluoreszenzeigenschaften der CDs nach Zugabe von H₂O₂ charakterisiert. Wie in Additional file 1: Figures S1a und S1c illustriert, kann die Zugabe von H₂O₂ in die CD-Lösung zur Aggregation der CDs führen, deren Größen von 30 bis 60 nm reichen. Die H₂O₂-induzierte Aggregation der CDs wurde auch in den normierten Absorptionsspektren (Additional file 1: Figure S3) enthüllt; nämlich verschiebt sich das Absorptionsband der CDs im sichtbaren Bereich von 555 auf 595 nm [15]. Entsprechend variiert die Farbe der CD-Lösung von dunkelrot zu grün, zusammen mit dem Dispersionszustand der CDs, der in einen Aggregationszustand übergeht. Die XRD-Spektren (Abb. 1b und Additional file 1: Figure S4) der CDs vor und nach Zugabe von H₂O₂ ändern sich kaum, was darauf hinweist, dass es keine Änderungen in der Kristallstruktur der CDs gibt.

Die Fluoreszenzentwicklung der hergestellten CDs mit der Zugabe von H₂O₂ wurde durch Fluoreszenzspektren untersucht. Die Anregungs-Emissions-Matrizen zeigen, dass die Zugabe von H₂O₂ die Emissionszentren der CDs von 450 auf 500 nm ändert (Additional file 1: Figure S2). Die Fluoreszenzabklingkurven in Abb. 2a für die CDs mit Emission bei 450 und 500 nm können gut durch eine monoexponentielle Abklingfunktion mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 7,96 und 7,12 ns angepasst werden (unter Anregung von 365 nm). Im Gegensatz dazu wandelte sich die Fluoreszenzabklinglebensdauer der CDs nach der H₂O₂-Behandlung in 4,53 und 4,83 ns (Abb. 2b und Tabelle 1). Gleichzeitig änderte sich der PL-Quantenausbeute (η_int) der CDs von 5,5 auf 4,6%, als H₂O₂ in die CD-Lösung gegeben wurde. Angesichts der Änderung der Fluoreszenzlebensdauer und des PL-Quantenausbeutes kann geschlossen werden, dass Ladungstransfer (CT) zwischen CDs und H₂O₂ auftreten kann, was ein Auslöser für die Änderung der PL-Spektren der CDs sein könnte.

Die FTIR- und XPS-Spektren der CDs wurden gemessen, um Einblick in die chemische Zusammensetzung und Umweltänderungen zu geben, die durch H₂O₂ verursacht werden. Die FTIR-Spektren der CDs vor und nach Zugabe von H₂O₂ in Additional file 1: Figure S7 zeigen, dass die Streckungsschwingungen von N–O bei ca. 1350–1390 cm⁻¹ mit der Zugabe von H₂O₂ zunehmen, was auch durch das Ergebnis der XPS-Spektren bestätigt wird. Aus den Full-Survey-XPS-Spektren (Additional file 1: Figure S8) geht hervor, dass das O-zu-N-Verhältnis der CDs vor und nach der H₂O₂-Behandlung 1,57 bzw. 3,85 betrug. Das steigende O/N-Verhältnis zeigt, dass die Bindungszustände von N in den CDs sich mit der Zugabe von H₂O₂ ändern können, was mit den hochauflösenden N1s-XPS-Spektren in Abb. 2c, d übereinstimmt. Aus dem Ergebnis der N1s-XPS-Spektren hat der Gehalt an graphitischem N in den CDs mit der Zugabe von H₂O₂ zugenommen. Darüber hinaus gibt es einen zusätzlichen Peak des N–O-Zustands bei 407,3 eV in den N1s-Spektren nach der Zugabe von H₂O₂, was offensichtlich demonstriert, dass der Import von H₂O₂ eine Variation der Oberflächenzustände in den CDs bewirkt. Alle Untersuchungen zeigen, dass der oberflächen-N-Rahmen durch die Zugabe von H₂O₂ geändert werden könnte.

Frühere Berichte deuten darauf hin, dass die Emissionsbänder der CDs mit Oberflächenzuständen wie N-dotierten Radikalen und Harnstoffgruppen zusammenhängen [5, 9, 12, 23,24,25]. Gleichzeitig sind diese Oberflächenzustände empfindlich gegenüber externen physikalischen oder chemischen Reizen. Basierend auf der photophysikalischen und Oberflächenumweltanalyse schlagen wir den Mechanismus der Fluoreszenzentwicklung mit der Einführung von H₂O₂ vor (Abb. 3). Der Randzustand der hergestellten CDs besteht aus konjugierten pyrrolischen N-Gruppen. Diese Art von N-Zustand kannmostly auf hohem Energieniveau lokalisiert sein. Somit kann das angeregte Elektron nicht-strahlend auf den hochenergetischen Oberflächen-N-Zustand relaxieren und dann strahlend in den Grundzustand übergehen, begleitet von Fluoreszenzemissionsbändern um 450 nm. Im Gegensatz dazu nimmt die Fluoreszenzintensität der CD-Lösung leicht ab aufgrund des dynamischen Quenchings zwischen H₂O₂ und den CDs, wobei der CT zwischen CDs und H₂O₂ entsteht, ähnlich wie in früheren Berichten [26,27,28,29]. Andernfalls könnte geschlossen werden, dass die hochenergetischen Fluoreszenzradikale (bezogene N-Zustände) in den niedrigenergetischen N–O-Zustand durch den Einfluss von Hydroxylradikalen aus H₂O₂ transformiert werden. So kann das angeregte Elektronmostly mit einem strahlenden Übergang vom niedrigenergetischen N–O-Zustand in den Grundzustand mit einem grünen Emissionsband bei 500 nm relaxieren, was auch zur statischen Löschung der 450-nm-Fluoreszenz führt. Daher können die Haupemissionsbänder der CDs eine Veränderung von der blauen Emission zur grünen Emission präsentieren.

Bewertung der CD-Nanosensoren

Basierend auf dem oben genannten fluoreszierenden und colorimetrischen Verhalten der CDs haben wir einen Nanosensor zur Detektion von H₂O₂ mittels CDs entwickelt. Das vorgeschlagene Sensorsystem besteht aus CDs mit geeigneter Konzentration in wässriger Lösung (3,75 µg mL⁻¹, Additional file 1: Figure S9), wobei die CDs in diesem System die duale Funktion sowohl als colorimetrische als auch fluorometrische Reporter erfüllen.

Das vorgeschlagene Nanosensorsystem basierend auf der CD-Lösung ist in Abb. 4 illustriert. Die fluorometrische und colorimetrische Veränderung, verursacht durch H₂O₂, konnte durch das bloße Auge deutlich visualisiert werden (Abb. 4c, f), wo eine Reihe auffälliger Farbänderungen von blau zu grün und von dunkelrot zu grün unter UV-Licht- und Tageslichtbeleuchtung beobachtet werden können. Daneben kann die Zugabe von H₂O₂ in die CD-Lösung auch quantitativ mit Fluoreszenz- und Absorptionsspektren ausgedrückt werden (Abb. 4a, d). Wie in Abb. 4a gezeigt, nimmt das Fluoreszenzband, zentriert bei 450 und 500 nm, allmählich mit der Erhöhung der H₂O₂-Konzentration von 0 bis 2 M ab. Allerdings führt die Erhöhung der H₂O₂-Konzentration zu unterschiedlichen Abnahmen der Fluoreszenzintensität bei 450 nm (I₄₅₀) und 500 nm (I₅₀₀), was gut mit der Fluoreszenzfarbänderung in der CD-Lösung übereinstimmt (Abb. 4c). Daher wird das Verhältnis der Fluoreszenzintensität bei 500 nm zu der bei 450 nm ausgewählt, um die H₂O₂-Konzentration zu überwachen (Abb. 4a, b). Das niedrigere Verhältnis bezieht sich auf die blaue Emission, während die grüne Fluoreszenz bei einem höheren Verhältnis von I₅₀₀ zu I₄₅₀ mit bloßem Auge beobachtet werden kann. Der lineare Detektionsbereich mit diesen Mitteln erstreckt sich von 0,05 bis 0,5 M mit einer linearen Korrelation R² = 0,987. Ähnlich tritt die colorimetrische Veränderung in der CD-Lösung aufgrund der inhomogenen Abnahme der Absorptionsbänder bei 555 und 595 nm auf. Wie in Abb. 4d dargestellt, nimmt die Absorptionsintensität im sichtbaren Bereich ab, aber die Erhöhung der H₂O₂-Konzentration bewirkt, dass die Absorption um 595 nm langsamer abnimmt als um 555 nm. Daher kann das Verhältnis der Absorption bei 595 nm (A₅₉₅) zu der bei 555 nm (A₅₅₅) ebenfalls zur Messung der H₂O₂-Konzentration verwendet werden. Das Verhältnis von A₅₉₅ zu A₅₅₅ steigt exponentiell von 0,05 bis 2 M mit einer exponentiellen Korrelation R² = 0,999, und die colorimetrische Veränderung korreliert gut mit dem H₂O₂-Konzentrationsbereich von 0,05 bis 0,25 M mit der linearen Detektionsgrenze (LOD) von 14 mM (Additional file 1: Figure S11 und Table S1). Die Dual-Mode-Nanosensoren weisen eine angemessene Empfindlichkeit dieser Methode auf, die den klinischen und medizinischen Anforderungen genügt, da die Konzentration von H₂O₂ durch die GOD-Reaktion im Plasma im millimolaren Bereich (~10 mM) liegt [20]. Zudem verfügen die Dual-Mode-Nanosensoren über eine intrinsische eingebaute Kalibrierreferenz, sodass Intensitätsschwankungen und andere extern verursachte Faktoren eliminiert werden können, was zur Förderung der Testgenauigkeit beiträgt.

Zur Bewertung der Selektivität der Nanosensoren gegenüber H₂O₂ wurden Interferenzassays unter identischen Bedingungen mit einigen gängigen Kationen wie Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Zn²⁺ und Fe²⁺ durchgeführt. Wie in Abb. 5a, b gezeigt, wurden die fluorometrischen und colorimetrischen Änderungen der CDs in Gegenwart verschiedener Kationen untersucht. In Gegenwart von Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Zn²⁺ und Fe²⁺ erscheinen das Fluoreszenzverhältnis von I₅₀₀ zu I₄₅₀ und das Absorptionsverhältnis von A₅₉₅ zu A₅₅₅ nur als leichte Variation im Vergleich zur Blankoprobe, was bedeutet, dass diese Kationen wenig Interferenz auf die Detektion von H₂O₂ haben. Zudem haben wir auch die Auswirkung auf die CDs mit anderen Oxidationsmitteln wie HNO₃, KClO₃, FeCl₃, NaClO, K₂Cr₂O₇ und KMnO₄ verglichen (Abb. 5c, d und Additional file 1: Figures S12 und S13) und festgestellt, dass sich die Fluoreszenzfarbe mit der Zugabe dieser Oxidationsmittel außer K₂Cr₂O₇ und KMnO₄ von blau zu grün ändert. So können wir die Interferenz von K₂Cr₂O₇ und KMnO₄ durch die Fluoreszenzänderung ausschließen. Zusätzlich können wir den Einfluss anderer Oxidationsmittel wie HNO₃, KClO₃, FeCl₃ und NaClO leicht aus dem Ergebnis des Absorptionsverhältnisses von A₅₉₅ zu A₅₅₅ ausschließen. Daher können die in dieser Arbeit demonstrierten Dual-Mode-Nanosensoren aufgrund des synergistischen Effekts der beiden unabhängigen Detektionsmethoden [30,31,32,33] sehr vielversprechend in der hohen Selektivität der Bestimmung sein. Darüber hinaus haben wir die Ansprechzeit der fluorometrischen Änderung bei Zugabe von H₂O₂ gemessen und festgestellt, dass die Fluoreszenz nach Injektion von H₂O₂ abnimmt und bei etwa 3,3 s stabil bleibt (Additional file 1: Figure S14).

Die Lebensfähigkeit von A549-Zellen wurde mit dem standardmäßigen CCK-8-Assay zur Bewertung der Zytotoxizität der CDs untersucht. Wie in Abb. 6 gezeigt, stellen wir fest, dass eine Zelllebensfähigkeit von nahezu 80% durch Inkubation der A549-Zellen mit CDs für 48 h sogar bei hoher Konzentration von CDs wie 500 µg mL⁻¹ erreicht wird. Es wird berechnet, dass die 50% inhibitorische Konzentration (IC50) der CDs etwa 1106 µg mL⁻¹ beträgt, gemäß GraphPad Prism 5.0, was darauf hindeutet, dass die CDs gute Biokompatibilität und sehr niedrige Zytotoxizität bei hoher Konzentration aufweisen. Zudem haben wir die analytische Leistung zuvor berichteter Nanosensoren für die H₂O₂-Bestimmung in Additional file 1: Table S2 verglichen. Die Biokompatibilität, Einfachheit und Visualisierung der Detektion sind vergleichbar mit oder sogar besser als die meisten dieser berichteten H₂O₂-Assays. Angesichts der Tatsache, dass die CD-basierten Dual-Mode-Nanosensoren eine gute Selektivität zur H₂O₂-Detektion, eine angemessene Detektionsgrenze (LOD = 14 mM) in der gleichen Größenordnung wie Blutzucker und sehr niedrige Zytotoxizität bei hoher CD-Konzentration aufweisen, sind die Nanosensoren vielversprechend für den Test von Blutzucker und andere klinische Anforderungen.

Fazit

Zusammenfassend schlagen wir einen Dual-Mode-Nanosensor basierend auf CDs mit sowohl colorimetrischem als auch fluorometrischem Output für die quantitative Detektion von H₂O₂ vor, basierend auf der fluorometrischen und colorimetrischen Änderung der CD-Lösung bei Einführung von H₂O₂. Die Nanosensoren sind einfach und ermöglichen die nackte-Augen-Detektion von H₂O₂. Der Mechanismus der Nanosensoren kann darauf zurückgeführt werden, dass externe chemische Reize wie Hydroxylradikale aus H₂O₂ eine Veränderung der Oberflächeneigenschaften und Aggregation der CDs bewirken, die die Emission und Absorption der CDs dominieren. Die vorgeschlagenen Nanosensoren zeigen gute Biokompatibilität, hohe Selektivität gegenüber H₂O₂ mit einem linearen Detektionsbereich von 0,05 bis 0,5 M und einer Detektionsgrenze von ca. 14 mM, was mit dem Niveau von H₂O₂ vergleichbar ist, das durch GOD-Reaktionen erzeugt wird. Es wird angenommen, dass die in dieser Arbeit berichtete Strategie einen vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung eines neuartigen Sensors im Blutzucker bieten kann, der wertvoll in der Krankheitsdiagnose und Umwelttest sein könnte.