Kohlenstoff-Nanodots als Dual-Mode-Nanosensoren für den selektiven Nachweis von Wasserstoffperoxid

Hintergrund

Fluoreszierende Kohlenstoff-Nanodots (CDs) haben aufgrund ihrer einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften wie gute Biokompatibilität, geringe Toxizität, einstellbare Photolumineszenz (PL) und hohe Quantenausbeute umfangreiche Forschungsinteressen ausgelöst. Aufgrund der obigen Eigenschaften haben CDs potentielle Anwendungen in einer Vielzahl von Gebieten gefunden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Bioimaging, Biosensoren und lichtemittierende Vorrichtungen [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Darüber hinaus eignen sich CDs aufgrund ihrer Auf- und Abkonversionsfähigkeit, des Fehlens von optischem Blinken und der hohen Photostabilität im Vergleich zu organischen Farbstoffen oder Halbleiterquantenpunkten (QDs) besser für Anwendungen in fluoreszierenden Nanosensoren durch Fluoreszenzerhöhung oder -löschung [10 ,11,12,13,14,15,16,17,18,19].

Wasserstoffperoxid (H₂ .) O₂ ) ist ein gängiges Oxidationsmittel, das immer als medizinisches Desinfektionsmittel zur Sterilisation verwendet wird. Außerdem H₂ O₂ ist auch ein wichtiges Produkt von enzymatischen Reaktionen auf Oxidasebasis, wie der Glucose/Glucose-Oxidase (GOD)-Reaktion. Daher ist die Erfassungsstrategie durch die Sondierung von H₂ O₂ kann als vielversprechender Ansatz zum Nachweis von Kohlenhydraten und ihren Oxidasen eingesetzt werden. Aus diesem Grund ist die Erfassung von H₂ O₂ kann verwendet werden, um Krankheiten des Kohlenhydratstoffwechsels, wie Diabetes, zu überwachen. Derzeit werden zwar verschiedene Glukosesensoren basierend auf der Bestimmung von H₂ O₂ wurden unter Verwendung einer Vielzahl von analytischen Methoden entwickelt, früher beschriebene Sensorsysteme basieren hauptsächlich auf einem einzigen Signal wie konduktometrischen, fluorometrischen oder kolorimetrischen Veränderungen [20,21,22]. In letzter Zeit haben Fortschritte in der Nanotechnologie, insbesondere bei fluoreszierenden Nanopartikeln wie Halbleiter-QDs und aufkommenden kohlenstoffbasierten Nanopartikeln, zu neuartigen H₂ . geführt O₂ Nanosensoren. Luet al. entwickelte eine Art von Dual-Emissions-Mikrohybriden (DEMBs) durch die Kombination von CdTe-QDs und Rhodamin für die ratiometrische Fluoreszenzmessung von Glukose durch Überwachung der H₂ .-Erzeugung O₂ [20]. Zhanget al. berichteten über einen fluoreszierenden Nanosensor, der eine selektive und empfindliche Reaktion auf H₂ . zeigte O₂ durch die Fluoreszenzlöschung von CDs [21, 22]. Diese Arbeiten führten jedoch unweigerlich zu den intrinsischen Defekten von QDs auf Halbleiterbasis mit teuren chemischen Bestandteilen und Schwermetallbelastung. Darüber hinaus können Nanosensoren, die auf Einzelsignalauslesung, entweder Fluoreszenzlöschung oder Farbänderung, basieren, aufgrund der Schwankungen von Umgebungsfaktoren und experimentellen Betriebsfehlern eine schlechte Assay-Stabilität aufweisen. Aufgrund der obigen Überlegung möchten wir eine neue Klasse fluoreszierender CDs entwickeln, deren Fluoreszenz und Lösungsfarbe sehr empfindlich auf die Änderung der Konzentrationen von H₂ . reagiert O₂ . Somit kann ein auf diesen CDs basierender Dual-Mode-Nanosensor zum charakteristischen und empfindlichen Erfassen des H₂ . erreicht werden O₂ durch gleichzeitiges Inspizieren der fluorometrischen und kolorimetrischen Veränderungen der CD-Lösung, was für die Realisierung des Nachweises von H₂ . mit bloßem Auge von Vorteil ist O₂ .

In dieser Studie haben wir eine einfache und bequeme Methode entwickelt, um einen neuartigen CD-Typ zu synthetisieren, der unter sichtbarem Licht eine dunkelrote Lösungsfarbe und eine duale Fluoreszenzemission unter einer 365-nm-UV-Lampe (blaue und grüne Fluoreszenzemission) aufweist. Die CDs werden einfach durch solvothermale Methode mit Zitronensäure, Harnstoff und N . synthetisiert ,N -Dimethylformamid (DMF) als Kohlenstoffquelle, Stickstoffquelle bzw. Reaktionslösungsmittel. Die Fluoreszenz und die Farbe der Lösung reagieren sehr empfindlich auf Änderungen der Konzentrationen von H₂ O₂ . Somit kann ein auf diesen CDs basierender Dual-Mode-Nanosensor zum charakteristischen und empfindlichen Erfassen des H₂ . erreicht werden O₂ durch gleichzeitiges Inspizieren der fluorometrischen und kolorimetrischen Veränderungen der CD-Lösung, was für die Realisierung des Nachweises von H₂ . mit bloßem Auge von Vorteil ist O₂ . Ohne die Einführung eines teuren Instruments wurde ein auf diesen CDs basierender Dual-Mode-Nanosensor etabliert. Dieses Erfassungssystem kann die potentiellen Betriebsfehler effektiv vermeiden und die Zuverlässigkeit der Messung merklich verbessern. Darüber hinaus sind die CD-basierten Nanosensoren aufgrund ihrer guten Biokompatibilität und hohen Wasserlöslichkeit vielversprechend bei der Anwendung der Blutzuckerbestimmung sowohl in vivo als auch in vitro.

Methoden

Synthese von CDs

Die CDs wurden unter Verwendung eines solvothermalen Verfahrens mit Zitronensäure als Kohlenstoffquelle, Harnstoff als Stickstoffquelle und DMF als Coreaktant hergestellt. In einem typischen Experiment wurden Zitronensäure (1 g) und Harnstoff (2 g) in 10 ml DMF gelöst. Die Lösung wurde dann in einen mit 25 ml Poly(tetrafluorethylen) ausgekleideten Autoklaven überführt und 4 h auf 160 °C erhitzt. Nach der Reaktion wurde der Autoklav natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde eine dunkelrote Lösung erhalten. Die CDs wurden durch Zugabe von 5 ml Reaktionslösung in 25 ml reichlich Ethanol ausgefällt und 30 Minuten bei 7500 U/min zentrifugiert. Dann wurde die Fällung dialysiert, um reine CDs zu erhalten. Die so hergestellten CDs wurden gesammelt und in einem Vakuumtrockenschrank bei 60 °C und unter <1 Pa 12 h lang getrocknet. Dann wurden die CDs in entionisiertem Wasser wieder aufgelöst, um 0,75 mg ml ^-1 . zu bilden CD-Lösung für weitere Recherchen. Und das anschließende H₂ O₂ -behandelte CDs wurden gesammelt und mit der gleichen Methode zur Charakterisierung der Oberflächenmorphologie und der strukturellen Eigenschaften getrocknet.

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) ermittelt. 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. Die Fluoreszenzquantenausbeute der CDs wurde mit dem Horiba FL-322 Spektrometer mit einer kalibrierten Ulbrichtkugel erhalten. Die Fluoreszenzzerfallskurven der CDs wurden auch von Horiba FL-322 mit einer 405-nm-NanoLED gemessen, die die Emission bei 450 bzw. 500 nm überwacht. Das Fourier-Transformations-Infrarotspektrum (FTIR) der CDs wurde auf einem Bio-Rad Excalibur-Spektrometer (Bruker Vector 22) aufgezeichnet. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde auf einem ESCALAB MK II Röntgenphotoelektronenspektrometer unter Verwendung von Mg als Anregungsquelle aufgezeichnet.

Aufbau der CD-Nanosensoren

Zum Nachweis des H₂ O₂ , die Fluoreszenz- und Absorptionsspektren der CDs in Gegenwart von H₂ O₂ wurden in PBS-Puffer (pH = 7.4, bei 25 °C) untersucht. In einem typischen Experiment wird eine andere Menge H₂ O₂ wurde zuerst mit destilliertem Wasser gemischt und dann mit 20 μL 0,75 mg ml ⁻¹ CD-Lösung wurde in 4 ml H₂ . injiziert O₂ Lösung mit unterschiedlichen Konzentrationen (0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,25, 0,5, 1,0 und 2,0 M). Dann wurden Fotos, Fluoreszenz- und Absorptionsspektren aufgenommen, nachdem die CDs in das H₂ . gegeben wurden O₂ Lösung.

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 dann wurde die Lösung 1 min lang geschüttelt. Schließlich wurden die UV-Vis-Absorptions- und Fluoreszenzspektren der Lösung aufgezeichnet, nachdem die CDs in das H₂ . gegeben wurden O₂ Lösung.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung der CDs

Die Morphologie der so hergestellten CDs wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) gemessen. Wie in Abb. 1a gezeigt, sind die CDs mit einem einheitlichen Größenbereich von 2,5–6,5 nm und einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 nm gut dispergiert (Zusatzdatei 1:Abbildung S1b). Darüber hinaus zeigt das HRTEM-Bild (Einschub der Abb. 1a) die Beugungsstreifen um 0,21 nm, was mit der (100) von Graphit übereinstimmt. Die XRD-Muster der in Abb. 1b gezeigten CDs weisen einen breiten Peak bei etwa 23,4° auf, der den stark ungeordneten Kohlenstoffatomen mit einer graphitartigen Kohlenstoffstruktur entspricht. Die Raman-Spektren der CDs (Abb. 1c) zeigen zwei Banden:D-Band (bei etwa 1347 cm ⁻¹ , was auf die Vibrationen von sp ³ . zurückzuführen war -hybridisierter Kohlenstoff mit Unvollkommenheit und Unordnung) und G-Band (bei etwa 1577 cm ⁻¹ .) , die mit dem E_2g . verbunden war Vibrationsmodi von sp ² -hybridisierter Kohlenstoff in einer zweidimensionalen hexagonalen Kristallstruktur). Die FTIR-Spektren der CDs (Abb. 1d) zeigen breite Schwingungsabsorptionsbanden von O–H/N–H bei 3100–3600 cm ⁻¹ , die Streckschwingungen von C=O/C=C bei etwa 1690–1610 cm ⁻¹ und die Streckschwingungen von N–O bei etwa 1350–1390 cm ⁻¹ . Die obigen Daten weisen darauf hin, dass sich auf der Oberfläche der CDs einige funktionelle Gruppen befinden können, und diese funktionellen Gruppen können eine wichtige Rolle bei der hohen Hydrophilie und Stabilität der CDs in wässriger Lösung spielen.

a TEM-Image der CDs. Einsätze zeigen Sie das HRTEM-Bild der CDs. b XRD-Muster der CDs. c Raman-Spektroskopie der CDs. d FTIR-Spektroskopie der CDs. e Fluoreszenzvariation von CDs nach Zugabe von 0,5 M H₂ O₂ . Einsätze Fotos von CDs vorher anzeigen (links ) und danach (richtig ) Hinzufügen von H₂ O₂ unter UV-Licht. f Farbmetrische Variation von CDs nach Zugabe von 0,5 M H₂ O₂ . Einsätze Fotos von CDs vorher anzeigen (links ) und danach (richtig ) Hinzufügen von H₂ O₂ unter Tageslicht

Das Fluoreszenzverhalten der CD-basierten Nanosensoren gegenüber H₂ O₂ wurde in den in Abb. 1e gezeigten wässrigen CD-Lösungen gemessen. Bei einer Anregung mit einer einzigen Wellenlänge bei 365 nm veranschaulichen die CD-Lösungen asymmetrische Emissionsspektren, die durch Dual-Emissions-Fluoreszenzbanden mit einem Zentrum bei 450 und 500 nm angepasst werden könnten, die den blauen bzw. grünen Fluoreszenzbanden entsprechen. Wenn die CD-Lösungen mit H₂ . gemischt werden O₂ , zeigt die Intensität des blauen Bandes eine stärkere Abnahme als die des grünen. Dementsprechend verschieben sich die stärksten Emissionen der CDs von 450 auf 500 nm aus den Ergebnissen der Anregungs-Emissions-Matrizen der CDs nach der Zugabe von H₂ O₂ (Zusätzliche Datei 1:Abbildung S2). Als Ergebnis ändert sich die Fluoreszenzfarbe der CD-Lösungen von blau nach grün unter einer 365-nm-UV-Lampenbeleuchtung (Einschub der Abb. 1e). Darüber hinaus erfahren die CD-Lösungen nach Zugabe des H₂ . gleichzeitig einen kolorimetrischen Wechsel von Dunkelrot zu Grün O₂ (Einschub der Abb. 1f). Diese Farbänderung ist auf die Intensitätsentwicklung der Absorptionsbanden bei etwa 555 und 595 nm zurückzuführen, die durch die Zugabe von H₂ . verursacht wird O₂ in der CD-Lösung (Abb. 1f). Zusammengenommen bestätigen diese Ergebnisse, dass die CDs als Dual-Mode-Nanosensor zum Nachweis von H₂ . verwendet werden könnten O₂ .

Sensormechanismus

Untersuchung des Sensormechanismus, der Morphologie und der Fluoreszenzeigenschaften der CDs nach Zugabe von H₂ O₂ wurden ebenfalls charakterisiert. Wie in Zusatzdatei 1 dargestellt:Abbildungen S1a und S1c, das Hinzufügen von H₂ O₂ in die CD-Lösung kann zur Aggregation von CDs führen, deren Größen zwischen 30 und 60 nm liegen. Die H₂ O₂ -induzierte Aggregation von CDs zeigte sich auch in den normalisierten Absorptionsspektren (Zusatzdatei 1:Abbildung S3); die Absorptionsbande der CDs verschiebt sich nämlich von 555 zu 595 nm im sichtbaren Bereich [15]. Dementsprechend variiert die Farbe der CD-Lösung von dunkelrot bis grün, zusammen mit dem Dispersionszustand der CDs, der in einen Aggregationszustand übergeht. Die XRD-Spektren (Abb. 1b und Zusatzdatei 1:Abbildung S4) der CDs vor und nach der Zugabe von H₂ O₂ wenig ändern, was darauf hindeutet, dass es keine Veränderungen in der kristallinen Struktur der CDs gibt.

Die Fluoreszenzentwicklung der so hergestellten CDs mit der Zugabe von H₂ O₂ wurde mit Fluoreszenzspektren untersucht. Die Anregungs-Emissions-Matrizen zeigen, dass die Addition von H₂ O₂ lässt die Emissionszentren der CDs von 450 auf 500 nm ändern (Zusatzdatei 1:Abbildung S2). Die in Abb. 2a gezeigten Fluoreszenzzerfallskurven für die CDs mit der Emission bei 450 und 500 nm lassen sich gut durch eine monoexponentielle Zerfallsfunktion mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 7,96 bzw. 7,12 ns (bei Anregung von 365 nm) anpassen. Im Gegensatz dazu ist die Fluoreszenzabklingzeit der CDs nach dem H₂ O₂ Behandlung wurde zu 4,53 und 4,83 ns (Abb. 2b und Tabelle 1). Inzwischen ist die PL-Quantenausbeute (η _int ) der CDs änderte sich von 5,5 auf 4,6%, wenn die H₂ O₂ wurde in die CD-Lösung gegeben. In Anbetracht der Änderung der Fluoreszenzlebensdauer und der PL-Quantenausbeute kann geschlossen werden, dass ein Ladungstransfer (CT) zwischen CDs und H₂ . auftreten kann O₂ , was ein Auslöser sein könnte, um die PL-Spektren der CDs zu ändern.

a , b Fluoreszenzzerfall von CDs vor (a ) und nach (b ) Hinzufügen von 0,5 M H₂ O₂ . c , d XPS (N1s) von CDs vor (c ) und nach (d ) Hinzufügen von 0,5 M H₂ O₂

Die FTIR- und XPS-Spektren der CDs wurden gemessen, um einen Einblick in die chemische Zusammensetzung und die durch das H₂ . verursachten Umweltveränderungen zu geben O₂ . Die FTIR-Spektren von CDs vor und nach der Zugabe von H₂ O₂ gezeigt in Zusatzdatei 1:Abbildung S7 zeigt, dass die Streckschwingungen von N–O bei etwa 1350–1390 cm ⁻¹ durch Zugabe von H₂ . erhöhen O₂ , was auch durch das Ergebnis der XPS-Spektren bestätigt wird. Aus den XPS-Spektren der vollständigen Untersuchung (Zusatzdatei 1:Abbildung S8) ist ersichtlich, dass das O-N-Verhältnis der CDs vor und nach dem H₂ O₂ Behandlung war 1,57 bzw. 3,85. Das zunehmende Verhältnis von O/N zeigt, dass sich die Bindungszustände von N in den CDs mit der Zugabe von H₂ . ändern können O₂ , was mit den hochauflösenden N1s-XPS-Spektren in Abb. 2c, d übereinstimmt. Aus dem Ergebnis der N1s XPS-Spektren wurde der Gehalt an Graphit N in den CDs durch die Zugabe von H₂ . erhöht O₂ . Darüber hinaus gibt es nach der Zugabe von H₂ . einen zusätzlichen Peak des N–O-Zustands bei 407,3 eV in den N1s-Spektren O₂ , was offensichtlich zeigt, dass der Import von H₂ O₂ bewirkt die Variation der Oberflächenzustände in den CDs. Alle Erhebungen zeigen, dass der Oberflächen-N-Rahmen durch das Hinzufügen von H₂ . geändert werden könnte O_2.

Frühere Berichte deuten darauf hin, dass die Emissionsbanden der CDs mit Oberflächenzuständen wie N-dotierten Radikalen und Harnstoffgruppen zusammenhängen [5, 9, 12, 23, 24, 25]. Inzwischen sind diese Oberflächenzustände empfindlich gegenüber äußeren physikalischen oder chemischen Reizen. Auf der Grundlage der photophysikalischen und Oberflächenumgebungsanalyse schlagen wir den Mechanismus der Fluoreszenzentwicklung mit der Einführung des H₂ . vor O₂ (Abb. 3). Der Kantenzustand der so hergestellten CDs besteht aus den konjugierten Pyrrol-N-Gruppen. Diese Art von N-Zustand kann meist auf einem hohen Energieniveau lokalisiert sein. Somit kann das angeregte Elektron strahlungslos in den Oberflächen-N-Zustand hoher Ebene relaxieren und dann strahlend in den Grundzustand übergehen, begleitet von Fluoreszenzemissionsbändern um 450 nm. Im Gegensatz dazu nimmt die Fluoreszenzintensität der CD-Lösung aufgrund der dynamischen Löschung zwischen den H₂ O₂ und die CDs, wobei die CT zwischen CDs und H₂ . entsteht O₂ ähnlich den vorherigen Berichten [26,27,28,29]. Andernfalls könnte abgeleitet werden, dass die hochenergetischen Fluoreszenzradikale (verwandter N-Zustand) aufgrund des Einflusses des Hydroxylradikals aus dem H₂ . in den niederenergetischen N–O-Zustand überführt werden O₂ . Das angeregte Elektron kann also größtenteils mit einem strahlenden Übergang vom niederenergetischen N–O-Zustand in den Grundzustand mit einer grünen Emissionsbande bei 500 nm relaxieren, was auch zur statischen Löschung der 450-nm-Fluoreszenz führt. Daher könnten die Hauptemissionsbanden von CDs einen Wechsel von der blauen Emission zur grünen Emission aufweisen.

Der mögliche Erkennungsmechanismus für CDs vor (links ) und danach (richtig ) Hinzufügen von H₂ O₂

Bewertung der CDs Nanosensoren

Auf der Grundlage des obigen fluoreszierenden und kolorimetrischen Verhaltens der CDs haben wir einen Nanosensor zum Nachweis von H₂ . entwickelt O₂ durch die CDs. Das vorgeschlagene Sensorsystem besteht aus CDs mit der richtigen Konzentration in wässriger Lösung (3,75 μg mL ⁻¹ , Zusätzliche Datei 1:Abbildung S9), wobei die CDs in diesem System sowohl als kolorimetrische als auch als fluorometrische Reporter dienen.

Das vorgeschlagene Nanosensorsystem basierend auf der CD-Lösung ist in Abb. 4 dargestellt. Die fluorometrische und kolorimetrische Änderung, die durch H₂ . verursacht wird O₂ mit bloßem Auge deutlich sichtbar gemacht werden konnte (Abb. 4c, f), wobei unter UV-Licht und Tageslicht eine Reihe von deutlichen Farbumschlägen von Blau nach Grün und von Dunkelrot nach Grün zu beobachten sind. Außerdem ist die Zugabe von H₂ O₂ in die CD-Lösung kann auch quantitativ mit den Fluoreszenz- und Absorptionsspektren ausgedrückt werden (Abb. 4a, d). Wie in Abb. 4a gezeigt, nimmt die bei 450 und 500 nm zentrierte Fluoreszenzbande mit der Zunahme von H₂ . allmählich ab O₂ Konzentration von 0 auf 2 M. Der Anstieg des H₂ O₂ Konzentration führt zu einer unterschiedlichen Abnahme der Fluoreszenzintensität bei 450 nm (I ₄₅₀ ) und 500 nm (I ₅₀₀ ), 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 das H₂ . zu überwachen O₂ Konzentration (Abb. 4a, b). Das niedrigere Verhältnis hängt mit der blauen Emission zusammen, während die grüne Fluoreszenz mit bloßem Auge bei einem höheren Verhältnis von I . beobachtet werden kann ₅₀₀ zu ich ₄₅₀ . Der lineare Erfassungsbereich reicht dabei von 0,05 bis 0,5 M mit einer linearen Korrelation R ² = 0,987. In ähnlicher Weise tritt die kolorimetrische Änderung in der CD-Lösung aufgrund der inhomogenen Abnahme der Absorptionsbande bei 555 und 595 nm auf. Wie in Abb. 4d dargestellt, nimmt die Absorptionsintensität im sichtbaren Bereich ab, aber der Anstieg von H₂ O₂ Konzentration führt dazu, dass die Absorption um 595 nm langsamer abnimmt als um 555 nm. Daher ist das Verhältnis der Absorption bei 595 nm (A ₅₉₅ ) zu dem bei 555 nm (A ₅₅₅ ) könnte auch verwendet werden, um H₂ . zu messen O₂ Konzentration. Das Verhältnis von A ₅₉₅ zu A ₅₅₅ steigt exponentiell von 0,05 auf 2 M mit einer exponentiellen Korrelation R ² = 0,999, und die kolorimetrische Änderung korreliert gut mit H₂ O₂ Konzentrationsbereich von 0,05 bis 0,25 M mit der linearen Nachweisgrenze (LOD) von 14 mM (Zusatzdatei 1:Abbildung S11 und Tabelle S1). Die Dual-Mode-Nanosensoren haben eine angemessene Empfindlichkeit dieser Methode und erfüllen die klinischen und medizinischen Anforderungen aufgrund der Konzentration von H₂ O₂ durch die GOD-Reaktion im Bereich von etwa millimolar (~10 mM) im Plasma [20]. Darüber hinaus verfügen die Dual-Mode-Nanosensoren über eine intrinsische integrierte Kalibrierungsreferenz, sodass Intensitätsschwankungen und andere extern verursachte Faktoren eliminiert werden können, was zur Verbesserung der Testgenauigkeit beiträgt.

a Fluoreszenzspektren von CDs in Gegenwart von verschiedenen H₂ O₂ Konzentrationen. b Kalibrierkurve von I ₅₀₀ /Ich ₄₅₀ der CDs vs. H₂ O₂ Konzentration. Einsätze zeigen den linearen Erfassungsbereich von I ₅₀₀ /Ich ₄₅₀ der CDs vs. H₂ O₂ Konzentration. c Fotografische Bilder der Fluoreszenz-CD-Lösung unter verschiedenen Konzentrationen von H₂ O₂ . d UV-Vis-Spektren von CDs in Gegenwart von verschiedenen H₂ O₂ Konzentrationen. e Kalibrierkurve von A ₅₉₅ /A ₅₅₅ der CDs vs. H₂ O₂ Konzentration. f Fotografische Bilder der CD-Lösung unter verschiedenen Konzentrationen von H₂ O₂

Bewertung der Selektivität der Nanosensoren gegenüber H₂ O₂ , Interferenzassays wurden unter identischen Bedingungen mit einigen gängigen Kationen wie Na ⁺ . durchgeführt , K ⁺ , NH ⁴⁺ , Ca ²⁺ , Zn ²⁺ , und Fe ²⁺ . Wie in Abb. 5a, b gezeigt, wurden die fluorometrischen und kolorimetrischen Veränderungen der CDs in Gegenwart verschiedener Kationen untersucht. In Gegenwart von Na ⁺ , K ⁺ , NH₄ ⁺ , Ca ²⁺ , Zn ²⁺ , und Fe ²⁺ , das Fluoreszenzverhältnis von I ₅₀₀ zu ich ₄₅₀ und das Absorptionsverhältnis von A ₅₉₅ zu A ₅₅₅ erscheinen nur als geringfügige Abweichung im Vergleich zur Blindprobe, was bedeutet, dass diese Kationen den Nachweis von H₂ . kaum stören O₂ . Darüber hinaus haben wir die Auswirkungen auf die CDs auch mit anderen Oxidationsmitteln wie HNO₃ . verglichen , KClO₃ , FeCl₃ , NaClO, K₂ Cr₂ O₇ , und KMnO₄ (Abb. 5c, d und zusätzliche Datei 1:Abbildungen S12 und S13), und wir fanden, dass sich die Fluoreszenzfarbe bei Zugabe dieser Oxidationsmittel außer K₂ . von Blau nach Grün ändert Cr₂ O₇ und KMnO₄ . Wir können also die Interferenz von K₂ . ausschließen Cr₂ O₇ und KMnO₄ durch die Fluoreszenzänderung. Darüber hinaus können wir die Auswirkungen anderer Oxidationsmittel wie HNO₃ . leicht ausschließen , KClO₃ , FeCl₃ , und NaClO aus dem Ergebnis des Absorptionsverhältnisses von A ₅₉₅ zu A ₅₅₅ . Daher können die in dieser Veröffentlichung vorgestellten Dual-Mode-Nanosensoren aufgrund des synergistischen Effekts der beiden unabhängigen Nachweismethoden in Bezug auf die hohe Selektivität der Bestimmung sehr vielversprechend sein [30,31,32,33]. Außerdem haben wir die Reaktionszeit der fluorometrischen Änderung bei Zugabe von H₂ . gemessen O₂ und fanden heraus, dass die Fluoreszenz nach der Injektion von H₂ . abnimmt O₂ und wird bei etwa 3,3 s stabil gehalten (Zusätzliche Datei 1:Abbildung S14).

a , c Fluoreszenzverhältnis I ₅₀₀ /Ich ₄₅₀ Lösung mit CDs und verschiedenen störenden Kationen (a ) und Oxidationsmittel (c ). b , d Absorptionsverhältnis A ₅₉₅ /A ₅₅₅ Lösung mit CDs und verschiedenen störenden Kationen (b ) und Oxidationsmittel (d )

Die Lebensfähigkeit von A549-Zellen wurde unter Verwendung eines Standard-CCK-8-Assays zur Bewertung der Zytotoxizität von CDs untersucht. Wie in Abb. 6 gezeigt, stellen wir fest, dass eine Lebensfähigkeit von fast 80 % erreicht wird, wenn die A549-Zellen mit CDs für 48 Stunden inkubiert werden, selbst bei hohen Konzentrationen von CDs wie 500 μg ml ⁻¹ . Es wird berechnet, dass die 50 % hemmende Konzentration (IC50) von CDs etwa 1106 μg ml ^–1 . beträgt durch das GraphPad Prism 5.0, das folgert, dass die CDs eine gute Biokompatibilität und eine sehr geringe Zytotoxizität bei hoher Konzentration aufweisen. Darüber hinaus haben wir die analytische Leistung von zuvor berichteten Nanosensoren für H₂ . verglichen O₂ Bestimmung gezeigt in Zusatzdatei 1:Tabelle S2. Die Biokompatibilität, Einfachheit und Visualisierung des Nachweises sind vergleichbar mit oder sogar besser als die meisten dieser berichteten H₂ O₂ Assays. In Anbetracht der Tatsache, dass die CD-basierten Dual-Mode-Nanosensoren eine gute Selektivität gegenüber H₂ . aufweisen O₂ Nachweis, die richtige Nachweisgrenze (LOD = 14 mM) in der gleichen Größenordnung wie der Blutzucker und eine sehr geringe Zytotoxizität bei hohen Konzentrationen von CDs sind die Nanosensoren vielversprechend für den Einsatz bei Blutzuckertests und anderen klinischen Anforderungen.

Zelllebensfähigkeit von A549-Zellen nach 48-stündiger Inkubation in unterschiedlichen Konzentrationen von CDs

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend schlagen wir einen Dual-Mode-Nanosensor basierend auf CDs mit sowohl kolorimetrischer als auch fluorometrischer Ausgabe für den quantitativen Nachweis von H₂ . vor O₂ basierend auf der fluorometrischen und kolorimetrischen Änderung der CD-Lösung bei der Einführung von H₂ O₂ . Die Nanosensoren sind einfach und leicht, um H₂ . mit bloßem Auge zu erkennen O₂ . Der Mechanismus der Nanosensoren lässt sich darauf zurückführen, dass die externen chemischen Reize wie Hydroxylradikale aus H₂ O₂ bewirken die Veränderung der Oberflächeneigenschaften und die Aggregation von CDs, die die Emission und Absorption von CDs dominieren. Die vorgeschlagenen Nanosensoren weisen eine gute Biokompatibilität und eine hohe Selektivität gegenüber H₂ . auf O₂ mit einem linearen Nachweisbereich von 0,05 bis 0,5 M und einer Nachweisgrenze von etwa 14 mM, die mit der Konzentration von H₂ . vergleichbar ist O₂ durch die GOTT-Reaktionen erzeugt. Es wird davon ausgegangen, dass die in diesem Artikel beschriebene Strategie einen vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung eines neuartigen Blutzuckersensors bieten könnte, der bei der Diagnose von Krankheiten und Umwelttests wertvoll sein könnte.