Hochempfindliche und selektive Hg²⁺-Detektion via FRET zwischen CdSe-Quantenpunkten und g-C₃N₄-Nanosheets

Zusammenfassung

Wir entwickelten ein Förster-Resonanz-Energietransfer (FRET) System, das CdSe-Quantenpunkte (QDs) als Donoren mit g-C₃N₄-Nanosheets als Akzeptoren koppelt, um schnelle, kosteneffektive und hochselektive Detektion von Hg²⁺ in wässrigen Medien zu erreichen. Das CdSe QDs/g-C₃N₄-Nanokomposit wurde via einfacher elektrostatischer Selbstassembly in Wasser hergestellt, was zufällig dekorierte Nanosheets mit einem durchschnittlichen QD-Durchmesser von ~7 nm ergab. Fluoreszenz-Quenching des Donors war linear mit Hg²⁺-Konzentration (0–32 nM) bei neutralem pH, was eine Nachweisgrenze von 5,3 nM lieferte. Die Sonde diskriminierte Hg²⁺ von einem Panel gängiger Metallionen (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) und behielt >92 % ihrer initialen Fluoreszenz nach 2 Wochen Lagerung. Echte Wasserproben (Brunnen, See, Leitungswasser) wurden mit Rückgewinnungsraten zwischen 95,4 % und 101,6 % und relativen Standardabweichungen unter 2 % quantifiziert. Diese FRET-Plattform bietet eine robuste, wiederverwendbare und umweltfreundliche Lösung für Quecksilberkontaminations-Monitoring.

Hintergrund

Quecksilberkontamination natürlicher Gewässer bleibt die Hauptquelle menschlicher Exposition gegenüber diesem neurotoxischen Element. Die mikrobielle Umwandlung von Hg²⁺ zu Methylquecksilber, einem potenten Neurotoxin, ist mit kognitiven und motorischen Störungen weltweit assoziiert. Schnelle, sensitive und selektive Detektionsmethoden, die in komplexen Matrizen operieren können, sind daher essenziell für Umweltmonitoring und öffentlichen Gesundheitsschutz.

Nanomaterialien mit einzigartigen optischen Eigenschaften – wie Halbleiter-Quantenpunkte, fluoreszierende Metall-Nanocluster, Edelmetall-Nanopartikel und Kohlenstoff-Nanopunkte – wurden extensiv für Quecksilbersensorik erforscht. Diese Plattformen profitieren von einfacher Synthese, hoher Photostabilität, Funktionalisierungsvielseitigkeit und Biokompatibilität. Mehrere FRET-basierte Sensoren mit Quantenpunkten oder anderen Nanostrukturen wurden berichtet; jedoch wurde ein FRET-System, das CdSe QDs mit graphitischem Kohlenstoffnitrid (g-C₃N₄) Nanosheets für Hg²⁺-Detektion koppelt, noch nicht beschrieben.

g-C₃N₄-Nanosheets besitzen eine graphenartige, wenige-lagige Struktur, starke Absorption im sichtbaren Bereich und reichlich Oberflächenaminogruppen, was sie als Energieakzeptoren attraktiv macht. Durch Kombination dieser Nanosheets mit CdSe QDs via elektrostatischer Wechselwirkungen schufen wir einen kompakten, hochresponsiven FRET-Sensor, der Hg²⁺ von anderen Metallionen unterscheiden kann.

Das Funktionsprinzip des Sensors ist in Abbildung 1 (Mechanismusdiagramm) illustriert.

Methoden

Materialien

Quecksilber(II)-chlorid (HgCl₂) wurde vom Tong Ren Chemical Research Institute (Guizhou, China) bezogen. Harnstoff und CdSe QDs wurden von Aladdin Reagent Company (Shanghai, China) gekauft. Alle anderen Reagenzien waren analytischer Grad und wurden ohne weitere Reinigung verwendet. Lösungen wurden mit Milli-Q Wasser (18,2 MΩ cm) hergestellt.

Charakterisierung

Röntgenbeugung (Rigaku D/max-2400), UV-Vis-Spektroskopie (UV-Vis 800), Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) Spektroskopie (Nicolet-nexus670), Fluoreszenzspektroskopie (RF-5301PC), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (Thermo Scientific) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurden eingesetzt, um strukturelle und optische Eigenschaften des Nanokomposits zu untersuchen.

Konstruktion des FRET-Sensors

In einer typischen Synthese wurden 125 mg g-C₃N₄ (vorsynthetisiert) in 250 mL Wasser dispergiert und 5 h sonifiziert. Anschließend wurden 1,838 g CdSe QDs (0,0216 mol) hinzugefügt und 2 h sonifiziert, um elektrostatische Anlagerung via Aminogruppen auf g-C₃N₄ und carboxylierten QDs zu fördern. Das resultierende CdSe QDs/g-C₃N₄-Konjugat wurde bei 334 nm (nahe der QD-Absorptionskante) angeregt und seine Emission bei 452 nm aufgezeichnet.

Fluoreszenzdetektion von Hg²⁺

Für jeden Assay wurden 10 µL des Konjugats mit 3 mL Ultrapure-Wasser gemischt, gefolgt von Zugabe der gewünschten Hg²⁺-Konzentration. Fluoreszenzspektren wurden nach 2 min bei Raumtemperatur erfasst.

Interferenz- und Konkurrenzanalysen

Potenzielle Interferenz von Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ und Cu²⁺ (je 32 nM) wurde durch Messung der Fluoreszenz bei 450 nm unter 334 nm Anregung bewertet. Konkurrenzexperimente wurden durch Zugabe von 32 nM Hg²⁺ in Gegenwart jedes Interferenten durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung

Transmissionselektronenmikroskopie (Abbildung 2a) bestätigte die wenige-lagige, graphenartige Morphologie der g-C₃N₄-Nanosheets. Röntgenbeugung (Abbildung 2b) zeigte den charakteristischen (002) Peak bei 27,4°, was graphitisches Stapeln bestätigt, während ein kleinerer Peak bei 13,1° in-plane Periodizität anzeigte. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (Abbildung 2c) offenbarte C–C/N Bindungen bei 284,8 und 288,0 eV und N 1s bei 397,04 eV. FTIR (Abbildung 2d) zeigte Triazinring-Vibrationen bei 811 cm⁻¹, CN-Heterocycl-Streckungen nahe 1000 cm⁻¹, C–NH–C bei 1800 cm⁻¹ und N–H/O–H-Streckung zwischen 300–3600 cm⁻¹.

UV-Vis und Fluoreszenzeigenschaften

Das CdSe QDs/g-C₃N₄-Konjugat zeigte einen prominenten Absorptionspeak bei ~334 nm (Abbildung 3a). Fluoreszenzemission peakingte bei 452 nm bei 334 nm Anregung (Abbildung 3b), eine 14–16 nm Rotverschiebung relativ zu reinem g-C₃N₄ (438 nm Emission, 310 nm Anregung) zuzuschreiben effizientem FRET.

Einfluss des pH

Fluoreszenzintensität stieg von pH 3 bis 7 und fiel von 7 bis 10 (Abbildung 4), wahrscheinlich aufgrund von Protonierung/Deprotonierung von Oberflächenaminogruppen, die Oberflächenladung beeinflussen. Neutrales pH 7 wurde für Hg²⁺-Sensorik gewählt, wo hohe Ionenstärke (NaCl) vernachlässigbaren Einfluss auf Fluoreszenz hatte.

Selektivität

Bei Exposition gegenüber einem Panel konkurrierender Metallionen stieg das Fluoreszenzverhältnis (I/I₀) des Sensors nur in Gegenwart von Hg²⁺ markant an (Abbildung 5a), während andere Ionen vernachlässigbare Änderungen produzierten. Diese Selektivität kontrastiert mit reinem g-C₃N₄, das auf sowohl Cu²⁺ als auch Hg²⁺ reagiert, was die Rolle der CdSe QDs bei der Verleihung von Hg²⁺-Spezifität unterstreicht (Abbildung 5b).

Machbarkeit und Sensitivität

Fluoreszenz-Quenching stieg linear mit Hg²⁺-Konzentration von 0 bis 32 nM (Abbildung 6a). Das I/I₀-Verhältnis folgte der Gleichung I = –9,6 × 10⁷ + 550,5 (R² = 0,9882), was eine Nachweisgrenze von 5,3 nM ergab. Die Sonde zeigte vernachlässigbare Reaktion auf andere Metallionen, was hohe Selektivität bestätigt. Stabilitätstests zeigten, dass nach 14 Tagen bei Umgebungsbedingungen das Konjugat >92 % seiner initialen Fluoreszenz behielt.

Koexistierende Kationen (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) interferierten nicht mit Hg²⁺-Detektion, wie in Tabelle 1 gezeigt. Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit wurden durch periodische Fluoreszenzmessungen über 14 Tage bestätigt.

Anwendung auf echte Proben

Der Sensor wurde auf See-, Leitungs- und Brunnenwasser angewendet, das mit Hg²⁺ gespiked war. Rückgewinnungsraten reichten von 95,4 % bis 101,6 % mit RSDs zwischen 0,64 % und 1,72 % (Tabelle 3), was zuverlässige Leistung in komplexen Matrizen demonstriert.

Schlussfolgerungen

Wir haben einen FRET-basierten Hg²⁺-Sensor entwickelt, der CdSe QDs mit g-C₃N₄-Nanosheets koppelt. Die Sonde bietet eine Nachweisgrenze von 5,3 nM, einen linearen Bereich von 0–32 nM und außergewöhnliche Selektivität gegen gängige Metallionen. Ihre einfache, wässrige Phasensynthese, hohe Photostabilität und niedrige Kosten machen sie gut geeignet für Umweltmonitoring und potenziell für biomedizinische Anwendungen.

Highlights

1. Konstruktion eines FRET-Systems zwischen CdSe-Quantenpunkten und g-C₃N₄-Nanosheets für Hg²⁺-Detektion.
2. Synthese von CdSe QDs/g-C₃N₄-Nanokompositen via unkomplizierter elektrostatischer Selbstassembly in Wasser.
3. Demonstriertes lineares Fluoreszenz-Quenching von Hg²⁺ (0–32 nM) bei pH 7 mit Nachweisgrenze von 5,3 nM.
4. Vorgeschlagene FRET-Plattform bietet einen vielseitigen, wiederverwendbaren Assay zur Quantifizierung von Hg²⁺ in komplexen Wasserproben.

Abkürzungen

FRET:

Förster-Resonanz-Energietransfer

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarot

UV-Vis:

Ultraviolett-Sichtbar

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgendiffraktometer