CdSe量子ドットとg-C3N4ナノシート間のフェルスター共鳴エネルギー移動に基づくHg2 +の高選択的かつ高感度な検出

要約

Hg ²⁺ の存在下、蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）システムがCdSe量子ドット（QD）（ドナー）とg-C ₃の間に構築されました N ₄ （受容体）。 g-C ₃のナノコンポジット N ₄ CdSe QD（CdSe QD / g-C ₃ N ₄ ナノシート）は、水溶液中での静電相互作用経路によって製造されました。ナノコンポジットは、X線光電子分光法、X線回折、フーリエ変換赤外分光法、および透過型電子顕微鏡法によって特徴づけられました。結果は、g-C ₃ N ₄ ナノシートは、平均直径が約7nmのCdSeQDによってランダムに装飾されました。センサーとしてのFRETシステムの実現可能性は、水中のHg（II）検出によって実証されました。 pH 7では、蛍光強度とHg（II）の濃度（0〜32 nmol / L）の間に線形関係が観察され、検出限界は5.3 nmol / Lでした。新しい検出方法は、Hg ²⁺ の検出に感度が高いことが証明されました。水溶液中。さらに、このメソッドはHg ²⁺ に対して高い選択性を示しました。 Na ⁺ を含むいくつかの金属イオン、Mg ²⁺ 、Ca ²⁺ 、Pb ²⁺ 、Cr ³⁺ 、Cd ²⁺ 、Zn ²⁺ 、およびCu ²⁺ 。 CdSe QD / g-C ₃ N ₄ ナノシートコンジュゲートは、新しいFRETセンサーとして望ましい長期安定性と可逆性を示しました。新しいFRETベースの蛍光検出は、Hg ²⁺ を定量化するための魅力的なアッセイプラットフォームを提供しました。複雑な水溶液で。

背景

人間の水銀中毒の主な原因は汚染された天然水でした[1]。 Hg ²⁺ 水生微生物によるイオン代謝は、認知障害および運動障害に関連する強力な神経毒であるメチル水銀を生成します[2]。したがって、迅速で費用効果が高く、簡単で、複雑な環境に適用できる水銀検出方法が必要です。特に、独自の光学特性を備えたナノ材料を使用して、高感度と選択性を備えた光学センサーを開発することができます[3]。 Hg ²⁺ の設計では、半導体量子ドット（QD）、蛍光金属ナノクラスター（NC）、貴金属ナノ粒子（NP）、およびカーボンナノドット（CD）が一般的に使用されていました。簡単な合成、高い安定性、機能化、生体適合性などの明確な特性のための光学センサー。 Hg ²⁺ 用の多くの蛍光センサー報告されていた[4,5,6,7,8]。たとえば、Huang etal。 [9]は、Hg ²⁺ 用のタイムゲートFörster共鳴エネルギー移動（FRET）センサーを開発しました。検出。さらに、Hg ²⁺ を検出するためにさまざまなFRETシステムが開発されました。 [10、11、12]。特に、FRETシステムは、QDなどのナノ粒子と有機および無機NPを使用して同様に構築できます[13、14、15]。ナノ粒子の中で、g-C ₃ N ₄ ナノシートは広く関心を集めていた[16、17]。 g-C ₃ N ₄ ナノシートは、センサー、g-C ₃を備えたFRET検出システムとして適用されています。 N ₄ 金属イオンのナノシートとCdSeQDは報告されていません。 FRETベースの蛍光センシングシステムには複数の利点があります[18]。

本研究では、g-C ₃を使用して水性媒体中の水銀イオンを検出するために、新しいFRETベースの蛍光センサーを開発しました。 N ₄ ビヒクルとしてのナノシートおよびCdSe量子ドット粒子。提案されたメカニズムを図1に示しました。

メソッド

資料

塩化水銀（II）（HgCl ₂ ）は銅仁化学研究所（貴州省、中国）から購入しました。尿素およびCdSeQDは、Aladdin Reagent Company（上海、中国）から購入しました。他の試薬および化学物質は分析試薬グレードであり、さらに精製することなく使用されました。すべての溶液は、Milli-Q勾配浄水システム（Millipore Inc.、米国、公称抵抗率18.2MÙcm）からの精製水を使用して調製されました。

特性評価

X線回折計（リガクD / max-2400）を使用して回折パターンを取得しました。紫外可視（UV-vis）スペクトルは、室温でUV-vis800分光光度計で記録されました。フーリエ変換赤外（FTIR）スペクトルは、KBrを使用してNicolet-nexus670分光計で記録されました。蛍光測定は、RF-5301PC蛍光分光計を使用して室温で実施しました。 X線光電子分光法（XPS）の測定は、多機能分光計（Thermo Scientific）を使用して実行されました。

g-C ₃間のFRETセンサーの構築 N ₄ ナノシートとCdSeQD粒子

典型的な手順では、g-C ₃ N ₄ （以前のレポート[19]に従って合成された125 mg）を250 mLの水（1：1）に分散させ、周囲温度で5時間超音波処理しました。次に、CdSe QD（1.838 g、0.0216 mol）を2時間の超音波処理によって溶液に溶解しました。 g-C ₃のアミン基が N ₄ ナノシートとCdSeQDには、カルボキシル基g-C ₃がありました。 N ₄ ナノシートとCdSeQDナノ粒子は、静電相互作用によって結合されます。すべての溶液はMilli-Qグラジエント水（pH =7）で調製しました。 CdSe QD / g-C ₃ N ₄ ナノシート共役発光スペクトルを記録した。すべてのサンプルは、最小アクセプター吸収に近い334nmで励起されました。

Hg ²⁺ の蛍光検出

Hg ²⁺ 水中で室温で急冷した。通常の操作では、10μLのCdSe QD / g-C ₃ N ₄ ナノシートコンジュゲートを3mLの超純水に加え、次に計算された量のHg ²⁺ 追加されました。 CdSe QD / g-C ₃の発光スペクトル N ₄ ナノシートコンジュゲートは、2分後に室温で記録されました。

干渉および競合分析

他の金属イオン（Na ⁺ ）に対するFRETナノプローブの応答、Mg ²⁺ 、Ca ²⁺ 、Pb ²⁺ 、Cr ³⁺ 、Cd ²⁺ 、Zn ²⁺ 、およびCu ²⁺ ）は、蛍光分光法によって研究されました。研究は、CdSe QDs / g-C ₃を使用して実施されました。 N ₄ 450nmで発光するナノシートコンジュゲート。コンジュゲート溶液を1cm光路石英蛍光キュベットに入れた。蛍光強度は、それぞれの可能な干渉（32 nM）の存在下で、334nmの励起波長の下で450nmの発光波長で測定されました。以前に分析された可能性のあるすべての干渉について、競合アッセイも実行されました。競合実験の場合、32 nM Hg ²⁺ 水溶液を調製しました。

結果と考察

特性評価

g-C ₃の構造と形態 N ₄ ナノシートは、TEM、XPS、およびXRDによって特徴づけられました。図2aのTEM画像は、g-C ₃ N ₄ ナノシートは、主に数層からなるグラフェンのような形態を持っていました[19]。図2aは、g-C ₃のXRDパターンを示しています。 N ₄ ナノシート。 27.4°を中心とする強いXRDピークは、g-C ₃の典型的なグラファイト層間スタッキング（002）ピークに対応していました。 N ₄ 。 13.1°の小さなピークは、シート内の周期的なプレーン内の構造パッキング機能に対応していました[20、21]。 XPS測定を使用して、g-C ₃の原子価状態を分析しました。 N ₄ ナノシート。図2cのXPSスペクトルは、C–Cが284.8および288.0 eVでNに結合していることを示しており、N1のスペクトルは397.04eVでした。図2dでは、811 cm ^-1 のピークトリアジン環の振動に起因していました。 1000 cm ^-1 付近のピーク CN複素環の伸縮モード、および1800 cm ^-1 のピークを表します C–NH–Cに対応しました。 300〜3600 cm ^-1 のピーク N–HおよびO–H伸縮振動に対応[22]。

CdSe QD / g-C ₃のUV-visおよび蛍光特性 N ₄ ナノシート

CdSe QD / g-C ₃の光学特性を評価するために、蛍光およびUV-vis吸収スペクトルを取得しました。 N ₄ ナノシート。図3aに示すように、UV-vis吸収スペクトルで約334nmに大きなピークが観察されました。さらに、蛍光発光と励起のピークは、図3bの同期蛍光分光法で452nmと334nmに観察され、ナノシートの発光蛍光と紫外線励起に関連していました。発光ピークは、純粋なg-C ₃と比較してシフトを示しました。 N ₄ 14〜16 nmのナノシート（図3cに示すように、発光と励起のピークは438nmと310nmで観察されました）。これはFRETに起因する可能性があります。蛍光強度に対する励起波長の影響も確認されました。

CdSe QD / g-C ₃の蛍光に対するpHの影響 N ₄ ナノシートコンジュゲート

図4は、CdSe QD / g-C ₃の蛍光を示しています。 N ₄ 異なるpH値でのナノシートコンジュゲート。 pH値は蛍光強度とともに3から7に増加しました。ただし、pH値が7から10に増加すると、蛍光強度は徐々に低下しました。これは、の構造にアミノ基が存在することによるプロトン化-脱プロトン化による表面電荷の変化に対するpHの影響に起因する可能性があります。 gC ₃ N ₄ ナノシート。この研究では、CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ ナノシートコンジュゲートは、Hg ²⁺ の検出のために実施されましたイオン、および7のpH値が最適なpH値として選択されました。 CdSe QD / g-C ₃の安定性を得るために、さまざまな濃度のNaClを含むpH7で蛍光発光を測定しました。 N ₄ 高イオン強度環境下でのナノシートコンジュゲート。 CdSe QD / g-C ₃の蛍光強度の高いイオン強度では、わずかな変化しか観察されませんでした。 N ₄ ナノシートコンジュゲート。結果は、高いイオン強度がコンジュゲートの蛍光強度に最小限の影響しか及ぼさないことを示しました。

CdSe QD / g-C ₃の選択性 N ₄ 水銀イオンの検出におけるナノシートFRETシステム

選択性は、新しいセンシングシステムの重要なパラメータです。 CdSe QD / g-C ₃の選択性 N ₄ ナノシートFRETセンサーは、さまざまな金属イオン（Cu ²⁺ など）を使用して評価されました。、Mg ²⁺ 、Na ⁺ 、Ca ²⁺ 、Hg ²⁺ 、Cr ³⁺ 、Pb ²⁺ 、Cd ²⁺ 、およびZn ²⁺ ）;結果を図5aに示しました。イオンを含まないブランクサンプルと比較して、Hg ²⁺ の蛍光比他の金属イオンの蛍光強度はわずかに変化するか、同じままですが、明らかに増加しました。これらの結果は、FRETセンサーが他のセンサーよりも高い選択性を示したことを示しています（図5b）。したがって、CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Hg ²⁺ に対して高い選択性を示した。この現象は、純粋なg-C ₃と比較して明確でした。 N ₄ Cu ²⁺ に選択的なナノシートおよびHg ²⁺ [23、24]。

Hg ²⁺ の検出におけるFRET蛍光プロセスの実現可能性

FRETセンサーの実用性を研究するために、CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ Hg ²⁺ のナノシート蛍光検出実施しました。 Hg ²⁺ の存在図6に示すように、蛍光強度が低下しました。これは、Hg ²⁺ FRETセンサーを効果的にクエンチできます。感度を研究するために、さまざまなHg ²⁺ に対するセンサーの応答濃度を蛍光分光法でさらに評価し、結果を図6aに示しました。 g-C ₃の蛍光強度 N ₄ ナノシートは、Hg ²⁺ の増加とともに徐々に減少しました。濃度。図6bは、 I / 私 ₀ Hg ²⁺ の濃度に依存していました、ここで I ₀ および私それぞれ、Hg ²⁺ の非存在下と存在下での蛍光強度でした。。また、 I の関係 / 私 ₀ Hg ²⁺ の濃度間は線形であり、線形回帰の方程式は I でした。 =−9.6×10 ⁷ + 550.5（ R ² =0.9882）、図6bの挿入図に示されています。最近報告された発光法と比較して、提案された方法は、より低い検出限界とより高い感度を持っていました[25、26]。 g-C ₃ N ₄ ナノシートとCdSeQDは、Hg ²⁺ 以外の他の金属イオンに対して明らかな消光応答を示しませんでした。、これは、このメソッドの比較的高い選択性を示唆しています。

水銀イオンの検出に影響を与える他の共存する陽イオンも検出されました。 CdSe QDs / g-C ₃の応答 N ₄ Hg ²⁺ に向けたナノシートベースのセンシングシステムアルカリ、アルカリ土類、およびその他の遷移金属イオンの存在下でのイオンを表1に示しました。ほとんどの金属イオンの共存は、Hg ²⁺ の結合を妨げませんでした。、これは、Hg ²⁺ に対するこれらの共存イオンの干渉を示しています。センサーはごくわずかでした。

<図>

さらに、長期安定性はセンサーの優れた特性です。 2週間以内の3日ごとの継続的な調査中の吸光度と蛍光は、CdSe QD / g-C ₃の活性を示しました。 N ₄ ナノシートは周囲環境で保管されましたが、初期効率の92％を超えたままでした。結果は、CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ FRETセンサーとしてのナノシートは長期安定性に優れていました。

Hg ²⁺ の蛍光アッセイに関する以前の報告との比較（結果は表2に記載されています）、CdSe QDs / g-C ₃ N ₄ pH =7でHg（II）の濃度が0〜32 nmol / Lの範囲にあるFRETに基づくナノシート蛍光プローブは、5.3 nmol / Lで検出限界を示しました。したがって、私たちの方法では、優れた検出限界と線形範囲が得られました。

<図>

FRETセンサーのアプリケーション

CdSe QD / g-C ₃ N ₄ FRETセンサーとしてのナノシートは、Hg ²⁺ を検出するための優れたプラットフォームを提供することに成功しました。それらの感度と選択性のために実際のサンプルで。さて、湖と水道水は、Hg ²⁺ の回収率が分析される実際のサンプルとして選択されました。 95.4〜101.6％の範囲でした（表3）。 Hg ²⁺ の相対標準偏差（RSD） 0.64〜1.72％の範囲でした。結果は、設計された方法がHg ²⁺ を検出するために効率的に使用できることを明確に示しました。実際のアプリケーションで。 RSDの許容値と相対誤差により、Hg ²⁺ 用に提案されたFRETセンサーの高感度、高精度、および高信頼性が確認されました。実際のアプリケーションでの決定。

<図>

結論

Hg ²⁺ を検出するためにFRETベースのシステムが開発されました g-C ₃内 N ₄ ナノシート/ CdSe量子ドット。 Hg ²⁺ の検出限界イオンは5.3nMで、線形応答は0〜32nMの範囲でした。このセンサーの適用性は、Hg ²⁺ の含有量を測定することによって実証されました。実際のサンプルで。 CdSe QD / g-C ₃の長期安定性、低コスト、および容易な準備を考えると N ₄ ナノシートコンジュゲート、蛍光アッセイは環境保護センサーとして使用できます。この戦略は、Hg ²⁺ 用のFRETベースのセンサーを構築するための代替アプローチを提供します。環境および生物学的サンプルを含む水性媒体中。

ハイライト

1。
蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）システムは、CdTe量子ドット（QD）（ドナー）とg-C ₃の間に構築されました。 N ₄ （アクセプター）Hg ²⁺ の存在下初めて。
2。
g-C ₃のナノコンポジット N ₄ CdSe QDでサポート（CdSe QD / g-C ₃ N ₄ ）は、水溶液中での単純な静電相互作用経路によって製造されました。
3。
センサーとしてのFRETシステムの実現可能性は、水溶液中のHg（II）を検出するために実証されました。 pH 7では、0〜32 nmol / Lの範囲のHg（II）濃度の消光蛍光強度の間に線形関係が観察されました。検出限界は5.3nmol / Lでした。
4。
新規のFRETベースの蛍光検出は、Hg ²⁺ を定量化するための魅力的なアッセイプラットフォームを提供する可能性があります。複雑な水溶液で。