Sensor Nanodot Karbon Dual-Mode untuk Deteksi Peroksida Hidrogen Cepat dan Selektif

Abstrak

Peroksida hidrogen (H₂O₂) adalah produk penting dari reaksi enzimatik berbasis oksidase, seperti reaksi glukosa/glukosa oksidase (GOD). Oleh karena itu, pengamatan H₂O₂ yang dihasilkan untuk mencapai deteksi berbagai karbohidrat dan oksidazanya sangat signifikan. Di sini, kami melaporkan satu jenis nanodot karbon (CDs) dual-emisi yang dapat berfungsi sebagai nanosensor dual-mode baru dengan output fluorometrik dan colorimetrik untuk deteksi selektif H₂O₂. Nanosensor dual-mode ini dibangun hanya oleh CDs dual-emisi tanpa hiasan, di mana perubahan fluorometrik dan colorimetrik yang signifikan diamati dengan penambahan berbagai konsentrasi H₂O₂ dalam larutan CD, yang mendukung pencapaian deteksi mata H₂O₂. Mekanisme nanosensor dapat dikaitkan dengan fakta bahwa rangsangan kimia eksternal seperti radikal hidroksil dari H₂O₂ menyebabkan perubahan properti permukaan dan agregasi CDs, yang mendominasi emisi dan penyerapan CDs. Nanosensor dual-mode yang dibangun menunjukkan kompatibilitas biologis yang baik dan selektivitas tinggi terhadap H₂O₂ dengan rentang deteksi linier yang mencakup dari 0,05 hingga 0,5 M dan memungkinkan deteksi H₂O₂ rendah hingga 14 mM.

Latar Belakang

Nanodot karbon (CDs) fluorescen telah memicu perhatian penelitian yang luas karena properti fisikokimia uniknya seperti kompatibilitas biologis yang baik, toksisitas rendah, fotoluminescensi (PL) yang dapat disesuaikan, dan quantum yield tinggi. Karena karakter di atas, CDs telah menemukan aplikasi potensial dalam berbagai bidang termasuk namun tidak terbatas pada bioimaging, biosensor, dan perangkat pemancar cahaya [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Selain itu, karena kemampuan up-conversion dan down-conversion, kurangnya kedipan optik, dan fotostabilitas tinggi dibandingkan warna organik atau titik kuantum semikonduktor (QDs), CDs lebih cocok untuk aplikasi dalam nanosensor fluorescen dengan peningkatan atau pemadaman fluoresensi [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19].

Peroksida hidrogen (H₂O₂) adalah satu jenis oksidator umum, yang selalu digunakan sebagai penginfeksi medis untuk kemampuan sterilisasi. Selain itu, H₂O₂ juga merupakan produk penting dari reaksi enzimatik berbasis oksidase, seperti reaksi glukosa/glukosa oksidase (GOD). Oleh karena itu, strategi senssing melalui pengamatan H₂O₂ dapat digunakan sebagai pendekatan yang menjanjikan untuk deteksi karbohidrat dan oksidazanya. Karena alasan ini, senssing H₂O₂ dapat digunakan untuk memantau penyakit tentang metabolisme karbohidrat, seperti diabetes. Saat ini, meskipun berbagai sensor glukosa berdasarkan penentuan H₂O₂ telah dikembangkan dengan menggunakan berbagai metode analitik, sistem sensor yang dilaporkan sebelumnya terutama didasarkan pada satu sinyal seperti perubahan konduktometrik, fluorometrik, atau colorimetrik [20,21,22]. Baru-baru ini, kemajuan dalam nanoteknologi, terutama dalam nanopartikel fluoresen seperti titik kuantum semikonduktor dan nanopartikel berbasis karbon yang muncul telah membawa nanosensor H₂O₂ baru. Lu et al. mengembangkan satu jenis mikrohibrid dual-emisi (DEMBs) dengan menggabungkan QDs CdTe dan rodamin untuk senssing fluoresensi rasio glukosa melalui pemantauan generasi H₂O₂ [20]. Zhang et al. melaporkan nanosensor fluoresen yang menunjukkan respons selektif dan sensitif terhadap H₂O₂ melalui pemadaman fluoresensi CDs [21, 22]. Namun, pekerjaan ini tidak terhindar dari membawa kekuatan intrinsic dari QDs berbasis semikonduktor dengan bahan kimia mahal dan polusi logam berat. Selain itu, nanosensor berdasarkan satu sinyal bacaan, baik pemadaman fluoresensi atau perubahan warna, mungkin memiliki stabilitas assay yang buruk karena fluktuasi faktor lingkungan dan kesalahan operasi eksperimental. Dengan pertimbangan di atas, kami ingin mengembangkan kelas baru fluoresen CDs, di mana fluoresensi dan warna larutan sangat sensitif terhadap perubahan konsentrasi H₂O₂. Jadi, nanosensor dual-mode berdasarkan CDs ini dapat dicapai untuk senssing H₂O₂ yang berbeda dan sensitif secara bersamaan dengan memeriksa perubahan fluorometrik dan colorimetrik larutan CD, yang bermanfaat untuk pencapaian deteksi mata H₂O₂.

Dalam studi ini, kami telah mengembangkan metode yang mudah dan nyaman untuk menyintesis jenis CD baru, yang menunjukkan warna larutan merah gelap di bawah cahaya terlihat dan emisi fluoresensi dual di bawah lampu UV 365 nm (emisi fluoresensi biru dan hijau). CDs hanya disintesis melalui metode solvothermal dengan asam sitrat, urea, dan N,N-dimetilformamida (DMF) sebagai sumber karbon, sumber nitrogen, dan pelarut reaksi, masing-masing. Fluoresensi dan warna larutan sangat sensitif terhadap perubahan konsentrasi H₂O₂. Jadi, nanosensor dual-mode berdasarkan CDs ini dapat dicapai untuk senssing H₂O₂ yang berbeda dan sensitif secara bersamaan dengan memeriksa perubahan fluorometrik dan colorimetrik larutan CD, yang bermanfaat untuk pencapaian deteksi mata H₂O₂. Tanpa pengenalan instrumen mahal apa pun, nanosensor dual-mode berdasarkan CDs telah terbentuk. Sistem senssing ini dapat secara efektif menghindari potensi kesalahan operasi dan secara signifikan meningkatkan keandalan pengukuran. Selain itu, nanosensor berbasis CD janji dalam aplikasi deteksi glukosa darah baik in vivo maupun in vitro karena kompatibilitas biologis yang baik dan keterlarutan air yang tinggi.

Metode

Sintesis CDs

CDs disiapkan menggunakan metode solvothermal dengan asam sitrat sebagai sumber karbon, urea sebagai sumber nitrogen, dan DMF sebagai reaktan sekunder. Dalam eksperimen tipikal, asam sitrat (1 g) dan urea (2 g) dilarutkan dalam 10 mL DMF. Larutan kemudian dipindahkan ke autoklaf 25 mL yang dilapisi politetrafluoroetilena dan dipanaskan pada 160 °C selama 4 jam. Setelah reaksi, autoklaf secara alami dingin hingga suhu ruang. Larutan merah gelap diperoleh. CDs dihampiri dengan menambahkan 5 mL larutan reaksi ke dalam 25 mL etanol berlebih dan sentrifugas pada 7500 rpm selama 30 menit. Kemudian, hasil presipitasi difilter untuk mendapatkan CDs murni. CDs yang disiapkan dikumpulkan dan dikeringkan dalam oven pengering vakum pada 60 °C dan di bawah <1 Pa selama 12 jam. Kemudian, CDs dicairkan kembali dalam air deion untuk membentuk larutan CD 0,75 mg mL⁻¹ untuk penelitian lebih lanjut. Dan CD yang telah dirawat H₂O₂ kemudian dikumpulkan dan dikeringkan dengan metode yang sama untuk karakterisasi morfologi permukaan dan properti struktural.

Pengukuran

Morfologi permukaan CDs dikarakterisasi dengan mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM, JEOL JSM-IT100). Properti struktural CDs dilakukan dengan difraktometer sinar-X (XRD, PA National X’Pert Pro) dan spektrometer mikro-Raman (Renishaw RM 2000). Spektra penyerapan CDs diukur pada spektrofotometer UV-Vis-NIR Hitachi U-3900. Spektra fluoresensi CDs diukur dengan spektrofotometer (Hitachi F-7000). Quantum yield fluoresensi CDs diperoleh oleh spektrometer Horiba FL-322 dengan bola terintegrasi yang terkalibrasi. Kurva peluruhan fluoresensi CDs juga diukur oleh Horiba FL-322 menggunakan NanoLED 405 nm memantau emisi pada 450 dan 500 nm, masing-masing. Spektra inframerah Fourier (FTIR) dari CDs direkam pada spektrometer Bio-Rad Excalibur (Bruker Vector 22). Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) direkam pada spektrometer fotoelektron sinar-X ESCALAB MK II menggunakan Mg sebagai sumber eksitasi.

Pembentukan Nanosensor CD

Untuk deteksi H₂O₂, spektra fluoresensi dan penyerapan CDs dalam kehadiran H₂O₂ diperiksa dalam larutan PBS (pH = 7,4, pada 25 °C). Dalam eksperimen tipikal, jumlah H₂O₂ yang berbeda dicampur dengan air terpola terlebih dahulu dan kemudian 20 μL larutan CD 0,75 mg mL⁻¹ disuntikkan ke dalam 4 mL larutan H₂O₂ dengan konsentrasi yang berbeda (0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,25, 0,5, 1,0, dan 2,0 M). Kemudian, foto, fluoresensi, dan spektra penyerapan diambil setelah CD ditambahkan ke dalam larutan H₂O₂.

Selektivitas nanosensor berbasis CD juga dievaluasi. Larutan CD (20 μL, 3,75 μg mL⁻¹) dicampur dengan berbagai jenis kation dan oksidan (4 mL, 0,1 M) dan kemudian larutan digetarkan selama 1 menit. Terakhir, spektra penyerapan UV-Vis dan fluoresensi dari larutan direkam setelah CD ditambahkan ke dalam larutan H₂O₂.

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi CDs

Morfologi CDs yang disiapkan diukur dengan mikroskop transmisi elektron (TEM). Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1a, CDs tersebar dengan baik dengan rentang ukuran seragam 2,5–6,5 nm dan diameter rata-rata sekitar 5 nm (File Tambahan 1: Gambar S1b). Selain itu, citra HRTEM (inset dari Gambar 1a) menunjukkan garis difraksi sekitar 0,21 nm yang setara dengan (100) grafit. Pola XRD dari CDs yang ditunjukkan dalam Gambar 1b menunjukkan puncak lebar di sekitar 23,4°, yang sesuai dengan atom karbon yang sangat tidak teratur dengan struktur karbon seperti grafit. Spektra Raman dari CDs (Gambar 1c) menunjukkan dua band: band D (di sekitar 1347 cm⁻¹, yang disebabkan oleh getaran karbon hibrida sp³ dengan ketidaksempurnaan dan ketidakteraturan) dan band G (di sekitar 1577 cm⁻¹, yang terkait dengan getaran E_2g dari karbon hibrida sp² dalam struktur kristal heksagonal dua dimensi). Spektra FTIR dari CDs (Gambar 1d) menunjukkan band penyerapan getaran O–H/N–H yang lebar pada 3100–3600 cm⁻¹, getaran meregang C=O/C=C di sekitar 1690–1610 cm⁻¹ dan getaran meregang N–O di sekitar 1350–1390 cm⁻¹. Data di atas menunjukkan bahwa mungkin ada beberapa kelompok fungsional pada permukaan CDs, dan kelompok fungsional ini mungkin memerankan peran penting dalam hidrofilikitas dan stabilitas tinggi CDs dalam larutan air.

a Citra TEM dari CDs. Insets menunjukkan citra HRTEM dari CDs. b Pola XRD dari CDs. c Spektroskopi Raman dari CDs. d Spektroskopi FTIR dari CDs. e Variasi fluoresensi CDs setelah menambahkan 0,5 M H₂O₂. Insets menunjukkan foto dari CDs sebelum (kiri) dan setelah (kanan) menambahkan H₂O₂ di bawah cahaya UV. f Variasi colorimetrik CDs setelah menambahkan 0,5 M H₂O₂. Insets menunjukkan foto dari CDs sebelum (kiri) dan setelah (kanan) menambahkan H₂O₂ di bawah cahaya siang

Perilaku fluoresensi nanosensor berbasis CD terhadap H₂O₂ diukur dalam larutan air CD yang ditunjukkan dalam Gambar 1e. Di bawah eksitasi tunggal panjang gelombang 365 nm, larutan CD menunjukkan spektrum emisi asimetris, yang dapat dipasangkan oleh band fluoresensi dual yang berpusat pada 450 dan 500 nm, masing-masing sesuai dengan band fluoresensi biru dan hijau. Ketika larutan CD dicampur dengan H₂O₂, intensitas band biru menunjukkan penurunan yang lebih besar daripada yang hijau. Akibatnya, emisi terkuat dari CDs bergeser dari 450 ke 500 nm dari hasil matriks eksitasi-emisi dari CDs setelah penambahan H₂O₂ (File Tambahan 1: Gambar S2). Akibatnya, warna fluoresensi larutan CD berubah dari biru ke hijau di bawah iluminasi lampu UV 365 nm (inset dari Gambar 1e). Selain itu, larutan CD secara bersamaan mengalami perubahan colorimetrik dari merah gelap ke hijau setelah menambahkan H₂O₂ (inset dari Gambar 1f). Perubahan warna ini dapat dikaitkan dengan evolusi intensitas band penyerapan di sekitar 555 dan 595 nm yang disebabkan oleh penambahan H₂O₂ dalam larutan CD (Gambar 1f). Secara keseluruhan, hasil ini mengonfirmasi bahwa CDs dapat digunakan sebagai nanosensor dual-mode untuk deteksi H₂O₂.

Mekanisme Sensing

Untuk menyelidiki mekanisme sensing, morfologi dan properti fluoresensi CDs setelah menambahkan H₂O₂ juga dikarakterisasi. Seperti yang diilustrasikan dalam File Tambahan 1: Gambar S1a dan S1c, penambahan H₂O₂ ke dalam larutan CD dapat menyebabkan agregasi CDs, yang ukurannya bervariasi dari 30 hingga 60 nm. Agregasi CDs yang diinduksi H₂O₂ juga terungkap dalam spektral penyerapan yang dinormalisasi (File Tambahan 1: Gambar S3); yaitu, band penyerapan CDs berubah merah dari 555 ke 595 nm dalam wilayah terlihat [15]. Secara sejalan, warna larutan CD bervariasi dari merah gelap ke hijau, bersamaan dengan kondisi dispersi CD berubah menjadi keadaan agregasi. Spektra XRD (Gambar 1b dan File Tambahan 1: Gambar S4) dari CDs sebelum dan setelah menambahkan H₂O₂ berubah sedikit, menunjukkan tidak ada perubahan dalam struktur kristal dari CDs.

Evolusi fluoresensi CDs yang disiapkan dengan penambahan H₂O₂ diselidiki dengan spektra fluoresensi. Matriks eksitasi-emisi menunjukkan bahwa penambahan H₂O₂ membuat pusat emisi CDs berubah dari 450 ke 500 nm (File Tambahan 1: Gambar S2). Kurva peluruhan fluoresensi yang ditunjukkan dalam Gambar 2a untuk CDs dengan emisi pada 450 dan 500 nm dapat dipasangkan dengan fungsi peluruhan eksponensial tunggal dengan umur rata-rata 7,96 dan 7,12 ns, masing-masing (di bawah eksitasi 365 nm). Di sisi lain, umur peluruhan fluoresensi dari CDs setelah perawatan H₂O₂ berubah menjadi 4,53 dan 4,83 ns (Gambar 2b dan Tabel 1). Sementara itu, quantum yield PL (η _int) dari CDs berubah dari 5,5 ke 4,6% ketika H₂O₂ ditambahkan ke dalam larutan CD. Dengan mempertimbangkan perubahan umur peluruhan fluoresensi dan quantum yield PL, dapat disimpulkan bahwa transfer muatan (CT) mungkin terjadi antara CDs dan H₂O₂, yang dapat menjadi pemicu untuk membuat perubahan spektrum PL dari CDs.

a, b Peluruhan fluoresensi CDs sebelum (a) dan setelah (b) menambahkan 0,5 M H₂O₂. c, d XPS (N1s) dari CDs sebelum (c) dan setelah (d) menambahkan 0,5 M H₂O₂

Spektra FTIR dan XPS dari CDs diukur untuk memberikan wawasan tentang komposisi kimia dan perubahan lingkungan yang disebabkan oleh H₂O₂. Spektra FTIR dari CDs sebelum dan setelah menambahkan H₂O₂ yang ditunjukkan dalam File Tambahan 1: Gambar S7 mengilustrasikan bahwa getaran meregang N–O di sekitar 1350–1390 cm⁻¹ meningkat dengan penambahan H₂O₂, yang juga dikonfirmasi oleh hasil spektra XPS. Terlihat dari survei XPS lengkap (File Tambahan 1: Gambar S8) bahwa rasio O ke N dari CDs sebelum dan setelah perawatan H₂O₂ adalah 1,57 dan 3,85, masing-masing. Rasio O/N yang meningkat mengungkapkan bahwa status ikatan N dalam CDs mungkin berubah dengan penambahan H₂O₂, yang sejalan dengan spektra XPS N1s resolusi tinggi yang ditunjukkan dalam Gambar 2c, d. Dari hasil spektra XPS N1s, konten N grafit dalam CDs telah meningkat dengan penambahan H₂O₂. Selanjutnya, ada puncak tambahan dari status N–O pada 407,3 eV dalam spektrum N1s setelah penambahan H₂O₂, yang jelas menunjukkan bahwa impor H₂O₂ membawa variasi status permukaan dalam CDs. Semua survei menunjukkan bahwa bingkai N permukaan dapat diubah oleh penambahan H₂O_2.

Laporan sebelumnya menunjukkan bahwa band emisi CDs terkait dengan status permukaan seperti radikal N-doping dan kelompok urea [5, 9, 12, 23,24,25]. Sementara itu, status permukaan ini sensitif terhadap rangsangan fisik atau kimia eksternal. Berdasarkan analisis fotofisik dan lingkungan permukaan, kami mengusulkan mekanisme evolusi fluoresensi dengan pengenalan H₂O₂ (Gambar 3). Status tepi CDs yang disiapkan terdiri dari kelompok N pirrolik terkonjugasi. Jenis status N ini mungkin sebagian besar terlokalisasi pada level energi tinggi. Oleh karena itu, elektron yang terangsang dapat relaksasi nonradiatif ke status permukaan N level tinggi dan kemudian transfer radiatif ke keadaan dasar bersama dengan band emisi fluoresensi sekitar 450 nm. Di sisi lain, intensitas fluoresensi larutan CD sedikit berkurang karena pemadaman dinamis antara H₂O₂ dan CDs, di mana CT timbul antara CDs dan H₂O₂ mirip dengan laporan sebelumnya [26,27,28,29]. Selain itu, dapat disimpulkan bahwa radikal fluoresensi energi tinggi (terkait status N) ditransformasikan menjadi status N–O energi rendah dengan dampak radikal hidroksil dari H₂O₂. Jadi, elektron yang terangsang sebagian besar dapat relaksasi dengan transisi radiatif dari status N–O energi rendah ke keadaan dasar dengan band emisi hijau pada 500 nm, yang juga menghasilkan pemadaman statis dari fluoresensi 450 nm. Oleh karena itu, band emisi utama dari CDs dapat menunjukkan perubahan dari emisi biru ke emisi hijau.

Mekanisme sensing yang mungkin untuk CDs sebelum (kiri) dan setelah (kanan) menambahkan H₂O₂

Evaluasi Nanosensor CDs

Berdasarkan perilaku fluoresensi dan colorimetrik di atas dari CDs, kami telah mengembangkan nanosensor untuk mendeteksi H₂O₂ dengan CDs. Sistem sensing yang diusulkan terdiri dari CDs dengan konsentrasi yang tepat dalam larutan air (3,75 μg mL⁻¹, File Tambahan 1: Gambar S9), di mana CDs berfungsi sebagai pelapor colorimetrik dan fluorometrik dalam sistem ini.

Sistem nanosensing yang diusulkan berdasarkan larutan CD diilustrasikan dalam Gambar 4. Perubahan fluorometrik dan colorimetrik yang disebabkan oleh H₂O₂ dapat divisualisasikan dengan jelas oleh mata (Gambar 4c, f), di mana serangkaian perubahan warna yang terlihat dari biru ke hijau dan dari merah gelap ke hijau dapat diamati di bawah iluminasi cahaya UV dan siang hari. Selain itu, penambahan H₂O₂ ke dalam larutan CD juga dapat diekspresikan secara kuantitatif dengan spektra fluoresensi dan penyerapan (Gambar 4a, d). Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a, band fluoresensi yang berpusat pada 450 dan 500 nm berkurang secara bertahap seiring meningkatnya konsentrasi H₂O₂ dari 0 hingga 2 M. Namun, peningkatan konsentrasi H₂O₂ menyebabkan penurunan yang berbeda dari intensitas fluoresensi pada 450 nm (I ₄₅₀) dan 500 nm (I ₅₀₀), yang sepadan dengan perubahan warna fluoresensi dalam larutan CD (Gambar 4c). Oleh karena itu, rasio intensitas fluoresensi pada 500 nm terhadap pada 450 nm dipilih untuk memantau konsentrasi H₂O₂ (Gambar 4a, b). Rasio yang lebih rendah terkait dengan emisi biru, sementara fluoresensi hijau dapat diamati oleh mata pada rasio I ₅₀₀ terhadap I ₄₅₀ yang lebih tinggi. Rentang deteksi linier dengan cara ini mencakup dari 0,05 hingga 0,5 M dengan korelasi linier R ² = 0,987. Secara serupa, perubahan colorimetrik terjadi dalam larutan CD karena penurunan yang tidak homogen dari band penyerapan pada 555 dan 595 nm. Seperti yang ditampilkan dalam Gambar 4d, intensitas penyerapan berkurang dalam wilayah terlihat, tetapi peningkatan konsentrasi H₂O₂ menyebabkan penyerapan sekitar 595 nm berkurang lebih lambat daripada sekitar 555 nm. Oleh karena itu, rasio penyerapan pada 595 nm (A ₅₉₅) terhadap pada 555 nm (A ₅₅₅) juga dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi H₂O₂. Rasio A ₅₉₅ terhadap A ₅₅₅ meningkat secara eksponensial dari 0,05 hingga 2 M dengan korelasi eksponensial R ² = 0,999, dan perubahan colorimetrik berkorelasi baik dengan rentang konsentrasi H₂O₂ dari 0,05 hingga 0,25 M dengan batas deteksi linier (LOD) 14 mM (File Tambahan 1: Gambar S11 dan Tabel S1). Nanosensor dual-mode memiliki sensitivitas yang tepat dari metode ini yang memenuhi persyaratan klinis dan medis karena konsentrasi H₂O₂ melalui reaksi GOD berkisar sekitar millimolar (~10 mM) dalam plasma [20]. Selain itu, nanosensor dual-mode memiliki kalibrasi referensi bawaan intrinsik, sehingga fluktuasi intensitas dan faktor eksternal lainnya dapat dihilangkan, yang berkontribusi pada peningkatan akurasi pengujian.

a Spektra fluoresensi CDs dalam kehadiran berbagai konsentrasi H₂O₂. b Kurva kalibrasi I ₅₀₀/I ₄₅₀ dari CDs vs. konsentrasi H₂O₂. Insets menunjukkan rentang deteksi linier dari I ₅₀₀/I ₄₅₀ dari CDs vs. konsentrasi H₂O₂. c Citra fotografi dari larutan CD fluoresensi di bawah berbagai konsentrasi H₂O₂. d Spektra UV-Vis dari CDs dalam kehadiran berbagai konsentrasi H₂O₂. e Kurva kalibrasi A ₅₉₅/A ₅₅₅ dari CDs vs. konsentrasi H₂O₂. f Citra fotografi dari larutan CD di bawah berbagai konsentrasi H₂O₂

Untuk mengevaluasi selektivitas nanosensor terhadap H₂O₂, uji gangguan dilakukan dalam kondisi yang sama menggunakan beberapa kation umum, seperti Na⁺, K⁺, NH⁴⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, dan Fe²⁺. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a, b, perubahan fluorometrik dan colorimetrik dari CDs telah disebutkan dalam kehadiran berbagai kation. Dalam kehadiran Na⁺, K⁺, NH₄ ⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, dan Fe²⁺, rasio fluoresensi I ₅₀₀ terhadap I ₄₅₀ dan rasio penyerapan A ₅₉₅ terhadap A ₅₅₅ hanya menunjukkan variasi sedikit dibandingkan dengan sampel kosong, yang berarti kation ini memiliki gangguan yang sedikit pada deteksi H₂O₂. Selain itu, kami juga telah membandingkan dampak terhadap CDs dengan oksidan lain, seperti HNO₃, KClO₃, FeCl₃, NaClO, K₂Cr₂O₇, dan KMnO₄ (Gambar 5c, d dan File Tambahan 1: Gambar S12 dan S13), dan kami menemukan bahwa warna fluoresensi berubah dari biru ke hijau dengan penambahan oksidan ini kecuali K₂Cr₂O₇ dan KMnO₄. Jadi, kami dapat mengeluarkan gangguan dari K₂Cr₂O₇ dan KMnO₄ melalui perubahan fluoresensi. Selain itu, kami dapat dengan mudah mengecualikan dampak dari oksidan lain seperti HNO₃, KClO₃, FeCl₃, dan NaClO dari hasil rasio penyerapan A ₅₉₅ terhadap A ₅₅₅. Oleh karena itu, nanosensor dual-mode yang ditunjukkan dalam artikel ini mungkin sangat menjanjikan dalam selektivitas yang tinggi pada penentuan karena efek sinergis dari dua metode deteksi independen [30,31,32,33]. Selanjutnya, kami telah mengukur waktu respons dari perubahan fluorometrik saat penambahan H₂O₂ dan menemukan bahwa fluoresensi berkurang setelah injeksi H₂O₂ dan tetap stabil sekitar 3,3 s (File Tambahan 1: Gambar S14).

a, c Rasio fluoresensi I ₅₀₀/I ₄₅₀ dari larutan yang berisi CDs dan berbagai kation penggang (a) dan oksidan (c). b, d Rasio penyerapan A ₅₉₅/A ₅₅₅ dari larutan yang berisi CDs dan berbagai kation penggang (b) dan oksidan (d)

Keberlanjutan sel A549 diperiksa menggunakan uji CCK-8 standar untuk menilai sitotoksisitas CDs. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6, kami menemukan bahwa hampir 80% keberlanjutan diperoleh dengan menginkubasi sel A549 dengan CDs selama 48 jam bahkan pada konsentrasi CD yang tinggi seperti 500 μg mL⁻¹. Dihitung bahwa konsentrasi inhibitor 50% (IC50) dari CDs sekitar 1106 μg mL⁻¹ oleh GraphPad Prism 5.0, yang menyimpulkan bahwa CDs memiliki kompatibilitas biologis yang baik dan sitotoksisitas yang sangat rendah pada konsentrasi tinggi. Selain itu, kami telah membandingkan performa analitis dari nanosensor yang dilaporkan sebelumnya untuk penentuan H₂O₂ yang ditunjukkan dalam File Tambahan 1: Tabel S2. Kompatibilitas biologis, kesederhanaan, dan visualisasi deteksi setara atau bahkan lebih baik daripada sebagian besar uji H₂O₂ yang dilaporkan ini. Dengan mempertimbangkan bahwa nanosensor dual-mode berbasis CD memiliki selektivitas yang baik terhadap deteksi H₂O₂, batas deteksi yang tepat (LOD = 14 mM) pada urutan yang sama dengan glukosa darah, dan sitotoksisitas yang sangat rendah pada konsentrasi CD yang tinggi, nanosensor ini menjanjikan untuk digunakan dalam uji glukosa darah dan persyaratan klinis lainnya.

Keberlanjutan sel A549 setelah inkubasi 48 jam pada konsentrasi CD yang berbeda

Kesimpulan

Simpulan, kami mengusulkan nanosensor dual-mode berdasarkan CDs dengan output colorimetrik dan fluorometrik untuk deteksi kuantitatif H₂O₂ berdasarkan perubahan fluorometrik dan colorimetrik dari larutan CD saat diperkenalkan H₂O₂. Nanosensor ini sederhana dan mudah untuk mencapai deteksi mata H₂O₂. Mekanisme nanosensor dapat dikaitkan dengan fakta bahwa rangsangan kimia eksternal seperti radikal hidroksil dari H₂O₂ membawa perubahan properti permukaan dan agregasi CDs, yang mendominasi emisi dan penyerapan CDs. Nanosensor yang diusulkan menunjukkan kompatibilitas biologis yang baik, selektivitas tinggi terhadap H₂O₂ dengan rentang deteksi linier yang mencakup dari 0,05 hingga 0,5 M, dan batas deteksi sekitar 14 mM, yang setara dengan tingkat H₂O₂ yang dihasilkan oleh reaksi GOD. Dipercayakan bahwa strategi yang dilaporkan dalam artikel ini dapat memberikan pendekatan yang menjanjikan untuk mengembangkan sensor baru dalam glukosa darah, yang dapat bernilai dalam diagnosis penyakit dan pengujian lingkungan.