4‑Nitrofenaol (4‑NP) adalah polutan prioritas yang berisiko karsinogenik dan genotoksik signifikan bagi manusia dan liar bahkan pada tingkat jejak. Di sini, kami melaporkan nanohybrid core–shell terimprint molekuler yang berfungsi sebagai sonde fluoresens rasio untuk deteksi 4‑NP yang sangat sensitif dan selektif. Sensor ini mengeksploitasi transfer energi resonansi fluoresens (FRET) antara titik karbon fosforesens (CDs) dan 4‑NP, sementara titik kuantum CdSe yang dilapisi silika (CdSe@SiO₂) menyediakan sinyal referensi yang stabil. Nanohybrid emisi ganda disintesis dengan menghubungkan kovalen CDs yang difungsionalkan organosilane ke CdSe@SiO₂ melalui ikatan Si–O, diikuti oleh langkah polimerisasi sol–gel yang menancapkan lapisan polimer terimprint molekuler (MIP) di sekitar sonde. Mikroskopi transmisi elektron dan analisis spektroskopi mengonfirmasi susunan yang berhasil dari struktur core–shell dan sifat optiknya. Sensor memberikan respons linier pada rentang 0,051–13,7 µg mL⁻¹ dengan batas deteksi 0,026 µg mL⁻¹, melebihi metode fluoresens saat ini. Integrasi MIP dan fluoresens rasio menunjukkan platform yang kuat untuk deteksi analit jejak dalam pemantauan lingkungan.
Latar Belakang
Nitrofenaol digunakan secara luas dalam herbisida, pestisida, pewarna, dan farmasi, menjadikannya salah satu polutan lingkungan yang paling umum [1]. 4‑Nitrofenaol (4‑NP) khususnya berbahaya, diklasifikasikan oleh EPA sebagai polutan prioritas dengan batas minum yang dapat diterima sebesar 60 ng mL⁻¹ [3]. Oleh karena itu, metode deteksi yang andal sangat penting. Teknik analisis tradisional—kromatografi, elektrokimia, kemiluminesensi, dan uji fluoresens—menawarkan trade‑off yang berbeda antara sensitivitas, biaya, dan kompleksitas operasional [4–11]. Deteksi fluoresens menarik karena kesederhanaannya dan kecepatannya; namun, sonde emisi tunggal menderita fluktuasi intensitas yang disebabkan oleh variasi eksitasi, perubahan konsentrasi probe, dan interferensi dari penahan seperti logam berat atau spesies reaktif oksigen [15–18]. Fluoresens rasio, yang mengukur rasio intensitas dua pita emisi, mengurangi masalah ini melalui kalibrasi diri, yang menghasilkan kuantifikasi yang lebih andal [19]. Meskipun beberapa probe rasio telah menunjukkan sensitivitas yang ditingkatkan untuk polutan seperti Hg²⁺ dan H₂S [20–22], sedikit yang menggabungkan bacaan rasio dengan imprinting molekuler untuk mencapai sensitivitas dan selektivitas yang tinggi untuk analit jejak [25,26].
Untuk mengatasi kesenjangan ini, kami membangun sensor emisi ganda yang menggabungkan sistem FRET rasio dengan MIP yang disesuaikan untuk 4‑NP. Titik kuantum CdSe yang tertanam dalam cangkang silika (CdSe@SiO₂) berfungsi sebagai fluorofor referensi, sementara CDs yang difungsionalkan organosilane bertindak sebagai donatur FRET. Cangkang silika melindungi inti Cd dan Se yang beracun dan menyediakan matriks iners dan transparan untuk FRET. Lapisan MIP, yang terbentuk melalui polimerisasi sol–gel dalam kehadiran 4‑NP, menciptakan situs pengenalan selektif yang meningkatkan ikatan dan efisiensi pemadaman. Arsitektur ini menyediakan baik sensitivitas tinggi (karena FRET) dan selektivitas tinggi (karena MIP).
Metode
Bahan
Tetraetoksisilana (TEOS), Triton X‑100, dan eter petroleum dibeli dari Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, Cina). Sikloheksana, 4‑NP, alkohol heksil, hidroksida ammonium (25 wt %), etanol murni, metilbenzen, dan alkohol isopropil diperoleh dari Guangfu Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, Cina). 3‑Aminopropiltrimetoksisilana (APTMS) dan asam sitrat anhidrat diperoleh dari Aladdin Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, Cina). Titik kuantum CdSe/ZnS yang difungsionalkan karboksil disuplai oleh Wuhan Jiayuan Quantum Dot Technological Development Co., Ltd. (Wuhan, Cina). Semua reagen adalah kelas analitik dan digunakan sebagaimana adanya. Air deionis (18,2 MΩ cm) disiapkan dengan sistem Sartorius Arium® Pro VF.
Sintesis CdSe@SiO₂
Emulsi mikro terbalik dibentuk dengan mencampur 7,7 mL sikloheksana, 1,77 mL Triton X‑100, 1,8 mL n‑heksanol, dan 400 µL larutan titik kuantum CdSe (8 µM). Setelah emulsi mikro stabil, 50 µL TEOS dan 200 µL hidroksida ammonium 25 wt % ditambahkan. Sistem diaduk pada 25 °C selama 24 jam, kemudian dipecahkan dengan 36 mL alkohol isopropil. Endap yang dihasilkan berulang kali dicuci dengan etanol melalui sentrifugasi hingga surnatan tidak menunjukkan fluoresens. Partikel yang dipurnikan akhirnya dispersi dalam toluena di bawah ultrasonikasi.
Sintesis CDs yang Difungsionalkan Organosilane
APTMS (10 mL) dipanaskan pada 185 °c, diikuti oleh penambahan cepat 0,5 g asam sitrat anhidrat di bawah pengacakan kuat. Setelah 1 menit pada 185 °c, campuran pendingin ke 25 °c. Produk hijau gelap dipurnikan dengan ekstraksi eter petroleum (×5, rasio volume 1:1). Fase bawah menghasilkan sekitar 2 mL CDs yang difungsionalkan organosilane.
Pelapisan CdSe@SiO₂ dengan CDs dan Lapisan MIP
10 µL CDs yang difungsionalkan organosilane ditambahkan ke dalam 25 mL toluena yang berisi 5 mg CdSe@SiO₂. Campuran dipanaskan pada 113 °c di bawah reflux selama 12 jam dengan pengacakan, kemudian di sentrifugasikan dan didispersi kembali dalam 2 mL etanol. 0,2 mg 4‑NP diperkenalkan dan mereaksi selama 2 jam pada 25 °c. TEOS (25 µL) dan hidroksida ammonium (25 µL) kemudian ditambahkan, dan sistem diaduk selama 5 jam lainnya pada 25 °c. Setelah tiga siklus endapan/sentrifugasi dan pencucian etanol, produk—CdSe@SiO₂/CDs/MIP—didispersi dalam etanol untuk digunakan. Kontrol non-terimprint (NIP) disiapkan secara identik tetapi tanpa 4‑NP.
Penentuan Kapasitas Adsorpsi
Untuk setiap sampel, 0,1 mg 4‑NP ditambahkan ke dalam 1 mL (1,5 mg mL⁻¹) nanohybrid dan diaduk selama 120 menit. Setelah sentrifugasi (12.000 rpm, 15 menit), surnatan dianalisis dengan UV–vis pada 400 nm. Kapasitas adsorpsi (Q) dihitung melalui Q=(C_0-C_t)V/W, di mana C_0 dan C_t adalah konsentrasi awal dan akhir, V adalah volume larutan, dan W adalah massa nanohybrid.
Karakterisasi
TEM resolusi tinggi (JEOL JEM‑2100, 200 kV) digunakan untuk memvisualisasikan morfologi. Spektra FTIR direkam pada Nicolet Magna IR‑560 (20 sken, resolusi 4 cm⁻¹). Pengukuran fluoresens dilakukan pada spektrofotometer Cary Eclipse (sel 1 cm). Spektra UV–vis diperoleh dengan spektrofotometer TU‑1810 (sel 1 cm).
Deteksi Fluoresens 4‑NP
1 mL CdSe@SiO₂/CDs/MIP dalam etanol (1,5 mg mL⁻¹) dicampur dengan 2 mL etanol dan jumlah 4‑NP yang diinginkan. Setelah inkubasi 10 menit pada suhu kamar (pH ≈ 7,0), spektral fluoresens direkam pada eksitasi 350 nm (slit 10 nm). Inkubasi 10 menit dipilih berdasarkan precedente untuk probe rasio [33,34].
Hasil dan Pembahasan
Analisis spektral awal mengonfirmasi bahwa titik kuantum CdSe (emisi 460 nm) dan CDs (emisi 615 nm) tidak tumpang tindih, yang memungkinkan bacaan rasio yang jelas. Pentingnya, pita emisi CDs tumpang tindih dengan penyerapan 4‑NP, yang memungkinkan pemadaman FRET pada 455 nm sementara referensi CdSe tetap tidak berubah.
Rute sintesis (Skema 1) melibatkan (i) pelapisan silika pada titik kuantum CdSe untuk membentuk CdSe@SiO₂, (ii) pemasangan CDs yang difungsionalkan organosilane, dan (iii) enkapsulasi dengan lapisan MIP berbasis TEOS. Arsitektur ini mempertahankan fotoluminescensi titik kuantum, mengamankan CDs dalam matriks, dan menghasilkan lubang spesifik 4‑NP.
Representasi skematik proses yang digunakan untuk persiapan nanohybrid dual-emisi CdSe@SiO₂/CD yang dilapisi polimer terimprint molekuler
Morfologi dan Sifat Optik
Citra HRTEM (Gambar 1) menunjukkan partikel sferis seragam dengan diameter rata-rata 46,7 ± 2,5 nm (CdSe@SiO₂), 53,6 ± 2,7 nm (CdSe@SiO₂/CD), dan 66,4 ± 2,0 nm (CdSe@SiO₂/CD/MIP). Peningkatan ukuran mencerminkan berlapisnya CDs dan cangkang MIP. Ketebalan MIP (~12,8 nm) optimal untuk kedekatan FRET (<10 nm) [43,44]. Spektra FTIR (Gambar 1g) mengonfirmasi kehadiran getaran Si–O–Si, C=O, C–H, dan NH₂, dan puncak NO₂ karakteristik setelah imprinting, memverifikasi pembentukan MIP yang berhasil.
Karakterisasi nanopartikel hibrida yang disiapkan. (a,b) CdSe@SiO₂; (c,d) CdSe@SiO₂/CD; (e,f) CdSe@SiO₂/CD/MIP. (g) Spektra FTIR CdSe@SiO₂, CdSe@SiO₂/CD, CdSe@SiO₂/CD/MIP, dan 4‑NP.
Stabilitas dan Sensitivitas Fluoresens
Spektra fluoresens sebelum dan setelah penghapusan template (Gambar 2a) menunjukkan bahwa emisi CD pada 615 nm tetap utuh, sementara pita 455 nm pulih setelah 4‑NP dihilangkan, yang mengindikasikan pemadaman yang reversibel. Probe mempertahankan >95 % intensitas 455 nm selama 120 menit, mengonfirmasi fotostabilitas yang sangat baik (Gambar 2b). Kapasitas adsorpsi nanohybrid MIP (9,1 mg g⁻¹) jauh lebih tinggi daripada NIP (1,58 mg g⁻¹), yang mencerminkan desain lubang selektif.
Fluoresens nanopartikel hibrida yang disiapkan. (a) Emisi sebelum/setelah penghapusan 4‑NP. (b) Fotostabilitas seiring waktu. (c) Kapasitas adsorpsi MIP vs NIP. (d) Kurva pemadaman fluoresens untuk MIP dan NIP.
Penilaian Selektivitas
Untuk mengevaluasi spesifisitas, sensor ditegur dengan fenol, 2‑NP, dan hidrokuinon. Efisiensi pemadaman untuk analog ini jauh lebih rendah daripada untuk 4‑NP (Gambar 3), yang disebabkan oleh tumpang tindihan penyerapan yang tidak cocok dan ketidakcocokan lubang. 2‑NP, meskipun serupa secara struktural, hanya menunjukkan pemadaman satu‑tiga bagian, yang mengonfirmasi pengenalan selektif MIP.
Selektivitas probe fluoresens rasio yang disiapkan. Respons fluoresens terhadap 4‑NP, fenol, 2‑NP, dan hidrokuinon pada 4,8 µg mL⁻¹.
Deteksi Kuantitatif 4‑NP
Penambahan bertahap 4‑NP (0,051–13,7 µg mL⁻¹) menghasilkan penurunan yang jelas pada pita 455 nm sementara referensi 615 nm tetap konstan (Gambar 4a). Plotting rasio intensitas F_b/F_r terhadap konsentrasi 4‑NP menghasilkan hubungan linier (R² = 0,985) pada rentang kerja, dengan batas deteksi yang dihitung sebesar 0,026 µg mL⁻¹ (3σ/k). LOD ini jauh di bawah pedoman EPA sebesar 60 ng mL⁻¹, yang menunjukkan kesesuaian sensor untuk pemantauan dunia nyata. Dibandingkan dengan metode literatur (Tabel 1), nanohybrid yang diusulkan cocok atau melebihi teknik elektrokimia dan fluoresens saat ini dalam baik sensitivitas maupun linearitas.
Deteksi 4‑NP. (a) Spektra fluoresens pada konsentrasi 4‑NP yang meningkat (eksitasi 350 nm). (b) Efek 4‑NP terhadap rasio F_r/F_b untuk nanohybrid yang dilapisi MIP. Konsentrasi: 0,051, 2,1, 4,8, 6,7, 8,9, 11,52, 13,7 µg mL⁻¹.
Kesimpulan
Kami telah merancang nanohybrid core–shell CdSe@SiO₂ terimprint molekuler yang berfungsi sebagai probe fluoresens rasio untuk deteksi ultra‑jejak 4‑NP. Sistem emisi ganda memanfaatkan pemadaman FRET dari CDs oleh 4‑NP sambil mempertahankan sinyal referensi CdSe yang stabil. Lapisan MIP memberikan affinitas ikatan dan selektivitas yang tinggi, menghasilkan respons linier dari 0,051 hingga 13,7 µg mL⁻¹ dan batas deteksi 0,026 µg mL⁻¹—jauh di bawah batas regulasi. Karya ini menunjukkan bahwa penggabungan imprinting molekuler dengan fluoresens rasio menawarkan strategi yang kuat untuk pemantauan yang sensitif, selektif, dan andal terhadap polutan lingkungan berbahaya.
