Deteksi Hg²⁺ yang Sensitif dan Selektif melalui FRET antara Titik Kuantum CdSe dan Lempukan g-C₃N₄
Abstrak
Kami merancang sistem transfer energi resonansi Förster (FRET) yang menggabungkan titik kuantum CdSe (QD) sebagai donor dengan lempukan g-C₃N₄ sebagai penerima untuk mencapai deteksi Hg²⁺ yang cepat, hemat biaya, dan sangat selektif dalam media air. Nanokomposit CdSe QD/g-C₃N₄ dibuat melalui pengasembahan elektrostatis sederhana dalam air, menghasilkan lempukan yang secara acak dihiasi dengan diameter QD rata-rata sekitar 7 nm. Penenangan fluoresensi donor linier dengan konsentrasi Hg²⁺ (0–32 nM) pada pH netral, memberikan batas deteksi 5,3 nM. Sonda membedakan Hg²⁺ dari panel ion logam umum (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) dan mempertahankan >92% fluoresensi awal setelah penyimpanan selama 2 minggu. Sampel air nyata (sumur, danau, air kerasan) dikuantifikasi dengan pemulihan antara 95,4% dan 101,6% dan simpangan baku relatif di bawah 2%. Platform FRET ini menawarkan solusi yang kokoh, dapat digunakan kembali, dan ramah lingkungan untuk pemantauan kontaminasi merkuri.
Latar Belakang
Kontaminasi merkuri di air alami masih merupakan sumber utama paparan manusia terhadap elemen neurotoksik ini. Konversi mikroba Hg²⁺ menjadi metil-merkuri, neurotoksin yang kuat, terkait dengan gangguan kognitif dan motorik di seluruh dunia. Oleh karena itu, metode deteksi yang cepat, sensitif, dan selektif yang dapat beroperasi dalam matriks kompleks sangat penting untuk pemantauan lingkungan dan perlindungan kesehatan masyarakat.
Nanomaterial dengan properti optik unik—seperti titik kuantum semikonduktor, klaster logam fluoresen, nanopartikel logam mulia, dan karbon nanodots—telah banyak dieksplorasi untuk sensor merkuri. Platform-platform ini mendapat manfaat dari sintesis yang mudah, fotostabilitas yang tinggi, kemampuan fungsionalisasi yang serbaguna, dan biokompatibilitas. Beberapa sensor berbasis FRET yang menggunakan titik kuantum atau nanostruktur lainnya telah dilaporkan; namun, sistem FRET yang menggabungkan titik kuantum CdSe dengan lempukan karbon nitrit grafit (g-C₃N₄) untuk deteksi Hg²⁺ belum pernah dijelaskan.
Lempukan g-C₃N₄ memiliki struktur beberapa lapis yang mirip grafen, penyerapan cahaya visibel yang kuat, dan grup amino permukaan yang melimpah, menjadikannya menarik sebagai penerima energi. Dengan menggabungkan lempukan ini dengan titik kuantum CdSe melalui interaksi elektrostatis, kami menciptakan sensor FRET yang kompak dan sangat responsif yang mampu membedakan Hg²⁺ dari ion logam lainnya.
Prinsip kerja sonda diilustrasikan pada Gambar 1 (diagram mekanisme).
Mekanisme deteksi berbasis FRET untuk ion merkuri
Metode
Bahan
Klorida merkuri(II) (HgCl₂) diperoleh dari Tong Ren Chemical Research Institute (Guizhou, China). Urea dan titik kuantum CdSe dibeli dari Aladdin Reagent Company (Shanghai, China). Semua reagen lainnya adalah grade analitis dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Larutan disiapkan dengan air Milli-Q (18,2 MΩ cm).
Karakterisasi
Difraksi X (Rigaku D/max-2400), spektroskopi UV–vis (UV–vis 800), spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR; Nicolet-nexus670), spektroskopi fluoresensi (RF-5301PC), spektroskopi fotoelektron X (Thermo Scientific), dan mikroskop elektron transmisi (TEM) digunakan untuk menilai properti struktural dan optik nanokomposit.
Konstruksi Sensor FRET
Dalam sintesis tipikal, 125 mg g-C₃N₄ (pra-disintesis) dipersebar dalam 250 mL air dan disonikasi selama 5 jam. Selanjutnya, 1,838 g titik kuantum CdSe (0,0216 mol) ditambahkan dan disonikasi selama 2 jam untuk mempromosikan penempelan elektrostatis melalui grup amino pada g-C₃N₄ dan QD yang karboksilat. Konjugat CdSe QD/g-C₃N₄ yang dihasilkan dieksitasi pada 334 nm (dekat tepi absorpsi QD) dan emisisinya direkam pada 452 nm.
Deteksi Fluoresensi Hg²⁺
Untuk setiap uji, 10 µL konjugat dicampur dengan 3 mL air ultrapure, diikuti dengan penambahan konsentrasi Hg²⁺ yang diinginkan. Spektra fluoresensi diambil setelah 2 menit pada suhu ruangan.
Analisis Interferensi dan Kompetisi
Potensi interferensi dari Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, dan Cu²⁺ (32 nM masing-masing) dievaluasi dengan mengukur fluoresensi pada 450 nm di bawah eksitasi 334 nm. Eksperimen kompetisi dilakukan dengan menambahkan 32 nM Hg²⁺ dalam kehadiran setiap interferensi.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi
Mikroskop elektron transmisi (Gambar 2a) mengonfirmasi morfologi beberapa lapis yang mirip grafen dari lempukan g-C₃N₄. Difraksi X (Gambar 2b) menampilkan puncak karakteristik (002) pada 27,4°, mengonfirmasi tumpukan grafit, sementara puncak kecil pada 13,1° menunjukkan perioditas dalam sasar. Spektroskopi fotoelektron X (Gambar 2c) mengungkapkan ikatan C–C/N pada 284,8 dan 288,0 eV dan N 1s pada 397,04 eV. FTIR (Gambar 2d) menunjukkan getangan cincin triazin pada 811 cm⁻¹, getangan serek CN heterosiklik di sekitar 1000 cm⁻¹, C–NH–C pada 1800 cm⁻¹, dan getangan peregangan N–H/O–H antara 300–3600 cm⁻¹.
Karakterisasi lempukan g-C₃N₄ yang baru disiapkan. a Gambar TEM. b Pola XRD. c Spektra XPS. d Spektra FTIR
Properti UV-vis dan Fluoresensi
Konjugat CdSe QD/g-C₃N₄ menunjukkan puncak absorpsi yang menonjol pada sekitar 334 nm (Gambar 3a). Emisi fluoresensi puncak pada 452 nm setelah eksitasi 334 nm (Gambar 3b), bergeser merah 14–16 nm dibandingkan g-C₃N₄ murni (emisi 438 nm, eksitasi 310 nm) yang dikaitkan dengan FRET yang efisien.
Spektra absorpsi UV-vis dan fluoresensi konjugat CdSe QD/g-C₃N₄
Efek pH
Intensitas fluoresensi meningkat dari pH 3 hingga 7 dan menurun dari 7 hingga 10 (Gambar 4), mungkin karena protonasi/deprotonasi grup amino permukaan yang mempengaruhi muatan permukaan. pH netral 7 dipilih untuk pengendap Hg²⁺, di mana kekuatan ionik tinggi (NaCl) memiliki dampak yang tidak signifikan terhadap fluoresensi.
Efek pH terhadap fluoresensi konjugat lempukan g-C₃N₄/CdSe QD
Selektivitas
Saat diekspos pada panel ion logam bersaing, rasio fluoresensi sensor (I/I₀) meningkat secara signifikan hanya dalam kehadiran Hg²⁺ (Gambar 5a), sedangkan ion lainnya menghasilkan perubahan yang tidak signifikan. Selektivitas ini bertentangan dengan g-C₃N₄ murni, yang merespons baik Cu²⁺ maupun Hg²⁺, menekankan peran titik kuantum CdSe dalam memberikan spesifikitas Hg²⁺ (Gambar 5b).
Eksperimen selektivitas untuk sensor FRET lempukan g-C₃N₄/CdSe QD
Keberlanjutan dan Sensitivitas
Penenangan fluoresensi meningkat linier dengan konsentrasi Hg²⁺ dari 0 hingga 32 nM (Gambar 6a). Rasio I/I₀ mengikuti persamaan I = –9,6 × 10⁷ + 550,5 (R² = 0,9882), menghasilkan batas deteksi 5,3 nM. Sonda menunjukkan respons yang tidak signifikan terhadap ion logam lainnya, mengonfirmasi selektivitas yang tinggi. Uji stabilitas menunjukkan bahwa setelah 14 hari pada kondisi sekitar, konjugat mempertahankan >92% fluoresensi awalnya.
Properti pengendap konjugat lempukan g-C₃N₄/CdSe QD dan ketergantungan intensitas fluoresensi terhadap konsentrasi Hg²⁺ (0–32 nM)
Kation yang coexisting (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) tidak mengganggu deteksi Hg²⁺, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Stabilitas jangka panjang dan reproduktivitas dikonfirmasi melalui pengukuran fluoresensi berkala selama 14 hari.
Aplikasi pada Sampel Nyata
Sensor diterapkan pada air danau, air kerasan, dan air sumur yang dicampur Hg²⁺. Pemulihan bervariasi dari 95,4% hingga 101,6% dengan RSD antara 0,64% dan 1,72% (Tabel 3), menunjukkan performa yang andal dalam matriks kompleks.
Kesimpulan
Kami telah mengembangkan sensor Hg²⁺ berbasis FRET yang menggabungkan titik kuantum CdSe dengan lempukan g-C₃N₄. Sonda menawarkan batas deteksi 5,3 nM, rentang linier 0–32 nM, dan selektivitas yang luar biasa terhadap ion logam umum. Sintesisnya yang sederhana dalam fase air, fotostabilitas yang tinggi, dan biaya rendah membuatnya cocok untuk pemantauan lingkungan dan potensial untuk aplikasi biomedik.
Highlights
Konstruksi sistem FRET antara titik kuantum CdSe dan lempukan g-C₃N₄ untuk deteksi Hg²⁺.
Sintesis nanokomposit CdSe QD/g-C₃N₄ melalui pengasembahan elektrostatis sederhana dalam air.
Demonstrasi penenangan fluoresensi linier Hg²⁺ (0–32 nM) pada pH 7 dengan batas deteksi 5,3 nM.
Platform FRET yang diusulkan memberikan uji serbaguna dan dapat digunakan kembali untuk kuantifikasi Hg²⁺ dalam sampel air kompleks.
