基于 CdSe 量子点和 g-C3N4 纳米片之间的 Förster 共振能量转移的 Hg2+ 的高选择性和灵敏检测

背景

人类汞中毒的主要原因是被污染的天然水体[1]。汞 ²⁺ 水生微生物的离子代谢会产生甲基汞，这是一种与认知和运动障碍相关的强效神经毒素 [2]。因此，需要快速、经济、简便且适用于复杂环境的汞检测方法。特别是，具有独特光学特性的纳米材料可用于开发具有高灵敏度和选择性的光学传感器[3]。半导体量子点（QDs）、荧光金属纳米团簇（NCs）、贵金属纳米颗粒（NPs）和碳纳米点（CDs）常用于Hg ²⁺ 的设计 光学传感器因其独特的特性，例如易于合成、高稳定性、功能化和生物相容性。许多用于 Hg ²⁺ 的荧光传感器 已报道 [4,5,6,7,8]。例如，黄等人。 [9] 开发了一种用于 Hg ²⁺ 的时间门控 Förster 共振能量转移 (FRET) 传感器 检测。此外，已经开发了不同的 FRET 系统来检测 Hg ²⁺ [10,11,12]。值得注意的是，FRET 系统可以类似地使用纳米粒子构建，例如 QD，以及有机和无机 NP [13,14,15]。在纳米粒子中，g-C3N4 纳米片引起了广泛的兴趣 [16, 17]。尽管 g-C3N4 纳米片已被用作传感器，但尚未报道使用 g-C3N4 纳米片和 CdSe 量子点检测金属离子的 FRET 检测系统。基于FRET的荧光传感系统具有多重优势[18]。

在本研究中，开发了一种新的基于 FRET 的荧光传感器，通过使用 g-C3N4 纳米片和 CdSe 量子点粒子作为载体来检测水介质中的汞离子。所提出的机制如图 1 所示。

基于FRET的汞离子检测机制

方法

材料

氯化汞 (II) (HgCl2) 购自同仁化学研究所（中国贵州）。尿素和 CdSe 量子点购自阿拉丁试剂公司（中国上海）。其他试剂和化学品均为分析纯，无需进一步纯化即可使用。所有溶液均使用来自 Milli-Q 梯度水纯化系统（Millipore Inc.，美国；标称电阻率 18.2 MÙ cm）的纯化水制备。

特征化

使用 X 射线衍射仪 (Rigaku D/max-2400) 获得衍射图。紫外-可见（UV-vis）光谱在室温下在 UV-vis 800 分光光度计上记录。使用 KBr 在 Nicolet-nexus670 光谱仪上记录傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱。使用 RF-5301PC 荧光光谱仪在室温下进行荧光测量。 X射线光电子能谱（XPS）测量使用多功能光谱仪（Thermo Scientific）进行。

在 g-C3N4 纳米片和 CdSe QD 粒子之间构建 FRET 传感器

在典型的程序中，将 g-C3N4（125 毫克，根据我们之前的报告 [19] 合成）分散在 250 毫升水 (1:1) 中，并在环境温度下超声处理 5 小时。然后，通过超声处理 2 小时将 CdSe QD（1.838 克，0.0216 摩尔）溶解在溶液中。鉴于 g-C3N4 纳米片和 CdSe QDs 上的胺基团具有羧基，g-C3N4 纳米片和 CdSe QDs 纳米颗粒将通过静电相互作用结合。所有溶液均在 Milli-Q 梯度水 (pH =7) 中制备。记录了 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片共轭发射光谱。所有样品均在 334 nm 激发，接近最小受体吸收。

Hg的荧光检测 ²⁺

汞 ²⁺ 在室温下在水中淬火。在典型操作中，将 10 μL CdSe QDs/g-C3N4 纳米片偶联物加入 3 mL 超纯水中，然后计算出 Hg ²⁺ 加入。室温下 2 min 后记录 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片共轭物的发射光谱。

干扰和竞争分析

FRET 纳米探针对其他金属离子 (Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Pb ²⁺ , Cr ³⁺ , Cd ²⁺ , Zn ²⁺ , 和 Cu ²⁺ ) 是通过荧光光谱研究的。使用在 450 nm 处发射的 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片缀合物进行研究。将偶联物溶液置于 1 cm 光程石英荧光比色皿中。在存在每种可能的干扰 (32 nM) 的情况下，在 334 nm 的激发波长下，在 450 nm 的发射波长处测量荧光强度。还对先前分析的所有可能干扰进行了竞争测定。对于竞赛实验，32 nM Hg ²⁺ 制备水溶液。

结果与讨论

特征化

g-C3N4纳米片的结构和形貌通过TEM、XPS和XRD表征。图 2a 中的 TEM 图像显示 g-C3N4 纳米片具有类似石墨烯的形态，主要由几层组成 [19]。图 2a 显示了 g-C3N4 纳米片的 XRD 谱。以 27.4° 为中心的强 XRD 峰对应于 g-C3N4 的典型石墨层间堆叠 (002) 峰。 13.1° 处的小峰对应于片材内的周期性平面结构堆积特征 [20, 21]。 XPS 测量用于分析 g-C3N4 纳米片的价态。图 2c 中的 XPS 光谱显示 C-C 在 284.8 和 288.0 eV 处与 N 键合，N 1 s 光谱在 397.04 eV 处。在图 2d 中，811 cm ^-1 处的峰值 归因于三嗪环的振动。 1000 cm ⁻¹ 附近的峰值 代表 CN 杂环的拉伸模式，峰值在 1800 cm ^-1 对应于 C-NH-C。 300–3600 cm ⁻¹ 处的峰值 对应于 N-H 和 O-H 伸缩振动[22]。

所制备的 g-C3N4 纳米片的表征。 一 透射电镜图像。 b XRD 图像。 c XPS 光谱。 d 红外光谱

CdSe QDs/g-C3N4 纳米片的紫外可见光和荧光特性

获得荧光和紫外-可见吸收光谱以评估 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片的光学性质。如图 3a 所示，在 UV-vis 吸收光谱中观察到大约 334 nm 处的大峰。此外，在图 3b 的同步荧光光谱中，在 452 和 334 nm 处观察到荧光发射和激发峰，并且与纳米片的发射荧光和紫外光激发有关。与纯 g-C3N4 纳米片相比，发射峰在 14-16 nm 处显示出偏移（在 438 和 310 nm 处观察到发射峰和激发峰，如图 3c 所示），这可以归因于 FRET。还证实了激发波长对荧光强度的影响。

CdSe QDs/g-C3N4偶联物的紫外-可见吸收和荧光光谱

pH 值对 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片偶联物荧光的影响

图 4 显示了 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片偶联物在不同 pH 值下的荧光。 pH值随着荧光强度的增加而从3增加到7。然而，当 pH 值从 7 增加到 10 时，荧光强度逐渐降低，这可能是由于结构中存在氨基，pH 对质子化-去质子化导致的表面电荷变化的影响。 g-C3N4 纳米片。在本研究中，CdSe QDs/g-C3N4 纳米片共轭物用于检测 Hg ²⁺ 离子，选择pH值为7为最适pH值。在含有不同浓度 NaCl 的 pH 7 下测量荧光发射，以获得 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片缀合物在高离子强度环境下的稳定性。在高离子强度下，CdSe QDs/g-C3N4 纳米片共轭物的荧光强度仅观察到轻微变化。结果表明，高离子强度对偶联物荧光强度的影响很小。

pH对CdSe QDs/g-C3N4纳米片偶联物荧光的影响

CdSe QDs/g-C3N4 纳米片 FRET 系统检测汞离子的选择性

选择性是新传感系统的一个重要参数。 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片 FRET 传感器的选择性使用各种金属离子（例如，Cu ²⁺ , Mg ²⁺ , Na ⁺ , Ca ²⁺ , 汞 ²⁺ , Cr ³⁺ , Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , 和 Zn ²⁺ );结果如图 5a 所示。与不含离子的空白样品相比，Hg ²⁺ 的荧光比 明显增加，而其他金属离子的荧光强度略有变化或保持不变。这些结果表明 FRET 传感器显示出比其他传感器更高的选择性（图 5b）。因此，CdSe QDs/g-C3N4 对 Hg ²⁺ 表现出高选择性 .这种现象与纯 g-C3N4 纳米片相比是明显的，后者对 Cu ²⁺ 具有选择性 和汞 ²⁺ [23, 24]。

CdSe QDs/g-C3N4纳米片FRET传感器的选择性实验

FRET 荧光过程检测汞的可行性 ²⁺

为了研究FRET传感器的实用性，CdSe QDs/g-C3N4纳米片对Hg ²⁺ 的荧光检测 进行了。 Hg ²⁺ 的存在 导致荧光强度降低，如图 6 所示，这说明 Hg ²⁺ 可以有效地淬灭 FRET 传感器。为了研究灵敏度，传感器对不同Hg ²⁺ 的响应 通过荧光光谱进一步评估浓度，结果如图 6a 所示。 g-C3N4纳米片的荧光强度随着Hg ²⁺ 的增加而逐渐降低 浓度。图 6b 解释了 I /我 0 取决于 Hg ²⁺ 的浓度 , 其中 I 0 和 I 分别为不存在和存在 Hg ²⁺ 时的荧光强度 .此外，I 的关系 /我 0 浓度之间的 Hg ²⁺ 是线性的，线性回归方程为I =− 9.6 × 10 ⁷ + 550.5(R ² =0.9882)，如图 6b 的插图所示。与最近报道的发光方法相比，所提出的方法具有更低的检测限和更高的灵敏度[25, 26]。 g-C3N4纳米片和CdSe量子点对除Hg ²⁺ 以外的其他金属离子没有明显的猝灭反应 ，表明该方法具有较高的选择性。

CdSe QDs/g-C3N4纳米片共轭物的传感特性以及荧光强度对Hg ²⁺ 浓度的依赖性 (CHg ²⁺ :1, 0 来自2, 4 纳米； 3, 8 为4, 12 纳米； 5, 16 纳米； 6, 20 纳米； 7, 24 纳米； 8, 28 纳米； 9, 32 纳米)

其他影响汞离子检测的共存阳离子也被检测到。 CdSe QDs/g-C3N4纳米片传感系统对Hg ²⁺ 的响应 离子在碱、碱土和其他过渡金属离子存在下的情况如表 1 所示。大部分金属离子的共存不干扰 Hg ²⁺ , 说明这些共存离子对 Hg ²⁺ 传感器可以忽略不计。

此外，长期稳定性是传感器的优良特性。 2 周内每 3 天的连续研究期间的吸光度和荧光表明，CdSe QDs/g-C3N4 纳米片的活性保持在初始效率的 92% 以上，尽管它们被储存在环境环境中。结果表明，CdSe QDs/g-C3N4纳米片作为FRET传感器具有良好的长期稳定性。

与之前关于 Hg ²⁺ 荧光检测的报道相比 （结果列于表 2），基于 FRET 的 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片荧光探针在 pH =7 时，Hg (II) 的浓度范围为 0-32 nmol/L，检测限为5.3 nmol/L。因此，我们的方法获得了优越的检测限和线性范围。

FRET 传感器的应用

CdSe QDs/g-C3N4纳米片作为FRET传感器成功地为检测Hg ²⁺ 提供了良好的平台 在实际样品中，因为它们的灵敏度和选择性。选择井、湖水和自来水作为实际样品进行分析，其中Hg ²⁺ 范围为 95.4-101.6%（表 3）。 Hg ²⁺ 的相对标准偏差 (RSD) 在 0.64-1.72% 的范围内。结果清楚地表明，所设计的方法可以有效地用于检测Hg ²⁺ 在实际应用中。 RSD和相对误差的可接受值证实了所提出的FRET传感器对Hg ²⁺ 的高灵敏度、高精度和高可靠性 实际应用中的测定。

结论

开发了一种基于 FRET 的系统来检测 Hg ²⁺ 在 g-C3N4 纳米片/CdSe QD 中。 Hg ²⁺ 的检出限 离子为 5.3 nM，线性响应范围为 0 到 32 nM。通过测量Hg ²⁺ 的含量证明了该传感器的适用性 在实际样品中。鉴于 CdSe QDs/g-C3N4 纳米片偶联物的长期稳定性、低成本和容易制备，荧光测定可用作环保传感器。该策略将为构建基于 FRET 的 Hg ²⁺ 传感器提供替代方法 在水介质中，包括环境和生物样品。

亮点

1. 1.

   在Hg ²⁺ 存在下，在CdTe量子点（QDs）（供体）和g-C3N4（受体）之间构建荧光共振能量转移（FRET）系统 第一次。

2. 2.

   在水溶液中通过简单的静电相互作用途径制备了由CdSe QDs支撑的g-C3N4纳米复合材料（CdSe QDs /g-C3N4）。

3. 3.

   FRET 系统作为传感器的可行性被证明用于检测水溶液中的 Hg (II)。在 pH 7 时，在 0-32 nmol/L 范围内，Hg (II) 浓度的淬灭荧光强度之间观察到线性关系。检测限为5.3 nmol/L。

4. 4.

   新型基于 FRET 的荧光检测可为 Hg ²⁺ 的定量提供有吸引力的分析平台 在复杂的水溶液中。

缩写

烦恼：

福斯特共振能量转移

FTIR：

傅里叶变换红外

UV-vis：

紫外可见

XPS：

X射线光电子能谱

XRD：

X射线衍射仪