Détection ultra-sensible et sélective de Hg²⁺ par FRET entre points quantiques CdSe et nanofeuilles g-C₃N₄

Résumé

Nous avons conçu un système de transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET) couplant des points quantiques CdSe (QD) comme donneurs avec des nanofeuilles g-C₃N₄ comme accepteurs pour atteindre une détection rapide, rentable et hautement sélective de Hg²⁺ en milieu aqueux. Le nanocomposite CdSe QD/g-C₃N₄ a été fabriqué par auto-assemblage électrostatique simple dans l'eau, produisant des nanofeuilles décorées aléatoirement avec un diamètre moyen de QD de ~7 nm. Le quenching de fluorescence du donneur était linéaire avec la concentration en Hg²⁺ (0–32 nM) à pH neutre, fournissant une limite de détection de 5,3 nM. La sonde discriminait Hg²⁺ d'un panel d'ions métalliques courants (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) et maintenait >92 % de sa fluorescence initiale après 2 semaines de stockage. Des échantillons d'eau réelle (puits, lac, robinet) étaient quantifiés avec des récupérations entre 95,4 % et 101,6 % et des écarts-types relatifs inférieurs à 2 %. Cette plateforme FRET offre une solution robuste, réutilisable et respectueuse de l'environnement pour surveiller la contamination au mercure.

Contexte

La contamination au mercure des eaux naturelles reste la principale source d'exposition humaine à cet élément neurotoxique. La conversion microbienne de Hg²⁺ en méthyl-mercure, une neurotoxine puissante, est associée à des troubles cognitifs et moteurs dans le monde. Des méthodes de détection rapides, sensibles et sélectives opérant dans des matrices complexes sont donc essentielles pour la surveillance environnementale et la protection de la santé publique.

Les nanomatériaux aux propriétés optiques uniques — points quantiques semi-conducteurs, nanoclusters métalliques fluorescents, nanoparticules métalliques nobles, et nanodots de carbone — ont été largement explorés pour la détection du mercure. Ces plateformes bénéficient d'une synthèse facile, haute photostabilité, polyvalence de fonctionnalisation et biocompatibilité. Plusieurs capteurs basés sur FRET employant points quantiques ou autres nanostructures ont été rapportés ; cependant, un système FRET couplant des QD CdSe avec des nanofeuilles de nitrure de carbone graphitique (g-C₃N₄) pour la détection de Hg²⁺ n'avait pas encore été décrit.

Les nanofeuilles g-C₃N₄ possèdent une structure few-layer de type graphène, une forte absorption visible et d'abondants groupes amine de surface, les rendant attractives comme accepteurs d'énergie. En combinant ces nanofeuilles avec des QD CdSe via interactions électrostatiques, nous avons créé un capteur FRET compact et hautement réactif capable de distinguer Hg²⁺ d'autres ions métalliques.

Le principe de fonctionnement du capteur est illustré à la Figure 1 (diagramme de mécanisme).

Les mécanismes de détection basée FRET pour les ions mercure

Méthodes

Matériaux

Chlorure de mercure(II) (HgCl₂) provenait de l'Institut de Recherche Chimique Tong Ren (Guizhou, Chine). Urée et QD CdSe achetés chez Aladdin Reagent Company (Shanghai, Chine). Tous les autres réactifs étaient de grade analytique et utilisés sans purification supplémentaire. Les solutions étaient préparées avec de l'eau Milli-Q (18,2 MΩ cm).

Caractérisation

Diffraction des rayons X (Rigaku D/max-2400), spectroscopie UV-vis (UV-vis 800), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) (Nicolet-nexus670), spectroscopie de fluorescence (RF-5301PC), spectroscopie photoélectronique par rayons X (Thermo Scientific), et microscopie électronique à transmission (MET) ont été employés pour sonder les propriétés structurales et optiques du nanocomposite.

Construction du capteur FRET

Dans une synthèse typique, 125 mg de g-C₃N₄ (pré-synthétisé) étaient dispersés dans 250 mL d'eau et soniqués pendant 5 h. Ensuite, 1,838 g de QD CdSe (0,0216 mol) étaient ajoutés et soniqués pendant 2 h pour favoriser l'attachement électrostatique via les groupes amine sur g-C₃N₄ et les QD carboxylés. Le conjugué CdSe QD/g-C₃N₄ résultant était excité à 334 nm (près du bord d'absorption QD) et son émission enregistrée à 452 nm.

Détection de fluorescence de Hg²⁺

Pour chaque essai, 10 µL du conjugué étaient mélangés avec 3 mL d'eau ultrapure, suivis de l'addition de la concentration Hg²⁺ désirée. Les spectres de fluorescence étaient acquis après 2 min à température ambiante.

Analyses d'interférence et de compétition

L'interférence potentielle de Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ et Cu²⁺ (32 nM chacun) était évaluée en mesurant la fluorescence à 450 nm sous excitation 334 nm. Des expériences de compétition étaient réalisées en ajoutant 32 nM Hg²⁺ en présence de chaque interférant.

Résultats et Discussion

Caractérisation

La microscopie électronique à transmission (Figure 2a) confirmait la morphologie few-layer de type graphène des nanofeuilles g-C₃N₄. La diffraction des rayons X (Figure 2b) montrait le pic caractéristique (002) à 27,4°, confirmant l'empilement graphitique, tandis qu'un pic mineur à 13,1° indiquait une périodicité dans le plan. La spectroscopie photoélectronique par rayons X (Figure 2c) révélait des liaisons C-C/N à 284,8 et 288,0 eV et N 1s à 397,04 eV. Le FTIR (Figure 2d) montrait des vibrations de cycle triazine à 811 cm⁻¹, étirements hétérocycle CN près de 1000 cm⁻¹, C-NH-C à 1800 cm⁻¹, et étirements N-H/O-H entre 300–3600 cm⁻¹.

Caractérisation des nanofeuilles g-C₃N₄ préparées. a Image MET. b Diagramme DRX. c Spectre XPS. d Spectre FTIR

Propriétés UV-vis et fluorescence

Le conjugué CdSe QD/g-C₃N₄ présentait un pic d'absorption proéminent à ~334 nm (Figure 3a). L'émission de fluorescence culminait à 452 nm sous excitation 334 nm (Figure 3b), un décalage vers le rouge de 14–16 nm par rapport au g-C₃N₄ pur (émission 438 nm, excitation 310 nm) attribuable à un FRET efficace.

Spectre d'absorption UV-vis et de fluorescence du conjugué CdSe QD/g-C₃N₄

Effet du pH

L'intensité de fluorescence augmentait du pH 3 à 7 et déclinait de 7 à 10 (Figure 4), probablement dû à la protonation/déprotonation des groupes amine de surface affectant la charge de surface. Le pH neutre 7 a été choisi pour la détection Hg²⁺, où une force ionique élevée (NaCl) avait un impact négligeable sur la fluorescence.

Effet du pH sur la fluorescence du conjugué CdSe QD/g-C₃N₄

Sélectivité

Lors de l'exposition à un panel d'ions métalliques concurrents, le ratio de fluorescence du capteur (I/I₀) augmentait marquant seulement en présence de Hg²⁺ (Figure 5a), tandis que les autres ions produisaient des changements négligeables. Cette sélectivité contraste avec le g-C₃N₄ pur, qui répond à la fois à Cu²⁺ et Hg²⁺, soulignant le rôle des QD CdSe dans la spécificité Hg²⁺ (Figure 5b).

Expériences de sélectivité pour le capteur FRET CdSe QD/g-C₃N₄

Faisabilité et Sensibilité

Le quenching de fluorescence augmentait linéairement avec la concentration Hg²⁺ de 0 à 32 nM (Figure 6a). Le ratio I/I₀ suivait l'équation I = –9,6 × 10⁷ + 550,5 (R² = 0,9882), donnant une limite de détection de 5,3 nM. La sonde montrait une réponse négligeable aux autres ions métalliques, confirmant la haute sélectivité. Les tests de stabilité montraient qu'après 14 jours à conditions ambiantes, le conjugué conservait >92 % de sa fluorescence initiale.

Propriétés de détection du conjugué CdSe QD/g-C₃N₄ et dépendance de l'intensité de fluorescence à la concentration Hg²⁺ (0–32 nM)

Les cations coexistants (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) n'interféraient pas avec la détection Hg²⁺, comme montré au Tableau 1. La stabilité à long terme et la reproductibilité étaient confirmées par des mesures de fluorescence périodiques sur 14 jours.

Application à des échantillons réels

Le capteur a été appliqué à de l'eau de lac, robinet et puits additionnée de Hg²⁺. Les récupérations variaient de 95,4 % à 101,6 % avec des RSD entre 0,64 % et 1,72 % (Tableau 3), démontrant une performance fiable dans des matrices complexes.

Conclusions

Nous avons développé un capteur Hg²⁺ basé FRET couplant des QD CdSe avec des nanofeuilles g-C₃N₄. La sonde offre une limite de détection de 5,3 nM, une gamme linéaire de 0–32 nM, et une sélectivité exceptionnelle contre les ions métalliques courants. Sa synthèse simple en phase aqueuse, haute photostabilité et faible coût la rendent bien adaptée pour la surveillance environnementale et potentiellement pour des applications biomédicales.

Points forts

1. Construction d'un système FRET entre points quantiques CdSe et nanofeuilles g-C₃N₄ pour détection Hg²⁺.
2. Synthèse de nanocomposites CdSe QD/g-C₃N₄ par auto-assemblage électrostatique simple dans l'eau.
3. Quenching de fluorescence linéaire de Hg²⁺ (0–32 nM) à pH 7 avec limite de détection 5,3 nM.
4. Plateforme FRET proposée fournit un essai polyvalent et réutilisable pour quantifier Hg²⁺ dans des échantillons d'eau complexes.

Abréviations

FRET

Transfert d'énergie par résonance de Förster

FTIR

Infrarouge à transformée de Fourier

UV-vis

Ultraviolet-visible

XPS

Spectroscopie photoélectronique par rayons X

XRD

Diffractomètre à rayons X