Detección colorimétrica altamente selectiva y sensible de Ag (I) usando N-1-(2-mercaptoetil) adenina funcionalizado con nanoparticulas de oro

RESUMEN

Un método de detección colorimétrica sensible y selectiva de Ag+ se desarrolló mediante el uso de nanopartículas de oro funcionalizadas N-1-(2-mercaptoetil) adenina (MEA-AuNPs). La presencia de Ag+ inmediatamente es inducida a la agregación de MEA-AuNPs, produciendo un cambio de color de rojo a azul. Esta Ag+ - es inducida la agregación de MEA-AuNP fue supervisado por el ojo desnudo y espectroscopia UV-vis con un límite de detección de 3.3 nM. MEA-AuNPs mostró una excelente selectividad hacia Ag+ en comparación con otros iones metálicos a través de la interacción entre adenina y Ag+. La mejor detección de Ag+ se logró a un pH de 6-9. Por otra parte, se aplicaron los AMUMA-AuNPs para detectar Ag+ en el agua del lago con baja interferencia

1. introducción

El desarrollo de la detección rápida y eficiente de los iones metálicos en los sistemas ambientales y biológicos ha sido un tema importante de investigación. Los compuestos de plata son ampliamente utilizados en la industria eléctrica, fotográfica, y de formación de imágenes. Debido a un uso intensivo en la industria, una enorme cantidad de Ag se libera al medio ambiente cada año. Los iones de plata se unen con amina, imidazol, carboxilato, y grupos tiol en proteínas, lo que resulta en la pérdida de funciones de proteínas. Además, las nanopartículas de plata pueden generar especies reactivas de oxígeno y destruir los organismos acuosos mediante la inhibición de su crecimiento y la interrupción de su capacidad reproductiva.

Los métodos tradicionales como la espectrometría de absorción atómica, acoplado inductivamente espectrometría de emisión atómica con plasma, y voltametría han sido desarrollados para la medición de iones de plata en muestras biológicas y ambientales. Aunque estos métodos son cuantitativos, que requieren aparatos sofisticados y tedioso pretratamiento de la muestra antes del análisis especies metálicas. Recientemente, los investigadores se han centrado en el desarrollo de sensores sensibles y selectivos para la determinación de iones de plata.

Las nanopartículas de oro (AuNPs) han sido ampliamente utilizados en el desarrollo de sondas colorimétricos para la detección de iones metálicos, aniones, y biomoléculas debido a su único propiedades ópticas. AuNPs muestran fuerte resonancia de plasmón superficial (SPR) propiedades de absorción, que son extremadamente sensibles a tamaño, forma, y la distancia entre partículas. Sensores colorimétricos basados en AUNP utilizan de acoplamiento entre partículas de plasmón sobre la agregación analito-inducida de AuNPs, lo que resulta en un cambio de color de rojo a azul. En estos ensayos, la agregación de analito-desencadenado de AuNPs lleva a un cambio de color vino tinto en la banda de absorción SPR, lo que resulta en un cambio de color de rojo a azul. La agregación de

analito-desencadenado de AuNPs se basa en la modificación de la superficie de los AuNPs que pueden reconocer específicamente las especies objetivo. Funcionalización de la superficie apropiada de AuNPs determinarán la aplicabilidad analítica y selectividad de AuNPs.

En este informe, AuNPs adenina-funcionalizado (MEA-AuNPs) fueron sintetizados para detectar Ag+. Adenina mostró una excelente coordinación con Ag+ para formar adenina-Ag+-Adenina complejos a través de un enlace entre los átomos de nitrógeno en la adenina con Ag+. AuNPs se prepararon a través de la reducción de citrato mediada HAuCl4. N, 1-(2-mercaptoetil) adenina (EEM) se une a la superficie de AuNPs a través del grupo tiol, y MEA-AuNPs se utilizaron para la detección de iones metálicos. Los iones metálicos tales como Ag+, Al3

+, Ca2+, Cd2

+, Co2+, Cu2

+, Cr3+, Fe2

+, Fe3+, Hg2

+, K+, Mg2+, Mn2

+, Na+, Ni2+, Pb2

+

y Zn2+ se probaron para el metal selectividad iónica. Sin embargo, Ag+ es el único ion

metálico que causó la agregación de MEA-AuNPs. Esto hizo que la banda de absorción SPR de los AMUMA-AuNPs para cambiar a una longitud de onda más larga, y por lo tanto dio lugar a un cambio de color de rojo a azul. Este cambio de color se puede utilizar para detectar la presencia de iones de Ag+. Absorción de SPR a 650 nm indica directamente el grado de agregación de MEA-AUNP causada por la adición de iones de Ag+.

2. Experimental

2.1 productos químicos

Tetracloroaurato de hidrógeno (III) tetrahidratado, ácido cítrico, KCl y NaCl fueron adquiridos de Showa. Adenina, carbonato de etileno, tioacetato de potasio sólido, Al (ClO4)3 . 9H2O, Cr (ClO4)3

. 6H2O y citrato trisódico se compraron de Alfa Aesar. AgClO4 · xH2O, Ca (ClO4)2

. 4H2O, Cd (ClO4)2 · xH2O, CoCl2 · 6H2O, Cu (BF4)2 · xH2O, Fe (BF4)2, FeCl3 · 6H2O, Hg (ClO4)2 · xH2O, Mg (ClO4)2

. 6H2O, Ni (O2CCH3) · 4H2O, Pb (ClO4)2 .

3H2O y Zn (BF4)2 · xH2O se adquirieron de Sigma-Aldrich. MnSO4 · H2O se adquirieron de Riedel-de Haen. 4-(2hidroxietil)-1-piperazina-etano-sulfónico (HEPES) y tris (hidroximetil) aminometano (Tris) fueron adquiridos de Biobasic. 2-(N-morfolino) etanosulfónico (MES) se adquirió de JT Panadero. Para todas las soluciones acuosas, agua desionizada (resistividad, 18.0 MΩ Cm a 25 ◦C) se utilizó purificada por Millipore Direct-Q unidad de purificación de agua. La síntesis y caracterización de N-1-(2-mercaptoetil) adenina (MEA) se describen en la información de apoyo

2.2 Instrumentos

UV-Vis espectros se registraron en un Agilent 8453 UV-VIS (Santa Clara, CA, EE.UU.). Las imágenes de TEM se registraron a partir JEOL JEM-2010 Transmisión Electro Microscopio (Tokio, Japón). Los datos de IR se obtuvieron en BomemDA8.3 Fourier-transforma infrarrojo (Espectrómetro de Quebec, Canadá). Datos de ICP-MS se registraron en un ICP-MS Perkin Elmer Sciex ELAN 5000 (Waltham, MA, EE.UU.).

2.3 Preparación de MEA-AuNPs

Las nanopartículas de oro se prepararon mediante la reducción de HAuCl4 con citrato trisódico. Toda la cristalería fue limpiada a fondo con agua regia (3:1, HCl/HNO3) y se enjuagó con agua Millipore-Q antes de su uso. Brevemente, HAuCl4 (40 ml, 195µ M) se calentó a 80 ◦C. Solución de citrato trisódico (540µ L, 0.1 M) se añadió rápidamente a la solución y la solución de mezcla se calentó durante 2 h a la misma temperatura. Con el fin de eliminar el exceso de citrato de sodio, citrato de las nanopartículas de Au-reducido se centrifugaron durante 15 min (12000 rpm) y después se disolvió con agua Millipore-Q. N-1-(2-mercaptoetil) adenina (MEA) solución (1.2 ml, 0.05 mM, en H2O-DMSO (v / v = 200:1) se incubó con solución AuNPs durante 3 h. MEA en exceso se eliminó por diálisis 3.5 K MWCO de Spectra / Por 7 membranas. las AuNPs MEA finalmente dispersas se pueden utilizar para la detección de iones metálicos. los tamaños de los MEA-AuNPs se verificaron por análisis de microscopio electrónico de transmisión (TEM).

2.4 Detección colorimétrica de Ag+

Para 1.0 ml de la solución que contenía MEA AuNPs, diferentes iones metálicos (4 µM): Ag+, Al3+, Ca2+, Cd2+, Co2+, Cr3+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Hg2+, K+, Mg2+, Mn2+, Na+, Ni2+, Pb2+ y Zn2+ se añadieron por separado. Las mezclas se mantuvieron a temperatura ambiente durante 20 min y después se transfieren por separado en cubeta de cuarzo de 1.5 ml. Sus bandas de absorción SPR fueron registrados por Espectrofotómetro UV-Vis.

2.5. La influencia del pH en la agregación de Ag+ inducida de MEA-AuNPs

MEA-AuNPs se añadieron con Ag+ (30µM) en 1,0 ml de solución de agua (10 mM buffer). Los buffers fueron: pH 3-4, CH3COOH/NaOH; pH 4.5 a 7.0, MES; pH 7.0 a 10, Hepes.

3. Resultados y discusión

3.1. Caracterización de MEA-AuNPs

AuNPs se prepararon a través de la reducción de citrato mediada HAuCl4. MEA, el agente de remate, se añadió a la solución AUNP. La microscopía electrónica de transmisión de imagen (TEM) revela que el tamaño de partícula de MEA-AuNPs varió de 15 nm a 23 nm, con la mayoría de los tamaños de partículas que cae en el intervalo de 19-21 nm. MEA-AuNPs también se caracterizaron por el uso de la espectroscopia infrarroja. Como se muestra en la figura. 1a, los picos característicos esqueleto de MEA eran 3319 cm -1 (NH), 3155 cm-1 (NH), y 2556 cm-1 (SH). En la figura. 1b, el pico que era originalmente a 2556cm-1 (SH) desapareció, lo que indica que MEA se une a AuNPs través de la unión de Au-S. Absorción de SPR de AuNPs se midió mediante el uso de un espectrofotómetro UV-vis, y su absorción máxima fue encontrada a 530 nm.

3.2 Interacción de MEA-AuNPs con varios iones metálicos

El rendimiento de unión de MEA-AuNPs con iones de metales en soluciones acuosas se puso a prueba. Para evaluar la selectividad de los AMUMA-AuNPs hacia diversos iones metálicos, los espectros de absorción de los AAM-AuNPs se obtuvieron en presencia de varios iones metálicos: Ag+, Al3+, Ca2+, Cd2+, Co2+, Cr3+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Hg2+, K+, Mg2+, Mn2+, Na+, Ni2+, Pb2+ y Zn2+. Fig.2 muestra el efecto de los iones metálicos en la aparición de MEA-AuNPs en solución. Ag+ fue el único de iones que resultó en un cambio de pico de

absorción de 530 nm a 650 nm. Este desplazamiento hacia el rojo también se pudo observar a ojo desnudo como un cambio de color de rojo a azul. Otros iones metálicos no influyen en los espectros de absorción, lo que indica que no se produjo ninguna agregación. Los grupos de adenina en la función MEA-AuNPs como ligandos de unión de iones metálicos. Desde Ag+ fue atado entre las adeninas, la MEA-AuNPs agregados (Fig. 3).

La reacción de MEA-AuNPs con Ag+ fue rápido; adición de Ag+ (aq) a la solución de MEA-AuNPs provocó un cambio inmediato en la absorbancia (véase la Fig. S5 en la información de apoyo). Para obtener una comprensión más clara de la interacción entre Ag + y MEA-AuNPs, se empleó espectroscopia de 1H RMN (ver Fig. S6 en la información de apoyo). Los espectros de 1H RMN de 9- (2-hidroxietil) -6-amino-9H-purina grabado con cantidades crecientes de Ag+ mostrar que la señal de protón amina (Hc) en I = 7.20 ppm se desplazó campo abajo como se añadió Ag+. Las señales de protones (Ha, Hb) en la I = 8.15, 8.05 ppm también se desplazaron a campo bajo. Estas observaciones indican que Ag+

interactúa con adenina principalmente a través de una amina y un átomo de nitrógeno en adenina. Ag+ -Accionados agregación de MEA-AuNPs se produjo principalmente a través de la unión de dos pasos. El primer paso implica MEA unión a un ion Ag+ a través de átomos de nitrógeno en adenina. En segundo lugar, las uniones formadas entre Ag+ y los átomos de nitrógeno en otra molécula de MEA tapado AuNPs adyacentes, dando lugar a la agregación. Fig. 3c muestra la imagen de TEM de Ag+ agregación inducida de MEA-AuNPs. Efectivamente, Ag+ funcionó como un puente entre las partículas y provocó la agregación de MEA-AuNPs.

El grado de agregación de MEA-AuNPs dependía de la concentración de iones Ag+; Fig. 4 muestra el cambio en la absorción de SPR con la adición de diferentes concentraciones de Ag+. La absorbancia a 530 nm disminuyó con el aumento de la concentración de Ag+. Una nueva banda a 650 nm formado durante Ag+ titulación como resultado de la agregación inducida de AuNPs. Una relación lineal se encontró cuando la concentración de iones Ag+

fue de entre 0 y 4µM. Se encontró que el límite de detección para Ag+ ser 3.3 nM (ver Fig. S7 en la información de apoyo), que es inferior a los de los ensayos ópticos se informó anteriormente, como se muestra en la Tabla 1. El Agregado MEA-AuNPs se puede volver a dispersar mediante la eliminación de iones Ag+ con EDTA; esto fue confirmado por el consiguiente cambio de la absorción de SPR de 650 nm a 530 nm (Fig. 5). Después la solución se eliminó mediante el uso de una centrífuga y después de que fue suspendido con un medio acuoso, los dispersos MEA-AuNPs podría ser reutilizado para detectar Ag+ (ver Fig. S8 en la información de apoyo). A través de esta técnica, el sistema MEA-AUNP se puede usar repetidamente para la detección de Ag +.

3.3. Los estudios de interferencias

Con el fin de estudiar la influencia de otros iones metálicos en Ag+ se unen a MEA-AuNPs, los experimentos competitivos se llevaron a cabo en presencia de Ag+ (4µM) y otros iones metálicos Al3+, Ca2+, Cd2+, Co2+, Cr3+, Cu2+, Fe2+ , Fe3+, Hg2+, K+, Mg2+, Mn2+, Na+, Ni2+, Pb2+

y Zn2+ (Fig. 6). El cambio de absorción SPR causada por la mezcla de Ag+ con otro ion metálico era similar a la causada únicamente por Ag+. Esto indica que otros iones metálicos

no interfieren en la unión de MEA-AuNPs con Ag+. Este hallazgo es consistente con estudios anteriores, lo que sugiere que Ag+ es el único ion metálico que puede inducir la agregación de MEA-AuNPs.

  3.4. La influencia del pH en la Ag+ agregación inducida de MEA-AuNPs

Para investigar el intervalo de pH en el que MEA-AuNPs puede detectar efectivamente Ag+, valoración del pH de MEA-AuNPs se llevó a cabo. En la fig. 7, la relación de absorbancia (A650 / A530) de MEA-AuNPs era baja y constante en el intervalo de pH 6-12. Esto indica que los AMUMA-AuNPs se mantuvieron estables en el rango de pH 6-12. Cuando el pH fue menor que 6, la relación de absorbancia (A650 / A530) de MEA-AuNPs aumentó significativamente. En condiciones ácidas (pH <6), la protonación de la adenina como resultado la agregación de AuNPs. La influencia del pH sobre la agregación inducida Ag+ de MEA-AuNPs se muestra en la figura. 7; adición de Ag+ resultó en una alta relación de absorbancia (A650 / A530) a pH 4-9. A pH> 9,

La relación de absorbancia (A650 / A530) se redujo debido a la formación de Ag2O coloidal. Por lo tanto, el rango de pH óptimo para la detección de Ag+ por MEA-AuNPs está en el intervalo de pH de 6-9. 3.5. Aplicación de MEA-AuNPs para el análisis de muestras de agua del lago Para confirmar la aplicación práctica de MEA-AuNPs, muestra de agua del lago situado en NCTU, Hsinchu, Taiwán, se recogió y se trataron con diferentes cantidades de Ag+ solución estándar. Una curva de calibración de la relación de absorbancia MEA-AUNP (A650 / A530) en presencia de diferentes concentraciones de Ag+ se preparó (Fig. S6 en la información de apoyo). Los resultados analíticos se muestran en la Tabla 2 Los valores de recuperación variaron desde 95.5% a 103.5% con la desviación estándar relativa (RSD) inferior a 3.2%. Los resultados

Obtenido con MEA-AuNPs están en buen acuerdo con los obtenidos por ICP MS. Estos resultados demuestran que la sonda diseñada es aplicable a la detección de Ag+ en las muestras de agua del lago.

4. Conclusión

En resumen, las nuevas MEA-AuNPs se han desarrollado para la detección colorimétrica de iones Ag+. Los AuNPs funcionalizadas para la detección colorimétrica de Ag+ exhiben alta selectividad en la presencia de otros iones metálicos interferentes. Este ensayo de color ofrece un método rápido para el seguimiento de Ag+ a un bajo costo y permite la detección de concentraciones tan bajas como 3.3 nM. El rango de pH óptimo para la detección de Ag +

utilizando MEA-AuNPs se determinó que era de 6-9. El ensayo del color se aplicó también en el análisis de Ag+ en el agua del lago, con una recuperación que van desde 95.5% a 103.5%.