دانلود رایگان مقاله نانو ذرات طلا مبتنی بر شناسایی رنگ یون جیوه از طریق هماهنگی در علم شیمی

چکیده

         شناسایی ساده، سریع، و راحت رنگ Hg2 + در رسانه های آبی میتنی بر قابلیت اتصال گزینشی از تغییر شیمیایی تیمین (NT) به سمت Hg2 + ارائه شده است. NT محلول AuNPs را که در رنگ قرمز ثابت مانده را تزیین نموده، این در حالی است که حضور Hg2 + باعث تجمع قابل توجهی از AuNPs با تغییرات رنگ قرمز به آبی می شود. بنابراین، محتوای Hg2 + در نمونه های واقعیِ آب را می توان از لحاظ کیفی و با چشم غیر مسلح مشاهده کرد، در همین حال، رابطه مناسب خطی از Hg2 + همراه با نانومتر A650 و 520 نانومتر وجود دارد که می تواند برای تعیین کمی ایجاد شود. علاوه بر این، سیستم ما گزینش برجسته ای را برای یونهای جیوه در مقابل هر یون فلزی دیگری که آزمایش شده نشان می دهد و آنیونها و حساسیت آن را با LOD از 0.8 نانومتر در نمونه های واقعی آب را برآورد می سازد.

1. معرفی

          جیوه یکی از سودمند ترین عناصر فلزی در نگارگری ها، معدن، آفت کش ها، کارخانه مهمات و غیره محسوب می گردد، که در عین حال به آلودگی گسترده جیوه منجر شود. افزایش نگرانی ها در مورد قرار گرفتن در معرض خطر جیوه و اثرات مضر آن بر بهداشت عمومی و ایمنی محیط زیست در حال توسعه یافتن است که این عمل سریع، خاص، کم هزینه، و کارآمد و همچنین همراه با تاکتیک های تشخیص یون جیوه است. در مقایسه با روش های مبتنی بر ابزار پیچیده، نانوذرات طلا (AuNPs) مبتنی بر آزمایش رنگ سنجی ای است که افزایش قابل توجهی را در جذب مواد، رزونانس پلاسمون سطحی موزون (SPRs) را بهمراه دارد، که آن را یکی از استراتژی های مناسب برای کاربردهای عملی می پندارد. بنابراین، با تحریکات خارجی قابل تعدیل، آزمایش مبتنی بر AuNPs-در این پژوهش از پروتئین، آنزیم، DNA، مولکولهای زیستی و یونها استفاده می کند، و نشان دهندهء حساسیت بسیار عالی، دقت بالا، و تغییرات سریع رنگ را بهمراه دارد. اخیرأ، dsDNA  (با تیمین-تیمین نابرابر) و ssDNA  (با مقدار زیادی از تیمین) طراحی شده است و سنتز برای شناسایی رنگ سنجی از Hg2 + را بر اساس توانایی های خاص اتصال تیمین به Hg2 + ، در نظر گرفته است. سپس، برای جلوگیری از سنتز DNA و کنترل دقیق آن (مانند دمای ذوب dsDNA)، مولکول های کاربردی براساس هماهنگی در علم شیمی و واکنش ردوکس خفیف ارائه شده است. با این وجود، برخی از سیستم ها، مانند برخی از سیستم های اسید AuNPs ، از دخالت یونهای فلزی دیگر (مانند PB2 + و CD2 +)بهره می برند. بنابراین، چالش اصلی توسعه یک سیستم گزینشی، حساس، و پایدار است که می توانند از این عواقب اجتناب کنند.

           در این زمینه، با انگیزه های بالا، تلاش زیادی در ارائه سیستم سریع، حساس و پایدار AuNPs برای Hg2 + شده است. تیمین به یکی از بهترین لیگاندها برای انتخاب گزینشی Hg2+  تبدیل شده، هر چند حلالیت ضعیف آن در رسانه های آبی خنثی می تواند تاثیر گذارد. در این کار، بدین وسیله گروه آب دوست به عملکرد بهتر تیمین برای شناسایی Hg2+ در نمونه های آبی معرفی می گردد. بعنوان یک مفهوم اثباتی، ما تیمین اشتقاق یافته را با نمک آمونیوم چهارتایی ترکیب نمودیم، که نه تنها به افزایش حلالیت آب، بلکه به عنوان یک اثر الکترواستاتیک عمل می کند (N_T، همانطور که در طرح 1 نشان داده شده است). طرح 1 نشان می دهد که اصل کار از سیستم رنگ سنجی است.

2. تجربی/ آزمایشی

2.1. مواد شیمیایی

         ترکیب شیمیاییِ کلرید طلا دارای سه ملکول اب (99.9 +٪) است که از سیگما آلدریچ خریداری شده است. محلول آنیونها و یونهای فلزی از نمک طعام، MgCl2 · 6H2O، CoCl2 · 6H2O، ZnCl2، CdCl2، CaCl2، BaCl2، 2H2O CuCl2 ·، PbCl2، NiCl2، CrCl3، MnSO4، KBr در، AgNO3، HgCl2، FeCl3 · 6H2O ، NaSCN، Na2SO4، NaClO4 · H2O، KI، NaOAc، KBr در محلول KCl، Na2P2O7، K2HPO4 · 3H2O، Na3PO4، NaNO3، NaNO2 و Na2CO3، به طور جداگانه در هر یون فلزی در آب مقطر تشکیل شده است. تمام مواد شیمیایی در شناساگرها و شناساگرهای شیمیایی عرضه شده اند.

2.2. ابزار

          طیف H NMR در یک طیف سنج واریان INOVA-400 با تغییرات شیمیایی (گاما) ثبت شده است همانگونه که (در ppm بعنوان CDCl3، TMS به عنوان استاندارد داخلی) گزارش شده است. اطلاعات طیف سنج جرمی با طیف سنج جرمی HP1100LC / MSD و LC / Q-TOF MS به دست آمد. AuNPs توسط میکروسکوپ الکترونی (TEM، T20) در 200 کیلو ولت مشخص می شود. طیف جذبی در 35 UV / VIS از دستگاه اسپکتروفتومتر (دستگاه Perkin المر) اندازه گیری شده است. تمام اندازه گیریها (pH) با مدل PHS-3C متر ایجاد شده است. 

2.3. روش های مصنوعی

          سنتز N_T به دنبال مسیر کلی است، همانطور که در شکل S1 نشان داده شده است. سنتز 1: پتاسیم کربنات (3.03 گرم، 3.00 میلی مول) به تعلیق تیمین (0.93 گرم، 1.00 میلی مول) در خشک DMF (20 میلی لیتر) اضافه شد، و در 40 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت حرارت داده شد. پس از ترکیب و آمیزش به دمای سرد اتاق رسید ،و سرانجام مخلوط اضافه شده به دست آمد و در 40 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت حرارت داده شد که در نتیجه تبخیر شد. نفت خام با 150 میلی لیترCH2Cl2  تولید و تحت درمان قرار گرفت. محلول صاف شده توسط ژل سیلیکا کروماتوگرافی (EtOAc / هگزان) خالص شد.

         سنتز N_T: 156 میلی گرم و 0.57 میلی مول و بخشهایی از DMF خشک به درون بطری آزمایشگاه اضافه شد. حمام یخ پس از آن حذف، و محلول در 80 ◦C به مدت 2 ساعت به هم زده شد که در نتیجه تبخیر شد. نفت خام با کروماتوگرافی آلومینا (CH2Cl2 / CH3OH) خالص شد و با 85 میلی گرم NT، و دیگر عناصر یافت شد. 

Abstract

          A simple, fast, and convenient colorimetric detection of Hg2+ in aqueous media was presented based on the selective binding capability of thymine derivative (N-T) toward Hg2+. N-T decorated AuNPs solution was stable in red color, while the presence of Hg2+ induces significant aggregation of AuNPs along with red-to-blue color changes. Therefore, Hg2+ content in real water samples can be qualitatively detected by our naked eyes; meanwhile, good linear relationship of Hg2+ along with A650 nm/520 nm values could be obtained for its quantitative determination. Furthermore, our system shows excellent selectivity to mercury ions against any other tested metal ions and anions, and good sensitivity with LOD of 0.8 nM in real water samples.

1. Introduction

         Mercury is one of the most useful metal elements in paints, mining, pesticides, ammunition factory and so on [1,2], which meanwhile lead to the widespread mercuric contaminations [3]. Increasing concerns over mercury exposure and its deleterious effects on public health and environment safety promote developing fast, specific, low-cost, and efficient tools as well as tactics for mercury ion detection [4]. Compared with complicated instrument-based methods, gold nanoparticles (AuNPs)-based colorimetric assay [5–8] has drawn increasing attention due to its greater absorption extinction coefficient, tunable surface plasmon resonances (SPRs) and naked eye-distinguishable readouts, which make it one of the most suitable strategies for practical applications [9,10]. Therefore, by adjustable external stimulations [11–13], AuNPs-based assay is applied in the study of protein [14–16], enzyme [17–19], DNA [20,21], biomolecules [22,23], and ions [24–27], showing excellent sensitivity, accuracy, and fast colorimetric changes [28,29]. Recently, dsDNA [30–33] (with thymine–thymine mismatch) and ssDNA [34,35] (with plenty of thymine) have been designed and synthesized for colorimetric detection of Hg2+ based on the specific binding capability of thymine to Hg2+ [36,37]. Then, to avoid the synthesis of DNA and accurate control in following detection (such as the melting temperature of dsDNA), functional molecules have been presented based on the coordination chemistry and mild redox reaction [38–51]. Nevertheless, some systems, such as some acid-AuNPs systems, suffer from interference of other metal ions (such as Pb2+ and Cd2+), wherein mask agents have to be introduced, while for redoxbased system, Ag+ is clearly one of the biggest threats. Therefore, the main challenge is to develop a selective, sensitive, and stable system that can avoid these consequences.

          In this context, with the above motivations, intense endeavor has been dedicated to presenting a fast, sensitive, and stable AuNPs system for Hg2+ sensing especially with good selectivity and antiinterference capability. Thymine has been proved to be one of the best ligands for selectively catching Hg2+ [52–54], though poor solubility in neutral aqueous media could affect its sensing capability. In this work, we thereby introduce a hydrophilic group to endow thymine better performance for Hg2+ detection in aqueous samples. As a proof-of-concept, we synthesized and applied a thymine derivative modified with quaternary ammonium salt (N-T, as shown in Scheme 1), which was introduced not only to increase the water solubility but also to act as an anchor by electrostatic effect when functionalized on gold surface. The NT was synthesized according to the published literatures [55,56]. Scheme 1 illustrates the working principle of our colorimetric system. The N-T decorated AuNPs (13 nm) solution displays red color with absorption peak at about 520 nm, while the presence of Hg2+ induces fast aggregation of AuNPs along with significant red-to-blue color change. Thanks to respective functions of thymine and quaternary ammonium, this system realizes fast, sensitive, and selective detection of Hg2+ in aqueous media without masking agent. And the limit of detection (LOD) reached as low as 0.8 nM in real water systems, which endows our system’s capability of distinguishing safe water from Hg2+ polluted samples.

2. Experimental

2.1. Chemicals

          Gold(III) chloride trihydrate (99.9+%) was purchased from Sigma–Aldrich. The solutions of anions and metal ions were prepared from NaCl, MgCl2·6H2O, CoCl2·6H2O, ZnCl2, CdCl2, CaCl2, BaCl2, CuCl2·2H2O, PbCl2, NiCl2, CrCl3, MnSO4, KBr, AgNO3, HgCl2, FeCl3·6H2O, NaSCN, Na2SO4, NaClO4·H2O, KI, NaOAc, KBr, KCl, Na2P2O7, K2HPO4·3H2O, Na3PO4, NaNO3, NaNO2, and Na2CO3, by separately dissolving each metal ion in distilled water. All other chemicals were supplied by Aladdin Reagent Company and Energy Chemical Reagent Company, and were used as received.

2.2. Instruments

          1H NMR spectra were recorded on a VARIAN INOVA-400 spectrometer with chemical shifts (ı) reported as ppm (in CDCl3, TMS as the internal standard). Mass spectrometry data were obtained with an HP1100LC/MSD mass spectrometer and an LC/Q-TOF MS spectrometer. AuNPs were characterized by transmission electron microscopy (TEM, T20) at 200 kV. Absorption spectra were measured on a Lambda 35 UV/Vis spectrophotometer (Perkin Elmer). All pH measurements were made with a Model PHS-3C meter. The zeta potentials of AuNPs before and after modification by N-T were measured by ZETASIZER nano series Nano-ZS90.

2.3. Synthetic procedures

         The synthesis of N-T followed the general route as shown in Fig. S1. Synthesis of 1: Potassium carbonate (3.03 g, 3.00 mmol) was added into a suspension of thymine (0.93 g, 1.00 mmol) in dry DMF (20 mL), and the mixture was heated at 40 ◦C for 1 h. After the mixture was cooled to room temperature, 1,6-dibromohexane (5.41 g, 3.00 mmol) was added, and the resulting mixture was heated at 40 ◦C for 3 h whereupon it was evaporated. The crude was treated with CH2Cl2 (150 mL) and filtered. The filtrate was purified by silica gel column chromatography (EtOAc/hexane) to afford 1 (704 mg, 33.4%). 1H NMR (400 MHz, CDCl3), ı: 8.93 (s, 1H), 6.98 (s, 1H), 3.70 (t, J = 8 Hz, 2H), 3.41 (t, J = 8 Hz, 2H), 1.98 (t, 3H), 1.87 (m, 2H), 1.70 (m, 2H), 1.50 (m, 2H), 1.36 (m, 2H); MS: (C11H17BrN2O2 [M+H]+) m/z 289.11.

         Synthesis of N-T: 1 (156 mg, 0.57 mmol) and a spot of KI in dry DMF (5 mL) were added into a flask (50 ml) in ice-bar. The triethylamine (818 mg, 8.1 mmol) was then added. The ice bath was then removed, and the solution was stirred at 80 ◦C for 2 h whereupon it was evaporated. The crude was purified by neutral alumina column chromatography (CH2Cl2/CH3OH) to afford N-T (85 mg, 50.3%). 1H NMR (400 MHz, CDCl3), ı: 8.63 (s, 1H), 7.36 (s, 1H), 3.76 (t, J = 8 Hz, 2H), 3.48 (q, J = 8 Hz, 6H), 3.39 (t, J = 8 Hz, 2H), 1.95 (s, 3H), 1.78 (m, 4H), 1.50 (m, 4H), 1.40 (t, J = 8 Hz, 9H); TOF MS: m/z calcd for C17H32N3O2 + [M]+: 310.2489, found: 310.2496.

چکیده

1. معرفی

2. تجربی/ آزمایشی

2.1. مواد شیمیایی

2.2. ابزار

2.3. روش های مصنوعی

2.4. ساخت N-T / سیستم AuNPs

2.5. درمان قبلی از نمونه های واقعی آب 

3. نتایج و مباحثات

3.1. شناسایی Hg2+  توسط N_T / AuNPs و گزینش.

3.2. شرایط بهینهء آزمایش

3.3. حساسیت و تجزیه و تحلیل +Hg2  در نمونه های واقعی

4. نتیجه گیری

منابع

ABSTRACT

1. Introduction

2. Experimental

2.1. Chemicals

2.2. Instruments

2.3. Synthetic procedures

2.4. Fabrication of N-T/AuNPs system

2.5. Pretreatment of real water samples

3. Results and discussion

3.1. Hg2+ detection by N-T/AuNPs and selectivity

3.2. Optimal condition of the assay

3.3. Sensitivity and analysis of Hg2+ in real samples

4. Conclusion

References