Nanopartikel Emas Distabilkan oleh a-siklodekstrin sebagai Sensor Kolorimetri untuk Deteksi Fe3+ dan Cr3+ dalam Air

Abstract

Ion besi (Fe3+) memainkan peran penting dalam transpor elektron, katalisis enzim, metabolisme sel dan sintesis asam nukleat. Anemia, kanker, Parkinson dan penyakit Alzheimer merupakan beberapa penyakit yang disebabkan oleh kelebihan atau kekurangan Fe3+.Oleh karena itu, konsumsi Fe3+ harus dikontrol secara signifikan. Ion kromium (Cr3+) merupakan logam beracun yang berbahaya bagi lingkungan dan dapat menghambat beberapa proses seluler akibat kontaminasi in vitro. Cr3+ memiliki peran penting dalam metabolisme karbohidrat dan lipid esensial. Kelainan genotoksik dan penyakit metabolisme gula seperti katarak, penyakit jantung koroner, penyakit serebrovaskular, penyakit jantung rematik, kebutaan, diabetes mellitus dan uremia dapat disebabkan oleh akumulasi kelebihan Cr3+. Spektroskopi Massa Plasma Berpasangan Induktif (ICP-MS), Spektroskopi Serapan Atom (AAS), voltametri, dan pencitraan fluoresen adalah beberapa metode untuk mendeteksi Fe3+ dan Cr3+. Kompleksitas dalam sintesis, instrumen yang mahal, kompleksitas dalam prosedur pra-perawatan dan kebutuhan akan tenaga profesional yang terampil adalah beberapa kelemahan dari metode ini. Para peneliti menyampaikan pengujian kolorimetri, yang sangat inovatif dalam hal deteksi in situ untuk menghindari kesulitan yang disebutkan di atas. Nanopartikel emas (AuNPs) sering digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti katalisis, optik, elektronik, bioteknologi, dan biosensor. AuNPs memiliki sifat optik unik yang bergantung pada resonansi plasmon permukaan (SPR). SPR sangat dipengaruhi oleh ukuran dan bentuk nanopartikel. Proses sintesis AuNP yang dapat diatur ukuran dan bentuknya sangatlah penting. Zat pereduksi dan penstabil, rasio konsentrasi, pH, dan suhu sistem reaksi merupakan aspek penting untuk mengontrol ukuran dan bentuk AuNPs. Penelitian ini menggunakan a-siklodekstrin (a-CDs) sebagai reduktor sekaligus penstabil (capping agent) dengan sintesis satu pot. Sebelumnya penggunaan a-CDs hanya digunakan sebagai capping agent, sehingga penggunaan a-CDs sebagai reduktor dan capping agent merupakan hal baru dalam penelitian ini. AuNPs hasil sintesis diaplikasikan sebagai sensor pendeteksi logam di dalam air. Penelitian ini berfokus pada metode akurat dengan sensitivitas dan selektivitas tinggi dalam pengembangan sensor kolorimetri berbasis AuNPs untuk mendeteksi logam dalam air. Pada penelitian ini dilaporkan sintesis dan optimasi AuNPs menggunakan a-CDs untuk pengenalan kolorimetri Fe3+ dan Cr3+. AuNPs dikarakterisasi menggunakan Transmisi Elektron Mikroskop (TEM), Difraksi Sinar-X (XRD), dan Spektroskopi Inframerah Fourier-Transform (FTIR). AuNPs yang baru disintesis diterapkan sebagai sensor kolorimetri selektif untuk Fe3+ dan Cr3+. Sensor ini juga diterapkan untuk mendeteksi Fe3+ dan Cr3+ pada sampel air keran yang diambil di Tangerang Selatan, Banten, Indonesia. Uji kolorimetri cepat untuk deteksi Fe3+ dan Cr3+ menggunakan AuNPs yang distabilkan dengan a-CDs telah dikembangkan. AuNPs yang disintesis menghasilkan warna merah anggur dengan ukuran partikel 8,60 ±1,55 nm dan stabil selama 8 bulan. Deteksi dengan Fe3+ dan Cr3+ mengubah warna larutan AuNPs menjadi ungu kebiruan dan meningkatkan ukuran partikel AuNPs masing-masing menjadi 16,18 ±2,28 nm dan 17,33 ±1,71 nm. Karakterisasi menggunakan FTIR dan XRD menunjukkan bahwa keberadaan Fe3+ akan merusak struktur AuNPs, sedangkan Cr3+ tidak merusak struktur AuNPs. Sensor kolorimetri ini sensitif terhadap Fe3+ dan Cr3+ dengan batas deteksi masing-masing sebesar 265,92 µg/L dan 430,80 µg/L. Kemampuan deteksi AuNPs juga dinilai untuk mendeteksi Fe3+ dan Cr3+ secara individual dalam sampel air keran di Tangerang Selatan, Banten, Indonesia. Hasil dari uji t untuk metode sensor kolorimetri berbasis AuNPs dibandingkan dengan metode AAS untuk mendeteksi Fe3+ dan Cr3+ dalam sampel menunjukkan bahwa kedua metode tidak memberikan hasil yang berbeda secara signifikan karena t-hitung lebih kecil dari t-tabel. Data ini membuktikan bahwa AuNPs dapat diaplikasikan sebagai sensor ion Fe3+ dan Cr3+ pada sampel keran.

Iron ions (Fe3+) play significant roles in electron transport, enzyme catalysis, cell metabolism and nucleic acid synthesis. Anaemia, cancer, Parkinson's and Alzheimer's disease are several diseases caused by the excess or deficiency of Fe3+. Therefore, Fe3+ consumption must be controlled significantly. Chromium ions (Cr3+) are toxic metal species that are harmful to the environment and can inhibit several cellular processes due to in vitro contamination. Cr3+ has a critical role in the metabolism of essential carbohydrates and lipids. Genotoxic disorders and diseases of sugar metabolism, such as cataracts, coronary heart disease, cerebrovascular disease, rheumatic heart disease, blind, diabetes mellitus and uraemia can be caused by the of excess Cr3+. Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy (ICP-MS), Atomic Absorption Spectroscopy (AAS), voltammetry, and fluorescent imaging are some of the methods for detecting Fe3+ and Cr3+. Complexity in synthesis, expensive instruments, complexity in pre-treatment procedures and need for skilled professionals are some of the disadvantages of this method. The researchers delivered a colorimetric assay, which is highly innovative in terms of in situ detection to avoid the above-mentioned difficulties. Gold nanoparticles (AuNPs) are often used in various applications, such as catalysis, optics, electronics, biotechnology, and biosensors. AuNPs have unique optical properties that depend on surface plasmon resonance (SPR). SPR is strongly influenced by the size and shape of the nanoparticles. The process of synthesizing AuNPs that can be regulated in size and shape is critical. The reducing and stabilizing agents, concentration ratio, pH, and temperature of the reaction system are important aspects to control the size and shape of AuNPs. This study used a-cyclodextrin (a-CDs) as a reducing as well as capping agent with one-pot synthesis. Previously, the use of a-CDs was used only as a capping agent, so the use of a-CDs as a reducing and capping agent was a novelty in this study. The synthesized AuNPs were applied as metal detection sensors in water. This research focuses on an accurate method with high sensitivity and selectivity in developing an AuNPs-based colorimetric sensor for detecting metals in water. We are reporting the synthesis of AuNPs using a-CDs for the colorimetric recognition of Fe3+ and Cr3+. AuNPs were characterized using Transmission Electron Microscope (TEM), X-ray Diffraction (XRD), and Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Newly synthesized AuNPs were found to be a selective colorimetric sensor for Fe3+ and Cr3+, even in the presence of several competitive metal ions. This sensor is also applied to detect Fe3+ and Cr3+ in tap water samples taken in South Tangerang, Banten, Indonesia. A rapid colorimetric assay for the dual detection of Fe3+ and Cr3+ using AuNPs capped with a-CDs was developed. The synthesized AuNPs produced a red wine color with a particle size of 8,60 ±1,55 nm and stable for 8 months. Detection with Fe3+ and Cr3+ change the color of AuNPs solution to bluish-purple and increased the particle size of AuNPs to 16,18 ±2,28 nm and 17,33 ±1,71 nm, respectively. Characterization using FTIR and XRD showed that the presence of Fe3+ would damage the structure of AuNPs, while Cr3+ would not. This colorimetric sensor is sensitive toward Fe3+ and Cr3+ with a limit of detection (LoD) of 265,92 µg/L and 430,80 µg/L, respectively. The dual ion sensing ability of AuNPs was also assessed to detect Fe3+ and Cr3+ individually in tap water samples in South Tangerang, Banten, Indonesia. The results of the t-test for the AuNPs-based colorimetric sensor method compared with the AAS method for detecting Fe3+ and Cr3+ in samples show that the two methods do not provide significantly different results because the t-count is smaller than the t-table. These data prove that AuNPs can be applied as Fe3+ and Cr3+ ion sensors in tap water samples.