Вторичный магнитный-кремнеземистый гибридный зонд для детекции Fe³⁺ и визуализации живых клеток

Аннотация

Мы спроектировали многофункциональную наноструктуру BHN-Fe₃O₄@SiO₂, селективно гашащую флуоресценцию при связывании Fe³⁺. Зонд магнитно-восстанавливаем и полностью реверсибелен с EDTA, позволяя многократное использование. Линейный отклик 0–20 мкМ с пределом детекции 1,25×10⁻⁸ М. Важно, наноструктура визуализирует Fe³⁺ в живых клетках HeLa, подтверждая биосовместимость и потенциал для биоимиджинга.

Введение

Железо (Fe³⁺) необходимо для множества клеточных процессов — работы мозга, генной транскрипции, иммунной защиты и размножения. Дисбаланс Fe³⁺ связан с метаболическими расстройствами и нейродегенеративными заболеваниями. Конвенциональные методы детекции включают атомную абсорбцию и хроматографию, но флуоресцентный сенсинг выделяется простотой, чувствительностью и низкими пределами детекции.

Типичные органические флуорофоры страдают от токсичности, ограниченной перерабатываемости и плохой повторной пригодности. Внедрение неорганических носителей — особенно магнитных Fe₃O₄@SiO₂ наночастиц — решает эти недостатки. Ядра Fe₃O₄ дают суперпарамагнетизм для легкого магнитного разделения, а оболочки SiO₂ обеспечивают низкую токсичность, высокую биосовместимость и обширную площадь для функционализации.

Методы

Синтез Fe₃O₄@SiO₂ наночастиц

Ядра Fe₃O₄ (10–15 нм) покрывали тонкой аморфной оболочкой SiO₂ (средний диаметр 50–60 нм) модифицированным стеберовским процессом с TEOS в этанол/водяной смеси. Полученные ядро-оболочечные частицы служили каркасом для флуоресцентного зонда.

Синтез BHN-Fe₃O₄@SiO₂

Производное 1,8-нафталимида BHN сначала синтезировали (см. литературу), затем реагировали с 3-изоцианатпропил-триэтоксисиланами (IPTES) для получения BHN-IPTES. Силан-функционализированный зонд графтилировали на поверхность SiO₂ гидролизно-конденсационной реакцией в безводном толуоле при 110 °C под N₂. Излишки BHN-IPTES удаляли центрифугированием и промывками этанолом, получая итоговую наноструктуру BHN-Fe₃O₄@SiO₂.

Характеризация

Проходная электронная микроскопия подтвердила четкую ядро-оболочечную архитектуру. XRD показал характерные пики магнетита, а широкая аморфная полоса SiO₂ появилась между 20° и 30°. ФТИР-спектры выявили Si–O–Si вибрации и ароматические/алкильные C–H растяжения BHN, подтверждая успешную графтировку. Термогравиметрия оценила нагрузку BHN 3,34×10⁻⁵ М на грамм зонда. Вибрирующая образецовая магнитометрия продемонстрировала суперпарамагнитное поведение (насыщенная намагниченность ≈4,0 эму/г) и пренебрежимую коэрцитивность, обеспечивая быстрое магнитное восстановление.

Флуоресцентный отклик

В буфере 1:1 CH₃CN/H₂O (pH 7,36) при 0,2 г/л зонд давал интенсивное излучение 518 нм при возбуждении 415 нм. Добавление Fe³⁺ (5×10⁻⁵ М) вызывало мгновенное гашение флуоресценции за 2 мин, тогда как другие тестированные металлические ионы (Ag⁺, Al³⁺, Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, K⁺, Li⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺, Zn²⁺) давали незначительные изменения.

Флуоресцентная титрация показала стехиометрию связывания 1:1 с Fe³⁺ (диаграмма Джоба). Константа ассоциации log β = 8,23. Линейный диапазон (0–20 мкМ) дал предел детекции 1,25×10⁻⁸ М (S/N=3). UV-vis абсорбция увеличивалась на 250 и 350 нм при добавлении Fe³⁺, указывая на комплексообразование.

Реверсибельность и повторное использование

Обработка Fe³⁺-связанного зонда 2,5×10⁻⁵ М EDTA восстанавливала флуоресценцию до базового уровня, подтверждая реверсибельную «вкл/выкл» систему. Пять последовательных циклов Fe³⁺–EDTA вызывали <5 % потерю отклика, демонстрируя отличную повторную пригодность. Магнитное разделение достигали за 10 мин, помещая магнит рядом с дисперсией, после чего зонд повторно диспергировали легким взбалтыванием.

pH-зависимость

Гашение флуоресценции оставалось надежным в pH 5,8–10,5, с оптимальной чувствительностью около нейтрального pH. В кислой среде протонирование азотого нафталимида снижает координацию Fe³⁺, ослабляя гашение.

Биоимиджинг в клетках HeLa

MTT-тест подтвердил низкую цитоксичность зонда до концентраций 0,2 г/л. Конфокальная микроскопия клеток HeLa, инкубированных с зондом (0,2 г/л) 30 мин, показала яркую зеленую флуоресценцию. Последующее добавление 5×10⁻⁵ М Fe(ClO₄)₃ на 30 мин привело к выраженному снижению флуоресценции, подтверждая способность зонда мониторить внутриклеточную динамику Fe³⁺.

Заключение

Мы разработали безопасный магнитно-кремнеземистый гибридный зонд, селективно и чувствительно детектирующий Fe³⁺, с реверсибельной модуляцией флуоресценции и магнитным восстановлением для повторного использования. Низкий предел детекции и совместимость с визуализацией живых клеток делают его перспективным инструментом для биомедицинских исследований и потенциальной клинической диагностики.

Аббревиатуры

• BHN – N-бутил-4-бис(2-гидроксиэтил)амино-1,8-нафталимид
• EDTA – этилендиаминтетрауксусная кислота
• FT-IR – Фурье-спектроскопия в ИК
• IPTES – 3-изоцианатпропил-триэтоксисилан
• TEM – проходная электронная микроскопия
• TEOS – тетраэтил ортосиликат
• TGA – термогравиметрический анализ
• THF – тетрагидрофуран
• XRD – рентгеновская порошковая дифракция