Флуоресцентные нано-биомассовые точки из сои ультразвуковой экстракцией для чувствительного детектирования Fe³⁺

Аннотация

Биомасса сои, возобновляемое сырье, превращена в люминесцентные нано-биомассовые точки (NBDs) через стратегию ультразвуковой экстракции без нагревания. Полученные аморфные частицы имеют средний диаметр 2,4 нм и излучают яркую синюю флуоресценцию с квантовым выходом 16,7%. Цитотоксические тесты демонстрируют полную биосовместимость до 800 мкг/мл. Важно, что флуоресценция NBD высокочувствительна к Fe³⁺, позволяя детектирование с пределом 2,9 мкМ — значительно ниже порога EPA США для питьевой воды. Эта зеленая платформа предлагает масштабируемый, низкотоксичный зонд для экологических и биомедицинских применений.

Введение

Люминесцентные наноматериалы революционизировали области от светодиодов до биообразования и сенсирования ионов металлов [1–6]. Конвенциональные квантовые точки (QDs) дают выдающиеся оптические свойства, но страдают от врожденной токсичности [13, 14]. Следовательно, сильный импульс к выявлению более зеленых, устойчивых люминесцентных платформ.

Биомасса — органический материал, генерируемый фотосинтезом — предлагает возобновляемый источник для синтеза наноматериалов. Пищевая биомасса, богатая сахарами и белками, может быть преобразована в наноточки с минимальным воздействием на окружающую среду, обеспечивая высокую биосовместимость для биологических и экологических использований [15, 16]. До сих пор большинство биомассопроизводных флуоресцентных наноточек требовали высокотемпературного углеобразования, ограничивая масштабируемость и сохранение нативной структуры сырья [22].

Флуоресцентные нано-биомассовые точки (NBDs) еще не сообщались как зеленый эффективный зонд для детектирования Fe³⁺. Fe³⁺ играет жизненную роль в синтезе гемоглобина, но избыточные уровни ведут к оксидативному повреждению и отказу органов, подчеркивая потребность в чувствительных, экологически дружественных сенсорах [24].

Здесь демонстрируем первые ультразвуково-экстрагированные соевые NBDs с яркой синей эмиссией, квантовым выходом 16,7% и отличной биосовместимостью. Их флуоресценция селективно гасится Fe³⁺, обеспечивая предел детекции 2,9 мкМ.

Методы

Материалы

Аналитические реагенты использовали без дополнительной очистки. Сою закупали в местном супермаркете, мыли, хранили при комнатной температуре. Хлориды кальция, марганца, меди, кобальта, нитраты свинца, хрома, хлориды железа (III и II), кадмия, ртути, натрия, цинка покупали у Aladdin Ltd. (Шанхай) и Sinopharm Chemical Reagent Co. (Шанхай).

Синтез NBDs

100 семян сои промывали этанол-водной смесью для удаления поверхностных примесей. Затем погружали в 50 мл дистиллированной воды и подвергали ультразвуковой агитации 2 ч. Цвет раствора менялся с прозрачного на темно-желтый, указывая на нанофрагментацию. После двух 3-минутных центрифугаций при 7000 об/мин supernatент фильтровали через 0,22 мкм мембрану для удаления агрегатов. Фильтрат замораживали при –5 °C 6 ч, лиофилизировали при –50 °C 12 ч, полученный порошок передиспергировали в воде для получения финальных NBDs.

Характеризация

XRD на дифрактометре X′ Pert Pro с Cu-Kα источником. TEM и HAADF-STEM на микроскопе JEM‑2010. Флуоресценция и УФ-виз абсорбция на F‑7000 и UH4150 спектрофотометрах. FTIR на Thermo Scientific Nicolet iS10. XPS на Thermo Fisher ESCALAB 250Xi с Al-Kα источником.

Измерение квантового выхода флуоресценции

Квантовый выход (QY) измеряли F‑9000 спектрофлуориметром с интегрирующей сферой. Водный раствор NBD (абсорбция <0,1) возбуждали при 370 нм, эмиссию записывали 430–450 нм. Референсные спектры чистой воды при идентичных условиях, QY рассчитывали интегрированным флуоресцентным софтом.

Тест цитотоксичности

MTT анализ оценял цитотоксичность NBDs. HeLa клетки посеяли в 96-колодчатых пластинках, инкубировали 72 ч в RPMI‑1640 с 10% фетового сывороточного сыворотки, экспонировали варьирующим концентрациям NBDs. Жизнеспособность оценивали абсорбцией при 570 нм.

Детектирование Fe³⁺

1 мл раствора NBDs (3 г/л) смешивали с 1 мл Fe³⁺ раствора различной концентрации. После 1-минутной инкубации при комнатной температуре записывали флуоресцентные спектры при возбуждении 370 нм.

Результаты и обсуждение

Морфология и химический состав

Процесс ультразвуковой экстракции (Схема 1) дает почти сферические NBDs диаметром 1–3 нм (среднее 2,4 нм). TEM (Рис. 1а,б) подтверждает аморфную природу — нет решетчатых фрингов. HAADF-STEM и элементная картография (Рис. 1d–g) показывают состав, доминирующий C, N, O. Твердотельном ¹³C NMR (Рис. 1h) сигналы при 164 и 170 ppm указывают на C=O связи и sp² углерод.

XRD (Рис. 2а) показывает широкий пик ~21,5° и плечо ~41,0°, характерные для аморфного углерода. FTIR (Рис. 2б) показывает O–H/N–H растяжение (~3380 см⁻¹), C–H растяжение (~2906 см⁻¹), C=O растяжение (~1650 см⁻¹). Особенно, ~1750 см⁻¹ полоса, атрибутируемая липидам сои, исчезает после ультразвуковой экстракции, указывая на удаление нерастворимых липидов. XPS (Рис. 2c–f) подтверждает состав 64,33% C, 32,34% O, 2,72% N с функциональными группами: C=O, C–O/C=N, C–C/C=C, пиридиновый N, пирролиновый N, C–OH/C–O–C, C=O. Эти поверхностные группы обеспечивают гидрофильность и стабильность в водных средах.

Механизм формирования включает ультразвуковое разрушение соевых частиц в нанометрические фрагменты, гидролиз белков в пептиды и аминокислоты, и поверхностную функционализацию нано-точек обильными –OH, –C=O, –NH группами, которые являются основными участниками флуоресценции.

Оптические свойства

NBDs демонстрируют возбуждение-зависимую флуоресценцию: при изменении длины волны возбуждения 320–520 нм эмиссионный пик краснеет, позволяя спектральную настройку (Рис. 3а). В водном растворе NBDs прозрачны при обычном свете и флуоресцируют синим под УФ (вставка Рис. 3б). PLE спектры (Доп. файл 1: Рис. S3) показывают окно возбуждения 360–420 нм. УФ-виз абсорбция (Рис. 3б) пики при 270 нм (π–π* C–C/C=C) и 330 нм (n–π* C=O/N). Флуоресцентная интенсивность монотонно падает с температурой (Рис. 3с), согласно увеличению нерадиативной рекомбинации. Фотостабильность >90% сохранения после 6 ч УФ экспозиции, стабильность при 20–80 °C (Рис. 3d).

Оценка цитотоксичности

MTT с HeLa (Рис. 4) показывает пренебрежимую цитотоксичность: жизнеспособность >90% даже при 800 мкг/мл NBDs. В контрасте, две химически синтезированные углеродные точки показывают жизнеспособность 70% и 67% при той же концентрации, подчеркивая превосходную биосовместимость биомассопроизводных NBDs.

Сенсорные свойства NBDs к Fe³⁺

Гашение флуоресценции Fe³⁺ выражено (Рис. 5а). Линейная зависимость F₀/F от концентрации Fe³⁺ (0–30 мкМ) дает R² = 0,99 (Рис. 5б). Уравнение Штерна-Фольмера дает K_SV = 0,0072 мкМ⁻¹, предел детекции (LOD) = 2,9 мкМ — ниже лимита EPA США для питьевой воды 5,37 мкМ [24]. Селективность (Рис. 5c) подтверждает пренебрежимый отклик на Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, в то время как Fe³⁺ дает наибольшее гашение. Визуальный осмотр под УФ (Рис. 5d) демонстрирует явное изменение цвета, позволяя глазное детектирование.

Механизм гашения

УФ-виз абсорбция (Доп. файл 1: Рис. S8) не показывает сдвига при добавлении Fe³⁺, указывая на структурную целостность. Измерения времени жизни флуоресценции (Рис. 6а) показывают сокращение времени затухания, предполагая фотоиндуцированный электронный перенос из LUMO NBD в d-орбитали Fe³⁺. Гашение атрибутируют сильной координации Fe³⁺ с поверхностными –OH/–NH/–COOH группами, Fe³⁺ действует как Льюисова кислота, облегчая электронный перенос (Рис. 6б). Это селективное взаимодействие объясняет выраженную чувствительность к Fe³⁺ над другими ионами.

Заключение

Установлен зеленый, безнагревательный ультразвуковой метод производства соевых NBDs с яркой синей эмиссией (16,7% QY) и исключительной биосовместимостью (100% жизнеспособность при 800 мкг/мл). Их флуоресценция селективно гасится Fe³⁺, давая предел детекции 2,9 мкМ, значительно ниже регуляторных порогов. Эти находки позиционируют NBDs как перспективные зонды для биомедицинского изображения и экологического мониторинга.

Аббревиатуры

FTIR

Фурье-преобразование инфракрасной спектроскопии

HAADF‑STEM

Высокоугловая аннулярная темнопольная сканирующая проходная электронная микроскопия

LOD

Предел детекции

NBDs

Нано-биомассовые точки

NMR

Ядерный магнитный резонанс

PL

Фотолюминесценция

QDs

Квантовые точки

QY

Квантовый выход

TEM

Проходная электронная микроскопия

UES

Ультразвуковая стратегия экстракции

USEPA

Агентство по охране окружающей среды США

XPS

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD

Рентгеновская дифракция