Een hervatbare fluorescerende sonde BHN-Fe3O4@SiO2 hybride nanostructuur voor Fe3+ en de toepassing ervan in bioimaging

Abstract

Een multifunctionele fluorescerende sonde BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur voor Fe³⁺ werd ontworpen en ontwikkeld. Het heeft een goede selectieve respons op Fe³⁺ met fluorescentiedoving en kan worden gerecycled met behulp van een extern magnetisch veld. Met toevoeging van EDTA (2.5 × 10⁻⁵ M) naar het resulterende product Fe³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ , Fe³⁺ kan uit het complex worden verwijderd en het vermogen om fluorescentie te onderzoeken herstelt zich, wat betekent dat deze fluorescentieprobe van het aan-uit-type kan worden omgekeerd en opnieuw worden gebruikt. Tegelijkertijd is de sonde met succes toegepast voor het kwantitatief detecteren van Fe³⁺ in een lineaire modus met een lage detectielimiet 1.25 × 10⁻⁸ M. Verder is de BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuursonde is succesvol gebruikt om Fe³⁺ . te detecteren in levende HeLa-cellen, wat zijn grote potentieel in detectie van bio-imaging laat zien.

Achtergrond

Het ontwikkelen van nieuwe methoden om allerlei kleine moleculen en ionen te detecteren, is een belangrijke taak geworden voor wetenschappelijke onderzoekers. Als een van de onmisbare belangrijke metaalionen in metabolische processen, Fe³⁺ speelt een essentiële en cruciale rol in een verscheidenheid aan biologische processen zoals hersenfunctie en pathologie, gentranscriptie, immuunfunctie en reproductie bij zoogdieren [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. De medische onderzoeken geven aan dat de metabolische of biologische processen alleen normaal zijn voor het goed functioneren van alle levende cellen wanneer de Fe³⁺ concentratie binnen een geschikt bereik ligt. Wanneer Fe³⁺ concentratie in een levend lichaam afwijkt van het geschikte bereik, sommige ziekten of ernstige aandoeningen kunnen worden geïnduceerd in de metabole of biologische processen [10,11,12]. Hoewel er verschillende detectiemethoden zijn ontwikkeld om Fe³⁺ . te detecteren [13,14,15], fluorescentietechniek is de meest effectieve en krachtige methode vanwege hun operationele eenvoud, hoge gevoeligheid en selectiviteit en lage detectielimiet [16,17,18,19,20].

In deze op moleculen gebaseerde fluorescerende sondes zijn enkele problemen met betrekking tot de veiligheid, de recycleerbaarheid en de herbruikbaarheid niet opgelost. Zoals aangegeven in referentie [21] zijn de gebruikte kleine moleculen bijvoorbeeld giftig. Deze tekortkomingen die in de op moleculen gebaseerde fluorescerende sondes worden vertoond, beperken volledig de sondes die een praktische toepassing binnengaan. Om de uitdaging van veiligheid te overwinnen in de bovenstaande fluorescerende sondes voor Fe³⁺ , wordt een andere technische benadering voorgesteld door gebruik te maken van anorganische dragers die zijn opgenomen met kleine moleculaire fluorescerende sondes. In een dergelijke nieuwe benadering is het bekend dat de anorganische materialen zoals magnetische nanodeeltjes, metalen nanodeeltjes, nanobuisjes en mesoporeuze silica kunnen worden gebruikt bij het ontwerp van de fluorescerende sondes [22,23,24]. Van al deze anorganische materialen, magnetische silica kern-schil Fe₃ O₄ @SiO₂ nanodeeltjes hebben voordelen van hun lage toxiciteit, hoge biocompatibiliteit, eenvoudige scheiding via extern magnetisch veld en groot oppervlak dat kan worden geënt door fluorescerende sondes over andere materialen in het molecuul of ionenherkennings- en scheidingsgebieden [25,26,27]. Daarom biedt deze nieuwe aanpak ons een mogelijke manier om de toepassing voor het detecteren van Fe³⁺ te realiseren. , vooral in de veiligheid met lage toxiciteit en hoge biocompatibiliteit.

In dit werk een soort multifunctionele magnetische BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur fluorescerende sensor voor Fe³⁺ is ontworpen en gesynthetiseerd. Het heeft een goede gevoelige en selectieve respons op Fe³⁺ met opmerkelijk fluorescentiedoving in CH₃ CN/H₂ O (1:1, v /v ) op kamertemperatuur. Door een extern magnetisch veld aan te leggen, kan de sonde van de oplossing worden gescheiden. Bij het toevoegen van EDTA aan het systeem, Fe³⁺ kan uit het complex worden verwijderd met herstel van de fluorescentie-intensiteit. Bovendien toonde de confocale fluorescentiebeeldvorming met HeLa-cellen aan dat de sonde kon worden toegepast om Fe³⁺ te detecteren in levende cellen. Vandaar dat de verkregen BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ vertoont uitstekende selectiviteit, oplosbaarheid in water, omkeerbaarheid en recycleerbaarheid, wat gunstig is voor de detectie van Fe³⁺ .

Methoden/experimenteel

Synthese van Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanodeeltjes

Fe₃ O₄ magnetiet nanodeeltjes werden gesynthetiseerd volgens referentie [28]. Ze werden verder gecoat met een dunne silicalaag door middel van een gemodificeerde Stöber-methode [29] om stabiel Fe₃ te verkrijgen O₄ @SiO₂ . Tetraethylorthosilicaat (TEOS) werd gehydrolyseerd met magnetietnanodeeltjes als zaden in een ethanol/watermengsel. De resulterende Fe₃ O₄ @SiO₂ nanodeeltjes met een gemiddelde diameter van 50-60 nm werden gebruikt als dragers van fluorescerende sensornanodeeltjes.

Synthese van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostructuur

N -butyl-4-bis(2-hydroxyethyl)amino-1,8-naftaalimide (BHN) wordt gesynthetiseerd volgens de eerder beschreven methode [30, 31]. Het eerste tussenproduct werd gesynthetiseerd door de reactie tussen 4-broom-1,8-naftaalzuuranhydride en n -butylamine. Vervolgens reageerde het tussenproduct met diethanolamine om BHN op te leveren. ESI-MS:m/z 357,3 (M + H⁺ ). ¹ H-NMR (CDC1₃ , 400 MHz):δ (ppm):0,95 (t, 3H, J = 8.0 Hz); 1,41 (m, 2H); 1,66 (m, 2H); 2,69 (m, 2H); 3,60 (t, 4H, J = 5.0 Hz); 3,86(t, 4H, J = 5.0 Hz); 4,08 (t, 2H, J = 8.0 Hz); 7,33 (d, 1H, J = 8.0 Hz); 7,58 (t, 1H, J = 8.0 Hz); 8.38(d, 1H, J = 8.0 Hz); 8,41 (dd, 1H, J = 8.0 Hz); 8,84 (dd, 1H, J = 8.0 Hz).

BHN (356 mg, 1 mmol) en 3-isocyanatopropyltriethoxysilaan (IPTES, 494 mg, 2 mmol) werden bij kamertemperatuur gemengd in watervrij THF (15 ml). Vervolgens werd de oplossing 48 uur onder N₂ . gerefluxt . Daarna werd het oplosmiddel verdampt en werd het ruwe product verder gezuiverd door middel van flash-kolomchromatografie (silicagel, petroleumether/CH₂ Cl₂ /methanol 50/50/1) om 255 mg (30%) BHN-IPTES op te leveren als een geel poeder. ESI-MS:m/z 851,5 (M + H⁺ ). ¹ H NMR:(400 MHz, CDCl₃ ):δ (ppm) 0,60 (t, 4H, J = 8.0 Hz); 0,98 (t, 3H, J = 8.0 Hz); 1,21 (m, 18H); 1,45 (m, 2H); 1,58 (m, 4H); 1,70 (m, 2H); 3,13 (m, 4H); 3,73 (t, 2H, J = 5.0 Hz); 3,82 (m, 12H); 4,16 (m, 4H); 4,24 (m, 4H); 4,94 (m, 2H); 7,38 (d, 1H, J = 8.0 Hz); 7,70 (t, 1H, J = 8.0 Hz); 8,45 (d, 1H, J =-8,0 Hz); 8,50 (dd, 1H, J = 8.0 Hz); 8,58 (dd, 1H, J = 8.0 Hz).

Honderd milligram gedroogde Fe₃ O₄ @SiO₂ nanodeeltjes en 300 mg (0,35 mmol) BHN-IPTES werden gesuspendeerd in watervrij tolueen (15 ml). De oplossing werd gedurende 12 uur bij 110 °C onder N₂ . onder terugvloeikoeling gekookt om BHN-Fe₃ . te verkrijgen O₄ @SiO₂ . De nanodeeltjes werden verzameld door centrifugeren (10.000 tpm) en herhaaldelijk grondig gewassen met watervrije ethanol. Door de fluorescentie van de bovenste vloeistof te volgen, konden niet-gereageerde organische moleculen volledig worden verwijderd. Dan, de BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur werd uiteindelijk een nacht onder vacuüm gedroogd.

Resultaten en discussie

Ontwerp van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Fe₃ O₄ @SiO₂ nanodeeltje is een veelbelovende kandidaat om veilig, recyclebaar en herbruikbaar Fe³⁺ te bouwen fluorescerende sensor vanwege zijn lage toxiciteit, hoge biocompatibiliteit en gemakkelijke recyclebaarheid via extern magnetisch veld. Vergeleken met andere fluoroforen heeft 1,8-naftaalimide een grote Stokes-verschuiving, lange emissiegolflengte en gemak om te modificeren met verschillende zijketens en hoge kwantumopbrengst. Dus, met de introductie van de juiste zijketen, kan het worden geënt op de Fe₃ O₄ @SiO₂ nanodeeltjes om een veilige, recyclebare en herbruikbare Fe³⁺ . te verkrijgen fluorescerende sensor met opmerkelijke fluorescentierespons.

Zoals bekend is Fe³⁺ kan gemakkelijk worden gecoördineerd met het O- en N-atoom, dus hebben we 1,8-naftaalimide gemodificeerd met diethanolamine om ervoor te zorgen dat het 1,8-naftaalimide Fe³⁺ kan detecteren zoals weergegeven in Fig. 1a. In de diethanolamine dienden hydroxyethyl- en ester-amidedelen als een receptoreenheid. Ten slotte werd het gemodificeerde 1,8-naftaalimide geënt op de Fe₃ O₄ @SiO₂ via hydrolyse-condensatiereactie tussen Si (OEt)₃ en hydroxyl in het oppervlak van Fe₃ O₄ @SiO₂ zoals weergegeven in Afb. 1b.

een Synthese van BHN. b Synthese van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Structuur van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Van de TEM-afbeelding zoals weergegeven in Fig. 2a, de typische kern / schaalstructuur van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ wordt duidelijk weergegeven. Hoewel de blote magnetische kern gemakkelijk in vloeistof te aggregeren is, zou de silica-schaal op het oppervlak van magnetische nanodeeltjes aggregatie voorkomen en de dispergeerbaarheid verbeteren. De ijzeroxide-nanodeeltjes zijn met succes ingesloten in de silica-schaal en goed gedispergeerd. Het kan ook worden gezien dat de totale diameters van kern / schaalstructuren in een smalle verdeling van 50 tot 60 nm liggen met een ijzeroxidekern van 10 nm, wat lager is dan de superparamagnetische kritische grootte en geschikt voor gebruik als dragernanodeeltje van een fluorescente sonde.

een TEM-afbeelding van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (de schaalbalk is 50 nm.). b XRD-patronen van Fe₃ O₄ /Citraat, Fe₃ O₄ @SiO₂ , en BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ . c FT-IR-spectra van Fe₃ O₄ @SiO₂ en BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ . d TG- en DTA-curven van Fe₃ O₄ @SiO₂ en BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Afbeelding 2b toont de XRD-poederdiffractiepatronen van Fe₃ O₄ , Fe₃ O₄ @SiO₂ , en BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ . De zes karakteristieke diffractiepieken van kale Fe₃ O₄ kan worden geïndexeerd tot 220, 311, 400, 422, 511 en 440 reflecties van het magnetiet. De XRD-pieken toegeschreven aan Fe₃ O₄ lage intensiteiten hebben in Fe₃ O₄ @SiO₂ en BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ , wat inhoudt dat de Fe₃ O₄ nanodeeltjes zijn gecoat met amorfe silica shell. De silica-omhulling kan het relatieve gehalte aan Fe₃ . verlagen O₄ kernen en beïnvloeden vervolgens de piekintensiteiten. Ook wordt het brede XRD-pakket gevonden bij een lage diffractiehoek van 20° tot 30° in Fe₃ O₄ @SiO₂ en BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ , wat overeenkomt met de amorfe toestand SiO₂ schelpen rond de Fe₃ O₄ nanodeeltjes.

Om de modificatieconditie van BHN-IPTES op het oppervlak van de Fe₃ . te bestuderen O₄ @SiO₂ nanodeeltjes, wordt het Fourier-transformatie infrarood (FT-IR) spectrum gemeten. Zoals weergegeven in figuur 2c, vertoonden beide twee curven de typische trillingsband van −OH die zich uitstrekt op silanol bij 3400 tot 3500 cm⁻¹ en 1000 tot 1200 cm⁻¹ [32]. Het geeft aan dat niet alle silanol op Fe₃ O₄ @SiO₂ nanodeeltjes zijn covalent gemodificeerd. De band op 1630 cm⁻¹ vertegenwoordigt de buigmodus van −OH-trillingen [33]. De bands gecentreerd op 1109 (νas ) en 800 cm⁻¹ kan worden toegeschreven aan het siloxaan (-Si-O-Si-) [34]. De bovenstaande pieken duiden op het bestaan van een silica-omhulsel. De extra pieken bij 2965 en 2934 cm⁻¹ werden gevonden in BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ , overeenkomend met de −CH-trilling van alifatische en aromatische groepen [32, 35]. De band op 1697, 1590 en 1516 cm⁻¹ van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ komt van de buigtrillingen van −CH₃ uit het BHN-deel [36]. Deze resultaten demonstreren de aanwezigheid van het organische molecuul in het magnetische materiaal BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ .

De superparamagnetische eigenschap van de magnetische nanodeeltjes speelt een cruciale rol voor de biologische toepassing ervan. Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 toont de magnetisatiecurve van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ die werd gemeten met een vibrerende monstermagnetometer in het bereik van -15.000 tot 15.000 Oe bij 300 K. Het resultaat kwam overeen met de conclusie dat de diameter van magnetische Fe₃ O₄ nanodeeltjes kleiner dan 30 nm zijn meestal superparamagnetisch bij kamertemperatuur [37]. De verzadigingsmagnetisatiewaarde voor gesynthetiseerd BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ is ongeveer 4,02 emu/g. Wat nog belangrijker is, van de hysteresislus van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur, kan worden vastgesteld dat het superparamagnetische eigenschappen vertoonde en dat er geen dwangkracht werd waargenomen in de hysteresislus. Dit fenomeen was te wijten aan het feit dat de magnetietkern een kleine diameter heeft van ongeveer 10 nm. Tegelijkertijd voorkomt de silica-schaal de aggregatie van de magnetietkern. Dus de BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur kan verder een goede dispergeerbaarheid vertonen.

Fluorescentiereactie van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Om de fluorescentierespons van BHN-Fe₃ . te verifiëren O₄ @SiO₂ voor verschillende metaalionen werden de fluorescentiemetingen uitgevoerd in CH₃ CN/H₂ O 1:1 (v /v ) oplossing bij pH 7,36 in HEPES-buffer. De concentratie van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ is 0,2 g/L (overeenkomend met het vrije organische molecuul was ongeveer 3,34 × 10⁻⁵ M, volgens de TGA, zie Fig. 2d), en de verschillende metaalionen Ag⁺ , Al³⁺ , Ca²⁺ , Cd²⁺ , Co²⁺ , Cr³⁺ , Cu²⁺ , Hg²⁺ , K⁺ , Li⁺ , Mg²⁺ , Mn²⁺ , Na⁺ , Pb²⁺ , Zn²⁺ , en Fe³⁺ (allemaal als hun perchloraatzouten) waren 5,0 × 10⁻⁵ M. Zoals weergegeven in Fig. 3a, werd een significante fluorescentie-uitdoving waargenomen bij toevoeging van Fe³⁺ , maar er werd geen significante afname van de fluorescentie-intensiteit in dezelfde omstandigheden gedetecteerd bij toevoeging van andere metaalionen behalve Cu²⁺ . Cu²⁺ zou binnen 20 minuten een lichte uitdoving en respons van de fluorescentie veroorzaken. Echter, bij dezelfde detectiecondities, Fe³⁺ veroorzaakt een reactie in 2 min en dooft uiteraard in 5 min (Fig. 3c). De absorptiespectra van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) in aanwezigheid van verschillende concentraties Fe³⁺ (0 tot 200 μM) werden onderzocht, zoals weergegeven in figuur 3d. Wanneer Fe³⁺ werd geleidelijk toegevoegd, de absorptie van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ bij 250 en 350 nm neemt geleidelijk toe, wat aangeeft dat BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur gecoördineerd met Fe³⁺ geleidelijk.

een Fluorescentiereacties van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ met verschillende kationen. De excitatiegolflengte was 415 nm. Spectra werden elke 2 minuten opgenomen na toevoeging van metaalionen. b Competitie van Fe³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ naar kationen. Fluorescerende emissieverandering van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/L) na toevoeging van metaalionen (elk metaalion is 5 × 10⁻⁵ M) in CH₃ CN/H₂ O 1:1 (HEPES-buffer pH 7,36) bij kamertemperatuur. c Tijdreacties van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ met Fe³⁺ en Cu²⁺ . d UV-Vis-titraties van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) met Fe³⁺ . e Fluorescentietitratie van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) met Fe³⁺ . Inzet:de fluorescentie-intensiteiten bij 518 nm bij verschillende concentraties Fe³⁺ . v Jobs plot van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ met Fe³⁺

Vervolgens een fluorescentietitratie met Fe(ClO₄ )₃ in CH₃ CN/H₂ O 1:1 (v /v) werd toegepast om de combinatie van BHN-Fe₃ . te begrijpen O₄ @SiO₂ richting Fe³⁺ ionen. Zoals geïllustreerd in Fig. 3e, is de fluorescentie-emissie van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) neemt geleidelijk af bij verschillende concentraties (0 tot 100 μM) Fe³⁺ zijn toegevoegd in CH₃ CN/H₂ O 1:1 (v /v ) HEPES-buffer, die aangeeft dat BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur gecoördineerd met Fe³⁺ om het complex kwantitatief te vormen. Fluorescentietitratie-experiment suggereert dat de associatieconstante logβ voor Fe³⁺ binding aan BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ wordt berekend op 8,23. Een lineaire toename van fluorescentie van de BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur werd waargenomen na toevoeging van Fe³⁺ tussen 0 en 20 μM, en de detectielimiet van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ tot Fe³⁺ werd gevonden door 1.25 × 10⁻⁸ M onder de fluorimetrische test. De fluorescentietitratie en Job-plotresultaten suggereerden een 1:1-bindingsratio voor Fe³⁺ met BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (Fig. 3f). De resultaten van kation-competitieve experimenten zijn weergegeven in Fig. 3b, en er zou kunnen worden vastgesteld dat de selectiviteit en gevoeligheid van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ tot Fe³⁺ worden niet beïnvloed door andere metaalionen.

Hier kan de opmerkelijke afname van de fluorescentie-intensiteit als volgt worden verklaard:De fluorescentie-intensiteit van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ , die wordt geëxciteerd bij een lamp van 415 nm, vertoont de hoge fluorescentie bij 518 nm vanwege het 1,8-naftalimide dat een groot geconjugeerd systeem heeft. Bovendien beïnvloedt de elektronendonerende groep in de structuur tegelijkertijd de fluorescentie van het systeem. Wanneer stabiel gechelateerd met Fe³⁺ door het O-atoom en het N-atoom op de vierpositie van 1,8-naftaalimide, produceert de elektron- of energieoverdracht tussen het metaalkation en de fluorofoor een elektronisch absorptie-effect, om de fluorescentie uit te doven [38] (Fig. 4a).

een Schematische voorstelling van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ met Fe³⁺ . b Omkeerbaarheid van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ richting Fe³⁺ . Inzet:de foto van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ met Fe³⁺ door behandeling van EDTA (2,5 × 10⁻⁵ M) onder 415 nm UV-licht. c Plot van de fluorescentie van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/L) met afwisselende toevoeging van 2,5 × 10⁻⁵ M Fe³⁺ (“uit”) en EDTA (“aan”). d BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/L) werd verspreid naar een externe magneet in CH₃ CN/H₂ O 1:1 (HEPES-buffer pH 7,36)

Het uitdoven van de fluorescentie door toevoeging van Fe³⁺ naar de oplossing van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ volledig omkeerbaar was. Bij het toevoegen van EDTA (2.5 × 10⁻⁵ M) naar de Fe³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ systeem werd de fluorescentie-intensiteit bijna hersteld tot het oorspronkelijke niveau van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (Fig. 4b). Verder werd herbruikbaarheid geëvalueerd door herhaaldelijk Fe³⁺ . toe te voegen -EDTA komt het systeem binnen, met de verandering van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ fluorescentie-intensiteit wordt na elke stap geregistreerd en de bijbehorende gegevens worden getoond in Fig. 4c. Het is duidelijk dat de BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ vertoont uitstekende herbruikbaarheid omdat alleen het zeldzame verlies in BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ gevoeligheid voor Fe³⁺ werd waargenomen na vijf herhaalde Fe³⁺ -EDTA-cycli. Als resultaat van zijn magnetische eigenschap, BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ een omgekeerde magnetische verantwoordelijkheid had. Zoals getoond in figuur 4d, kon het na 10 minuten gemakkelijk van de dispersie worden gescheiden (0,2 g/L) door een magneet gesloten voor de dispersie te plaatsen en vervolgens opnieuw gedispergeerd door zacht roeren wanneer de magneet werd verwijderd. Dit magnetische scheidingsvermogen en de herkenningseigenschap van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur biedt een eenvoudige en efficiënte route om Fe³⁺ . te scheiden in plaats van door middel van filtratie. Belangrijker is dat de omgekeerde magnetische verantwoordelijkheid van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur zou een sleutelfactor zijn bij het evalueren van hun recycleerbaarheid [39]. In combinatie met zijn magnetische eigenschap is aangetoond dat BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ was aanzienlijk toepasbaar in het biologische systeem als een efficiënte anorganisch-organische hybride sensor voor Fe³⁺ .

Voor de biologische toepassing is het van cruciaal belang dat de sensor geschikt is voor het meten van specifieke metaalionen in het fysiologische pH-bereik. Zoals weergegeven in Fig. 5a, zijn de fluorescentie-intensiteiten van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ met/zonder Fe³⁺ bij verschillende pH-waarden werden onderzocht. De fluorescentie-intensiteit van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ neemt iets af bij toevoeging van Fe³⁺ onder zure omstandigheden, aangezien protonering van het N-atoom op de vierpositie van 1,8-naftaalimide leidt tot een zwak coördinatievermogen van Fe³⁺ . Dan een dramatische fluorescentieverandering voor Fe³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ systeem werd gevonden toen de pH een neutrale pH had en onder zwak alkalische omstandigheden. Hier, BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ vertoont uitstekende Fe³⁺ waarnemingsvermogen wanneer de pH in het bereik van 5,84 tot 10,52 ligt, wat aangeeft dat BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ is een verwachte sonde die wordt toegepast in die gecompliceerde omgevingen of biologische systemen.

een Fluorescentie-intensiteiten van BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ en Fe³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ bij verschillende pH-waarden bij kamertemperatuur. CH₃ CN/H₂ O 1:1, λ _ex = 415 nm. b Helderveldbeeld en fluorescentiebeeld van de HeLa-cellen met BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ . (c ) Helderveldbeeld en fluorescentiebeeld van de HeLa-cellen met BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ en Fe³⁺

Om het vermogen van BHN-Fe₃ . verder aan te tonen O₄ @SiO₂ om Fe³⁺ . te detecteren in levende systemen voerden we een experiment uit in levende HeLa-cellen. Allereerst hebben we de cellevensvatbaarheid van BHN-Fe₃ . onderzocht O₄ @SiO₂ en Fe³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ met behulp van de MTT-test. HeLa-cellen werden geïncubeerd met BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ in RPMI-1640 gedurende 0,5 uur bij 37 °C, en vervolgens Fe(ClO₄ )₃ werd toegevoegd voor incubatie gedurende 0,5 uur. Vervolgens werden de confocale fluorescentiebeelden van de HeLa-cellen waargenomen en deze vertoont een uitstekende kleurcapaciteit wanneer de concentratie van de sensor en Fe(ClO₄ )₃ is maximaal 0,2 g/L en 5 × 10⁻⁵ M. Vervolgens hebben we een fluorescentiemicroscopie-experiment uitgevoerd om de hogere gradatie van toepassing in complexe biologische systemen te onderzoeken. Zoals getoond in Fig. 5b, werden HeLa-cellen gekweekt op een plaat met 12 openingen bij 37 ° C en in 5% CO₂ atmosfeer gedurende 24 uur, daarna behandeld met BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/L) en 0,5 uur geïncubeerd, en de cellen vertoonden een sterke groene fluorescentie. Vervolgens werden de cellen behandeld met 5 × 10⁻⁵ M Fe(ClO₄ )₃ . Na 0, 5 uur zagen we dat de fluorescentie opmerkelijk afnam (figuur 5c). We kunnen dus de conclusie trekken dat BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ kan worden gebruikt om Fe³⁺ . af te beelden in levende cellen.

Conclusie

Samenvattend, een nieuwe multifunctionele fluorescerende sonde BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuur voor Fe³⁺ is met succes ontworpen en gesynthetiseerd. De sonde BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ kan selectief reageren op Fe³⁺ met fluorescentiedoving en efficiënte scheiding van Fe³⁺ met extern magnetisch veld. Het samengestelde fluorescentiebewakingssysteem van het aan-uit-type geeft aan dat de sonde kan worden teruggedraaid en opnieuw kan worden gebruikt. Tegelijkertijd is de sonde met succes toegepast om Fe³⁺ . kwantitatief te detecteren met lage detectielimieten. Verder is de BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nanostructuursonde is succesvol gebruikt om Fe³⁺ . te detecteren in levende HeLa-cellen, wat zijn grote potentieel in detectie van bio-imaging laat zien.