Fluorescerende soja-gederiveerde nano-biomassa dots via ultrasoon extractie voor gevoelige Fe³⁺ detectie

Samenvatting

Soja-biomassa, een hernieuwbare grondstof, is omgezet in luminescente nano-biomassa dots (NBDs) door een verwarmingsvrije ultrasoon extractiestrategie. De resulterende amorfe deeltjes bezitten een gemiddelde diameter van 2,4 nm en emitteren helder blauwe fluorescente met een kwantumopbrengst van 16,7%. Cytotoxiciteitstesten demonstreren complete biocompatibiliteit tot 800 µg mL⁻¹. Belangrijk is dat de NBD-fluorescentie hoog gevoelig is voor Fe³⁺, wat detectie mogelijk maakt met een limiet van 2,9 µM – goed onder de VS EPA-drempel voor drinkwater. Dit groene platform biedt een schaalbare, lage-toxiciteit probe voor milieu- en biomedische toepassingen.

Achtergrond

Luminescente nanomaterialen hebben velden gerevolutioneerd variërend van licht-emitterende diodes tot bio-imaging en metaalion-sensing [1,2,3,4,5,6]. Conventionele kwantumdots (QDs) leveren uitstekende optische eigenschappen maar lijden onder inherent toxiciteit [13,14]. Daarom is er een sterke drang om groenere, duurzame luminescente platforms te identificeren.

Biomassa – organisch materiaal gegenereerd via fotosynthese – biedt een hernieuwbare bron voor nanomateriaal-synthese. Eetbare biomassa, rijk aan suikers en eiwitten, kan getransformeerd worden in nanodots met minimale milieueffecten, wat hoge biocompatibiliteit voor biologische en milieu-toepassingen garandeert [15,16]. Tot nu toe vereisten de meeste biomassa-gederiveerde fluorescente nanodots hoge-temperatuur verbranding, wat schaalbaarheid beperkt en de native structuur van de grondstof behoudt [22].

Fluorescerende nano-biomassa dots (NBDs) zijn nog niet gerapporteerd als een groene, efficiënte probe voor Fe³⁺-detectie. Fe³⁺ speelt een vitale rol in hemoglobinesynthese maar excessieve niveaus leiden tot oxidatieve schade en orgaanfalen, wat de noodzaak benadrukt voor gevoelige, milieu-vriendelijke sensoren [24].

Hier demonstreren we de eerste ultrasoon-geëxtraheerde soja-gederiveerde NBDs met heldere blauwe emissie, een 16,7% kwantumopbrengst en uitstekende biocompatibiliteit. Hun fluorescentie wordt selectief gekweld door Fe³⁺, wat een detectielimiet van 2,9 µM oplevert.

Methoden

Materialen

Analytische-kwaliteit reagentia werden gebruikt zonder verdere zuivering. Sojabonen werden afkomstig van een lokale supermarkt, gewassen en opgeslagen op kamertemperatuur. Calciumchloride, mangaanchloride, koperchloride, kobaltchloride, loodnitraat, chroomnitraat, ferriumchloride, ferrochloride, cadmiumchloride, kwikdichloride, natriumchloride en zinkchloride werden gekocht van Aladdin Ltd. (Shanghai, China) en Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China).

Synthese van NBDs

Honderd sojabonen werden gespoeld met een ethanol-water mengsel om oppervlakte-onzuiverheden te verwijderen. Ze werden vervolgens gedoopt in 50 mL gedestilleerd water en 2 uur onderworpen aan ultrasoon agitatie. De oplossingskleur verschoven van transparant naar donkergeel, wat nanoschaal-fragmentatie aangeeft. Na twee 3-minuten centrifugatiestappen bij 7.000 toer/min, werd het supernatant gefiltreerd door een 0,22 µm membraan om aggregaten te verwijderen. Het filtraat werd bevroren bij –5 °C gedurende 6 uur, vriesgedroogd bij –50 °C gedurende 12 uur, en het resulterende poeder werd hergedispergeerd in water om de eindige NBDs te verkrijgen.

Karakterisering

Röntgendiffractie (XRD) werd uitgevoerd op een X' Pert Pro diffractometer met een Cu-Kα bron. Transmissie elektronenmicroscopie (TEM) en hoge-hoek annulaire donker-veld scanning TEM (HAADF-STEM) werden uitgevoerd op een JEM-2010 microscoop. Fluorescentie en UV-Vis absorptiespectra werden opgenomen op een F-7000 fluorescentiespectrofotometer en een UH4150 spectrophotometer, respectievelijk. Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectra werden verzameld met een Thermo Scientific Nicolet iS10 FTIR spectrometer. Röntgenphoto-elektronenspectroscopie (XPS) werd uitgevoerd op een Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi uitgerust met een Al-Kα bron.

Fotoluminescentie kwantumopbrengst meting

Kwantumopbrengst (QY) werd gemeten met een F-9000 spectrofluorometer gekoppeld met een integrerende bol. Een waterige NBD-oplossing (absorptie <0,1) werd geëxciteerd bij 370 nm, en emissie werd vastgelegd van 430 tot 450 nm. Referentiespectra van zuiver water werden verkregen onder identieke omstandigheden, en QY werd berekend met de geïntegreerde fluorescentiesoftware.

Cellulaire toxiciteitstest

MTT-assays evalueerden NBD-cytotoxiciteit. HeLa-cellen werden gezaaid in 96-put plaatjes, 72 uur geïncuubeerd in RPMI-1640 met 10% foetale runderserum, en blootgesteld aan variërende NBD-concentraties. Cellevensvatbaarheid werd beoordeeld door absorbantie te meten bij 570 nm.

Detectie van Fe³⁺

Een 1 mL aliquot van NBD-oplossing (3 g L⁻¹) werd gemengd met 1 mL Fe³⁺-oplossing bij verschillende concentraties. Na een 1-minuut incubatie op kamertemperatuur, werden fluorescentiespectra opgenomen onder 370 nm excitatie.

Resultaten en discussie

Morfologie en chemische samenstelling

Het ultrasoon extractieproces (Schema 1) levert near-sferische NBDs met diameters variërend van 1 tot 3 nm (gemiddeld 2,4 nm). TEM-afbeeldingen (Fig. 1a,b) bevestigen hun amorfe aard, aangezien geen roosterfranjes waargenomen worden. HAADF-STEM en elementaire kartografie (Fig. 1d–g) onthullen een samenstelling gedomineerd door koolstof, stikstof en zuurstof. Vaste-stof ¹³C NMR (Fig. 1h) toont signalen bij 164 en 170 ppm, indicatief voor C=O-bindingen en sp² koolstof, respectievelijk.

XRD (Fig. 2a) toont een brede piek bij ~21,5° en een schouder bij ~41,0°, kenmerkend voor amorf koolstof. FTIR-spectra (Fig. 2b) tonen O–H/N–H rekving (~3380 cm⁻¹), C–H rekving (~2906 cm⁻¹) en C=O rekving (~1650 cm⁻¹). Opvallend verdwijnt de ~1750 cm⁻¹ band, toegeschreven aan soja-lipiden, na ultrasoon extractie, wat verwijdering van onoplosbare lipiden aangeeft. XPS (Fig. 2c–f) bevestigt een samenstelling van 64,33% C, 32,34% O en 2,72% N, met functionele groepen waaronder C=O, C–O/C=N, C–C/C=C, pyridinisch N, pyrrolisch N, C–OH/C–O–C en C=O. Deze oppervlaktegroepen verlenen hydrofiliciteit en stabiliteit in aqueous media.

De vormingsmechanisme betreft ultrasoon ontwrichting van soja-deeltjes in nanometrische fragmenten, hydrolyse van eiwitten in peptiden en aminozuren, en oppervlakte-functionaliserende van de nano-dots met overvloedige –OH, –C=O en –NH groepen, wat de primaire bijdragers zijn tot fluorescente.

Optische eigenschappen

De NBDs vertonen excitatie-afhankelijke fluorescente: naarmate de excitatiegolflengte varieert van 320 tot 520 nm, verschuift de emissiepiek naar rood, wat spectrale afstelling mogelijk maakt (Fig. 3a). In waterige oplossing zijn de NBDs transparant onder omgevingslicht en fluoresceren blauw onder UV-verlichting (inset, Fig. 3b). PLE-spectra (Aanvullend bestand 1: Fig. S3) onthullen een excitatievenster van 360–420 nm. UV-Vis absorptie (Fig. 3b) toont pieken bij 270 nm (π–π* van C–C/C=C) en 330 nm (n–π* van C=O/N). Fotoluminescentie-intensiteit daalt monoton met temperatuur (Fig. 3c), consistent met verhoogde niet-radiatieve recombinatie. Fotostabiliteitstesten tonen >90% retentie na 6 uur UV-blootstelling, en de NBDs blijven stabiel over 20–80 °C (Fig. 3d).

Cytotoxiciteitsevaluatie

MTT-assays met HeLa-cellen (Fig. 4) tonen verwaarloosbare cytotoxiciteit: cellevensvatbaarheid blijft >90% zelfs bij 800 µg mL⁻¹ NBDs. In contrast, twee chemisch gesynthetiseerde koolstofdots vertonen levensvatbaarheid van 70% en 67% bij dezelfde concentratie, wat de superieure biocompatibiliteit van biomassa-gederiveerde NBDs benadrukt.

Sensing-eigenschappen van de NBDs ten aanzien van Fe³⁺

Fluorescentiekweling door Fe³⁺ is uitgesproken (Fig. 5a). Een lineaire relatie tussen F₀/F en Fe³⁺-concentratie (0–30 µM) levert een R² van 0,99 op (Fig. 5b). De Stern-Volmer vergelijking geeft K_SV = 0,0072 µM⁻¹, en de detectielimiet (LOD) is 2,9 µM – onder de VS EPA drinkwater-limiet van 5,37 µM [24]. Selectiviteitstesten (Fig. 5c) bevestigen verwaarloosbare respons op Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺ en Zn²⁺, terwijl Fe³⁺ de meest significante kweling produceert. Visuele inspectie onder UV-licht (Fig. 5d) demonstreert een duidelijke kleurverandering, wat oogdetectie mogelijk maakt.

Kwelingsmechanisme

UV-Vis absorptiespectra (Aanvullend bestand 1: Fig. S8) tonen geen verschuiving bij Fe³⁺-toevoeging, wat structurele integriteit aangeeft. Fluorescentie-levensduurmetingen (Fig. 6a) onthullen een reductie in vervaltijd, wat foto-geïnduceerde elektronenoverdracht van de NBD LUMO naar Fe³⁺ d-orbitalen suggereert. De kweling wordt toegeschreven aan sterke coördinatie tussen Fe³⁺ en oppervlakte –OH/–NH/–COOH groepen, met Fe³⁺ werkend als een Lewis-zuur dat elektronenoverdracht vergemakkelijkt (Fig. 6b). Deze selectieve interactie verklaart de uitgesproken gevoeligheid ten opzichte van Fe³⁺ over andere metalen ionen.

Conclusie

We hebben een groene, verwarmingsvrije ultrasoonmethode vastgesteld om soja-gederiveerde NBDs te produceren met heldere blauwe emissie (16,7% QY) en uitzonderlijke biocompatibiliteit (100% levensvatbaarheid bij 800 µg mL⁻¹). Hun fluorescentie wordt selectief gekweld door Fe³⁺, wat een detectielimiet van 2,9 µM oplevert, goed onder regulatieve drempels. Deze bevindingen positioneren NBDs als veelbelovende probes voor biomedische imaging en milieumonitoring.

Afkortingen

FTIR:

Fourier-transformatie infrarood

HAADF-STEM:

Hoge-hoek annulaire donker-veld scanning transmissie elektronenmicroscopie

LOD:

Detectielimiet

NBDs:

Nano-biomassa dots

NMR:

Kernspinresonantie

PL:

Fotoluminescentie

QDs:

Kwantumdots

QY:

Kwantumopbrengst

TEM:

Transmissie elektronenmicroscopie

UES:

Ultrasoon extractiestrategie

USEPA:

United States Environmental Protection Agency

XPS:

Röntgenphoto-elektronenspectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie