Eine wiederaufladbare Fluoreszenzsonde BHN-Fe3O4@SiO2 Hybrid-Nanostruktur für Fe3+ und ihre Anwendung in der Biobildgebung

Hintergrund

Die Entwicklung neuer Methoden zum Nachweis aller Arten von kleinen Molekülen und Ionen ist zu einer wichtigen Aufgabe für wissenschaftliche Forscher geworden. Als eines der unverzichtbaren wichtigen Metallionen in Stoffwechselprozessen ist Fe ³⁺ spielt eine wesentliche und entscheidende Rolle in einer Vielzahl von biologischen Prozessen wie Gehirnfunktion und Pathologie, Gentranskription, Immunfunktion und Reproduktion von Säugetieren [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Die medizinischen Untersuchungen zeigen, dass die metabolischen oder biologischen Prozesse für das reibungslose Funktionieren aller lebenden Zellen nur dann normal sind, wenn das Fe ³⁺ Die Konzentration liegt in einem geeigneten Bereich. Wenn Fe ³⁺ Wenn die Konzentration in einem lebenden Körper von ihrem geeigneten Bereich abweicht, können einige Krankheiten oder schwerwiegende Störungen in metabolischen oder biologischen Prozessen induziert werden [10,11,12]. Obwohl eine Vielzahl von Nachweismethoden entwickelt wurde, um Fe ³⁺ . nachzuweisen [13,14,15] ist die Fluoreszenztechnik aufgrund ihrer einfachen Handhabung, ihrer hohen Empfindlichkeit und Selektivität und ihrer niedrigen Nachweisgrenze die effektivere und leistungsfähigere Methode [16,17,18,19,20].

Bei diesen Fluoreszenzsonden auf Molekülbasis wurden einige Probleme bezüglich der Sicherheit, der Wiederverwertbarkeit und der Wiederverwendbarkeit nicht gelöst. Wie beispielsweise in Lit. [21] erwähnt, sind die verwendeten kleinen Moleküle toxisch. Diese Mängel, die sich bei den fluoreszierenden Sonden auf Molekülbasis zeigen, schränken den Eintritt der Sonden in eine praktische Anwendung vollständig ein. Um die Herausforderung der Sicherheit bei den oben genannten Fluoreszenzsonden für Fe ³⁺ . zu meistern , wird ein anderer technischer Ansatz vorgeschlagen, bei dem anorganische Träger verwendet werden, in die kleine molekulare Fluoreszenzsonden eingebaut sind. Bei einem solchen neuen Ansatz ist bekannt, dass anorganische Materialien wie magnetische Nanopartikel, Metallnanopartikel, Nanoröhren und mesoporöses Siliziumdioxid beim Design der Fluoreszenzsonden verwendet werden können [22,23,24]. Unter all diesen anorganischen Materialien ist magnetisches Siliziumdioxid-Kern-Schale-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanopartikel haben die Vorteile ihrer geringen Toxizität, ihrer hohen Biokompatibilität, der einfachen Trennung über ein externes Magnetfeld und der großen Oberfläche, die durch Fluoreszenzsonden gegenüber anderen Materialien im Molekül oder Ionenerkennungs- und Trennbereichen aufgepfropft werden kann [25,26,27]. Somit bietet uns dieser neue Ansatz eine Möglichkeit, die Anwendung zum Nachweis von Fe ³⁺ . zu realisieren , insbesondere in der Sicherheit mit geringer Toxizität und hoher Biokompatibilität.

In dieser Arbeit wird eine Art multifunktionaler magnetischer BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur-Fluoreszenzsensor für Fe ³⁺ wurde entworfen und synthetisiert. Es hat eine gute empfindliche und selektive Reaktion auf Fe ³⁺ mit bemerkenswerter Fluoreszenzlöschung in CH₃ CN/H₂ O (1:1, v /v ) bei Raumtemperatur. Durch Anlegen eines externen Magnetfeldes kann die Sonde von der Lösung getrennt werden. Beim Hinzufügen von EDTA zum System wird Fe ³⁺ kann mit Fluoreszenzintensitätswiederherstellung aus dem Komplex entfernt werden. Darüber hinaus zeigte die konfokale Fluoreszenzbildgebung mit HeLa-Zellen, dass die Sonde zum Nachweis von Fe ³⁺ . eingesetzt werden kann in lebenden Zellen. Daher ist das erhaltene BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ weist eine ausgezeichnete Selektivität, Wasserlöslichkeit, Reversibilität und Recyclingfähigkeit auf, was dem Nachweis von Fe ³⁺ . zugute kommt .

Methoden/Experimental

Synthese von Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanopartikel

Fe₃ O₄ Magnetit-Nanopartikel wurden gemäß Lit. [28] synthetisiert. Sie wurden mit einer modifizierten Stöber-Methode [29] weiter mit einer dünnen Siliziumdioxidschicht beschichtet, um stabiles Fe₃ . zu erhalten O₄ @SiO₂ . Tetraethylorthosilikat (TEOS) wurde mit Magnetit-Nanopartikeln als Impfkristalle in einer Ethanol/Wasser-Mischung hydrolysiert. Das resultierende Fe₃ O₄ @SiO₂ Als Träger der fluoreszierenden Sensor-Nanopartikel wurden Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 50–60 nm verwendet.

Synthese von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur

N -Butyl-4-bis(2-hydroxyethyl)amino-1,8-naphthalimid (BHN) wird nach der zuvor beschriebenen Methode synthetisiert [30, 31]. Das erste Zwischenprodukt wurde durch die Reaktion von 4-Brom-1,8-naphthalinanhydrid und n . synthetisiert -Butylamin. Dann reagierte das Zwischenprodukt mit Diethanolamin, um BHN zu ergeben. ESI-MS:m/z 357.3 (M + H ⁺ ). ¹ H-NMR (CDCl₃ , 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, 1 H, 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) und 3-Isocyanatopropyl-triethoxysilan (IPTES, 494 mg, 2 mmol) wurden in wasserfreiem THF (15 ml) bei Raumtemperatur gemischt. Anschließend wurde die Lösung 48 h lang unter N₂ . unter Rückfluss erhitzt . Danach wurde das Lösungsmittel abgedampft und das Rohprodukt durch Flash-Säulenchromatographie (Kieselgel, Petrolether/CH₂ .) weiter gereinigt Kl₂ /Methanol 50/50/1), um 255 mg (30 %) BHN-IPTES als gelbes Pulver zu ergeben. 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, 12 Std.); 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).

Einhundert Milligramm getrocknetes Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanopartikel und 300 mg (0,35 mmol) BHN-IPTES wurden in wasserfreiem Toluol (15 ml) suspendiert. Die Lösung wurde 12 h lang bei 110 °C unter N₂ . unter Rückfluss erhitzt um BHN-Fe₃ . zu erhalten O₄ @SiO₂ . Die Nanopartikel wurden durch Zentrifugation (10.000 U/min) gesammelt und wiederholt gründlich mit wasserfreiem Ethanol gewaschen. Durch Überwachung der Fluoreszenz der oberen Flüssigkeit konnten nicht umgesetzte organische Moleküle vollständig entfernt werden. Dann das BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur wurde schließlich über Nacht unter Vakuum getrocknet.

Ergebnisse und Diskussion

Design von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanopartikel sind ein vielversprechender Kandidat für die Herstellung von sicherem, recycelbarem und wiederverwendbarem Fe ³⁺ Fluoreszenzsensor aufgrund seiner geringen Toxizität, hohen Biokompatibilität und bequemen Recyclingfähigkeit über ein externes Magnetfeld. Im Vergleich zu anderen Fluorophoren hat 1,8-Naphthalimid eine große Stokes-Verschiebung, eine lange Emissionswellenlänge und eine einfache Modifizierung mit unterschiedlichen Seitenketten und einer hohen Quantenausbeute. Mit der Einführung der richtigen Seitenkette kann es also auf das Fe₃ . aufgepfropft werden O₄ @SiO₂ Nanopartikel, um ein sicheres, recycelbares und wiederverwendbares Fe ³⁺ . zu erhalten Fluoreszenzsensor mit bemerkenswerter Fluoreszenzreaktion.

Bekanntlich ist Fe ³⁺ kann leicht mit dem O- und N-Atom koordiniert werden, daher haben wir 1,8-Naphthalimid mit Diethanolamin modifiziert, damit das 1,8-Naphthalimid die Fähigkeit besitzt, Fe ³⁺ . nachzuweisen wie in Abb. 1a gezeigt. Im Diethanolamin dienten Hydroxyethyl- und Esteramid-Einheiten als Rezeptoreinheit. Schließlich wurde das modifizierte 1,8-Naphthalimid auf das Fe₃ . aufgepfropft O₄ @SiO₂ über Hydrolyse-Kondensationsreaktion zwischen Si (OEt)₃ und Hydroxyl in der Oberfläche von Fe₃ O₄ @SiO₂ wie in Abb. 1b gezeigt.

a Synthese von BHN. b Synthese von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Struktur von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Aus dem TEM-Bild, wie in Abb. 2a gezeigt, die typische Kern/Schale-Struktur von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ wird übersichtlich angezeigt. Obwohl sich der nackte Magnetkern in Flüssigkeit leicht aggregieren lässt, würde die Silicahülle auf der Oberfläche der magnetischen Nanopartikel die Aggregation verhindern und die Dispergierbarkeit verbessern. Die Eisenoxid-Nanopartikel wurden erfolgreich in der Siliziumdioxidhülle eingeschlossen und gut dispergiert. Es ist auch zu sehen, dass die Gesamtdurchmesser der Kern/Schale-Strukturen in einer engen Verteilung von 50 bis 60 nm mit einem Eisenoxidkern von 10 nm liegen, was niedriger ist als seine superparamagnetische kritische Größe und geeignet für die Verwendung als Trägernanopartikel einer Fluoreszenzsonde.

a TEM-Aufnahme von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (Der Maßstabsbalken beträgt 50 nm.). b XRD-Muster von Fe₃ O₄ /Citrat, Fe₃ O₄ @SiO₂ , und BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ . c FT-IR-Spektren von Fe₃ O₄ @SiO₂ und BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ . d TG- und DTA-Kurven von Fe₃ O₄ @SiO₂ und BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Abbildung 2b zeigt die XRD-Pulverdiffraktionsmuster von Fe₃ O₄ , Fe₃ O₄ @SiO₂ , und BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ . Die sechs charakteristischen Beugungspeaks von bloßem Fe₃ O₄ kann auf 220, 311, 400, 422, 511 und 440 Reflexe des Magnetits indiziert werden. Die XRD-Peaks, die Fe₃ . zugeschrieben werden, O₄ haben niedrige Intensitäten in Fe₃ O₄ @SiO₂ und BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ , was bedeutet, dass das Fe₃ O₄ Nanopartikel sind mit einer amorphen Siliziumdioxidhülle beschichtet. Die Kieselsäurehülle kann den relativen Gehalt an Fe₃ . verringern O₄ Kerne und beeinflussen dann die Spitzenintensitäten. Außerdem wird das breite XRD-Paket bei einem niedrigen Beugungswinkel von 20° bis 30° in Fe₃ . gefunden O₄ @SiO₂ und BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ , was dem amorphen Zustand SiO₂ . entspricht Schalen, die das Fe₃ . umgeben O₄ Nanopartikel.

Um den Modifikationszustand von BHN-IPTES auf der Oberfläche von Fe₃ . zu untersuchen O₄ @SiO₂ Nanopartikeln wird ihr Fourier-Transform-Infrarot-(FT-IR)-Spektrum gemessen. Wie in Abb. 2c gezeigt, zeigten beide beiden Kurven die typische Schwingungsbande der −OH-Streckung auf Silanol bei 3400 bis 3500 cm ⁻¹ und 1000 bis 1200 cm ⁻¹ [32]. Dies weist darauf hin, dass nicht das gesamte Silanol auf Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanopartikel wurden kovalent modifiziert. Die Bande bei 1630 cm ⁻¹ repräsentiert den Biegemodus von −OH-Schwingungen [33]. Die Bänder zentriert bei 1109 (νas ) und 800 cm ⁻¹ kann auf das Siloxan (-Si-O-Si-) zurückgeführt werden [34]. Die obigen Peaks weisen auf die Existenz einer Silikathülle hin. Die zusätzlichen Peaks bei 2965 und 2934 cm ⁻¹ wurden in BHN-Fe₃ . gefunden O₄ @SiO₂ , entsprechend der −CH-Schwingung aliphatischer und aromatischer Gruppen [32, 35]. Die Bande bei 1697, 1590 und 1516 cm ⁻¹ von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ kommt von den Biegeschwingungen von −CH₃ aus dem BHN-Teil [36]. Diese Ergebnisse zeigen die Anwesenheit des organischen Moleküls im magnetischen Material BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ .

Die superparamagnetische Eigenschaft der magnetischen Nanopartikel spielt für ihre biologische Anwendung eine entscheidende Rolle. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1 zeigt die Magnetisierungskurve von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ die mit einem Vibrationsproben-Magnetometer im Bereich von − 15.000 bis 15.000 Oe bei 300 K gemessen wurde. Das Ergebnis stimmte mit der Schlussfolgerung überein, dass der Durchmesser des magnetischen Fe₃ O₄ Nanopartikel unter 30 nm sind bei Raumtemperatur normalerweise superparamagnetisch [37]. Der Sättigungsmagnetisierungswert für synthetisiertes BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ beträgt etwa 4,02 emu/g. Noch wichtiger ist, aus der Hystereseschleife von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur zeigt, dass sie superparamagnetische Eigenschaften aufwies und keine Koerzitivkraft in der Hystereseschleife beobachtet wurde. Dieses Phänomen war darauf zurückzuführen, dass der Magnetitkern einen kleinen Durchmesser von etwa 10 nm hat. Gleichzeitig verhindert die Kieselsäurehülle die Aggregation des Magnetitkerns. Also, das BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur kann außerdem eine gute Dispergierbarkeit aufweisen.

Fluoreszenzantwort von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂

Um die Fluoreszenzantwort von BHN-Fe₃ . zu überprüfen O₄ @SiO₂ für verschiedene Metallionen wurden die Fluoreszenzmessungen in CH₃ . durchgeführt CN/H₂ O 1:1 (v /v ) Lösung bei pH 7,36 in HEPES-Puffer. Die Konzentration von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ beträgt 0,2 g/l (entsprechend dem freien organischen Molekül etwa 3,34 × 10 ^–5 M, gemäß TGA, siehe Abb. 2d) und die verschiedenen Metallionen Ag ⁺ , Al ³⁺ , Ca ²⁺ , Cd ²⁺ , Co ²⁺ , Cr ³⁺ , Cu ²⁺ , Hg ²⁺ , K ⁺ , Li ⁺ , Mg ²⁺ , Mn ²⁺ , Na ⁺ , Pb ²⁺ , Zn ²⁺ , und Fe ³⁺ (alle als ihre Perchloratsalze) waren 5.0 × 10 ⁻⁵ M. Wie in Abb. 3a gezeigt, wurde eine signifikante Fluoreszenzlöschung beobachtet, wenn Fe ³⁺ . hinzugefügt wurde , aber es wurde keine signifikante Abnahme der Fluoreszenzintensität unter den gleichen Bedingungen festgestellt, wenn andere Metallionen außer Cu ²⁺ . hinzugefügt wurden . Cu ²⁺ würde eine leichte Fluoreszenzlöschung und Reaktion in 20 Minuten verursachen. Unter den gleichen Nachweisbedingungen ist jedoch Fe ³⁺ verursacht eine Reaktion in 2 Minuten und löscht offensichtlich in 5 Minuten (Abb. 3c). Die Absorptionsspektren von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/L) in Gegenwart verschiedener Konzentrationen von Fe ³⁺ (0 bis 200 μM) wurden untersucht, wie in Abb. 3d gezeigt. Wenn Fe ³⁺ wurde nach und nach hinzugefügt, die Absorption von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ bei 250 und 350 nm steigt allmählich an, was darauf hindeutet, dass BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur koordiniert mit Fe ³⁺ allmählich.

a Fluoreszenzantworten von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ mit verschiedenen Kationen. Die Anregungswellenlänge betrug 415 nm. Spektren wurden alle 2 Minuten nach der Zugabe von Metallionen aufgezeichnet. b Konkurrenz von Fe ³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ gegenüber Kationen. Fluoreszenzemissionsänderung von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) bei Zugabe von Metallionen (jedes Metallion ist 5 × 10 ⁻⁵ M) in CH₃ CN/H₂ O 1:1 (HEPES-Puffer pH 7,36) bei Raumtemperatur. c Zeitverhalten von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ mit Fe ³⁺ und Cu ²⁺ . d UV-Vis-Titrationen von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) mit Fe ³⁺ . e Fluoreszenztitration von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) mit Fe ³⁺ . Einschub:die Fluoreszenzintensitäten bei 518 nm bei verschiedenen Konzentrationen von Fe ³⁺ . f Hiobs Plot von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ mit Fe ³⁺

Anschließend wird eine Fluoreszenztitration mit Fe(ClO₄ )₃ in CH₃ CN/H₂ O 1:1 (v /v) wurde angewendet, um die Kombination von BHN-Fe₃ . zu verstehen O₄ @SiO₂ in Richtung Fe ³⁺ Ionen. Wie in Abb. 3e dargestellt, ist die Fluoreszenzemission von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) nimmt allmählich ab, wenn verschiedene Konzentrationen (0 bis 100 μM) von Fe ³⁺ wurden in CH₃ . hinzugefügt CN/H₂ O 1:1 (v /v ) HEPES-Puffer, der anzeigt, dass BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur koordiniert mit Fe ³⁺ den Komplex quantitativ zu bilden. Fluoreszenztitrationsexperiment legt nahe, dass die Assoziationskonstante logβ für Fe ³⁺ Bindung an BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ wird mit 8,23 berechnet. Eine lineare Zunahme der Fluoreszenz von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur wurde bei Zugabe von Fe ³⁺ . beobachtet zwischen 0 und 20 μM und die Nachweisgrenze von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ bis Fe ³⁺ wurde von 1,25 × 10 ⁻⁸ . gefunden M unter dem fluorimetrischen Assay. Die Ergebnisse der Fluoreszenztitration und des Job-Plots legten ein Bindungsverhältnis von 1:1 für Fe ³⁺ . nahe mit BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (Abb. 3f). Die Ergebnisse der Kationen-Kompetitionsexperimente sind in Abb. 3b dargestellt, und es konnte festgestellt werden, dass die Selektivität und Empfindlichkeit von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ bis Fe ³⁺ werden nicht durch andere Metallionen beeinflusst.

Hier kann die bemerkenswerte Abnahme der Fluoreszenzintensität wie folgt erklärt werden:Die Fluoreszenzintensität von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ , das mit einer 415 nm-Lampe angeregt wird, zeigt die hohe Fluoreszenz bei 518 nm aufgrund des 1,8-Naphthalimids, das ein großes konjugiertes System hat. Außerdem beeinflusst die elektronenspendende Gruppe in der Struktur gleichzeitig die Fluoreszenz des Systems. Bei stabiler Chelatisierung mit Fe ³⁺ durch das O-Atom und das N-Atom an der 4-Position von 1,8-Naphthalimid erzeugt der Elektronen- oder Energietransfer zwischen dem Metallkation und dem Fluorophor einen elektronischen Absorptionseffekt, so dass die Fluoreszenz gelöscht wird [38] (Abb. 4a).

a Schematische Darstellung von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ mit Fe ³⁺ . b Reversibilität von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ in Richtung Fe ³⁺ . Einschub:das Foto von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ mit Fe ³⁺ durch Behandlung mit EDTA (2,5 × 10 ⁻⁵ M) unter 415-nm-UV-Licht. c Plot der Fluoreszenz von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) mit abwechselnder Zugabe von 2,5 × 10 ⁻⁵ M Fe ³⁺ („aus“) und EDTA („ein“). d BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/l) wurde in CH₃ . auf einen externen Magneten dispergiert CN/H₂ O 1:1 (HEPES-Puffer pH 7,36)

Die Fluoreszenzlöschung durch Zugabe von Fe ³⁺ zur Lösung von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ war vollständig reversibel. Beim Hinzufügen von EDTA (2,5 × 10 ⁻⁵ M) zum Fe ³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ System wurde die Fluoreszenzintensität fast wieder auf das ursprüngliche Niveau von BHN-Fe₃ . zurückgeführt O₄ @SiO₂ (Abb. 4b). Außerdem wurde die Wiederverwendbarkeit durch wiederholtes Hinzufügen von Fe ³⁺ . bewertet -EDTA kreist in das System ein, mit der Änderung von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ die Fluoreszenzintensität wird nach jedem Schritt aufgezeichnet, und die entsprechenden Daten sind in Abb. 4c gezeigt. Es ist klar, dass das BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ weist eine ausgezeichnete Wiederverwendbarkeit auf, da nur der seltene Verlust an BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Empfindlichkeit gegenüber Fe ³⁺ wurde nach fünf wiederholten Fe ³⁺ . beobachtet -EDTA-Zyklen. Aufgrund seiner magnetischen Eigenschaft ist BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ hatte eine umgekehrte magnetische Verantwortung. Wie in Abb. 4d gezeigt, konnte es nach 10 Minuten leicht von der Dispersion (0,2 g/l) getrennt werden, indem ein Magnet nahe der Dispersion platziert wurde, und dann durch leichtes Rühren redispergiert, wenn der Magnet entfernt wurde. Diese magnetische Trennfähigkeit und die Erkennungseigenschaft von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur bietet einen einfachen und effizienten Weg zur Abtrennung von Fe ³⁺ anstatt durch Filtrationsansatz. Wichtiger ist, dass die umgekehrte magnetische Verantwortung von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur wäre ein Schlüsselfaktor bei der Bewertung ihrer Recyclingfähigkeit [39]. In Kombination mit seinen magnetischen Eigenschaften wird gezeigt, dass BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ war im biologischen System als effizienter anorganisch-organischer Hybridsensor für Fe ³⁺ . maßgeblich anwendbar .

Für die biologische Anwendung ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Sensor zur Messung spezifischer Metallionen im physiologischen pH-Bereich geeignet ist. Wie in Abb. 5a gezeigt, sind die Fluoreszenzintensitäten von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ mit/ohne Fe ³⁺ bei verschiedenen pH-Werten untersucht. Die Fluoreszenzintensität von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ nimmt leicht ab, wenn Fe ³⁺ . hinzugefügt wird unter sauren Bedingungen, da die Protonierung des N-Atoms an der 4-Position von 1,8-Naphthalimid zu einer schwachen Koordinationsfähigkeit von Fe ³⁺ . führt . Dann eine dramatische Fluoreszenzänderung für Fe ³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ wurde gefunden, wenn der pH neutral war und unter schwach alkalischen Bedingungen. Hier, BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ weist ausgezeichnetes Fe ³⁺ . auf Wahrnehmungsfähigkeiten, wenn der pH-Wert im Bereich von 5,84 bis 10,52 liegt, was darauf hindeutet, dass BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ ist eine zu erwartende Sonde, die in diesen komplizierten Umgebungen oder biologischen Systemen eingesetzt werden kann.

a Fluoreszenzintensitäten von BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ und Fe ³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ bei verschiedenen pH-Werten bei Raumtemperatur. CH₃ CN/H₂ O 1:1, λ _ex = 415 nm. b Hellfeldaufnahme und Fluoreszenzaufnahme der HeLa-Zellen mit BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ . (c ) Hellfeldaufnahme und Fluoreszenzaufnahme der HeLa-Zellen mit BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ und Fe ³⁺

Um die Fähigkeit von BHN-Fe₃ . weiter zu demonstrieren O₄ @SiO₂ um Fe ³⁺ . zu erkennen in lebenden Systemen führten wir ein Experiment in lebenden HeLa-Zellen durch. Zunächst haben wir die Zelllebensfähigkeit von BHN-Fe₃ . untersucht O₄ @SiO₂ und Fe ³⁺ -BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ unter Verwendung des MTT-Assays. HeLa-Zellen wurden mit BHN-Fe₃ . inkubiert O₄ @SiO₂ in RPMI-1640 für 0,5 h bei 37 °C und dann Fe(ClO₄ .) )₃ wurde zur Inkubation für 0,5 h zugegeben. Dann wurden die konfokalen Fluoreszenzbilder der HeLa-Zellen beobachtet, die eine ausgezeichnete Färbekapazität zeigen, wenn die Konzentration des Sensors und Fe(ClO₄ )₃ beträgt bis zu 0,2 g/l und 5 × 10 ⁻⁵ M. Dann führten wir ein Fluoreszenzmikroskopie-Experiment durch, um seine höhere Abstufung der Anwendung in komplexen biologischen Systemen zu untersuchen. Wie in Abb. 5b gezeigt, wurden HeLa-Zellen auf einer Platte mit 12 Öffnungen bei 37 °C und in 5 % CO₂ . gezüchtet Atmosphäre für 24 h, dann behandelt mit BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ (0,2 g/L) und 0,5 h inkubiert, und die Zellen zeigten eine starke grüne Fluoreszenz. Dann wurden die Zellen mit 5 × 10 ^–5 . behandelt M Fe(ClO₄ )₃ . Nach 0,5 h beobachteten wir eine deutliche Abnahme der Fluoreszenz (Abb. 5c). Daraus können wir schließen, dass BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ kann verwendet werden, um Fe ³⁺ . abzubilden in lebenden Zellen.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine neuartige multifunktionale Fluoreszenzsonde BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktur für Fe ³⁺ wurde erfolgreich entwickelt und synthetisiert. Die Sonde BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ kann selektiv auf Fe ³⁺ . reagieren mit Fluoreszenzlöschung und effizienter Abtrennung von Fe ³⁺ mit externem Magnetfeld. Das aufgebaute Fluoreszenzüberwachungssystem vom Ein-Aus-Typ zeigt an, dass die Sonde umgedreht und wiederverwendet werden könnte. Gleichzeitig wurde die Sonde erfolgreich zum quantitativen Nachweis von Fe ³⁺ . eingesetzt mit niedrigen Nachweisgrenzen. Darüber hinaus ist das BHN-Fe₃ O₄ @SiO₂ Nanostruktursonde wird erfolgreich zum Nachweis von Fe ³⁺ . verwendet in lebenden HeLa-Zellen, was sein großes Potenzial bei der Bioimaging-Detektion zeigt.

Abkürzungen

BHN:

N -Butyl-4-bis(2-hydroxyethyl)amino-1,8-naphthalimid

EDTA:

Ethylendiamintetraessigsäure

FT-IR:

Fourier-Transformations-Infrarot

IPTES:

3-Isocyanatopropyl-triethoxysilan

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TEOS:

Tetraethylorthosilikat

TGA:

Thermische gravimetrische Analyse

THF:

Tetrahydrofuran

XRD:

Röntgenpulverbeugung