Fluoreszierende Soja-basierte Nano-Biomasse-Dots durch Ultraschallextraktion für sensitive Fe³⁺-Detektion

Zusammenfassung

Sojabiomasse, ein nachwachsender Rohstoff, wurde durch eine erhitzungsfreie Ultraschallextraktionsstrategie in lumineszente Nano-Biomasse-Dots (NBDs) umgewandelt. Die resultierenden amorphen Partikel besitzen einen durchschnittlichen Durchmesser von 2,4 nm und emittieren hellblaue Fluoreszenz mit einem Quantenausbeute von 16,7 %. Zytotoxizitätstests demonstrieren vollständige Biokompatibilität bis 800 µg mL⁻¹. Wichtig ist, dass die NBD-Fluoreszenz hochsensibel auf Fe³⁺ reagiert, was eine Detektion mit einer Grenze von 2,9 µM ermöglicht – weit unter dem US-EPA-Grenzwert für Trinkwasser. Diese grüne Plattform bietet eine skalierbare, niedrigtoxische Sonde für Umwelt- und biomedizinische Anwendungen.

Hintergrund

Lumineszente Nanomaterialien haben Bereiche von Leuchtdioden bis Bioimaging und Metallionensensorik revolutioniert [1,2,3,4,5,6]. Konventionelle Quantenpunkte (QDs) liefern herausragende optische Eigenschaften, leiden aber unter inhärenter Toxizität [13,14]. Folglich besteht ein starker Antrieb, grünere, nachhaltige lumineszente Plattformen zu identifizieren.

Biomasse – organisches Material, das durch Photosynthese erzeugt wird – bietet eine erneuerbare Quelle für Nanomaterialsynthese. Essbare Biomasse, reich an Zuckern und Proteinen, kann in Nanodots mit minimaler Umweltauswirkung transformiert werden, was hohe Biokompatibilität für biologische und umweltbezogene Anwendungen sicherstellt [15,16]. Bislang erforderten die meisten biomassebasierten fluoreszierenden Nanodots Hochtemperaturkarbonisierung, was die Skalierbarkeit limitiert und die native Struktur des Rohstoffs erhält [22].

Fluoreszente Nano-Biomasse-Dots (NBDs) wurden noch nicht als grüne, effiziente Sonde für Fe³⁺-Detektion berichtet. Fe³⁺ spielt eine wichtige Rolle in der Hämoglobinsynthese, aber übermäßige Mengen führen zu oxidativem Schaden und Organversagen, was den Bedarf an sensitiven, umweltfreundlichen Sensoren unterstreicht [24].

Hier demonstrieren wir die ersten ultraschallextrahierten Soja-basierten NBDs mit hellem Blauemission, 16,7 % Quantenausbeute und exzellenter Biokompatibilität. Ihre Fluoreszenz wird selektiv durch Fe³⁺ gequenched, was eine Detektionsgrenze von 2,9 µM liefert.

Methoden

Materialien

Analytische Reagenzien wurden ohne weitere Reinigung verwendet. Sojabohnen wurden von einem lokalen Supermarkt bezogen, gewaschen und bei Raumtemperatur gelagert. Calciumchlorid, Manganchlorid, Kupferchlorid, Cobaltchlorid, Bleiitrat, Chromnitrat, Eisen(III)-chlorid, Eisen(II)-chlorid, Cadmiumchlorid, Quecksilberdichlorid, Natriumchlorid und Zinkchlorid wurden von Aladdin Ltd. (Shanghai, China) und Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China) bezogen.

Synthese der NBDs

Hundert Sojabohnensamen wurden mit einem Ethanol-Wasser-Gemisch gespült, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Sie wurden dann in 50 ml destilliertem Wasser eingetaucht und 2 h lang ultraschallbehandelt. Die Lösung verfärbte sich von transparent zu dunkelgelb, was nanoskalige Fragmentierung anzeigte. Nach zwei 3-minütigen Zentrifugationsschritten bei 7.000 rpm wurde der Überstand durch eine 0,22 µm Membran gefiltert, um Aggregate zu entfernen. Der Filtrat wurde 6 h bei –5 °C eingefroren, 12 h bei –50 °C lyophilisiert, und das resultierende Pulver wurde in Wasser redispersiert, um die finalen NBDs zu erhalten.

Charakterisierung

Röntgenbeugung (XRD) wurde an einem X' Pert Pro Diffraktometer mit Cu-Kα-Quelle durchgeführt. Transmissionelektronenmikroskopie (TEM) und hochwinkelige annular-dunkelfeld-Raster-TEM (HAADF-STEM) wurden an einem JEM-2010 Mikroskop durchgeführt. Fluoreszenz- und UV-Vis-Absorptionsspektren wurden an einem F-7000 Fluoreszenzspektrophotometer bzw. UH4150 Spektrophotometer aufgenommen. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) Spektren wurden mit einem Thermo Scientific Nicolet iS10 FTIR-Spektrometer gesammelt. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde an einem Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi mit Al-Kα-Quelle durchgeführt.

Photolumineszenz-Quantenausbeutemessung

Quantenausbeute (QY) wurde mit einem F-9000 Spektrofluorometer gekoppelt mit einer Integrationskugel gemessen. Eine wässrige NBD-Lösung (Absorbanz <0,1) wurde bei 370 nm angeregt, und Emission wurde von 430 bis 450 nm aufgezeichnet. Referenzspektren von reinem Wasser wurden unter identischen Bedingungen aufgenommen, und QY wurde mit der integrierten Fluoreszenzsoftware berechnet.

Zelltoxizitätstest

MTT-Assays evaluierten NBD-Zytotoxizität. HeLa-Zellen wurden in 96-Well-Platten gesät, 72 h in RPMI-1640 mit 10 % fötalem Kälberserum inkubiert und verschiedenen NBD-Konzentrationen ausgesetzt. Zellviabilität wurde durch Messung der Absorption bei 570 nm bewertet.

Detektion von Fe³⁺

Ein 1 ml Aliquot der NBD-Lösung (3 g L⁻¹) wurde mit 1 ml Fe³⁺-Lösung verschiedener Konzentrationen gemischt. Nach 1-minütiger Inkubation bei Raumtemperatur wurden Fluoreszenzspektren unter 370 nm Anregung aufgenommen.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologie und chemische Zusammensetzung

Der Ultraschallextraktionsprozess (Schema 1) liefert nahezu kugelförmige NBDs mit Durchmessern von 1 bis 3 nm (Durchschnitt 2,4 nm). TEM-Bilder (Abb. 1a,b) bestätigen ihre amorphe Natur, da keine Gitterstreifen beobachtet werden. HAADF-STEM und Elementarkartierung (Abb. 1d-g) zeigen eine Zusammensetzung, dominiert von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Festkörper-¹³C-NMR (Abb. 1h) zeigt Signale bei 164 und 170 ppm, indikativ für C=O-Bindungen und sp²-Kohlenstoff.

Schematische Illustration des Herstellungsprozesses der NBDs aus Sojabohnen

TEM-Bilder der NBDs (a) und (b). c Partikelgrößenverteilung der NBDs. HAADF-Bild (d) und zugehörige Elementverteilungskartierung von Kohlenstoff (e), Stickstoff (f) und Sauerstoff (g)

XRD (Abb. 2a) zeigt einen breiten Peak bei ~21,5° und eine Schulter bei ~41,0°, charakteristisch für amorphes Kohlenstoff. FTIR-Spektren (Abb. 2b) zeigen O–H/N–H-Streckung (~3380 cm⁻¹), C–H-Streckung (~2906 cm⁻¹) und C=O-Streckung (~1650 cm⁻¹). Bemerkenswert verschwindet die ~1750 cm⁻¹ Bande, zugeschrieben Soja-Lipiden, nach Ultraschallextraktion, was Entfernung unlöslicher Lipide anzeigt. XPS (Abb. 2c-f) bestätigt eine Zusammensetzung von 64,33 % C, 32,34 % O und 2,72 % N, mit funktionellen Gruppen einschließlich C=O, C–O/C=N, C–C/C=C, pyridinischem N, pyrrolischem N, C–OH/C–O–C und C=O. Diese Oberflächengruppen verleihen Hydrophilie und Stabilität in wässrigen Medien.

a XRD-Muster der NBDs. b FTIR-Spektren von Soja und NBDs. c XPS-Übersichtsspektrum der NBDs. Hochauflösende XPS-Spektren von C 1s (d), N 1s (e) und O 1s (f)

Der Bildungsmechanismus umfasst ultraschallbedingte Zerstörung von Sojapartikeln in nanometrische Fragmente, Hydrolyse von Proteinen in Peptide und Aminosäuren sowie Oberflächenfunktionalisierung der Nanodots mit reichlichen –OH, –C=O und –NH-Gruppen, die die primären Beiträge zur Fluoreszenz sind.

Optische Eigenschaften

Die NBDs zeigen anregungsabhängige Fluoreszenz: bei Variation der Anregungswellenlänge von 320 bis 520 nm verschiebt sich der Emissionspeak rot, was spektrale Abstimmung ermöglicht (Abb. 3a). In wässriger Lösung sind die NBDs unter Umgebungslicht transparent und fluoreszieren blau unter UV-Beleuchtung (Inset, Abb. 3b). PLE-Spektren (Zusatzdatei 1: Abb. S3) offenbaren ein Anregungsfenster von 360–420 nm. UV-Vis-Absorption (Abb. 3b) zeigt Peaks bei 270 nm (π–π* von C–C/C=C) und 330 nm (n–π* von C=O/N). Die Photolumineszenzintensität nimmt monoton mit der Temperatur ab (Abb. 3c), konsistent mit erhöhter nicht-strahlender Rekombination. Photostabilitätstests zeigen >90 % Retention nach 6 h UV-Belichtung, und die NBDs bleiben stabil über 20–80 °C (Abb. 3d).

a Fluoreszenzspektren der NBDs mit Anregungswellenlängenänderung von 320 bis 520 nm. b UV-Vis-Absorptionsspektren der NBDs. c Fluoreszenzspektren der NBDs bei verschiedenen Temperaturen, der Inset zeigt den Plot der Fluoreszenzintensität der NBDs als Funktion der Temperatur. d Fluoreszenzintensität und Bilder der NBD-Pulver unter Beleuchtung einer 365-nm-Lampe für verschiedene Dauer und jene der NBD-Pulver bei verschiedenen Messtemperaturen

Zytotoxizitätsbewertung

MTT-Assays mit HeLa-Zellen (Abb. 4) zeigen vernachlässigbare Zytotoxizität: Zellviabilität bleibt >90 % sogar bei 800 µg mL⁻¹ NBDs. Im Gegensatz dazu zeigen zwei chemisch synthetisierte Kohlenstoffdots Viabilitäten von 70 % und 67 % bei gleicher Konzentration, was die überlegene Biokompatibilität biomassebasierter NBDs unterstreicht.

Viabilität von HeLa-Zellen nach 72 h Inkubation mit verschiedenen Konzentrationen von NBDs und CDs

Sensoreigenschaften der NBDs gegenüber Fe³⁺

Fluoreszenz-Quenching durch Fe³⁺ ist ausgeprägt (Abb. 5a). Eine lineare Beziehung zwischen F₀/F und Fe³⁺-Konzentration (0–30 µM) ergibt ein R² von 0,99 (Abb. 5b). Die Stern-Volmer-Gleichung gibt K_SV = 0,0072 µM⁻¹, und die Detektionsgrenze (LOD) beträgt 2,9 µM – unter dem US-EPA-Trinkwassergrenzwert von 5,37 µM [24]. Selektivitätstests (Abb. 5c) bestätigen vernachlässigbare Antwort auf Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺ und Zn²⁺, während Fe³⁺ das signifikanteste Quenching erzeugt. Visuelle Inspektion unter UV-Licht (Abb. 5d) demonstriert einen klaren Farbwechsel, was Detektion mit bloßem Auge ermöglicht.

a PL-Spektren der NBDs in Gegenwart verschiedener Fe³⁺-Konzentrationen. b Kalibrierungskurve des Sensors als Funktion der Fe³⁺-Konzentration. c Fluoreszenzintensitäten der NBDs in Gegenwart verschiedener Ionen. d Fotografische Bilder der NBDs-Lösung mit verschiedenen Metallionen unter Innen- und UV-Beleuchtung

Quenching-Mechanismus

UV-Vis-Absorptionsspektren (Zusatzdatei 1: Abb. S8) zeigen keine Verschiebung bei Fe³⁺-Zugabe, was strukturelle Integrität anzeigt. Fluoreszenzlebensdauermessungen (Abb. 6a) zeigen eine Reduktion der Abklingzeit, was fotoinduzierten Elektronentransfer vom NBD-LUMO zu Fe³⁺-d-Orbitalen suggeriert. Das Quenching wird starker Koordination zwischen Fe³⁺ und Oberflächen-–OH/–NH/–COOH-Gruppen zugeschrieben, wobei Fe³⁺ als Lewis-Säure fungiert, die Elektronentransfer erleichtert (Abb. 6b). Diese selektive Interaktion erklärt die ausgeprägte Sensitivität gegenüber Fe³⁺ gegenüber anderen Metallionen.

a Fluoreszenzabklingkurven der NCDs in Abwesenheit und Gegenwart von Fe³⁺ unter Anregung bei 370 nm und Emission bei 445 nm. b Schematische Illustration des möglichen Fluoreszenz-Quenching-Mechanismus der NBDs in Gegenwart von Fe³⁺-Ionen

Fazit

Wir haben eine grüne, erhitzungsfreie Ultraschallmethode etabliert, um Soja-basierte NBDs mit hellem Blauemission (16,7 % QY) und außergewöhnlicher Biokompatibilität (100 % Viabilität bei 800 µg mL⁻¹) herzustellen. Ihre Fluoreszenz wird selektiv durch Fe³⁺ gequenched, was eine Detektionsgrenze von 2,9 µM liefert, weit unter regulatorischen Schwellenwerten. Diese Ergebnisse positionieren NBDs als vielversprechende Sonden für biomedizinisches Imaging und Umweltüberwachung.

Abkürzungen

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarot

HAADF-STEM:

Hochwinkeliger annularer dunkelfeld-Raster-Transmissionselektronenmikroskopie

LOD:

Detektionsgrenze

NBDs:

Nano-Biomasse-Dots

NMR:

Kernspinresonanz

PL:

Photolumineszenz

QDs:

Quantenpunkte

QY:

Quantenausbeute

TEM:

Transmissionelektronenmikroskopie

UES:

Ultraschallextraktionsstrategie

USEPA:

United States Environmental Protection Agency

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung