Sonder Hibrida Magnetika-Silika yang Dapat Didaur Ulang untuk Deteksi Fe³⁺ dan Citra Sel Hidup

Abstrak

Kami merangka struktur nano BHN‑Fe₃O₄@SiO₂ multifungsional yang secara selektif memadamkan fluorescensi saat terikat Fe³⁺. Sonde dapat direkuperkan secara magnetik dan sepenuhnya reversibel dengan EDTA, memungkinkan penggunaan berulang. Ia menawarkan respons linier dari 0 hingga 20 µM dengan batas deteksi 1,25 × 10⁻⁸ M. Pentingnya, struktur nano ini citra Fe³⁺ dalam sel HeLa hidup, menekankan kompatibilitas biologis dan potensi untuk aplikasi bioimaging.

Latar Belakang

Besi (Fe³⁺) esensial untuk banyak proses seluler—fungsi otak, transkripsi gen, pertahanan imun, dan reproduksi. Ketidakseimbangan kadar Fe³⁺ terkait pada gangguan metabolik dan penyakit neurodegeneratif. Teknik deteksi konvensional termasuk serapan atom dan kromatografi, tetapi sensing fluoresensia menonjol karena kesederhanaan, sensitivitas, dan batas deteksi rendah.

Fluorofor organik tipikal, namun, menderita toksisitas, daur ulang terbatas, dan reusabilitas buruk. Mengintegrasikan dukungan anorganik—terutama nanopartikel magnetik Fe₃O₄@SiO₂—mengatasi kekurangan ini. Inti Fe₃O₄ menyediakan superparamagnetisme untuk pemisahan magnetik yang mudah, sementara cangkang SiO₂ menawarkan toksisitas rendah, kompatibilitas biologis tinggi, dan luas permukaan yang luas untuk fungsionalisasi.

Metode

Sintesis Nanopartikel Fe₃O₄@SiO₂

Inti Fe₃O₄ (10–15 nm) dilapisi dengan cangkang SiO₂ amorf tipis (diameter rata-rata 50–60 nm) melalui proses Stöber yang dimodifikasi menggunakan TEOS dalam campuran etanol/air. Partikel inti-cangkang yang dihasilkan berfungsi sebagai rangka untuk sonde fluoresens.

Sintesis BHN‑Fe₃O₄@SiO₂

Turunan naftalimida 1,8‑BHN pertama disintesis (lihat literatur) dan kemudian bereaksi dengan 3‑isosianatopropil‑trietoksisilan (IPTES) untuk menghasilkan BHN‑IPTES. Sonde yang difungsikan silan diangkatkan pada permukaan SiO₂ melalui reaksi hidrolisis–kondensasi dalam toluena anhidra pada 110 °C di bawah N₂. BHN‑IPTES berlebih dihapus melalui sentrifugasi dan pencucian etanol, menghasilkan struktur nano BHN‑Fe₃O₄@SiO₂ akhir.

Karakterisasi

Mikroskopi elektron transmisi mengonfirmasi arsitektur inti-cangkang yang terdefinisi dengan baik. Difraksi X‑ray menunjukkan puncak magnetit karakteristik, sementara pita SiO₂ amorf yang lebar muncul antara 20° dan 30°. Spektrum FT‑IR menunjukkan getaran Si–O–Si dan getaran C–H aromatik/alkil dari BHN, mengonfirmasi penggantungan yang berhasil. Analisis termogravimetri memperkirakan muatan BHN sebesar 3,34 × 10⁻⁵ M per gram sonde. Magnetometri sampel getar menunjukkan perilaku superparamagnetik (magnetisasi saturan ≈ 4,0 emu g⁻¹) dan koersi yang dapat diabaikan, memungkinkan pemulihan magnetik yang cepat.

Respons Fluoresens

Dalam buffer 1:1 CH₃CN/H₂O (pH 7,36) pada 0,2 g L⁻¹, sonde menunjukkan emisi intens pada 518 nm saat diangsitkan pada 415 nm. Penambahan Fe³⁺ (5 × 10⁻⁵ M) menyebabkan padam fluoresensia segera dalam 2 menit, sedangkan ion logam lainnya yang diuji (Ag⁺, Al³⁺, Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, K⁺, Li⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺, Zn²⁺) menghasilkan perubahan yang tidak signifikan.

Titrasi fluoresensia menunjukkan stechiometri ikatan 1:1 dengan Fe³⁺ (plot Job). Konstanta asosiasi log β = 8,23. Rentang linier (0–20 µM) menghasilkan batas deteksi 1,25 × 10⁻⁸ M (S/N = 3). Absorpsi UV‑vis meningkat pada 250 nm dan 350 nm setelah penambahan Fe³⁺, menunjukkan pembentukan kompleks.

Reversibilitas dan Reusabilitas

Perawatan sonde yang terikat Fe³⁺ dengan 2,5 × 10⁻⁵ M EDTA memulihkan fluoresens ke dasar, mengonfirmasi sistem “on/off” yang reversibel. Lima siklus Fe³⁺–EDTA berturut-turut menyebabkan <5 % kehilangan respons, menunjukkan reusabilitas yang baik. Pemisahan magnetik dicapai dalam 10 menit dengan menempatkan magnet di sisi dispersi, setelah itu sonde dapat didispersikan kembali dengan pengadukan lembut.

Ketergantungan pH

Padam fluoresensia tetap kuat di seluruh pH 5,8–10,5, dengan sensitivitas optimal di sekitar pH netral. Dalam kondisi asam, protonasi nitrogen naftalimida mengurangi koordinasi Fe³⁺, meredam padam.

Bioimaging dalam Sel HeLa

Uji MTT mengonfirmasi toksisitas sel rendah dari sonde pada konsentrasi hingga 0,2 g L⁻¹. Mikroskopi konfokal sel HeLa yang diinkubasi dengan sonde (0,2 g L⁻¹) selama 30 menit menampilkan fluoresensi hijau cerah. Penambahan berikutnya 5 × 10⁻⁵ M Fe(ClO₄)₃ selama 30 menit menghasilkan penurunan fluoresensia yang jelas, memvalidasi kemampuan sonde untuk memantau dinamika Fe³⁺ sel dalam.

Kesimpulan

Kami telah mengembangkan sonde hibrida magnetika-silika yang aman yang secara selektif dan sensitif mendeteksi Fe³⁺, menawarkan modulasi fluoresensi yang reversibel, dan dapat direkuperkan secara magnetik untuk penggunaan berulang. Batas deteksi yang rendah dan kompatibilitas dengan citra sel hidup menjadikannya alat yang menjanjikan untuk penelitian biomedis dan potensi diagnostik klinis.

Singkatan

• BHN – N‑butil‑4‑bis(2‑hidroksietil)amino‑1,8‑naftalimida
• EDTA – asam etilendiamintetraasetat
• FT‑IR – spektroskopi inframerah transformasi Fourier
• IPTES – 3‑isosianatopropil‑trietoksisilan
• TEM – mikroskopi elektron transmisi
• TEOS – ortosilikat tetraetil
• TGA – analisis termogravimetri
• THF – tetrahidrofuran
• XRD – difraksi bubur X‑ray