Sintesis Titik Polimer Karbonasi Merah Cerah yang Diajiri Asam Sulfat untuk Citra Bio-Dua-Foton

Latar Belakang

Titik karbon (CD) telah menarik perhatian luas karena kelegakan air yang baik, stabilitas optik, toksisitas rendah, dan sintesis hemat biaya. Mereka dieksplorasi dalam sensor elektrokimia, citra bio, katalisis, perangkat penerangan, dan optoelektronika. Rute bottom-up dari monomer organik, polimer, atau produk alam dipilih untuk produksi skala besar. Grup fungsional seperti –OH, –COOH, –C=O, dan –NH₂ mengalami dehidrasi dan karbonisasi pada suhu tinggi untuk menghasilkan nanoparticle floresien.

CD yang memancarkan merah sangat berharga untuk citra bio karena penetrasi jaringan yang lebih dalam dan gangguan latar belakang minimal. Namun, sebagian besar CD menunjukkan emisi yang bergantung pada eksitasi, membuat satu sumber foton merah stabil yang langka. Isomer fenilendiamina (o-, m-, p-) telah digunakan untuk menghasilkan CD biru, hijau, dan merah, masing-masing. Kerja terbaru mengidentifikasi titik berbasis p-PD sebagai titik polimer karbonasi (CPD) karena emisi yang independen dari eksitasi.

Di sini kami menyajikan sintesis hidrotermal berbantu asam sulfat yang mudah dan berhasil tinggi dari CPD yang memancarkan merah dan menunjukkan kemampuan citra dua-foton dalam sel HeLa.

Metode

Sintesis CPD Merah dari Sistem p-PD yang Diajiri Asam

Kami menyelidiki H₂SO₄, HCl, dan HClO₄ sebagai donatur proton, dan menandai CPD yang dihasilkan sebagai SA-CPD, HC-CPD, dan PA-CPD. Variabel reaksi—rasio asam-ke-p-PD, konsentrasi precursor, suhu, dan waktu—secara sistematis dioptimalkan. Setelah perawatan hidrotermal (200 °C, 2 jam), produk dipurnikan dengan heksana (menghapus p-PD yang tidak bereaksi) dan etanol (menghapus asam), diikuti oleh sentrifugasi pada 14.000 rpm, filtrasi melalui membran 0,22 µm, dan evaporasi rotary opsional untuk menghasilkan bubuk kering.

Karakterisasi dan Pengukuran

TEM resolusi tinggi (JEM-2100, 200 kV) menilai morfologi dan garis jaring lattice. Spektrum FT-IR direkam dengan spektrometer Prestige-21 menggunakan jendela KRS-5. Spektrum fluoresensi dan UV-Vis diperoleh dengan spektrofotometer F-2500 dan Lambda 950, masing-masing. Emisi dua-foton diukur pada spektrograf serat (QE65000, Ocean Optics) yang terhubung dengan laser femtosekon. Hasil kuantum dihitung menggunakan Rodamin B (QY = 56 % dalam etanol) sebagai referensi, mengikuti prosedur dalam Berkas Pendamping 1.

Metode Perhitungan

Perhitungan teori fungsi densitas (DFT) dilakukan dengan Gaussian 09 (B3LYP/6-311++G(d)) dalam model PCM air untuk mengevaluasi energetik jalur pertumbuhan longitudinal dan lintas.

Kultur Sel dan Perawatan

Sel HeLa (4 × 10⁴ sel mL⁻¹) ditanam dalam DMEM (Gibco) dan diinkubasi pada 37 °C dengan 5 % CO₂ selama 24 jam. SA-CPD (40 µg mL⁻¹) ditambahkan selama 12 jam, diikuti oleh pencucian PBS. Citra dilakukan pada mikroskopi konfokal menggunakan laser femtosekon 850-nm (30 mW).

Hasil dan Pembahasan

Optimasi Persiapan untuk CPD Merah

Semua sistem asam menghasilkan CPD merah pada suhu di atas 180 °C (2 jam). Suhu lebih tinggi (240 °C, 4–12 jam) meningkatkan ukuran partikel dan mengurangi fluoresensi. Kondisi optimal adalah 200 °C, 2 jam, dengan rasio asam-ke-p-PD 1 untuk H₂SO₄, dan 3 untuk HCl dan HClO₄. Rentang konsentrasi p-PD (0,02–0,20 mol L⁻¹) toleran. Di bawah parameter ini, SA-CPD mencapai QY 21,4 % dan hasil 16,5 %, mengungguli HC-CPD dan PA-CPD.

Karakterisasi TEM dan Analisis FT-IR

HR-TEM mengungkapkan CPD bola monodisperse (diameter rata-rata ≈5 nm) dengan jarak lattice 0,21 nm yang sesuai dengan bidang grafen (100). Spektrum FT-IR menunjukkan oksidasi permukaan yang lebih tinggi pada SA-CPD, dengan fitur –OH dan –COOH yang jelas dan sinyal –NH₂ yang terkurangi, yang menunjukkan permukaan yang lebih teroksidasi dan hidrofilik.

Mekanisme yang Diajukan untuk Pembentukan CD

Perhitungan DFT menunjukkan bahwa pertumbuhan lintas (−1.406 kJ mol⁻¹) secara signifikan lebih menguntungkan daripada pertumbuhan longitudinal (−616 kJ mol⁻¹), yang mengarah pada intermedias datar yang menyusun diri menjadi CPD bola.

Properti Optik

SA-CPD menunjukkan absorpsi UV kuat pada 290 nm (π→π*), dengan puncak tambahan pada 430 dan 510 nm (transisi fenazin–amina). Spektrum eksitasi puncak di dekat 580 nm, yang cocok dengan emisi 600 nm, dan fluoresensi tetap independen dari eksitasi di seluruh 220–580 nm, mengonfirmasi sifat CPD.

Citra Seluler

Eksitasi dua-foton pada 850 nm menghasilkan emisi 602 nm sebelum penepungan dan emisi 529 nm setelahnya, dengan intensitas yang meningkat. Citra konfokal sel HeLa yang diinkubasi dengan SA-CPD menunjukkan lokalisasi sitoplasma, dengan fluoresensi saluran hijau yang lebih kuat karena emisi yang bergeser biru.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan metode hidrotermal berbantu asam sulfat yang sederhana dan dapat diskalakan untuk menghasilkan CPD merah cerah (≈5 nm, QY = 21,4 %, hasil = 16,5 %). CPD memancarkan pada 600 nm pada eksitasi 300–580 nm, dan pada 602 nm pada eksitasi dua-foton 850 nm. Fluoresensi yang independen dari eksitasi, cerah tinggi, dan penyerapan seluler yang efisien membuatnya sebagai kandidat yang menjanjikan untuk citra jaringan dalam dan aplikasi bio lainnya.

Singkatan

CDs:

Titik karbon

CPDs:

Titik polimer karbonasi

HC-CPDs:

CPD yang disintesis dari p-PD dengan bantuan HCl

PA-CPDs:

CPD yang disintesis dari p-PD dengan bantuan HClO₄

SA-CPDs:

CPD yang disintesis dari p-PD dengan bantuan H₂SO₄

QYs:

Hasil kuantum

p-PD:

p-Fenilendiamina