Titik Nano-Biomass Fluresen Teren dari Kedelai melalui Ekstraksi Ultrasonik untuk Deteksi Fe³⁺ yang Sensitif

Metode

Bahan

Reagen kelas analitis digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Kedelai diperoleh dari pasar setempat, dicuci, dan disimpan di suhu ruang. Klorida kalsium, klorida mangan, klorida kuprum, klorida kobaltus, nitrat seng, nitrat krom, klorida ferik, klorida feros, klorida kadmium, klorida merkuri dichlorida, klorida sodium, dan klorida seng dibeli dari Aladdin Ltd. (Shanghai, Tiongkok) dan Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, Tiongkok).

Sintesis NBD

Seratus biji kedelai dicuci dengan campuran etanol-air untuk menghilangkan kotoran permukaan. Mereka kemudian direndam dalam 50 mL air tisu dan ditolak ultrasonik selama 2 jam. Warna larutan berubah dari bening menjadi kuning gelap, yang mengindikasikan fragmentasi skala nano. Setelah dua langkah sentrifugasi 3 menit pada 7.000 rpm, supernatant difilter melalui membran 0,22 µm untuk menghilangkan agregat. Filtrat dibekukan pada –5 °C selama 6 jam, dikeringkan beku pada –50 °C selama 12 jam, dan serbuk yang dihasilkan didispersikan ulang dalam air untuk menghasilkan NBD akhir.

Karakterisasi

Difraksi X-ray (XRD) dilakukan pada difraktometer X′ Pert Pro menggunakan sumber Cu-Kα. Mikroskop elektron transmisi (TEM) dan mikroskop elektron transmisi pemindaian sudut gelap tinggi (HAADF-STEM) dilakukan pada mikroskop JEM-2010. Spektra fluresen dan UV-Vis absorpsi direkam pada spektrofotometer fluresen F-7000 dan spektrofotometer UH4150, masing-masing. Spektra inframerah transformasi Fourier (FTIR) dikumpulkan dengan spektrometer FTIR Thermo Scientific Nicolet iS10. Spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS) dilakukan pada Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi yang dilengkapi dengan sumber Al-Kα.

Pengukuran Hasil Kuantum Fotoluminesensi

Hasil kuantum (QY) diukur menggunakan spektrofluorometer F-9000 yang dikombinasikan dengan bola integrasi. Larutan NBD akuatis (absorban <0,1) dieksitasi pada 370 nm, dan emisi direkam dari 430 hingga 450 nm. Spektra referensi air murni diambil dalam kondisi yang sama, dan QY dihitung menggunakan perangkat lunak fluresen terintegrasi.

Uji Toksisitas Sel

Uji MTT mengevaluasi sitotoksitas NBD. Sel HeLa ditanam dalam papan 96-lubang, diinkubasi selama 72 jam dalam RPMI-1640 dengan 10 % serum sapi janin, dan diekspos pada berbagai konsentrasi NBD. Keandalan sel dievaluasi dengan mengukur absorbansi pada 570 nm.

Deteksi Fe³⁺

Aliquot 1 mL larutan NBD (3 g L^-1) dicampur dengan 1 mL larutan Fe³⁺ pada berbagai konsentrasi. Setelah inkubasi 1 menit pada suhu ruang, spektra fluresen direkam di bawah eksitasi 370 nm.

Hasil dan Pembahasan

Morfologi dan Komposisi Kimia

Proses ekstraksi ultrasonik (Skema 1) menghasilkan NBD hampir berbentuk bola dengan diameter berkisar dari 1 hingga 3 nm (rata-rata 2,4 nm). Citra TEM (Gambar 1a,b) mengonfirmasi sifat amorfnya, karena tidak ada garis jaring yang diamati. HAADF-STEM dan pemetaan elemen (Gambar 1d–g) mengungkapkan komposisi yang didominasi oleh karbon, nitrogen, dan oksi. ¹³C NMR fasa padat (Gambar 1h) menunjukkan sinyal pada 164 dan 170 ppm, yang mengindikasi ikatan C=O dan karbon sp², masing-masing.

Ilustrasi skematis proses pembuatan NBD dari kedelai

Citra TEM NBD (a) dan (b). c Distribusi ukuran partikel NBD. Citra HAADF (d) dan pemetaan distribusi elemen karbon (e), nitrogen (f), dan oksi (g)

XRD (Gambar 2a) menampilkan puncak lebar pada ~21,5° dan bahu pada ~41,0°, yang khas untuk karbon amorf. Spektra FTIR (Gambar 2b) menunjukkan gerangan O–H/N–H (~3380 cm^-1), gerangan C–H (~2906 cm^-1), dan gerangan C=O (~1650 cm^-1). Secara menonjol, puncak ~1750 cm^-1, yang dihubungkan dengan lipida kedelai, menghilang setelah ekstraksi ultrasonik, yang mengindikasikan penghapusan lipida tidak larut. XPS (Gambar 2c–f) mengonfirmasi komposisi 64,33 % C, 32,34 % O, dan 2,72 % N, dengan grup fungsional termasuk C=O, C–O/C=N, C–C/C=C, nitrogen piridinik, nitrogen pirolik, C–OH/C–O–C, dan C=O. Grup permukaan ini memberikan hidrofilisitas dan stabilitas dalam media akuatik.

a Pola XRD NBD. b Spektra FTIR kedelai dan NBD. c Spektra survey XPS NBD. Spektra XPS resolusi tinggi C 1s (d), N 1s (e), dan O 1s (f)

Mekanisme pembentukan melibatkan gangguan ultrasonik partikel kedelai menjadi fragmen skala nano, hidrolisis protein menjadi peptida dan asam amino, dan fungsionalisasi permukaan nanodot dengan grup –OH, –C=O, dan –NH yang melimpah, yang merupakan kontributor utama ke fluresensi.

Properti Optik

NBD menunjukkan fluresensi yang bergantung pada eksitasi: seiring bervariasi panjang gelombang eksitasi dari 320 hingga 520 nm, puncak emisi merah-seser, yang memungkinkan penyesuaian spektral (Gambar 3a). Dalam larutan akuatis, NBD transparan di bawah cahaya ambien dan bersinar biru di bawah iluminasi UV (inset, Gambar 3b). Spektra PLE (berkas tambahan 1: Gambar S3) mengungkapkan jendela eksitasi 360–420 nm. Absorpsi UV–Vis (Gambar 3b) menunjukkan puncak pada 270 nm (π–π* dari C–C/C=C) dan 330 nm (n–π* dari C=O/N). Intensitas fotoluminesensi berkurang monoton dengan suhu (Gambar 3c), konsisten dengan rekombinasi non-radiasi yang meningkat. Uji fotostabilitas menunjukkan retensi >90 % setelah 6 jam paparan UV, dan NBD tetap stabil pada 20–80 °C (Gambar 3d).

a Spektra fluresen NBD dengan perubahan panjang gelombang eksitasi dari 320 hingga 520 nm. b Spektra absorpsi UV–Vis NBD. c Spektra fluresen NBD pada suhu berbeda, inset adalah plot intensitas fluresen NBD sebagai fungsi suhu. d Intensitas fluresen dan citra serbuk NBD di bawah iluminasi lampu 365-nm untuk durasi berbeda dan citra serbuk NBD pada suhu pengukuran berbeda

Evaluasi Sitotoksitas

Uji MTT dengan sel HeLa (Gambar 4) menunjukkan sitotoksitas yang cana: keandalan sel tetap >90 % bahkan pada 800 µg mL^-1 NBD. Sebaliknya, dua titik karbon yang disintesis kimiawi menunjukkan keandalan 70 % dan 67 % pada konsentrasi yang sama, menekankan kompatibilitas biologis yang unggul dari NBD yang berasal dari biomassa.

Keandalan sel HeLa setelah 72 jam inkubasi dengan berbagai konsentrasi NBD dan CD

Properti Sensor NBD terhadap Fe³⁺

Pematian fluresensi oleh Fe³⁺ terasa kuat (Gambar 5a). Hubungan linier antara F₀/F dan konsentrasi Fe³⁺ (0–30 µM) menghasilkan R² sebesar 0,99 (Gambar 5b). Persamaan Stern-Volmer memberikan K_SV = 0,0072 µM^-1, dan batas deteksi (LOD) adalah 2,9 µM—di bawah batas air minum EPA AS sebesar 5,37 µM [24]. Uji selektivitas (Gambar 5c) mengonfirmasi respons yang cana terhadap Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺, dan Zn²⁺, sementara Fe³⁺ menghasilkan pematian yang paling signifikan. Inspeksi visual di bawah cahaya UV (Gambar 5d) menunjukkan perubahan warna yang jelas, memungkinkan deteksi mata kasar.

a Spektra PL NBD dalam kehadiran berbagai konsentrasi Fe³⁺. b Kurva kalibrasi sensor sebagai fungsi konsentrasi Fe³⁺. c Intensitas fluresensi NBD dalam kehadiran ion berbeda. d Citra fotografi larutan NBD dengan ion logam berbeda di bawah iluminasi ruangan dan UV

Mekanisme Pematian

Spektra absorpsi UV–Vis (berkas tambahan 1: Gambar S8) tidak menunjukkan pergeseran saat penambahan Fe³⁺, yang mengindikasikan integritas struktural. Pengukuran umur fluresensi (Gambar 6a) mengungkapkan penurunan waktu pengurai, yang mengindikasikan transfer elektron yang diinduksi cahaya dari LUMO NBD ke orbital d Fe³⁺. Pematian disebabkan oleh koordinasi yang kuat antara Fe³⁺ dan grup –OH/–NH/–COOH permukaan, dengan Fe³⁺ bertindak sebagai asam Lewis yang memfasilitasi transfer elektron (Gambar 6b). Interaksi selektif ini menjelaskan sensitivitas yang mencolok terhadap Fe³⁺ dibandingkan ion logam lainnya.

a Jejak pengurai fluresensi NCD tanpa dan dengan kehadiran Fe³⁺ di bawah eksitasi 370 nm dan emisi 445 nm. b Ilustrasi skematis mekanisme pematian fluresensi NBD yang mungkin dalam kehadiran ion Fe³⁺

Kesimpulan

Kami telah menetapkan metode ultrasonik hijau tanpa pemanasan untuk menghasilkan NBD dari kedelai dengan emisi biru cerah (16,7 % QY) dan kompatibilitas biologis yang luar biasa (keandalan 100 % pada 800 µg mL^-1). Fluresennya secara selektif dimatikan oleh Fe³⁺, memberikan batas deteksi 2,9 µM, di bawah ambang regulatif. Temuan ini menempatkan NBD sebagai sonde yang menjanjikan untuk bioimaging medis dan pemantauan lingkungan.

Singkatan

FTIR:

Infra-merah transformasi Fourier

HAADF‑STEM:

Mikroskop elektron transmisi pemindaian sudut gelap tinggi

LOD:

Batas deteksi

NBDs:

Titik nano-biomass

NMR:

Resonansi magnetik nuklir

PL:

Fotoluminesensi

QDs:

Titik kuantum

QY:

Hasil kuantum

TEM:

Mikroskop elektron transmisi

UES:

Strategi ekstraksi ultrasonik

USEPA:

Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat

XPS:

Spektroskopi fotoelektron X-ray

XRD:

Difraksi X-ray