초음파 추출로 제조한 형광 대두 유래 나노바이오매스 닷의 고감도 Fe³⁺ 검출

요약

재생 가능한 원료인 대두 바이오매스가 가열 없는 초음파 추출 전략을 통해 발광 나노바이오매스 닷(NBDs)으로 전환되었습니다. 결과적인 비정질 입자는 평균 직경 2.4 nm를 가지며 16.7%의 양자 수율로 밝은 청색 형광을 방출합니다. 세포독성 시험은 800 µg/mL까지 완전한 생체적합성을 입증했습니다. 중요하게도 NBD 형광은 Fe³⁺에 대해 높은 반응성을 보여 2.9 µM의 검출 한계로 검출을 가능하게 하는데, 이는 미국 EPA 식수 기준치보다 훨씬 낮습니다. 이 그린 플랫폼은 환경 및 생물의학 응용을 위한 확장 가능하고 저독성 프로브를 제공합니다.

배경

발광 나노물질은 발광 다이오드부터 바이오이미징과 금속 이온 센싱까지 다양한 분야에 혁명을 일으켰습니다[1,2,3,4,5,6]. 기존 양자점(QDs)은 뛰어난 광학적 특성을 제공하지만 고유한 독성 문제를 안고 있습니다[13,14]. 결과적으로 더 친환경적이고 지속 가능한 발광 플랫폼 발굴에 강한 동기가 있습니다.

광합성으로 생성된 유기 물질인 바이오매스는 나노물질 합성을 위한 재생 가능한 원료를 제공합니다. 당과 단백질이 풍부한 식용 바이오매스는 최소한의 환경 영향으로 나노닷으로 전환될 수 있으며, 생물학적 및 환경적 용도를 위한 높은 생체적합성을 보장합니다[15,16]. 현재까지 대부분의 바이오매스 유래 형광 나노닷은 고온 탄화 공정을 필요로 하여 확장성을 제한하고 원료의 고유 구조 보존을 어렵게 했습니다[22].

형광 나노바이오매스 닷(NBDs)이 Fe³⁺ 검출을 위한 친환경 고효율 프로브로 보고된 바는 없습니다. Fe³⁺은 헤모글로빈 합성에 중요한 역할을 하지만 과다할 경우 산화적 손상과 장기 부전을 초래하므로 민감하고 환경 친화적인 센서의 필요성이 강조됩니다[24].

여기서 우리는 밝은 청색 방출, 16.7% 양자 수율, 탁월한 생체적합성을 갖춘 최초의 초음파 추출 대두 유래 NBDs를 입증합니다. 이들의 형광은 Fe³⁺에 의해 선택적으로 소멸되어 2.9 µM의 검출 한계를 제공합니다.

실험 방법

재료

분석용 시약을 추가 정제 없이 사용했습니다. 대두는 지역 슈퍼마켓에서 구입하여 세척 후 실온 보관했습니다. 염화칼슘, 염화망간, 염화구리, 염화코발트, 질산납, 질산크롬, 염화제일철, 염화제이철, 염화카드뮴, 염화수은, 염화나트륨, 염화아연은 Aladdin Ltd.(상하이, 중국)와 Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.(상하이, 중국)에서 구입했습니다.

NBDs 합성

대두 종자 100알을 에탄올-물 혼합물로 세척하여 표면 불순물을 제거했습니다. 이후 50 mL 증류수에 담그고 2시간 초음파 교반했습니다. 용액 색상이 투명에서 진한 노란색으로 변하여 나노스케일 분화를 나타냈습니다. 7,000 rpm에서 3분간 두 번 원심분리 후 상등액을 0.22 µm 멤브레인으로 여과하여 응집체를 제거했습니다. 여과액을 -5°C에서 6시간 동결하고 -50°C에서 12시간 동결건조한 후 결과 분말을 물에 재분산하여 최종 NBDs를 얻었습니다.

특성 분석

X선 회절(XRD)은 Cu-Kα 소스를 사용한 X' Pert Pro 회절계로 수행했습니다. 투과 전자 현미경(TEM)과 고각도 환형 암시야 주사 TEM(HAADF-STEM)은 JEM-2010 현미경으로 수행했습니다. 형광과 UV-Vis 흡수 스펙트럼은 F-7000 형광 분광광도계와 UH4150 분광광도계로 각각 기록했습니다. 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼은 Thermo Scientific Nicolet iS10 FTIR 분광계로 수집했습니다. X선 광전자 분광법(XPS)은 Al-Kα 소스를 장착한 Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi로 수행했습니다.

광발광 양자 수율 측정

양자 수율(QY)은 적분구를 장착한 F-9000 분광형광도계로 측정했습니다. 수용액 NBD 용액(흡광도 <0.1)을 370 nm에서 여기시키고 430-450 nm에서 방출을 기록했습니다. 동일한 조건에서 순수 물의 기준 스펙트럼을 획득하고 통합 형광 소프트웨어로 QY를 계산했습니다.

세포 독성 시험

MTT 분석으로 NBD 세포독성을 평가했습니다. HeLa 세포를 96-웰 플레이트에 파종하고 10% 태아 소 혈청을 함유한 RPMI-1640에서 72시간 배양한 후 다양한 NBD 농도에 노출시켰습니다. 570 nm에서 흡광도 측정으로 세포 생존율을 평가했습니다.

Fe³⁺ 검출

NBD 용액(3 g/L) 1 mL에 다양한 농도의 Fe³⁺ 용액 1 mL를 혼합했습니다. 실온에서 1분간 배양 후 370 nm 여기 하에서 형광 스펙트럼을 기록했습니다.

결과 및 고찰

형태 및 화학적 조성

초음파 추출 공정(구성도 1)은 직경 1-3 nm 범위(평균 2.4 nm)의 거의 구형 NBDs를 생성합니다. TEM 이미지(그림 1a,b)는 격자 무늬가 관찰되지 않아 비정질 특성을 확인합니다. HAADF-STEM과 원소 매핑(그림 1d-g)은 탄소, 질소, 산소 주성분임을 보여줍니다. 고체상 ¹³C NMR(그림 1h)은 164와 170 ppm에서 신호를 보여 각각 C=O 결합과 sp² 탄소를 나타냅니다.

XRD(그림 2a)는 ~21.5°에서 넓은 피크와 ~41.0°에서 숄더를 보여 비정질 탄소의 특성을 나타냅니다. FTIR 스펙트럼(그림 2b)은 O-H/N-H 신축(~3380 cm⁻¹), C-H 신축(~2906 cm⁻¹), C=O 신축(~1650 cm⁻¹)을 보입니다. 주목할 점은 대두 지질에 기인한 ~1750 cm⁻¹ 밴드가 초음파 추출 후 사라져 불용성 지질 제거를 나타냅니다. XPS(그림 2c-f)는 64.33% C, 32.34% O, 2.72% N 조성과 C=O, C-O/C=N, C-C/C=C, 피리딘 N, 피롤 N, C-OH/C-O-C, C=O 등 작용기를 확인합니다. 이 표면 작용기들은 수용매에서 친수성과 안정성을 부여합니다.

형성 메커니즘은 초음파에 의한 대두 입자의 나노미터 단위 파편화, 단백질의 펩타이드와 아미노산으로의 가수분해, 풍부한 -OH, -C=O, -NH 기로 나노닷 표면 관능화로 이어지며 이들이 형광의 주된 기여자입니다.

광학적 특성

NBDs는 여기 의존적 형광을 보입니다: 여기 파장을 320-520 nm로 변화시킬 때 방출 피크가 적색 이동하여 스펙트럼 튜닝이 가능합니다(그림 3a). 수용액에서 NBDs는 주변광에서 투명하고 UV 조명 하에서 청색 형광을 냅니다(그림 3b 삽입). PLE 스펙트럼(추가 파일 1: 그림 S3)은 360-420 nm 여기 윈도우를 보여줍니다. UV-Vis 흡수(그림 3b)는 270 nm(C-C/C=C의 π-π*)와 330 nm(C=O/N의 n-π*)에서 피크를 보입니다. 광발광 강도는 온도에 따라 단조롭게 감소합니다(그림 3c), 이는 비복사 재결합 증가와 일치합니다. 광안정성 테스트는 6시간 UV 노출 후 90% 이상 유지, 20-80°C 범위에서 안정적임을 보여줍니다(그림 3d).

세포독성 평가

HeLa 세포를 이용한 MTT 분석(그림 4)은 무시할 만한 세포독성을 보여줍니다: 800 µg/mL NBDs에서도 세포 생존율이 90% 이상 유지됩니다. 대조적으로 화학적으로 합성된 두 카본 닷은 같은 농도에서 70%와 67% 생존율을 보여 바이오매스 유래 NBDs의 우수한 생체적합성을 강조합니다.

NBDs의 Fe³⁺ 센싱 특성

Fe³⁺에 의한 형광 소멸이 현저합니다(그림 5a). F₀/F와 Fe³⁺ 농도(0-30 µM) 간 선형 관계로 R² = 0.99를 얻습니다(그림 5b). 스턴-볼머 방정식으로 K_SV = 0.0072 µM⁻¹, 검출 한계(LOD)는 2.9 µM으로 미국 EPA 식수 한계 5.37 µM [24]보다 낮습니다. 선택성 시험(그림 5c)은 Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺, Zn²⁺에 대해 무시할 만한 반응을 보이는 반면 Fe³⁺이 가장 현저한 소멸을 유발함을 확인합니다. UV 조명 하 육안 검사(그림 5d)는 명확한 색상 변화를 보여 육안 검출을 가능하게 합니다.

소멸 메커니즘

UV-Vis 흡수 스펙트럼(추가 파일 1: 그림 S8)은 Fe³⁺ 첨가 시 이동이 없어 구조적 무결성을 나타냅니다. 형광 수명 측정(그림 6a)은 붕괴 시간 감소를 보여 NBD LUMO에서 Fe³⁺ d-오비탈로의 광유도 전자 이동을 시사합니다. 소멸은 Fe³⁺와 표면 -OH/-NH/-COOH 기 간의 강한 배위에 기인하며, Fe³⁺이 루이스 산으로 작용하여 전자 이동을 촉진합니다(그림 6b). 이 선택적 상호작용이 다른 금속 이온 대비 Fe³⁺에 대한 현저한 민감도를 설명합니다.

결론

가열 없는 초음파 방법으로 밝은 청색 방출(16.7% QY)과 탁월한 생체적합성(800 µg/mL에서 100% 생존율)을 갖춘 대두 유래 NBDs 제조법을 확립했습니다. 이들의 형광은 Fe³⁺에 의해 선택적으로 소멸되어 2.9 µM 검출 한계를 제공하며, 이는 규제 기준치보다 훨씬 낮습니다. 이 발견은 NBDs를 생물의학 이미징과 환경 모니터링을 위한 유망한 프로브로 자리매김시킵니다.