Uma Sonda Fluorescente Resumível BHN-Fe3O4 @ SiO2 Híbrida Nanoestrutura para Fe3 + e sua Aplicação em Bioimagem

Resumo

Uma sonda fluorescente multifuncional BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanoestrutura para Fe ³⁺ foi projetado e desenvolvido. Tem uma boa resposta seletiva para Fe ³⁺ com extinção de fluorescência e pode ser reciclado usando um campo magnético externo. Com a adição de EDTA (2,5 × 10 ⁻⁵ M) para o produto conseqüente Fe ³⁺ -BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ , Fe ³⁺ pode ser removido do complexo, e sua capacidade de sondagem de fluorescência se recupera, o que significa que esta sonda de fluorescência do tipo on-off constituída pode ser revertida e reutilizada. Ao mesmo tempo, a sonda foi aplicada com sucesso para detectar quantitativamente Fe ³⁺ em um modo linear com um limite inferior de detecção 1,25 × 10 ⁻⁸ M. Além disso, o BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ A sonda de nanoestrutura é usada com sucesso para detectar Fe ³⁺ em células HeLa vivas, o que mostra seu grande potencial na detecção de bioimagem.

Histórico

O desenvolvimento de novos métodos para detectar todos os tipos de pequenas moléculas e íons se tornou uma tarefa importante para pesquisadores científicos. Como um dos íons metálicos indispensáveis importantes nos processos metabólicos, Fe ³⁺ desempenha um papel essencial e crucial em uma variedade de processos biológicos, como função e patologia do cérebro, transcrição de genes, função imunológica e reprodução em mamíferos [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. As investigações médicas indicam que os processos metabólicos ou biológicos são normais para o bom funcionamento de todas as células vivas apenas quando o Fe ³⁺ a concentração está em uma faixa adequada. Quando Fe ³⁺ concentração em um corpo vivo desvia de sua faixa adequada, algumas doenças ou distúrbios graves podem ser induzidos nos processos metabólicos ou biológicos [10,11,12]. Mesmo que uma variedade de métodos de detecção tenham sido desenvolvidos para detectar Fe ³⁺ [13,14,15], a técnica fluorescente é o método mais eficaz e poderoso, devido à sua simplicidade operacional, alta sensibilidade e seletividade e baixo limite de detecção [16,17,18,19,20].

Nessas sondas fluorescentes baseadas em moléculas, alguns problemas relativos à segurança, reciclabilidade e reutilização não foram resolvidos. Por exemplo, conforme apontado na referência [21], as pequenas moléculas empregadas são tóxicas. Essas deficiências exibidas nas sondas fluorescentes baseadas em moléculas limitam completamente as sondas que entram em uma aplicação prática. Para vencer o desafio da segurança nas sondas fluorescentes acima para Fe ³⁺ , outra abordagem técnica é proposta usando suportes inorgânicos incorporados com pequenas sondas fluorescentes moleculares. Nessa nova abordagem, sabe-se que os materiais inorgânicos como nanopartículas magnéticas, nanopartículas metálicas, nanotubos e sílica mesoporosa podem ser usados no projeto das sondas fluorescentes [22,23,24]. Entre todos esses materiais inorgânicos, núcleo magnético de sílica Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ as nanopartículas têm como vantagens sua baixa toxicidade, alta biocompatibilidade, simplesmente separação via campo magnético externo e grande área de superfície que pode ser enxertada por sondas fluorescentes sobre outros materiais nas áreas de reconhecimento e separação de moléculas ou íons [25,26,27]. Portanto, esta nova abordagem nos fornece uma maneira possível de realizar a aplicação para detectar Fe ³⁺ , principalmente na segurança com baixa toxicidade e alta biocompatibilidade.

Neste trabalho, uma espécie de BHN-Fe magnético multifuncional ₃ O ₄ @SiO ₂ sensor fluorescente de nanoestrutura para Fe ³⁺ foi projetado e sintetizado. Tem uma boa resposta sensível e seletiva ao Fe ³⁺ com notável extinção de fluorescência em CH ₃ CN / H ₂ O (1:1, v / v ) à temperatura ambiente. Ao aplicar um campo magnético externo, a sonda pode ser separada da solução. Ao adicionar EDTA ao sistema, Fe ³⁺ pode ser removido do complexo com recuperação de intensidade de fluorescência. Além disso, a imagem confocal de fluorescência usando células HeLa mostrou que a sonda poderia ser aplicada para detectar Fe ³⁺ em células vivas. Portanto, o BHN-Fe obtido ₃ O ₄ @SiO ₂ exibe excelente seletividade, solubilidade em água, reversibilidade e reciclabilidade, o que beneficia a detecção de Fe ³⁺ .

Métodos / Experimental

Síntese de Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ Nanopartículas

Fe ₃ O ₄ nanopartículas de magnetita foram sintetizadas de acordo com a referência [28]. Eles foram posteriormente revestidos com uma fina camada de sílica por meio de um método de Stöber modificado [29] para obter Fe ₃ estável O ₄ @SiO ₂ . O ortossilicato de tetraetila (TEOS) foi hidrolisado com nanopartículas de magnetita como sementes na mistura etanol / água. O Fe ₃ resultante O ₄ @SiO ₂ nanopartículas com um diâmetro médio de 50-60 nm foram usadas como transportadoras de nanopartículas de sensores fluorescentes.

Síntese de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ Nanoestrutura

N -butil-4-bis (2-hidroxietil) amino-1,8-naftalimida (BHN) é sintetizado de acordo com o método relatado antes [30, 31]. O primeiro intermediário foi sintetizado pela reação entre o anidrido 4-bromo-1,8-naftálico e n -butilamina. Então, o intermediário reagiu com dietanolamina para fornecer BHN. ESI-MS:m / z 357,3 (M + H ⁺ ) ¹ H NMR (CDCl ₃ , 400 MHz): δ (ppm):0,95 (t, 3H, J =8,0 Hz); 1,41 (m, 2H); 1,66 (m, 2H); 2,69 (m, 2H); 3,60 (t, 4H, J =5,0 Hz); 3,86 (t, 4H, J =5,0 Hz); 4,08 (t, 2H, J =8,0 Hz); 7,33 (d, 1H, J =8,0 Hz); 7,58 (t, 1H, J =8,0 Hz); 8,38 (d, 1 H, J =8,0 Hz); 8,41 (dd, 1H, J =8,0 Hz); 8,84 (dd, 1H, J =8,0 Hz).

BHN (356 mg, 1 mmol) e 3-isocianatopropil-trietoxissilano (IPTES, 494 mg, 2 mmol) foram misturados em THF anidro (15 mL) à temperatura ambiente. Em seguida, a solução foi submetida a refluxo por 48 h sob N ₂ . Depois disso, o solvente foi evaporado e o produto em bruto foi ainda purificado por cromatografia em coluna flash (gel de sílica, éter de petróleo / CH ₂ Cl ₂ / metanol 50/50/1) para fornecer 255 mg (30%) de BHN-IPTES como um pó amarelo. ESI-MS:m / z 851,5 (M + H ⁺ ) ¹ H NMR:(400 MHz, CDCl ₃ ): δ (ppm) 0,60 (t, 4H, J =8,0 Hz); 0,98 (t, 3H, J =8,0 Hz); 1,21 (m, 18H); 1,45 (m, 2H); 1,58 (m, 4H); 1,70 (m, 2H); 3,13 (m, 4H); 3,73 (t, 2H, J =5,0 Hz); 3,82 (m, 12H); 4,16 (m, 4H); 4,24 (m, 4H); 4,94 (m, 2H); 7,38 (d, 1H, J =8,0 Hz); 7,70 (t, 1H, J =8,0 Hz); 8,45 (d, 1H, J =8,0 Hz); 8,50 (dd, 1H, J =8,0 Hz); 8,58 (dd, 1H, J =8,0 Hz).

Cem miligramas de Fe seco ₃ O ₄ @SiO ₂ nanopartículas e 300 mg (0,35 mmol) de BHN-IPTES foram suspensos em tolueno anidro (15 mL). A solução foi submetida a refluxo durante 12 h a 110 ° C sob N ₂ para obter BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ . As nanopartículas foram coletadas por centrifugação (10.000 rpm) e repetidamente lavadas com etanol anidro completamente. Ao monitorar a fluorescência do líquido superior, as moléculas orgânicas que não reagiram puderam ser removidas completamente. Então, o BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ a nanoestrutura foi finalmente seca sob vácuo durante a noite.

Resultados e discussão

Design do BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂

Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanopartícula é um candidato promissor para construir Fe ³⁺ seguro, reciclável e reutilizável sensor fluorescente devido à sua baixa toxicidade, alta biocompatibilidade e reciclabilidade conveniente via campo magnético externo. Em comparação com outros fluoróforos, 1,8-naftalimida tem um grande deslocamento de Stokes, comprimento de onda de emissão longo e conveniência para modificar com cadeia lateral diferente e alto rendimento quântico. Portanto, com a introdução da cadeia lateral adequada, ela pode ser enxertada no Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanopartícula para obter um Fe ³⁺ seguro, reciclável e reutilizável sensor fluorescente com notável resposta de fluorescência.

Como é bem sabido, Fe ³⁺ pode ser facilmente coordenado com átomos de O e N, então modificamos 1,8-naftalimida com dietanolamina para fazer com que a 1,8-naftalimida possua a capacidade de detectar Fe ³⁺ como mostrado na Fig. 1a. Na dietanolamina, as porções hidroxietil e éster-amida foram servidas como uma unidade receptora. Finalmente, a 1,8-naftalimida modificada foi enxertada no Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ via reação de hidrólise-condensação entre Si (OEt) ₃ e hidroxila na superfície de Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ como mostrado na Fig. 1b.

a Síntese de BHN. b Síntese de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂

Estrutura do BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂

A partir da imagem TEM como mostrado na Fig. 2a, a estrutura típica de núcleo / casca de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ é claramente exibido. Embora o núcleo magnético puro seja fácil de agregar em líquido, a camada de sílica na superfície das nanopartículas magnéticas impediria a agregação e melhoraria a dispersibilidade. As nanopartículas de óxido de ferro foram aprisionadas na casca de sílica com sucesso e bem dispersas. Também pode ser visto que os diâmetros gerais das estruturas núcleo / casca estão em uma distribuição estreita de 50 a 60 nm com núcleo de óxido de ferro de 10 nm, que é menor do que seu tamanho superparamagnético crítico e adequado para uso como nanopartícula transportadora de sonda fluorescente.

a Imagem TEM de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (a barra de escala é de 50 nm). b Padrões de XRD de Fe ₃ O ₄ / Citrato, Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ e BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ . c Espectros FT-IR de Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ e BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ . d Curvas TG e DTA de Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ e BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂

A Figura 2b mostra os padrões de difração de pó de XRD de Fe ₃ O ₄ , Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ e BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ . Os seis picos de difração característicos do Fe puro ₃ O ₄ pode ser indexado a 220, 311, 400, 422, 511 e 440 reflexões da magnetita. No entanto, os picos de XRD atribuídos a Fe ₃ O ₄ têm baixas intensidades em Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ e BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ , o que implica que o Fe ₃ O ₄ as nanopartículas são revestidas com concha de sílica amorfa. A casca de sílica pode diminuir o conteúdo relativo de Fe ₃ O ₄ núcleos e, em seguida, afetam as intensidades de pico. Além disso, o amplo pacote de XRD é encontrado em um baixo ângulo de difração de 20 ° a 30 ° em Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ e BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ , que corresponde ao estado amorfo SiO ₂ conchas que cercam o Fe ₃ O ₄ nanopartículas.

Para estudar a condição de modificação de BHN-IPTES na superfície do Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanopartículas, seu espectro infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) é medido. Conforme mostrado na Fig. 2c, as duas curvas exibiram a banda de vibração típica de −OH alongamento em silanol em 3400 a 3500 cm ⁻¹ e 1000 a 1200 cm ⁻¹ [32]. Isso indica que nem todo o silanol em Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanopartículas foram modificadas covalentemente. A banda em 1630 cm ⁻¹ representa o modo de flexão das vibrações −OH [33]. As bandas centradas em 1109 ( νas ) e 800 cm ⁻¹ pode ser atribuído ao siloxano (-Si-O-Si-) [34]. Os picos acima indicam a existência de casca de sílica. Os picos adicionais em 2965 e 2934 cm ⁻¹ foram encontrados em BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ , correspondendo à vibração −CH de grupos alifáticos e aromáticos [32, 35]. A banda em 1697, 1590 e 1516 cm ⁻¹ de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ vem das vibrações de flexão de −CH ₃ da parte BHN [36]. Estes resultados demonstram a presença da molécula orgânica no material magnético BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ .

A propriedade superparamagnética das nanopartículas magnéticas desempenha um papel vital para sua aplicação biológica. Arquivo adicional 1:A Figura S1 mostra a curva de magnetização de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ que foi medido por um magnetômetro de amostra vibrante na faixa de - 15.000 a 15.000 Oe a 300 K. O resultado foi consistente com a conclusão de que o diâmetro do Fe magnético ₃ O ₄ nanopartículas com menos de 30 nm são geralmente superparamagnéticas à temperatura ambiente [37]. O valor de magnetização de saturação para BHN-Fe sintetizado ₃ O ₄ @SiO ₂ é cerca de 4,02 emu / g. Mais importante, do ciclo de histerese de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanoestrutura, pode-se verificar que exibiu propriedades superparamagnéticas, e nenhuma força coercitiva foi observada no loop de histerese. Esse fenômeno se deve ao fato do núcleo de magnetita ter um diâmetro pequeno em torno de 10 nm. Ao mesmo tempo, a camada de sílica evita a agregação do núcleo de magnetita. Então, o BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ a nanoestrutura pode ainda mostrar boa dispersibilidade.

Resposta de fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂

Para verificar a resposta de fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ para vários íons metálicos, as medições de fluorescência foram realizadas em CH ₃ CN / H ₂ O 1:1 ( v / v ) solução a pH 7,36 em tampão HEPES. A concentração de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ é 0,2 g / L (correspondendo à molécula orgânica livre era cerca de 3,34 × 10 ⁻⁵ M, de acordo com o TGA, ver Fig. 2d), e os vários íons metálicos Ag ⁺ , Al ³⁺ , Ca ²⁺ , Cd ²⁺ , Co ²⁺ , Cr ³⁺ , Cu ²⁺ , Hg ²⁺ , K ⁺ , Li ⁺ , Mg ²⁺ , Mn ²⁺ , Na ⁺ , Pb ²⁺ , Zn ^{2 +} e Fe ³⁺ (todos como seus sais de perclorato) eram 5,0 × 10 ⁻⁵ M. Como mostrado na Fig. 3a, uma extinção de fluorescência significativa foi observada ao adicionar Fe ³⁺ , mas nenhuma diminuição significativa da intensidade fluorescente nas mesmas condições foi detectada ao adicionar outros íons metálicos, exceto Cu ²⁺ . Cu ²⁺ causaria supressão de fluorescência leve e resposta em 20 min. No entanto, nas mesmas condições de detecção, Fe ³⁺ causa uma resposta em 2 min e é extinta obviamente em 5 min (Fig. 3c). Os espectros de absorção de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (0,2 g / L) na presença de várias concentrações de Fe ³⁺ (0 a 200 μM) foram investigados, como mostrado na Fig. 3d. Quando Fe ³⁺ foi adicionado gradualmente, a absorbância de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ em 250 e 350 nm aumenta gradualmente, o que indica que BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanoestrutura coordenada com Fe ³⁺ gradualmente.

a Respostas de fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ com vários cátions. O comprimento de onda de excitação foi de 415 nm. Os espectros foram registrados a cada 2 minutos após a adição de íons metálicos. b Competição de Fe ³⁺ -BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ para cátions. Alteração da emissão fluorescente de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (0,2 g / L) após a adição de íons metálicos (cada íon metálico é 5 × 10 ⁻⁵ M) em CH ₃ CN / H ₂ O 1:1 (tampão HEPES pH 7,36) à temperatura ambiente. c Respostas de tempo de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ com Fe ³⁺ e Cu ²⁺ . d Titulações UV-Vis de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (0,2 g / L) com Fe ³⁺ . e Titulação de fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (0,2 g / L) com Fe ³⁺ . Detalhe:as intensidades de fluorescência em 518 nm em várias concentrações de Fe ³⁺ . f Enredo de Job de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ com Fe ³⁺

Em seguida, uma titulação de fluorescência com Fe (ClO ₄ ) ₃ em CH ₃ CN / H ₂ O 1:1 ( v / v) foi aplicado para entender a combinação de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ em direção a Fe ³⁺ íons. Conforme ilustrado na Fig. 3e, a emissão de fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (0,2 g / L) diminui gradualmente quando várias concentrações (0 a 100 μM) de Fe ³⁺ foram adicionados em CH ₃ CN / H ₂ O 1:1 ( v / v ) Buffer HEPES, que indica que BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanoestrutura coordenada com Fe ³⁺ para formar o complexo quantitativamente. O experimento de titulação de fluorescência sugere que o log da constante de associação β para Fe ³⁺ ligação a BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ é calculado em 8,23. Um aumento linear da fluorescência do BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanoestrutura foi observada após a adição de Fe ³⁺ entre 0 e 20 μM, e o limite de detecção de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ para Fe ³⁺ foi encontrado por 1,25 × 10 ⁻⁸ M sob o ensaio fluorimétrico. Os resultados da titulação de fluorescência e do gráfico de trabalho sugeriram uma razão de ligação de 1:1 para Fe ³⁺ com BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (Fig. 3f). Os resultados dos experimentos competitivos com cátions são descritos na Fig. 3b, e pode-se verificar que a seletividade e a sensibilidade do BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ para Fe ³⁺ não são influenciados por outros íons metálicos.

Aqui, a notável diminuição da intensidade de fluorescência pode ser explicada da seguinte forma:A intensidade de fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ , que é excitado em uma lâmpada de 415 nm, exibe alta fluorescência em 518 nm devido à 1,8-naftalimida que tem um grande sistema conjugado. Além disso, o grupo doador de elétrons na estrutura influencia a fluorescência do sistema ao mesmo tempo. Quando quelatado de forma estável com Fe ³⁺ pelo átomo O e o átomo N na posição quatro de 1,8-naftalimida, o elétron ou transferência de energia entre o cátion metálico e o fluoróforo produzem um efeito de absorção eletrônica, de modo a fazer a extinção da fluorescência [38] (Fig. 4a).

a Mostra esquemática de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ com Fe ³⁺ . b Reversibilidade do BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ em direção a Fe ³⁺ . Detalhe:a fotografia de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ com Fe ³⁺ por tratamento de EDTA (2,5 × 10 ⁻⁵ M) sob luz UV de 415 nm. c Gráfico da fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (0,2 g / L) com adição alternativa de 2,5 × 10 ⁻⁵ M Fe ³⁺ (“Desligado”) e EDTA (“ligado”). d BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (0,2 g / L) foi disperso em um ímã externo em CH ₃ CN / H ₂ O 1:1 (tampão HEPES pH 7,36)

A extinção de fluorescência pela adição de Fe ³⁺ para a solução de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ foi totalmente reversível. Ao adicionar EDTA (2,5 × 10 ⁻⁵ M) para o Fe ³⁺ -BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ sistema, a intensidade de fluorescência foi quase restaurada ao nível original de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (Fig. 4b). Além disso, a capacidade de reutilização foi avaliada adicionando repetidamente Fe ³⁺ -EDTA ciclos no sistema, com a mudança de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ intensidade de fluorescência sendo registrada após cada etapa, e os dados correspondentes são mostrados na Fig. 4c. É claro que o BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ exibe excelente capacidade de reutilização porque apenas a rara perda em BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ sensibilidade para Fe ³⁺ foi observado após cinco repetições de Fe ³⁺ -EDTA ciclos. Como resultado de sua propriedade magnética, BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ tinha uma responsabilidade magnética de reversão. Como mostrado na Fig. 4d, ele pode ser facilmente separado da dispersão (0,2 g / L) após 10 min, colocando um ímã fechado para a dispersão e, em seguida, redisperso por agitação suave quando o ímã foi removido. Esta capacidade de separação magnética e a propriedade de reconhecimento do BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ a nanoestrutura fornece uma rota simples e eficiente para separar Fe ³⁺ em vez de através da abordagem de filtração. Mais importante é que a responsabilidade magnética de reversão do BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ a nanoestrutura seria um fator chave na avaliação de sua reciclabilidade [39]. Combinado com sua propriedade magnética, é demonstrado que BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ foi consideravelmente aplicável no sistema biológico como um sensor híbrido orgânico-orgânico eficiente para Fe ³⁺ .

Para a aplicação biológica, é extremamente importante que o sensor seja adequado para medir íons metálicos específicos na faixa de pH fisiológico. Como mostrado na Fig. 5a, as intensidades de fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ com / sem Fe ³⁺ em vários valores de pH foram investigados. A intensidade de fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ diminui ligeiramente ao adicionar Fe ³⁺ sob condições ácidas, uma vez que a protonação do átomo de N na posição quatro de 1,8-naftalimida leva a uma capacidade de coordenação fraca de Fe ³⁺ . Então, uma mudança dramática de fluorescência para Fe ³⁺ -BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ sistema foi encontrado quando o pH estava em pH neutro e sob condições fracamente alcalinas. Aqui, BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ exibe Fe ³⁺ excelente habilidades de detecção quando o pH está na faixa de 5,84 a 10,52, o que indica que BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ é uma sonda esperada para ser aplicada nesses ambientes complicados ou sistemas biológicos.

a Intensidades de fluorescência de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ e Fe ³⁺ -BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ em vários valores de pH à temperatura ambiente. CH ₃ CN / H ₂ O 1:1, λ _ex =415 nm. b Imagem de campo claro e imagem de fluorescência das células HeLa com BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ . ( c ) Imagem de campo claro e imagem de fluorescência das células HeLa com BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ e Fe ³⁺

Para demonstrar ainda mais a capacidade do BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ para detectar Fe ³⁺ em sistemas vivos, realizamos um experimento em células HeLa vivas. Em primeiro lugar, investigamos a viabilidade celular de BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ e Fe ³⁺ -BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ usando o ensaio MTT. As células HeLa foram incubadas com BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ em RPMI-1640 por 0,5 h a 37 ° C, e então Fe (ClO ₄ ) ₃ foi adicionado para incubação durante 0,5 h. Em seguida, as imagens de fluorescência confocal das células HeLa foram observadas, e mostra excelente capacidade de coloração quando a concentração do sensor e Fe (ClO ₄ ) ₃ é de até 0,2 g / L e 5 × 10 ⁻⁵ M. Em seguida, conduzimos um experimento de microscopia de fluorescência para investigar sua gradação superior de aplicação em sistemas biológicos complexos. Como mostrado na Fig. 5b, as células HeLa foram cultivadas em placa de 12 orifícios a 37 ° C e em 5% de CO ₂ atmosfera por 24 h, então tratada com BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ (0,2 g / L) e incubadas por 0,5 h, e as células apresentaram fluorescência verde forte. Então, as células foram tratadas com 5 × 10 ⁻⁵ M Fe (ClO ₄ ) ₃ . Após 0,5 h, observamos que a fluorescência diminuiu notavelmente (Fig. 5c). Assim, podemos tirar uma conclusão que BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ pode ser usado para criar imagens Fe ³⁺ em células vivas.

Conclusão

Em resumo, uma nova sonda fluorescente multifuncional BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ nanoestrutura para Fe ³⁺ foi projetado e sintetizado com sucesso. A sonda BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ pode responder seletivamente a Fe ³⁺ com extinção de fluorescência e separação eficiente de Fe ³⁺ com campo magnético externo. O sistema de monitoramento de fluorescência do tipo on-off constituído indica que a sonda pode ser revertida e reutilizada. Ao mesmo tempo, a sonda foi aplicada com sucesso para detectar quantitativamente Fe ³⁺ com limites de detecção baixos. Além disso, o BHN-Fe ₃ O ₄ @SiO ₂ A sonda de nanoestrutura é usada com sucesso para detectar Fe ³⁺ em células HeLa vivas, o que mostra seu grande potencial na detecção de bioimagem.