Pontos Nano-Biomassa Fluorescentes Derivados de Soja via Extração Ultrassônica para Detecção Sensível de Fe³⁺

Resumo

Biomassa de soja, uma matéria-prima renovável, foi convertida em pontos nano-biomassa luminescentes (NBDs) através de estratégia de extração ultrassônica sem aquecimento. As partículas amorfas resultantes possuem diâmetro médio de 2,4 nm e emitem fluorescência azul brilhante com rendimento quântico de 16,7%. Ensaios de citotoxicidade demonstram biocompatibilidade completa até 800 µg mL⁻¹. Importante, a fluorescência dos NBDs é altamente responsiva a Fe³⁺, permitindo detecção com limite de 2,9 µM—bem abaixo do limite da EPA dos EUA para água potável. Esta plataforma verde oferece sonda escalável e de baixa toxicidade para aplicações ambientais e biomédicas.

Contexto

Nanomateriais luminescentes revolucionaram campos variando de diodos emissores de luz a bioimagem e detecção de íons metálicos. Pontos quânticos convencionais (QDs) entregam propriedades ópticas excepcionais mas sofrem de toxicidade inerente. Consequentemente, há forte impulso para identificar plataformas luminescentes mais verdes e sustentáveis.

Biomassa—material orgânico gerado via fotossíntese—oferece fonte renovável para síntese de nanomateriais. Biomassa comestível, rica em açúcares e proteínas, pode ser transformada em nanodots com impacto ambiental mínimo, garantindo alta biocompatibilidade para usos biológicos e ambientais. Até o momento, a maioria dos nanodots fluorescentes derivados de biomassa requer carbonização a alta temperatura, limitando escalabilidade e preservando a estrutura nativa da matéria-prima.

Pontos nano-biomassa fluorescentes (NBDs) ainda não foram relatados como sonda verde e eficiente para detecção de Fe³⁺. Fe³⁺ desempenha papel vital na síntese de hemoglobina mas níveis excessivos levam a dano oxidativo e falência orgânica, ressaltando a necessidade de sensores sensíveis e ambientalmente amigáveis.

Aqui, demonstramos os primeiros NBDs derivados de soja extraídos ultrassonicamente com emissão azul brilhante, rendimento quântico de 16,7% e excelente biocompatibilidade. Sua fluorescência é seletivamente quenhada por Fe³⁺, fornecendo limite de detecção de 2,9 µM.

Métodos

Materiais

Reagentes de grau analítico foram usados sem purificação adicional. Soja foi adquirida em supermercado local, lavada e armazenada à temperatura ambiente. Cloretos de cálcio, manganês, cúprico, cobalto, nitratos de chumbo, cromo, cloreto férrico, cloreto ferroso, cloreto de cádmio, dicloreto de mercúrio, cloreto de sódio e cloreto de zinco foram comprados da Aladdin Ltd. (Xangai, China) e Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Xangai, China).

Síntese dos NBDs

Cem sementes de soja foram enxaguadas com mistura etanol-água para remover impurezas superficiais. Foram então imersas em 50 mL de água destilada e submetidas a agitação ultrassônica por 2 h. A cor da solução mudou de transparente para amarelo escuro, indicando fragmentação nanométrica. Após duas etapas de centrifugação de 3 minutos a 7.000 rpm, o sobrenadante foi filtrado através de membrana de 0,22 µm para remover agregados. O filtrado foi congelado a −5 °C por 6 h, liofilizado a −50 °C por 12 h, e o pó resultante foi redisperso em água para obter os NBDs finais.

Caracterização

Difração de raios X (XRD) foi realizada em difratômetro X' Pert Pro usando fonte Cu-Kα. Microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e TEM de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF-STEM) foram realizadas em microscópio JEM-2010. Espectros de fluorescência e absorção UV-Vis foram registrados em espectrofotômetro de fluorescência F-7000 e espectrofotômetro UH4150, respectivamente. Espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foram coletados com espectrômetro Thermo Scientific Nicolet iS10 FTIR. Espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) foi conduzida em Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi equipado com fonte Al-Kα.

Medição de Rendimento Quântico de Fotoluminescência

Rendimento quântico (QY) foi medido usando espectrofluorômetro F-9000 acoplado com esfera integradora. Solução aquosa de NBD (absorvância <0,1) foi excitada a 370 nm, e emissão foi registrada de 430 a 450 nm. Espectros de referência de água pura foram adquiridos sob condições idênticas, e QY foi calculado usando software de fluorescência integrada.

Teste de Toxicidade Celular

Ensaios MTT avaliaram citotoxicidade dos NBDs. Células HeLa foram semeadas em placas de 96 poços, incubadas por 72 h em RPMI-1640 com 10% soro fetal bovino, e expostas a concentrações variadas de NBDs. Viabilidade celular foi avaliada medindo absorbância a 570 nm.

Detecção de Fe³⁺

Alíquota de 1 mL de solução de NBDs (3 g L⁻¹) foi misturada com 1 mL de solução de Fe³⁺ em diferentes concentrações. Após incubação de 1 minuto à temperatura ambiente, espectros de fluorescência foram registrados sob excitação a 370 nm.

Resultados e Discussão

Morfologia e Composição Química

O processo de extração ultrassônica (Esquema 1) produz NBDs quase esféricos com diâmetros variando de 1 a 3 nm (média 2,4 nm). Imagens TEM (Fig. 1a,b) confirmam sua natureza amorfa, pois nenhuma franja de rede é observada. HAADF-STEM e mapeamento elementar (Fig. 1d–g) revelam composição dominada por carbono, nitrogênio e oxigênio. RMN de ¹³C no estado sólido (Fig. 1h) mostra sinais a 164 e 170 ppm, indicativos de ligações C=O e carbono sp², respectivamente.

XRD (Fig. 2a) exibe pico largo a ~21,5° e ombro a ~41,0°, característico de carbono amorfo. Espectros FTIR (Fig. 2b) mostram estiramento O-H/N-H (~3380 cm⁻¹), estiramento C-H (~2906 cm⁻¹), e estiramento C=O (~1650 cm⁻¹). Notavelmente, a banda ~1750 cm⁻¹, atribuída a lipídios de soja, desaparece após extração ultrassônica, indicando remoção de lipídios insolúveis. XPS (Fig. 2c–f) confirma composição de 64,33% C, 32,34% O e 2,72% N, com grupos funcionais incluindo C=O, C-O/C=N, C-C/C=C, N piridínico, N pirrólico, C-OH/C-O-C e C=O. Estes grupos superficiais conferem hidrofilicidade e estabilidade em meios aquosos.

O mecanismo de formação envolve disrupção ultrassônica de partículas de soja em fragmentos nanométricos, hidrólise de proteínas em peptídeos e aminoácidos, e funcionalização superficial dos nano-pontos com abundantes grupos –OH, –C=O e –NH, que são os principais contribuintes para fluorescência.

Propriedades Ópticas

Os NBDs exibem fluorescência dependente de excitação: à medida que o comprimento de onda de excitação varia de 320 a 520 nm, o pico de emissão desvia para o vermelho, permitindo ajuste espectral (Fig. 3a). Em solução aquosa, os NBDs são transparentes sob luz ambiente e fluorescem azul sob iluminação UV (inset, Fig. 3b). Espectros PLE (Arquivo adicional 1: Fig. S3) revelam janela de excitação de 360–420 nm. Absorção UV-Vis (Fig. 3b) mostra picos a 270 nm (π-π* de C-C/C=C) e 330 nm (n-π* de C=O/N). Intensidade de fotoluminescência diminui monotonicamente com temperatura (Fig. 3c), consistente com recombinação não radiativa aumentada. Testes de fotostabilidade indicam >90% retenção após 6 h de exposição UV, e os NBDs permanecem estáveis entre 20–80 °C (Fig. 3d).

Avaliação de Citotoxicidade

Ensaios MTT com células HeLa (Fig. 4) mostram citotoxicidade negligenciável: viabilidade celular permanece >90% mesmo a 800 µg mL⁻¹ de NBDs. Em contraste, dois pontos de carbono quimicamente sintetizados exibem viabilidade de 70% e 67% na mesma concentração, ressaltando a superior biocompatibilidade dos NBDs derivados de biomassa.

Propriedades de Sensoriamento dos NBDs para Fe³⁺

Quenching de fluorescência por Fe³⁺ é pronunciado (Fig. 5a). Relação linear entre F₀/F e concentração de Fe³⁺ (0–30 µM) resulta em R² de 0,99 (Fig. 5b). Equação de Stern-Volmer dá K_SV = 0,0072 µM⁻¹, e limite de detecção (LOD) é 2,9 µM—abaixo do limite de água potável da EPA dos EUA de 5,37 µM. Testes de seletividade (Fig. 5c) confirmam resposta negligenciável a Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺ e Zn²⁺, enquanto Fe³⁺ produz quenching mais significativo. Inspeção visual sob luz UV (Fig. 5d) demonstra mudança de cor clara, permitindo detecção a olho nu.

Mecanismo de Quenching

Espectros de absorção UV-Vis (Arquivo adicional 1: Fig. S8) mostram nenhum desvio adição de Fe³⁺, indicando integridade estrutural. Medidas de tempo de vida de fluorescência (Fig. 6a) revelam redução no tempo de decaimento, sugerindo transferência de elétron fotoinduzida do LUMO dos NBDs para orbitais d de Fe³⁺. O quenching é atribuído a forte coordenação entre Fe³⁺ e grupos superficiais –OH/–NH/–COOH, com Fe³⁺ atuando como ácido de Lewis que facilita transferência de elétron (Fig. 6b). Esta interação seletiva explica a sensibilidade pronunciada para Fe³⁺ sobre outros íons metálicos.

Conclusão

Estabelecemos método verde, sem aquecimento, ultrassônico para produzir NBDs derivados de soja com emissão azul brilhante (16,7% QY) e biocompatibilidade excepcional (100% viabilidade a 800 µg mL⁻¹). Sua fluorescência é seletivamente quenhada por Fe³⁺, entregando limite de detecção de 2,9 µM, bem abaixo de limites regulatórios. Estes achados posicionam NBDs como sondas promissoras para imagem biomédica e monitoramento ambiental.

Abreviações

FTIR:

Infravermelho com transformada de Fourier

HAADF-STEM:

Microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro anular de alto ângulo

LOD:

Limite de detecção

NBDs:

Pontos nano-biomassa

NMR:

Ressonância magnética nuclear

PL:

Fotoluminescência

QDs:

Pontos quânticos

QY:

Rendimento quântico

TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão

UES:

Estratégia de extração ultrassônica

USEPA:

Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos

XPS:

Espectroscopia de fotoelétrons de raios X

XRD:

Difração de raios X