可循环磁性-二氧化硅混合探针用于Fe³⁺检测与活细胞成像

摘要

我们设计了一种多功能 BHN-Fe₃O₄@SiO₂ 纳米结构，能在结合 Fe³⁺ 时选择性猝灭荧光。该探针可磁性回收，并能用 EDTA 完全逆向再生，实现重复使用。对 Fe³⁺ 线性响应范围 0–20 µM，检测限 1.25×10⁻⁸ M。重要的是，该纳米结构可在活 HeLa 细胞中成像 Fe³⁺，凸显其生物相容性和生物成像应用潜力。

背景

铁（Fe³⁺）参与大脑功能、基因转录、免疫防御和生殖等细胞过程。Fe³⁺ 水平失衡与代谢紊乱和神经退行性疾病相关。传统检测技术包括原子吸收和色谱法，但荧光传感以其简便、灵敏、低检测限脱颖而出。

典型有机荧光团常受毒性、可循环性差和重复利用难的困扰。引入无机载体——尤其是磁性 Fe₃O₄@SiO₂ 纳米颗粒——可解决这些短板。Fe₃O₄ 核提供超顺磁性，便于磁分离；SiO₂ 壳赋予低毒性、高生物相容性和丰富表面官能化位点。

方法

Fe₃O₄@SiO₂ 纳米颗粒合成

Fe₃O₄ 核（10–15 nm）经改良 Stöber 法在乙醇/水混合液中用 TEOS 包覆薄非晶 SiO₂ 壳（平均直径 50–60 nm）。所得核壳颗粒作为荧光探针支架。

BHN-Fe₃O₄@SiO₂ 合成

1,8-萘酰亚胺衍生物 BHN 先合成（见文献），再与 3-异氰酸丙基-三乙氧基硅烷（IPTES）反应得 BHN-IPTES。在无水甲苯、110 °C、N₂ 保护下，硅烷功能化探针通过水解-缩合反应接枝至 SiO₂ 表面。离心和乙醇洗涤除去多余 BHN-IPTES，得最终 BHN-Fe₃O₄@SiO₂ 纳米结构。

表征

透射电镜确认清晰核壳结构。XRD 显示特征磁铁矿峰，20°–30° 间出现宽非晶 SiO₂ 峰。FT-IR 显示 Si-O-Si 振动和 BHN 芳香/烷基 C-H 伸缩，确认接枝成功。热重分析估算 BHN 负载量 3.34×10⁻⁵ M/g 探针。振动样品磁强计显示超顺磁行为（饱和磁化 ≈4.0 emu g⁻¹）和可忽略矫顽力，可快速磁性回收。

荧光响应

在 1:1 CH₃CN/H₂O 缓冲液（pH 7.36）、0.2 g L⁻¹ 探针浓度下，415 nm 激发观测到 518 nm 强发射。加入 Fe³⁺（5×10⁻⁵ M）2 min 内即时猝灭荧光，而其他测试金属离子（Ag⁺, Al³⁺, Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, K⁺, Li⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺, Zn²⁺）引起的变化可忽略。

荧光滴定显示与 Fe³⁺ 1:1 结合化学计量（Job 图）。结合常数 log β = 8.23。线性范围 0–20 µM，检测限 1.25×10⁻⁸ M（S/N=3）。Fe³⁺ 加入后 250 nm 和 350 nm 处 UV-vis 吸收增加，表明络合物形成。

可逆性与重复使用

用 2.5×10⁻⁵ M EDTA 处理 Fe³⁺ 结合探针，荧光恢复至基线，确认可逆“开/关”系统。连续 5 次 Fe³⁺-EDTA 循环响应损失 <5%，展现优异重复使用性。磁分离仅需 10 min（磁铁靠近分散液），轻微振荡即可重新分散。

pH 依赖性

pH 5.8–10.5 范围内荧光猝灭稳健，中性 pH 附近灵敏度最优。酸性条件下萘酰亚胺氮质子化削弱 Fe³⁺ 配位，减弱猝灭。

HeLa 细胞生物成像

MTT 实验证实探针浓度高达 0.2 g L⁻¹ 时细胞毒性低。共聚焦显微镜观察：HeLa 细胞孵育探针（0.2 g L⁻¹，30 min）显示亮绿色荧光。后加入 5×10⁻⁵ M Fe(ClO₄)₃ 孵育 30 min，荧光显著下降，验证探针监测细胞内 Fe³⁺ 动态的能力。

结论

我们开发了一种安全、磁性-二氧化硅混合探针，能选择性、灵敏检测 Fe³⁺，提供可逆荧光调控，并可磁性回收重复使用。其低检测限和活细胞成像兼容性使其成为生物医学研究和潜在临床诊断的有力工具。

缩写

• BHN – N-丁基-4-双(2-羟乙基)氨基-1,8-萘酰亚胺
• EDTA – 乙二胺四乙酸
• FT-IR – 傅里叶变换红外光谱
• IPTES – 3-异氰酸丙基-三乙氧基硅烷
• TEM – 透射电子显微镜
• TEOS – 正硅酸四乙酯
• TGA – 热重分析
• THF – 四氢呋喃
• XRD – X 射线粉末衍射