超声提取制备荧光大豆源纳米生物质点实现高灵敏Fe³⁺检测

摘要

大豆生物质这一可再生原料，通过免加热超声提取策略转化为发光纳米生物质点（NBDs）。所得非晶颗粒平均直径2.4 nm，发射亮蓝色荧光，量子产率16.7%。细胞毒性实验显示在800 µg/mL浓度下完全生物相容。重要的是，NBD荧光对Fe³⁺高度响应，检测限2.9 µM——远低于美国EPA饮用水标准。该绿色平台为环境和生物医学应用提供可扩展、低毒性探针。

背景

发光纳米材料革新了从发光二极管到生物成像和金属离子传感等领域。传统量子点（QDs）虽光学性能优异，但固有毒性限制应用。因此，寻找更绿色、可持续的发光平台迫在眉睫。

生物质——光合作用产生的有机物——为纳米材料合成提供可再生来源。可食用生物质富含糖和蛋白，可转化为纳米点，环境影响小，确保生物和环境用途的高生物相容性。迄今，大多数生物质源荧光纳米点需高温碳化，限制规模化并破坏原料原生结构。

荧光纳米生物质点（NBDs）尚未被报道作为绿色、高效Fe³⁺检测探针。Fe³⁺在血红蛋白合成中起关键作用，但过量导致氧化损伤和器官衰竭，凸显对灵敏、环保传感器的需求。

本文首次展示超声提取大豆源NBDs，具亮蓝光发射（量子产率16.7%）、优异生物相容性。其荧光被Fe³⁺选择性猝灭，检测限2.9 µM。

实验方法

材料

所有试剂分析纯，无需进一步纯化。大豆购自本地超市，洗净室温保存。氯化钙、氯化锰、氯化铜、氯化钴、硝酸铅、硝酸铬、氯化铁、氯化亚铁、氯化镉、二氯化汞、氯化钠、氯化锌购自Aladdin（上海）和国药集团化学试剂（上海）。

NBDs合成

100粒大豆种子用乙醇-水混合液冲洗去除表面杂质。浸入50 mL蒸馏水中，超声搅拌2 h。溶液颜色由透明转深黄，指示纳米级碎裂。经两次7000 rpm、3 min离心，上清液经0.22 µm膜过滤除聚集体。滤液-5°C冷冻6 h，-50°C冻干12 h，所得粉末重新分散水中得最终NBDs。

表征

XRD用X'Pert Pro衍射仪（Cu-Kα源）测试。TEM和高角环形暗场扫描TEM（HAADF-STEM）在JEM-2010显微镜进行。荧光和UV-Vis吸收光谱分别用F-7000荧光分光光度计和UH4150分光光度计记录。傅里叶变换红外（FTIR）光谱用Thermo Scientific Nicolet iS10光谱仪收集。X射线光电子能谱（XPS）在Thermo Fisher ESCALAB 250Xi（Al-Kα源）测试。

光致发光量子产率测量

量子产率（QY）用F-9000分光荧光计配积分球测定。水溶液NBD（吸光度<0.1）以370 nm激发，430–450 nm记录发射。同条件下获取纯水参考谱，积分荧光软件计算QY。

细胞毒性测试

MTT法评估NBD细胞毒性。HeLa细胞接种96孔板，RPMI-1640含10%胎牛血清培养72 h，暴露不同浓度NBD。570 nm吸光度评估细胞活力。

Fe³⁺检测

1 mL NBD溶液（3 g/L）混合1 mL不同浓度Fe³⁺溶液。室温孵育1 min后，370 nm激发记录荧光谱。

结果与讨论

形貌与化学组成

超声提取工艺（方案1）产生近球形NBDs，直径1–3 nm（平均2.4 nm）。TEM图像（图1a,b）确认非晶本质，无晶格条纹。HAADF-STEM和元素映射（图1d-g）显示以碳、氮、氧为主。固体¹³C NMR（图1h）在164和170 ppm显示信号，分别指示C=O键和sp²碳。

XRD（图2a）显示~21.5°宽峰和~41.0°肩峰，典型非晶碳特征。FTIR（图2b）显示O-H/N-H伸缩（~3380 cm⁻¹）、C-H伸缩（~2906 cm⁻¹）、C=O伸缩（~1650 cm⁻¹）。值得注意的是，大豆脂质特征峰~1750 cm⁻¹经超声提取消失，指示不溶性脂质去除。XPS（图2c-f）确认组成：64.33% C、32.34% O、2.72% N，官能团含C=O、C-O/C=N、C-C/C=C、吡啶N、吡咯N、C-OH/C-O-C、C=O。这些表面基团赋予水溶性和水介稳定性。

形成机制涉及超声破碎大豆颗粒为纳米片段，蛋白水解为肽和氨基酸，纳米点表面官能化大量-OH、-C=O、-NH基团，为荧光主要贡献者。

光学性质

NBDs表现激发依赖性荧光：激发波长320–520 nm变化时，发射峰红移，实现光谱调谐（图3a）。水溶液中环境光透明，紫外光下蓝光荧光（图3b插图）。PLE谱（附件图S3）显示激发窗口360–420 nm。UV-Vis吸收（图3b）在270 nm（C-C/C=C π-π*）和330 nm（C=O/N n-π*）有吸收峰。荧光强度随温度单调下降（图3c），符合非辐射复合增加。光稳定性测试显示6 h紫外照射后保留>90%，20–80°C稳定（图3d）。

细胞毒性评价

HeLa细胞MTT实验（图4）显示忽略不计细胞毒性：800 µg/mL NBDs下细胞活力>90%。对比两种化学合成碳点同浓度下活力仅70%和67%，凸显生物质源NBDs优越生物相容性。

NBDs对Fe³⁺的传感性能

Fe³⁺猝灭荧光显著（图5a）。F₀/F与Fe³⁺浓度（0–30 µM）线性关系R²=0.99（图5b）。Stern-Volmer方程得K_SV=0.0072 µM⁻¹，检测限（LOD）2.9 µM——低于美国EPA饮用水限值5.37 µM。选择性测试（图5c）确认对Ca²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺、Fe²⁺、Hg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Pb²⁺、Zn²⁺响应可忽略，Fe³⁺猝灭最显著。紫外灯下目视检查（图5d）显示明显颜色变化，可肉眼检测。

猝灭机制

UV-Vis吸收谱（附件图S8）Fe³⁺加入后无位移，指示结构完整。荧光寿命测量（图6a）显示衰减时间缩短，提示NBD LUMO向Fe³⁺ d轨道光诱导电子转移。猝灭归因于Fe³⁺与表面-OH/-NH/-COOH强配位，Fe³⁺作为路易斯酸促进电子转移（图6b）。这种选择性相互作用解释对Fe³⁺优于其他金属离子的显著灵敏度。

结论

建立绿色、免加热超声法制备大豆源NBDs，亮蓝光发射（量子产率16.7%）、卓越生物相容性（800 µg/mL活力100%）。荧光被Fe³⁺选择性猝灭，检测限2.9 µM，远低于法规阈值。研究确立NBDs作为生物医学成像和环境监测有前景探针的地位。

缩略语

FTIR

傅里叶变换红外

HAADF-STEM

高角环形暗场扫描透射电镜

LOD

检测限

NBDs

纳米生物质点

NMR

核磁共振

PL

光致发光

QDs

量子点

QY

量子产率

TEM

透射电镜

UES

超声提取策略

USEPA

美国环境保护署

XPS

X射线光电子能谱

XRD

X射线衍射