Points quantiques nano-biomasse fluorescents dérivés du soja par extraction ultrasonique pour détection sensible du Fe³⁺

Résumé

La biomasse de soja, une matière première renouvelable, a été convertie en points nano-biomasse luminescents (NBDs) par une stratégie d'extraction ultrasonique sans chauffage. Les particules amorphes résultantes possèdent un diamètre moyen de 2,4 nm et émettent une fluorescence bleue brillante avec un rendement quantique de 16,7 %. Les essais de cytotoxicité démontrent une biocompatibilité complète jusqu'à 800 µg mL⁻¹. Importamment, la fluorescence des NBDs est hautement sensible au Fe³⁺, permettant une détection avec une limite de 2,9 µM — bien en dessous du seuil de l'EPA américaine pour l'eau potable. Cette plateforme verte offre une sonde évolutive, à faible toxicité pour applications environnementales et biomédicales.

Contexte

Les nanomatériaux luminescents ont révolutionné des domaines allant des diodes électroluminescentes au bioimagerie et la détection d'ions métalliques [1,2,3,4,5,6]. Les points quantiques (QDs) conventionnels offrent des propriétés optiques exceptionnelles mais souffrent de toxicité inhérente [13,14]. Par conséquent, il y a un fort élan pour identifier des plateformes luminescentes plus vertes et durables.

La biomasse — matériel organique généré via photosynthèse — offre une source renouvelable pour la synthèse de nanomatériaux. La biomasse comestible, riche en sucres et protéines, peut être transformée en nanodots avec un impact environnemental minimal, assurant une haute biocompatibilité pour utilisations biologiques et environnementales [15,16]. À ce jour, la plupart des nanodots fluorescents dérivés de biomasse ont requis une carbonisation à haute température, limitant l'évolutivité et la préservation de la structure native de la matière première [22].

Les points nano-biomasse fluorescents (NBDs) n'ont pas encore été rapportés comme sonde verte et efficace pour la détection de Fe³⁺. Le Fe³⁺ joue un rôle vital dans la synthèse d'hémoglobine mais des niveaux excessifs mènent à des dommages oxydatifs et défaillance d'organes, soulignant le besoin de capteurs sensibles et respectueux de l'environnement [24].

Ici, nous démontrons les premiers NBDs dérivés de soja par extraction ultrasonique avec émission bleue brillante, rendement quantique 16,7 % et excellente biocompatibilité. Leur fluorescence est sélectivement éteinte par Fe³⁺, fournissant une limite de détection de 2,9 µM.

Méthodes

Matériaux

Des réactifs de grade analytique ont été utilisés sans purification supplémentaire. Les graines de soja provenaient d'un supermarché local, lavées et stockées à température ambiante. Chlorure de calcium, chlorure de manganèse, chlorure de cuivre, chlorure de cobalt, nitrate de plomb, nitrate de chrome, chlorure ferrique, chlorure ferreux, chlorure de cadmium, dichlorure de mercure, chlorure de sodium et chlorure de zinc ont été achetés auprès de Aladdin Ltd. (Shanghai, Chine) et Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, Chine).

Synthèse des NBDs

Cent graines de soja ont été rincées avec un mélange éthanol-eau pour éliminer les impuretés de surface. Elles ont ensuite été immergées dans 50 mL d'eau distillée et soumises à une agitation ultrasonique pendant 2 h. La couleur de la solution est passée de transparente à jaune foncé, indiquant une fragmentation nanométrique. Après deux étapes de centrifugation de 3 minutes à 7 000 tr/min, le surnageant a été filtré à travers une membrane 0,22 µm pour éliminer les agrégats. Le filtrat a été congelé à –5 °C pendant 6 h, lyophilisé à –50 °C pendant 12 h, et la poudre résultante a été redispersée dans l'eau pour obtenir les NBDs finaux.

Caractérisation

La diffraction des rayons X (XRD) a été effectuée sur un diffractomètre X' Pert Pro utilisant une source Cu-Kα. La microscopie électronique en transmission (MET) et la MET à champ sombre annulaire à haut angle (HAADF-STEM) ont été réalisées sur un microscope JEM-2010. Les spectres de fluorescence et d'absorption UV-Vis ont été enregistrés sur un spectrofluoromètre F-7000 et un spectrophotomètre UH4150 respectivement. Les spectres infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ont été collectés avec un spectromètre Thermo Scientific Nicolet iS10 FTIR. La spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS) a été conduite sur un Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi équipé d'une source Al-Kα.

Mesure du rendement quantique de photoluminescence

Le rendement quantique (QY) a été mesuré en utilisant un spectrofluoromètre F-9000 couplé avec une sphère intégrante. Une solution aqueuse de NBDs (absorbance <0,1) a été excitée à 370 nm, et l'émission enregistrée de 430 à 450 nm. Les spectres de référence d'eau pure ont été acquis sous conditions identiques, et le QY calculé en utilisant le logiciel de fluorescence intégré.

Test de toxicité cellulaire

Des essais MTT ont évalué la cytotoxicité des NBDs. Des cellules HeLa ont été ensemencées en plaques 96 puits, incubées 72 h en RPMI-1640 avec 10 % sérum fœtal bovin, et exposées à diverses concentrations de NBDs. La viabilité cellulaire a été évaluée en mesurant l'absorbance à 570 nm.

Détection du Fe³⁺

Un aliquot de 1 mL de solution NBDs (3 g L⁻¹) a été mélangé avec 1 mL de solution Fe³⁺ à différentes concentrations. Après incubation 1 minute à température ambiante, les spectres de fluorescence ont été enregistrés sous excitation 370 nm.

Résultats et Discussion

Morphologie et composition chimique

Le processus d'extraction ultrasonique (Schéma 1) produit des NBDs quasi sphériques avec diamètres de 1 à 3 nm (moyenne 2,4 nm). Les images MET (Fig. 1a,b) confirment leur nature amorphe, sans franges de réseau observées. L'HAADF-STEM et la cartographie élémentaire (Fig. 1d-g) révèlent une composition dominée par carbone, azote et oxygène. La RMN du ¹³C à l'état solide (Fig. 1h) montre des signaux à 164 et 170 ppm, indiquant des liaisons C=O et carbone sp² respectivement.

L'XRD (Fig. 2a) affiche un pic large à ~21,5° et une épaule à ~41,0°, caractéristique du carbone amorphe. Les spectres FTIR (Fig. 2b) montrent étirement O–H/N–H (~3380 cm⁻¹), étirement C–H (~2906 cm⁻¹), et étirement C=O (~1650 cm⁻¹). Notamment, la bande ~1750 cm⁻¹, attribuée aux lipides de soja, disparaît après extraction ultrasonique, indiquant l'élimination des lipides insolubles. L'XPS (Fig. 2c-f) confirme une composition de 64,33 % C, 32,34 % O et 2,72 % N, avec groupes fonctionnels incluant C=O, C–O/C=N, C–C/C=C, N pyridique, N pyrrolique, C–OH/C–O–C, et C=O. Ces groupes de surface confèrent hydrophilie et stabilité en milieu aqueux.

Le mécanisme de formation implique la disruption ultrasonique des particules de soja en fragments nanométriques, l'hydrolyse des protéines en peptides et acides aminés, et la fonctionnalisation de surface des nano-points avec d'abondants groupes –OH, –C=O et –NH, qui sont les contributeurs primaires à la fluorescence.

Propriétés optiques

Les NBDs présentent une fluorescence dépendante de l'excitation : alors que la longueur d'onde d'excitation varie de 320 à 520 nm, le pic d'émission se décale vers le rouge, permettant un accord spectral (Fig. 3a). En solution aqueuse, les NBDs sont transparents sous lumière ambiante et fluorescent bleu sous illumination UV (insert, Fig. 3b). Les spectres PLE (Fichier additionnel 1: Fig. S3) révèlent une fenêtre d'excitation de 360–420 nm. L'absorption UV-Vis (Fig. 3b) montre des pics à 270 nm (π–π* de C–C/C=C) et 330 nm (n–π* de C=O/N). L'intensité de photoluminescence diminue monotone avec la température (Fig. 3c), cohérent avec une recombinaison non-radiative accrue. Les tests de photostabilité indiquent >90 % de rétention après 6 h d'exposition UV, et les NBDs restent stables entre 20–80 °C (Fig. 3d).

Évaluation de la cytotoxicité

Les essais MTT avec cellules HeLa (Fig. 4) montrent une cytotoxicité négligeable : la viabilité cellulaire reste >90 % même à 800 µg mL⁻¹ de NBDs. En contraste, deux points de carbone synthétisés chimiquement présentent des viabilités de 70 % et 67 % à la même concentration, soulignant la biocompatibilité supérieure des NBDs dérivés de biomasse.

Propriétés de détection des NBDs vis-à-vis du Fe³⁺

L'extinction de fluorescence par Fe³⁺ est prononcée (Fig. 5a). Une relation linéaire entre F₀/F et la concentration en Fe³⁺ (0–30 µM) donne un R² de 0,99 (Fig. 5b). L'équation de Stern-Volmer donne K_SV = 0,0072 µM⁻¹, et la limite de détection (LOD) est 2,9 µM — en dessous de la limite EPA américaine pour l'eau potable de 5,37 µM [24]. Les tests de sélectivité (Fig. 5c) confirment une réponse négligeable à Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺ et Zn²⁺, tandis que Fe³⁺ produit l'extinction la plus significative. L'inspection visuelle sous lumière UV (Fig. 5d) démontre un changement de couleur clair, permettant une détection à l'œil nu.

Mécanisme d'extinction

Les spectres d'absorption UV-Vis (Fichier additionnel 1: Fig. S8) ne montrent pas de décalage lors de l'addition de Fe³⁺, indiquant l'intégrité structurale. Les mesures de durée de vie de fluorescence (Fig. 6a) révèlent une réduction du temps de désintégration, suggérant un transfert d'électron photo-induit du LUMO des NBDs vers les orbitales d du Fe³⁺. L'extinction est attribuée à une forte coordination entre Fe³⁺ et les groupes de surface –OH/–NH/–COOH, avec Fe³⁺ agissant comme un acide de Lewis facilitant le transfert d'électron (Fig. 6b). Cette interaction sélective explique la sensibilité prononcée vers Fe³⁺ par rapport aux autres ions métalliques.

Conclusion

Nous avons établi une méthode verte, sans chauffage, par ultrasons pour produire des NBDs dérivés de soja avec émission bleue brillante (16,7 % QY) et biocompatibilité exceptionnelle (100 % viabilité à 800 µg mL⁻¹). Leur fluorescence est sélectivement éteinte par Fe³⁺, délivrant une limite de détection de 2,9 µM, bien en dessous des seuils réglementaires. Ces résultats positionnent les NBDs comme sondes prometteuses pour l'imagerie biomédicale et la surveillance environnementale.

Abréviations

FTIR :

Infrarouge à transformée de Fourier

HAADF-STEM :

Microscopie électronique en transmission à balayage à champ sombre annulaire à haut angle

LOD :

Limite de détection

NBDs :

Points nano-biomasse

NMR :

Résonance magnétique nucléaire

PL :

Photoluminescence

QDs :

Points quantiques

QY :

Rendement quantique

MET :

Microscopie électronique en transmission

UES :

Stratégie d'extraction ultrasonique

USEPA :

Agence de protection de l'environnement des États-Unis

XPS :

Spectroscopie photoélectronique par rayons X

XRD :

Diffraction des rayons X