Puntos nano-biomasa fluorescentes derivados de soja mediante extracción ultrasónica para detección sensible de Fe³⁺

Resumen

La biomasa de soja, una materia prima renovable, se ha convertido en puntos nano-biomasa luminescentes (NBDs) mediante una estrategia de extracción ultrasónica sin calentamiento. Las partículas amorfas resultantes poseen un diámetro promedio de 2,4 nm y emiten fluorescencia azul brillante con un rendimiento cuántico del 16,7 %. Los ensayos de citotoxicidad demuestran biocompatibilidad completa hasta 800 µg mL⁻¹. Importante, la fluorescencia de NBD es altamente responsiva a Fe³⁺, permitiendo detección con límite de 2,9 µM —muy por debajo del umbral de la EPA de EE. UU. para agua potable. Esta plataforma verde ofrece una sonda escalable y de baja toxicidad para aplicaciones ambientales y biomédicas.

Antecedentes

Los nanomateriales luminescentes han revolucionado campos que van desde diodos emisores de luz hasta bioimagen y detección de iones metálicos [1,2,3,4,5,6]. Los puntos cuánticos (QDs) convencionales entregan propiedades ópticas sobresalientes pero sufren de toxicidad inherente [13,14]. Consecuentemente, hay un fuerte impulso para identificar plataformas luminescentes más verdes y sostenibles.

La biomasa —material orgánico generado vía fotosíntesis— ofrece una fuente renovable para síntesis de nanomateriales. La biomasa comestible, rica en azúcares y proteínas, puede transformarse en nanopuntos con impacto ambiental mínimo, asegurando alta biocompatibilidad para usos biológicos y ambientales [15,16]. Hasta la fecha, la mayoría de nanofuntos fluorescentes derivados de biomasa han requerido carbonización a alta temperatura, limitando la escalabilidad y preservando la estructura nativa de la materia prima [22].

Los puntos nano-biomasa fluorescentes (NBDs) no se han reportado aún como sonda verde y eficiente para detección de Fe³⁺. El Fe³⁺ juega un papel vital en la síntesis de hemoglobina pero niveles excesivos llevan a daño oxidativo y fallo orgánico, subrayando la necesidad de sensores sensibles y ambientalmente amigables [24].

Aquí demostramos los primeros NBDs derivados de soja extraídos ultrasónicamente con emisión azul brillante, rendimiento cuántico del 16,7 % y excelente biocompatibilidad. Su fluorescencia es selectivamente apagada por Fe³⁺, proporcionando un límite de detección de 2,9 µM.

Métodos

Materiales

Se usaron reactivos de grado analítico sin purificación adicional. Las sojas se obtuvieron de un supermercado local, lavaron y almacenaron a temperatura ambiente. Cloruro de calcio, cloruro de manganeso, cloruro cúprico, cloruro de cobalto, nitrato de plomo, nitrato de cromo, cloruro férrico, cloruro ferroso, cloruro de cadmio, dicloruro de mercurio, cloruro de sodio y cloruro de zinc se compraron de Aladdin Ltd. (Shanghai, China) y Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China).

Síntesis de NBDs

Cien semillas de soja se enjuagaron con una mezcla etanol-agua para eliminar impurezas superficiales. Luego se sumergieron en 50 mL de agua destilada y se sometieron a agitación ultrasónica durante 2 h. El color de la solución cambió de transparente a amarillo oscuro, indicando fragmentación a nanoescala. Tras dos pasos de centrifugación de 3 minutos a 7000 rpm, el sobrenadante se filtró a través de membrana de 0,22 µm para eliminar agregados. El filtrado se congeló a –5 °C durante 6 h, liofilizó a –50 °C durante 12 h, y el polvo resultante se redispersó en agua para obtener los NBDs finales.

Caracterización

Difracción de rayos X (XRD) se realizó en un difractómetro X' Pert Pro usando fuente Cu-Kα. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) y TEM de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) se realizaron en un microscopio JEM-2010. Espectros de fluorescencia y absorción UV-Vis se registraron en un espectrofluorómetro F-7000 y un espectrofotómetro UH4150, respectivamente. Espectros de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) se recogieron con un espectrómetro Thermo Scientific Nicolet iS10 FTIR. Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se realizó en un Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi equipado con fuente Al-Kα.

Medición de rendimiento cuántico de fotoluminiscencia

El rendimiento cuántico (QY) se midió usando un espectrofluorómetro F-9000 acoplado con esfera integradora. Una solución acuosa de NBD (absorbancia <0,1) se excitó a 370 nm, y la emisión se registró de 430 a 450 nm. Espectros de referencia de agua pura se adquirieron bajo condiciones idénticas, y QY se calculó usando el software de fluorescencia integrada.

Prueba de toxicidad celular

Ensayos MTT evaluaron la citotoxicidad de NBDs. Células HeLa se sembraron en placas de 96 pocillos, incubaron durante 72 h en RPMI-1640 con 10 % suero fetal bovino, y se expusieron a concentraciones variables de NBDs. La viabilidad celular se evaluó midiendo absorbancia a 570 nm.

Detección de Fe³⁺

Un alícuota de 1 mL de solución de NBDs (3 g L⁻¹) se mezcló con 1 mL de solución de Fe³⁺ a diferentes concentraciones. Tras incubación de 1 minuto a temperatura ambiente, se registraron espectros de fluorescencia bajo excitación a 370 nm.

Resultados y Discusión

Morfología y composición química

El proceso de extracción ultrasónica (Esquema 1) produce NBDs casi esféricos con diámetros de 1 a 3 nm (promedio 2,4 nm). Imágenes TEM (Fig. 1a,b) confirman su naturaleza amorfa, ya que no se observan franjas de red. HAADF-STEM y mapeo elemental (Fig. 1d-g) revelan composición dominada por carbono, nitrógeno y oxígeno. RMN de ¹³C en estado sólido (Fig. 1h) muestra señales a 164 y 170 ppm, indicativas de enlaces C=O y carbono sp², respectivamente.

XRD (Fig. 2a) muestra un pico ancho a ~21,5° y un hombro a ~41,0°, característico de carbono amorfo. Espectros FTIR (Fig. 2b) muestran estiramiento O-H/N-H (~3380 cm⁻¹), estiramiento C-H (~2906 cm⁻¹) y estiramiento C=O (~1650 cm⁻¹). Notablemente, la banda ~1750 cm⁻¹, atribuida a lípidos de soja, desaparece tras la extracción ultrasónica, indicando eliminación de lípidos insolubles. XPS (Fig. 2c-f) confirma composición de 64,33 % C, 32,34 % O y 2,72 % N, con grupos funcionales incluyendo C=O, C-O/C=N, C-C/C=C, N piridínico, N pirrólico, C-OH/C-O-C y C=O. Estos grupos superficiales confieren hidrofilicidad y estabilidad en medios acuosos.

El mecanismo de formación implica disrupción ultrasónica de partículas de soja en fragmentos nanométricos, hidrólisis de proteínas en péptidos y aminoácidos, y funcionalización de superficie de los nano-puntos con abundantes grupos –OH, –C=O y –NH, que son los principales contribuyentes a la fluorescencia.

Propiedades ópticas

Los NBDs exhiben fluorescencia dependiente de la excitación: a medida que la longitud de onda de excitación varía de 320 a 520 nm, el pico de emisión se desplaza hacia el rojo, permitiendo sintonía espectral (Fig. 3a). En solución acuosa, los NBDs son transparentes bajo luz ambiente y fluorescen azul bajo iluminación UV (recuadro, Fig. 3b). Espectros PLE (Archivo adicional 1: Fig. S3) revelan una ventana de excitación de 360–420 nm. Absorción UV-Vis (Fig. 3b) muestra picos a 270 nm (π-π* de C-C/C=C) y 330 nm (n-π* de C=O/N). La intensidad de fotoluminiscencia disminuye monótonamente con la temperatura (Fig. 3c), consistente con recombinación no radiativa aumentada. Tests de fotostabilidad indican >90 % retención tras 6 h de exposición UV, y los NBDs permanecen estables entre 20–80 °C (Fig. 3d).

Evaluación de citotoxicidad

Ensayos MTT con células HeLa (Fig. 4) muestran citotoxicidad despreciable: la viabilidad celular permanece >90 % incluso a 800 µg mL⁻¹ de NBDs. En contraste, dos puntos de carbono sintetizados químicamente exhiben viabilidad de 70 % y 67 % a la misma concentración, subrayando la biocompatibilidad superior de NBDs derivados de biomasa.

Propiedades de detección de los NBDs hacia Fe³⁺

El apagado de fluorescencia por Fe³⁺ es pronunciado (Fig. 5a). Una relación lineal entre F₀/F y concentración de Fe³⁺ (0–30 µM) produce un R² de 0,99 (Fig. 5b). La ecuación de Stern-Volmer da K_SV = 0,0072 µM⁻¹, y el límite de detección (LOD) es 2,9 µM —por debajo del límite de agua potable de la EPA de EE. UU. de 5,37 µM [24]. Tests de selectividad (Fig. 5c) confirman respuesta despreciable a Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺ y Zn²⁺, mientras que Fe³⁺ produce el apagado más significativo. La inspección visual bajo luz UV (Fig. 5d) demuestra un cambio de color claro, permitiendo detección a simple vista.

Mecanismo de apagado

Espectros de absorción UV-Vis (Archivo adicional 1: Fig. S8) no muestran desplazamiento tras adición de Fe³⁺, indicando integridad estructural. Medidas de vida de fluorescencia (Fig. 6a) revelan reducción en tiempo de decaimiento, sugiriendo transferencia de electrones fotoinducida desde el LUMO de NBD a orbitales d de Fe³⁺. El apagado se atribuye a fuerte coordinación entre Fe³⁺ y grupos superficiales –OH/–NH/–COOH, con Fe³⁺ actuando como ácido de Lewis que facilita la transferencia de electrones (Fig. 6b). Esta interacción selectiva explica la sensibilidad pronunciada hacia Fe³⁺ sobre otros iones metálicos.

Conclusión

Hemos establecido un método verde, sin calentamiento, ultrasónico para producir NBDs derivados de soja con emisión azul brillante (16,7 % QY) y biocompatibilidad excepcional (100 % viabilidad a 800 µg mL⁻¹). Su fluorescencia es selectivamente apagada por Fe³⁺, entregando un límite de detección de 2,9 µM, bien por debajo de umbrales regulatorios. Estos hallazgos posicionan a los NBDs como sondas prometedoras para imagen biomédica y monitoreo ambiental.