Stimulatie van met cysteïne gecoate CdSe/ZnS Quantum Dot Luminescentie door meso-Tetrakis (p-sulfonato-fenyl) porfyrine

Resultaten en discussie

Vers bereide (CdSe/ZnS)-Cys QD bezitten het maximum van het luminescentiespectrum bij 558 nm (Fig. 1, zwarte lijn), zoals eerder gerapporteerd door Liu et al. [13], en kwantumopbrengst (QY) 0,75 [2, 24, 25]. De toevoeging van TPPS₄ naar de verse oplossing veroorzaakt geen veranderingen, zowel in de QD-luminescentie-intensiteit als in het luminescentiespectrumprofiel.

Genormaliseerde luminescentiespectra van (CdSe/ZnS)-Cys 558 quantum dots in fosfaatbuffer (7,5 mM) bij pH 7,3:vers bereid (zwarte lijn, λ _max = 558 nm), na 3 maanden in de koelkast bij 276 K (verouderde QD) zonder TPPS₄ (rode lijn, λ _max = 556 nm), en bij toevoeging van [TPPS₄ ] = 5.0 μM tot oude QD (blauwe lijn, λ _max = 559 nm), λ _ex = 480 nm

Voor (CdSe/ZnS)-Cys QD opgelost in water en bewaard in de koelkast bij 276 K gedurende 3 maanden (verouderde QD), de positie van het maximum van het luminescentiespectrum, gemeten in fosfaatbuffer (7,5 mM) bij pH 7,3, was blauw verschoven voor 2 nm (λ _max = 556 nm), in vergelijking met die van verse QD. De emissieband leek verbreed en enigszins asymmetrisch (figuur 1, rode lijn). De kwantumopbrengst van de verouderde QD-luminescentie, bepaald met de hierboven beschreven methode, was 0,23 ± 0,03.

De toevoeging van TPPS₄ naar de verouderde QD-oplossing veroorzaakte een significante toename van de luminescentie-intensiteit (Fig. 2a), QY-waarde die 0,75  ±  0,08 bereikte (Fig. 2a, inzet), de waarde sloot aan bij die voor verse QD [2, 24, 25].

een Luminescentiespectra en kwantumopbrengst (inzet) van verouderde (CdSe/ZnS)-Cys 558 QD ([QD] = 570 nM, zwarte curve) oplossingen als functie van de TPPS₄ porfyrine concentratie. b Vervalkinetiek van QD-luminescentie en de \( {I}_{0_3}/\left({I}_{0_2}+{I}_{0_3}\right) \) verhouding (inzet, zie vgl. (3) ) als functie van de TPPS₄ porfyrineconcentratie

Bovendien, in aanwezigheid van TPPS₄ , werden de symmetrie van de luminescentieband van de verouderde QD en de vermindering van zijn bandbreedte waargenomen, vergezeld van een maximale roodverschuiving tot λ _max = 559 nm, dicht bij het maximum van het verse QD-spectrum (Fig. 1, blauwe lijn).

De luminescentie-vervalcurves verkregen bij 480 nm excitatie voor oplossingen van zowel verse als verouderde QD werden achtereenvolgens gefit als een som van drie exponentiëlen:

waarbij \( {I}_{0_i} \) en τ _ik zijn pre-exponentiële factor (amplitude) en levensduur van de i -de vervalcomponent, respectievelijk.

De levensduur van de componenten voor zowel verse als oude QD is onafhankelijk van de aanwezigheid van porfyrine (tabel 1). De levensduur van de luminescentie van verse QD-oplossingen is typisch voor (CdSe/ZnS)-Cys QD [26, 27]. Voor verouderde QD is de levensduur van de componenten veel korter (tabel 1).

De waarden van τ ₁ in alle gevallen liggen verse en verouderde QD in aanwezigheid en afwezigheid van porfyrine in de buurt van de tijdresolutie van de telapparatuur voor één foton (≈ 100 ps) die in dit onderzoek wordt gebruikt. Daarom moet het worden geassocieerd met het verstrooide licht van de opwindende puls.

Het staat vast [28,29,30] dat de kortstondige (τ ₂ ) en langlevende (τ ₃ ) componenten zijn geassocieerd met de luminescentie die het gevolg is van de annihilatie van het elektron-gat in de QD-kern (τ ₂ ) en shell (τ ₃ ), respectievelijk. De totale intensiteit van deze twee componenten kenmerkt het hele vernietigingsproces in de QD. In dit geval is de relatieve intensiteit (amplitude) van de τ ₃ component zou de bijdrage van de elektron-gat-annihilatie in de QD-schaal moeten aantonen. De relatieve bijdrage I ₃ van de 3e component van de vervalcurve werd berekend als:

De toevoeging van TPPS₄ naar nieuwe QD-oplossingen verandert de relatieve inhoud van de componenten niet significant (gegevens niet getoond), terwijl voor verouderde QD-oplossingen de relatieve inhoud van τ ₃ component I ₃ neemt toe met de TPPS₄ concentratie (Fig. 2b, inzet). De afhankelijkheid van QY voor verouderde quantum dot-luminescentie van de TPPS₄ concentratie is vergelijkbaar met die voor I ₃ (Fig. 2a, b, inzet), beide bereiken de maximale waarden ongeveer op 2,0 μM TPPS₄ . Dit betekent dat TPPS₄ interactie met verouderde QD beïnvloedt sterker de luminescentie van QD-schaal dan die van zijn kern. Echter, TPPS₄ in verse QD-oplossingen vertoont geen effect op de QD-luminescentie. Daarom concluderen we dat de TPPS₄ effect waargenomen voor de verouderde QD-oplossing kan niet worden verklaard door de binding van porfyrine aan het QD-oppervlak.

Aan de andere kant, de waargenomen toename van de oude QD-luminescentie-intensiteit bij interactie met TPPS₄ kan niet worden verklaard via omgekeerde energieoverdracht van TPPS₄ naar QD, sinds de TPPS₄ fluorescentiespectrum is gelokaliseerd in het bereik λ> 600 nm waarbij de QD-absorptie zwak is (aanvullend bestand 1:Afbeelding S3). Daarom is de energieoverdracht via het Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET) -mechanisme laag waarschijnlijk. Bovendien werd de QD-luminescentie opgewekt bij 460 of 480 nm, waarbij TPPS₄ optische absorptie is verwaarloosbaar. Bovendien zijn de absorptiespectra van TPPS₄ bleef ongewijzigd in de gemengde oplossingen, wat de afwezigheid van ladingsoverdracht tussen QD en TPPS aantoont₄ (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4b, c).

Het vermogen van kwantumdots om te aggregeren via de vorming van niet-covalente NH···H-waterstofbindingen tussen de QD-oppervlaktegroepen was al gedocumenteerd [13, 17]. Aggregatie vermindert de QD-luminescentie, waardoor de component die aan de QD-schaal wordt toegeschreven het meest effectief wordt uitgedoofd [13, 17]. De vermindering van de QD-luminescentie-intensiteit en levensduur werd waargenomen voor CdSe-QD in vaste films als gevolg van de vorming van 3D-aggregaten [31]. De auteurs stelden een model voor waarin deze vermindering wordt geassocieerd met energieoverdracht tussen individuele QD in het totaal [32].

Op basis van dit bewijs zijn we van mening dat QD in de koelkast aggregeert, wat de intensiteit van de luminescentie en de levensduur vermindert. Daarom associëren we de waargenomen toename van de QD-luminescentie-intensiteit en levensduur in de aanwezigheid van TPPS₄ met QD-disaggregatie, gestimuleerd door TPPS₄ bij zijn binding met het aggregaat. Een vergelijkbaar effect werd waargenomen voor de emissie van geaggregeerde QD bij hun interactie met fluorionen [17].

De waargenomen veranderingen in het luminescentiebandprofiel voor verouderde QD (Fig. 1) kunnen ook worden verklaard door QD-aggregatie, waarbij de asymmetrie ervan wordt geassocieerd met het bestaan ​​van verschillende soorten aggregaten. Interactie met TPPS₄ vermindert aggregatie en maakt het profiel van de luminescentieband vergelijkbaar met dat voor niet-geaggregeerde QD, waargenomen in verse oplossingen.

Bij neutrale pH bezit het QD-Cys-oppervlak een negatieve nettolading vanwege deprotonering van terminale aminogroepen op het oppervlak [17, 33, 34]. Bij deze pH, TPPS₄ heeft een nettolading (4-) vanwege vier negatief geladen sulfonaatfenylgroepen in zijn structuur ([35, 36] en referenties daarin). Daarom interactie tussen QD-cysteïnegroepen en TPPS₄ moleculen is laag waarschijnlijk vanwege elektrostatische afstoting. De hoge affiniteit van het porfyrine π-geconjugeerde systeem voor metalen oppervlakken is echter goed gedocumenteerd [37]. Deze affiniteit zou verantwoordelijk moeten zijn voor TPPS₄ binding op het oppervlak van de kwantumdots, ondanks de elektrostatische afstoting tussen de QD- en porfyrine-zijgroepen. De interactie tussen QD-oppervlak en π-geconjugeerd systeem van het gebonden porfyrine zou de zwakke verbreding van het porfyrine-fluorescentiespectrum kunnen verklaren (Fig. 1, 3 en Aanvullend bestand 1:Figuur S3a, inzet) en waargenomen veranderingen in het fluorescentie-excitatiespectrum (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S5b, inzet) [38].

Genormaliseerde luminescentie-emissiespectra van TPPS₄ in fosfaatbuffer (7,5 mM, pH 7,3) voor verschillende TPPS₄ concentraties in aanwezigheid van verouderde (CdSe/ZnS)-Cys 558 quantum dot (570 nM), λ _ex = 460 nm

Binding van sommige porfyrinemoleculen op het QD-oppervlak verhoogt de negatieve lading van het QD-oppervlak, waardoor de elektrostatische afstoting tussen deeltjes toeneemt en hun desaggregatie wordt geïnduceerd (Schema 1) [39].

Het schema van de interactie tussen verouderde (CdSe/ZnS)-Cys 558 QD en TPPS₄ porfyrine bij neutrale pH. De porfyrinemoleculen adsorberen op het QD-oppervlak vanwege de hoge affiniteit van het porfyrine--geconjugeerde systeem voor metalen oppervlakken, waardoor de netto negatieve lading op het QD-oppervlak toeneemt, waardoor de elektrostatische afstoting tussen deeltjes toeneemt en hun desaggregatie wordt veroorzaakt

Het QD-oppervlak A _QD ≈ 145 nm ² is voldoende om meerdere TPPS te adsorberen₄ moleculen (A _TPPS4 ≈ 1.8 nm ² per eenheid) [40], zoals werd waargenomen voor porfyrines die interageren met magnetische en gouden nanodeeltjes [41, 42].

Om het hele gebied van QD door porfyrines te bestrijken, zijn 80 porfyrinemoleculen per individuele QD nodig. Echter, de verzadiging van de luminescentie QY en I ₃ waarden in 570 nM QD-oplossing werden waargenomen bij ongeveer [TPPS₄ ] = 2.0 μM (Fig. 2), wat aantoont dat de binding van vier porfyrinemoleculen per QD voldoende is voor QD-disaggregatie. Dit kan worden verklaard door een grotere ladingsdichtheid op het porfyrinemolecuul in vergelijking met die van QD (aanvullend bestand 1:figuur S6), dat een sterkere elektrostatische afstoting veroorzaakt tussen QD met gebonden porfyrines. Inderdaad, Zeta-potentieel voor de bejaarde QD (ζ_QD ) is − 36,1 mV en dat voor TPPS₄ molecuul (ζ_TPPS4 ) is − 37,6 mV. Gemiddelde ladingsdichtheid, berekend als σ =ζ /A_QD , voor een individuele bejaarde QD is

σ_QD =− 36,1 mV/145 nm ² = − 0,25 mV/nm ² .

Tegelijkertijd, voor een individuele QD van leeftijd gebonden met vier TPPS₄ moleculen, de gemiddelde ladingsdichtheid (σ_QD+TPPS4 ) is

σ_QD+TPPS4 =− (36,1 + 37.6 × 4) mV/145 nm ² = − 1,29 mV/nm ² .

Dus de binding van vier TPPS₄ moleculen met een individuele verouderde QD verhogen de σ meer dan 5 keer, waardoor de kracht van elektrostatische afstoting meer dan 25 keer toeneemt en de verouderde QD-desaggregatie wordt geïnduceerd.

In overeenstemming met de QD-aggregatiehypothese, een soortgelijk effect als geïnduceerd door TPPS₄ toevoeging moet worden waargenomen bij verdunning van verouderde QD-oplossingen. We hebben echt de toename van de QY van QD-luminescentie waargenomen bij verdunning van de bufferoplossing (figuur 4a, inzet), wat aantoont dat het zelfdovende van QD-luminescentie in verouderde QD-Cys-oplossingen afhangt van de QD-concentratie [17] . Tegelijkertijd moet de I ₃ waarde in de QD-luminescentiekinetiek neemt ook toe met verdunning (Fig. 4b, inzet).

een Luminescentiespectra en kwantumopbrengst (inzet) van verouderde (CdSe/ZnS)-Cys 558 QD-oplossingen in functie van de concentratie ervan. b Vervalkinetiek van de QD-luminescentie en de I ₃ waarde (inzet, zie vgl. (3)) in functie van zijn concentratie

Bovendien laten de experimenten met dynamische lichtverstrooiing zien dat D_hd van verstrooiende deeltjes in de QD-oplossingen na veroudering was (330 ± 170) nm, wat veel groter is dan die van verse QD. Verdunning vermindert D_hd tot (25 ± 6) nm, waardoor de QD-uitsplitsing direct wordt aangetoond (aanvullend bestand 1:Tabel S1).

Er bestaat nog een interessant aspect van het probleem:kan toevoeging van TPPS₄ aan de oplossing van verse QD hun aggregatie tijdens opslag bij lage temperatuur te voorkomen, waardoor hun luminescentie-eigenschappen worden gestabiliseerd? Om dit probleem op te helderen is echter een onafhankelijk en gedetailleerd onderzoek nodig met gebruikmaking van verschillende experimentele methoden en verschillende experimentele omstandigheden, zoals reagensconcentraties, temperatuur, duur van de opslag van de oplossing (meerdere maanden), enz. We zijn van plan dit diepgaande onderzoek in de dichtstbijzijnde toekomst.