Synthese van door reabsorptie onderdrukte Type-II/Type-I ZnSe/CdS/ZnS Core/Shell Quantum Dots en hun toepassing voor immunosorbentassay

Resultaten en discussie

De UV-vis-absorptie en PL-spectra van het schaalgroeiproces worden getoond in Fig. 1. De Stokes-verschuiving van de ZnSe-kern is slechts 8 nm met de eerste absorptiepiek bij 420 nm en emissiepiek bij 428 nm, en emissie over de volledige breedte op de helft maximum (FWHM) van 17 nm. Toen echter slechts één monolaag (ML) van CdS-schaal op de ZnSe-kern groeide, nam de Stokes-verschuiving aanzienlijk toe tot 54 nm met de eerste absorptiepiek bij 497 nm en emissiepiek bij 551 nm, met emissie over de volledige breedte op half maximum (FWHM) van 38 nm. Door delokalisatie van de elektronengolffunctie is de PL-emissie van ZnSe/CdS QD's (629 nm) roodverschoven ten opzichte van ZnSe core QD's (428 nm) en de FWHM verbreed tot 52 nm met de afzetting van CdS-schaal. De verbrede PL FWHM is ontstaan ​​uit een verbeterde Frölich-achtige exciton-fonon interactie [22, 23]. Bovendien verzwakte de oscillatorsterkte van de eerste absorptiepiek snel als gevolg van ruimtelijk indirecte type II-overgang van de valentieband van de ZnSe naar de geleidingsband van de CdS. Het fenomeen komt veel voor bij type II QD's [24,25,26]. Terwijl de dramatische toename van de absorptie in het blauwe spectraalgebied (<500 nm) werd toegeschreven aan de band gap van bulk CdS-materiaal (2,42 eV). Dientengevolge resulteerden de rode emissie, de afgeplatte eerste excitonabsorptiepiek en de robuuste absorptie in het korte golflengtegebied (<500 nm) van ZnSe/CdS type II QD's in een grote Stokes-verschuiving en onderdrukte reabsorptie. Met de opeenvolgende groei van ZnS-schaal werd de PL verschoven naar korte golflengte en werd de FWHM versmald van 52 nm naar 43 nm. Dit fenomeen werd toegeschreven aan het feit dat de Zn-atomen in de Cd-rijke gebieden diffunderen om bij hoge temperatuur een gradiëntschaal te vormen, waardoor de band-offset van de schaal toeneemt. De QY's kunnen toenemen van 20 tot 82% tijdens het shell-groeiproces van CdS en ZnS op ZnSe-kernen.

Evolutie van de UV-vis absorptie en PL-spectra bij opeenvolgende groei van ZnSe/CdS/ZnS core/shell QD's

Het was opmerkelijk dat de overmaat aan Zn-OA-precursor ten opzichte van Se-precursor in de kernoplossing nodig was om hoogwaardige en monodisperse ZnSe-kern-QD's te verkrijgen. Dientengevolge zou onvermijdelijk een ZnCdSeS-legeringsschaal worden gevormd tijdens de toevoeging van Cd-OT-schaalprecursor in de beginfase, aangezien de hoge temperatuur (>200 °C) de kationenuitwisseling en diffusie tussen Zn ²⁺ en Cd ²⁺ , en het rijke octaanthiol in Cd-OT-voorloper zou ook kunnen reageren met de overmaat Zn-OA [7, 12, 27, 28]. De legeringsschaal kan niet alleen de grensvlakspanning en het defect verminderen om de QY's te vergroten, maar ook een energiebarrière voor gaten genereren. De rand van de geleidingsband van het materiaal van de ZnCdSeS-legering bevond zich tussen die van ZnSe en CdS, terwijl de rand van de valentieband dieper was dan die van CdS. Dit vormde een groter potentiaaldal in de rand van de valentieband als extra blokkeerlaag voor de gaten (Schema 1) [12]. Deze energiebandstructuur kan de overlap van elektronen en gaten verder verminderen om de sterkte van de eerste excitonabsorptiepiek te verminderen en de reabsorptie te onderdrukken.

De schematische structuur (up ) en de banduitlijning (onder ) voor ZnSe/CdS/ZnS type-II/type-I QD's op basis van respectievelijk de overeenkomstige abrupte en gelegeerde interfaces

De informatie over de kern / schaalbandstructuur en de evolutie van PL en absorptie tijdens de schaalgroei kan verder worden geverifieerd door de vergelijking van XRD, TEM en HRTEM van kern en kern / schaal nanokristallen. De poeder-XRD-patronen van de ZnSe-kern, ZnSe/CdS en ZnSe/CdS/ZnS-kern/schil (de linkerafbeelding van Fig. 2) laten zien dat de diffractiepieken scherp worden en verschuiven naar posities die overeenkomen met bulk-wurtziet (WZ) CdS of ZnS-kristalstructuren. Dit resultaat is consistent met de voorspelde waarden voor het grotere volume van CdS- of ZnS-shell in vergelijking met ZnSe-kern in de uiteindelijke kern/shell-QD's en getuigt van de groei van multishells. Bovendien heeft er een transformatie plaatsgevonden van ZnSe-kernen van het type zinkblend (ZB) naar kern/schil van het WZ-type met CdS- en ZnS-coating. Dit fenomeen is gemeld in CdSe/CdS core/shell QD-systemen [29, 30]. TEM-afbeeldingen van de kern-QD's en verschillende core / shell-QD's worden getoond in Fig. 2a − 2 F. Alle TEM-afbeeldingen tonen bijna monodisperse sferische QD's met geleidelijk toenemende gemiddelde diameters van de originele ZnSe-kern (3,90 nm) tot ZnSe/6CdS-type- II QD's (7,98 nm) en ZnSe/6CdS/6ZnS type-II/type-I QD's (11,92 nm). Zoals getoond in het HRTEM-beeld van ZnSe-kern-QD's (inzet van figuur 2a), is de roosterafstand van de (111) vlakken 0,32 nm en hebben de QD's een goede kristalliniteit en monodispersiteit. Met de groei van schelpen vertoonde de roosterparameter overeenkomstige verandering (0,35 nm voor CdS en 0,31 nm voor ZnS) in overeenstemming met de XRD-gegevens. De resultaten hebben duidelijk de controleerbare groei van CdS en daaropvolgende ZnS-schaalmaterialen gesuggereerd.

Links :XRD-patronen van ZnSe/CdS/ZnS type-II/type-I QD's met verschillende groeistadia van de schaal. De diffractielijnen voor zinkblend (ZB) ZnSe (onder), WZ CdS (midden ), en WZ ZnS (top ) zijn geïndexeerd. Juist :de corresponderende TEM en HRTEM (inzet , balk van 5 nm) afbeeldingen van de ZnSe-kern (a ), ZnSe/CdS type II QD's met 2 ML (b ), 4 ML (c ) en 6 ML (d ) CdS-shell, respectievelijk, en ZnSe/CdS/ZnS type-II/type-I QD's met respectievelijk 3 ML (E) en 6 ML (F)

Ondertussen, om de evolutie van de samenstelling tijdens de groei van multishell te bevestigen, is de energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS) -analyse uitgevoerd voor verschillende stadia van de kern / schaalgroei, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:tabel S1. De EDS-gegevens laten zien dat de overeenkomstige veranderingen in de inhoud van Cd, Se, Zn en S in overeenstemming zijn met het groeistadium van de schaal. Maar het is vermeldenswaard dat de Cd/(Zn + Cd) molaire verhouding in de resulterende ZnSe/CdS QDs hoger is dan de Cd/(Zn + Cd) voedingsverhouding vanwege de kationenuitwisseling tussen Zn ²⁺ en Cd ²⁺ tijdens het proces van het coaten van CdS-schaal op ZnSe-kern bij meer dan 200 ° C. In vergelijking met de gepubliceerde literatuur over typische type-I CdSe/CdS/ZnS QD's (Cd molaire verhouding ~ 40%) [31], bevatten de type-II/type-I ZnSe/CdS/ZnS QD's veel minder Cd-element (~ 13%).

Een visuele vergelijking van hydrofobe QD's in chloroform en PMAO-capped QD's in water onder zonlicht en UV-licht wordt weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S1 (A). Het lijkt erop dat beide QD-oplossingen ongestoord zijn en geen aggregatie van nanodeeltjes. Beide QD's straalden hetzelfde rode licht uit wanneer ze werden verlicht met een draagbare UV-lamp (365 nm). Aanvullend bestand 1:figuur S1 (B) toont de UV-zichtbare absorptie en PL-spectra van QD's voor en na faseoverdracht. Vergeleken met de hydrofobe QD's in chloroform, heeft het PL-spectrum van PMAO-capped QD's een verwaarloosbare verandering, wat wijst op geen duidelijke verandering in de deeltjesgrootte en PL-eigenschappen. Aanvullend bestand 1:figuur S1 (C) en (D) presenteren de TEM-afbeeldingen van de QD's voor en na faseoverdracht die de morfologie en de toestand van PMAO-capped QD's verder bepalen. Het lijkt erop dat PMAO-afgetopte QD's goed geïsoleerd zijn en zelden als aggregaten worden waargenomen.

Om de vorming van PMAO-ingekapselde QD's tijdens het faseoverdrachtsproces te bevestigen, werd FTIR-spectroscopie gebruikt om de functionele groepen op het oppervlak van QD's te karakteriseren (getoond in aanvullend bestand 1:figuur S2). De afname van de piek bij 1777 cm ⁻¹ (vergeleken met PMAO met QDs-PMAO) en de toename van de piek bij 1715 cm ⁻¹ (vergeleken de drie monsters) werden toegeschreven aan de ontleding van anhydride en de vorming van -COOH. De FTIR-resultaten gaven aan dat het amfifiele polymeer PMAO met succes is gecoat op het oppervlak van de ZnSe/CdS/ZnS QD's.

De stabiliteit van de voorbereide QD's is erg belangrijk voor de daaropvolgende behandeling. Figuur 3a laat zien dat de evolutie van de relatieve PL-stabiliteit van hydrofobe ZnSe/CdS/ZnS QD's na zuiveringsstappen. De PL-intensiteit van ZnSe/CdS/ZnS core/shell QD's zou 85% kunnen behouden na vele zuiveringscycli in hexanen. Zoals weergegeven in figuur 3b, werd de colloïdale stabiliteit van de QDs-PMAO in BS-buffer (pH = 7.2) geschat als een functie van de tijd bij 25 °C. De PL-intensiteit bleef bijna constant en de oplossing was zelfs na 400 uur helder. Dit geeft aan dat de QDs-PMAO stabiel is in BS-oplossing zonder enige schade. Figuur 3c toont de variatie in PL-intensiteit van QDs-PMAO die gedurende 30 minuten werden ondergedompeld in een zure tot basische pH-oplossing (pH =-1-14, aangepast met HCl of NaOH). De PL-intensiteit van hydrofiele QD's kan meer dan 85% behouden, behalve wanneer de PH  =​​14. Afbeelding 3d toont het effect van de temperatuurparameter op de relatieve fluorescentie-intensiteit van QDs-PMAO. De fluorescentie-intensiteit nam geleidelijk af met de temperatuurstijging, maar handhaafde nog steeds 76% bij 90 ° C, terwijl de PL-pieken geleidelijk verschoven naar een langere golflengte vanwege de thermische uitzetting en het elektron-fononkoppelingseffect. Alle stabiliteitsevaluaties geven aan dat de ZnSe/CdS/ZnS type-II/type-I QD's en QDs-PMAO zeer stabiel waren en dus geschikt voor biologische toepassingen.

Stabiliteitstest van hydrofobe QD's op (a ) herhaalde zuiveringsprocesstappen; stabiliteitstest van QDs-PMAO op (b ) BS-buffer, (c ) PH, en (d ) temperatuur

CRP is een acutefase-eiwit van levercellen, en het niveau ervan wordt beschouwd als een vroege indicator van infectie en auto-immuunziekten. Hier worden de als-gesynthetiseerde PMAO-capped ZnSe/CdS/ZnS QD's gekoppeld aan CRP om de mogelijkheid voor toepassing in kwantitatieve immunoassay aan te tonen. Vergelijkingsdiagram van de fluorescentiespectra van waterige ZnSe/CdS/ZnS QD's en de QDs-mAb worden getoond in Fig. 4a. Het is duidelijk dat de vorm van de PL-piek van beide monsters ongeveer identiek is, behalve dat de fluorescentie-intensiteit na de koppelingsreactie daalt tot 60% als gevolg van onvermijdelijk monsterverlies tijdens het scheidingsproces van de centrifuge. Het bewijst de uitstekende optische stabiliteit van ZnSe/CdS/ZnS type-II/type-I QD's, zelfs na het koppelingsproces van het antilichaameiwit.

Fluorescentiespectra (a ) en dynamische lichtverstrooiing (b ) van de QDs-PMAO en QDs-mAb in buffer

Om het effect van conjugatie op de grootte van QD's verder te onderzoeken, worden de waterige QD's en QDs-mAb gekenmerkt door dynamische lichtverstrooiing (DLS). De DLS-resultaten (Fig. 4b) laten duidelijk zien dat beide monsters een smalle grootteverdeling hebben met een goede monodispersiteit en een discrete vorm behouden zonder aggregatie, terwijl de hydrodynamische grootte toeneemt van 46 naar 120 nm na het koppelingsproces. Dit demonstreert het succes in conjugatie met CRP-antilichamen.

Verder gebruikten we de ZnSe/CdS/ZnS type-II/type-I composiet kwantumstippen in plaats van CdSe/ZnS type-I QD's als fluorescerende sonde om een ​​FLISA op te zetten voor kwantitatieve detectie van CRP. Het montageproces wordt getoond in Aanvullend bestand 1:Schema S1. Figuur 5a toont de relatieve fluorescentie-intensiteit van QD's fluorescentielabel voor immunoassay bij de detectie van verschillende concentraties CRP-antigenen (het standaard CRP-antigeen wordt verdund tot 0, 1, 5, 10, 50, 100, 200, 400 ng/ml). Het is duidelijk dat de PL-intensiteit geleidelijk toeneemt met de toename van de concentratie van CRP. Figuur 5b laat zien dat de correlatie tussen de fluorescentie-intensiteit en de beoogde CRP-concentraties voldoet aan een kwadratische regressiecurvevergelijking van y = 44230 + 8121.1x-10.3x ² met een correlatiecoëfficiënt van 0,9991, wat dichter bij 1 ligt, hoe beter. De werkconcentraties variëren van 0 tot 400 ng/ml. De LOD is een van de belangrijkste parameters voor immunoassay voor FLISA. Door de ZnSe/CdS/ZnS composiet type-II/type-I QD's als fluorescerende sonde te gebruiken, is de gevoeligheid van kwantitatieve detectie van CRP 0,85 ng/ml, wat 15% gevoeliger is dan die van FLISA op basis van CdSe/ZnS-type -I QD's (1,00 ng/ml) (in aanvullend bestand 1:Afbeelding S3).

Fotoluminescentiespectra van FLISA voor bepaling van verschillende concentraties CRP-antigeen (a ) en de standaardcurven (b )

Bovendien werden herstelexperimenten gebruikt om het matrixeffect van de FLISA te evalueren met een reeks bekende standaard CRP-antigenen voor analyse, en de uiteindelijke concentraties dekten de niveaus met laag, gemiddeld en hoog risico. Zoals weergegeven in tabel 1 liggen alle herstelpercentages binnen het bereik van 83,61-105,9%. Deze resultaten geven aan dat de FLISA op basis van ZnSe/CdS/ZnS type-II/type-I QD's met reabsorptieonderdrukking een hoge nauwkeurigheid heeft en grote voordelen biedt bij kwantitatieve detectie van immunoassays.