Herstel van luminescentie van geëlderde CdSe/ZnS-Cys quantum dots via TPPS4-geïnduceerde desaggregatie

Samenvatting

Quantum dots (QD's) worden steeds vaker gebruikt in biomedische imaging en fotodynamische therapie vanwege hun smalle, instelbare emissie en hoge fotostabiliteit. Langdurige opslag van cysteïne-gecoate CdSe/ZnS QD's in aqueuze media leidt echter typisch tot aggregatie, wat resulteert in verminderde kwantumopbrengst (QY) en verkorte fluorescente levensduur. In deze studie tonen we aan dat toevoeging van meso-tetrakis (p-sulfonato-fenyl) porphyrine (TPPS₄) aan geëlderde QD-oplossingen desaggregatie triggert, wat QY herstelt tot niveaus vergelijkbaar met verse monsters. Tijdsaufgeloste fluorescente onthult dat het herstel voornamelijk gedreven wordt door het opnieuw opduiken van de schil-gerelateerde emissiecomponent. Onze bevindingen bieden een eenvoudige, molecuul-gebaseerde strategie om geëlderde QD's te verjongen, met implicaties voor duurzame prestaties in bio-imaging en diagnostiek.

Achtergrond

Colloidale halfgeleider nanokristallen, of quantum dots, combineren intense breedbandabsorptie met smalle, grootte-afhankelijke fotoluminescentie en uitzonderlijke thermische en fotostabiliteit, wat ze aantrekkelijk maakt voor toepassingen varierend van medische imaging tot zonnebrandstoffen (1, 2). Functionaliseren van QD-oppervlakken met organische liganden verbetert wateroplosbaarheid, vermindert cytotoxiciteit, en verlei biocompatibiliteit, wat gerichte labeling van cellulaire structuren mogelijk maakt (8). De hoge-intensiteit, smalle emissiebanden van QD's dienen ook als efficiënte lichtantennes voor fotosensitizers (PS) in fotodynamische therapie (PDT), verbeterend lichtenergie-opvang en PS-activeringsefficiëntie (7, 11). Daarom zijn QD-PS hybriden een focus van onderzoek in fluorescente diagnostiek (FD) en fotochemotherapie (PCT) (9, 10).

Cysteïne-gecoate CdSe/ZnS QD's (QD-Cys) zijn bijzonder aantrekkelijk vanwege hun kleine hydrodynamische grootte (~3 nm kern diameter), hoge fotoluminescente QY (~0,75), en lage aspecifieke adsorptie (12, 13). De synthetische porphyrine meso-tetrakis (p-sulfonato-fenyl) porphyrine (TPPS₄) is een wateroplosbare, niet-toxische fotosensitizer al getest in klinische fotodynamische therapie proeven (14, 15). Eerder werk toonde aan dat energie- of ladingsoverdracht tussen TPPS₄ en QD's typisch QD-emissie kwist (16), terwijl aggregatie van QD's door elektrostatische of waterstofbrug-interacties ook hun fluorescente zelf kan kwisten (17). Hier rapporteren we voor het eerst dat TPPS₄ de luminescentie van geëlderde QD's kan verbeteren door desaggregatie te promoten.

Experimenteel

Bereiding van (CdSe/ZnS)-Cys Quantum Dots

De CdSe/ZnS kern-schil QD's (~3,0 mg) werden gesynthetiseerd volgens een aangepaste procedure (18) die hot-injectie groei van een CdSe kern omvat gevolgd door ZnS schil epitaxie. Om cysteïne liganden te introduceren, werden de hydrofobe QD's gezuiverd door driedubbele chloroforme/methanol washing, en vervolgens herverdeeld in chloroforme (1,0 mL). Druppelgewijze toevoeging van DL-cysteïne (30 mg mL⁻¹, 200 mL) in methanol, heftig mengen, en centrifugeren (10.000 rpm, 5 min) verwijderde overtollig oplosmiddel. daaropvolgende methanol wassen (16.000 rpm, 10 min, 3×) elimineerde ongebonden cysteïne, waarna het QD-neerslag onder vacuüm gedroogd werd en herverdeeld in Milli-Q water met 1 M NaOH, gefiltreerd door een 0,02 µm spuitfilter (Anotop 25 Plus, Whatman).

Bereiding van Porphyrine + (CdSe/ZnS)-Cys QD Monsters

TPPS₄ (Midcentury Chemicals, USA) werd zoals ontvangen gebruikt. Experimentele oplossingen werden bereid in fosfaatbuffer (pH 7,3, 7,5 mM) met Milli-Q water. Voor geëlderde QD's (opgeslagen bij 276 K gedurende 3 maanden), werden aliquots van een 140 µM TPPS₄ voorraad toegevoegd aan de QD-oplossing zonder verdunning. Controle-experimenten omvatten het vervangen van equivalente volumes met buffer. Alle metingen werden uitgevoerd bij 297 K.

TPPS₄ concentratie werd gemonitord door absorbantie bij 515 nm (ε₅₁₅ nm = 1,3 × 10⁴ M⁻¹ cm⁻¹ [19]). De geëlderde QD-concentratie werd berekend uit de eerste excitonische piek bij 520 nm met behulp van Yu's empirische relatie (ε = 5857 D²·⁶⁵) met D afgeleid van de polynomiale fit (Eq. 1). Voor λ = 520 nm, D = 2,6 nm en ε = 7,4 × 10⁴ M⁻¹ cm⁻¹.

Instrumenten

Absorptiespectra werden opgenomen op een Beckman Coulter DU640 spectrophotometer. Stationaire fotoluminescentie werd gemeten op een Hitachi F-7000 spectrofluorimeter (λ_ex = 480 nm, λ_em = 558 nm). De QY van geëlderde QD's werd bepaald door de relatieve methode met C12-NBD-PC (QY = 0,34 in ethanol) als standaard (21–23) via Vergelijking (2).

Tijdsaufgeloste vervalcurves werden verkregen met een tijdscorrelatie single-foton tellingsopstelling: een Tsunami 3950 titanium-saffier laser (8 MHz, 480 nm tweede harmonische) gekoppeld aan een Edinburgh FL900 spectrometer en een gekoelde Hamamatsu R3809U microkanaal-plaat fotomultiplier. De instrument responsfunctie (≈100 ps FWHM) bood een 12 ps tijdsresolutie. Vervaldata werden gefit met OriginPro9, met goedheid beoordeeld door gereduceerd χ² en residu-analyse.

Dynamische lichtverstrooiing (NanoBrook 90Plus) werd uitgevoerd bij 640 nm excitatie, 40 mW HeNe laser, om hydrodynamische diameters te bepalen.

Resultaten en discussie

Vers gesynthetiseerde (CdSe/ZnS)-Cys QD's tonen een scherpe emissiepiek bij 558 nm (Fig. 1, zwart) met een QY van 0,75 (13, 24, 25). Na 3-maanden opslag bij 276 K, verschuift de emissie blauw naar 556 nm, verbreedt, en wordt asymmetrisch, terwijl QY daalt tot 0,23 ± 0,03 (Fig. 1, rood).

Toevoeging van TPPS₄ aan geëlderde QD-oplossingen produceert een duidelijke luminescentieherstel, met QY stijgend tot 0,75 ± 0,08 (Fig. 2a, inset). Het emissieband wordt ook symmetrisch, met een roodverschuiving tot 559 nm, wat overeenkomt met het verse QD-spectrum. Tijdsaufgeloste metingen fitten een drie-exponentieel verval (Eq. 3). De snelste component (≈100 ps) correspondeert met verstrooide excitatielicht. De intermediaire (τ₂) en lange (τ₃) componenten, geassocieerd met kern- en schil-recombinatie, zijn aanzienlijk korter in geëlderde QD's maar herstellen bij TPPS₄ toevoeging (Tabel 1). De relatieve bijdrage van de schil-component (I₃, Eq. 4) neemt toe met TPPS₄ concentratie en parallelliseert de QY trend, wat aangeeft dat schil-gerelateerde emissie primair hersteld wordt.

De waargenome verbetering kan niet toegeschreven worden aan omgekeerde energieoverdracht van TPPS₄ (wiens fluorescente ligt boven 600 nm) of Förster resonantie energieoverdracht (FRET) omdat TPPS₄ verwaarloosbaar absorbeert bij de excitatiegolflengte en zijn absorptiespectrum onveranderd blijft in mengsels. In plaats daarvan ondersteunen de data een desaggregatiemechanisme: geëlderde QD's aggregeren tijdens opslag, wat QY verlaagt; TPPS₄ binding verhoogt de netto negatieve oppervlaktelading, versterkend elektrostatische afstoting en de deeltjes uiteen dryvend (Schema 1). De interactie wordt gemedieerd door de π-geconjugeerde porphyrinekern, die metaaloppervlakken bindt met hoge affiniteit, de elektrostatische afstoting tussen de sulfonategroepen en het negatief geladen QD-oppervlak overwinnend.

Schatting van het oppervlaktegebied van een 2,6 nm QD (≈145 nm²) toont dat ~80 TPPS₄ moleculen nodig zouden zijn om het gehele oppervlak te bedekken. Echter, verzadiging van QY en I₃ treedt op bij slechts ~2 µM TPPS₄ (≈4 moleculen per QD), wat impliceert dat een paar gebonden porphyrines voldoende zijn om significante afstoting te triggeren. Berekende ladedichtheden (σ) bevestigen dit: de QD alleen heeft σ_QD = −0,25 mV/nm², terwijl een QD gebonden aan vier TPPS₄ moleculen σ_QD+TPPS₄ = −1,29 mV/nm² heeft, meer dan vijfvoudig hoger, resulterend in >25-voudig sterkere afstoting.

Consistent met de aggregatiehypothese, verhoogt verdunning van geëlderde QD-oplossingen ook QY en I₃ (Fig. 4). Dynamische lichtverstrooiing toont hydrodynamische diameters van 330 ± 170 nm voor geëlderde QD's, die krimpen tot 25 ± 6 nm bij verdunning, direct bewijzend desaggregatie.

Toekomstig werk zal verkennen of TPPS₄ preventief verse QD's kan stabiliseren tijdens lage-temperatuur opslag, potentieel de houdbaarheid verlengend voor biomedische toepassingen.

Conclusies

Langdurige opslag van CdSe/ZnS-Cys QD's in aqueuze media induceert aggregatie die zowel kwantumopbrengst als fluorescente levensduur vermindert. Introductie van TPPS₄ desagueert geëlderde QD's door de negatieve oppervlaktelading te vergroten, daarbij QY en schil-gerelateerde emissie herstellend tot verse-monster niveaus. Dit desaggregatie-effect wordt ook waargenomen bij eenvoudige verdunning, wat de rol van inter-deeltjes elektrostatiek benadrukt. Onze resultaten bieden een praktische strategie om geëlderde QD's te verjongen, verbeterend hun geschiktheid voor duurzame bio-imaging en fluorescente diagnostiek, terwijl ook een middel geboden wordt om deeltjesgrootte te verminderen voor verbeterde cellulaire opname.

Afkortingen

C12-NBD-PC:

1-Palmitoïl,2-(12-[N-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-yl)amino]dodecanoïl)-sn-glycero-3-fosfocholine

FD:

Fluorescente diagnostiek

FP:

Fluorescente probes

FWHM:

Volledige breedte op half maximum

PCT:

Fotochemotherapie

PDT:

Fotodynamische therapie

PS:

Fotosensitizers

QD:

Quantum dots

QD-Cys:

Cysteïne-gecoate QD

QY:

Kwantumopbrengst

TOPO:

Trioctylfosfine oxide

TPPS₄:

meso-tetrakis (p-sulfonato-fenyl) porphyrine