Zwavelzuur-geassisteerde Syntese van Heldere Rode Gecarboniseerde Polymere Dots voor Twee-fotonen Bio-imaging

Samenvatting

Rood-emitterende gecarboniseerde polymere dots (CPDs) werden geproduceerd uit p-fenyleendiamine (p-PD) waterige oplossing onder de katalytische invloed van zwavelzuur (H₂SO₄). De resulterende SA-CPDs (gemiddelde diameter ≈5 nm) vertoonden de helderste fotoluminescentie onder de geteste zuren, met een kwantumopbrengst (QY) van 21,4% in water en een 16,5% totale opbrengst. Excitatie bij 300-580 nm produceerde consistent een 600 nm emissie, onafhankelijk van de excitatiegolflengte. Dichtheidsfunctionele berekeningen wijzen erop dat transversale groei van geprotonerde precursors energetisch gunstig is, wat de vorming van nanoschaalse CPDs drijft. Twee-fotonen fotoluminescentie, emitterend bij 602 nm onder 850 nm femtoseconde laser excitatie, werd gedemonstreerd voor HeLa cel imaging, wat het potentieel van SA-CPDs in biomedische toepassingen benadrukt.

Achtergrond

Koolstofdots (CDs) hebben wijdverspreid belang gewekt vanwege hun uitstekende wateroplosbaarheid, optische stabiliteit, lage toxiciteit, en kosteneffectieve synthetisering. Ze worden onderzocht in electrochemische sensoren, bio-imaging, catalyse, licht-emitterende apparaten, en optoelektronica. Bottom-up routes van organische monomeren, polymeren, of natuurlijke producten worden bevorzugd voor grootschalige productie. Functionele groepen zoals –OH, –COOH, –C=O, en –NH₂ ondergaan dehydratatie en carbonisatie bij verhoogde temperaturen om fluorescerende nanopartikelen te leveren.

Rood-emitterende CDs zijn bijzonder waardevol voor bio-imaging vanwege hun diepere weefselpenetratie en minimale achtergrondinterferentie. Echter, de meeste CDs tonen excitatie-afhankelijke emissie, wat een enkele, stabiele rode fotonbron zeldzaam maakt. Fenyleendiamine isomeren (o-, m-, p-) zijn gebruikt om blauwe, groene, en rode CDs te genereren, respectievelijk. Recent werk identificeerde de p-PD-gebaseerde dots als gecarboniseerde polymere dots (CPDs) vanwege hun excitatie-onafhankelijke emissie.

Hier presenteren we een eenvoudige, hoge-opbrengst, zwavelzuur-geassisteerde hydrothermale synthetisering van rood-emitterende CPDs en demonstreren hun twee-fotonen imaging capaciteit in HeLa cellen.

Methoden

Syntese van Rode CPDs uit Zuur-geassisteerde p-PD Systemen

We onderzochten H₂SO₄, HCl, en HClO₄ als protonendonoren, met de resulterende CPDs gelabeld als SA-CPDs, HC-CPDs, en PA-CPDs. Reactievariabelen - zuur-tot-p-PD verhouding, precursorconcentratie, temperatuur, en tijd - werden systematisch geoptimaliseerd. Na hydrothermale behandeling (200 °C, 2 uur) werd het product gezuiverd door hexaan (verwijderen ongereageerd p-PD) en ethanol (verwijderen zuur), gevolgd door centrifugatie bij 14.000 rpm, filtratie door een 0,22 µm membraan, en optionele rotatieverdamping om droge poeders te verkrijgen.

Karakterisering en Meting

Hoog-resolutie TEM (JEM-2100, 200 kV) beoordeelde morfologie en roosterfranjes. FT-IR spectra werden opgenomen met een Prestige-21 spectrometer met KRS-5 vensters. Fluorescentie en UV-Vis spectra werden verkregen met een F-2500 spectrophotometer en Lambda 950 spectrometer, respectievelijk. Twee-fotonen emissie werd gemeten op een vezelspectrograaf (QE65000, Ocean Optics) gekoppeld aan een femtoseconde laser. Kwantumopbrengsten werden berekend met Rhodamine B (QY = 56% in ethanol) als referentie, volgens de procedure in Supplementair Bestand 1.

Berekeningsmethoden

Dichtheidsfunctioneel theorie (DFT) berekeningen werden uitgevoerd met Gaussian 09 (B3LYP/6-311++G(d)) in het PCM watermodel om de energetica van longitudinale en transversale groeipaden te evalueren.

Celkweek en Behandeling

HeLa cellen (4 × 10⁴ cellen mL⁻¹) werden gezaaid in DMEM (Gibco) en geïncludeerd bij 37 °C met 5% CO₂ gedurende 24 uur. SA-CPDs (40 µg mL⁻¹) werden 12 uur toegevoegd, gevolgd door PBS wassen. Imaging werd uitgevoerd op een confocale microscoop met een 850-nm femtoseconde laser (30 mW).

Resultaten en Discussie

Optimalisatie van Bereiding voor Rode CPDs

Alle zuursystemen leverden rode CPDs bij temperaturen boven 180 °C (2 uur). Hogere temperaturen (240 °C, 4-12 uur) verhoogden deeltjesgrootte en verminderden fluorescentie. De optimale condities waren 200 °C, 2 uur, met een zuur-tot-p-PD verhouding van 1 voor H₂SO₄, en 3 voor HCl en HClO₄. De concentratiebereik van p-PD (0,02-0,20 mol L⁻¹) was tolerant. Onder deze parameters bereikten SA-CPDs een QY van 21,4% en een 16,5% opbrengst, wat HC-CPDs en PA-CPDs uitsteekt.

TEM Karakterisering en FT-IR Analyse

HR-TEM onthulde monodisperse spherische CPDs (gemiddelde diameter ≈5 nm) met een 0,21 nm roosterafstand overeenkomend met grafene (100) vlakken. FT-IR spectra wijzen op hogere oppervlakteoxidatie in SA-CPDs, met uitgesproken –OH en –COOH kenmerken en verminderde –NH₂ signalen, wat een meer geoxideerd, hydrofiel oppervlak suggereert.

Voorgesteld Mechanisme voor de Vorming van CDs

DFT berekeningen tonen aan dat transversale groei (−1.406 kJ mol⁻¹) significant gunstiger is dan longitudinale groei (−616 kJ mol⁻¹), wat leidt tot plannaire intermediairen die zich zelfassembleren tot spherische CPDs.

Optische Eigenschappen

SA-CPDs vertonen sterke UV-absorptie bij 290 nm (π→π*), met additionele banden bij 430 en 510 nm (fenazine-amines overgangen). Excitatiespectra pieken nabij 580 nm, wat overeenkomt met de 600 nm emissie, en de fluorescentie blijft excitatie-onafhankelijk over 220-580 nm, wat de CPD-natuur bevestigt.

Cellulaire Imaging

Twee-fotonen excitatie bij 850 nm produceerde een 602 nm emissie voor poedering en een 529 nm emissie na, met verhoogde intensiteit. Confocale beelden van HeLa cellen geïncludeerd met SA-CPDs toonden cytoplasmatische lokalisatie, met sterkere groene kanaal fluorescentie door de blauw-verschuivende emissie.

Conclusies

We hebben een eenvoudige, schaalbare, zwavelzuur-geassisteerde hydrothermale methode gedemonstreerd voor het produceren van heldere rode CPDs (≈5 nm, QY = 21,4%, opbrengst = 16,5%). De CPDs emitteren bij 600 nm onder 300-580 nm excitatie, en bij 602 nm onder 850 nm twee-fotonen excitatie. Hun excitatie-onafhankelijke, hoge-helderheid fluorescentie en efficiënte cellulaire opname maken ze veelbelovende kandidaten voor diep-weefsel imaging en andere bio-toepassingen.

Afkortingen

CDs:

Koolstofdots

CPDs:

Gecarboniseerde polymere dots

HC-CPDs:

CPDs gesynthetiseerd uit p-PD met HCl assistentie

PA-CPDs:

CPDs gesynthetiseerd uit p-PD met HClO₄ assistentie

SA-CPDs:

CPDs gesynthetiseerd uit p-PD met H₂SO₄ assistentie

QYs:

Kwantumopbrengsten

p-PD:

p-Fenyleendiamine