Бесфосфиновый синтез подавленного ресорбции ZnSe/CdS/ZnS ядро-оболочка квантовых точек и их применение в чувствительной детекции CRP

Аннотация

Мы описываем бесфосфиновый одностаканный протокол для создания ZnSe/CdS/ZnS ядро-оболочка квантовых точек (QD), комбинирующих тип-II и тип-I полосные выравнивания для подавления ресорбции. Полученные красноэмиссирующие QD достигают впечатляющих 82 % квантового выхода фоtolюминесценции (QY) и исключительной оптической стабильности. По сравнению с конвенциональными тип-I QD, композитные QD демонстрируют заметно больший Стоксовый сдвиг и сниженную ресорбцию, что переводится в более высокую флуоресцентную выдачу. Используя эти свойства, мы применили QD как флуоресцентные метки в флуоресцентно-связанном иммуносорбентном анализе (FLISA) для C-реактивного белка (CRP). Анализ достиг предела детекции (LOD) 0,85 нг/мл — на 15 % более чувствительный, чем CdSe/ZnS-основанный FLISA (1,00 нг/мл). Эти результаты демонстрируют, что ZnSe/CdS/ZnS тип-II/тип-I QD являются сильными кандидатами для биомедицинской диагностики и фотонных приложений.

Предыстория

Полупроводниковые ядро/оболочка QD обладают превосходными оптическими чертами — широкими диапазонами эмиссии, высокими квантовыми выходами (QY) и надежной химической стабильностью — делая их идеальными флуоресцентными метками для диагностики, визуализации и оптоэлектроники. Их электронная структура попадает в три категории на основе полосного выравнивания: тип-I, обратный тип-I и тип-II. Тип-I QD замыкают и электроны, и дыры в ядре, усилуя радиативную рекомбинацию и изолируя активное ядро от поверхностных дефектов. Однако малый Стоксов сдвиг (≈10 нм), общий для тип-I QD, вызывает значительную ресорбцию, уменьшая интенсивность эмиссии и ограничивая количественные анализы. Тип-II QD разделяют электроны и дыры через ядро и оболочку, производя красносмещенную эмиссию и выпрямленный первый экситонный абсорбционный пик. Это снижает спектральное перекрытие, подавляет ресорбцию и улучшает количественную детекцию. ZnSe/CdS тип-II QD охватывают от синево-фиолетового до красного излучения с подавленной ресорбцией, но их Cd-богатые оболочки могут страдать от поверхностно-ловушечного кавирования и биотоксичности. Покрытие внешней ZnS оболочкой как пассивирует поверхность, повышает QY, так и ограничивает выщелачивание Cd. Предыдущие синтезы ZnSe/CdS/ZnS QD требовали токсичных фосфинов и многостадийной очистки, без сообщенных биологических применений.

Здесь мы вводим бесфосфиновый одностаканный маршрут для производства высококачественных красноэмиссирующих ZnSe/CdS/ZnS QD, подавляющих ресорбцию. Метод использует низкотоксичный Se-предшественник (ODE-Se) и цинковый олеат для формирования ZnSe ядер, с последующим in-situ ростом CdS и ZnS оболочек без промежуточной очистки — облегчая масштабируемое производство. QD достигают 82 % QY с уменьшенным Cd содержанием, и их большой Стоксов сдвиг плюс выпрямленный абсорбционный профиль дают низкую ресорбцию. Наконец, мы демонстрируем их первое применение в качестве флуоресцентных проб в FLISA для CRP, достигая LOD 0,85 нг/мл — превосходя эталонный CdSe/ZnS анализ.

Методы

Химикаты

Все реактивы использовались как получены: CdO (99,99 %), ZnO (99,9 %), Se (99,9 %), 1-октадецен (ODE, 90 %), 1-октантиол (OT, 98 %), олеиновая кислота (OA, 90 %), PMAO, MES и стандартные лабораторные растворители (парафиновое масло, ацетон, гексаны, метанол). Буферные компоненты (NaOH, HCl, Na₂CO₃, NaHCO₃, KH₂PO₄, Na₂HPO₄, H₃BO₃, Na₂B₄O₇·10H₂O, Tween-20) приобрели в Shanghai Sangon Co., Ltd. BSA и телячий сивороточный альбумин из Sigma. EDC, сульфо-NHS и микроплиты из Thermo Fisher Scientific. Моноклональное анти-CRP тело и CRP антиген из Abcam. Все химикаты использовались без дополнительной очистки.

Se-предшественник (0,1 М)

Se (6 ммоль) растворяли в 60 мл ODE и нагревали до 220 °C на 180 мин под азотом, получая прозрачный желтый раствор.

Zn и Cd предшественники

ZnO (30 ммоль) комбинировали с 30 мл OA и 45 мл ODE, затем нагревали до 310 °C под азотом для образования прозрачного раствора; смесь остужала до 140 °C для инъекции. Cd предшественник готовили идентично, но при 240 °C и концентрации 0,2 М.

Синтез ZnSe/CdS/ZnS тип-II/тип-I QD

Типичный запуск начинался нагревом 4 мл Se-предшественника и 15 мл ODE до 310 °C. При этой температуре 2 мл Zn-предшественника быстро инъецировали. Аликвоты забирали интервалами для мониторинга PL сдвигов, связанных с ростом частиц. Как только ядро достигало желаемого размера, температуру снижали до 230 °C для роста CdS оболочки. Cd-предшественник и OT (OT : катион = 1 : 1,2) затем капали со скоростью 3 мл/ч при подъеме температуры до 310 °C. ZnS оболочка растила тем же методом. QD очищали ацетонной précipитацией и передиспергировали в хлороформе.

CdSe/ZnS тип-I QD

Эти QD синтезировали по установленным протоколам и затем использовали для фазового переноса и подготовки FLISA идентично процедуре ZnSe/CdS/ZnS.

Фазовый перенос в воду

Полималеиновый ангидрид-октадецен (PMAO) амфифильный олигомер использовали для дела гидрофобных QD водорастворимыми. QD и PMAO растворяли в хлороформе (QD/PMAO = 1 : 7) с ультразвуком, затем хлороформ испаряли при 45 °C. Равный объем 0,1 М NaHCO₃ (pH 8,5) добавляли для растворения комплекса. Полученные QD-PMAO сохраняли полную флуоресценцию и демонстрировали отличную водную стабильность в широком pH диапазоне.

Конъюгация QD-антитела

QD-PMAO активировали EDC/сульфо-NHS для связывания карбоксильных групп с моноклональными CRP антителами. После инкубации в PBS и блокажи BSA, конъюгаты вымывали центрифугированием и хранили в 50 мкл BS буфера (5 мМ, pH 8,0).

Подготовка антителопокрытых микроплит

Ячейки микроплит покрывали 1,8 мг/мл CRP моноклональным антителом в 50 мМ карбонат-бикарбонатном буфере (pH 9,6), инкубировали при 4 °C 24 ч, вымывали трижды 0,05 % Tween-20 в 10 мМ PBS и блокировали 0,5 % BSA в PBS (pH 7,4) на ночь. Плиты сушили и хранили при 4 °C.

Квантификация CRP через FLISA

В каждую ячейку добавляли 100 мкл стандартного CRP или образца (разбавленного в буфере), инкубировали при 37 °C 30 мин, вымывали пять раз. Затем 100 мкл QD-mAb пробы (разбавленной в 10 % телячьем сивороточном/ PBS) добавляли, инкубировали и вымывали аналогично.

Характеризация

UV-vis абсорбция и PL спектры записывали на Ocean Optics PC2000-ISA спектрофотометре. QY измеряли относительно Родамина 101 (QY = 100 %) в этаноле. TEM визуализация использовала JEOL JEM-2010 при 200 кВ. Фазовый анализ применяли D8-ADVANCE XRD с Cu-Kα излучением (λ = 1,54 Å). Гидродинамические диаметры определяли динамическим рассеянием света (Nano-ZS 90, Malvern).

Результаты и обсуждение

Эволюция UV-vis и PL спектров во время роста оболочек иллюстрирована на Рисунке 1. Голое ZnSe ядро показывает 420 нм абсорбцию и 428 нм эмиссию (FWHM = 17 нм). Добавление одиночного CdS монослоя расширяет Стоксов сдвиг до 54 нм, с абсорбцией 497 нм и эмиссией 551 нм (FWHM = 38 нм). Последующий рост CdS оболочки дальнейшего красносмещает PL до 629 нм и расширяет FWHM до 52 нм, отражая усиленное экситон-фононное сцепление. Выпрямленный первый экситонный абсорбционный пик и сильное коротковолновое поглощение (<500 нм) вместе снижают спектральное перекрытие, эффективно подавляя ресорбцию. ZnS оболочка затем смещает эмиссию влево и сужает FWHM до 43 нм, в то время как QY растет от 20 % до 82 % по последовательности CdS/ZnS роста.

Рисунок 2 подтверждает структурную эволюцию: XRD пики остреют и смещаются в позиции гексагонального CdS и ZnS, указывая на успешный многослойный рост и переход цинкбленда в гексагональную структуру. TEM изображения раскрывают монодисперсные сферические QD расширяющиеся от 3,90 нм (ядро) до 11,92 нм (полное ядро/оболочка). HRTEM решетчатые интервалы (0,32 нм для ZnSe, 0,35 нм для CdS, 0,31 нм для ZnS) совпадают с XRD данными, подтверждая композиционную верность.

EDS анализ показывает увеличение соотношений Cd/(Zn+Cd) во время роста CdS оболочки из-за катионного обмена при >200 °C, но общее Cd содержание остается низким (~13 %) по сравнению с типичными тип-I CdSe/CdS/ZnS QD (~40 %). Это сниженное Cd нагрузка уменьшает биотоксичность.

Фазовый перенос в водные среды через PMAO сохраняет PL интенсивность и морфологию, как подтверждают UV-vis, PL, TEM и FTIR спектры. FTIR спектры демонстрируют успешное раскрытие ангидридного кольца и формирование COOH на поверхности QD.

Тесты стабильности показывают, что гидрофобные QD сохраняют 85 % PL после повторной очистки, а PMAO-инкапсулированные QD поддерживают >85 % PL после 400 ч в PBS, по pH 1–13 и до 90 °C (остается 76 % PL). Эти результаты подтверждают пригодность для биологических анализов.

Конъюгация с CRP антителами снижает PL интенсивность ~40 % из-за потерь при разделении, но сохраняет спектральную форму. DLS показывает увеличение гидродинамического диаметра от 46 нм (QD-PMAO) до 120 нм (QD-mAb), подтверждая успешную конъюгацию без агрегации.

Использование QD-mAb в FLISA дает четкую квадратичную дозизависимость (R² = 0,9991) на 0–400 нг/мл. LOD 0,85 нг/мл превосходит CdSe/ZnS эталон на 15 %. Эксперименты на восстановление показывают 83,6–105,9 % точность на низких, средних и высоких концентрациях CRP, подчеркивая надежность анализа.

Заключение

Мы разработали бесфосфиновый масштабируемый синтез подавленной ресорбции ZnSe/CdS/ZnS ядро/оболочка QD, комбинирующих тип-II и тип-I полосные структуры. QD доставляют высокий QY (82 %), большой Стоксов сдвиг и отличную стабильность, позволяя высокочувствительный FLISA для детекции CRP (LOD = 0,85 нг/мл). Эти свойства позиционируют ZnSe/CdS/ZnS QD как перспективные инструменты для биомедицинской диагностики и оптоэлектронных устройств.