Восстановление люминесценции старых CdSe/ZnS-Cys квантовых точек через TPPS4-индуцированную дезагрегацию

Аннотация

Квантовые точки (QD) все чаще используются в биомедицинской визуализации и фотодинамической терапии благодаря узкой, настраиваемой эмиссии и высокой фотостабильности. Однако длительное хранение цистеин-покрытых CdSe/ZnS QD в водных средах обычно приводит к агрегации, снижая квантовый выход (QY) и сокращая время жизни флуоресценции. В этом исследовании показано, что добавление мезо-тетракис (p-сульфонато-фенил) порфирина (TPPS₄) в старые растворы QD запускает дезагрегацию, восстанавливая QY до уровней, сравнимых со свежеприготовленными образцами. Временно-разрешенная флуоресценция показывает, что восстановление в основном обусловлено повторным появлением компоненты эмиссии, связанной с оболочкой. Наши находки предоставляют простую, молекулярную стратегию омоложения старых QD, с последствиями для устойчивой производительности в биообразовании и диагностике.

Введение

Коллоидные полупроводниковые нанокристаллы, или квантовые точки, сочетают интенсивное широкополосное поглощение с узкой, размерозависимой фотолюминесценцией и исключительной термической и фотостабильностью, делая их привлекательными для приложений от медицинской визуализации до солнечных топлив [1, 2]. Функционализация поверхностей QD органическими лигандами повышает водорастворимость, снижает цитотоксичность и обеспечивает биосовместимость, позволяя таргетированную маркировку клеточных структур [8]. Высокая интенсивность, узкие полосы эмиссии QD также служат эффективными световыми антеннами для фотосенсибилизаторов (PS) в фотодинамической терапии (PDT), улучшая захват световой энергии и эффективность активации PS [7, 11]. Следовательно, QD-PS гибриды являются фокусом исследований в флуоресцентной диагностике (FD) и фотохимиотерапии (PCT) [9, 10].

Цистеин-покрытые CdSe/ZnS QD (QD-Cys) особенно привлекательны из-за малого гидродинамического размера (~3 нм ядро), высокой фотолюминесцентной QY (~0,75) и низкой неспецифической адсорбции [12, 13]. Синтетический порфирин мезо-тетракис (p-сульфонато-фенил) порфирин (TPPS₄) — водорастворимый, нетоксичный фотосенсибилизатор, уже испытываемый в клинических испытаниях PDT [14, 15]. Предыдущие работы показывали, что передача энергии или заряда между TPPS₄ и QD обычно кавитирует эмиссию QD [16], в то время как агрегация QD через электростатические или водородные связи также может само-гасить их флуоресценцию [17]. Здесь мы впервые сообщаем, что TPPS₄ может фактически усиливать люминесценцию старых QD, способствуя дезагрегации.

Эксперимент

Подготовка (CdSe/ZnS)-Cys квантовых точек

CdSe/ZnS ядро-оболочка QD (~3,0 мг) синтезировали адаптированной процедурой [18], включающей горячую инъекцию роста CdSe ядра с последующей эпитаксией ZnS оболочки. Для введения цистеиновых лигандов гидрофобные QD очищали трехкратным хлороформ/метаноловым мытьем, затем передиспергировали в хлороформе (1,0 мл). Капельное добавление DL-цистеина (30 мг/мл, 200 мл) в метаноле, интенсивное перемешивание и центрифугирование (10 000 об/мин, 5 мин) удаляли излишки растворителя. Последующие метаноловые мойки (16 000 об/мин, 10 мин, 3×) устраняли несвязанный цистеин, после чего QD осадок сушили в вакууме и передиспергировали в воде Milli-Q с 1 M NaOH, фильтровали через 0,02 мкм шприцевой фильтр (Anotop 25 Plus, Whatman).

Подготовка образцов порфирин + (CdSe/ZnS)-Cys QD

TPPS₄ (Midcentury Chemicals, USA) использовали как получен. Экспериментальные растворы готовили в фосфатном буфере (pH 7,3, 7,5 мМ) на воде Milli-Q. Для старых QD (хранившихся при 276 К 3 месяца) аликвоты 140 мкМ TPPS₄ стока добавляли в QD раствор без разбавления. Контрольные эксперименты заменяли эквивалентные объемы буфером. Все измерения при 297 К.

Концентрация TPPS₄ контролировали абсорбцией при 515 нм (ε₅₁₅ = 1,3×10⁴ M⁻¹cm⁻¹ [19]). Концентрацию старых QD рассчитывали от первого экситонного пика при 520 нм по эмпирическому соотношению Yu (ε = 5857 D²·⁶⁵) с D из полиномиальной подгонки (Ур. 1). Для λ = 520 нм, D = 2,6 нм и ε = 7,4×10⁴ M⁻¹cm⁻¹.

Приборы

Абсорбционные спектры записывали на Beckman Coulter DU640 спектрофотометре. Стационарная фотолюминесценция на Hitachi F-7000 спектрофлуориметре (λэк = 480 нм, λэм = 558 нм). QY старых QD определяли относительным методом с C12-NBD-PC (QY = 0,34 в этаноле) как стандартом [21–23] через Уравнение (2).

Временно-разрешенные распады получали установкой коррелированного 계수 единичного фотона: титан-сапфировый лазер Tsunami 3950 (8 МГц, 480 нм вторая гармоника) связанный с Edinburgh FL900 спектрометром и охлажденным Hamamatsu R3809U микроканальным фотоумножителем. Приборная функция отклика (≈100 пс FWHM) давала 12 пс временное разрешение. Данные распада подгоняли в OriginPro9, качество оценивали по редуцированному χ² и анализу остатков.

Динамическое световое рассеяние (NanoBrook 90Plus) при 640 нм возбуждении, 40 мВт HeNe лазере для определения гидродинамических диаметров.

Результаты и обсуждение

Свежесинтезированные (CdSe/ZnS)-Cys QD демонстрируют резкий эмиссионный пик при 558 нм (рис. 1, черный) с QY 0,75 [13, 24, 25]. При 3-месячном хранении при 276 К эмиссия синеет до 556 нм, расширяется и становится асимметричной, QY падает до 0,23 ± 0,03 (рис. 1, красный).

Добавление TPPS₄ к старым QD растворам дает выраженное восстановление люминесценции, QY поднимается до 0,75 ± 0,08 (рис. 2a, вставка). Эмиссионная полоса также становится симметричной, с красным смещением до 559 нм, совпадая со свежим QD спектром. Временно-разрешенные измерения подгоняют трехэкспоненциальный распад (Ур. 3). Самый быстрый компонент (~100 пс) соответствует рассеянному возбуждающему свету. Промежуточный (τ₂) и долгий (τ₃) компоненты, ассоциированные с рекомбинацией в ядре и оболочке, значимо короче в старых QD, но восстанавливаются при добавлении TPPS₄ (Таблица 1). Относительный вклад оболочечного компонента (I₃, Ур. 4) растет с концентрацией TPPS₄ и параллельно тренду QY, указывая на то, что оболочечная эмиссия в основном восстанавливается.

Наблюдаемое усиление не может быть атрибутировано обратной передаче энергии от TPPS₄ (чей флуоресценция лежит за 600 нм) или резонансной передаче энергии Фёрстера (FRET), так как TPPS₄ пренебрежимо поглощает на длине волны возбуждения, и его абсорбционный спектр не меняется в смесях. Вместо этого данные поддерживают механизм дезагрегации: старые QD агрегируются при хранении, снижая QY; связывание TPPS₄ увеличивает чистый отрицательный заряд поверхности, усиливая электростатическое отталкивание и разгоняя частицы (Схема 1). Взаимодействие медиатируется π-конъюгированным порфириновым ядром, которое связывается с металлическими поверхностями с высокой аффинностью, преодолевая электростатическое отталкивание между сульфонатными группами и отрицательно заряженной поверхностью QD.

Оценка площади поверхности 2,6 нм QD (~145 нм²) показывает, что ~80 молекул TPPS₄ потребуются для покрытия всей поверхности. Однако насыщение QY и I₃ происходит при всего ~2 мкМ TPPS₄ (~4 молекулы на QD), подразумевая, что несколько связанных порфиринов достаточно для запуска значительного отталкивания. Расчетные плотности заряда (σ) подтверждают: у QD в одиночестве σ_QD = -0,25 мВ/нм², тогда как QD, связанный с четырьмя TPPS₄, имеет σ_QD+TPPS4 = -1,29 мВ/нм², более чем в 5 раз выше, результатом в >25-кратном усилении отталкивания.

В согласии с гипотезой агрегации, разбавление старых QD растворов также увеличивает QY и I₃ (рис. 4). Динамическое световое рассеяние показывает гидродинамические диаметры 330 ± 170 нм для старых QD, которые сокращаются до 25 ± 6 нм при разбавлении, прямо доказывая дезагрегацию.

Будущая работа изучит, может ли TPPS₄ превентивно стабилизировать свежеприготовленные QD при низкотемпературном хранении, потенциально удлиняя срок хранения для биомедицинских применений.

Заключение

Длительное хранение CdSe/ZnS-Cys QD в водных средах индуцирует агрегацию, умаляющую квантовый выход и времена жизни флуоресценции. Введение TPPS₄ дезагрегирует старые QD, увеличивая отрицательный заряд поверхности, тем самым восстанавливая QY и оболочечную эмиссию до уровней свежих образцов. Этот эффект дезагрегации также наблюдается при простом разбавлении, подчеркивая роль межчастицынных электростатических взаимодействий. Наши результаты дают практическую стратегию омоложения старых QD, повышая их пригодность для устойчивого биообразования и флуоресцентной диагностики, а также предлагая средство уменьшения размера частиц для улучшенного клеточного захвата.

Аббревиатуры

C12-NBD-PC:

1-Пальмитойл-2-(12-[N-(7-нитробенз-2-окса-1,3-диазол-4-ил)амино]додеканойл)-sn-глицеро-3-фосфхолин

FD:

Флуоресцентная диагностика

FP:

Флуоресцентные зонды

FWHM:

Половина ширины на полувысоте

PCT:

Фотохимиотерапия

PDT:

Фотодинамическая терапия

PS:

Фотосенсибилизаторы

QD:

Квантовые точки

QD-Cys:

Цистеин-покрытые QD

QY:

Квантовый выход

TOPO:

Триоктилфосфиновый оксид

TPPS₄:

мезо-тетракис (p-сульфонато-фенил) порфирин