Synthèse sans phosphine de points quantiques ZnSe/CdS/ZnS cœur-coquille à réabsorption supprimée et leur application dans la détection sensible de CRP

Résumé

Nous décrivons un protocole sans phosphine, en pot unique, pour créer des points quantiques (PQ) cœur-coquille ZnSe/CdS/ZnS combinant alignements de bande type-II et type-I pour supprimer la réabsorption. Les PQ rouges résultants atteignent un rendement quantique de photoluminescence (QY) impressionnant de 82 % et une stabilité optique exceptionnelle. Comparés aux PQ type-I conventionnels, les PQ composites exhibent un décalage de Stokes nettement plus large et une réabsorption réduite, se traduisant par une fluorescence de sortie plus élevée. Exploitant ces propriétés, nous avons employé les PQ comme marqueurs fluorescents dans un essai immuno-enzymatique par fluorescence (FLISA) pour la protéine C-réactive (CRP). L'essai a atteint une limite de détection (LOD) de 0,85 ng mL⁻¹ — 15 % plus sensible qu'un FLISA basé sur CdSe/ZnS (1,00 ng mL⁻¹). Ces résultats démontrent que les PQ ZnSe/CdS/ZnS type-II/type-I sont de forts candidats pour le diagnostic biomédical et les applications photoniques.

Contexte

Les PQ cœur/coquille semi-conducteurs possèdent des traits optiques supérieurs — gammes d'émission larges, rendements quantiques élevés (QY) et stabilité chimique robuste — les rendant idéaux comme marqueurs fluorescents pour le diagnostic, l'imagerie et l'optoélectronique. Leur structure électronique se divise en trois catégories selon l'alignement de bande : type-I, type-I inverse et type-II. Les PQ type-I confinent électrons et trous dans le cœur, boostant la recombinaison radiative et isolant le cœur actif des défauts de surface. Cependant, le faible décalage de Stokes (≈10 nm) commun aux PQ type-I cause une réabsorption significative, diminuant l'intensité d'émission et limitant les essais quantitatifs. Les PQ type-II séparent électrons et trous à travers cœur et coquille, produisant une émission décalée vers le rouge et un premier pic d'absorption d'exciton aplati. Cela réduit le chevauchement spectral, supprime la réabsorption et améliore la détection quantitative. Les PQ ZnSe/CdS type-II s'étendent du bleu-violet au rouge avec réabsorption supprimée, mais leurs coquilles riches en Cd peuvent souffrir de quenching induit par pièges de surface et de biotoxicité. L'enrobage d'une coquille externe ZnS passive la surface, améliore le QY et limite la lixiviation de Cd. Les synthèses antérieures de PQ ZnSe/CdS/ZnS requéraient des phosphines toxiques et des purifications multi-étapes, sans applications biologiques rapportées.

Ici nous introduisons une voie sans phosphine, en pot unique, pour produire des PQ ZnSe/CdS/ZnS rouges de haute qualité supprimant la réabsorption. La méthode utilise un précurseur Se à faible toxicité (ODE-Se) et l'oléate de zinc pour former des cœurs ZnSe, suivi de la croissance in-situ de coquilles CdS et ZnS sans purification intermédiaire — facilitant la production scalable. Les PQ atteignent 82 % QY avec teneur en Cd réduite, et leur grand décalage de Stokes plus profil d'absorption aplati donnent une faible réabsorption. Finalement, nous démontrons leur première utilisation comme sondes fluorescentes dans un FLISA pour CRP, atteignant une LOD de 0,85 ng mL⁻¹ — surpassant un essai de référence CdSe/ZnS.

Méthodes

Chimiques

Tous les réactifs étaient utilisés tels que reçus : CdO (99,99 %), ZnO (99,9 %), Se (99,9 %), 1-octadécène (ODE, 90 %), 1-octanethiol (OT, 98 %), acide oléique (OA, 90 %), PMAO, MES, et solvants standards de laboratoire (huile de paraffine, acétone, hexanes, méthanol). Constituants de tampon (NaOH, HCl, Na₂CO₃, NaHCO₃, KH₂PO₄, Na₂HPO₄, H₃BO₃, Na₂B₄O₇·10H₂O, Tween-20) provenaient de Shanghai Sangon Co., Ltd. BSA et sérum de veau de Sigma. EDC, sulfo-NHS et microplaques de Thermo Fisher Scientific. Anticorps monoclonal anti-CRP souris et antigène CRP d'Abcam. Tous les chimiques étaient utilisés sans purification supplémentaire.

Précurseur Se (0,1 M)

Se (6 mmol) était dissous dans 60 mL ODE et chauffé à 220 °C pendant 180 min sous azote, donnant une solution jaune claire.

Précurseurs Zn et Cd

ZnO (30 mmol) était combiné avec 30 mL OA et 45 mL ODE, puis chauffé à 310 °C sous azote pour former une solution claire ; le mélange refroidissait à 140 °C pour injection. Le précurseur Cd était préparé identiquement, mais à 240 °C et concentration 0,2 M.

Synthèse des PQ ZnSe/CdS/ZnS Type-II/Type-I

Une exécution typique débutait par chauffer 4 mL précurseur Se et 15 mL ODE à 310 °C. À cette température, 2 mL précurseur Zn était injecté rapidement. Des aliquotes étaient prélevées à intervalles pour surveiller les décalages PL liés à la croissance des particules. Une fois le cœur à la taille désirée, la température était abaissée à 230 °C pour la croissance de la coquille CdS. Précurseur Cd et OT (OT : cation = 1 : 1,2) étaient alors ajoutés goutte à goutte à 3 mL h⁻¹ en relevant la température à 310 °C. La coquille ZnS était cultivée par la même méthode. Les PQ étaient purifiés par précipitation à l'acétone et redispersés dans le chloroforme.

PQ CdSe/ZnS Type-I

Ces PQ étaient synthétisés suivant des protocoles établis et utilisés ensuite pour transfert de phase et préparation FLISA identiques à la procédure ZnSe/CdS/ZnS.

Transfert de phase vers l'eau

L'oligomère amphiphile polymaleic anhydride-octadécène (PMAO) était utilisé pour rendre les PQ hydrophobes solubles dans l'eau. PQ et PMAO étaient dissous dans le chloroforme (PQ/PMAO = 1 : 7) avec sonication, puis le chloroforme était évaporé à 45 °C. Un volume égal de 0,1 M NaHCO₃ (pH 8,5) était ajouté pour dissoudre le complexe. Les PQ-PMAO résultants retenaient la fluorescence complète et exhibaient une excellente stabilité aqueuse sur une large gamme de pH.

Conjugaison PQ-Anticorps

Les PQ-PMAO étaient activés avec EDC/sulfo-NHS pour lier les groupes carboxyles aux anticorps monoclonaux CRP. Après incubation dans PBS et blocage BSA, les conjugués étaient lavés par centrifugation et stockés dans 50 µL tampon BS (5 mM, pH 8,0).

Préparation des microplaques enrobées d'anticorps

Les puits de microplaques étaient enrobés avec 1,8 mg mL⁻¹ anticorps monoclonal CRP dans 50 mM tampon carbonate-bicarbonate (pH 9,6), incubés à 4 °C pendant 24 h, lavés trois fois avec 0,05 % Tween-20 dans 10 mM PBS, et bloqués avec 0,5 % BSA dans PBS (pH 7,4) overnight. Les plaques étaient séchées et stockées à 4 °C.

Quantification CRP par FLISA

Dans chaque puits, 100 µL de CRP standard ou échantillon (dilué dans tampon) était ajouté à la plaque enrobée d'anticorps, incubé à 37 °C pendant 30 min, et lavé cinq fois. Ensuite, 100 µL de sonde PQ-mAb (diluée dans 10 % sérum veau/PBS) était ajouté, incubé, et lavé comme avant.

Caractérisation

Les spectres d'absorption UV-vis et PL étaient enregistrés avec un spectrophotomètre Ocean Optics PC2000-ISA. Les QY étaient mesurés relativement à la Rhodamine 101 (QY = 100 %) dans l'éthanol. L'imagerie MET employait un JEOL JEM-2010 à 200 kV. L'analyse de phase utilisait un DRX D8-ADVANCE avec rayonnement Cu-Kα (λ = 1,54 Å). Les diamètres hydrodynamiques étaient déterminés par diffusion dynamique de la lumière (Nano-ZS 90, Malvern).

Résultats et Discussion

L'évolution des spectres UV-vis et PL pendant la croissance de la coquille est illustrée Figure 1. Le cœur ZnSe nu montre une absorption à 420 nm et émission à 428 nm (FWHM = 17 nm). L'ajout d'une monocouche CdS unique étend le décalage de Stokes à 54 nm, avec absorption à 497 nm et émission à 551 nm (FWHM = 38 nm). La croissance subséquente de la coquille CdS décale davantage le PL vers le rouge à 629 nm et élargit le FWHM à 52 nm, reflétant un couplage exciton-phonon accru. Le premier pic d'absorption d'exciton aplati et l'absorption forte en courte longueur d'onde (<500 nm) réduisent ensemble le chevauchement spectral, supprimant efficacement la réabsorption. La coquille ZnS décale ensuite l'émission vers le bleu et rétrécit le FWHM à 43 nm, tandis que le QY monte de 20 % à 82 % à travers la séquence de croissance CdS/ZnS.

La Figure 2 confirme l'évolution structurale : les pics DRX s'affinent et se décalent vers les positions wurtzite CdS et ZnS, indiquant une croissance multi-coquille réussie et une transition zinc-blende vers wurtzite. Les images MET (Fig. 2a-f) révèlent des PQ sphériques monodisperses s'expansant de 3,90 nm (cœur) à 11,92 nm (cœur/coquille complet). Les espacements de réseau HRTEM (0,32 nm pour ZnSe, 0,35 nm pour CdS, 0,31 nm pour ZnS) correspondent aux données DRX, confirmant la fidélité compositionnelle.

L'analyse EDS (Tableau S1) montre que les rapports Cd/(Zn+Cd) augmentent pendant la croissance de la coquille CdS dû à l'échange de cations à >200 °C, pourtant la teneur globale en Cd reste faible (~13 %) comparée aux PQ type-I CdSe/CdS/ZnS typiques (~40 %). Cette charge Cd réduite diminue la biotoxicité.

Le transfert de phase vers milieux aqueux via PMAO (Fig. S1) préserve l'intensité PL et la morphologie, confirmé par spectres UV-vis, PL, MET et FTIR. Les spectres FTIR démontrent l'ouverture réussie du cycle anhydride et la formation de COOH sur la surface des PQ.

Les tests de stabilité (Fig. 3) démontrent que les PQ hydrophobes retiennent 85 % du PL après purifications répétées, et les PQ encapsulés PMAO maintiennent >85 % PL après 400 h dans PBS, sur pH 1–13, et jusqu'à 90 °C (restant 76 % PL). Ces résultats confirment l'aptitude aux essais biologiques.

La conjugaison avec anticorps CRP (Fig. 4a) réduit l'intensité PL de ~40 % due aux pertes de séparation mais préserve la forme spectrale. La DLS montre une augmentation du diamètre hydrodynamique de 46 nm (PQ-PMAO) à 120 nm (PQ-mAb), confirmant la conjugaison réussie sans agrégation.

L'utilisation des PQ-mAb en FLISA (Fig. 5a) donne une réponse dose-réponse quadratique claire (R² = 0,9991) sur 0–400 ng mL⁻¹. La LOD de 0,85 ng mL⁻¹ surpasse la référence CdSe/ZnS de 15 %. Les expériences de récupération (Tableau 1) montrent 83,6–105,9 % de précision aux concentrations CRP faible, moyenne et élevée, soulignant la fiabilité de l'essai.

Conclusions

Nous avons développé une synthèse scalable sans phosphine de PQ ZnSe/CdS/ZnS cœur/coquille à réabsorption supprimée combinant structures de bande type-II et type-I. Les PQ délivrent un QY élevé (82 %), grand décalage de Stokes et excellente stabilité, permettant un FLISA hautement sensible pour la détection CRP (LOD = 0,85 ng mL⁻¹). Ces propriétés positionnent les PQ ZnSe/CdS/ZnS comme outils prometteurs pour le diagnostic biomédical et les dispositifs optoélectroniques.

Abréviations

BSA :

Albumine sérique bovine

CRP :

Protéine C-réactive

DLS :

Diffusion dynamique de la lumière

EDC :

1-éthyl-3-(3-(diméthylamino)propyl)carbodiimide

EDS :

Spectroscopie X à dispersion d'énergie

ELISA :

Essai immuno-enzymatique

FLISA :

Essai immuno-enzymatique par fluorescence

FWHM :

Largeur à mi-hauteur

LOD :

Limite de détection

MES :

2-(N-morpholino)éthanesulfonique

OT :

1-octanethiol

PMAO :

Poly(maléique anhydride-alt-1-octadécène)

PQ :

Points quantiques

QY :

Rendement quantique

sulfo-NHS :

N-hydroxysulfosuccinimide