Restauration de la luminescence de points quantiques CdSe/ZnS-Cys vieillis via désagrégation induite par TPPS₄

Contexte

Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux, ou points quantiques, combinent une absorption large bande intense avec une photoluminescence étroite, taille-dépendante et une stabilité thermique et photoexceptionnelle, les rendant attractifs pour une gamme d'applications de l'imagerie médicale aux carburants solaires (1, 2). La fonctionnalisation des surfaces de PQ avec des ligands organiques améliore la solubilité dans l'eau, réduit la cytotoxicité et confère la biocompatibilité, permettant le marquage ciblé de structures cellulaires (8). Les bandes d'émission étroites de haute intensité des PQ servent également d'antennes lumineuses efficaces pour les photosensibilisateurs (PS) en thérapie photodynamique (PDT), améliorant la capture d'énergie lumineuse et l'efficacité d'activation des PS (7, 11). Par conséquent, les hybrides PQ-PS sont un sujet de recherche en diagnostics de fluorescence (DF) et photochimiothérapie (PCT) (9, 10).

Les PQ CdSe/ZnS revêtus de cystéine (PQ-Cys) sont particulièrement attrayants en raison de leur petite taille hydrodynamique (~3 nm de diamètre de cœur), de leur haut RQ de photoluminescence (~0,75) et de leur faible adsorption non spécifique (12, 13). La porphyrine synthétique mésо-tétrakis (p-sulfonato-phényl) porphyrine (TPPS₄) est un photosensibilisateur hydrosoluble, non toxique, déjà testé dans des essais cliniques de thérapie photodynamique (14, 15). Des travaux antérieurs ont montré que le transfert d'énergie ou de charge entre TPPS₄ et PQ quenche généralement l'émission des PQ (16), tandis que l'agrégation des PQ par interactions électrostatiques ou liaisons hydrogène peut également auto-quencher leur fluorescence (17). Ici, nous rapportons, pour la première fois, que TPPS₄ peut en fait améliorer la luminescence de PQ vieillis en favorisant la désagrégation.

Expérimental

Préparation des points quantiques (CdSe/ZnS)-Cys

Les PQ cœur-coquille CdSe/ZnS (~3,0 mg) ont été synthétisés suivant une procédure adaptée (18) qui implique la croissance par injection à chaud d'un cœur CdSe suivie par l'épitaxie de la coquille ZnS. Pour introduire les ligands cystéine, les PQ hydrophobes ont été purifiés par triple lavage chloroforme/méthanol, puis redispersés dans le chloroforme (1,0 mL). L'addition goutte à goutte de DL-cystéine (30 mg mL⁻¹, 200 mL) dans le méthanol, mélange vigoureux et centrifugation (10 000 tr/min, 5 min) ont éliminé l'excès de solvant. Les lavages au méthanol subséquents (16 000 tr/min, 10 min, 3×) ont éliminé la cystéine non liée, après quoi le précipité de PQ a été séché sous vide et redispersé dans l'eau Milli-Q avec 1 M NaOH, filtré à travers un filtre à seringue 0,02 µm (Anotop 25 Plus, Whatman).

Préparation des échantillons Porphyrine + (CdSe/ZnS)-Cys PQ

TPPS₄ (Midcentury Chemicals, USA) a été utilisé tel que reçu. Les solutions expérimentales ont été préparées dans un tampon phosphate (pH 7,3, 7,5 mM) utilisant l'eau Milli-Q. Pour les PQ vieillis (stockés à 276 K pendant 3 mois), des aliquotes d'un stock de TPPS₄ à 140 µM ont été ajoutées à la solution de PQ sans dilution. Les expériences témoins impliquaient le remplacement de volumes équivalents par du tampon. Toutes les mesures ont été effectuées à 297 K.

La concentration de TPPS₄ a été surveillée par absorbance à 515 nm (ε₅₁₅ nm = 1,3 × 10⁴ M⁻¹ cm⁻¹ [19]). La concentration de PQ vieillis a été calculée à partir du premier pic excitonique à 520 nm en utilisant la relation empirique de Yu (ε = 5857 D²·⁶⁵) avec D dérivé de l'ajustement polynomial (Éq. 1). Pour λ = 520 nm, D = 2,6 nm et ε = 7,4 × 10⁴ M⁻¹ cm⁻¹.

Instruments

Les spectres d'absorption ont été enregistrés sur un spectrophotomètre Beckman Coulter DU640. La photoluminescence en régime permanent a été mesurée sur un spectrofluorimètre Hitachi F-7000 (λ_ex = 480 nm, λ_em = 558 nm). Le RQ des PQ vieillis a été déterminé par la méthode relative utilisant C12-NBD-PC (RQ = 0,34 dans l'éthanol) comme standard (21–23) via l'Équation (2).

Les courbes de décroissance résolues dans le temps ont été obtenues avec un dispositif de comptage de photons uniques corrélés dans le temps : un laser titane-saphir Tsunami 3950 (8 MHz, 480 nm harmonique secondaire) couplé à un spectromètre Edinburgh FL900 et un photomultiplicateur à plaque de microcanaux réfrigéré Hamamatsu R3809U. La fonction de réponse de l'instrument (≈100 ps FWHM) a fourni une résolution temporelle de 12 ps. Les données de décroissance ont été ajustées avec OriginPro9, la qualité évaluée par χ² réduit et analyse des résidus.

La diffusion dynamique de la lumière (NanoBrook 90Plus) a été réalisée à excitation 640 nm, laser HeNe 40 mW, pour déterminer les diamètres hydrodynamiques.

Résultats et Discussion

Les (CdSe/ZnS)-Cys PQ fraîchement synthétisés affichent un pic d'émission net à 558 nm (Fig. 1, noir) avec un RQ de 0,75 (13, 24, 25). Après stockage de 3 mois à 276 K, l'émission se décale vers le bleu à 556 nm, s'élargit et devient asymétrique, tandis que le RQ chute à 0,23 ± 0,03 (Fig. 1, rouge).

Spectres de luminescence normalisés des (CdSe/ZnS)-Cys 558 PQ dans tampon phosphate (7,5 mM, pH 7,3) : frais (noir, λ_max = 558 nm), vieillis (rouge, λ_max = 556 nm), et vieillis plus 5,0 µM TPPS₄ (bleu, λ_max = 559 nm). Excitation à 480 nm.

L'ajout de TPPS₄ aux solutions de PQ vieillies produit une récupération de luminescence prononcée, le RQ montant à 0,75 ± 0,08 (Fig. 2a, inset). La bande d'émission devient également symétrique, avec un décalage vers le rouge jusqu'à 559 nm, correspondant au spectre des PQ frais. Les mesures résolues dans le temps s'ajustent à une décroissance tri-exponentielle (Éq. 3). La composante la plus rapide (≈100 ps) correspond à la lumière d'excitation diffusée. Les composantes intermédiaires (τ₂) et longue (τ₃), associées à la recombinaison cœur et coquille, sont significativement plus courtes dans les PQ vieillis mais récupèrent lors de l'addition de TPPS₄ (Tableau 1). La contribution relative de la composante coquille (I₃, Éq. 4) augmente avec la concentration de TPPS₄ et parallélise la tendance du RQ, indiquant que l'émission liée à la coquille est principalement restaurée.

a Spectres de luminescence et RQ des (CdSe/ZnS)-Cys 558 PQ vieillis (570 nM) en fonction de la concentration de TPPS₄. b Cinétique de décroissance et ratio I₃ versus concentration de TPPS₄.

L'amélioration observée ne peut être attribuée au transfert d'énergie inverse depuis TPPS₄ (dont la fluorescence se situe au-delà de 600 nm) ou au transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET) car TPPS₄ absorbe négligeablement à la longueur d'onde d'excitation et son spectre d'absorption reste inchangé dans les mélanges. Au lieu de cela, les données soutiennent un mécanisme de désagrégation : les PQ vieillis s'agrègent pendant le stockage, réduisant le RQ ; la liaison de TPPS₄ augmente la charge de surface nette négative, amplifiant la répulsion électrostatique et écartant les particules (Schéma 1). L'interaction est médiatée par le cœur porphyrine π-conjugué, qui lie les surfaces métalliques avec une haute affinité, surmontant la répulsion électrostatique entre les groupes sulfonates et la surface de PQ chargée négativement.

Schéma 1 : L'adsorption de TPPS₄ sur les (CdSe/ZnS)-Cys 558 PQ vieillis augmente la charge de surface négative, favorisant la désagrégation via une répulsion électrostatique accrue.

L'estimation de la surface d'un PQ de 2,6 nm (≈145 nm²) montre que ~80 molécules de TPPS₄ seraient nécessaires pour couvrir toute la surface. Cependant, la saturation du RQ et de I₃ se produit à seulement ~2 µM TPPS₄ (≈4 molécules par PQ), impliquant que quelques porphyrines liées suffisent à déclencher une répulsion significative. Les densités de charge calculées (σ) confirment ceci : le PQ seul a σ_PQ = -0,25 mV/nm², tandis qu'un PQ lié à quatre molécules de TPPS₄ a σ_PQ+TPPS4 = -1,29 mV/nm², plus de cinq fois plus élevé, résultant en une répulsion >25 fois plus forte.

Consistant avec l'hypothèse d'agrégation, la dilution des solutions de PQ vieillis augmente également le RQ et I₃ (Fig. 4). La diffusion dynamique de la lumière montre des diamètres hydrodynamiques de 330 ± 170 nm pour les PQ vieillis, qui se réduisent à 25 ± 6 nm lors de la dilution, prouvant directement la désagrégation.

a Spectres de luminescence et RQ des (CdSe/ZnS)-Cys 558 PQ vieillis à concentrations variables. b Cinétique de décroissance et I₃ versus concentration.

Les travaux futurs exploreront si TPPS₄ peut préventivement stabiliser les PQ fraîchement préparés pendant le stockage à basse température, prolongeant potentiellement la durée de conservation pour les applications biomédicales.

Conclusions

Le stockage à long terme de PQ CdSe/ZnS-Cys en milieu aqueux induit une agrégation qui diminue à la fois le rendement quantique et les durées de vie de fluorescence. L'introduction de TPPS₄ désagrège les PQ vieillis en augmentant la charge de surface négative, restaurant ainsi le RQ et l'émission liée à la coquille aux niveaux des échantillons frais. Cet effet de désagrégation est également observé par simple dilution, soulignant le rôle de l'électrostatique inter-particulaire. Nos résultats fournissent une stratégie pratique pour rajeunir les PQ vieillis, améliorant leur adéquation pour le bioimagerie soutenue et le diagnostic par fluorescence, tout en offrant un moyen de réduire la taille des particules pour une absorption cellulaire améliorée.

Abréviations

C12-NBD-PC :

1-Palmitoyl,2-(12-[N-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-yl)amino]dodécanoyl)-sn-glycero-3-phosphocholine

DF :

Diagnostics de fluorescence

FP :

Sondes fluorescentes

FWHM :

Largeur à mi-hauteur

PCT :

Photochimiothérapie

PDT :

Thérapie photodynamique

PS :

Photosensibilisateurs

PQ :

Points quantiques

PQ-Cys :

PQ revêtus de cystéine

RQ :

Rendement quantique

TOPO :

Oxyde de trioctylphosphine

TPPS₄ :

mésо-tétrakis (p-sulfonato-phényl) porphyrine