Stimulation de la luminescence des points quantiques CdSe/ZnS revêtus de cystéine par la porphyrine méso-tétrakis (p-sulfonato-phényl)

Contexte

Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux ou les points quantiques (QD) en raison de leurs caractéristiques spécifiques, de leurs spectres d'absorption large intense et de luminescence étroit avec la position maximale dépendante de la taille et une stabilité thermique et photostabilisée élevée [1, 2], trouvent des applications dans divers domaines de la technologie moderne, tels que comme l'imagerie médicale et le diagnostic, les nanodispositifs informatiques modernes, les sondes fluorescentes pour les applications bioanalytiques, la génération photoélectrochimique d'hydrogène, etc. ([3,4,5,6,7] et leurs références). La fonctionnalisation de la surface QD avec des molécules organiques permet d'augmenter leur solubilité dans l'eau, de réduire leur toxicité et d'augmenter leur biocompatibilité, en préparant des QD avec une affinité sélective pour les structures désirables des organismes vivants [8]. Par conséquent, les QD suscitent un intérêt particulier pour les applications en biologie [5] et en médecine [6], où elles pourraient être appliquées avec succès en tant que sondes fluorescentes (FP) pour le diagnostic par fluorescence (FD) [9] et photosensibilisateurs (PS) pour la photochimiothérapie (PCT) [dix]. L'absorption intense dans une large région spectrale fait de QD une antenne efficace pour l'accumulation d'énergie lumineuse, et une bande de luminescence étroite et intense facilite le transfert d'énergie vers le PS correspondant, augmentant ainsi l'efficacité de l'utilisation de l'énergie lumineuse et par conséquent l'efficacité du PS [7, 11] . Cela rend les paires (QD+PS) prometteuses pour une application en FD et PCT et stimule les études sur l'interaction QD et FS, en particulier dans le transfert d'énergie et de charge entre elles.

Entre autres, enrobés de cystéine (CdSe/ZnS) QD ((CdSe/ZnS)-Cys QD) et meso -tétrakis (p-sulfonato-phényl) porphyrine (TPPS₄ ) suscitent un intérêt particulier pour les raisons suivantes :une petite taille de QD enrobé de cystéine (QD-Cys) qui augmente sa mobilité et la probabilité de pénétrer la membrane cellulaire, sa stabilité chimique élevée, sa faible adsorption non spécifique et son rendement quantique de luminescence élevé [ 12, 13]. D'autre part, le TPPS synthétique₄ La porphyrine est une PS prometteuse car elle est photoactive, soluble dans l'eau et non toxique et a déjà été testée en clinique en application en thérapie photodynamique (PDT) démontrant des caractéristiques prometteuses [14, 15].

Interaction entre TPPS₄ et la QD via transfert d'énergie et/ou de charge a déjà été documentée [16]. Généralement, ces processus s'accompagnent d'une réduction de l'intensité et de la durée de vie de la luminescence QD. Un autre processus qui provoque l'auto-extinction de la luminescence dans QD est l'auto-agrégation via des interactions électrostatiques ou la formation de liaisons hydrogène, dans de nombreux cas, rendant le processus d'agrégation réversible [17].

Dans ce travail, nous rapportons pour la première fois sur la stimulation de la luminescence QD via interaction avec la porphyrine sur l'exemple de (CdSe/ZnS)-Cys QD et TPPS₄ porphyrine.

Expérimental

Préparation de (CdSe/ZnS)-Cys Quantum Dots

Les QD (CdSe/ZnS)-Cys ont été synthétisés selon la méthode adaptée de [18]. Le procédé comprend les étapes suivantes :(1) synthèse de nanocristaux colloïdaux hydrophobes de noyau de CdSe et (2) croissance d'une enveloppe épitaxiale de ZnS autour du noyau de CdSe. Pour fonctionnaliser QD avec de la cystéine, les QD core-shell CdSe/ZnS résultants (~ 3,0 mg) ont été purifiés à partir de TOPO via une triple dispersion dans du chloroforme (500 ml) et une précipitation avec du méthanol (800 ml). Les QD purifiés ont été redispersés dans du chloroforme (1,0 ml). DL-cystéine dans le méthanol (30 mg mL ^− 1 , 200 ml) a été ajouté goutte à goutte à la dispersion QD et mélangé vigoureusement, suivi d'une centrifugation (10 000 tr/min, 5 min), en éliminant le chloroforme. Après lavage au méthanol pour éliminer l'excès de DL-cystéine par centrifugation (16 000 tr/min, 10 min, 3 fois), le précipité QD a été séché sous vide et redispersé dans de l'eau Milli-Q avec 1 M de NaOH (20 mL) goutte à goutte addition et filtré avec filtre seringue Anotop 25 Plus (0,02 μm, Whatman).

Préparation des échantillons porphyrine + (CdSe/ZnS)-Cys QD

Le TPPS₄ la porphyrine a été obtenue auprès de Midcentury Chemicals (USA) et utilisée sans purification supplémentaire. Les solutions expérimentales ont été préparées en tampon phosphate (pH 7,3; 7,5 mM), en utilisant de l'eau de qualité Milli-Q. Pour les mesures de luminescence en (CdSe/ZnS)-Cys QD maintenu à 276 K pendant 3 mois (QD vieilli), aliquotes d'un TPPS₄ concentré solution mère ([TPPS₄ ][sub>stock = 140 μM) ont été ajoutés à la solution initiale (CdSe/ZnS)-Cys QD, évitant les effets de dilution. Pour l'expérience de dilution QD vieillie, des aliquotes de la solution initiale ont été remplacées par la même quantité de tampon phosphate. Toutes les expériences ont été réalisées à température ambiante (297 K).

La concentration de TPPS₄ a été contrôlé par spectrophotométrie en utilisant ε_515nm = 1,3 × 10 ⁴ M ^− 1 cm ^− 1 [19]. La concentration de la boîte quantique âgée (CdSe/ZnS)-Cys a été calculée en utilisant le premier pic d'absorption excitonique à 520 nm en utilisant ε = 5857(D ) ^2.65 selon le calcul empirique de Yu [20], où D (nm) est le diamètre du nanocristal donné. Le D La valeur a été déterminée à partir de la fonction d'ajustement empirique de la courbe présentée dans [20]. Pour les nanocristaux de CdSe, cette fonction est :

Dans notre cas, λ = 520 nm, D = 2,6 nm, et ε = 7,4 × 10 ⁴ M ^− 1 cm ^− 1 .

Instruments

Les spectres d'absorption ont été contrôlés avec un spectrophotomètre Beckman Coulter DU640. Les mesures de luminescence en régime permanent ont été effectuées sur un spectrofluorimètre Hitachi F-7000 à λ _ex = 480 nm et λ _les = 558 nm. Le rendement quantique de luminescence QD vieilli (QY) a été déterminé via la méthode relative [21] avec une mesure en un seul point, λ _ex = 480 nm et λ _les = 558 nm, en utilisant le 1-palmitoyl,2-(12-[N-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-yl)amino]dodécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphocholine (C12 -NBD-PC) comme étalon (QY = 0.34 dans l'éthanol) [22, 23] selon l'équation :

où je _fl et Je _fl0 sont les intensités de fluorescence intégrales de QD et C12-NBD-PC, A et A ₀ sont leurs absorbances à λ _ex = 480 nm, et n et n ₀ sont les indices de réfraction des solvants utilisés, respectivement.

Des expériences résolues dans le temps ont été réalisées en utilisant un appareil basé sur la méthode de comptage de photons uniques corrélés dans le temps. La source d'excitation était un laser Tsunami 3950 Spectra Physics titane-saphir, pompé par un laser à l'état solide Millenia X Spectra Physics. La fréquence de répétition des impulsions laser était de 8,0 MHz en utilisant le sélecteur d'impulsions 3980 Spectra Physics. Le laser a été réglé de sorte que le cristal BBO du deuxième générateur d'harmoniques (GWN-23PL Spectra Physics) a donné les impulsions d'excitation de 480 nm qui ont été dirigées vers un spectromètre Edinburgh FL900. Le spectromètre était en configuration L, la longueur d'onde d'émission était sélectionnée par un monochromateur et les photons émis étaient détectés par un photomultiplicateur à plaque microcanal Hamamatsu R3809U réfrigéré. La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de la fonction de réponse de l'instrument était généralement de 100 ps et la résolution temporelle de 12 ps par canal. Le logiciel fourni par Edinburgh Instruments et le logiciel commercial "OriginPro9" ont été utilisés pour ajuster les courbes expérimentales de décroissance de la luminescence.

La qualité de l'ajustement a été évaluée par l'analyse du paramètre statistique réduit-χ ² et par l'inspection de la distribution des résidus.

La diffusion dynamique de la lumière a été mesurée avec l'analyseur de taille de particules NanoBrook 90Plus Zeta avec une excitation à 640 nm à l'aide d'un laser HeNe de 40 mW (Brookhaven Instruments Corporation).

Résultats et discussion

Fraîchement préparé (CdSe/ZnS)-Cys QD possède le maximum du spectre de luminescence à 558 nm (Fig. 1, ligne noire), comme précédemment rapporté par Liu et al. [13], et rendement quantique (QY) 0,75 [2, 24, 25]. L'ajout de TPPS₄ à la solution fraîche n'induit aucun changement, à la fois dans l'intensité de luminescence QD et le profil du spectre de luminescence.

Spectres de luminescence normalisés de points quantiques (CdSe/ZnS)-Cys 558 dans un tampon phosphate (7,5 mM) à pH 7,3 :frais préparés (ligne noire, λ _max = 558 nm), après 3 mois au réfrigérateur à 276 K (âge QD) sans TPPS₄ (ligne rouge, λ _max = 556 nm), et à l'ajout de [TPPS₄ ] = 5,0 μM à QD vieilli (ligne bleue, λ _max = 559 nm), λ _ex = 480 nm

Pour le (CdSe/ZnS)-Cys QD dissous dans l'eau et conservé au réfrigérateur à 276 K pendant 3 mois (vieilli QD), la position du maximum du spectre de luminescence, mesurée en tampon phosphate (7,5 mM) à pH 7,3, était décalé vers le bleu sur 2 nm (λ _max = 556 nm), par rapport à celui du QD frais. La bande d'émission est apparue élargie et légèrement asymétrique (Fig. 1, trait rouge). Le rendement quantique de la luminescence QD vieillie, déterminé par la méthode décrite ci-dessus, était de 0,23 ± 0,03.

L'ajout de TPPS₄ à la solution QD vieillie a induit une augmentation significative de l'intensité de luminescence (Fig. 2a), la valeur QY atteignant 0,75 ± 0,08 (Fig. 2a, en médaillon), la valeur proche de celle du QD frais [2, 24, 25].

un Spectres de luminescence et rendement quantique (en médaillon) de solutions vieillies (CdSe/ZnS)-Cys 558 QD ([QD] = 570 nM, courbe noire) en fonction du TPPS₄ concentration en porphyrine. b Cinétique de désintégration de la luminescence QD et le rapport \( {I}_{0_3}/\left({I}_{0_2}+{I}_{0_3}\right) \) (encadré, voir Eq. (3) ) en fonction du TPPS₄ concentration en porphyrine

De plus, en présence de TPPS₄ , la symétrisation de la bande de luminescence du QD vieilli et la réduction de sa bande passante ont été observées, accompagnées d'un décalage vers le rouge maximal jusqu'à λ _max = 559 nm, proche du maximum du spectre QD frais (Fig. 1, ligne bleue.).

Les courbes de décroissance de la luminescence obtenues à une excitation de 480 nm pour les solutions de QD frais et vieilli ont été successivement ajustées comme la somme de trois exponentielles :

où \( {I}_{0_i} \) et τ _i sont le facteur pré-exponentiel (amplitude) et la durée de vie du i -ième composante de désintégration, respectivement.

Les durées de vie des composants pour les QD frais et vieillis sont indépendantes de la présence de porphyrine (tableau 1). Les durées de vie de luminescence des solutions QD fraîches sont typiques pour (CdSe/ZnS)-Cys QD [26, 27]. Pour les QD âgés, les durées de vie des composants sont beaucoup plus courtes (tableau 1).

Les valeurs de τ ₁ dans tous les cas, les QD frais et vieillis en présence et en l'absence de porphyrine, sont proches de la résolution temporelle de l'équipement de comptage de photons uniques (≈ 100 ps) utilisé dans cette étude. Par conséquent, il doit être associé à la lumière diffusée de l'impulsion d'excitation.

Il est bien établi [28,29,30] que l'éphémère (τ ₂ ) et de longue durée (τ ₃ ) les composants sont associés à la luminescence résultant de l'annihilation électron-trou dans le noyau QD (τ ₂ ) et coquille (τ ₃ ), respectivement. L'intensité totale de ces deux composantes caractérise l'ensemble du processus d'annihilation dans le QD. Dans ce cas, l'intensité relative (amplitude) du τ ₃ devrait démontrer la contribution de l'annihilation électron-trou dans la couche QD. La contribution relative I ₃ de la 3e composante de la courbe de décroissance a été calculée comme suit :

L'ajout de TPPS₄ aux solutions QD fraîches ne modifie pas de manière significative le contenu relatif des composants (données non présentées), tandis que pour les solutions QD vieillies, le contenu relatif de τ ₃ composant I ₃ augmente avec le TPPS₄ concentration (Fig. 2b, encadré). La dépendance de QY pour la luminescence des points quantiques vieillis sur le TPPS₄ la concentration est similaire à celle de I ₃ (Fig. 2a, b, encarts), les deux atteignant les valeurs maximales approximativement à 2,0 μM TPPS₄ . Cela signifie que TPPS₄ l'interaction avec le QD vieilli affecte plus fortement la luminescence de la coque du QD que celle de son noyau. Cependant, TPPS₄ dans des solutions QD fraîches ne montre aucun effet sur la luminescence QD. Par conséquent, nous concluons que le TPPS₄ l'effet observé pour la solution QD vieillie ne peut pas être expliqué par la liaison de la porphyrine à la surface QD.

D'autre part, l'augmentation observée de l'intensité de luminescence QD vieillie à l'interaction avec TPPS₄ ne peut pas être expliqué par le transfert d'énergie inverse de TPPS₄ à QD, puisque le TPPS₄ le spectre de fluorescence est localisé dans la plage λ> 600 nm où l'absorption QD est faible (Fichier supplémentaire 1 :Figure S3). Par conséquent, le transfert d'énergie via le mécanisme de transfert d'énergie de résonance de Förster (FRET) est peu probable. De plus, la luminescence QD était excitée à 460 ou 480 nm, où TPPS₄ l'absorption optique est négligeable. De plus, les spectres d'absorption de TPPS₄ resté inchangé dans les solutions mixtes, démontrant l'absence de transfert de charge entre QD et TPPS₄ (Fichier supplémentaire 1 :Figure S4b, c).

La capacité des points quantiques à s'agréger via la formation de liaisons hydrogène NH···H non covalentes entre les groupes de surface QD a déjà été documentée [13, 17]. L'agrégation réduit la luminescence QD, étouffant le plus efficacement la composante attribuée à la coque QD [13, 17]. La réduction de l'intensité de luminescence QD et de la durée de vie a été observée pour CdSe-QD dans des films solides en raison de la formation d'agrégats 3D [31]. Les auteurs ont proposé un modèle, où cette réduction est associée au transfert d'énergie entre les QD individuels dans l'agrégat [32].

Sur la base de ces preuves, nous pensons qu'au réfrigérateur, les QD s'agrègent, ce qui réduit l'intensité de la luminescence et les durées de vie. Par conséquent, nous associons l'augmentation observée de l'intensité de luminescence QD et des durées de vie en présence de TPPS₄ avec désagrégation QD, stimulée par TPPS₄ à sa liaison avec l'agrégat. Un effet similaire a été observé pour l'émission de QD agrégés lors de leur interaction avec les ions fluor [17].

Les changements observés dans le profil de bande de luminescence pour le QD vieilli (Fig. 1) peuvent également être expliqués par l'agrégation QD, son asymétrie étant associée à l'existence de différents types d'agrégats. Interaction avec TPPS₄ réduit l'agrégation et rend le profil de bande de luminescence similaire à celui du QD non agrégé, observé dans des solutions fraîches.

À pH neutre, la surface QD-Cys possède une charge nette négative due à la déprotonation des groupes amino terminaux sur sa surface [17, 33, 34]. A ce pH, TPPS₄ a une charge nette (4-) due à quatre groupes phényle sulfonate chargés négativement dans sa structure ([35, 36] et les références y figurant). Par conséquent, interaction entre les groupes QD cystéine et TPPS₄ molécules est faible probable en raison de la répulsion électrostatique. Cependant, la haute affinité du système porphyrine π-conjuguée pour les surfaces métalliques est bien documentée [37]. Cette affinité devrait être responsable de TPPS₄ liaison à la surface des points quantiques, malgré la répulsion électrostatique entre les groupes latéraux QD et porphyrine. L'interaction entre la surface QD et le système π-conjugué de la porphyrine liée pourrait expliquer le faible élargissement du spectre de fluorescence de la porphyrine (Figs. 1, 3 et Additional file 1 :Figure S3a, encadré) et les changements observés dans le spectre d'excitation de fluorescence (Additional fichier 1 :Figure S5b, encadré) [38].

Spectres d'émission de luminescence normalisés de TPPS₄ en tampon phosphate (7,5 mM, pH 7,3) pour divers TPPS₄ concentrations en présence de point quantique vieilli (CdSe/ZnS)-Cys 558 (570 nM), λ _ex = 460 nm

La liaison de certaines molécules de porphyrine sur la surface QD augmente la charge négative de surface QD, augmentant ainsi la répulsion électrostatique entre les particules et induisant leur désagrégation (Schéma 1) [39].

Le schéma de l'interaction entre vieilli (CdSe/ZnS)-Cys 558 QD et TPPS₄ porphyrine à pH neutre. Les molécules de porphyrine s'adsorbent sur la surface QD en raison de la haute affinité du système conjugué π de porphyrine pour les surfaces métalliques augmentant la charge négative nette sur la surface QD, augmentant ainsi la répulsion électrostatique entre les particules et induisant leur désagrégation

La surface QD A _QD ≈ 145 nm ² est suffisant pour adsorber plusieurs TPPS₄ molécules (A _TPPS4 ≈ 1.8 nm ² par unité) [40], comme cela a été observé pour des porphyrines interagissant avec des nanoparticules magnétiques et d'or [41, 42].

Pour couvrir toute la surface du QD par les porphyrines, 80 molécules de porphyrine par QD individuel sont nécessaires. Cependant, la saturation de la luminescence QY et I ₃ des valeurs dans une solution QD à 570 nM ont été observées à environ [TPPS₄ ] = 2,0 μM (Fig. 2), ce qui démontre que la liaison de quatre molécules de porphyrine par QD est suffisante pour la désagrégation QD. Cela pourrait s'expliquer par une plus grande densité de charge sur la molécule de porphyrine par rapport à celle de QD (Fichier supplémentaire 1 :Figure S6) qui produit une répulsion électrostatique plus forte entre QD avec des porphyrines liées. En effet, le potentiel Zêta pour le QD âgé (ζ_QD ) est de − 36,1 mV et celui pour TPPS₄ molécule (ζ_TPPS4 ) est de − 37,6 mV. Densité de charge moyenne, calculée comme  =ζ /A_QD , pour un individu âgé QD est

σ_QD =− 36,1 mV/145 nm ² = − 0,25 mV/nm ² .

Parallèlement, pour un individu âgé QD lié à quatre TPPS₄ molécules, la densité de charge moyenne (σ_QD+TPPS4 ) est

σ_QD+TPPS4 =− (36,1 + 37,6 × 4) mV/145 nm ² = − 1,29 mV/nm ² .

Ainsi, la liaison de quatre TPPS₄ molécules avec un individu âgé QD augmente son σ plus de 5 fois, augmentant la force de répulsion électrostatique plus de 25 fois et induisant la désagrégation QD vieilli.

Conformément à l'hypothèse d'agrégation QD, un effet similaire à celui induit par TPPS₄ l'addition doit être observée à la dilution des solutions QD vieillies. En effet, nous avons observé l'augmentation du QY de la luminescence QD à la dilution de sa solution tampon (Fig. 4a, encadré), ce qui démontre que l'autoextinction de la luminescence QD dans les solutions QD-Cys vieillies dépend de la concentration QD [17] . Simultanément, le I ₃ la valeur de la cinétique de luminescence QD augmente également avec la dilution (Fig. 4b, encadré).

un Spectres de luminescence et rendement quantique (en médaillon) de solutions vieillies (CdSe/ZnS)-Cys 558 QD en fonction de sa concentration. b Cinétique de désintégration de la luminescence QD et du I ₃ valeur (encadré, voir Eq. (3)) en fonction de sa concentration

De plus, les expériences de diffusion dynamique de la lumière montrent que D_hd de particules de diffusion dans les solutions QD après vieillissement était de (330 ± 170) nm, ce qui est beaucoup plus grand que celui de QD frais. La dilution réduit D_hd jusqu'à (25 ± 6) nm, démontrant ainsi directement la désagrégation QD (Fichier supplémentaire 1 :Tableau S1).

Il existe un autre aspect intéressant du problème :l'ajout de TPPS₄ à la solution de QD frais empêchent leur agrégation lors du stockage à basse température, stabilisant ainsi leurs caractéristiques de luminescence ? Cependant, la clarification de ce problème nécessite une étude indépendante et détaillée utilisant diverses méthodes expérimentales et des conditions expérimentales variables, telles que les concentrations de réactifs, la température, la durée de stockage de la solution (plusieurs mois), etc. Nous prévoyons de réaliser cette étude approfondie dans les plus brefs délais. avenir.

Conclusions

Sur la base des données obtenues, nous pouvons affirmer que le stockage prolongé de CdSe/ZnS-Cys QD dans des solutions aqueuses même à basse température induit leur agrégation, ce qui réduit le rendement quantique de luminescence et les durées de vie. L'ajout de TPPS₄ la porphyrine stimule la désagrégation du CdSe/ZnS-Cys QD vieilli qui est prononcée par l'augmentation du rendement quantique de luminescence QD et la contribution de l'annihilation électron-trou dans la couche QD dans la luminescence QD totale. La désagrégation, stimulée par la porphyrine, a lieu en raison de l'augmentation de la répulsion électrostatique entre les QD agrégés lors de leur liaison avec les molécules de porphyrine chargées négativement. Une désagrégation a également été observée à la dilution de la solution QD.

Les résultats obtenus démontrent le moyen de réparer le QD vieilli en ajoutant des molécules ou des ions aux solutions, en stimulant la désagrégation du QD et en restaurant ses caractéristiques de luminescence, ce qui pourrait être important pour les applications biomédicales du QD, telles que la bio-imagerie et le diagnostic de fluorescence. D'autre part, la désagrégation est importante pour les applications QD en biologie et en médecine car elle réduit la taille des particules facilitant leur internalisation dans les cellules vivantes à travers la membrane cellulaire.

Abréviations

C12-NBD-PC :

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

FD :

Diagnostic de fluorescence

FP :

Sondes fluorescentes

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

PCT :

Photochimiothérapie

PDT :

Thérapie photodynamique

PS :

Photosensibilisateurs

QD :

Points quantiques

QD-Cys :

QD enrobé de cystéine

QY :

Rendements quantiques

TOPO :

Oxyde de trioctylphosphine

TPPS_{4 4} :

méso -tétrakis (p-sulfonato-phényl) porphyrine