Sintesis Bebas Fosfina Titik Kuantum Inti-Kulit ZnSe/CdS/ZnS yang Menekan Reabsorpsi dan Aplikasinya dalam Deteksi CRP Sensitif

Abstrak

Kami menggambarkan protokol satu-pot bebas fosfina untuk membuat titik kuantum (QD) inti-kulit ZnSe/CdS/ZnS yang menggabungkan perataan band tipe-II dan tipe-I untuk menekan reabsorpsi. QD yang memancarkan cahaya merah yang dihasilkan mencapai rendemen kuantum fotoluminesensi (QY) sebesar 82 % dan stabilitas optik yang luar biasa. Dibandingkan dengan QD tipe-I konvensional, QD komposit menunjukkan pergeseran Stokes yang jauh lebih besar dan reabsorpsi yang dikurangi, yang diterjemahkan menjadi keluaran fluoresensi yang lebih tinggi. Memanfaatkan properti ini, kami menggunakan QD sebagai label fluoresens dalam imunoanalisa terhubung fluoresens (FLISA) untuk protein reaktif C (CRP). Analisa mencapai batas deteksi (LOD) sebesar 0,85 ng mL⁻¹—lebih sensitif 15 % daripada FLISA berbasis CdSe/ZnS (1,00 ng mL⁻¹). Temuan ini menunjukkan bahwa QD tipe-II/tipe-I ZnSe/CdS/ZnS adalah kandidat kuat untuk diagnostik biomedis dan aplikasi fotonik.

Latar Belakang

QD inti-kulit semikonduktor memiliki properti optik yang unggul—rentang emisi yang luas, QY tinggi, dan stabilitas kimiawi yang kuat—menjadinya label fluoresens ideal untuk diagnostik, pencitraan, dan optoelektronika. Struktur elektroniknya terbagi menjadi tiga kategori berdasarkan perataan band: tipe-I, tipe-I terbalik, dan tipe-II. QD tipe-I membatasi baik elektron maupun lubang di dalam inti, meningkatkan rekombinasi radiasi dan mengisolasi inti aktif dari cacat permukaan. Namun, pergeseran Stokes yang kecil (≈10 nm) yang umum pada QD tipe-I menyebabkan reabsorpsi yang signifikan, mengurangi intensitas emisi dan membatasi analisis kuantitatif. QD tipe-II memisahkan elektron dan lubang di seluruh inti dan kulit, menghasilkan emisi yang bergeser merah dan puncak absorpsi eksiton pertama yang merata. Ini mengurangi tumpang tindih spektral, menekan reabsorpsi, dan meningkatkan deteksi kuantitatif. QD tipe-II ZnSe/CdS mencakup dari emisi biru-violete hingga merah dengan reabsorpsi yang ditekan, tetapi kulit kaya Cd-nya dapat menderita penurunan yang diinduksi oleh perangkap permukaan dan biotoksikota. Pelapisan dengan kulit ZnS luar baik passivasi permukaan, meningkatkan QY, dan membatasi pelepasan Cd. Sintesis sebelumnya dari QD ZnSe/CdS/ZnS telah memerlukan fosfina berbahaya dan pemurnian multitahap, tanpa aplikasi biologis yang dilaporkan.

Di sini kami memperkenalkan rute satu-pot bebas fosfina untuk menghasilkan QD tipe-II/tipe-I ZnSe/CdS/ZnS berkualitas tinggi yang memancarkan cahaya merah dan menekan reabsorpsi. Metode ini menggunakan prekursor Se yang bertoksisitas rendah (ODE-Se) dan oleat seng untuk membentuk inti ZnSe, diikuti oleh pertumbuhan kulit CdS dan ZnS secara in situ tanpa pemurnian perantara—memfasilitasi produksi skala besar. QD mencapai QY 82 % dengan konten Cd yang dikurangi, dan pergeseran Stokes yang besar ditambah profil absorpsi yang merata menghasilkan reabsorpsi yang rendah. Terakhir, kami mendemonstrasikan penggunaan pertama QD sebagai sondes fluoresens dalam FLISA untuk CRP, mencapai LOD 0,85 ng mL⁻¹—mengalahkan analisa referensi CdSe/ZnS.

Metode

Kimia

Semua reagen digunakan sebagaimana adanya: CdO (99,99 %), ZnO (99,9 %), Se (99,9 %), 1-oktadesena (ODE, 90 %), 1-oktantiol (OT, 98 %), asam oleat (OA, 90 %), PMAO, MES, dan pelarut laboratorium standar (minyak paraffin, aseton, heksana, metanol). Konstituen buffer (NaOH, HCl, Na₂CO₃, NaHCO₃, KH₂PO₄, Na₂HPO₄, H₃BO₃, Na₂B₄O₇·10H₂O, Tween-20) diperoleh dari Shanghai Sangon Co., Ltd. BSA dan serum anak sapi dari Sigma. EDC, sulfo-NHS, dan mikropiring dari Thermo Fisher Scientific. Antibodi monoklon mouse anti-CRP dan antigen CRP diperoleh dari Abcam. Semua kimia digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.

Prakursor Se (0,1 M)

Se (6 mmol) dilarutkan dalam 60 mL ODE dan dipanaskan hingga 220 °C selama 180 menit dalam nitrogen, menghasilkan larutan kuning jernih.

Prakursor Zn dan Cd

ZnO (30 mmol) digabungkan dengan 30 mL OA dan 45 mL ODE, kemudian dipanaskan hingga 310 °C dalam nitrogen untuk membentuk larutan jernih; campuran didinginkan hingga 140 °C untuk injeksi. Prakursor Cd disiapkan dengan cara yang sama, tetapi pada 240 °C dan konsentrasi 0,2 M.

Sintesis QD Tipe-II/Tipe-I ZnSe/CdS/ZnS

Sebuah run biasanya dimulai dengan memanaskan 4 mL prakursor Se dan 15 mL ODE hingga 310 °C. Pada suhu ini, 2 mL prakursor Zn diinjeksi secara cepat. Aliquot diambil dengan interval untuk memantau pergeseran PL yang terkait dengan pertumbuhan partikel. Setelah inti mencapai ukuran yang diinginkan, suhu diturunkan hingga 230 °C untuk pertumbuhan kulit CdS. Prakursor Cd dan OT (ras OT : kation = 1 : 1,2) kemudian ditambahkan secara bertitik-titik pada 3 mL jam⁻¹ sambil menaikkan suhu hingga 310 °C. Kulit ZnS ditumbuhkan dengan metode yang sama. QD difurnir dengan persipitan aseton dan didisperdi ulang dalam kloroform.

QD Tipe-I CdSe/ZnS

QD ini disintesis sesuai dengan protokol yang telah terbentuk dan kemudian digunakan untuk transfer fasa dan persiapan FLISA yang identik dengan prosedur ZnSe/CdS/ZnS.

Transfer Fasa ke Air

Oligomer amfifilik polymaleat anhidride-oktadesena (PMAO) digunakan untuk membuat QD hidrofobik menjadi larut air. QD dan PMAO dilarutkan dalam kloroform (ras QD/PMAO = 1 : 7) dengan sonikasi, kemudian kloroform diavaporasi pada 45 °C. Volume yang sama dari 0,1 M NaHCO₃ (pH 8,5) ditambahkan untuk melarutkan kompleks. QD-PMAO yang dihasilkan mempertahankan fluoresensi penuh dan menunjukkan stabilitas air yang luar biasa di seluruh rentang pH yang luas.

Konjugasi QD–Antibodi

QD-PMAO diaktifkan dengan EDC/sulfo-NHS untuk menghubungkan grup karboksil dengan antibodi monoklon CRP. Setelah inkubasi dalam PBS dan pemblokiran BSA, konjugat dicuci melalui sentrifugasi dan disimpan dalam 50 µL buffer BS (5 mM, pH 8,0).

Persiapan Mikroplate Lapisan Antibodi

Lubang mikropiring dilapisi dengan 1,8 mg mL⁻¹ antibodi monoklon CRP dalam buffer karbonat-bikarbonat 50 mM (pH 9,6), diinkubasi pada 4 °C selama 24 jam, dicuci tiga kali dengan 0,05 % Tween-20 dalam PBS 10 mM, dan diblokir dengan 0,5 % BSA dalam PBS (pH 7,4) selama malam hari. Piring dikeringkan dan disimpan pada 4 °C.

Pengukuran CRP dengan FLISA

Di setiap lubang, 100 µL standar CRP atau sampel (dilarutkan dalam buffer) ditambahkan ke mikroplate yang dilapisi antibodi, diinkubasi pada 37 °C selama 30 menit, dan dicuci lima kali. Selanjutnya, 100 µL probe QD-mAb (dilarutkan dalam 10 % serum anak sapi/PBS) ditambahkan, diinkubasi, dan dicuci seperti sebelumnya.

Karakterisasi

Spektrum absorpsi UV–vis dan PL direkam dengan spektrofotometer Ocean Optics PC2000-ISA. QY diukur relatif terhadap Rodamin 101 (QY = 100 %) dalam etanol. Citra TEM menggunakan JEOL JEM-2010 pada 200 kV. Analisis fase menggunakan D8-ADVANCE XRD dengan radiasi Cu-Kα (λ = 1,54 Å). Diameter hidrodinamis ditentukan oleh pencitraan cahaya dinamis (Nano-ZS 90, Malvern).

Hasil dan Diskusi

Evolusi spektrum UV–vis dan PL selama pertumbuhan kulit diilustrasikan dalam Gambar 1. Inti ZnSe polos menunjukkan absorpsi 420 nm dan emisi 428 nm (FWHM = 17 nm). Penambahan satu lapis monolaer CdS memperluas pergeseran Stokes menjadi 54 nm, dengan absorpsi 497 nm dan emisi 551 nm (FWHM = 38 nm). Pertumbuhan kulit CdS yang berikutnya secara lebih merah menggeser PL menjadi 629 nm dan memperlebar FWHM menjadi 52 nm, yang mencerminkan kopling eksiton-fonon yang ditingkatkan. Puncak absorpsi eksiton pertama yang merata dan absorpsi gelombang pendek yang kuat (<500 nm) bersama-sama mengurangi tumpang tindih spektral, secara efektif menekan reabsorpsi. Kulit ZnS kemudian menggeser emisi ke kiri dan menyempitkan FWHM menjadi 43 nm, sementara QY naik dari 20 % hingga 82 % melalui urutan pertumbuhan CdS/ZnS.

Gambar 2 mengonfirmasi evolusi struktural: puncak XRD menjadi tajam dan bergeser ke posisi wurtzite CdS dan ZnS, mengindikasikan pertumbuhan multi-kulit yang berhasil dan transisi zinc-blende ke wurtzite. Citra TEM (Gambar 2a–f) mengungkapkan QD bola monodispers yang berkembang dari 3,90 nm (inti) hingga 11,92 nm (intis/kulit penuh). Spasi jaring HRTEM (0,32 nm untuk ZnSe, 0,35 nm untuk CdS, 0,31 nm untuk ZnS) cocok dengan data XRD, mengonfirmasi fidelitas komposisi.

Analisis EDS (Tabel S1) menunjukkan ras Cd/(Zn+Cd) meningkat selama pertumbuhan kulit CdS karena pertukaran kation di atas 200 °C, namun konten Cd secara keseluruhan tetap rendah (~13 %) dibandingkan QD tipe-I CdSe/CdS/ZnS tipikal (~40 %). Beban Cd yang lebih rendah mengurangi biotoksisitas.

Transfer fasa ke media air melalui PMAO (Gambar S1) mempertahankan intensitas PL dan morfologi, seperti yang dikonfirmasi oleh spektrum UV–vis, PL, TEM, dan FTIR. Spektrum FTIR menunjukkan pembukaan cincin anhidride yang berhasil dan pembentukan COOH pada permukaan QD.

Uji stabilitas (Gambar 3) menunjukkan bahwa QD hidrofobik mempertahankan 85 % PL setelah pemurnian berulang, dan QD terenkapsulasi PMAO mempertahankan >85 % PL setelah 400 jam dalam PBS, di seluruh pH 1–13, dan hingga 90 °C (termasih 76 % PL). Hasil ini mengonfirmasi kesesuaian untuk analisa biologis.

Konjugasi dengan antibodi CRP (Gambar 4a) mengurangi intensitas PL sekitar 40 % karena kehilangan pemisahan tetapi mempertahankan bentuk spektral. DLS menunjukkan peningkatan diameter hidrodinamis dari 46 nm (QD-PMAO) menjadi 120 nm (QD-mAb), mengonfirmasi konjugasi yang berhasil tanpa aglomerasi.

Menggunakan QD-mAb dalam FLISA (Gambar 5a) menghasilkan respons dosis-kuadratik yang jelas (R² = 0,9991) atas 0–400 ng mL⁻¹. LOD sebesar 0,85 ng mL⁻¹ melebihi referensi CdSe/ZnS sebesar 15 %. Uji pemulihan (Tabel 1) menunjukkan akurasi 83,6–105,9 % di seluruh konsentrasi CRP rendah, menengah, dan tinggi, menggarisbawahi keandalan analisa.

Kesimpulan

Kami telah mengembangkan sintesis yang dapat diskalakan dan bebas fosfina dari QD inti-kulit ZnSe/CdS/ZnS yang menekan reabsorpsi dan menggabungkan struktur band tipe-II dan tipe-I. QD memberikan QY tinggi (82 %), pergeseran Stokes yang besar, dan stabilitas yang unggul, memungkinkan FLISA yang sangat sensitif untuk deteksi CRP (LOD = 0,85 ng mL⁻¹). Properti ini memosisikan QD ZnSe/CdS/ZnS sebagai alat yang menjanjikan untuk diagnostik biomedis dan perangkat optoelektronik.

Singkatan

BSA:

Albumin serum sapi

CRP:

Protein reaktif C

DLS:

Pencitraan cahaya dinamis

EDC:

1-etil-3-(3-(dimetilamino)propil)karbodiimida

EDS:

Spektroskopi X-dispersif energi

ELISA:

Imunoanalisa terhubung enzim

FLISA:

Imunoanalisa terhubung fluoresens

FWHM:

Lebar setengah maksimum

LOD:

Batas deteksi

MES:

2-(N-morfolino)etansulfonic acid

OT:

1-oktantiol

PMAO:

Poly(maleat anhidride-alt-1-oktadesena)

QDs:

Titik kuantum

QYs:

Rendemen kuantum

sulfo-NHS:

N-hidroksisuksinimida