Кодирование люминесценции полимерных микрошариков с органическими красителями и полупроводниковыми квантовыми точками в процессе полимеризации

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 12061 (2022) Цитировать эту статью

1652 Доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Микрошарики с люминесцентным кодированием являются важными инструментами для многих приложений в области науки о жизни и материаловедении, которые используют обнаружение люминесценции, а также стратегии мультиплексирования и штрих-кодирования. Приготовление таких шариков часто включает окрашивание готовых шариков молекулярными люминофорами с использованием простых процедур набухания или функционализацию поверхности с помощью методов послойного (LbL) метода. Альтернативно, эти люминофоры стерически включаются во время реакции полимеризации с получением полимерных шариков. Благоприятные оптические свойства полупроводниковых квантовых точек (КТ), которые имеют широко возбудимые, регулируемые по размеру, узкие полосы излучения и низкую чувствительность к фотообесцвечиванию, послужили толчком к приготовлению шариков, окрашенных КТ. Однако коллоидная природа и химия поверхности этих КТ, которая в значительной степени контролирует их люминесцентные свойства, создают новые проблемы для кодирования шариков, которые практически не изучались систематически. Чтобы разработать простой подход к кодированию шариков с помощью КТ с минимальными потерями люминесценции, мы систематически оценивали включение КТ из полистирола (ПС), стабилизированных олеиновой кислотой/олеиламином/ядро CdS/оболочкой, в полистирольные (ПС) микросферы размером 0,5–2,5 мкм. путем простого синтеза дисперсионной полимеризации, который сначала был оптимизирован с использованием органического красителя Nile Red. Параметры, рассматриваемые для приготовления закодированных люминофором шариков, включают использование совместимого с полимером лиганда, такого как хлорид бензилдиметилоктадециламмония (OBDAC), для КТ, и сшивку для предотвращения утечки люминофора. Физико-химические и оптические свойства полученных шариков исследовали методами электронной микроскопии, динамического светорассеяния, оптической спектроскопии и флуоресцентной микроскопии. Распределение частиц по размерам, квантовый выход флуоресценции инкапсулированных КТ и стабильность утечки КТ использовались в качестве показателей качества гранул. Полученная оптимизированная процедура кодирования шариков позволяет воспроизводимо готовить яркие микрошарики PS, закодированные органическими красителями, а также CdSe/CdS-QD. Хотя эти шарики демонстрируют пониженный квантовый выход фотолюминесценции по сравнению с первоначально очень сильно люминесцентными КТ, значения которого составляют около 35%, их квантовый выход фотолюминесценции, тем не менее, все еще остается умеренным.

Люминесцентные полимерные шарики, закодированные либо молекулярными, либо наноразмерными люминофорами, в последние десятилетия все чаще используются в науках о жизни и материалах в сочетании с флуоресцентной спектроскопией, микрофлуориметрией, флуоресцентной микроскопией и проточной цитометрией. Такие частицы часто снабжены поверхностными функциональными группами, к которым могут быть присоединены распознающие фрагменты, такие как белки и антитела или красители, чувствительные к анализируемому веществу1,2. Это открывает множество различных приложений, включая (био)визуализацию, биомедицинские анализы и химическое зондирование3,4,5,6,7,8. В то время как люминесцентные полимерные наногранулы часто используются для мечения клеток и платформ для анализа, обычно более крупные микрогранулы используются для биоанализов на основе шариков и схем спектрального мультиплексирования8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 20,21, используя либо цветовое кодирование, либо, в последнее время, также прижизненное кодирование22 в сочетании с проточной цитометрией или флуоресцентной микроскопией. Здесь цвет люминесценции или время жизни закодированных шариков-носителей используется в качестве идентификационного кода для химического состава поверхности шариков, а затем количественно определяется захваченная мишень, связанная с шариками, с помощью дополнительной спектрально различимой флуоресцентной метки. Закодированные шарики нано- и микрометрового размера также могут использоваться для обеспечения безопасности, защиты от подделок и аутентификации, а также для печати кодов23,24,25.

Распространенный подход к кодированию люминесценции полимерных шариков представляет собой набухание готовых шариков из полистирола (ПС) или полиметилметакрилата (ПММА) путем добавления аполярного органического растворителя, содержащего люминофоры, что позволяет люминофорам проникать в матрицу шариков26,27,28. Такие процедуры использовались, например, для изготовления шариков с различными поверхностными функциональными возможностями, которые применяются в качестве носителей для платформ на основе шариков5. В качестве альтернативы можно выполнить послойное покрытие предварительно изготовленных шариков. Этот универсальный подход предполагает поэтапное осаждение слоев противоположно заряженных полиэлектролитов, содержащих нанокристаллы, такие как коллоидные полупроводниковые квантовые точки (КТ) или органические красители29,30,31,32. Таким образом, достигается только поверхностное окрашивание, и соответственно измененная химия поверхности гранул может создать проблемы на последующих этапах биоконъюгации. Другой метод – внедрение люминофора в реакцию полимеризации, как для органических красителей33,34,35,36, так и для различных нанокристаллов13,37,38,39,40,41,42,43. При этом люминесцентное соединение растворяют или диспергируют в растворе мономера или добавляют в реакционную смесь. Эта процедура может обеспечить однородное распределение люминофора внутри гранул, но требует достаточно стабильных эмиттеров с подходящей растворимостью или дисперсностью, которые могут выдерживать иногда суровые условия полимеризации44.