Совместное действие узкоспектрального свечения и кодирования микросфер: создание системы материалов на основе флуоресцентно-кодированных микросфер с квантовыми точками CdSe

2026-09-18

Введение
С учетом потребности в высокопроизводительных флуоресцентно-кодированных носителях для обеспечения безопасности пищевых продуктов, биоанализа и экспресс-диагностики нескольких целей, в данном исследовании уделяется внимание созданию материалов и оптимизации характеристик флуоресцентно-кодированных микросфер на основе квантовых точек CdSe. Путем регулирования длины волны излучения CdSe, пассивации ядра-оболочки CdSe/ZnS и нанесения квантовых точек на микросферы был постепенно создан материалный комплекс флуоресцентных микросфер, обладающий высокой яркостью, узким спектром излучения, хорошей стабильностью и масштабируемой способностью кодирования, что обеспечивает материальную основу для последующих исследований в области суспензионных массивов, мультиплексного иммуноанализа и анализа нуклеиновых кислот.

I. Создание светоизлучающих элементов на основе квантовых точек CdSe/ZnS с высокой яркостью и узким спектром

Результаты предварительных исследований нашей группы показывают, что квантовая эффективность ядра CdSe составляет около 60,62 %, а после создания структуры «ядро-оболочка» CdSe/ZnS она может быть повышена до 93,21 %; ширина на полной высоте (FWHM) флуоресценции CdSe/ZnS составляет 29,4 нм, что позволяет значительно повысить яркость, сохраняя при этом узкий спектр излучения. Испытания на стабильность показали, что после 30 дней хранения квантовая эффективность образцов CdSe/ZnS по-прежнему составляет около 88 %, что значительно выше, чем у ядра CdSe без оболочки. Указанные результаты свидетельствуют о том, что оболочка ZnS способна эффективно пассивировать поверхностные дефекты, снижать нерадиационное рекомбинирование и повышать способность к долгосрочному сохранению флуоресценции, обеспечивая высокоэффективный светящийся элемент для получения высокого отношения сигнал/шум и стабильного сигнала от отдельных микросфер.

Рис. 1. Флуоресцентные свойства квантовых точек CdSe и CdSe/ZnS и их стабильность в течение 30 дней

II. Структура «ядро-оболочка» и качество нанокристаллов как основа стабильного кодирования

Результаты рентгеновской дифрактометрии (XRD) показывают, что как CdSe, так и CdSe/ZnS демонстрируют типичные для нанокристаллов расширенные дифракционные пики; при ТЭМ-анализе наблюдается относительно однородное распределение квантовых точек и четкие кристаллические полосы. Результаты структурного анализа и исследования флуоресцентных свойств взаимно подтверждают друг друга, указывая на то, что «ядро-оболочка»-структура повышает эффективность свечения, сохраняя при этом целостность структуры нанокристаллов. Для применения в области флуоресцентного кодирования однородная наноразмерная структура способствует снижению различий в свечении между частицами и создает основу для обеспечения однородности сигнала отдельных микросфер после их загрузки.

Рис. 2. Характеристика структуры квантовых точек CdSe/CdSe-ZnS с помощью рентгеновской дифрактометрии (XRD) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM)

III. Регулируемая длина волны и узкополосное излучение расширяют пространство многоканального кодирования

На основе ранее разработанных исследовательской группой систем «ядро-оболочка» в последнее время в рамках работы по регулированию длины волны свечения CdSe были получены два типичных светоизлучающих элемента. Измеренные пики поглощения первого экситона составляли примерно 529,8 нм и 579,0 нм, что соответствует пикам флуоресцентного излучения примерно 539,4 нм и 587,4 нм; интервал между двумя каналами излучения составляет около 48 нм; соответствующие ширины полосы PL (FWHM) составляют 23,588 нм и 23,594 нм. Узкополосное излучение позволяет уменьшить спектральное перекрытие между каналами разных цветов, а возможность настройки пиков создает материальную основу для последующего построения многомерного флуоресцентного кодирования по схеме «цветовой канал × уровень интенсивности».

Рис. 3. Характеристики УФ-поглощения и флуоресцентного излучения двух типов светоизлучающих элементов на основе квантовых точек CdSe

IV. Регулирование морфологии микросфер и диапазона насыщения посредством регулирования дозировки квантовых точек

В процессе получения флуоресцентно-кодированных микросфер дозировка квантовых точек влияет как на уровень флуоресцентного насыщения микросфер, так и на качество получаемых микросфер. Результаты предыдущих исследований с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM) показали, что в диапазоне дозировки квантовых точек 5–50 нмоль по мере оптимизации условий дозирования микросферы постепенно превращались из явно агрегированных и нерегулярных в правильные шарообразные; при дозировке 40–50 нмоль наблюдались микросферы с лучшей сферичностью и более однородной поверхностной морфологией. Эти результаты свидетельствуют о том, что доза квантовых точек может служить важным технологическим параметром для регулирования загрузки и морфологии микросфер, что открывает технологическое окно для создания микросфер с различными уровнями интенсивности флуоресценции при одновременном обеспечении однородности носителя.

Рис. 4. Морфология микросфер с флуоресцентным кодированием, полученных с различными дозами квантовых точек (5–50 нмоль), по данным СЭМ

V. Создание двумерной системы «цвет—интенсивность» для флуоресцентного кодирования и пути её применения в диагностике

На основании имеющихся данных система флуоресцентно-кодированных микросфер на основе квантовых точек CdSe обладает четырьмя преимуществами: во-первых, высокий квантовый выход после пассивации «ядро-оболочка», что позволяет усилить флуоресцентный сигнал отдельной микросферы; во-вторых, узкая полоса излучения с регулируемым пиком, что способствует созданию взаимно разделяемых цветовых каналов; в-третьих, хорошая способность CdSe/ZnS к длительному сохранению флуоресценции, что благоприятно сказывается на хранении и повторном детектировании; в-четвертых, микросферы с квантовыми точками обладают регулируемым диапазоном насыщения, что позволяет формировать градации интенсивности за счёт изменения количества наносимого материала. В дальнейшем с помощью функциональных групп на поверхности микросфер, таких как карбоксильные группы, можно связывать молекулы-маркеры, например антитела и нуклеиновые зонды, и в сочетании с флуоресцентной визуализацией или проточной цитометрией создавать многоцелевой аналитический процесс «проектирование структуры — кодирование и насыщение — связывание с молекулами-маркерами — декодирование и детектирование».

Рис. 5. Схема проектирования и применения микросфер с флуоресцентным кодированием на основе квантовых точек CdSe

VI. Направления исследований на следующем этапе

На следующем этапе будет создана полная цепочка оценки, охватывающая «характеристики светоизлучающих элементов — загрузку микросфер — сигнал отдельной микросферы — кодированное разделение — применение в детектировании». Во-первых, будет продолжена оптимизация условий роста ядро-оболочечных CdSe/ZnS, с целью повышения квантового выхода при одновременном контроле ширины полупика фотолюминесценции и повышении межпартийной воспроизводимости; во-вторых, будет систематически установлена количественная зависимость между дозой квантовых точек и размером микросфер, их морфологией, интенсивностью флуоресценции отдельных микросфер и коэффициентом вариации, а также будет выбран оптимальный диапазон наполнения, обеспечивающий баланс между сферичностью и интенсивностью сигнала; Далее проводится верификация с помощью флуоресцентной визуализации или проточной цитофлуориметрии микросфер с кодировкой разных цветов и уровней интенсивности, а также дополняются данные по светостойкости, стабильности при хранении и межпартийной согласованности. В конечном итоге формируется стандартизированный материал флуоресцентных кодированных микросфер на основе квантовых точек CdSe и система оценки, пригодные для мультиплексного анализа.

Предыдущий Следующий

Последние новости