通过TPPS4诱导解聚恢复老化CdSe/ZnS-Cys量子点发光性能

摘要

量子点（QDs）因窄可调发射和高光稳定性，在生物医学成像和光动力疗法应用日益广泛。然而，半胱氨酸包覆CdSe/ZnS QDs水介质长期储存典型导致聚集，致使量子产率（QY）下降和荧光寿命缩短。本研究证实，向老化QD溶液添加中-四(对-磺基苯基)卟啉（TPPS₄）触发解聚，将QY恢复至新制备样品水平。时间分辨荧光显示恢复主要由壳层相关发射成分再现驱动。研究提供简单分子策略复苏老化QDs，对生物成像和诊断持续性能有重要意义。

研究背景

胶体半导体纳米晶体即量子点，结合强宽带吸收、窄尺寸依赖光致发光、优异热光稳定性，适用医学成像至太阳能燃料等广泛应用[1,2]。QD表面有机配体功能化增强水溶性、降低细胞毒性、赋予生物相容性，实现细胞结构靶向标记[8]。QD高强度窄发射带也作为光敏剂（PS）高效光天线，提升光动力疗法（PDT）中光能捕获和PS激活效率[7,11]。因此QD-PS杂化体系成荧光诊断（FD）和光化疗（PCT）研究热点[9,10]。

半胱氨酸包覆CdSe/ZnS QDs（QD-Cys）因小水动力学尺寸（~3 nm核直径）、高光致发光QY（~0.75）、低非特异性吸附[12,13]特别吸引人。合成卟啉中-四(对-磺基苯基)卟啉（TPPS₄）为水溶、无毒光敏剂，已临床PDT试验[14,15]。先前工作显示TPPS₄与QDs间能量或电荷转移通常猝灭QD发射[16]，QDs通过静电或氢键聚集也能自猝灭荧光[17]。本文首次报道TPPS₄通过促进解聚反而增强老化QDs发光。

实验部分

(CdSe/ZnS)-Cys量子点制备

CdSe/ZnS核壳QDs（~3.0 mg）按改良流程[18]合成：热注入法生长CdSe核，随后ZnS壳外延。引入半胱氨酸配体：疏水QDs经三次氯仿/甲醇洗涤纯化，重分散氯仿（1.0 mL）。滴加DL-半胱氨酸（30 mg/mL，200 mL）于甲醇中，剧烈混合，离心（10,000 rpm，5 min）除去多余溶剂。后续甲醇洗涤（16,000 rpm，10 min，3×）除去游离半胱氨酸，QD沉淀真空干燥，1 M NaOH中重分散于Milli-Q水，0.02 μm注射器滤膜（Anotop 25 Plus，Whatman）过滤。

卟啉+(CdSe/ZnS)-Cys QD样品制备

TPPS₄（Midcentury Chemicals，USA）开瓶即用。磷酸缓冲液（pH 7.3，7.5 mM）配制实验溶液。老化QDs（276 K储存3个月）不稀释加入140 μM TPPS₄母液等分试。对照实验等体积缓冲液替代。所有测量297 K进行。

TPPS₄浓度按515 nm吸光度监测（ε_{515 nm}=1.3×10⁴ M⁻¹ cm⁻¹[19]）。老化QD浓度按第一激子峰520 nm用Yu经验关系（ε=5857 D^2.65）计算，D由多项式拟合得出（式1）。λ=520 nm时D=2.6 nm，ε=7.4×10⁴ M⁻¹ cm⁻¹。

仪器

吸收光谱用Beckman Coulter DU640分光光度计记录。稳态光致发光用Hitachi F-7000分光荧光计测定（λ_ex=480 nm，λ_em=558 nm）。老化QD QY用相对法测定，以C12-NBD-PC（乙醇中QY=0.34）为标准[21-23]，按式（2）计算。

时间相关单光子计数装置获取衰减曲线：Tsunami 3950钛宝石激光器（8 MHz，480 nm二次谐波）耦合Edinburgh FL900光谱仪和制冷Hamamatsu R3809U微通道板光电倍增管。仪器响应函数（≈100 ps FWHM）提供12 ps时间分辨率。OriginPro9拟合衰减数据，用简化χ²和残差分析评估拟合优度。

动态光散射（NanoBrook 90Plus）640 nm激发、40 mW HeNe激光测定水动力学直径。

结果与讨论

新合成(CdSe/ZnS)-Cys QDs显示558 nm尖锐发射峰（Fig. 1黑），QY=0.75[13,24,25]。276 K储存3个月后，发射蓝移至556 nm、展宽、不对称，QY降至0.23±0.03（Fig. 1红）。

向老化QD溶液加入TPPS₄产生显著发光恢复，QY升至0.75±0.08（Fig. 2a插图）。发射带变对称，红移达559 nm，匹配新鲜QD光谱。三指数衰减拟合（式3）时间分辨测量。最快分量（≈100 ps）对应散射激发光。中间（τ₂）和长（τ₃）分量分别关联核和壳复合，老化QDs中显著缩短，TPPS₄加入后恢复（表1）。壳层发射相对贡献（I₃，式4）随TPPS₄浓度增加并与QY趋势平行，指示壳层相关发射主要恢复。

观察到增强不能归因于TPPS₄反向能量转移（其荧光>600 nm）或Förster共振能量转移（FRET），因TPPS₄在激发波长处吸收可忽略且混合物中吸收光谱不变。数据支持解聚机制：老化QDs储存中聚集降低QY；TPPS₄结合增加净负表面电荷，增强静电排斥驱动颗粒分离（Scheme 1）。相互作用由π共轭卟啉核心介导，其高亲和力结合金属表面，克服磺酸盐与负电QD表面间静电排斥。

估算2.6 nm QD表面积（≈145 nm²）显示覆盖整个表面需~80个TPPS₄分子。然而QY和I₃在~2 μM TPPS₄（≈每QD 4分子）饱和，暗示少数结合卟啉足以触发显著排斥。计算电荷密度（σ）确认：单独QD σ_QD=-0.25 mV/nm²，结合4个TPPS₄分子QD σ_QD+TPPS4=-1.29 mV/nm²，增强5倍以上，排斥力增强>25倍。

稀释老化QD溶液同样增加QY和I₃（Fig. 4），与聚集假设一致。动态光散射显示老化QDs水动力学直径330±170 nm，稀释后收缩至25±6 nm，直接证实解聚。

未来工作将探究TPPS₄能否预防性稳定新制备QDs低温储存，潜在延长生物医学应用保质期。

结论

CdSe/ZnS-Cys QDs水介质长期储存诱导聚集，降低量子产率和荧光寿命。引入TPPS₄通过增强表面负电荷解聚老化QDs，将QY和壳层相关发射恢复至新鲜样品水平。稀释同样观察到解聚效应，凸显粒子间静电作用角色。结果提供复苏老化QDs实用策略，增强其持续生物成像和荧光诊断适用性，同时提供减小粒径改善细胞摄取途径。

缩略语

C12-NBD-PC：

1-棕榈酰-2-(12-[N-(7-硝基苯并-2-恶唑-1,3-二氮-4-基)氨基]十二酰基)-sn-甘油-3-磷酸胆碱

FD：

荧光诊断

FP：

荧光探针

FWHM：

半峰全宽

PCT：

光化疗

PDT：

光动力疗法

PS：

光敏剂

QD：

量子点

QD-Cys：

半胱氨酸包覆QD

QY：

量子产率

TOPO：

三正辛基膦氧化物

TPPS₄：

中-四(对-磺基苯基)卟啉