Codifica della luminescenza di microsfere polimeriche con coloranti organici e punti quantici semiconduttori durante la polimerizzazione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12061 (2022) Citare questo articolo

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Le microsfere codificate con luminescenza sono strumenti importanti per molte applicazioni nelle scienze della vita e dei materiali che utilizzano il rilevamento della luminescenza nonché strategie di multiplexing e codici a barre. La preparazione di tali perle spesso comporta la colorazione di perle prefabbricate con luminofori molecolari utilizzando semplici procedure di rigonfiamento o funzionalizzazione superficiale con tecniche strato per strato (LbL). In alternativa, questi luminofori vengono incorporati stericamente durante la reazione di polimerizzazione ottenendo le perle polimeriche. Le proprietà ottiche favorevoli dei punti quantici semiconduttori (QD), che presentano bande di emissione strette ampiamente eccitabili, regolabili in base alle dimensioni e una bassa sensibilità al fotosbiancamento, hanno innescato la preparazione di sfere colorate con QD. Tuttavia, la natura colloidale e la chimica superficiale di questi QD, che controlla in gran parte le loro proprietà di luminescenza, introducono nuove sfide nella codifica delle sfere che sono state valutate a malapena in modo sistematico. Per stabilire un approccio diretto per la codifica delle sfere con QD con perdita minima di luminescenza, abbiamo valutato sistematicamente l'incorporazione di QD CdSe/CdS-core/shell-QD stabilizzati con acido oleico/oleilammina in microsfere di polistirene (PS) di dimensioni 0,5–2,5 µm mediante una semplice sintesi di polimerizzazione in dispersione che è stata prima ottimizzata con il colorante organico Nile Red. I parametri affrontati per la preparazione di sfere codificate con luminoforo includono l'uso di un ligando compatibile con i polimeri come benzildimetilottadecilammonio cloruro (OBDAC) per i QD e la reticolazione per prevenire perdite di luminoforo. Le proprietà fisico-chimiche e ottiche delle perle risultanti sono state studiate con microscopia elettronica, diffusione dinamica della luce, spettroscopia ottica e microscopia a fluorescenza. Come misure per la qualità delle perline sono state utilizzate la distribuzione delle dimensioni delle particelle, la resa quantica della fluorescenza dei QD incapsulati e la stabilità delle perdite di QD. La procedura di codifica ottimizzata derivata consente la preparazione riproducibile di microsfere PS luminose codificate con coloranti organici e con CdSe/CdS-QD. Sebbene queste sfere mostrino una resa quantica di fotoluminescenza ridotta rispetto alle QD inizialmente molto fortemente luminescenti, con valori di circa il 35%, la loro resa quantica di fotoluminescenza è tuttavia ancora moderata.

Negli ultimi decenni le sfere polimeriche luminescenti, codificate con luminofori molecolari o su scala nanometrica, sono state sempre più impiegate nelle scienze della vita e dei materiali in combinazione con la spettroscopia di fluorescenza, la microfluorescenza, la microscopia a fluorescenza e la citometria a flusso. Tali particelle sono spesso dotate di gruppi funzionali superficiali a cui possono essere attaccate parti di riconoscimento come proteine ​​e anticorpi o coloranti sensibili all'analita1,2. Ciò apre la strada a molte applicazioni diverse tra cui (bio)imaging, test biomedici e rilevamento chimico3,4,5,6,7,8. Mentre le nanosfere di polimeri luminescenti vengono spesso impiegate per l'etichettatura cellulare e le piattaforme di analisi, comunemente le microsfere più grandi vengono utilizzate per test biologici basati su microsfere e schemi di multiplexing spettrale8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ,20,21, utilizzando la codifica a colori o recentemente anche la codifica a vita22, in combinazione con la citometria a flusso o la microscopia a fluorescenza. Qui, il colore della luminescenza o la durata delle sfere portanti codificate viene utilizzato come codice identificativo per la chimica della superficie delle sfere e il bersaglio catturato successivamente legato alle sfere viene quindi quantificato con l'aiuto di un'ulteriore etichetta fluorescente distinguibile spettralmente. Le sfere codificate di dimensioni nanometriche e micrometriche possono essere utilizzate anche per applicazioni di sicurezza, anticontraffazione e autenticazione e per codici stampati23,24,25.

Un approccio comune alla codifica della luminescenza delle sfere polimeriche prevede il rigonfiamento di sfere di polistirene (PS) o polimetilmetacrilato (PMMA) prefabbricate mediante l'aggiunta di un solvente organico apolare contenente luminofori, che consente ai luminofori di permeare la matrice delle sfere26,27,28. Tali procedure sono state utilizzate, ad esempio, per la fabbricazione di perline con diverse funzionalità superficiali, che vengono applicate come supporti per piattaforme basate su perline5. In alternativa, è possibile eseguire il rivestimento strato per strato di perle prefabbricate. Questo approccio versatile prevede la deposizione passo passo di strati di polielettroliti con carica opposta contenenti nanocristalli come punti quantici colloidali semiconduttori (QD) o coloranti organici29,30,31,32. In tal modo, si ottiene solo la colorazione superficiale e la chimica superficiale delle perline di conseguenza alterata può imporre sfide alle successive fasi di bioconiugazione. Un altro metodo è l'incorporazione del luminoforo durante la reazione di polimerizzazione, sia per coloranti organici33,34,35,36 che per diversi nanocristalli13,37,38,39,40,41,42,43. Qui il composto luminescente viene sciolto o disperso nella soluzione monomerica oppure aggiunto alla miscela di reazione. Questa procedura può fornire una distribuzione omogenea del luminoforo all'interno delle sfere, ma richiede emettitori sufficientemente stabili con un'adeguata solubilità o disperdibilità che possano sopravvivere alle condizioni di polimerizzazione occasionalmente dure44.