雙熒光自組裝多層膜的構(gòu)建及其性能

胡蘋,孫向英,柯培林

(華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,福建泉州 362021)

雙熒光自組裝多層膜的構(gòu)建及其性能

胡蘋,孫向英,柯培林

(華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,福建泉州 362021)

以吖啶橙單體(AO)為熒光探針,Cd Te量子點(diǎn)為參比物,利用層層組裝技術(shù)構(gòu)建AO和Cd Te量子點(diǎn)雙熒光自組裝多層膜,并考察其組裝條件.研究結(jié)果表明,Cd Te濃度為8.33 mmol·L-1,殼聚糖質(zhì)量濃度為1.0 g·L-1,AO組裝液濃度為10μmol·L-1的組裝效果最佳.通過雙熒光自組裝多層膜的自動(dòng)校準(zhǔn)能力測試,所構(gòu)建的自組裝膜雙熒光強(qiáng)度比(AO和Cd Te的熒光強(qiáng)度比)不隨外界環(huán)境的變化而變化.

自組裝;多層膜;雙熒光;吖啶橙;Cd Te

在微環(huán)境中,探針分子信號(hào)會(huì)隨時(shí)間的變化而衰減,而光漂白、儀器的誤差也會(huì)對其產(chǎn)生影響[1-2].這就需要建立一種新的方法,在得到分析物的響應(yīng)信號(hào)的同時(shí),還需要另外一個(gè)信號(hào)來補(bǔ)償其他環(huán)境因素對熒光信號(hào)造成的干擾.量子點(diǎn)具有很寬的激發(fā)光波長范圍和發(fā)光波長范圍,其優(yōu)異的發(fā)光性能可用于構(gòu)建雙熒光傳感器[3-4].通過調(diào)節(jié)不同的尺寸[5-6],可以獲得不同發(fā)射波長的量子點(diǎn).自組裝膜(SAM s)是構(gòu)膜分子通過分子間及其基體材料間的物理化學(xué)作用,自發(fā)形成的一種熱力學(xué)穩(wěn)定且排列規(guī)則的單層分子膜.由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、易控制,以及制備相對容易等特點(diǎn),引起了人們極大的興趣.文獻(xiàn)[7-8]基于自組裝技術(shù),所構(gòu)建的界面熒光傳感膜具有強(qiáng)的熒光信號(hào),較之于純?nèi)芤合喾治?可將分析的靈敏度提高數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí),為構(gòu)建熒光內(nèi)標(biāo)提供了極大的方便.本文采用靜電吸引的自組裝技術(shù),構(gòu)建了以Cd Te量子點(diǎn)為內(nèi)標(biāo)、吖啶橙(AO)單體為熒光探針的雙熒光自組裝多層膜.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

(1)儀器.Cary Eclipse熒光分光光度計(jì)(美國Varian公司),TCS SP-5型激光共聚焦熒光顯微鏡(德國Lecia公司).(2)試劑.CdCl2·2.5H2O,巰基乙酸(TGA,中國醫(yī)藥(集團(tuán))化學(xué)試劑有限公司);吖啶橙,γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(APES,中國醫(yī)藥上?；瘜W(xué)試劑有限公司);聚苯乙烯磺酸鈉(PSS,美國Acros Organics公司);殼聚糖(CS,浙江玉環(huán)縣化工廠);NaOH(廣東汕頭市西隴化工廠有限公司).實(shí)驗(yàn)用水由M illi-Q型超純水系統(tǒng)(美國M illipo re公司)提供.

1.2 CdTe量子點(diǎn)的制備

將4 mmol KBH4和2 mmol Te粉加入10 mL超純水,反應(yīng)8 h,靜置1 h備用[9].量子點(diǎn)Cd Te參照文獻(xiàn)[10]的方法合成,將4 mmol CdCl2·2.5H2O和10 mmol巰基乙酸溶于100 m L超純水,用1 mo l·L-1NaOH調(diào)節(jié)其p H值至9～10,在高純N2氣保護(hù)、劇烈攪拌下,向上述溶液迅速加入新配制的 KH Te溶液,回流20 h,制得量子點(diǎn)Cd Te,其最大熒光發(fā)射峰位于607 nm,半峰寬為50 nm.

1.3 雙熒光自組裝多層膜的制備

將經(jīng)預(yù)處理的石英基底放入體積分?jǐn)?shù)為4%的APES水溶液中6 h,在基底表面修飾上末端為氨基的單層膜;然后,將硅烷化的石英片(Quartz/APES)浸泡于Cd Te溶液中8 h,取出用二次水沖洗,氮?dú)獯蹈珊?浸泡于p H值為3.8,1.0 g·L-1的殼聚糖溶液中組裝12 h.將組裝有量子點(diǎn)的自組裝膜用二次水清洗后,依次置于1 g·L-1的PSS溶液6 h,10μmol·L-1AO溶液中12 h,即得雙熒光自組裝多層膜(Quartz/APES/ Cd Te/CS/PSS AO自組裝膜).圖1為雙熒光自組裝多層膜的組裝示意圖.

1.4 熒光光譜和熒光顯微鏡表征

在激發(fā)光波長為480 nm,激發(fā)光和反射光光柵均為5 nm時(shí),調(diào)整所組裝的雙熒光自組裝多層膜的位置,使其表面與入射光夾角保持在50°,測定膜的表面熒光光譜.將該膜置于熒光顯微鏡上進(jìn)行熒光顯微表征,觀察膜表面的組裝效果.

圖1 雙熒光自組裝多層膜組裝示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of the dual fluorescence self-assembled multilayer film

2 結(jié)果與結(jié)論

2.1 雙熒光自組裝多層膜組裝條件的選擇

2.1.1 Cd Te量子點(diǎn) 就納米微粒表面所帶電荷的性質(zhì)來說,用巰基乙酸或巰基丙酸修飾的Cd Te納米微粒屬于聚陰離子.量子點(diǎn)通過與陽離子殼聚糖相結(jié)合,利用層狀靜電組裝法可以形成納米顆粒的自組裝膜[11].當(dāng)Cd Te組裝濃度太稀,膜表面的熒光強(qiáng)度較低;當(dāng)Cd Te組裝濃度太大時(shí),組裝分子堆積在一起,不利于在膜表面的有序排列,導(dǎo)致膜表面熒光的猝滅.因此,選用的Cd Te的濃度為8.33 mmol ·L-1(按Cd2+的濃度進(jìn)行計(jì)算).

將硅烷化的石英基底浸泡在Cd Te溶液中并改變浸泡時(shí)間,結(jié)果顯示浸泡8 h的組裝效果最佳.

2.1.2 殼聚糖 殼聚糖(CS)是一種弱堿性高分子,也是迄今發(fā)現(xiàn)的惟一一種天然堿性多糖.它在一般的溶劑中不易溶解,只能溶于某些稀酸溶液(如醋酸).通過分子的自組裝可以實(shí)現(xiàn)單分子有序排列,但組裝物質(zhì)濃度的選擇非常重要,并且已組裝物質(zhì)的效果很大程度上影響著下一層物質(zhì)的組裝.多次實(shí)驗(yàn)顯示,選擇殼聚糖質(zhì)量濃度為1.0 g·L-1,浸泡12 h左右的組裝效果最佳.

組裝液酸度或堿度太大,都會(huì)對已組裝到膜表面的物質(zhì)造成一定程度的破壞.殼聚糖是通過靜電吸引作用組裝在帶負(fù)電的Cd Te量子點(diǎn)表面上的,故應(yīng)將其p H值調(diào)至3.8左右,使其質(zhì)子化帶正電.

2.1.3 吖啶橙 如果吖啶橙(AO)的濃度過高,AO會(huì)團(tuán)聚形成二聚體或多聚體等物質(zhì)形式,導(dǎo)致熒光猝滅;而若吖啶橙的濃度太低,會(huì)使所制備的膜熒光強(qiáng)度很弱,影響檢測靈敏度.實(shí)驗(yàn)中選用吖啶橙的濃度為10μmol·L-1的AO組裝液進(jìn)行組裝,所得的自組裝膜具有較強(qiáng)的熒光信號(hào).

將制備的雙熒光自組裝多層膜浸泡在熒光試劑AO溶液中并改變浸泡時(shí)間,結(jié)果顯示浸泡12 h的組裝效果最佳.在p H值為4的鹽酸水溶液中,AO能質(zhì)子化,帶有正電荷,能通過靜電吸引作用組裝到帶負(fù)電荷的自組裝膜表面上.

2.2 雙熒光自組裝多層膜的熒光光譜

用來組裝的液相AO,Cd Te量子點(diǎn)溶液,以及雙熒光自組裝多層膜的熒光光譜,如圖2所示.由圖2表明,雙熒光自組裝多層膜表面可發(fā)射出AO單體和Cd Te特性的熒光光譜,AO發(fā)射波長在528 nm處,相比AO液相中531 nm處,其波長稍微出現(xiàn)藍(lán)移變化.Cd Te量子點(diǎn)熒光峰在597 nm處,相比于溶液相中607 nm處,亦出現(xiàn)了藍(lán)移,這可能是由于熒光物質(zhì)所處微環(huán)境不同所致.

2.3 雙熒光自組裝多層膜的熒光顯微性質(zhì)

將所制備的雙熒光自組裝多層膜在共聚焦熒光顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示.從圖3可以發(fā)現(xiàn),膜的表面呈橙黃色,并有大量分布較均勻的紅色熒光亮點(diǎn).橙黃色熒光是因?yàn)锳O綠色熒光與Cd Te強(qiáng)烈的橙紅色熒光疊加所產(chǎn)生的,而紅色熒光亮點(diǎn)是Cd Te量子點(diǎn)發(fā)光.這表明,Cd Te與AO已依次組裝到石英基底表面,成功制備了雙熒光自組裝多層膜.

2.4 雙熒光自組裝多層膜的自動(dòng)校準(zhǔn)能力

熒光探針的最大特點(diǎn)是,能夠?qū)⑽⒂^的識(shí)別事件或微環(huán)境的變化轉(zhuǎn)變成熒光信號(hào)為外界所感知.因此,所設(shè)計(jì)的傳感器通過加入內(nèi)標(biāo),使其具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能,以削弱外部因素的干擾,提高熒光信號(hào)的性能,增強(qiáng)檢測的準(zhǔn)確性[12-13].

圖2 雙熒光自組裝多層膜的熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectra of the dual fluorescence self-assembled multilayer film

圖3 雙熒光自組裝多層膜的共聚焦熒光顯微圖譜Fig.3 Confocal fluorescence image of the dual fluorescence self-assembled multilayer film

2.4.1 自組裝膜位置

將雙熒光自組裝多層膜置于比色皿中,測定其雙熒光強(qiáng)度;然后,在保證自組裝膜有正常熒光信號(hào)的前提下,調(diào)整玻片的位置,再次測量自組裝膜的熒光,重復(fù)4次,觀察膜位置變化對膜上雙熒光強(qiáng)度I1/I2的影響,如圖4所示.圖4中:I1與I2分別為自組裝膜上AO與Cd Te量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度.

從圖4可知,雖然膜位置移動(dòng)了4次,但其膜的雙熒光強(qiáng)度比(I1/I2)基本沒有變化.表明,此雙熒光傳感器能夠極大地削弱由于玻片位置改變帶來的干擾,提高測量的準(zhǔn)確性.

2.4.2 激發(fā)電壓

將雙熒光自組裝多層膜置于比色皿中,分別在不同激發(fā)電壓下測定自組裝膜的熒光強(qiáng)度,觀察激發(fā)電壓的改變對膜雙熒光強(qiáng)度I1/ I2的影響,如圖5所示.

從圖5可知,隨著激發(fā)電壓的增加,膜上兩個(gè)熒光峰的強(qiáng)度都大幅度的增加,但其強(qiáng)度比卻基本沒有變化.這一現(xiàn)象表明,激發(fā)電壓的變化對I1/I2基本沒有影響,也證明此雙熒光傳感器能夠減少實(shí)驗(yàn)過程中因電源、儀器不穩(wěn)定等因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.

圖4 膜位置對雙熒光自組裝多層膜熒光強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of movement position on the fluo rescence intensity of the dual fluo rescence self-assembled m ultilayer film

圖5 激發(fā)電壓對雙熒光自組裝多層膜熒光強(qiáng)度的影響 Fig.5 Effect of detector voltage on the fluo rescence intensity of the dual fluo rescence self-assembled multilayer film

3 結(jié)束語

雙熒光強(qiáng)度比值與實(shí)驗(yàn)條件波動(dòng)無關(guān),有效地消除了熒光分析中傳感器位置移動(dòng)和生物環(huán)境因素干擾等引起的測定誤差,可極大提高熒光定量分析的準(zhǔn)確度.雙熒光自組裝多層膜的構(gòu)建,為熒光分析提供了一類準(zhǔn)確度高和靈敏度好的新型傳感方法.

[1]EMCHENKO A P.The future of fluo rescence senso r arrays[J].Trends Biotechnol,2005,23(9):456-460.

[2]LA KOW ICZ J R.Princip les of fluorescence spectroscopy[M].New Yo rk:Plenum Perss,1999:237-265.

[3]JA IN R K,L IND R C.Degenerate four-wavemixing in semiconductor-doped glasses[J].JOp t Soc Am,1983,73(5): 647-653.

[4]HORST W.Colloidal semiconducto r Q-particles:Chemistry in the transition region between solid state and molecules[J].Angew Chem Int Ed Engl,1993,32(1):41-53.

[5]SM ITH A M,N IE S.Chemical analysis and cellular iaging with quantum dots[J].Analyst,2004,129(8):672-677.

[6]MURPHYC J.Op tical sensing with quantum dots[J].Anal Chem,2002,74(19):520-526.

[7]SUN Xiang-ying,L IU Bin,W ENGWen-ting,et al.A nobel fluorometric detection of Cu2+based on self-assembled bilayers[J].Talanta,2004,62(5):1035-1040.

[8]L IU Bin,SUN Xiang-ying,HE Fei.Preparation and characterization of a Cu2+chemosenso r based on fluorescent self-assembled sandwich bilayers[J].Thin Solid Film s,2008,516(8):2213-2217.

[9]ZHANG Hao,ZHOU Zhen,YANGBai,et al.The influence of carboxyl grougson the photoluminescence of mercaptocarboxylic acid-stabilized Cd Te nanoparticles[J].J Phys Chem(B),2003,107(1):8-13.

[10]GAO M ing-yuan,KIRSTEIN S,M?HWALD H.Strongly pho toluminescent Cd Te nanocrystals by proper surface modification[J].J Phys Chem(B),1998,102(43):8360-8363.

[11]劉輝,孫向英,周建干.熒光性Cd Te量子點(diǎn)自組裝膜的合成及對Cu2+的界面?zhèn)鞲衃J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,30(5):533-537.

[12]EPSTEIN C B,BUTOW R A.M icroarray technology-enhanced versatility,persistent challenge[J].Curr Opin Biotechnol,2000,11(1):36-41.

[13]LUPPA PB,SOKOLL L J,CHAN D W.Immunosenso rs-p rinciples and app lications to clinical chemistry[J].Clin Chim Acta,2001,314(1):1-26.

(責(zé)任編輯:陳志賢英文審校:陳國華)

Preparation and Characterization Dual Fluorescence Self-Assembled Multilayer Film

HU Ping,SUN Xiang-ying,KE Pei-lin
(College of Material Science and Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

Using fluorescent dye acridine orange(AO)as a fluorescent probe and Cd Te as an internal standard,we assembled AO and Cd Te quantum dots on the surface of silanized quartz respectively.The assembled condition have been discussed.The op timal concentration of Cd Te is 8.33 mmol·L-1,CS is 1.0 g·L-1and AO is 10μmol·L-1.These SAM s can well avoid the disturbance from the environmental factors,such as the power of the equipment,slit ratio,and imp rove the accuracy of fluorescence analysis.

self-assembly;multilayers;dual fluorescence;acridine orange;Cd Te

TP 212.3

A

1000-5013(2011)03-0284-04

2010-05-27

孫向英(1965-),女,教授,主要從事光化學(xué)和電化學(xué)傳感分析的研究.E-mail:sunxy@hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20955001,20575023);福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(D0710017, D0810016);教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)項(xiàng)目(2008年度)