CdTe量子點(diǎn)與羅丹明6G熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的構(gòu)建及機(jī)理研究

茶文麗， 席建偉， 吳正俊， 姜麗麗， 梁建功， 陸冬蓮*

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢 430070)

熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)是一種非輻射能量躍遷，通過分子間的電偶極相互作用，處于激發(fā)態(tài)的供體將能量轉(zhuǎn)移到受體激發(fā)態(tài)的過程。能量轉(zhuǎn)移的效率與供體的發(fā)射光譜和受體的吸收光譜的重疊程度、供體與受體之間的距離、供體與受體的躍遷偶極的相對取向等因素有關(guān)。目前，F(xiàn)RET技術(shù)已應(yīng)用于無機(jī)離子的測定[1]、葡萄糖的測定[2]、蛋白質(zhì)的分析[3]以及藥物殘留分析[4]等諸多研究領(lǐng)域。量子點(diǎn)(QDs)作為一種新型熒光納米材料，由于其具有熒光量子產(chǎn)率高、激發(fā)光譜寬、發(fā)射光譜窄、發(fā)射波長可調(diào)、抗光漂白等良好的光學(xué)特性，已逐步取代了傳統(tǒng)的熒光染料，作為一種新的FRET供體廣泛應(yīng)用于共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)[5 - 8]。研究表明，量子點(diǎn)不僅可以作為FRET供體，也可以作為FRET受體，目前同時使用量子點(diǎn)作為FRET供體和受體的研究報道還比較少[9 - 11]。

供體及受體的發(fā)光波長對FRET效率具有重要的影響。本文在合成不同尺寸的水溶性CdTe QDs的基礎(chǔ)上，分別以CdTe QDs作為供體或受體，研究了量子點(diǎn)尺寸對CdTe-羅丹明6G(R6G)之間FRET的影響，優(yōu)化了相關(guān)條件，構(gòu)建了CdTe QDs-R6G -CdTe QDs的三元FRET體系，并探討了FRET轉(zhuǎn)移機(jī)理。研究結(jié)果對于構(gòu)建新的量子點(diǎn)FRET體系及相關(guān)應(yīng)用具有一定的參考價值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Evolution300紫外-可見分光光度計(美國，Thermo Nicolet公司)；LS-55熒光分光光度計(美國，Perkin Elmer公司)；pHS-3C精密酸度計(上海精密科學(xué)儀器有限公司)；Nano-ZS90納米粒度及電位分析儀(英國，Malvern公司)。

氯化鎘、無水亞碲酸鈉、巰基乙酸(TGA)和羅丹明6G(R6G)，均為分析純(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；0.2 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH=7.4)；Milli-Q超純水(18.25 MΩ·cm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1CdTeQDs的合成及表征無N2保護(hù)下油浴加熱(95～115 ℃)，調(diào)節(jié)pH=10～12,合成熒光發(fā)射波長在505～530 nm和580～610 nm間不同尺寸的CdTe QDs。用紫外-可見分光光度計、熒光光度計和納米粒度及電位分析儀對量子點(diǎn)進(jìn)行表征。量子點(diǎn)的尺寸和濃度計算方法[12]:D=(9.8127×10-7)λ3-(1.7147×10-3)λ2+(1.0064)λ-(194.84)。其中λ為CdTe QDs的紫外吸收波長，D為CdTe QDs的直徑，單位均為nm。利用Q=QR(I/IR)(AR/A)計算量子產(chǎn)率(QR=95%)。其中QR代表R6G的量子產(chǎn)率為95%，IR為R6G的吸收峰的積分面積，AR為R6G的吸光度，A為CdTe QDs的吸光度。

1.2.2量子點(diǎn)與羅丹明6G之間FRET研究在10.0 mL比色管中，用PBS配制CdTe QDs溶液，依次加入R6G溶液，將熒光發(fā)射波長為505～530 nm每間隔5 nm的量子點(diǎn)依次與R6G混合，并測定其熒光光譜(測定條件:激發(fā)波長390 nm；入射狹縫10.0 nm；出射狹縫5.0 nm)。同理，將熒光發(fā)射波長為580～610 nm每間隔5 nm的量子點(diǎn)與R6G構(gòu)建FRET體系。按E=1-(FDA/FD)關(guān)系式計算出FRET體系FRET效率[13]。其中FDA為受體存在時供體的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)D為受體不存在時供體的熒光強(qiáng)度。

1.2.3CdTeQDs(λ1)-羅丹明6G-CdTeQDs(λ2)三元FRET體系構(gòu)建以熒光發(fā)射波長λ1的 CdTe QDs(λ1=515 nm)和R6G構(gòu)建FRET體系中轉(zhuǎn)移效率最高的組合配制溶液，再依次加入熒光發(fā)射波長λ2的CdTe QDs溶液(λ2=605 nm)并測定其熒光光譜(測定條件同上)，計算轉(zhuǎn)移效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 CdTe QDs的合成及表征

合成不同尺寸的CdTe QDs并進(jìn)行表征，依據(jù)文獻(xiàn)報道的方法，計算出CdTe QDs的尺寸約為1～3 nm。用粒度分析儀測量CdTe QDs的粒度分布情況(圖1),由圖可以看出CdTe QDs的粒徑分布比較均勻，多數(shù)分布在1～4 nm，均小于5 nm。該結(jié)果表明合成的CdTe QDs為分布均勻的納米級粒子，且發(fā)射波長為580 nm的CdTe QDs比505 nm的CdTe QDs粒徑稍大。圖2表明熒光發(fā)射波長515 nm和605 nm的CdTe QDs與R6G的熒光發(fā)射有很大程度重疊；圖3表明其紫外-可見吸收光譜也有一定程度的重疊。這是滿足發(fā)生FRET的必要條件。

圖1 CdTe QDs的粒徑分布圖 Fig.1 Particle size distribution of CdTe QDs

圖2 PBS中R6G與CdTe QDs的發(fā)射光譜Fig.2 Emission spectra of R6G and CdTe QDs in PBS a.CdTe QDs(515 nm);b.R6G;c.CdTe QDs(605 nm).

圖3 PBS中CdTe QDs與R6G紫外-可見吸收光譜Fig.3 UV-Vis spectra of CdTe QDs and R6G in PBS a.CdTe QDs;b.R6G.

2.2 CdTe QDs與R6G之間的FRET

以不同尺寸CdTe QDs與R6G的紫外-可見吸收峰和熒光發(fā)射均能有效重疊為前提，在PBS中構(gòu)建以CdTe QDs為供體R6G為受體的FRET體系。實(shí)驗(yàn)表明CdTe QDs熒光發(fā)射波長從505～530 nm每隔5 nm依次與R6G都能發(fā)生FRET。在CdTe QDs溶液中加入R6G后，CdTe QDs的熒光強(qiáng)度下降，R6G的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)(圖4)。原因可能是CdTe QDs表面修飾基團(tuán)上的羧基與R6G分子上的氨基發(fā)生相互作用，使供、受體之間的距離能夠滿足發(fā)生FRET的條件。隨著R6G/CdTe QDs摩爾比的增加熒光強(qiáng)度不斷發(fā)生變化，這是因?yàn)樵黾咏咏鼏蝹€供體表面的受體分子個數(shù)能夠提高體系的FRET效率[14]。通過計算轉(zhuǎn)移效率發(fā)現(xiàn)當(dāng)量子點(diǎn)熒光發(fā)射波長為515 nm時轉(zhuǎn)移效率最高達(dá)到了58.5%(表1)。同理以R6G為供體CdTe QDs為受體構(gòu)建FRET體系，R6G溶液中加入CdTe QDs后，R6G熒光強(qiáng)度下降，CdTe QDs熒光強(qiáng)度增大，這表明量子點(diǎn)與R6G之間發(fā)生了FRET(圖5)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熒光發(fā)射波長為605 nm時轉(zhuǎn)移效率較高為49.4%。

圖4 PBS中CdTe QDs與R6G的熒光共振能量轉(zhuǎn)移Fig.4 The FRET between CdTe QDs and R6G in PBS The concentrations of R6G were(a)0.0 mol/L,(b)6.7×10-8 mol/L,(c)1.3×10-7 mol/L,(d)2.0×10-7 mol/L,(e)2.7×10-7 mol/L,(f)3.3×10-7 mol/L,(g)4.0×10-7 mol/L,(h) 4.6×10-7 mol/L,(i)5.3×10-7 mol/L,(j)6.7×10-7 mol/L,(k)7.3×10-7 mol/L,(l)7.9×10-7 mol/L,respectively.

圖5 PBS中R6G與CdTe QDs熒光共振能量轉(zhuǎn)移 Fig.5 The FRET between R6G and CdTe QDs in PBS The concentrations of CdTe-QDs were(a) 0.0 mol/L,(b) 1.8×10-8 mol/L,(c) 2.6×10-8 mol/L,(d)3.1×10-8 mol/L,(e) 5.3×10-8 mol/L,(f)6.7×10-8 mol/L,(g)8.0×10-8 mol/L,(h)9.3×10-8 mol/L,respectively.

λem505510515520525530D(nm)1.01.11.22.02.12.2QY(%)38.536.3 40.645.139.040.7E(%)39.743.158.547.835.220.1

圖6 PBS中CdTe QDs(λ1)-R6G-CdTe QDs(λ2)的熒光共振能量轉(zhuǎn)移Fig.6 The FRET between CdTe QDs(λ1)-R6G and CdTe QDs(λ2) in PBS The concentrations of CdTe QDs(λ2)were(a) 0.0 mol/L,(b)1.9×10-8 mol/L,(c)3.0×10-8 mol/L,(d) 4.0×10-8 mol/L,(e) 5.3×10-8 mol/L,(f) 6.7×10-8 mol/L,(g) 8.0×10-8 mol/L,(h)9.0×10-8 mol/L,respectively.

2.3 CdTe QDs(λ1)-R6G-CdTe QDs(λ2)三元FRET體系構(gòu)建

在CdTe QDs(λ1)-R6G高效FRET體系的溶液中加入CdTe QDs(λ2)，隨著CdTe QDs(λ2)的加入，CdTe QDs(λ1)和R6G熒光強(qiáng)度降低而CdTe QDs(λ2)熒光強(qiáng)度增加，構(gòu)建三元的雙FRET體系(圖6)。

在優(yōu)選的CdTe QDs(λ1)-R6G轉(zhuǎn)移體系中加入與R6G同樣能發(fā)生轉(zhuǎn)移的CdTe QDs(λ2)，再次發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移。這可能是R6G本身的物質(zhì)特性既能作為受體又能作為供體，滿足發(fā)生FRET條件時不僅通過羧基與氨基的作用，可能還存在其他形式的作用再次實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。

3 結(jié)論

合成了以巰基乙酸為穩(wěn)定劑的水溶性CdTe QDs，研究了不同尺寸CdTe QDs與R6G的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的構(gòu)建及機(jī)理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)發(fā)射波長為515 nm的 QDs與R6G能量轉(zhuǎn)移效率最高為58.5%；以R6G為供體長波長，CdTe QDs為受體構(gòu)建能量轉(zhuǎn)移體系發(fā)現(xiàn) QDs發(fā)射波長為605 nm時轉(zhuǎn)移效率為49.4%?；趦蓚€波段內(nèi)的 QDs都能與R6G發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，成功構(gòu)建CdTe QDs(λ1)-R6G-CdTe QDs(λ2)三元雙熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系。研究結(jié)果對建立新的FRET分析體系具有一定的參考價值。