Codificação de luminescência de microesferas poliméricas com corantes orgânicos e pontos quânticos semicondutores durante a polimerização

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 12061 (2022) Citar este artigo

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Microesferas codificadas por luminescência são ferramentas importantes para muitas aplicações nas ciências da vida e dos materiais que utilizam detecção de luminescência, bem como estratégias de multiplexação e código de barras. A preparação de tais esferas envolve frequentemente a coloração de esferas pré-fabricadas com luminóforos moleculares utilizando procedimentos simples de inchaço ou funcionalização de superfície com técnicas camada por camada (LbL). Alternativamente, estes luminóforos são incorporados estericamente durante a reação de polimerização produzindo as esferas de polímero. As propriedades ópticas favoráveis ​​dos pontos quânticos semicondutores (QDs), que apresentam bandas de emissão estreitas, amplamente excitáveis, ajustáveis ​​por tamanho e baixa sensibilidade ao fotobranqueamento, desencadearam a preparação de esferas coradas com QDs. No entanto, a natureza coloidal e a química da superfície destes QDs, que controla em grande parte as suas propriedades de luminescência, introduzem novos desafios à codificação de esferas que mal foram avaliados sistematicamente. Para estabelecer uma abordagem direta para a codificação de esferas com QDs com perda minimizada de luminescência, avaliamos sistematicamente a incorporação de CdSe/CdS-core/shell-QDs estabilizados com ácido oleico/oleilamina em microesferas de poliestireno (PS) de tamanho de 0,5–2,5 µm por uma síntese simples de polimerização em dispersão que foi otimizada pela primeira vez com o corante orgânico Nile Red. Os parâmetros abordados para a preparação de esferas codificadas por luminóforos incluem o uso de um ligante compatível com polímero, como cloreto de benzildimetiloctadecilamónio (OBDAC) para os QDs, e reticulação para evitar vazamento de luminóforos. As propriedades físico-químicas e ópticas das esferas resultantes foram investigadas com microscopia eletrônica, espalhamento dinâmico de luz, espectroscopia óptica e microscopia de fluorescência. A distribuição do tamanho de partícula, o rendimento quântico de fluorescência dos QDs encapsulados e a estabilidade de vazamento de QD foram usados ​​como medidas para a qualidade do cordão. O procedimento de codificação de esferas otimizado derivado permite a preparação reproduzível de microesferas PS brilhantes codificadas com corantes orgânicos, bem como com CdSe/CdS-QDs. Embora estas esferas apresentem um rendimento quântico de fotoluminescência reduzido em comparação com os QDs inicialmente muito fortemente luminescentes, com valores de cerca de 35%, o seu rendimento quântico de fotoluminescência é, no entanto, ainda moderado.

Grânulos de polímero luminescentes, codificados com luminóforos moleculares ou em nanoescala, têm sido cada vez mais empregados nas ciências da vida e dos materiais nas últimas décadas em conjunto com espectroscopia de fluorescência, microfluorometria, microscopia de fluorescência e citometria de fluxo. Tais partículas são frequentemente equipadas com grupos funcionais de superfície aos quais podem ser ligadas porções de reconhecimento, como proteínas e anticorpos ou corantes responsivos ao analito . Isso abre muitas aplicações diferentes, incluindo (bio)imagem, ensaios biomédicos e detecção química3,4,5,6,7,8. Embora as nanoesferas de polímero luminescentes sejam frequentemente empregadas para rotulagem celular e plataformas de ensaio, geralmente microesferas maiores são usadas para bioensaios baseados em esferas e esquemas de multiplexação espectral . ,20,21, utilizando codificação de cores ou recentemente também codificação vitalícia22, em conjunto com citometria de fluxo ou microscopia de fluorescência. Aqui, a cor de luminescência ou a vida útil dos grânulos transportadores codificados é utilizada como um código de identificação para a química da superfície do grânulo e o alvo capturado subsequentemente ligado ao grânulo é então quantificado com a ajuda de um rótulo fluorescente espectralmente distinguível adicional. Grânulos codificados de tamanho nanométrico e micrométrico também podem ser utilizados para aplicações de segurança, antifalsificação e autenticação e códigos impressos23,24,25.

Uma abordagem comum para a codificação de luminescência de esferas poliméricas apresenta o inchaço de esferas pré-fabricadas de poliestireno (PS) ou polimetilmetacrilato (PMMA) pela adição de um solvente orgânico apolar contendo luminóforos, o que permite que os luminóforos permeiem a matriz das esferas . Tais procedimentos têm sido utilizados, por exemplo, para a fabricação de esferas com diferentes funcionalidades de superfície, que são aplicadas como transportadores para plataformas baseadas em esferas5. Alternativamente, pode ser realizado o revestimento camada por camada de esferas pré-fabricadas. Esta abordagem versátil envolve a deposição passo a passo de camadas de polieletrólitos de carga oposta contendo nanocristais, como pontos quânticos semicondutores coloidais (QDs) ou corantes orgânicos . Assim, apenas a coloração da superfície é conseguida e a química da superfície do grânulo alterada em conformidade pode impor desafios nas etapas subsequentes de bioconjugação. Outro método é a incorporação do luminóforo durante a reação de polimerização, tanto para corantes orgânicos33,34,35,36 quanto para diferentes nanocristais13,37,38,39,40,41,42,43. Aqui, o composto luminescente é dissolvido ou disperso na solução de monômero ou adicionado à mistura de reação. Este procedimento pode fornecer uma distribuição homogênea de luminóforos dentro dos grânulos, mas requer emissores suficientemente estáveis ​​com uma solubilidade ou dispersibilidade adequada que possam sobreviver às condições ocasionalmente severas de polimerização .