XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

Полупроводниковые нанокристаллы – квантовые точки (КТ), характеризуются малыми размерами (1 – 10 нм), что обуславливает возникновение квантово-размерного эффекта, при котором энергии электронов непосредственно зависят от степени пространственного ограничения их волновых функций. Данное явление позволяет регулировать эффективную ширину запрещённой зоны, а также коэффициент экстинкции, изменяя размер и форму нанокристалла (Рис. 1) [1].

Рис. 1 – Спектры поглощения и флуоресценции CdSe-КТ (длина УФ облучения 380 нм) [2]

Благодаря квантово-размерному эффекту КТ обладают уникальными физико- химическими свойствами, обуславливающими их широкое применение в различных областях, где требуются перестраиваемые оптические свойства (длины волн) – лазеры, солнечные батареи, фотоэлектрические преобразователи, светодиоды, осветительные панели и др. [3, 4]. Также КТ нашли применение в области клинической диагностики и медицины в качестве флуоресцентных меток и фотосенсибилизаторов в составе лекарств для фотодинамической терапии онкологических заболеваний [5, 6].

Для использования в биоанализе КТ должны быть водорастворимы и биосовместимы, а также устойчивы при хранении. Необходимой становится информация о концентрациях КТ в биологических образцах для определения их токсичности и стабильности, степени связывания КТ с целевыми компонентами исследуемых систем. В связи с чем актуальной задачей является разработка быстрых и надёжных методов для проведения качественного и количественного анализа КТ в условиях, способствующих сохранению исходных состава и формы существования определяемых элементов.

Метод капиллярного электрофореза (КЭ) является хорошей альтернативой существующим методам анализа КТ [7, 8]. К преимуществам КЭ относятся высокая эффективность разделения, низкие пределы обнаружения, малый расход реактивов, проста пробоподготовки, надёжная работа капилляра с экономичными водными буферами, отсутствие насосов высокого давления [9].

Целью настоящей работы являлось изучение возможности характеризации и анализа коллоидных систем с КТ различного состава и строения методом КЭ, а также их устойчивости при хранении в водном растворе. В качестве объектов исследования были использованы CdTeSe/CdS/CdZnS/ZnS-КТ покрытые ПТВП (тиол-содержащий сополимер), а также CdTe-КТ.

Экспериментальная часть

Используемое оборудование:

Система капиллярного электрофореза Agilent 7100 с встроенным детектором на диодной матрице (УФ-ДМД) (диапазон длин волн 200 - 800 нм), диаметр кварцевого капилляра 75 мкм, эффективная длина 50 см и общая длина 60 см. Программное обеспечение Agilent ChemStation.

Наносайзер Zetasizer Nano ZS, Malvern Instruments Ltd

Центрифуга MiniSpin, вариант исполнения MiniSpin Plus (Mini spin eppendorf).

Водорастворимость КТ обусловлена наличием внешнего слоя стабилизатора – амфифильных молекул, гидрофильные фрагменты которых взаимодействуют с молекулами растворителя. Примером такого стабилизатора является тиогликолевая кислота (TGA) [10, 11], содержащая карбоксильные группы. Также КТ могут быть покрыты молекулами полимера, обеспечивающих устойчивость КТ и наибольшую интенсивность люминесценции [12].

В методе капиллярного электрофореза движение компонентов исследуемого раствора внутри капилляра осуществляется за счёт их электрофоретической подвижности, которая зависит, в первую очередь, от размера и заряда молекул. Состав и свойства фонового электролита для анализа влияют на форму существования компонентов в пробе, а, следовательно, и на эффективность анализа методом КЭ. Для ионизации поверхности КТ, содержащих карбоксильные группы, необходимо использовать растворы с высоким значением pH.

В качестве фонового электролита был выбран 20 мМ боратный буфер, pH = 9,2. Для промывки кварцевого капилляра использовали 0,5 М раствор гидроксида натрия и 1 М раствор соляной кислоты. Все растворы центрифугировали при 5000 об/мин в течение 5 минут для удаления растворенных газов.

Приготовление ведущего электролита (боратный буфер) с концентрацией 20 мМ

Воронку с бойком устанавливали в горло мерной колбы вместимостью 1 л. Затем дно ампулы фиксанала, С(1/2Na₂B₄O₇ · 10H₂O) = 0,1 Н, разбивали осторожным ударом об острый конец бойка, также пробивали вторым бойком боковое или верхнее углубление ампулы. Содержимое ампулы тщательно вымывали струёй воды в мерную колбу. Вещество в колбе растворяли в дистиллированной воде и доводили объём до метки. Колбу закрывали пробкой и раствор хорошо перемешивали.

Анализ гидрофильных КТ методом капиллярного электрофореза

Для анализа КТ был выбран капиллярный зонный электрофорез (КЗЭ), в котором определяемые вещества разделяются в капилляре, содержащем только буферный раствор без какой-либо противоточной среды. При этом под действием электрического поля заряженные частицы движутся внутри капилляра с разной скоростью, зависящей не только от их заряда, но и от размера частиц. Так для разделения отрицательно заряженный КТ на систему подаётся напряжение положительной полярности (до 30 кВ), под действием которого частицы меньшего размера будут передвигаться быстрее, тогда как более крупные КТ – медленнее. В результате на электрофореграмме будут наблюдаться несколько пиков, соответствующих КТ различного диаметра.

Образцы КТ растворяли в воде, полученные растворы фильтровали через шприцевой фильтр с размером пор 0,45 микрон и центрифугировали (4000 об/мин, 5 минут). Данная процедура необходима для удаления частиц, способных закупорить стенки капилляра, а также дегазации исследуемого раствора во избежание образования пузырьков, мешающих работе детектора.

Непосредственно перед проведением анализа капилляр последовательно промывали деионизированной водой в течение 3 минут, раствором гидроксида натрия в течение 5 минут, деионизированной водой в течение 5 минут и раствором электролита в течение 10 минут. В результате происходила активация внутренних стенок капилляра и в системе устанавливалось равновесие.

Методом КЗЭ были проанализированы очищенные многослойные CdTeSe/CdS/CdZnS/ZnS-КТ покрытые ПТВП (тиол-содержащий сополимер). Значение длины волны для детектирования определяли по спектру поглощения для исследуемых КТ. Спектр поглощения представлен на рисунке 2.

Рис. 2 — Спектр поглощения гидрофильных CdTeSe/CdS/CdZnS/ZnS-КТ с диаметром частиц d = 10 нм

Интенсивное поглощение наблюдается в диапазоне от 210 до 240 нм. Анализ КТ методом КЗЭ проводили при 235 нм. Полученная электрофореграмма гидрофильных CdTeSe/CdS/CdZnS/ZnS-КТ представлена на рисунке 3.

Рис. 3 — Электрофореграмма водного раствора CdTeSe/CdS/CdZnS/ZnS-КТ

Условия анализа КЗЭ: буфер ‑ 20 мМ боратный буфер, pH = 9,2; напряжение – 17 кВ;
детектировании при 235 нм

На электрофореграмме наблюдается узкий пик с временем миграции 13,72 мин, что свидетельствует о монодисперсности наночастиц и их устойчивости в условиях анализа.

В выбранных условиях были проанализированы синтезированные на кафедре CdTe-КТ, покрытые TGA. Идентификацию пиков на электрофореграмме проводили по спектрам поглощения компонентов. Под действием электрического поля иссселуемые CdTe-КТ мигрировали тремя зонами. Для точек малого диаметра время миграции составляло 7,17 мин, второй пик с временем миграции 9,61 мин соответствовал несвязанному стабилизатору, время миграции 17,46 мин, вероятно, соответствовало агрегированным КТ (Рис. 4).

Рис. 4 — Электрофореграмма CdTe-КТ

Условия анализа КЗЭ: 20 мМ боратный буфер, напряжение – 17 кВ; длина волны 220 нм

Наличие в системе стабилизатора и агрегированных квантовых точек, вероятно, свидетельствует о недостаточной очистке или неустойчивости синтезированных КТ в условиях синтеза.

Оценку размерности исследуемых CdTe-КТ проводили методом динамического светорассеяния (ДРС) (Рис. 5). Для проведения эксперимента по ДРС образец КТ растворяли в воде, после чего анализировали полученный раствор. Концентрация образца составляла 5,46∙10^–5 моль/дм³.

Метод ДРС основан на измерении флуктуаций рассеянного лазерного света. Анализ таких флуктуаций интенсивности позволяет определить скорость Броуновского движения частиц в растворе, по которой вычисляется их размер с помощью соотношения Стокса−Эйнштейна [13].

Рис. 5 — Распределение CdTe-КТ по размерам

Приведённая зависимость интенсивности и объёмного распределения для образца данных КТ демонстрирует наличие в водном растворе частиц с диаметром 6 нм и 70 нм. По интенсивности наблюдалось преобладание частиц большого размера в распределении, что можно объяснить процессами агрегации синтезированных КТ.

Выводы

Метод капиллярного электрофореза является хорошей альтернативой существующим методам характеризации и анализа КТ.

В результате различий электрофоретических подвижностей возможно разделение КТ разных диаметров методом капиллярного зонного электрофореза.

В настоящей работе были проанализированы гидрофильные CdTeSe/CdS/CdZnS/ZnS-КТ и CdTe-КТ, на основании полученных данных, были сделаны выводы о размерности и составе исследуемых образцов КТ.

Список используемой литературы

Олейников В.А. Квантовые точки в биологии и медицине // Природа. № 3. — 2010. — С. 22.

Igor L.M., Tetsuo H.U., Goldman E.R., Mattoussi H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing — 2015. — V. 4. — P. 438.

Brichkin S.B., Razumov V.F. Colloidal quantum dots: synthesis, properties and applications // Russian Chemical Reviews. — 2016. — Т. 85. — №. 12. — С. 1306—1308.

Тарасов С.А. Физико-технологические основы создания светоизлучающих и фотоприемных твердотельных приборов с заданными спектрально-энергетическими характеристиками: Диссерт. доктора техн. наук. Санкт-Петербург: СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. — 2016. — C. 326.

Гладышев П.П., Туманов Ю.В. и др. Квантовые точки в протеомных исследованиях и медицинской диагностике // Известия Академии наук. Серия химическая. — 2018. — № 4. — С. 600—604.

Pisanic T.R., Zhang Y. Quantum dots in diagnostics and detection: principles and paradigms // The Royal Society of Chemistry. — 2014. — P. 2970—2971.

Li Y. Q. et al. A highly efficient capillary electrophoresis-based method for size determination of water-soluble CdSe/ZnS core-shell quantum dots // Analytica chimica acta. — 2009. — Vol. 647. — № 2. — P. 219—225.

Pyell U. Characterization of nanoparticles by capillary electromigration separation techniques // Electrophoresis. — 2010. — Vol. 31. — № 5. — P. 814—831.

Комарова Н.В., Каменцев Я.С. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза «Капель» // Санкт-Петербург. — 2008. — C. 15—29.

Zare Y.F., Shokufeh H.K., Reza R., Shahzad F. Novel aspects of application of cadmium telluride quantum dots nanostructures in radiation oncology // Applied Physics A, 123(8). — 2017. — P. 507—516.

Ding L., Peng Z., Shen W., Liu T., Cheng Z., Gauthier M., Liang F. Microwave synthesis of CdTe/TGA quantum dots and their thermodynamic interaction with bovine serum albumin // Journal of Wuhan University of Technology — Mater. Sci. Ed., 31(6), — 2016. — P. 1408—1414.

Liang Y. et al. Synthesis and optimization of CdTe quantum dots with the help of erythorbic acid and ethanol // RSC Advances. — 2014. — Vol. 4. — №. 90. — P. 48967—48972.

Курьяков В. Н. Измерение размеров наночастиц методом динамического рассеяния света // Фундаментальные и прикладные аспекты новых высокоэффективных материалов. — 2013. — С. 94—95.

Код для цитирования: Скопировать