ZnS∶Cu-羅丹明B的熒光共振能量轉(zhuǎn)移性質(zhì)

翟英歌， 楚學(xué)影， 徐銘澤*， 李金華， 金芳軍， 王曉華

(1. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022； 2. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 國(guó)際教育與交流學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

ZnS∶Cu-羅丹明B的熒光共振能量轉(zhuǎn)移性質(zhì)

翟英歌1， 楚學(xué)影1， 徐銘澤1*， 李金華1， 金芳軍1， 王曉華2

(1. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022； 2. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 國(guó)際教育與交流學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

為了解決現(xiàn)有的基于量子點(diǎn)熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的生物毒性問(wèn)題，選用無(wú)毒的ZnS∶Cu量子點(diǎn)與羅丹明B構(gòu)建新型熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系。通過(guò)共沉淀法成功制備了形貌均一的ZnS∶Cu納米晶量子點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，測(cè)試了不同摻雜濃度的ZnS∶Cu量子點(diǎn)及羅丹明B的熒光光譜。然后，通過(guò)對(duì)ZnS∶Cu量子點(diǎn)的表面修飾構(gòu)建了以ZnS∶Cu量子點(diǎn)為供體、羅丹明B為受體的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ZnS∶2%Cu量子點(diǎn)的發(fā)光光譜與羅丹明B的吸收光譜在481 nm處有較大重合，說(shuō)明構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移的最佳銅摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為2%。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)以ZnS∶2%Cu量子點(diǎn)為供體、羅丹明B為受體的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的能量轉(zhuǎn)移效率為25.8%。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，羅丹明B濃度也能夠影響能量轉(zhuǎn)移。

ZnS∶Cu； 羅丹明B； 熒光共振能量轉(zhuǎn)移

1 引 言

熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)現(xiàn)象是發(fā)生在兩個(gè)不同發(fā)光基團(tuán)所構(gòu)成的體系內(nèi)部的一種非輻射能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)供體分子的熒光光譜與受體分子的激發(fā)光譜相重疊時(shí)，供體熒光分子的激發(fā)能誘發(fā)受體分子發(fā)出熒光，同時(shí)供體熒光分子自身的熒光強(qiáng)度衰減的現(xiàn)象即為熒光共振能量轉(zhuǎn)移[1]。熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)是一種高效的光學(xué)分子尺，在免疫分析、核酸檢測(cè)、生物大分子檢測(cè)等方面都有著廣泛的應(yīng)用[2-5]。傳統(tǒng)的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系多是基于熒光染料分子的發(fā)光，它會(huì)受到染料分子的吸收光譜窄、發(fā)射光譜寬、光漂白現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題的制約，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定程度的限制[6]。所以尋找新型的能夠構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的能量供體及受體是一種新的研究思路。近年來(lái)人們廣泛研究的量子點(diǎn)[7]比傳統(tǒng)的有機(jī)染料更加具有優(yōu)勢(shì)，由于量子點(diǎn)的發(fā)射光譜較窄、紅色光譜較多且具有一定的對(duì)稱(chēng)性，使得量子點(diǎn)能夠作為供體更好地滿足熒光共振能量轉(zhuǎn)移條件。所以，量子點(diǎn)在日后探究熒光共振能量轉(zhuǎn)移方面有著廣闊的應(yīng)用前景[8-10]。目前，已有文章報(bào)道了一些基于量子點(diǎn)的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系能夠在免疫測(cè)定、生物醫(yī)學(xué)傳感器等方面應(yīng)用[11-14]。但在量子點(diǎn)的選擇方面多數(shù)采用CdTe、CdSe或稀土摻雜的NaYF4作為能量供體[15-16]，然而Cd2+、Se2-和Te2-等重金屬離子具有生物毒性，對(duì)肺和腎臟都有嚴(yán)重的危害[17]，所以隨著量子點(diǎn)在生物學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用，與此密切相關(guān)的藥物毒性問(wèn)題以及對(duì)人類(lèi)環(huán)境可能產(chǎn)生的污染問(wèn)題都日漸引起研究者的高度重視。

尋找沒(méi)有生物毒性且光學(xué)性質(zhì)較好的量子點(diǎn)來(lái)構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系成為近年來(lái)人們的研究熱點(diǎn)。在眾多可選擇的材料中，寬帶隙直接帶隙半導(dǎo)體ZnS基量子點(diǎn)備受關(guān)注[18-19]。由于它無(wú)生物毒性、晶體結(jié)構(gòu)可調(diào)、發(fā)光波長(zhǎng)可調(diào)和熒光壽命相對(duì)較長(zhǎng)等特點(diǎn)，使其能夠成為構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的能量供體。本文選擇安全性較佳且發(fā)光性能較好的ZnS基納米材料(ZnS∶Cu)及羅丹明B來(lái)構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系，能夠進(jìn)一步拓展熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的應(yīng)用領(lǐng)域與限度。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 藥劑和儀器

二水合乙酸鋅產(chǎn)自天津市科密歐化學(xué)試劑研究所，九水合硫化鈉、醋酸銅購(gòu)于汕頭市西隴化工股份有限公司，氫氧化鈉購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，3-巰基丙酸(MPA) 購(gòu)于ALDRICH 化學(xué)試劑公司，實(shí)驗(yàn)用水為自制的高純?nèi)ルx子水。

樣品的晶體結(jié)構(gòu)由X射線衍射儀(Rigaku D/max2500型)測(cè)得，微觀形貌由透射電子顯微鏡(JEM-2010型)測(cè)得，紫外吸收光譜和熒光光譜利用SHIMADZU公司的光譜儀測(cè)得(紫外光譜：UV-2450、熒光光譜：RF-5301pc)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

ZnS∶Cu納米微粒通過(guò) Zn2+、Cu2+離子和 S2-離子共沉淀反應(yīng)得到。首先，將5 mL 0.1 mol/L 乙酸鋅溶液和20 mL 0.1 mol/L MPA溶液相混合，加水稀釋到 44 mL，通氮除氧 15 min。然后，添加不同體積的0.01 mol/L 的醋酸銅溶液(如2%Cu摻雜需1 mL)，充分?jǐn)嚢韬螅?2 mol/L 的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液pH值為10，繼續(xù)通氮?dú)獬?0 min。充分?jǐn)嚢柘拢米⑸溽樄苎杆傧蚍磻?yīng)溶液中添加5 mL 0.1 mol/L的硫化鈉溶液，在通氮?dú)鈼l件下反應(yīng) 15 min，隨后所得溶液放入溫度為50 ℃的搖床中陳化2 h，即可得到 ZnS∶Cu 納米晶的水溶膠。將2 mL ZnS∶Cu量子點(diǎn)水溶液放在反應(yīng)瓶?jī)?nèi)，添加CTAB緩沖液，再加入2 mL羅丹明B水溶液，把反應(yīng)瓶置于恒溫振蕩器內(nèi)振蕩，充分反應(yīng)后再進(jìn)行光學(xué)性質(zhì)測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 ZnS∶Cu的晶體結(jié)構(gòu)和形貌

為了研究所制備樣品的基本結(jié)構(gòu)及形貌，對(duì)樣品進(jìn)行了X射線衍射(XRD)測(cè)試及透射電子顯微鏡(TEM)測(cè)試，如圖1所示。將ZnS∶Cu納米晶的XRD圖譜與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡(No. 050566)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖1中28.5°、47.9°、56.5°的衍射峰分別對(duì)應(yīng)于閃鋅礦ZnS的 (111)、(220)、(311)晶面，說(shuō)明所得到的樣品是立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnS納米晶，沒(méi)有明顯的雜質(zhì)。因?yàn)镃u2+離子半徑(0.073 nm)與Zn2+離子半徑(0.074 nm)相差無(wú)幾，在銅離子少量摻雜時(shí)，不會(huì)引起ZnS的晶格畸變，所以在XRD圖譜中衍射峰并沒(méi)有明顯的移動(dòng)。從圖1中的插圖所顯示的TEM圖片可以看出，ZnS∶Cu納米晶的尺寸很小，平均尺寸為3 nm左右，說(shuō)明我們成功制備了ZnS∶Cu量子點(diǎn)。

圖1 ZnS∶Cu納米晶的XRD圖譜及其TEM圖片

3.2 熒光共振能量轉(zhuǎn)移的構(gòu)建

熒光共振能量轉(zhuǎn)移的構(gòu)建需要供體和受體的熒光光譜滿足以下條件：(1)能量供體和受體的激發(fā)光譜要足夠分得開(kāi)；(2)能量供體的發(fā)光光譜和能量受體的激發(fā)光譜要重疊；(3)能量供、受體的發(fā)射光譜不能互相干擾。所以，為了構(gòu)建熒光共振轉(zhuǎn)移體系，我們需要對(duì)所選擇的供體(ZnS∶Cu)和受體(羅丹明B)進(jìn)行熒光光譜測(cè)試。

圖2為ZnS∶Cu及羅丹明B的激發(fā)光譜，可以看到ZnS∶Cu量子點(diǎn)與羅丹明B熒光強(qiáng)度激發(fā)波長(zhǎng)各自位于351 nm、481 nm位置處。該現(xiàn)象充分說(shuō)明能量供、受體間的激發(fā)光譜之間的距離足夠大，這是成功構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系必須滿足的條件之一。由于羅丹明B的激發(fā)光譜約位于481 nm處，要構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系，需要供體ZnS∶Cu的發(fā)光光譜與其有較大的重合。Cu的摻雜濃度會(huì)對(duì)ZnS∶Cu的發(fā)光產(chǎn)生較大影響。圖3是用351 nm的激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)濃度不同的ZnS∶Cu進(jìn)行激發(fā)并得到的熒光光譜，可以看出，不同銅摻雜濃度的樣品的發(fā)射波長(zhǎng)就會(huì)存在差異。根據(jù)熒光共振能量轉(zhuǎn)移所需滿足的條件，我們發(fā)現(xiàn)摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為2%的ZnS∶Cu的發(fā)射光譜位于480 nm處，與羅丹明B的激發(fā)光譜重合最大。所以我們選用ZnS∶2%Cu作為供體。將供體與受體的熒光激發(fā)光譜及發(fā)射光譜對(duì)比(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，供體受體二者的發(fā)射光譜分別位于480 nm及590 nm處，也沒(méi)有相互干擾。綜上所述，ZnS∶2%Cu與羅丹明B的熒光光譜能夠滿足上述的3個(gè)條件，具備了構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移的基本條件。

圖2 ZnS∶Cu與羅丹明B的激發(fā)光譜

圖3 不同摻雜濃度的ZnS∶Cu量子點(diǎn)的發(fā)射光譜

Fig.3 Emission spectra of ZnS∶Cu QDs with different Cu concentration

圖4 ZnS∶Cu與羅丹明B的激發(fā)光譜及發(fā)射光譜

Fig.4 Excitation and emission spectra of ZnS∶Cu and Rhodamine B

對(duì)于構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系來(lái)說(shuō)，擇優(yōu)選擇能量給予者與能量接受者的材料是首要條件，但供體及受體之間的距離也能夠?qū)晒夤舱衲芰哭D(zhuǎn)移體系的構(gòu)建產(chǎn)生極大的影響。雖然ZnS∶Cu量子點(diǎn)的發(fā)光光譜與羅丹明B的激發(fā)光譜能夠大面積重合，但是量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度較低，需要二者距離較近時(shí)才能發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移。我們利用3-巰基丙酸對(duì)ZnS∶Cu 量子點(diǎn)表面進(jìn)行修飾而使其帶負(fù)電，陽(yáng)離子CTAB作為表面活性劑時(shí)帶正電，利用靜電作用結(jié)合，從而產(chǎn)生CTAB修飾的ZnS∶Cu量子點(diǎn)。利用分子作用力將CTAB分子中的烴基與羅丹明B分子結(jié)合在一起，減小兩者之間的分子距離，使二者之間能夠發(fā)生共振能量轉(zhuǎn)移。

圖5 ZnS∶Cu-RhB的FRET體系的發(fā)射光譜

為了分析熒光共振能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，我們測(cè)試了ZnS∶Cu量子點(diǎn)、羅丹明B等體積混合溶液(即ZnS∶Cu-RhB體系)的熒光光譜，并將其與ZnS∶Cu量子點(diǎn)及羅丹明B溶液在325 nm紫外激發(fā)下的發(fā)射光譜進(jìn)行了對(duì)比。由制備過(guò)程可知QDs-RhB體系中對(duì)應(yīng)的ZnS∶Cu量子點(diǎn)及羅丹明B的濃度是原濃度的1/2。而二者的熒光光譜也在各自初始溶液濃度的1/2處得到。從圖5所示的三者的熒光光譜圖中可以看出，混合液同時(shí)擁有ZnS∶Cu量子點(diǎn)及羅丹明B的發(fā)光，但其強(qiáng)度不同于同濃度的單獨(dú)量子點(diǎn)或羅丹明B的發(fā)光強(qiáng)度。量子點(diǎn)的發(fā)光變?nèi)酰_丹明B的發(fā)光變強(qiáng)，說(shuō)明二者之間發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移。熒光共振能量轉(zhuǎn)移的效率可以用如下公式計(jì)算：

(1)

其中，E代表熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率，F(xiàn)DA和FD分別代表無(wú)供體存在時(shí)受體的熒光強(qiáng)度及供體存在時(shí)受體的熒光強(qiáng)度。通過(guò)公式計(jì)算得到，由ZnS∶Cu量子點(diǎn)與羅丹明B構(gòu)建的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的能量轉(zhuǎn)移效率是25.8%，有望應(yīng)用于大分子細(xì)胞的檢測(cè)。

受體濃度也會(huì)影響熒光共振能量轉(zhuǎn)移的程度。這里，我們將ZnS∶Cu的濃度固定，改變羅丹明B的濃度，使ZnS∶Cu與其濃度比分別為4∶1、2∶1及1∶1。研究了受體濃度對(duì)熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的影響。從圖6可以看到，羅丹明B濃度逐漸增大時(shí)，供體ZnS∶Cu的熒光強(qiáng)度逐漸下降，受體羅丹明B的熒光強(qiáng)度逐漸升高，也就是說(shuō)羅丹明B的濃度能夠促進(jìn)熒光共振能量轉(zhuǎn)移的發(fā)生。所以在實(shí)際應(yīng)用中，選擇適當(dāng)?shù)墓w受體濃度也極為重要。

圖6 不同濃度羅丹明B構(gòu)建的FRET體系發(fā)光光譜

Fig.6 Emission spectra of FRET system based on different concentrations of RhB

4 結(jié) 論

通過(guò)不同摻雜濃度的ZnS∶Cu納米晶量子點(diǎn)的制備及其熒光特性分析，發(fā)現(xiàn)了銅摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為2%的ZnS∶Cu納米晶的發(fā)射峰與羅丹明B的吸收峰在481 nm處有著最大重疊。以ZnS∶Cu量子點(diǎn)為供體及羅丹明B為受體成功構(gòu)建了能量轉(zhuǎn)化效率為25.8%的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系。該體系有望應(yīng)用于生物分子的檢測(cè)。

[1] F?RSTER T. Zwischenmolekulare energiewanderung und fluoreszenz [J].Ann.Phys., 1948, 437(1-2):55-75.

[2] VANOAICA L, BEHERA A, CAMARGO S M R,etal.. Real-time functional characterization of cationic amino acid transporters using a new FRET sensor [J].PflügersArch., 2016, 468(4):563-572.

[3] WANG Y, LIU K, LIU X M,etal.. Critical shell thickness of core/shell upconversion luminescence nanoplastform for FRET application [J].J.Phys.Chem.Lett., 2011, 2(17):2083-2088.

[4] COST A L, RINGER P, CHROSTEK-GRASHOFF A,etal.. How to measure molecular forces in cells: a guide to evaluating genetically-encoded FRET-based tension sensors [J].Cell.Mol.Bioeng., 2015, 8(1):96-105.

[5] VAN DER KROGT G N M, OGINK J, PONSIOEN B,etal.. A comparison of donor-acceptor pairs for genetically encoded FRET sensors: application to the Epac cAMP sensor as an example [J].PLoSOne, 2008, 3(4):e1916.

[6] KEDZIORA K M, JALINK K.FluorescenceResonanceEnergyTransferMicroscopy(FRET) [M]. VERVEER P J. Advanced Fluorescence Microscopy: Methods and Protocols. New York: Springer, 2015:67-82.

[7] KERSHAW S V, SUSHA A S, ROGACH A L. Narrow bandgap colloidal metal chalcogenide quantum dots: synthetic methods, heterostructures, assemblies, electronic and infrared optical properties [J].Chem.Soc.Rev., 2013, 42(7):3033-3087.

[8] MATTSSON L, WEGNER K D, HILDEBRANDT N,etal.. Upconverting nanoparticle to quantum dot FRET for homogeneous double-nano biosensors [J].RSCAdv., 2015, 5(18):13270-13277.

[9] DENNIS A M, RHEE W J, SOTTO D,etal.. Quantum dot-fluorescent protein FRET probes for sensing intracellular pH [J].ACSNano, 2012, 6(4):2917-2924.

[10] LI L, LIU J B, YANG X H,etal.. Quantum dot/methylene blue FRET mediated NIR fluorescent nanomicelles with large Stokes shift for bioimaging [J].Chem.Commun., 2015, 51(76):14357-14360.

[11] DOS SANTOS M C, HILDEBRANDT N. Recent developments in lanthanide-to-quantum dot FRET using time-gated fluorescence detection and photon upconversion [J].TrACTrendsAnal.Chem., 2016, 86:60-71.

[12] ALIVISATOS A P, GU W W, LARABELL C. Quantum dots as cellular probes [J].Annu.Rev.Biomed.Eng., 2005, 7:55-76.

[13] LEI Y, XIAO Q, HUANG S,etal.. Impact of CdSe/ZnS quantum dots on the development of zebrafish embryos [J].J.Nanopart.Res., 2011, 13(12):6895-6906.

[14] LI J L, ZHANG Y H, AI J J,etal.. Quantum dot cluster (QDC)-loaded phospholipid micelles as a FRET probe for phospholipase A2 detection [J].RSCAdv., 2016, 6(19):15895-15899.

[15] WANG S Z, ZHANG J G, CHEN H G,etal.. An optical FRET inhibition sensor for serum ferritin based on Mn2+-doped NaYF4∶Yb, Tm NIR luminescence up-conversion nanoparticles [J].J.Lumin., 2015, 168:82-87.

[16] 高桂園, 劉璐, 付璇, 等. CdTe量子點(diǎn)-羅丹明B熒光共振能量轉(zhuǎn)移法測(cè)定溶菌酶 [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2012, 33(8):911-915. GAO G Y, LIU L, FU X,etal.. Fluorescence resonance energy transfer between CdTe QDs and rhodamine B with its application in the determination of lysozyme [J].Chin.J.Lumin., 2012, 33(8):911-915. (in Chinese)

[17] HABEEBU S S M, LIU J, KLAASSEN C D. Cadmium-induced apoptosis in mouse liver [J].Toxicol.Appl.Pharmacol., 1998, 149(2):203-209.

[18] GESZKE-MORITZ M, PIOTROWSKA H, MURIAS M,etal.. Thioglycerol-capped Mn-doped ZnS quantum dot bioconjugates as efficient two-photon fluorescent nano-probes for bioimaging [J].J.Mater.Chem. B, 2013, 1(5):698-706.

[19] DAS U. Development of ZnS nanostructure based luminescent devices [J].ImperialJ.Interdiscip.Res., 2016, 2(6): 627-630.

翟英歌(1989-)，女，吉林長(zhǎng)春人，碩士，2016年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事納米材料制備及光學(xué)性質(zhì)的研究。

E-mail: 187149072@qq.com 徐銘澤(1988-)，女，吉林長(zhǎng)春人，博士，講師，2014年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事納米材料的研究。

E-mail: llmingze@foxmail.com

Properties of Fluorescence Resonance Energy Transfer of ZnS∶Cu-Rhodamine

BZHAI Ying-ge1， CHU Xue-ying1， XU Ming-ze1*， LI Jin-hua1， JIN Fang-jun1， WANG Xiao-hua2

(1.SchoolofScience,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China; 2.InternationalEducationandExchangeCollege,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:llmingze@foxmail.com

In order to solve the biological toxicity of fluorescence resonance energy transfer (FRET) system based on quantum dots, non-toxic ZnS∶Cu quantum dots and Rhodamine B were chosen to construct FRET system. ZnS∶Cu nanocrystalline quantum dots with good morphology were successfully prepared by precipitation method. On this basis, the fluorescence spectra of ZnS∶Cu quantum dots with different concentration of copper and fluorescence spectra of Rhodamine B were tested. Then, FRET system with ZnS∶Cu quantum dots as donor and Rhodamine B as acceptor was successfully constructed by the surface modification. Experimental results indicate that the emission spectrum of ZnS∶2%Cu matches the excitation spectrum of Rhodamine B most in 481 nm. So the optimum copper doping mole fraction for the construction of FRET system is 2%. The energy transfer efficiency of ZnS∶Cu quantum dots as donor and Rhodamine B as acceptor is 25.8%. Further experimental results indicate that the concentration of Rhodamine B also can affect the energy transfer.

ZnS∶Cu; Rhodamine B; fluorescence resonance energy transfer

1000-7032(2017)08-1028-05

2017-01-23；

2017-02-22

國(guó)家自然科學(xué)基金(61205193)； 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃(20140520107JH,20140204025GX)； 長(zhǎng)春理工大學(xué)青年科學(xué)基金(XQNJJ-2015-03)資助項(xiàng)目 Supported by National Natural Science Foundation of China (61205193); Project of Science and Technology of Jilin Province(20140520107JH,20140204025GX); Science Foundation for Young Scientists of Changchun University of Science and Technology(XQNJJ-2015-03)

O482.31

A

10.3788/fgxb20173808.1028