Codage par luminescence de microbilles polymères avec des colorants organiques et des points quantiques semi-conducteurs pendant la polymérisation

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12061 (2022) Citer cet article

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Les microbilles codées par luminescence sont des outils importants pour de nombreuses applications dans les sciences de la vie et des matériaux qui utilisent la détection de luminescence ainsi que des stratégies de multiplexage et de codes-barres. La préparation de telles billes implique souvent la coloration de billes préfabriquées avec des luminophores moléculaires en utilisant de simples procédures de gonflement ou une fonctionnalisation de surface avec des techniques couche par couche (LbL). Alternativement, ces luminophores sont incorporés de manière stérique pendant la réaction de polymérisation, donnant les billes de polymère. Les propriétés optiques favorables des points quantiques semi-conducteurs (QD), qui présentent des bandes d'émission étroites, largement excitables, réglables en taille et une faible sensibilité au photoblanchiment, ont déclenché la préparation de billes colorées avec des QD. Cependant, la nature colloïdale et la chimie de surface de ces QD, qui contrôlent largement leurs propriétés de luminescence, introduisent de nouveaux défis pour le codage des billes qui ont à peine été systématiquement évalués. Pour établir une approche simple pour le codage des billes avec des QD avec une perte de luminescence minimisée, nous avons systématiquement évalué l'incorporation de CdSe/CdS-core/shell-QD stabilisés à l'acide oléique/oléylamine dans des microsphères de polystyrène (PS) de 0,5 à 2,5 µm. par une simple synthèse de polymérisation en dispersion qui a d'abord été optimisée avec le colorant organique Nile Red. Les paramètres abordés pour la préparation de billes codées par luminophore comprennent l'utilisation d'un ligand compatible avec un polymère tel que le chlorure de benzyldiméthyloctadécylammonium (OBDAC) pour les QD, et la réticulation pour empêcher les fuites de luminophore. Les propriétés physico-chimiques et optiques des billes résultantes ont été étudiées par microscopie électronique, diffusion dynamique de la lumière, spectroscopie optique et microscopie à fluorescence. La distribution granulométrique, le rendement quantique de fluorescence des QD encapsulés et la stabilité des fuites des QD ont été utilisés comme mesures de la qualité des billes. La procédure de codage de billes optimisée dérivée permet la préparation reproductible de microbilles PS brillantes codées avec des colorants organiques ainsi qu’avec des CdSe/CdS-QD. Bien que ces billes présentent un rendement quantique de photoluminescence réduit par rapport aux QD initialement très fortement luminescents, avec des valeurs de l'ordre de 35%, leur rendement quantique de photoluminescence reste néanmoins encore modéré.

Les billes de polymère luminescentes, codées avec des luminophores moléculaires ou nanométriques, ont été de plus en plus utilisées dans les sciences de la vie et des matériaux au cours des dernières décennies, en conjonction avec la spectroscopie de fluorescence, la microfluorométrie, la microscopie à fluorescence et la cytométrie en flux. Ces particules sont souvent équipées de groupes fonctionnels de surface auxquels peuvent être attachés des fragments de reconnaissance tels que des protéines et des anticorps ou des colorants sensibles aux analytes1,2. Cela ouvre de nombreuses applications différentes, notamment la (bio)imagerie, les essais biomédicaux et la détection chimique3,4,5,6,7,8. Alors que les nanobilles polymères luminescentes sont souvent utilisées pour le marquage cellulaire et les plates-formes d'analyse, des microbilles plus grosses sont généralement utilisées pour les essais biologiques à base de billes et les schémas de multiplexage spectral8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. ,20,21, en utilisant soit un codage couleur, soit récemment également un codage à vie22, en conjonction avec la cytométrie en flux ou la microscopie à fluorescence. Ici, la couleur de luminescence ou la durée de vie des billes porteuses codées est utilisée comme code d'identification pour la chimie de la surface des billes et la cible capturée ensuite liée aux billes est ensuite quantifiée à l'aide d'un marqueur fluorescent supplémentaire pouvant être distingué spectralement. Les billes codées de taille nanométrique et micrométrique peuvent également être utilisées pour des applications de sécurité, de lutte contre la contrefaçon et d'authentification ainsi que pour les codes imprimés23,24,25.

Une approche courante du codage de la luminescence des billes de polymère présente le gonflement des billes de polystyrène (PS) ou de polyméthylméthacrylate (PMMA) préfabriquées par addition d'un solvant organique apolaire contenant des luminophores, ce qui permet aux luminophores de pénétrer dans la matrice de billes. De telles procédures ont été utilisées, par exemple, pour la fabrication de billes présentant différentes fonctionnalités de surface, qui sont utilisées comme supports pour des plates-formes à base de billes5. Alternativement, un revêtement couche par couche de billes préfabriquées peut être réalisé. Cette approche polyvalente implique le dépôt étape par étape de couches de polyélectrolytes de charges opposées contenant des nanocristaux tels que des points quantiques semi-conducteurs (QD) colloïdaux ou des colorants organiques29,30,31,32. Ainsi, seule une coloration de surface est obtenue et la chimie de surface des billes modifiée en conséquence peut imposer des défis aux étapes ultérieures de bioconjugaison. Une autre méthode est l'incorporation du luminophore lors de la réaction de polymérisation, aussi bien pour les colorants organiques33,34,35,36 que pour différents nanocristaux13,37,38,39,40,41,42,43. Ici, le composé luminescent est dissous ou dispersé dans la solution de monomère ou ajouté au mélange réactionnel. Cette procédure peut fournir une distribution homogène des luminophores au sein des billes, mais nécessite des émetteurs suffisamment stables avec une solubilité ou une dispersibilité appropriée, capables de survivre aux conditions de polymérisation parfois difficiles44.