CdTe量子点与罗丹明6G荧光共振能量转移体系的构建及机理研究
2015-10-17茶文丽席建伟吴正俊姜丽丽梁建功陆冬莲
茶文丽， 席建伟， 吴正俊， 姜丽丽， 梁建功， 陆冬莲*
(华中农业大学理学院，湖北武汉 430070)
荧光共振能量转移(FRET)是一种非辐射能量跃迁，通过分子间的电偶极相互作用，处于激发态的供体将能量转移到受体激发态的过程。能量转移的效率与供体的发射光谱和受体的吸收光谱的重叠程度、供体与受体之间的距离、供体与受体的跃迁偶极的相对取向等因素有关。目前，FRET技术已应用于无机离子的测定[1]、葡萄糖的测定[2]、蛋白质的分析[3]以及药物残留分析[4]等诸多研究领域。量子点(QDs)作为一种新型荧光纳米材料，由于其具有荧光量子产率高、激发光谱宽、发射光谱窄、发射波长可调、抗光漂白等良好的光学特性，已逐步取代了传统的荧光染料，作为一种新的FRET供体广泛应用于共振能量转移技术[5 - 8]。研究表明，量子点不仅可以作为FRET供体，也可以作为FRET受体，目前同时使用量子点作为FRET供体和受体的研究报道还比较少[9 - 11]。
供体及受体的发光波长对FRET效率具有重要的影响。本文在合成不同尺寸的水溶性CdTe QDs的基础上，分别以CdTe QDs作为供体或受体，研究了量子点尺寸对CdTe-罗丹明6G(R6G)之间FRET的影响，优化了相关条件，构建了CdTe QDs-R6G -CdTe QDs的三元FRET体系，并探讨了FRET转移机理。研究结果对于构建新的量子点FRET体系及相关应用具有一定的参考价值。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
Evolution300紫外-可见分光光度计(美国，Thermo Nicolet公司)；LS-55荧光分光光度计(美国，Perkin Elmer公司)；pHS-3C精密酸度计(上海精密科学仪器有限公司)；Nano-ZS90纳米粒度及电位分析仪(英国，Malvern公司)。
氯化镉、无水亚碲酸钠、巯基乙酸(TGA)和罗丹明6G(R6G)，均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)；0.2 mol/L磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH=7.4)；Milli-Q超纯水(18.25 MΩ·cm)。
1.2 实验过程
1.2.1CdTeQDs的合成及表征无N2保护下油浴加热(95～115 ℃)，调节pH=10～12,合成荧光发射波长在505～530 nm和580～610 nm间不同尺寸的CdTe QDs。用紫外-可见分光光度计、荧光光度计和纳米粒度及电位分析仪对量子点进行表征。量子点的尺寸和浓度计算方法[12]:D=(9.8127×10-7)λ3-(1.7147×10-3)λ2+(1.0064)λ-(194.84)。其中λ为CdTe QDs的紫外吸收波长，D为CdTe QDs的直径，单位均为nm。利用Q=QR(I/IR)(AR/A)计算量子产率(QR=95%)。其中QR代表R6G的量子产率为95%，IR为R6G的吸收峰的积分面积，AR为R6G的吸光度，A为CdTe QDs的吸光度。
1.2.2量子点与罗丹明6G之间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，将荧光发射波长为505～530 nm每间隔5 nm的量子点依次与R6G混合，并测定其荧光光谱(测定条件:激发波长390 nm；入射狭缝10.0 nm；出射狭缝5.0 nm)。同理，将荧光发射波长为580～610 nm每间隔5 nm的量子点与R6G构建FRET体系。按E=1-(FDA/FD)关系式计算出FRET体系FRET效率[13]。其中FDA为受体存在时供体的荧光强度，FD为受体不存在时供体的荧光强度。
1.2.3CdTeQDs(λ1)-罗丹明6G-CdTeQDs(λ2)三元FRET体系构建以荧光发射波长λ1的 CdTe QDs(λ1=515 nm)和R6G构建FRET体系中转移效率最高的组合配制溶液，再依次加入荧光发射波长λ2的CdTe QDs溶液(λ2=605 nm)并测定其荧光光谱(测定条件同上)，计算转移效率。
2 结果与讨论
2.1 CdTe QDs的合成及表征
合成不同尺寸的CdTe QDs并进行表征，依据文献报道的方法，计算出CdTe QDs的尺寸约为1～3 nm。用粒度分析仪测量CdTe QDs的粒度分布情况(图1),由图可以看出CdTe QDs的粒径分布比较均匀，多数分布在1～4 nm，均小于5 nm。该结果表明合成的CdTe QDs为分布均匀的纳米级粒子，且发射波长为580 nm的CdTe QDs比505 nm的CdTe QDs粒径稍大。图2表明荧光发射波长515 nm和605 nm的CdTe QDs与R6G的荧光发射有很大程度重叠；图3表明其紫外-可见吸收光谱也有一定程度的重叠。这是满足发生FRET的必要条件。
图1 CdTe QDs的粒径分布图 Fig.1 Particle size distribution of CdTe QDs
图2 PBS中R6G与CdTe QDs的发射光谱Fig.2 Emission spectra of R6G and CdTe QDs in PBS a.CdTe QDs(515 nm);b.R6G;c.CdTe QDs(605 nm).
图3 PBS中CdTe QDs与R6G紫外-可见吸收光谱Fig.3 UV-Vis spectra of CdTe QDs and R6G in PBS a.CdTe QDs;b.R6G.
2.2 CdTe QDs与R6G之间的FRET
以不同尺寸CdTe QDs与R6G的紫外-可见吸收峰和荧光发射均能有效重叠为前提，在PBS中构建以CdTe QDs为供体R6G为受体的FRET体系。实验表明CdTe QDs荧光发射波长从505～530 nm每隔5 nm依次与R6G都能发生FRET。在CdTe QDs溶液中加入R6G后，CdTe QDs的荧光强度下降，R6G的荧光强度增强(图4)。原因可能是CdTe QDs表面修饰基团上的羧基与R6G分子上的氨基发生相互作用，使供、受体之间的距离能够满足发生FRET的条件。随着R6G/CdTe QDs摩尔比的增加荧光强度不断发生变化，这是因为增加接近单个供体表面的受体分子个数能够提高体系的FRET效率[14]。通过计算转移效率发现当量子点荧光发射波长为515 nm时转移效率最高达到了58.5%(表1)。同理以R6G为供体CdTe QDs为受体构建FRET体系，R6G溶液中加入CdTe QDs后，R6G荧光强度下降，CdTe QDs荧光强度增大，这表明量子点与R6G之间发生了FRET(图5)。实验结果表明荧光发射波长为605 nm时转移效率较高为49.4%。
图4 PBS中CdTe QDs与R6G的荧光共振能量转移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.
图5 PBS中R6G与CdTe QDs荧光共振能量转移 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
图6 PBS中CdTe QDs(λ1)-R6G-CdTe QDs(λ2)的荧光共振能量转移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体系构建
在CdTe QDs(λ1)-R6G高效FRET体系的溶液中加入CdTe QDs(λ2)，随着CdTe QDs(λ2)的加入，CdTe QDs(λ1)和R6G荧光强度降低而CdTe QDs(λ2)荧光强度增加，构建三元的双FRET体系(图6)。
在优选的CdTe QDs(λ1)-R6G转移体系中加入与R6G同样能发生转移的CdTe QDs(λ2)，再次发生了能量转移。这可能是R6G本身的物质特性既能作为受体又能作为供体，满足发生FRET条件时不仅通过羧基与氨基的作用，可能还存在其他形式的作用再次实现能量转移。
3 结论
合成了以巯基乙酸为稳定剂的水溶性CdTe QDs，研究了不同尺寸CdTe QDs与R6G的荧光共振能量转移体系的构建及机理。实验发现发射波长为515 nm的 QDs与R6G能量转移效率最高为58.5%；以R6G为供体长波长，CdTe QDs为受体构建能量转移体系发现 QDs发射波长为605 nm时转移效率为49.4%。基于两个波段内的 QDs都能与R6G发生荧光共振能量转移，成功构建CdTe QDs(λ1)-R6G-CdTe QDs(λ2)三元双荧光共振能量转移体系。研究结果对建立新的FRET分析体系具有一定的参考价值。
