1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал аналитической химии
  4. T. 77, № 4, 2022

Журнал аналитической химии, 2022, T. 77, № 4, стр. 312-320

Применение низкотоксичных квантовых точек нового поколения структуры I–III–VI2 в анализе

Т. С. Пономарева a, А. С. Новикова a, А. М. Абрамова a, О. А. Горячева a, Д. Д. Дрозд a, П. Д. Строкин a, И. Ю. Горячева a, *

a Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Институт химии
410012 Саратов, Астраханская ул., 83, Россия

* E-mail: goryachevaiy@mail.ru

Поступила в редакцию 30.06.2021
После доработки 15.07.2021
Принята к публикации 15.07.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Полупроводниковые люминесцентные квантовые точки (КТ) структуры I–III–VI2 представляют новый класс люминесцентных материалов, сочетающих уникальные оптические и электронные свойства, но отличающихся низкой токсичностью по сравнению с традиционными КТ на основе кадмия. Успехи в коллоидном синтезе тройных КТ использованы при разработке флуоресцентных химических и биологических сенсоров для обнаружения различных аналитов. В обзоре рассмотрены основные подходы к синтезу КТ структуры I–III–VI2, особенности их строения и свойств, освещены современные тенденции их применения в качестве низкотоксичных люминесцентных меток в биомедицине и химическом анализе.

Ключевые слова: некадмиевые квантовые точки, флуоресценция, квантовые структуры I–III–VI2, люминесцентная метка, анализ, биомедицина.

Развитие и совершенствование технологии получения люминесцентных материалов позволит открыть новые потенциальные возможности их применения. Полупроводниковые люминесцентные нанокристаллы – квантовые точки (КТ) – вызвали широкий практический интерес за счет своих уникальных оптических свойств, обусловленных квантово-размерным эффектом, а именно: зависимостью величины запрещенной зоны от размера КТ при величине наночастицы меньше или сопоставимой с радиусом экситона Бора [1]. До недавнего времени научный интерес был сфокусирован на получении бинарных КТ, состоящих из атомов полупроводниковых материалов II–VI (CdSe, ZnS), III–V (InAs, InP) и IV–VI (PbS, PbTe) [2]. Несмотря на их яркую люминесценцию, высокую фото- и коллоидную стабильность, токсичность некоторых элементов (Cd, Pb, Se, Hg) и прекурсоров, значительные затраты времени при синтезе, сложности очистки и зачастую необходимая трудоемкая гидрофилизация поверхности ограничивают их применение.

Альтернативным источником нового низкотоксичного люминесцентного материала выступают многокомпонентные коллоидные КТ структуры I–III–VI2. Подобно традиционным КТ на основе сульфидов и селенидов кадмия, КТ тройного состава I–III–VI2 (I = Cu, Ag; III = In, Al, Ga; VI = S, Te, Se) имеют широкий спектр поглощения, высокую фотостабильность, но не содержат токсичные элементы в составе и имеют характерную нестехиометрию, что открывает новые возможности их применения [3]. К настоящему моменту достигнуты определенные успехи в синтезе коллоидных люминесцентных наночастиц в различных средах, однако поиск оптимальных вариантов воспроизводимых методик синтеза КТ структуры I–III–VI2 с улучшенными характеристиками остается актуальной задачей. Решение вопросов, связанных с оптимизацией условий синтеза и разработкой наночастиц нового поколения позволит расширить сферы их аналитического применения.

Данный обзор сфокусирован на конструктивном анализе современных подходов к получению КТ структуры I–III–VI2 и возможностях их аналитического применения. Показаны преимущества и недостатки данных квантовых структур, обсуждены стратегии модификации для улучшения их характеристик. Освещены современные тенденции их применения в качестве низкотоксичных люминесцентных зондов в биомедицине и химическом анализе.

СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК I−III−VI2

Тройные КТ представляют собой системы из трех элементов, структуру которых можно считать производной от бинарных полупроводников типа II–VI, где анионный сайт представлен одним и тем же элементом VI группы (S, Se или Te). Катионный центр в таких системах включает комбинацию металлов I и III группы, соотношение которых можно варьировать в широком диапазоне [4, 5]. Вследствие этого тройные КТ могут существовать в виде ряда нестехиометрических фаз с различным структурным порядком, электронными и оптическими свойствами.

Кристаллическая структура тройных КТ может быть представлена фазами халькопирита, сфалерита и вюрцита [6, 7]. Фаза халькопирита имеет тетрагональную элементарную ячейку, которая термодинамически стабильна ниже 620°С, а фаза сфалерита устойчива при более высоких температурах. Стоит отметить, что, кроме термодинамически стабильных структур, в нанокристаллических формах полупроводников можно наблюдать метастабильные структуры, которых нет в объемных материалах, что обусловливает появление новых свойств КТ [8].

Квантовые точки структуры I–III–VI2 сложнее, чем широко изученные бинарные КТ II–VI; взаимосвязь оптоэлектронных свойств тройных КТ обусловливается не только квантово-размерными эффектами в полупроводниках, но и особенностями кристаллической структуры и механизмами генерации люминесценции. В ряде недавно опубликованных исследований показано, что высокая внутренняя дефектность КТ может служить удобной платформой для понимания природы и механизмов генерации люминесценции тройных КТ [9, 10].

Излучательный переход в тройных КТ рассматривают с точки зрения теории донорно-акцепторной пары (ДАП). Тройные КТ имеют большое количество донорных и акцепторных состояний внутри запрещенной зоны, изменяя которые можно управлять люминесцентными свойствами [11]. Как отмечают исследователи, энергия излучения зависит от пространственного разделения ДАП, однако с помощью такой модели не удается легко объяснить наблюдаемую сильную зависимость энергии люминесценции от размера КТ [9]. Кроме рекомбинации ДАП, существуют (1) излучательная рекомбинация, источником которой являются переходы через поверхностные дефекты или из зоны проводимости на акцепторные состояния, близкие к валентной зоне; (2) безызлучательная рекомбинация через поверхностные ловушки. Такие процессы приводят к ограничению в отношении квантового выхода (КВ) флуоресценции (ФЛ). Описаны [12] подходы к уменьшению безызлучательной рекомбинации и улучшению оптических характеристик КТ. Например, нанесение пассивирующей оболочки на поверхность тройных нанокристаллов приводит к получению систем КТ типа ядро/оболочка с улучшенными свойствами [13–15]. В качестве альтернативы высоколюминесцентные КТ могут быть получены без нанесения внешней оболочки путем легирования тройных нанокристаллов, например, цинком [16]. Введение цинка в состав тройных нанокристаллов изменяет внутренние электронные состояния и может привести к сдвигу полосы ФЛ в коротковолновую область. Это явление связано либо с катионным обменом на поверхности КТ, вызывающим градиентное легирование и соответственно уменьшение размеров ядра ввиду квантового ограничения, либо с увеличением ширины запрещенной зоны материала. Таким образом, механизмы люминесценции тройных КТ сильно зависят от стехиометрии и структуры нанокристаллов.

Состав и структура КТ определяют ширину запрещенной зоны (Eg) в квантовых точках, от которой зависят их оптические характеристики (спектры возбуждения и испускания) [12]. Например, КТ состава I–III–VI2 демонстрируют прямую запрещенную зону с шириной 1.5 эВ (сульфид меди-индия), 1.05 эВ (селенид меди-индия), 1.87 эВ (сульфид серебра-индия) и 1.2 эВ (селенид серебра-индия) [2]. Оптические свойства таких соединений наиболее подробно рассмотрены для систем CuInS2 (CIS) и AgInS2 (AIS) со структурой ядро/оболочка или со структурой твердого раствора ZnS. Такие системы демонстрируют:

• Широкий спектр поглощения, благодаря чему КТ с разным диаметром могут быть одновременно возбуждены одним источником света для наблюдения эмиссии от КТ разного цвета. В отличие от бинарных КТ, для которых характерен хорошо различимый экситонный пик в видимой и ультрафиолетовой областях, тройные КТ демонстрируют непрерывный характер полосы поглощения без максимумов.

• Широкий пик излучения ФЛ (100–150 нм), с одной стороны, затрудняющий раздельную обработку сигналов от смеси КТ, с другой, – позволяющий использовать более широкий круг детекторов.

• Значительное время жизни ФЛ (сотни наносекунд) по сравнению с бинарными КТ (десятки наносекунд), что объясняется рекомбинацией донорно-акцепторной пары в зависимости от состава и структуры КТ. Большое время жизни упрощает использование таких КТ в качестве меток в химическом анализе.

• Значительный Стоксов сдвиг (0.5–0.6 эВ), который снижает эффекты перепоглощения [17].

• Отсутствие ионов тяжелых металлов (Cd, Hg, Pb) в составе, что позволяет говорить о низкой токсичности данных квантовых структур и объясняет интерес к применению тройных КТ в биомедицинских исследованиях [18–20].

Таким образом, зависимость свойств от состава и структуры КТ предполагает разработку воспроизводимых способов их получения с заданными характеристиками, определяющимися областью их дальнейшего применения.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОЛЛОИДНОГО СИНТЕЗА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СТРУКТУРЫ I–III–VI2

В настоящее время основными подходами к получению тройных КТ являются методы высокотемпературного и инъекционного синтезов в органических растворителях при высоких температурах [21]. Тип растворителя определяет максимальную температуру реакции [22]. В высокотемпературном методе синтеза КТ один или несколько прекурсоров металлов в сочетании с источником серы нагревают и выдерживают в течение большого промежутка времени для получения КТ. Среда обеспечивает условия для формирования нанокристаллов с небольшим количеством дефектов решетки и позволяет контролировать размер, форму и морфологию получаемого продукта [23]. В качестве среды и поверхностно-пассивирующего агента в высокотемпературном методе используют органические растворители, такие как октадецен, триоктилфосфин или олеиламин и додекантиол [24]. Получаемые таким способом наночастицы в основном гидрофобны, поэтому их переводят в водную фазу с целью улучшения биосовместимости и повышения стабильности.

Авторы работы [25] продемонстрировали двухэтапную стратегию получения КТ с мульти-оболочкой CuInS2/ZnS/ZnS (λФЛ = 554 нм) при высоких температурах (230–240°С). Квантовый выход ФЛ таких структур достигал 76% с хорошей монодисперсностью, что позволило применить их в светоизлучающих диодах.

Инъекционный метод получения КТ основан на созревании Оствальда. Этот синтез начинается с введения холодного раствора реакционноспособного прекурсора в горячий органический растворитель, который вызывает образование зародышей кристаллов. При понижении температуры растворителя новые ядра не образуются. Рост монодисперсных ядер в более крупные частицы происходит при низкой температуре, при которой образование новых ядер невозможно. Такой подход позволяет настраивать средний размер КТ, варьируя продолжительность нагрева реакционной смеси после вспрыскивания. В работе [7] осуществлен синтез CuInS2 методом горячей инъекции. Показано, что от дозы олеиламина, выступающего в качестве органического кэпирующего агента, зависят кристаллическая структура и размер получаемых КТ. Так, в случае низкой концентрации олеиламина (0.1 и 1.5 мл) образовывалась фаза сфалерита, а более высокие концентрации олеиламина способствовали формированию фаз псевдохалькопирита и вюрцита. Авторы работы [26] получили CIS/ZnS КТ типа халькопирита с настраиваемой эмиссией от 632  до 739 нм с КВ ФЛ до 62% одностадийным методом горячей инъекции. Такие характеристики были достигнуты за счет варьирования температуры и времени реакции, а также количества модификатора.

Однако многие варианты применения тройных КТ, в частности, в качестве люминесцентных меток, требуют, чтобы КТ образовывали стабильные коллоиды в полярных растворителях, прежде всего, в воде. Квантовые точки, полученные в органических растворителях, переводят в водную среду путем обмена первичных лиофильных лигандов на небольшие бифункциональные молекулы, которые могут пассивировать поверхность КТ и в то же время делают ее гидрофильной [16, 17].

В качестве альтернативы в последнее время активно предпринимаются попытки получения тройных КТ непосредственно в водной среде [3]. Основными преимуществами такого подхода считаются улучшенная биосовместимость, хороший выход продукта, меньшее количество органических отходов, что приводит к низкому загрязнению окружающей среды и снижению экономических затрат. Реакция обычно происходит между поверхностными лигандами и прекурсорами металлов. Нитраты или галогениды металлов используют в качестве прекурсоров, тиомочевину и сульфид натрия – в качестве источника серы благодаря их хорошей растворимости в воде и высокой реакционной способности. Водорастворимые тиолы, такие как глутатион, меркаптоуксусная кислота, меркаптопропионовая кислота, L-цистеин используют в качестве стабилизаторов поверхности.

Как правило, синтез КТ ядра/оболочки представляет собой двухэтапный процесс – сначала синтез ядер, а затем нанесение оболочки. Так, в работе [15] осуществлен синтез КТ структуры ядро/оболочка AgInS2/ZnS непосредственно в водной среде при 96–98°С с применением тиогликолевой кислоты в качестве стабилизатора поверхности. Оптимальное молярное соотношение Ag : In : S составило 1 : 7 : 10, а Zn : Ag – 10 : 1. Последующее многократное переосаждение КТ 2-пропанолом привело к получению 11 фракций КТ с испусканием в области спектра от красной до зеленой и максимальным значением КВ ФЛ до 47%. Авторы работы [27] описали синтез КТ AgInS2/ZnS (AIS/ZnS) непосредственно в водной среде с использованием глутатиона в качестве модификатора поверхности. Полученные квантовые структуры имели размер ~2.9 нм. До покрытия оболочкой сульфида цинка эмиссия AgInS2 составила 665 нм, после покрытия – 623 нм. Квантовый выход ФЛ при этом увеличился с 31.6% (AgInS2) до 49.5% (AgInS2/ZnS). Сдвиг максимума полосы ФЛ в коротковолновую область авторы объясняли частичным обменом между катионами ядра (Cu, In) и оболочкой (Zn). В работе [28] описано получение гидрофильных КТ непосредственно в воде в течение 45 мин при 95°С. В качестве агента для создания оболочки использовали тиогликолевую кислоту и цитрат натрия. Полученные КТ люминесцировали при 680 нм с КВ ФЛ 10.3% и средним размером частиц ~2.5 нм.

Следует отметить, что прямой синтез в водной фазе ограничен температурой кипения воды, из-за чего эффективный контроль морфологии КТ в процессе их роста не всегда осуществим. В последнее время активно проводятся исследования по получению КТ типа I–III–VI2 методами гидротермального синтеза [29, 30]. Для этого используют автоклавы и нагревают выше температуры кипения растворителя в течение нескольких часов. Увеличение температуры гидротермального процесса, в котором основной средой является вода, под действием давления приводит к уменьшению поверхностных дефектов, следовательно, к улучшению морфологии поверхности нанокристалла. Протокол синтеза основан на введении предшественников металлов с поверхностным лигандом, корректировке pH и добавлении халькогенидной соли. В работе [31] синтезированы КТ структуры ядро/оболочка состава AIS/ZnS с применением гидротермального метода синтеза. В качестве лиганда и стабилизатора поверхности использовали цитрат натрия и L-глутатион. Синтез осуществляли в течение 5 ч в автоклаве при 90°С. Варьируя соотношение Zn/AgIn и тиомочевина/цинк, можно получить КТ с эмиссией в желто-оранжевой области спектра и максимальным КВ до 45.7% с временем жизни 482 нс. Сию Лю и соавт. [32] показали, что, варьируя время гидротермального синтеза (150°С, 21 ч), можно получить КТ CuInS2, испускающие свет в ближнем инфракрасном диапазоне спектра (λФЛ = 660 нм).

Тем не менее КТ, синтезированные в водной фазе, по-прежнему уступают по оптическим характеристикам КТ, полученным в высококипящих органических растворителях. Однако возможность разделения после синтеза различных по размеру фракций, отсутствие сложных процедур очистки и гидрофилизации, а также определенные успехи по получению КТ в воде делают такие методики синтеза КТ перспективными и востребованными.

ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СОСТАВА I–III–VI2 В ХИМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ И БИОМЕДИЦИНЕ

Химический анализ. Последние достижения в области нанотехнологий и наноматериалов интегрированы в аналитическую химию для разработки большого количества флуоресцентных химических и биологических сенсоров на различные аналиты [2, 20, 33]. Суть применения КТ в качестве химического сенсора заключается в изменении спектроскопического/флуоресцентного сигнала из-за специфического взаимодействия с аналитом. Такое взаимодействие между КТ и аналитом может привести к тушению или усилению аналитического сигнала из-за процессов рекомбинации электронно-дырочной пары [3]. В качестве наиболее распространенных аналитов, используемых в разработке флуоресцентных датчиков, являются антитела, ДНК, РНК, глюкоза, ферменты, раковые биомаркеры и т.д.

Так, авторы работы [34] синтезировали квантовые структуры AgInS2 с аминогруппами на поверхности при использовании полиэтиленимина в качестве модификатора поверхности и КВ ФЛ 32% непосредственно в водной среде. Полученные образцы использовали для определения глюкозы за счет уменьшения флуоресценции КТ. В диапазоне 1–10 мкМ и 1–1000 мкМ зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации глюкозы линейна с пределом обнаружения (ПрО) 0.90 мкМ.

Синтезированные в водной среде КТ AgInZnS применены в качестве сенсора для обнаружения ионов кадмия [35]. Посредством электростатического взаимодействия ионы кадмия адсорбировались на отрицательно заряженные КТ, что приводило к усилению рекомбинации пары донор/акцептор и пассивации поверхностных дефектов КТ, в связи с чем, присутствие ионов кадмия увеличивало интенсивность флуоресценции КТ. Данный сенсор способен определять ионы кадмия в пробах воды в диапазоне концентраций 0.1–290 мкМ с ПрО 37.8 нМ.

Хорошие селективность и чувствительность (ПрО 15 нМ) достигнуты в работе [36] по обнаружению ионов меди с применением КТ AgInS2, модифицированных додецилтриметиламмоний бромидом в качестве поверхностного агента. Добавление ионов меди к КТ приводило к тушению флуоресценции КТ, обусловленному переносом электрона на медь(II), что подтверждалось данными рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Модифицированные меркаптопропионовой кислотой и полиэтиленимином КТ AgInS2 использованы в работе [37] для обнаружения гормона дофамина в сыворотке крови. Интенсивность флуоресценции синтезированных КТ линейно уменьшалась при увеличении концентрации дофамина в диапазоне 0.5–300 мкМ с ПрО 2.84 нМ. Авторы предполагают, что механизм тушения флуоресценции связан с фотоиндуцированными электронами, мигрировавшими из КТ в дофаминхинон, которые возникли в результате окисления дофамина окружающим кислородом.

Кроме методов, основанных на тушении или усилении сигнала флуоресценции КТ в присутствии различных ионов или молекул, существуют методы, использующие КТ для визуализации специфических взаимодействий, например, антиген–антитело [38]. Сущность такого подхода состоит в использовании КТ в роли флуоресцентных меток антигенов, либо специфичных антител. В работе [39] применили подход антиген/антитело для разработки иммунохроматографического анализа с КТ CuInZnS/ZnS//ZnS в качестве флуоресцентных меток для определения С-реактивного белка (маркер воспаления). Диапазон определяемых содержаний С-реактивного белка в сыворотке крови составил 0–800 нг/мл с пределом обнаружения 5.8 нг/мл. Авторами работы [40] разработана методика определения человеческого интерлейкина-6 с использованием КТ CuInS/ZnS в “сэндвич-формате” иммуноанализа. Микроволновый синтез КТ CuInS/ZnS позволил получить КТ, испускающие свет в видимом диапазоне спектра. Полученные КТ применили в качестве меток в иммунофлуоресцентном анализе для определения интерлейкина-6 с пределом обнаружения 0.008 нг/мл. Авторы отмечают возможность использования полученных КТ в медицинской диагностике для определения биомаркеров рака и других заболеваний.

Помимо определения маркеров различных заболеваний показана возможность применения тройных КТ для контроля различных низкомолекулярных соединений – микотоксинов, фолиевой кислоты и др., что важно для мониторинга качества продуктов питания и объектов окружающей среды (табл. 1). Квантовые точки состава AgInS/ZnS, синтезированные водным методом, применены в качестве люминесцентной метки в иммунохроматографическом анализе для полуколичественного определения и качественного обнаружения фолиевой кислоты в образцах сока в течение 20 мин с пределом обнаружения 0.1 нг/мл [41]. Сперанская и соавт. [42] методом высокотемпературного органического синтеза синтезировали КТ CuInS/ZnS, покрытые ПЭГ-содержащим браш-полимером, с КВ ФЛ более 50%. Продемонстрировано успешное связывание КТ с антителами для иммунофлуоресцентного определения афлатоксина B1 (микотоксин) с ПрО 0.03 нг/мл. Авторы отметили, что использование метки на основе КТ состава I–III–VI2 позволило повысить чувствительность анализа в четыре раза по сравнению с ферментативной меткой.

Таблица 1.

Применение тройных квантовых точек в химическом анализе

Область применения Аналит Образец КТ Метод синтеза Механизм взаимо-действия Линейный диапазон ПрО Литера-тура
тип КТ λвозб, нм λФЛ, нм КВ ФЛ, % размер, нм
Анализ объектов окружающей среды Cd2+ Водные растворы AgInZnS Н/д 556 До 41 ~4 Водный Адсорбция ионов Cd2+ за счет электростатических взаимодействий → → усиление ФЛ КТ 0.1–290 мкМ 37.8 наноМ [35]
Cu2+ Водные растворы Zn-AIS 365 601 31.2 4.5 Высоко- темпера- турный Тушение с переносом электрона 0.05–10 мкМ 15 наноМ [36]
Клинический анализ Дофамин Сыворотка
крови человека 		AIS Н/д 530–670 8.76 2.1 ± 0.77 Гидро- термаль- ный Тушение ФЛ 0.5–300 мкМ 2.84 наноМ [37]
С-реактивный белок Сыворотка крови человека CuInZnS/ ZnS//ZnS 365 537 ≤58 7.8 ± 1.2 Высоко- темпера- турный Подавление ФЛ из-за взаимодействия антиген−антитело 0–800 нг/мл 5.8 нг/мл [39]
Интерлейкин-6 человека – CIS/ZnS Н/д 540–680 24 ∼3.3 Микро- волновый Подавление ФЛ из-за взаимодействия антиген−антитело 0.02 нг/мл до 20 нг/мл 0.008 нг/мл [40]
Глюкоза – AIS-ПЭИ 420 560 До 32 3.1 Водный Тушение ФЛ переносом электрона 1–10 мкМ и 10–1000 мкМ 0.90 мкМ [34]
Анализ пищевых продуктов Афлатоксин B1 Кукуруза и пшеница CIS/ZnS Н/д 650 50 ≈4.5 Высоко- темпера- турный Ферментативный метод, тушение ФЛ 0.5–18 мкг/кг 0.6 мкг/кг [42]
Фолиевая кислота Фруктовые соки AIS/ZnS 410 590 38 <7 Водный Подавление ФЛ из-за взаимодействия антиген−антитело 2–47 нг/мл 0.1 нг/мл [41]

Обозначения: КВ – квантовый выход, КТ – квантовая точка, Н/д – недоступные данные, ПрО – предел обнаружения, ПЭИ – полиэтиленимин, ФЛ – флуоресценция.

Биоаналитические сенсорные платформы на основе КТ могут также использовать Ферсеровский резонансный перенос энергии (ФРПЭ). В этом случае энергия предается от донора энергии (КТ) к акцептору за счет диполь-дипольных взаимодействий [3]. Длительное время жизни ФЛ тройных КТ способствует разработке сенсорных систем нового поколения. Так, Кузнецова и соавт. [43] разработали систему мультиплексного анализа с временным разрешением на основе КТ AgInS2/ZnS (донор) и цианинового красителя (акцептор), которая основана на тушении флуоресценции КТ. Показано, что в комплексах КТ AgInS2/ZnS с цианиновыми красителями Cy3 и Cy5 происходит эффективный ФРПЭ при значительном увеличении интенсивности и времени жизни ФЛ красителей Cy3 и Cy5 с 0.6 и 0.5 нс до 5 и 9 нс соответственно. Эта же научная группа [44] продемонстрировала платформу на основе ФРПЭ между КТ AgInS2/ZnS, внедренными в матрицу-носитель на основе полимерных микросфер, и двумя цианиновыми красителями. Уменьшение расстояния между КТ и красителем приводило к тушению флуоресценции КТ. По данным авторов, данная платформа имеет потенциал для разработки селективных и чувствительных датчиков для мультиплексного определения различных биомаркеров.

Таким образом, использование низкотоксичных КТ структуры I–III–VI2 для определения различных биологических соединений имеет преимущества по сравнению с традиционными подходами на основе органических красителей и белковых флуорофоров с точки зрения чувствительности, стабильности и возможности мультиплексирования, несмотря на начальный этап их применения.

Биомедицина. Применение КТ состава I–III–VI2 в биовизуализации молекул может предоставить ключевую информацию при изучении физиологических процессов или диагностике заболеваний. Возросший интерес к данной тематике обусловлен не только малыми размерами КТ, настраиваемой эмиссией вплоть до ближней ИК-области (окно прозрачности биоткани 650–1350 нм), хорошей стабильностью и яркостью излучения, но и отсутствием ионов тяжелых металлов (Cd, Pb, Hg) в их составе, так как одной из проблем применения бинарных КТ в биологии является их потенциальная токсичность [2, 45, 46]. Важно понимать, что уровень биотоксичности КТ обусловлен не только внутренней токсичностью ионов металлов, входящих в состав КТ, но и покрывающими поверхность КТ лигандами, концентрацией, способом доставки и биораспределением в организме.

Опубликованные работы демонстрируют потенциал применения тройных КТ I–III–VI2 в современных исследованиях по тераностике [19]. Для направленной доставки и нацелевания на специальные антигены, КТ должны быть функционализированы с помощью соответствующих нацеливающих агентов, таких как аптамер, антитело или биоспецифические лиганды (фолиевая кислота). Например, в работе [47] представлена стратегия ковалентного связывания КТ AgInS2/ZnS, покрытых амфифильным полимером поли(малеиновым ангидридом-альт-1-октадеценом) с противораковым производным фолиевой кислоты метотрексатом. С помощью анализа пролиферации клеток установлено, что клетки рака шейки матки (HeLa) сохранили >80% жизнеспособных клеток через 24 ч при концентрациях до 300 мкг/мл. Кроме того, с помощью МТТ-теста показано, что этот наноматериал оказывает дозозависимое антипролиферативное действие на раковые клетки. Эти важные особенности предполагают, что КТ AgInS2/ZnS, конъюгированные с метотрексатом, могут стать новым кандидатом для диагностики и лечения рака в будущем. В работе [48] использовали КТ AgInS2, помеченные фолиевой кислотой в качестве нацеливающего агента и метотрексатом в качестве противоопухолевого препарата, для фототермической и комбинированной терапии рака. Метотрексат, доставляемый с КТ, меченный фолиевой кислотой, снижал жизнеспособность клеток HeLa в зависимости от дозы и времени, снижая IC50 метотрексата с 10 мкг/мл до 5–2.5 мкг/мл за 24–48 ч. Сообщалось [49], что КТ CuInS2, полученные гидротермальным методом и люминесцирующие в ИК-области, конъюгированы с противораковым препаратом доксорубицином; при этом происходит эффективная доставка доксорубицина к раковым клеткам-мишеням.

Авторы работы [50] использовали КТ AgInS2/ZnS и карбоксиметилцеллюлозу в качестве стабилизирующего лиганда для мультиплексной визуализации клеток злокачественной глиомы (U-87 MG) in vitro, показав их перспективы в качестве современной наноплатформы для мультимодальной биовизуализации.

Кроме описанных выше подходов, применяются КТ, допированные гадолинием и марганцем с целью придания КТ магнитных свойств [51–53]. Это позволит отслеживать морфологические изменения мягких тканей на уровне всего организма и дать оценку развитию заболевания. Так, группа исследователей [52] сообщила о возможности допирования гадолинием КТ CuInS2/ZnS и использовании полученной системы в качестве нанозонда для мультимодальной визуализации раковых клеток HeLa. Таким образом, допирование КТ парамагнитными ионами позволяет осуществлять адресную доставку в интересующую ткань и обеспечивать мультимодальную визуализацию, которая играет решающую роль в клинической диагностике.

Несмотря на значительные успехи применения некадмиевых КТ структуры I–III–VI2 в качестве низкотоксичных нанозондов и наноносителей в биомедицинских исследованиях, вопрос об их долгосрочном воздействии in vivo еще предстоит изучить.

* * *

Востребованность новых аналитических методов с улучшенной чувствительностью, хорошей воспроизводимостью и высокой селективностью обусловила интерес к полупроводниковым КТ структуры I–III–VI2 и, как следствие, к большому разнообразию способов их получения и модификации. Образцы КТ, обладающие хорошим распределением по размеру, сферической формой и высокими значениями КВ ФЛ получают с применением подходов высокотемпературного и инъекционного методов синтеза, подобно бинарным КТ. Однако возможность получения разных фракций КТ в зависимости от размера, отсутствие сложных процедур очистки и гидрофилизации, а также удовлетворительные оптические характеристики делают водные методики синтеза КТ также перспективными и востребованными. Следует, однако, отметить, что существуют еще некоторые нерешенные вопросы, связанные с механизмом люминесценции тройных КТ, их структурой и влиянием на процессы синтеза КТ и их свойства. Тем не менее опубликованные работы по аналитическом применению некадмиевых КТ показали хорошую чувствительность (ПрО на уровне наномолярных концентраций), селективность и биосовместимость, однако вопрос об их долгосрочном воздействии in vivo еще предстоит изучить.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 20-13-00195).

Список литературы

  1. Knowles K.E., Hartstein K.H., Kilburn T.B., Marchioro A., Nelson H.D., Whitham P.J., Gamelin D.R. Luminescent colloidal semiconductor nanocrystals containing copper: Synthesis, photophysics, and applications // Chem. Rev. 2016. V. 116. № 18. P. 10820.

  2. Jain S., Bharti S., Bhullar G.K., Tripathi S.K. I–III–VI core/shell QDs: Synthesis, characterizations and applications // J. Lumin. 2020. V. 219. Article 116912.

  3. Muñoz R., Santos E.M., Galan-Vidal C.A., Miranda J.M., Lopez-Santamarina A., Rodriguez J.A. Ternary quantum dots in chemical analysis. Synthesis and detection mechanisms // Molecules. 2021. V. 26. № 9. P. 2764.

  4. Chen B., Zhong H., Zhang W., Tan Z. A., Li Y., Yu C., Zhai T., Bando Y., Yang S., Zou B. Highly emissive and color-tunable CuInS2-based colloidal semiconductor nanocrystals: Off-stoichiometry effects and improved electroluminescence performance // Adv. Funct. Mater. 2012. V. 22. № 10. P. 2081.

  5. Jing L., Kershaw S.V., Li Y., Huang X., Li Y., Rogach A.L., Gao M. Aqueous based semiconductor nanocrystals // Chem. Rev. 2016. V. 116. № 18. P. 10623.

  6. van Der Stam W., Berends A.C., de Mello Donega C. Prospects of colloidal copper chalcogenide nanocrystals // Chem. Phys. Chem. 2016. V. 17. № 5. P. 559.

  7. Liu L., Li H., Liu Z., Xie Y. H. Structure and band gap tunable CuInS2 nanocrystal synthesized by hot-injection method with altering the dose of oleylamine // Mater. Des. 2018. V. 149. P. 145.

  8. Cichy B., Wawrzynczyk D., Samoc M., Stręk W. Electronic properties and third-order optical nonlinearities in tetragonal chalcopyrite AgInS2, AgInS2/ZnS and cubic spinel AgIn5S8, AgIn5S8/ZnS quantum dots // J. Mater. Chem. C. 2017. V. 5. № 1. P. 149.

  9. Moodelly D., Kowalik P., Bujak P., Pron A., Reiss P. Synthesis, photophysical properties and surface chemistry of chalcopyrite-type semiconductor nanocrystals // J. Mater. Chem. C. 2019. V. 7. № 38. P. 11665.

  10. Cai C., Zhai L., Ma Y., Zou C., Zhang L., Yang Y., Huang S. Synthesis of AgInS2 quantum dots with tunable photoluminescence for sensitized solar cells // J. Power Sources. 2017. V. 341. P. 11.

  11. Protesescu L., Yakunin S., Bodnarchuk M.I., Krieg F., Caputo R., Hendon C.H., Yang R.X., Walsh A., Kovalenko M. V. Nanocrystals of cesium lead halide perovskites (CsPbX3, X = Cl, Br, and I): Novel optoelectronic m-aterials showing bright emission with wide color ga-mut // Nano Lett. 2015. V. 15. № 6. P. 3692.

  12. Абрамова А.М., Горячева О.А., Дрозд Д.Д., Новикова А.С., Пономарева Т.С., Строкин П.Д., Горяева И.Ю. Люминесцентные полупроводниковые квантовые точки в химическом анализе // Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 3. С. 195. (Abramova A.M., Goryacheva O.A., Drozd D.D., Novikova A.S., Ponomareva T.S., Strokin P.D., Goryacheva I.Y. Luminescence semiconductor quantum dots in chemical analysis // J. Anal. Chem. 2021. V. 76. № 3. P. 273.)

  13. Zhang C., Xia Y., Lian L., Fu X., Yin L., Zhang J., Luo W., Miao X., Zhang, D. Dependence of the photoluminescence of hydrophilic CuInS2 colloidal quantum dots on Cu-to-In molar ratios // J. Electron. Mater. 2019. V. 48. № 1. P. 286.

  14. Soares J. X., Wegner K.D., Ribeiro D.S., Melo A., Häusler I., Santos J.L., Resch-Genger U. Rationally designed synthesis of bright AgInS2/ZnS quantum dots with emission control // Nano Res. 2020. V. 13. № 9. P. 2438

  15. Raevskaya A., Lesnyak V., Haubold D., Dzhagan V., Stroyuk O., Gaponik N., Zahn D.R.T., Eychmüller A. A fine size selection of brightly luminescent water-soluble Ag-In-S and Ag-In-S/ZnS quantum dots // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121. № 16. P. 9032.

  16. Zhou P., Zhang X., Liu X., Xu J., Li L. Temperature-dependent photoluminescence properties of quaternary ZnAgInS quantum dots // Opt. Express. 2016. V. 24. № 17. P. 19506.

  17. Li S., Tang X., Zang Z., Yao Y., Yao Z., Zhong H., Chen B. I–III–VI chalcogenide semiconductor nanocrystals: Synthesis, properties, and applications // Chinese J. Catal. 2018. V. 39. № 4. P. 590.

  18. Zhu C., Chen Z., Gao S., Goh B. L., Samsudin I. B., Lwe K.W., Wu Y., Wu C., Su X. Recent advances in non-toxic quantum dots and their biomedical applications // Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 2019. V. 29. № 6. P. 628.

  19. Ranjbar-Navazi Z., Omidi Y., Eskandani M., Davaran S. Cadmium-free quantum dot-based theranostics // Trends Anal. Chem. 2019. V. 118. P. 386.

  20. Kokorina A.A., Ponomaryova T.S., Goryacheva I.Y. Photoluminescence-based immunochemical methods for determination of C-reactive protein and procalcitonin // Talanta. 2021. V. 224. Article 121837.

  21. Reiss P., Carriere M., Lincheneau C., Vaure L., Tamang S. Synthesis of semiconductor nanocrystals, focusing on nontoxic and earth-abundant materials // Chem. Rev. 2016. V. 116. № 18. P. 10731.

  22. Gong F., Tian S., Liu B., Xiong D., Zhao X. Oleic acid assisted formation mechanism of CuInS2 nanocrystals with tunable structures // RSC Adv. 2014. V. 4. № 69. P. 36875.

  23. Girma W.M., Fahmi M.Z., Permadi A., Abate M.A., Chang J.Y. Synthetic strategies and biomedical applications of I–III–VI ternary quantum dots // J. Mater. Chem. B. 2017. V. 5. № 31. P. 6193.

  24. Tsolekile N., Parani S., Matoetoe M.C., Songca S.P., Oluwafemi O.S. Evolution of ternary I–III–VI QDs: Synthesis, characterization and application // Nano-Structures and Nano-Objects. 2017. V. 12. P. 46.

  25. Ye Y., Yang Z., Zhao Z., Zheng K., Yang B., Liu J., Ye B, Gong Z., Xu S. Efficient multi-shell CuInS2/ZnS/ZnS quantum-dots based light-emitting diodes: Time-controlled synthesis of quantum-dots and carrier balance effects of PEI // Opt. Mater. 2020. V. 106. Article 109926.

  26. Xiang W., Xie C., Wang J., Zhong J., Liang X., Yang H., Luo L., Chen Z. Studies on highly luminescent AgInS2 and Ag–Zn–In–S quantum dots // J. Alloys Compd. 2014. V. 588. P. 114.

  27. Parani S., Oluwafemi O. S. Selective and sensitive fluorescent nanoprobe based on AgInS2-ZnS quantum dots for the rapid detection of Cr(III) ions in the midst of interfering ions // Nanotechnology. 2020. V. 31. № 39. Article 395501.

  28. May B.M., Parani S., Oluwafemi O.S. Detection of ascorbic acid using green synthesized AgInS2 quantum dots // Mater. Lett. 2019. V. 236. P. 432.

  29. Chen T., Hu X., Xu Y., Wang L., Jiang W., Jiang W., Xie Z. Hydrothermal synthesis of highly fluorescent Ag–In–S/ZnS core/shell quantum dots for white light-emitting diodes // J. Alloys Compd. 2019. V. 804. P. 119.

  30. Hu X., Chen T., Xu Y., Wang M., Jiang W., Jiang W. Hydrothermal synthesis of bright and stable AgInS2 quantum dots with tunable visible emission // J. Lumin. 2018. V. 200. P. 189.

  31. Chen S., Ahmadiantehrani M., Zhao J., Zhu S., Mamalis A.G., Zhu X. Heat-up synthesis of Ag-In-S and Ag-In-S/ZnS nanocrystals: Effect of indium precursors on their optical properties // J. Alloys Compd. 2016. V. 665. P. 137.

  32. Liu S., Li Y., Su X. Determination of copper(ii) and cadmium(ii) based on ternary CuInS2 quantum dots // Anal. Methods. 2012. V. 4. № 5. P. 1365.

  33. Goryacheva O.A., Novikova A.S., Drozd D.D., Pidenko P.S., Ponomaryeva T.S., Bakal A.A., Mishra P.K., Beloglazova N.V., Goryacheva I. Y. Water-dispersed luminescent quantum dots for miRNA detection // Trends Anal. Chem. 2019. V. 111. P. 197.

  34. Wang L., Kang X., Pan D. Gram-scale synthesis of hydrophilic PEI-coated AgInS2 quantum dots and its application in hydrogen peroxide/glucose detection and cell imaging // Inorg. Chem. 2017. V. 56. № 11. P. 6122.

  35. Liu Y., Tang X., Deng M., Zhu T., Edman L., Wang J. Hydrophilic AgInZnS quantum dots as a fluorescent turn-on probe for Cd2+ detection // J. Alloys Compd. 2021. V. 864. P. Article 158109.

  36. Liu Y., Deng M., Zhu T., Tang X., Han S., Huang W., Shi Y., Liu A. The synthesis of water-dispersible zinc doped AgInS2 quantum dots and their application in Cu2+ detection // J. Lumin. 2017. V. 192. P. 547.

  37. Shi H., Jia L., Wang C., Liu E., Ji Z., Fan J. A high sensitive and selective fluorescent probe for dopamine detection based on water soluble AgInS2 quantum dots // Opt. Mater. 2020. V. 99. P. 109549.

  38. Foubert A., Beloglazova N.V., Rajkovic A., Sas B., Madder A., Goryacheva I.Y., De Saeger S. Bioconjugation of quantum dots: Review & impact on future application // Trends Anal. Chem. 2016. V. 83. P. 31.

  39. Wu R., Zhou S., Chen T., Li J., Shen H., Chai Y., Li L.S. Quantitative and rapid detection of C-reactive protein using quantum dot-based lateral flow test strip // Anal. Chim. Acta. 2018. V. 1008. P. 1.

  40. Xiong W.W., Yang G.H., Wu X.C., Zhu J.J. Aqueous synthesis of color-tunable CuInS2/ZnS nanocrystals for the detection of human interleukin 6 // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. V. 5. № 16. P. 8210.

  41. Novikova A.S., Ponomaryova T.S., Goryacheva I.Y. Fluorescent AgInS/ZnS quantum dots microplate and lateral flow immunoassays for folic acid determination in juice samples // Microchim. Acta. 2020. V. 187. № 8. P. 1.

  42. Speranskaya E.S., Beloglazova N.V., Abé S., Aubert T., Smet P.F., Poelman D., Goryacheva I.Y., De Saeger S., Hens Z. Hydrophilic, bright CuInS2 quantum dots as Cd-free fluorescent labels in quantitative immunoassay // Langmuir. 2014. V. 30. № 25. P. 7567.

  43. Kuznetsova V., Tkach A., Cherevkov S., Sokolova A., Gromova Y., Osipova V., Baranov M., Ugolkov V., Fedo-rov A., Baranov A. Spectral-time multiplexing in fret complexes of AgInS2/ZnS quantum dot and organic dyes // Nanomaterials. 2020. V. 10. № 8. P. 1.

  44. Kuznetsova V., Osipova V., Tkach A., Miropoltsev M., Kurshanov D., Sokolova A., Cherevkov S., Zakharov V., Fedorov A., Gun’ko Y., Baranov A. Lab-on-microsphere-fret-based multiplex sensor platform // Nanomaterials. 2021. V. 11. № 1. P. 1.

  45. Lian W., Tu D., Hu P., Song X., Gong Z., Chen T., Song J., Chen Z., Chen X. Broadband excitable NIR-II luminescent nano-bioprobes based on CuInSe2 quantum dots for the detection of circulating tumor cells // Nano Today. 2020. V. 35. Article 100943.

  46. Wang L., Xu D., Gao J., Chen X., Duo Y., Zhang H. Semiconducting quantum dots: Modification and applications in biomedical science // Sci. China Mater. 2020. V. 63. № 9. P. 1631.

  47. Wu P.J., Ou K.L., Chen J.K., Fang H.P., Tzing S.H., Lin W.X., Chang J.Y. Methotrexate-conjugated AgInS2/ZnS quantum dots for optical imaging and drug delivery // Mater. Lett. 2014. V. 128. P. 412.

  48. Hashemkhani M., Muti A., Sennaroğlu A., Acar H.Y. Multimodal image-guided folic acid targeted Ag-based quantum dots for the combination of selective methotrexate delivery and photothermal therapy // J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 2020. V. 213. Article 112082.

  49. Gao X., Liu Z., Lin Z., Su X. CuInS2 quantum dots/poly(l-glutamic acid)–drug conjugates for drug delivery and cell imaging // Analyst. 2014. V. 139. № 4. P. 831.

  50. Mansur A.A., Mansur H.S., Carvalho S.M., Caires A.J. One-pot aqueous synthesis of fluorescent Ag-In-Zn-S quantum dot/polymer bioconjugates for multiplex optical bioimaging of glioblastoma cells // Contrast Media Mol. Imaging. 2017. V. 2017. Article ID 3896107.

  51. Gedda G., Chen G.R., Yao Y.Y., Girma W.M., Li J.D., Yen C.L., Ling Y.C., Chang J.Y. Aqueous synthesis of dual-targeting Gd-doped CuInS2/ZnS quantum dots for cancer-specific bi-modal imaging // New J. Chem. 2017. V. 41. № 23. P. 14161.

  52. Chen S., Zaeimian M.S., Monteiro J.H., Zhao J., Mamalis A.G., de Bettencourt-Dias A., Zhu X. Mn doped AIZS/ZnS nanocrystals: Synthesis and optical properties // J. Alloys Compd. 2018. V. 725. P. 1077.

  53. Chetty S.S., Praneetha S., Vadivel Murugan A., Govarthanan K., Verma R.S. Human umbilical cord Wharton’s jelly-derived mesenchymal stem cells labeled with Mn2+ and Gd3+ co-doped CuInS2-ZnS nanocrystals for multimodality imaging in a tumor mice model // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 3. P. 3415.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал аналитической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал