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Vol. 33 高等学校化学学报 No. 6 2012 年 6 月摇摇摇摇摇摇 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 摇摇摇摇摇摇 1195 ~ 1204 配体对 CdTe 量子点与 BSA 的选择性相互作用的影响王珊珊, 王雪婷, 郭明明, 于俊生 ( 南京大学化学化工学院, 生命分析化学国家重点实验室, 南京 210093) 摘要摇以巯基乙酸 (TGA) 巯基丙酸 (MPA) 巯基甘油 (TG) L 鄄半胱氨酸 ( L 鄄 cys) 和谷胱甘肽 ( GSH) 等 5 种巯基分子为稳定剂, 水相合成了 5 种 CdTe 量子点. 以牛血清白蛋白 (BSA) 作为靶分子, 通过吸收光谱荧光光谱和时间分辨荧光动力学等手段研究了各种配体分子稳定的 CdTe 量子点与 BSA 的直接相互作用. 结果表明, 5 种量子点均能有效猝灭 BSA 的荧光, 其猝灭程度按配体次序为 GSH>L 鄄 cys>tga>tg>mpa; 而 BSA 对不同配体稳定的 CdTe 量子点的荧光光谱的影响则具有明显的选择性. BSA 对 TGA 鄄 CdTe 和 MPA 鄄 CdTe 量子点的荧光先敏化增强而后猝灭下降 ; L 鄄 cys 分子由于同时具有氨基和羧基而与 BSA 的相互作用较强, 因此 BSA 能显著猝灭 L 鄄 cys 鄄 CdTe 量子点的荧光 ; 而 BSA 对 TG 鄄 CdTe 量子点的荧光猝灭程度较小 ; GSH 分子的空间效应使 GSH 鄄 CdTe 量子点的荧光被 BSA 猝灭的程度最小. 吸收光谱和时间分辨荧光动力学研究表明, 5 种量子点与 BSA 之间的相互作用均为静态过程. 探讨了量子点的配体分子结构与蛋白质的相互作用机理. 关键词摇 CdTe 量子点 ; 配体影响 ; 牛血清白蛋白 ; 选择性相互作用 ; 光致发光中图分类号摇 O657 郾 3 摇摇摇摇文献标识码摇 A 摇摇摇摇 DOI: 10. 3969 / j. issn. 0251 鄄 0790. 2012. 06. 014 半导体量子点由于具有独特的光电特性而备受关注. 与传统的有机染料分子相比, 半导体量子点的吸收光谱宽而连续, 发射光谱形状对称半峰宽较窄, 且吸收峰的位置和发射波长随量子点的尺寸 [1 ~ 3] 大小可调. 因此, 半导体量子点作为生物荧光探针和荧光共振能量转移中的能量给体 [4,5], 以及在 [6,7] 生物成像等领域的应用具有广阔的发展前景. 半导体量子点作为生物探针与生物大分子相互作用形成生物共轭体主要通过 2 种途径 : 一种是通过化学偶联剂 [8] ( 如 EDC / sulfo 鄄 NHS), 使量子点表面的稳定剂分子与靶分子反应成键, 或者与生物素 / 亲和素和抗原 / 抗体作用 [9] ; 另一种途径是基于量子点表面配体分子的功能基团与生物分子直接相互作用. 然而, 无论量子点与靶分子的结合方式如何, 量子点表面的稳定剂分子的结构对于其与生物分子共轭均具有关键作用. 目前, 水相合成的 CdTe 半导体量子点使用的配体分子主要为巯基类分子. 这类分子中除含有巯基外, 通常还含有羧基 ( COOH) 羟基 ( OH) 或氨基 ( NH 2 ) 等功能团. 这些基团在与不同靶分子的标记中具有不同的选择性键合作用. 系统地研究各种配体分子对量子点与生物分子选择性键合作用的影响, 不仅有利于理解不同配体稳定的量子点与生物分子的作用机理, 而且对量子点探针的筛选具有实际意义. 本文选择巯基乙酸 ( TGA) 巯基丙酸 ( MPA) 巯基甘油 ( TG) L 鄄半胱氨酸 ( L 鄄 cys) 和谷胱甘肽 ( GSH) 等 5 种不同的巯基分子作为稳定剂, 水相合成了 5 种 CdTe 量子点. 以牛血清白蛋白 (BSA) 作为靶分子, 通过吸收光谱荧光光谱和时间分辨荧光动力学等手段研究了各种配体分子稳定的 CdTe 量子点与 BSA 的直接相互作用. 结果表明, CdTe 量子点表面的配体分子结构直接影响量子点与 BSA 的相互作用程度. 5 种 CdTe 量子点均能显著猝灭蛋白质的荧光, 而 BSA 对 5 种量子点的荧光光谱的影响则有明显的选择性. 时间分辨荧光动力学研究结果表明, 二者的相互作用为静态过程, 并进一步探讨收稿日期 : 2011 鄄 06 鄄 22. 基金项目 : 国家自然科学基金 ( 批准号 : 20875045) 国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金 ( 批准号 : 20821063) 和国家九七三冶计划项目 ( 批准号 : 2010CB732401) 资助. 联系人简介 : 于俊生, 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事半导体纳米晶生物探针及生物分析化学研究. E 鄄 mail: jsyu@ nju. edu. cn

1196 高等学校化学学报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 Vol. 33 摇了蛋白质与不同配体分子稳定的 CdTe 量子点的相互作用机理. 1 摇实验部分 1. 1 摇试剂与仪器氯化镉 (CdCl 2 2 郾 5H 2 O) 碲粉 ( 纯度 99 郾 8%, ~ 200 目, 美国 Aldrich 公司 ) 硼氢化钠 (NaBH 4 ) L 鄄半胱氨酸 (L 鄄 cys) 巯基乙酸 ( TGA) 氢氧化钠无水乙醇牛血清白蛋白 ( BSA, 纯度 99%, Sigma 公司 ) 三羟甲基氨基甲烷 ( Tris) 浓盐酸和氯化钠均为分析纯, 实验用水均为超纯水 (18 郾 2 M 赘 cm). 日本 JEOL 公司 JEM 鄄 200CX 型透射电镜 ( 工作电压为 200 kv); 荷兰 Philips 公司 Philips X 爷 Pert PRO 型 X 射线衍射仪 (Cu 靶, 姿 = 0 郾 15418 nm); 日本岛津公司 UV 鄄 3600 型紫外鄄可见近红外分光光度计 ; 日本岛津公司 RF 鄄 5301 型荧光光谱仪 ; 英国 Edinburgh 公司 NF900 型荧光光谱仪 ; Model PHs 鄄 2C 型酸度仪 ( 上海大中分析仪器厂 ). 1. 2 摇 CdTe 量子点的制备参照文献 [10] 方法, 利用 Cd 2+ 和 NaHTe 反应制备 CdTe 纳米晶. 其中, 反应物 Cd 2 + / Te / TGA( 或 MPA, TG, L 鄄 cys, GSH) 的摩尔比为 1 颐 0 郾 25 颐 2 郾 4. 首先, 在氮气气氛下将 1 郾 92 mmol TGA( 或 MPA, TG, L 鄄 cys, GSH) 加入到含 0 郾 80 mmol Cd 2+ 的水溶液中, 用 1 郾 00 mol / L NaOH 溶液调节 ph 为 9 郾 00 ~ 11 郾 20(TGA, MPA 和 TG 调节到 11 郾 20, L 鄄 cys 和 GSH 分别调节到 9 郾 00 和 10 郾 50), 再注入 0 郾 20 mmol 无氧 NaHTe 溶液后即得到 CdTe 前驱体溶液. 将其在空气气氛下于 100 益加热回流, 控制回流时间可得到不同粒径的 CdTe 量子点溶液. 加入 3 ~ 5 倍体积的异丙醇沉出 CdTe 量子点, 离心分离, 将多次沉淀得到的 CdTe 烘干, 得到粉末状的 CdTe 纳米晶. 1. 3 摇 BSA 和量子点浓度的确定及光谱测定 BSA 溶液的浓度依照 BSA 分子量为 66776 而确定 [11], CdTe 量子点的浓度由以下公式计算得到 [12]. D = (9 郾 8127 伊 10-7 ) 姿 3 - (1 郾 7147 伊 10-3 ) 姿 2 + 1 郾 0064 姿 - 194 郾 84 (1) 着 = 10043D 2 郾 12 (2) A = 着 cl (3) 式中, A 为样品第一激子吸收峰的吸光度 ; c 为纳米晶样品的摩尔浓度 ( L / mol) ; l 为吸光液层的厚度 (cm); D 为纳米粒子的直径 ( nm), 姿为样品第一激子吸收峰的波长 ( nm); 着为摩尔吸光系数 (L / mol cm). 在 ph = 7 郾 40 的 Tris 鄄 HCl 缓冲体系 ( 含一定量的 NaCl) 中配制一定浓度的 BSA 和 CdTe 量子点储备液, 并按照上述方法确定浓度. 使用 20 和 100 滋 L 移液器精确移取一系列体积的 BSA 储备液, 加入到 2 ml 的 CdTe 量子点溶液中, 测定量子点的光谱. 计算浓度时, 考虑加入体积的影响. BSA 的光谱测定也采用类似方法. 测定 BSA 和 CdTe 量子点的荧光光谱时, 所用激发波长分别为 280 和 370 nm, 所有实验均在室温 (298 K) 下完成. 2 摇结果与讨论 2. 1 摇水溶性 CdTe 量子点的合成及表征采用 5 种不同的巯基分子分别合成了 5 种不同配体稳定的 CdTe 量子点. 图 1(A) 和 ( B) 分别为 2 种代表性配体 TGA 和 L 鄄 cys 稳定的 CdTe 量子点的吸收光谱和荧光光谱. 由图 1 可见, 2 种量子点的吸收光谱均呈现宽带吸收特征, 激子吸收峰明显, 分别位于 520 和 497 nm 处 ; 二者的荧光发射峰分别位于 556 和 542 nm 处. 图 2(A) 和 (B) 分别为 2 种量子点的透射电子显微镜照片. 可见, 合成的 CdTe 纳米粒子分散性较好, 粒子尺寸分布较集中, 粒子尺寸约为 2 ~ 3 nm. 2 种 CdTe 量子点的 X 射线衍射谱 [ 图 2(C) 和 (D)] 显示, 3 个特征峰的 2 兹值分别为 24 郾 7 毅, 40 郾 4 毅和 47 郾 4 毅 ( TGA 鄄 CdTe 量子点 ) 以及 26 郾 5 毅, 43 郾 8 毅和 51 郾 4 毅 (L 鄄 cys 鄄 CdTe 量子点 ), 分别对应 CdTe 立方晶系的 (111), (220) 和 (311) 晶面.

摇 No. 6 摇王珊珊等: 配体对 CdTe 量子点与 BSA 的选择性相互作用的影响 1197 Fig. 1摇 Absorption( a) and fluorescence( b) spectra of TGA鄄capped CdTe QDs( A) and L鄄cys鄄capped CdTe QDs( B) Fig. 2摇 TEM images( A, B) and XRD patterns( C, D) for TGA鄄capped CdTe QDs( A, C) and L鄄cys鄄capped CdTe QDs( B, D) 2. 2摇 BSA 对 CdTe 量子点吸收光谱的影响采用吸收光谱分别研究了 BSA 与 5 种配体稳定的 CdTe 量子点的相互作用( 图 3). 由图 3 可见, 随着 BSA 浓度的增大, 5 种 CdTe 量子点在激子吸收峰处的吸光度均呈现明显的减色效应, 其减色程度的大小依配体次序为 GSH>L鄄cys>TG>MPA>TGA. 同时, 在 5 种 CdTe 量子点的吸收光谱中均出现了等吸收点, 依上述配体次序等吸收点分别位于 622, 636, 543, 539 和 573 nm 处. 其中, MPA 稳定的量子点在加入 BSA 后, 其激子吸收峰略有红移( 约 3 nm). 减色效应以及等吸收点的出现表明 5 种 CdTe 量子点与 BSA 之间均具有较强的相互作用, 也说明 CdTe 量子点与 BSA 之间可能形成了基态复合物. Fig. 3摇 Absorption spectra of CdTe QDs capped by TGA( A), MPA( B), TG( C), L鄄cys( D) and GSH( E) at various concentrations of BSA 10 5 c( BSA) / ( mol L -1 ) : ( A) a f: 0, 3郾 00, 4郾 50, 6郾 00, 7郾 50, 9郾 00; ( B) a g: 0, 1郾 22, 2郾 02, 6郾 90, 8郾 99, 11郾 3, 14郾 3; ( C) a f: 0, 0郾 249, 0郾 980, 1郾 81, 3郾 27, 4郾 34; ( D) a g: 0, 1郾 43, 2郾 73, 3郾 91, 5郾 00, 6郾 00, 6郾 92; ( E) a i: 0, 0郾 495, 1郾 46, 2郾 38, 3郾 49, 4郾 75, 6郾 14, 7郾 63, 9郾 02. c( CdTe QDs) / ( mol L -1 ) : ( A) 5郾 46伊10-6 ; ( B) 1郾 93 伊10-5 ; ( C) 1郾 50 伊10-5 ; ( D) 1郾 37 伊 10-6 ; ( E) 3郾 46伊10-6.

1198 高等学校化学学报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 Vol. 33 摇 2. 3 摇 BSA 对 CdTe 量子点荧光光谱的影响考察了 BSA 对 5 种配体稳定的 CdTe 量子点的荧光光谱的影响 ( 图 4). 在 ph = 7 郾 40 条件下, 固定 CdTe 量子点的浓度为 5 郾 00 伊 10-8 mol / L, 当逐渐增加 BSA 的浓度时, 5 种 CdTe 量子点荧光光谱的变化存在明显差异. 随着 BSA 浓度的增大, TG[ 图 4(C)] 和 L 鄄 cys[ 图 4(D)] 稳定的 CdTe 量子点的荧光强度被显著猝灭. 当 BSA 的浓度增至 1 郾 68 伊 10-5 mol / L 时, TG 鄄 CdTe 量子点的荧光被猝灭约 50% ; 1 郾 41 伊 10-5 mol / L 的 BSA 则使 L 鄄 cys 鄄 CdTe 量子点的荧光被猝灭 95% 以上. 而相当浓度 (1 郾 96 伊 10-5 mol / L) 的 BSA 仅使 GSH 鄄 CdTe 量子点的荧光强度降低 3% [ 图 4(E)]. 与这 3 种量子点的荧光猝灭现象相反, 在不同浓度的 BSA 存在下, TGA 和 MPA 稳定的 CdTe 量子点的荧光强度均先被敏化增强 [ 图 4( A 1 ) 和 (B 1 )], 而后被猝灭 [ 图 4(A 2 ) 和 (B 2 )]. 当 BSA 的浓度从 0 增加到 6 郾 15 伊 10-6 mol / L 时, TGA 鄄 CdTe 量 Fig. 4 摇 Fluorescence spectra of CdTe QDs capped by TGA(A), MPA(B), TG(C), L 鄄 cys(d) and GSH(E) at various concentrations of BSA Inset: fluorescence sensitization curves(a 1 and B 1 ) and Stern 鄄 Volmer curves(a 2, B 2 and C E) of CdTe QDs quenched by BSA. Slits of excitation and emission: S ex = 3 nm, S em = 1 郾 5 nm(a and D); S ex = S em = 3 nm(b, C and E). (A 1 ) 10 6 c(bsa) / (mol L -1 ): a h. 0, 0 郾 108, 0 郾 337, 0 郾 796, 1 郾 30, 2 郾 74, 4 郾 58, 6 郾 15; (A 2 ) 10 5 c( BSA) / ( mol L -1 ): h p. 0 郾 615, 0 郾 866, 2 郾 09, 3 郾 62, 5 郾 35, 8 郾 88, 11 郾 2, 23 郾 8, 40 郾 6; ( B 1 ) 10 6 c ( BSA) / ( mol L -1 ): a e. 0, 0 郾 245, 0 郾 488, 0 郾 966, 1 郾 67; ( B 2 ) 10 5 c ( BSA) / ( mol L -1 ): e p. 0 郾 167, 0 郾 279, 0 郾 407, 0 郾 548, 0 郾 717, 1 郾 13, 2 郾 36, 4 郾 35, 7 郾 00, 9 郾 50, 12 郾 5, 15 郾 7; ( C) 10 5 c(bsa) / (mol L -1 ): a j. 0, 0 郾 0226, 0 郾 0562, 0 郾 143, 0 郾 426, 1 郾 68, 3 郾 70, 6 郾 39, 9 郾 84, 13 郾 4; ( D) 10 6 c( BSA) / ( mol L -1 ): a l. 0, 0 郾 320, 0 郾 635, 1 郾 07, 1 郾 45, 2 郾 13, 3 郾 18, 4 郾 22, 6 郾 26, 8 郾 27, 11 郾 2, 14 郾 1; (E) 10 4 c( BSA) / ( mol L -1 ): a h. 0, 0 郾 0983, 0 郾 196, 0 郾 482, 1 郾 55, 2 郾 28, 3 郾 02, 3 郾 70. c(cdte QDs)= 5 郾 00 伊 10-8 mol / L.

摇 No. 6 摇王珊珊等 : 配体对 CdTe 量子点与 BSA 的选择性相互作用的影响 1199 子点的荧光强度从初始强度 114 增大到 261[ 图 4( A 1 )], 增大约 2 郾 3 倍. 当继续增大 BSA 的浓度到 1 郾 12 伊 10-4 mol / L 时, 体系的荧光强度反而降低到 48[ 图 4(A 2 )], 比最大荧光强度下降了 82%. 类似地, 当 BSA 的浓度从 0 增加到 1 郾 67 伊 10-6 mol / L 时, MPA 鄄 CdTe 量子点的荧光强度从初始强度 164 升高到最大值 357, 增大约 2 郾 2 倍, 同时最大荧光发射波长红移约 12 nm[ 图 4(B 1 )]. 当继续增大 BSA 的浓度到 1 郾 25 伊 10-4 mol / L 时, 体系的最大荧光强度被猝灭至 81, 下降了 77% [ 图 4(B 2 )]. BSA 对 5 种 CdTe 量子点荧光光谱的影响可进一步通过一个简单的荧光敏化方程和猝灭剂对荧光体猝灭作用的 Stern 鄄 Volmer 方程来描述 [13] : F 0 / F = 1 + K q 子 0[Q] = 1 + K sv [Q] (4) 式中, F 0 和 F 分别为不存在和存在猝灭剂时的荧光强度 ; K q 为双分子猝灭常数 ; 子 0 为无猝灭剂时荧光分子的平均寿命 ; [Q] 为猝灭剂的浓度 ; K sv 为 Stern 鄄 Volmer 猝灭常数. BSA 对 CdTe 量子点的荧光敏化过程, 简单推导如下 : 当 BSA 加入到 CdTe 量子点溶液后, 二者反应生成复合物 QDs 鄄 BSA, 即摇摇此荧光敏化过程的平衡常数可以表示为 QDs + BSA 寅 QDs 鄄 BSA (5) K = [QDs 鄄 BSA] [QDs][BSA] 分别以 F 0 和 F 表示未加入和加入 BSA 后量子点体系的荧光强度, 并假定荧光强度与量子点的浓度存在线性关系, 则存在以下关系 : (6) F 0 邑 [QDs] 0, 摇摇 (F - F 0 ) 邑 [QDs 鄄 BSA] (7) F - F 0 = [QDs 鄄 BSA] = K[QDs][BSA] (8) F 0 [QDs] 0 [QDs] 0 由于 [QDs] = [QDs] 0 -[QDs 鄄 BSA], 且 [QDs] 0 垌 [QDs 鄄 BSA], 则式 (8) 可进一步表示为式 (9) 进一步表示成一般的敏化方程为 F - F 0 F 0 = K[BSA], or F F 0 = 1 + K[BSA] (9) F / F 0 = 1 + K [S] m (10) 式中, [S] 表示敏化剂的浓度, m 表示敏化剂的摩尔分数. 式 (10) 可以推广到任意敏化剂对荧光体的荧光敏化作用, 且当 m = 1 时 [ 即式 (9)], 其与 Stern 鄄 Volmer 方程有类似的形式. 依据敏化方程 (F / F 0 鄄 [S]) 和猝灭方程 (F 0 / F 鄄 [Q]) 得到的关系曲线如图 4(A) ~ (E) 插图所示. 由图 4(A 1 ) 插图可见, 随着 BSA 浓度的增加, TGA 鄄 CdTe 量子点的荧光敏化程度逐渐增大, 而后荧光敏化作用变缓, 说明 BSA 与量子点的结合达到新的平衡. 拟合荧光敏化曲线得到敏化常数 K 为 4 郾 22 伊 10 5 L / mol, 线性相关系数为 0 郾 989, 线性拟合方程与敏化方程的形式一致 ( 见表 1). 当继续增大 BSA 的浓度时, TGA 鄄 CdTe 量子点的荧光转而被猝灭, 相应的 Stern 鄄 Volmer 曲线如图 4(A 2 ) 插图所示. 类似地, MPA 鄄 CdTe 量子点的荧光摇摇摇摇 Table 1 摇 Fluorescence sensitization and Stern 鄄 Volmer equations, K and K sv values of Ligand Linear range / (mol L -1 ) CdTe QDs at various concentrations of BSA Fluorscence sensitization or 摇 Stern 鄄 Volmer equation Correlation coefficient K or K sv / (L mol -1 ) TGA 0 1 郾 30 伊 10-6 F / F 0 = 1 郾 21+4 郾 22 伊 10 5 [S] 0 郾 989 4 郾 22 伊 10 5 6 郾 15 伊 10-6 8 郾 88 伊 10-5 F 0 / F = 0 郾 768+3 郾 38 伊 10 4 [Q] 0 郾 995 3 郾 38 伊 10 4 MPA 0 1 郾 67 伊 10-6 F / F 0 = 1 郾 02+6 郾 77 伊 10 5 [S] 0 郾 990 6 郾 77 伊 10 5 1 郾 67 伊 10-6 7 郾 17 伊 10-6 F 0 / F = 0 郾 754+1 郾 59 伊 10 5 [Q] 0 郾 979 1 郾 59 伊 10 5 1 郾 13 伊 10-5 1 郾 25 伊 10-4 F 0 / F = 1 郾 91+1 郾 77 伊 10 4 [Q] 0 郾 992 1 郾 77 伊 10 4 TG 0 1 郾 43 伊 10-6 F 0 / F = 1 郾 06+2 郾 98 伊 10 5 [Q] 0 郾 864 2 郾 98 伊 10 5 4 郾 26 伊 10-6 9 郾 84 伊 10-5 F 0 / F = 1 郾 70+8 郾 44 伊 10 3 [Q] 0 郾 959 8 郾 44 伊 10 3 L 鄄 cys 0 2 郾 13 伊 10-6 F 0 / F = 0 郾 921+7 郾 96 伊 10 5 [Q] 0 郾 976 7 郾 96 伊 10 5 3 郾 18 伊 10-6 1 郾 41 伊 10-5 F 0 / F = -11 郾 8+4 郾 29 伊 10 6 [Q] 0 郾 974 4 郾 29 伊 10 6 GSH 0 3 郾 70 伊 10-4 F 0 / F = 1 郾 01+5 郾 13 伊 10 2 [Q] 0 郾 981 5 郾 13 伊 10 2

1200 高等学校化学学报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 Vol. 33 摇也随着 BSA 浓度的增加先被敏化而增强 [ 图 4 ( B 1 ) 插图 ]. 线性拟合得到敏化常数 K 为 6 郾 77 伊 10 5 L / mol, 线性相关系数为 0 郾 990, 线性拟合方程见表 1. BSA 浓度的进一步增大同样使体系的荧光强度被显著猝灭 [ 图 4(B 2 ) 插图 ]. 图 4(C) ~ (E) 插图分别示出了 BSA 对 TG, L 鄄 cys 和 GSH 等 3 种配体稳定的 CdTe 量子点荧光猝灭的 Stern 鄄 Volmer 曲线, 相应的猝灭方程和猝灭常数见表 1. 由图 4 插图可见, 除 L 鄄 cys 稳定的量子点的猝灭曲线向 F 0 / F 轴弯曲, 其余 4 种量子点的猝灭曲线均向 [BSA] 轴弯曲. 以上结果表明 BSA 与 5 种不同配体稳定的量子点具有选择性的相互作用. 摇摇 5 种 CdTe 量子点体系的荧光强度随 BSA 浓度的变化情况示于图 5. 图 5(A) 为 BSA 对 5 郾 00 伊 10-8 mol / L TGA 和 MPA 稳定的 CdTe 量子点的荧光敏化效率与 BSA 浓度的关系曲线, 荧光敏化效率以 (F-F 0 ) / F 0 表示. 当 BSA 的量在低浓度范围时 ( 对于 TGA 鄄 CdTe 量子点为 0 ~ 6 郾 15 伊 10-6 mol / L; 对于 MPA 鄄 CdTe 量子点为 0 ~ 1 郾 67 伊 10-6 mol / L), 随着 BSA 浓度的增加, 2 种量子点的荧光发射均被敏化增强, 荧光增强效率均达到 1 倍以上. 图 5(B) 示出了 BSA 对 TG 鄄 CdTe 和 L 鄄 cys 鄄 CdTe 2 种量子点的荧光猝灭效率随 BSA 浓度变化的关系曲线, 同时示出了 TGA 鄄 CdTe 和 MPA 鄄 CdTe 量子点被较高浓度 BSA 猝灭的关系曲线, 荧光猝灭效率以 (F 0 -F) / F 0 表示. 由于 GSH 鄄 CdTe 量子点荧光被 BSA 猝灭的程度较小, 图中未示出. 由图 5(B) 可以看出, 4 种 CdTe 量子点的荧光猝灭效率在整体上均随着 BSA 浓度的增加而增大. 其中, 在类似的 BSA 浓度下 [(1 郾 41 ~ 2 郾 36) 伊 10-5 mol / L], L 鄄 cys 鄄 CdTe 量子点被猝灭的程度最大, 荧光猝灭效率超过 95%, 其余 3 种量子点的荧光猝灭效率在 30%~ 60% 之间. 由猝灭效率曲线可见, 在较低的 BSA 浓度时, L 鄄 cys, TG 和 MPA 稳定的 CdTe 量子点的荧光猝灭效率曲线的斜率较大, 说明这 3 种量子点的荧光在低浓度的 BSA 条件下更容易被猝灭. 摇摇摇摇 Fig. 5 摇 Fluorescence sensitization efficiency curves of CdTe QDs capped by TGA, MPA( A) and fluorescence quenching efficiency curves of CdTe QDs capped by TGA, MPA, TG and L 鄄 cys(b) at various concentrations of BSA (A) a. TGA 鄄 CdTe QDs; b. MPA 鄄 CdTe QDs; (B) a. TGA 鄄 CdTe QDs; b. MPA 鄄 CdTe QDs; c. TG 鄄 CdTe QDs; d. L 鄄 cys 鄄 CdTe QDs. 2. 4 摇 CdTe 量子点对 BSA 的荧光猝灭在 BSA 的氨基酸序列中存在色氨酸芳香环 (Trp131 及 Trp214) 残基, 当以 280 nm 的波长激发时, 其在 345 nm 处会发出内源荧光 [14] [15,16]. 曾有研究报道用不同配体分子稳定的 CdTe 量子点猝灭 BSA 的荧光. 本文考察了 TGA, MPA, TG, L 鄄 cys 和 GSH 等 5 种配体稳定的 CdTe 量子点对 BSA 荧光的猝灭程度. 图 6 是在浓度为 4 郾 95 伊 10-7 mol / L 的 BSA 溶液中, 分别加入不同浓度的 5 种 CdTe 量子点得到的荧光光谱. 由图 6 可见, 5 种配体稳定的 CdTe 量子点均能有效猝灭 BSA 的荧光. BSA 的初始荧光强度为 154. 当 TGA, MPA 和 TG 等 3 种配体稳定的 CdTe 量子点的浓度为 (4 郾 54 ~ 5 郾 16) 伊 10-7 mol / L 时, BSA 的荧光强度分别下降到 18, 118 和 88, 被猝灭了 88%, 23% 和 43%. 而当 L 鄄 cys 和 GSH 稳定的 CdTe 量子点浓度均为 1 郾 58 伊 10-7 mol / L 时, BSA 的荧光强度分别降低到 11 和 8, 被猝灭了 93% 和 95%. 继续增大 CdTe 量子点的浓度导致 BSA 的荧光强度不断下降, 直至体系的荧光被完全猝灭. 此外, BSA 的荧光被 CdTe 量子点猝灭的同时, 其发射峰均红移约 3 ~ 6 nm. 在相同的实验条件下, 未观察到各种配体分子对 BSA 的荧光有猝灭作用. 图 6 插图分别为 5 种配体稳定的 CdTe 量子点对 BSA 荧光猝灭的 Stern 鄄 Volmer 曲线, 相应的猝灭方程和猝灭常数列于表 2. 由图 6 插图和表 2 可见, 除 MPA 鄄 CdTe 量子点对 BSA 的荧光猝灭呈现单一

摇 No. 6 摇王珊珊等 : 配体对 CdTe 量子点与 BSA 的选择性相互作用的影响 1201 的线性行为外, 其它 4 种配体稳定的 CdTe 量子点对 BSA 的荧光猝灭曲线均表现为向 F 0 / F 轴弯曲, 且当量子点的浓度较低时, BSA 荧光的猝灭程度较小, 而量子点的浓度较高时, BSA 的荧光被显著猝灭, 这与 BSA 对 CdTe 量子点的荧光猝灭相反. 由表 2 还可以看出, L 鄄 cys 和 GSH 稳定的 CdTe 量子点对 BSA 具有较大的猝灭常数, 表明各种配体分子结构对量子点与 BSA 的选择性键合作用有显著影响. Fig. 6 摇 Fluorescence spectra of BSA at various concentrations of CdTe QDs capped by TGA(A), MPA(B), TG(C), L 鄄 cys(d) and GSH(E) Inset: Stern 鄄 Volmer curves of BSA quenched by CdTe QDs( S ex = S em = 5 nm). ( A) 10 7 c( CdTe QDs) / ( mol L -1 ): a i. 0, 0 郾 135, 0 郾 270, 0 郾 664, 1 郾 17, 1 郾 78, 2 郾 59, 3 郾 56, 4 郾 54; ( B) 10 6 c( CdTe QDs) / ( mol L -1 ): a i. 0, 0 郾 189, 0 郾 468, 0 郾 925, 1 郾 55, 2 郾 73, 4 郾 29, 9 郾 22, 17 郾 2; (C) 10 6 c( CdTe QDs) / ( mol L -1 ): a j. 0, 0 郾 146, 0 郾 335, 0 郾 516, 0 郾 734, 0 郾 982, 1 郾 29, 1 郾 65, 1 郾 98, 2 郾 29; (D) 10 7 c(cdte QDs) / (mol L -1 ): a h. 0, 0 郾 0527, 0 郾 105, 0 郾 208, 0 郾 505, 0 郾 830, 1 郾 18, 1 郾 58; (E) 10 7 c(cdte QDs) / (mol L -1 ): a i. 0, 0 郾 117, 0 郾 232, 0 郾 464, 0 郾 691, 0 郾 918, 1 郾 14, 1 郾 36, 1 郾 58. c(bsa)= 4 郾 95 伊 10-7 mol / L. Table 2 摇 Stern 鄄 Volmer equations and K sv values of BSA quenched by CdTe QDs Ligand Linear range / (mol L -1 ) Stern 鄄 Volmer equation Correlation coefficient K sv / (L mol -1 ) 摇 TGA 0 1 郾 78 伊 10-7 摇 F 0 / F = 0 郾 973+8 郾 72 伊 10 6 [Q] 0 郾 995 8 郾 72 伊 10 6 2 郾 59 伊 10-7 4 郾 54 伊 10-7 摇 F 0 / F = -2 郾 10+2 郾 18 伊 10 7 [Q] 0 郾 958 2 郾 18 伊 10 7 摇 MPA 0 1 郾 72 伊 10-5 摇 F 0 / F = 0 郾 855+7 郾 90 伊 10 5 [Q] 0 郾 980 7 郾 90 伊 10 5 摇 TG 0 9 郾 82 伊 10-7 摇 F 0 / F = 0 郾 899+1 郾 50 伊 10 6 [Q] 0 郾 973 1 郾 50 伊 10 6 1 郾 29 伊 10-6 2 郾 29 伊 10-6 摇 F 0 / F = -2 郾 83+4 郾 48 伊 10 6 [Q] 0 郾 965 4 郾 48 伊 10 6 摇 L 鄄 cys 0 5 郾 05 伊 10-8 摇 F 0 / F = 1 郾 06+3 郾 47 伊 10 7 [Q] 0 郾 993 3 郾 47 伊 10 7 8 郾 30 伊 10-8 1 郾 58 伊 10-7 摇 F 0 / F = -4 郾 82+1 郾 17 伊 10 8 [Q] 0 郾 987 1 郾 17 伊 10 8 摇 GSH 0 6 郾 91 伊 10-8 摇 F 0 / F = 0 郾 954+1 郾 73 伊 10 7 [Q] 0 郾 959 1 郾 73 伊 10 7 9 郾 18 伊 10-8 1 郾 58 伊 10-7 摇 F 0 / F = -22 郾 2+2 郾 72 伊 10 8 [Q] 0 郾 975 2 郾 72 伊 10 8 摇摇 5 种 CdTe 量子点对 BSA 荧光强度的猝灭效率示于图 7. 由图 7 可见, 当 BSA 的浓度为 4 郾 95 伊 10-7 mol / L 时, 5 种 CdTe 量子点对 BSA 的荧光猝灭能力有显著差别. 当 TGA, MPA, TG, L 鄄 cys 和 GSH 稳定的 CdTe 量子点的浓度分别达到 1 郾 46 伊 10-7 ~ 1 郾 89 伊 10-7 mol / L 时, BSA 的荧光猝灭效率分别为 0 郾 732, 0 郾 107, 0 郾 0976, 0 郾 927 和 0 郾 954. 以上结果表明, 在较低的 CdTe 量子点浓度下, 以 L 鄄 cys 和 GSH 稳定的 CdTe 量子点对 BSA 的荧光猝灭效率可达 90% 以上, 而 MPA 和 TG 稳定的量子点对 BSA 的荧光猝灭效率则仅为 10%. 此结果与表 2 中猝灭常数一致, 说明可能存在不同的作用机理, 导致它们与 BSA 的相互作用程度有显著差别.

1202 高等学校化学学报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 Vol. 33 摇 2. 5 摇机理探讨由 5 种不同配体稳定的 CdTe 量子点与 BSA 相互作用的实验结果可以发现, 虽然 5 种量子点均能有效猝灭 BSA 的荧光 ( 图 6), 但是不同配体稳定的量子点对 BSA 荧光的猝灭程度不同 ; 而 BSA 对 5 种量子点荧光的影响却呈现出显著的差异. 表明不同配体稳定的 CdTe 量子点与 BSA 之间可能存在不同的相互作用机理和键合方式. 为探讨它们的相互作用机理, 通过时间分辨荧光光谱研究了量子点与 BSA 之间相互作用的荧光动力学过程. 选择具有代表性的 TGA 和 L 鄄 cys 稳定的 CdTe 量子点, 分别研 Fig. 7 摇 Fluorescence quenching efficiency curves of BSA at various concentrations of CdTe QDs a. TGA 鄄 CdTe QDs; b. MPA 鄄 CdTe QDs; c. TG 鄄 CdTe QDs; d. L 鄄 cys 鄄 CdTe QDs; e. GSH 鄄 CdTe QDs. 究其与 BSA 相互作用的荧光动力学行为. 图 8 是 2 种量子点水溶液体系随 BSA 浓度增加的时间分辨荧光光谱. 不存在 BSA 时测得的 TGA 鄄 CdTe 量子点在水溶液中的平均本征寿命子 0 为 35 郾 15 ns; 当 BSA 的浓度从 0 增加到 1 郾 00 伊 10-5 mol / L 时, TGA 鄄 CdTe 量子点的寿命达到 36 郾 36 ns, 略有增加. 类似地, 不存在 BSA 时, 测得 L 鄄 cys 鄄 CdTe 量子点体系的平均本征寿命子 0 为 29 郾 35 ns; 当 BSA 的浓度从 0 增加到 1 郾 00 伊 10-4 mol / L 时, 其寿命为 27 郾 92 ns, 略有下降. 图 8 插图分别给出了子 0 / 子随 BSA 浓度增加的变化关系. 可见, 增加 BSA 的浓度, 2 种量子点的寿命基本维持一个常数. 这一结果表明, BSA 对量子点的荧光敏化和猝灭过程属于静态过程. Fig. 8 摇 Time 鄄 resolved fluorescence intensity decay curves of CdTe QDs capped by TGA(A) and L 鄄 cys(b) at various concentrations of BSA 10 5 c(bsa) / (mol L -1 ): (A) a g. 0, 0 郾 0334, 0 郾 0667, 0 郾 100, 0 郾 334, 0 郾 667, 1 郾 00; (B) a i. 0, 0 郾 0334, 0 郾 0667, 0 郾 100, 0 郾 334, 0 郾 667, 1 郾 00, 5 郾 00, 10 郾 00. Concentrations of TGA 鄄 capped and L 鄄 cys 鄄 capped CdTe QDs are all 1 郾 00 伊 10-7 mol / L. Inset: plots of 子 0 / 子 vs c. 图 9 示出了 BSA 体系随 TGA 鄄 CdTe 和 L 鄄 cys 鄄 CdTe 2 种量子点浓度增大的荧光动力学行为. 在 ph = Fig. 9 摇 Time 鄄 resolved fluorescence intensity decay curves of BSA at various concentrations of CdTe QDs capped by TGA(A) and L 鄄 cys(b) 10 5 c(cdte QDs) / ( mol L -1 ): ( A) a g. 0, 0 郾 260, 0 郾 520, 0 郾 780, 1 郾 04, 1 郾 56, 2 郾 00; ( B) a g. 0, 0 郾 667, 1 郾 33, 2 郾 00, 3 郾 34, 5 郾 35, 7 郾 34. c(bsa)= 5 郾 00 伊 10-5 mol / L. Inset: plots of 子 0 / 子 vs c.

摇 No. 6 摇王珊珊等 : 配体对 CdTe 量子点与 BSA 的选择性相互作用的影响 1203 7 郾 40 的水溶液中, 不存在 CdTe 量子点时, 测得 BSA 的平均荧光寿命为 6 郾 05 ns, 此结果与文献 [14] (6 郾 30 ns) 一致. 由图 9( A) 可见, 当 TGA 鄄 CdTe 量子点的浓度从 0 逐渐增大到 2 郾 00 伊 10-5 mol / L 时, BSA 的平均荧光寿命由 6 郾 05 ns 变为 5 郾 96 ns; 由图 9(B) 可见, 当 L 鄄 cys 鄄 CdTe 量子点的浓度从 0 逐渐增大到 7 郾 34 伊 10-5 mol / L 时, BSA 的平均荧光寿命由 6 郾 05 ns 变为 5 郾 93 ns. 图 9 插图显示在不同的量子点浓度下, BSA 的子 0 / 子值近似为 1, 即在 2 种 CdTe 量子点存在下, BSA 的荧光寿命基本不变. 该结果与 BSA 存在下量子点的荧光动力学行为一致, 表明量子点对 BSA 的荧光猝灭过程也属于静态过程. 荧光动力学实验结果表明, BSA 对 5 种 CdTe 量子点的荧光敏化和猝灭以及量子点对 BSA 的荧光猝灭均属于静态过程, 说明 BSA 与 5 种量子点均能形成有效的基态复合物. 这与 BSA 存在下所得 5 种量子点的吸收光谱结果一致. 根据上述实验结果, 并结合 5 种巯基配体的分子结构 (Scheme 1), 大致可将 5 种配体分子分成 3 类, 即同时具有羧基和氨基官能团的 L 鄄 cys 和 GSH, 只有羧基官能团的 TGA 和 MPA, 以及具有羟基官能团的 TG. 可以推测, 在 ph = 7 郾 40 的条件下, 量子点配体分子的上述官能团能有效地与 BSA 的氨基和羧基发生静电相互作用, 致使 BSA 的荧光被猝灭. 同时具有氨基和羧基的 L 鄄 cys 和 GSH 与 BSA 的相互作用较大, 而仅有羧基的 TGA 次之, MPA 由于比 TGA 多一个碳链, 使其与 BSA 的相互作用同 TG 相当, 且最小. 当 BSA 与 CdTe 量子点表面及其配体分子相互作用时, 由于 BSA 与 L 鄄 cys 的相互作用较大, 从而显著地猝灭了 L 鄄 cys 鄄 CdTe 量子点的荧光 ; 而 TG 分子的羟基与 BSA 的作用较小, 使 TG 鄄 CdTe 量子点的荧光猝灭程度较小. 尽管 GSH 分子与 BSA 的相互作用较大, 但是由于 GSH 分子的空间效应, 使 GSH 鄄 CdTe 量子点的荧光被 BSA 猝灭的程度很小. 只有羧基的 TGA 和 MPA 2 种分子均为直链, 因此, 一方面通过羧基与 BSA 相互作用, 另一方面 BSA 的残基有可能直接插入到 CdTe 量子点的表面, 通过对表面的进一步修饰, 有效地减少了 CdTe 纳米粒子表面的非辐射弛豫通道, 使 TGA 和 MPA 稳定的量子点的荧光强度被敏化而增强. Scheme 2 示出了代表性的配体分子 TGA 和 L 鄄 cys 稳定的 CdTe 量子点与 BSA 的可能作用模式. Scheme 1 摇 Molecular structures of five kinds of thiol ligands Scheme 2 摇 Schematic diagram of the formation of BSA 鄄 TGA 鄄 capped CdTe QDs complex(a) and BSA 鄄 L 鄄 cys 鄄 capped CdTe QDs complex(b) in ph =7 郾 40 tris 鄄 HCl buffer solution 综上所述, 在 CdTe 量子点与 BSA 的相互作用中, 配体分子的结构决定了量子点对 BSA 的选择性键合作用. 值得指出的是, 仅含有羧基的直链巯基小分子 (TGA 和 MPA) 稳定的量子点的荧光能被 BSA 选择性敏化而增强 ; 同时含有羧基和氨基的巯基小分子 L 鄄 cys 稳定的 CdTe 量子点的荧光能被 BSA 完全猝灭 ; 而具有空间位阻效应的小分子 GSH 稳定剂则能有效地保护量子点的荧光不被 BSA 猝灭. 量子点的稳定剂分子与 BSA 选择性键合作用的这些规律对于筛选有效的生物探针具有实际意义.

1204 高等学校化学学报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 Vol. 33 摇参摇考摇文摇献 [ 1 ] 摇 Bruchez M., Moronne M., Gin P., Weiss S., Alivisatos A. P.. Science[J], 1998, 281(5385): 2013 2016 [ 2 ] 摇 Chan W. C. W., Nie S. M.. Science[J], 1998, 281(5385): 2016 2018 [ 3 ] 摇 Wu X. Y., Liu H. J., Liu J. Q., Haley K. N., Treadway J. A., Larson J. P., Ge N. F., Peale F., Bruchez M. P.. Nat. Biotech 鄄 nol. [J], 2003, 21(1): 41 46 [ 4 ] 摇 Medintz I. L., Trammell S. A., Mattoussi H., Mauro J. M.. J. Am. Chem. Soc. [J], 2004, 126(1): 30 31 [ 5 ] 摇 Clapp A. R., Medintz I. L., Mauro J. M., Fisher B. R., Bawendi M. G., Mattoussi H.. J. Am. Chem. Soc. [J], 2004, 126(1): 301 310 [ 6 ] 摇 Dubertret B., Skourides P., Norris D. J., Noireaux V., Brivanlou A. H., Libchaber A.. Science[ J], 2002, 298(5599): 1759 1762 [ 7 ] 摇 Gao X. H., Cui Y. Y., Levenson R. M., Chung L. W. K., Nie S. M.. Nat. Biotechnol. [J], 2004, 22(8): 969 976 [ 8 ] 摇 Ge S. G., Zhang C. C., Zhu Y. N., Yu J. H., Zhang S. S.. Analyst[J], 2010, 135(1): 111 115 [ 9 ] 摇 Tomlinson I. D., Mason J. N., Blakely R. D., Rosenthal S.. J. Bioorg. Med. Chem. Lett. [J], 2006, 16(17): 4664 4667 [10] 摇 LIU Ying 鄄 Fan( 刘应凡 ), YU Jun 鄄 Sheng( 于俊生 ). Chin. J. Inorg. Chem. ( 无机化学学报 )[J], 2009, 25(5): 787 793 [11] 摇 Peters T., Ed. : Putman F. W.. The Plasma Proteins, Vol. 1[M], New York: Academic Press, 1975: 133 181 [12] 摇 Yu W. W., Qu L. H., Guo W. Z., Peng X. G.. Chem. Mater. [J], 2003, 15(14): 2854 2860 [13] 摇 Lakowicz J. R.. Principles of Fluorescence Spectroscopy[M], Singapore: Springer Press, 2006: 278 283 [14] 摇 Gelamo E. L., Silva C. H. T. P., Imasato H., Tabak M.. Biochim. Biophys. Acta[J], 2002, 1594(1): 84 99 [15] 摇 Idowu M., Lamprecht E., Nyokong T.. J. Photochem. Photobiol. A[J], 2008, 198(1): 7 12 [16] 摇 MA Jin 鄄 Jie( 马金杰 ), LIANG Jian 鄄 Gong( 梁建功 ), HAN He 鄄 You( 韩鹤友 ). Spectrosc. Spect. Anal. ( 光谱学与光谱分析 ) [ J], 2010, 30(4): 1039 1043 Ligand Effects on Selective Interaction of CdTe Quantum Dots with BSA WANG Shan 鄄 Shan, WANG Xue 鄄 Ting, GUO Ming 鄄 Ming, YU Jun 鄄 Sheng * ( State Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science, School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China) Abstract 摇 Five water 鄄 soluble CdTe quantum dots( QDs) were synthesized using thioglycolic acid ( TGA), 3 鄄 mercaptopropionic acid(mpa), 1 鄄 thioglycerol(tg), L 鄄 cysteine(l 鄄 cys) and glutathione(gsh) as stabili 鄄 zers, respectively. The interaction of CdTe QDs with bovine serum albumin( BSA) was studied by UV 鄄 Vis absorption and photoluminescence spectroscopy. Experimental results demonstrated that fluorescence of BSA could be markedly quenched by all these five CdTe QDs in Tris 鄄 HCl buffer solution ( ph = 7 郾 40 ). The quenching ability of CdTe QDs to BSA is as GSH>L 鄄 cys>tga>tg>mpa in the order of ligands. However, when BSA was added into CdTe QDs solution, five CdTe QDs exhibited apparently selective responses to BSA. As the concentration of BSA increased, fluorescence intensity of CdTe QDs capped by TGA and MPA were both significantly enhanced firstly, then declined sharply. Under the same experimental conditions, fluore 鄄 scence intensity of L 鄄 cys 鄄 capped CdTe QDs was significantly quenched by BSA, and that of TG 鄄 capped CdTe QDs was only slightly quenched by BSA. While almost no change of GSH 鄄 capped QDs fluorescence was ob 鄄 served in the presence of BSA. These results indicated that ligand molecular structure of CdTe QDs played an important role in the interaction between BSA and CdTe QDs. Time 鄄 resolved luminescence dynamics suggested that the ground state complex of BSA and CdTe QDs could form by electrostatic interaction. Possible interac 鄄 tion mechanism of BSA with CdTe QDs was proposed based on the molecular structure of ligands. Keywords 摇 CdTe quantum dots(qds); Ligand effect; Bovine serum albumin(bsa); Selective interaction; Photoluminescence (Ed. : I, K)