重合中の有機色素と半導体量子ドットによるポリマーマイクロビーズの発光エンコード

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12061 (2022) この記事を引用

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発光エンコードされたマイクロビーズは、発光検出、多重化およびバーコーディング戦略を利用する生命科学および材料科学の多くの用途にとって重要なツールです。 このようなビーズの調製には、単純な膨潤手順またはレイヤーバイレイヤー（LbL）技術による表面官能化を使用した分子発光団による事前に製造されたビーズの染色が含まれることがよくあります。 あるいは、これらの発光団は、ポリマービーズを生成する重合反応中に立体的に組み込まれます。 半導体量子ドット (QD) は、広範囲に励起可能、サイズ調整可能、狭い発光帯域、低い光退色感度を示す好ましい光学特性を備えているため、QD で染色されたビーズの調製が始まりました。 しかし、これらの量子ドットのコロイドの性質と表面化学は、それらの発光特性を主に制御するため、体系的にほとんど評価されていないビーズのエンコードに新たな課題をもたらします。 発光損失を最小限に抑えながら量子ドットをビーズエンコードするための直接的なアプローチを確立するために、オレイン酸/オレイルアミンで安定化した CdSe/CdS コア/シェル量子ドットの 0.5 ～ 2.5 μm サイズのポリスチレン (PS) ミクロスフェアへの組み込みを体系的に評価しました。有機染料ナイルレッドで最初に最適化された単純な分散重合合成によって。 発光団コード化ビーズの調製で取り上げられるパラメータには、QD への塩化ベンジルジメチルオクタデシルアンモニウム (OBDAC) などのポリマー適合性リガンドの使用や、発光団の漏出を防ぐための架橋が含まれます。 得られたビーズの物理化学的および光学的特性を、電子顕微鏡、動的光散乱、光学分光法、および蛍光顕微鏡で調査しました。 粒子サイズ分布、カプセル化された QD の蛍光量子収率、および QD 漏出安定性がビーズの品質の尺度として使用されました。 導出された最適化されたビーズコード化手順により、有機色素および CdSe/CdS-QD でコード化された明るい PS マイクロビーズの再現可能な調製が可能になります。 これらのビーズは、最初に非常に強く発光した QD と比較してフォトルミネッセンス量子収率が低下しており、その値は約 35% ですが、それでもフォトルミネッセンス量子収率は中程度です。

分子またはナノスケールの発光団でコード化された発光ポリマービーズは、蛍光分光法、顕微蛍光分析、蛍光顕微鏡、フローサイトメトリーと組み合わせて、ここ数十年で生命科学および材料科学でますます採用されてきました。 このような粒子には多くの場合、タンパク質や抗体、分析物応答性色素などの認識部分を結合できる表面官能基が備わっています1、2。 これにより、（バイオ）イメージング、生物医学的アッセイ、化学センシングなど、さまざまな用途が開かれます3、4、5、6、7、8。 発光ポリマーナノビーズは細胞標識やアッセイプラットフォームによく使用されますが、ビーズベースのバイオアッセイやスペクトル多重化スキームには通常より大きなマイクロビーズが使用されます8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19。 、20、21、フローサイトメトリーまたは蛍光顕微鏡と組み合わせて、カラーエンコーディングまたは最近ではライフタイムエンコーディング22のいずれかを利用します。 ここでは、コード化されたキャリアビーズの発光色または寿命がビーズ表面化学の識別コードとして利用され、続いてビーズに結合して捕捉されたターゲットが追加のスペクトル的に識別可能な蛍光ラベルを利用して定量化されます。 ナノおよびマイクロメートルサイズのコード化ビーズは、セキュリティ、偽造防止、認証アプリケーションや印刷されたコードにも利用できます 23、24、25。

ポリマービーズの発光エンコーディングへの一般的なアプローチでは、発光団を含む無極性有機溶媒を添加することにより、あらかじめ製造されたポリスチレン（PS）またはポリメチルメタクリレート（PMMA）ビーズを膨潤させ、これにより発光団がビーズマトリックスに浸透できるようにします26、27、28。 このような手順は、たとえば、ビーズベースのプラットフォームのキャリアとして適用される、さまざまな表面機能を持つビーズの製造に使用されています5。 あるいは、事前に製造されたビーズの層ごとのコーティングを実行することもできます。 この多用途のアプローチには、コロイド半導体量子ドット (QD) や有機色素などのナノ結晶を含む逆に帯電した高分子電解質の層を段階的に堆積することが含まれます 29、30、31、32。 これにより、表面染色のみが達成され、それに応じて変化したビーズ表面化学が、その後のバイオコンジュゲーションステップに課題を課す可能性があります。 別の方法は、有機色素 33、34、35、36 とさまざまなナノ結晶 13、37、38、39、40、41、42、43 の両方について、重合反応中に発光団を組み込むことです。 ここで、発光性化合物はモノマー溶液に溶解もしくは分散されるか、または反応混合物に添加される。 この手順では、ビーズ内に均一な発光団分布を提供できますが、場合によっては過酷な重合条件に耐えることができる、適切な溶解度または分散性を備えた十分に安定したエミッターが必要です44。