文摘

量子点(量子点),有很大的潜力制造光学传感装置和成像生物材料降解在活的有机体内。在目前的研究中,2-mercaptoethylamine——(MEA)和巯基丙酸(MPA)封顶CdTe-QDs身体都纳入丝膜包含一个高(> 30%)的水晶β褶板结构的内容。β褶板是由甘油、水退火,甘油/退火,以甲醇或治疗。量子点的β折叠的形成没有影响。量子点电影用水提取时,大多数仍与丝绸有关,基于光致发光的保留在丝膜和微不足道的光致发光的提取物。溶液状态相比,光致发光强度显著降低为MPA-QDs MEA-QDs但不是在丝膜,而发射最大的蓝移(≈4海里)略的。电影进一步消化使用蛋白酶十四,alpha-chymotrypsin,两者的结合蛋白酶量子点建议可以绑定到丝绸β褶板区域而不是无定形区域。量子点光致发光在丝膜就熄了过氧化氢的浓度(H2O2),0.2 - -0.3毫米以上,表明QDs-incorporated丝膜可用于报告氧化潜力的解决方案。

1。介绍

量子点(QD)是一种合成纳米晶体组成的无机核心和有机表面活性剂分子的外层(配体)。量子点与有机染料相比,拥有更大的亮度,更好的稳定光褪色,和窄谱线宽度(1),因此有潜力光电子和光伏设备,光放大器媒体,bioimaging [2]。量子点被用作光致发光探针检测许多分析物,如氢离子(pH)、金属离子、有机化合物和生物分子在化学和生物分析应用的越来越多3- - - - - -5]。ODs也被用于葡萄糖氧化酶(气态氧)基础血糖监测;例如,光致发光的巯基乙酸(TGA)封顶CdTe-QDs就熄了在应对变化的H2O2和pH值(3,6,7]。的在活的有机体内量子点的使用已经阻碍了主要是由于对环境的毒性和潜在风险(8]。各种修改已经被用来提高量子点的稳定性和安全性在活的有机体内修改应用程序,包括表面、涂层和封装在航空公司9]。

量子点组装在固体表面用最小的光致发光的影响是至关重要的为他们与固态设备的集成。微妙的量子点的表面原子之间的相互作用和周围分子可以显著影响量子点的光致发光特性。几个制造技术被用来制造超薄组织量子点纳米复合材料公司的电影,包括旋转铸造、水(磅)沉积,并逐层(LbL)组装2,10,11]。然而,有挑战保持固态量子点的光致发光稳定性:(i) QD光致发光量子收益率可以显著减少通过溶剂转移步骤通常参与制造过程。(2)QD光致发光量子收益率可以迅速恶化在连续激发固体的水分,氧、热、光,比在方案阶段,过多的表面配体使钝化QD表面。(3)光学光谱红移或蓝移由于QD聚合或退化,分别在材料凝固过程(12]。除了涂层与两亲性分子,如磷脂,聚合物,和糖类13- - - - - -15),量子点稳定的一个有效方法是将它们添加到一个适当的主机矩阵有机聚合物等碳纳米材料,无机材料原位纳米晶体生长,静电相互作用和交联过程16- - - - - -18]。为了实现这些改进,原来的材料合成程序需要修改或再优化,在大多数应用程序是不切实际的。

丝绸由蜘蛛和蚕代表最强的和最天然纤维和功能化提供了无限的机会,处理和生物集成(19]。蚕丝蛋白蛋白质分离家蚕蚕茧的可直接用于表面涂层或各种生物材料的制备(电影、水凝胶、海绵、纤维和粒子),因此控股承诺在生物医学的应用程序从组织工程控制药物输送由于独特的结构和生物学性质(19]。长期稳定和持续释放的生物活性分子从丝绸生物材料已经有据可查的20.,21]。使用丝绸作为生物材料的其他优点包括无溶剂处理和高压灭菌或γ辐照杀菌22]。丝膜被广泛研究,可以由空气中干燥丝绸的解决方案,并进一步采用水蒸气热力学稳定的β折叠或酒精增加内容(超过50%的蚕丝蛋白的二级结构),因此结晶度(22]。不需要化学交联反应或后处理交联在这些流程。通过微调β褶板内容,比如时间和与温度有关的水退火,机械强劲的电影与可调厚度(从下面十个纳米到数百微米或更多),高表面质量(表面粗糙度大约5海里RMS)和透明度(超过90%传输在可见范围),这是适合光学和电子衬底使用(23]。

在我们先前的研究表明,3-mercaptopropionic酸- (MPA)涂布CdTe-QDs可以纳入丝绸水凝胶和微球用最小的影响光致发光性质和丝结构(出版)。在目前的研究中,两种不同类型的量子点之间的交互(MPA-capped和2-mercaptoethylamine - (MEA)封顶)和丝绸被监控光致发光变化进一步研究在不同条件下,如不同的电影疗法,蛋白酶消化和过氧化氧(H2O2)淬火。量子点的结果阐明机制结合使用QDs-bound丝绸丝绸和展示了潜在的生物材料若还跟踪在活的有机体内退化的丝绸生物材料。

2。材料和方法

2.1。材料

部分脱胶丝纤维从协和购买丝绸有限公司(杭州)。溴化锂(LiBr)购买的阿拉丁(上海,中国)。Cd(克罗4)2h·62O,艾尔2Te3粉末,2-mercaptoethylamine (MEA)和巯基丙酸(MPA)从阿尔法购买蛇丘(马、美国)。蛋白酶十四和alpha-chymotrypsin从Sigma-Aldrich购买。分析级过氧化氢(H2O2)和其他化学试剂均购自国药控股化学试剂有限公司(上海,中国)。

2.2。方法
2.2.1。合成CdTe-QDs

CdTe-QDs是由胶体的方法在文献中报道(24,25]。短暂,0.985克(2.35更易)的Cd(克罗4)2h·62O加入125毫升水。5.7,更易与MPA或添加。上述解决方案的pH值调整到11.2或5.6 N和清除2。碲前体H2Te气体是由0.2克(0.46更易)的反应2Te3肿块与15 - 20毫升0.5 H2所以4在N2的气氛。H2Te气体是通过解决方案一起缓慢氮流~ 20分钟。CdTe前体形成在这个阶段所看到的解决方案的改变颜色。前体的转化为CdTe纳米晶体通过回流反应混合物在100°C。CdTe-QDs进一步增加的大小与时间和回流的时间控制,监测的光致发光光谱。

2.2.2。丝蛋白的纯化

蚕丝蛋白纯化了脱胶碳酸钠溶液中,溶解在溴化锂溶液在文献报道[22]。短暂、丝绸纤维0.02碳酸钠溶液中煮30分钟,用超纯水冲洗三次,排干,干一夜之间在一个通风橱。干纤维溶解在9.3溴化锂溶液在60°C 4 h获得浓度为20%。解决方案是透析对纯水30 h删除溴化锂和离心除去不溶性纤维碎片。净化丝的浓度约为8 - 9 wt. %。

2.2.3。量子点的丝膜

量子点的影片纳入丝绸准备以下标准协议(22]。简单地说,量子点合成(31.5毫米)添加到4%丝绸的解决方案。混合解决方案是整除24-well板300μL为每个好,板被放置在干燥通风柜过夜。丝绸的质量大约是12毫克每一部电影。MPA-QDs装载的数量是0、9.75、19.5,39岁,52岁,和78年μ摩尔,MEA-QDs的数量是0,15.75,31.5,63年、84年和126年μ摩尔。丝绸和丝绸量子点/电影在每个治疗如下:(1)丝绸的解决方案是补充1.3% (w / v)甘油之前电影铸造;(2)铸的丝膜在干燥器真空的一夜,水箱底部(水退火);(3)丝/甘油电影水退火如上所述(甘油和水退火);(4)电影沉浸在300μL甲醇1 h,然后再干空气中(甲醇处理)。所有这些治疗诱导丝绸β褶板结构形成一些区段,从而使丝绸水不溶性的电影。添加甘油(丝绸质量> 30%)授予water-insolubility丝膜,也使电影更加灵活和光滑比methanol-treated和water-annealed电影(26]。

2.2.4。光致发光测量和摄影

光致发光光谱记录使用协同H1标仪(美国Bio-Tek)激发波长380 nm和发射波长450 - 700纳米,黑色96 -孔板(精读)。如果没有特别声明,探头顶部设置的垂直偏移7.00毫米和100年的敏感性。照片被大炮60 d数码相机。

2.2.5。丝结构测定的衰减全反射傅里叶变换红外光谱学(ATR-FTIR)

丝膜和量子点没有封装的加载到一个ATR-FTIR仪器(Nicolet 5700年热费希尔科学Inc .)、美国)4厘米的决议−1、扫描范围从400到4000厘米−1,64扫描。所示的山峰在1616 - 1637厘米−1和1695 - 1705厘米−1被分配到丝绸β表结构,1638 - 1655厘米−1随机线圈结构,1656 - 1663厘米−1来α螺旋结构,1663 - 1695厘米−1来β词的结构(27]。确定β褶板结构的比例在所有二级结构的丝绸、酰胺我地区的吸收峰(1595 - 1705厘米−1)deconvoluted使用Peakfit软件有三个重复的数据拟合每个样本( )。

2.2.6款。蛋白水解降解

QDs-loaded丝膜处理蛋白酶十四,alpha-chymotrypsin,蛋白酶十四的组合和alpha-chymotrypsin(1/1重量比)在0.1 M磷酸盐缓冲剂,pH值7.4。丝膜形成于24井都沉浸在1毫升的刚做好的蛋白酶解(300μg / mL)。在37°C孵化后24 h,解决方案包含noncleavable丝绸粒子(沉淀)转移到一个空的管。丝膜没有接触蛋白酶(控制),残留膜碎片后删除解决方案,和消化解决方案下拍摄与激发波长365纳米的紫外线。

2.2.7。量子点光致发光猝灭的过氧化氢(H2O2)

QDs-loaded丝膜24-well板准备如上所述。每个电影都沉浸在900年μL PBS缓冲,pH值7.4。孵化后5分钟,100年μL H2O2溶液浓度为0.01,0.05,0.1,0.5,0.75,1、2、3、3.5、4、4.5、5,6.25,7.5,8.75,10、25、50、75和100毫米(稀释10 M H2O2股票的解决方案)是添加到每个好开始反应。在100年控制井μL超纯水代替H2O2是补充道。板被放置在37°C和孵化15分钟之前拍摄在紫外线下。电影被从井中删除和切成小块定义的尺寸和重量,都放入黑色96 -孔板测量光致发光。比较光致发光强度的变化对H2O2,每个样品的光致发光最大规范化控制样品的光致发光强度。四个重复样本( 为每个H)测量2O2浓度。

2.2.8。统计数据

结果表示为±标准差。统计样本之间的差异评估在SPSS(16.0)使用单向方差分析测试。时被认为是显著的差异 。

3所示。结果与讨论

3.1。QDs-Loaded丝膜的物理特性

MPA -量子点和MEA-capped合成中描述的部分2。根据大小不同,荧光量子点的排放是不同的(从绿色到红色)(图1)。红色量子点荧光(直径大约4.5海里根据文献[24,25)被选为当前的研究。MPA, MEA-QDs与丝绸混合时/甘油(3/1 w / w)解决方案和混合通风橱中风干,MPA-silk和MEA-silk电影在紫外光照射下会。光致发光增加MPA-QDs和MEA-QDs浓度的增加(图的电影1)。电影包含39μ摩尔MPA-QDs和63μ摩尔MPA-QDs(第四图从左到右1显示更强的光致发光量子点比少加载(左),而量子点显示更少的区别那些加载(右)。装运条件从而用于以下研究。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
QDs-loaded丝膜暴露在紫外线(激发波长为365 nm)。上照片显示量子点和解决方案和封装在丝绸/甘油(重量比3/1)的电影。量子点较低的光致发光光谱显示好了在水里,4%丝绸(SF)解决方案,和丝绸/甘油(SF)电影,使用QDs-free科幻小说和科幻电影作为控制的解决方案。(一)MPA-capped CdTe-QDs。丝绸的质量在每部电影12毫克,量子点和加载(从左到右)是0,9.75,19.5,39岁,52岁,和78年μ摩尔。(b) MEA-capped CdTe-QDs。丝绸的质量在每部电影12毫克,量子点和加载(从左到右)是0,15.75,31.5,63年、84年和126年μ摩尔。

MPA-QDs在635 nm的排放最大稀释在水和丝绸的解决方案和631海里时干丝/甘油电影。MEA-QDs光致发光最大的是在616年,612年和610 nm稀释在水里,丝绸的解决方案,分别和丝/电影(图1)。因此,MPA-QDs比MEA-QDs的光致发光更稳定。QDs-incorporated丝膜是用不同的方式对待(甘油,水退火,甘油与水退火和甲醇治疗),用水洗量子点来确定发布的电影。MPA-QDs和MEA-QDs紧紧的绑丝,所看到的几乎不变的光致发光丝膜洗后(图2,上照片)和低水平的光致发光在清洗解决方案由光致发光光谱(图2、更低的图表)。的高峰出现在图实际上是来自内在荧光丝素蛋白的蛋白质;在620 - 630纳米量子点的光致发光是微不足道甚至在第一次清洗解决方案(见箭头在图)。MEA-QDs,丝绸和量子点光致发光检测的清洗解决方案。量子点这一事实可以紧密地绑定到丝绸以最小的光致发光性能(强度、发射最大)的变化表明,交联或晶体生长在处理并发症是可以避免的。量子点因此可以很容易地纳入丝绸材料通过物理结合,促进silk-based光学传感器的制造和其他应用程序。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图2
绑定MPA-QDs和MEA-QDs丝绸。(一)MPA-QDs-loaded丝膜后各种治疗方法是用水洗。(b) MEA-QDs-loaded丝膜后不同治疗方法是用水洗。(c)的光致发光光谱收集从洗MPA-QDs-loaded丝膜解决方案。(d)光致发光光谱的五清洗解决方案methanol-treated MPA-QDs-loaded丝绸的电影。
3.2。量子点的机理结合丝绸

丝绸已经知道主要包括重复hexapeptides GAGAGS GAGAGY,形成水晶β褶板结构在丝绸材料(例如,电影)后不同治疗方法上面所提到的,赋予力量和化学和物理稳定性丝绸材料(19]。之前的研究表明,许多类型的分子,从低分子量化合物蛋白质,结合丝绸,可能由于分子间相互作用的分子和丝绸β褶板结构域,随着两亲的特点(20.,21]。量子点相同的机制也可能适用于,量子点的疏水核心可能在丝绸与疏水β褶板域交互。当丝素蛋白的蛋白质的二级结构被ATR-FTIR检查,发现所有的QDs-incorporated丝膜治疗后表现出特征峰在1616 - 1637厘米−1酰胺我地区相应的β褶板结构,而未经处理的丝膜(铸的)显示峰值为1652厘米−1(图,对应随机线圈结构3)。进一步计算β褶板结构内容通过反褶积峰值表明,β褶板结构在glycerol-blended water-annealed,和glycerol-blended /水退火电影20 - 30%的总结构,而30 - 40%,不到20% methanol-treated和未经处理的电影,分别(图4)。与其他治疗方法相比,methanol-treated电影显示明显高于β褶板结构内容,符合文献[27]。量子点相比,纯丝膜(没有),整合MPA-QDs MEA-QDs丝绸的电影并没有导致更多β褶板结构除了glycerol-blended / water-annealed MEA-QDs-incorporated丝绸电影和methanol-treated MPA, MEA-QDs电影(图4)。

(一)
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(b)
(b)
图3
ATR-FTIR光谱的量子点好,丝膜,QDs-loaded丝膜。(一)MPA-QDs-loaded丝绸的电影。(b) MEA-QDs-loaded丝绸的电影。

图4
的决心β表结构内容在丝膜反褶积的酰胺峰(1595 - 1705厘米−1ATR-FTIR光谱)。样品是由星号表示之间的显著差异( )。

丝绸材料可以通过不同的蛋白酶消化。蛋白酶十四裂解随机线圈和水晶β褶板地区丝绸、更有效地比β褶板区域的随机线圈,而alpha-chymotrypsin只有裂解随机线圈区域(28,29日]。alpha-chymotrypsin消化后,noncleavable疏水β褶板域形成不溶于水的沉淀。MPA-QDs-incorporated glycerol-blended丝膜被用于这个蛋白酶研究。alpha-chymotrypsin消化后,解决办法是删除一个空的管,noncleavable丝绸粒子沉淀和强烈photoluminesced底部的管,而上层清液不发光,表明量子点的还是绑定到水晶β褶板(二排照片图5)。的蛋白酶十四(第一行的照片在图5),沉淀较弱的光致发光与alpha-chymotrypsin相比,表明晶体β褶板是消化的一部分,量子点释放到上清液。双蛋白酶使用时,没有可见的电影完全消化,沉淀在管(图5照片,第三行)。无定形和结晶β褶板区域的丝绸被消化,导致量子点绑定在这种情况下的释放。上层清液的光致发光光谱被使用光致发光光谱仪。如图5低(图),发射最大值后上层清液的蛋白酶消化蓝移从631年到621海里。光致发光强度在上层清液也显著低于控制量子点的浓度。因此,蛋白酶消化可能影响量子点的大小与光致发光后释放捆绑丝矩阵。蛋白酶十四消化后上层清液的光致发光强度高于alpha-chymotrypsin消化后,表明蛋白酶十四消化量子点释放更多的从丝膜,与摄影观测一致。


图5
MPA-QDs-loaded丝膜的蛋白水解降解蛋白酶十四,alpha-chymotrypsin,蛋白酶十四和alpha-chymotrypsin的结合。上照片从左到右:控制(无蛋白酶),剩余丝膜消化后的解决方案,在管和消化解决方案。样本暴露在紫外光的激发波长为365 nm。图:低光致发光光谱noncleavable丝绸沉淀去除后上层清液的底部的管。

量子点的互动机制与丝绸计划性地呈现在图6。蚕丝蛋白提取b .森由三个结构组件(重链、轻链、P25)。重链的关键组件确定材料属性,由亲水区域(nonrepetitive N -糖和垫片)和疏水,重复,大hexapeptide域(GAGAGS GAGAGY) [19]。根据处理,重复hexapeptide域可以形成不同的水晶β褶板区域的内容,赋予可调丝生物材料强度和稳定性。各种类型的化合物,小分子多肽和蛋白质,可以通过不同的机制,结合丝绸包括氢键、静电作用、疏水作用[20.,21]。在目前的研究中,结合量子点的水晶β褶板地区丝绸没有显著变化的光致发光特性。值得注意的是,尽管只有甲醇诱导治疗丝绸水晶β褶板结构是表示在此过程中,其他治疗方法,例如,甘油,水退火,和组合也可以诱导β褶板结构度较小,表明ATR-FTIR研究。因此,描述的机制应该适用于所有的丝膜准备不同的治疗方法。


图6
示意图说明QDs-loaded丝膜的蛋白水解降解。水晶丝膜后被诱导β褶板地区甲醇治疗(a)。丝绸水晶β褶板区域被蛋白酶部分裂解成nanofibril和nanofilaments十四(b),虽然他们完好无损的alpha-chymotrypsin (c),随机线圈地区丝绸分子裂解成可溶性蛋白酶十四和alpha-chymotrypsin碎片。β褶板和无规卷曲区域都是由双蛋白酶裂解(蛋白酶十四和alpha-chymotrypsin),产生更多的可溶性片段(d)的解决方案。
3.3。H2O2全身的光致发光的淬火QDs-Silk电影

证明QDs-incorporated丝膜可用于光学遥感在生物医学的应用程序中,过氧化氢的反应量子点的光致发光(H2O2)的解决办法是检查。MPA-QDs——MEA-QDs-incorporated丝膜与甘油加法和甲醇治疗被用于这项研究。H2O2添加到包含不同的电影和PBS缓冲井,pH值7.4,获得0.001 -10毫米的浓度范围。样品反应15分钟后拍摄37°C(数字7 和7 )。glycerol-added和methanol-treated电影显示出明显的光致发光淬火时H2O2浓度达到0.02 - -0.03毫米(2 nd-3rd在第二行)。电影受到定量光致发光的决心(图7 )。相对于初始光致发光(0毫米H2O2),光致发光强度下降约40%,75%,45%,65%,MEA-QDs /甘油电影,MPA-QDs /甘油电影,MEA-QDs /甲醇电影,影片和MPA-QDs /甲醇,分别在H的浓度2O2是0.2毫米以上,证实了照相观测。此外,似乎glycerol-added电影比methanol-treated电影和MPA-QDs更敏感更敏感比MEA-QDs H2O2淬火。对于这两种类型的电影,光致发光的减少H后趋于稳定2O2浓度达到2毫米(图7 量子点),表明所有暴露已经熄了。量子点不能熄灭的可能是那些深深植根于丝绸矩阵,可能疏水性的β褶板栈,不能渗透的H2O2分子。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
光致发光强度的变化QDs-loaded丝膜对H2O2。(一个)显示glycerol-added丝绸的电影。(b)显示methanol-treated丝膜。(一)MPA-QDs-loaded丝膜。(B) MEA-QDs-loaded丝绸的电影。H2O2浓度的样品(从左到右):0.0,0.001,0.005,0.01,0.05,和0.075毫米一日行;0.1,0.2,0.3,0.35,0.4,和0.45毫米在第二行;0.5,0.625,0.75,0.875,1.0,和2.5毫米在第三行;5.0,7.5,10.0,0.0毫米在第四行。(C)光致发光强度变化的函数H2O2浓度的解决方案。

H2O2期间生成的葡萄糖氧化酶(上帝)催化反应吗β葡萄糖和氧气,用作糖尿病(血糖水平指标30.]。H2O2也可以生成在病原生物学过程,例如,癌症、中风、肾衰竭、诅咒,慢性阻塞性肺病(COPD),因而被用作指标在体外和在活的有机体内诊断(31日]。由于其低浓度(< 0.1μ米),H2O2必须之前从呼出气息凝聚电化学或colorimetrical化验。近期在纳米材料方面进展显著提高H的敏感性和准确性2O2检测(32]。目前的研究提供了另一种选择制造H2O2检测设备使用QDs-incorporated丝材料。由于自然资源和“绿色”加工的丝绸材料、量子点的强大约束力的丝绸,QDs-incorporated silk-based光学传感器可以找到广泛应用在生物医学和环境。除了光学传感、量子点的物理公司还可以用于跟踪退化,因此silk-based生物材料植入或注射后的耐久性在活的有机体内。

4所示。结论

MPA-capped和量子点MEA-capped合成的丝膜物理结合的治疗以不同的方式诱导结晶β褶板结构。MEA-QDs相比,MPA-QDs显示发射波长更长和更稳定的光致发光特性(> 630海里)合并后丝的电影。量子点这两种类型的绑定到丝绸紧密,量子点可以忽略不计数量的被从电影中提取。蛋白酶消化使用蛋白酶十四和量子点alpha-chymotrypsin建议绑定到疏水β褶板领域优先的丝绸矩阵。量子点结合紧密的glycerol-added和methanol-treated丝膜感觉到H2O2溶液中的浓度变化,临界浓度范围的0.2 - -0.3毫米,暗示QDs-incorporated丝绸材料可用于制造光学传感器诊断应用程序。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Disi Lu和Zhaozhu郑贡献同样应该考虑这个工作和co-first作者。

确认

这项工作得到了中国自然科学基金资助(项目号51273138),东吴大学(项目没有启动资金。14317432),中国苏州城市江苏省自然科学基金(批准号SYN201403)和江苏省中国博士后科学基金会。