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Échelle d'efficacité de diffusion de particules luminescentes liée à des propriétés spectroscopiques fondamentales et mesurables

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Jul 17, 2023

Échelle d'efficacité de diffusion de particules luminescentes liée à des propriétés spectroscopiques fondamentales et mesurables

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 6254 (2023) Citer cet article 514 Accès aux détails des métriques Comparaison des performances des luminophores moléculaires et nanométriques et des micro- et luminescents

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6254 (2023) Citer cet article

514 Accès

Détails des métriques

La comparaison des performances des luminophores moléculaires et nanométriques et des micro et nanoparticules luminescentes et l'estimation des amplitudes de signal réalisables et des limites de détection nécessitent une échelle d'intensité standardisable. Cela a initié le développement des échelles relatives MESF (nombre de molécules de fluorochromes solubles équivalents) et ERF (fluorophores de référence équivalents) pour la cytométrie en flux et la microscopie à fluorescence. Les deux échelles d'intensité s'appuient sur les valeurs d'intensité de fluorescence attribuées aux billes d'étalonnage fluorescentes par une comparaison d'intensité avec des solutions de fluorophores spectralement étroitement correspondantes de concentration connue à l'aide d'un spectrofluorimètre. Alternativement, la luminosité du luminophore ou des billes (B) peut être déterminée et est égale au produit de la section efficace d'absorption (σa) à la longueur d'onde d'excitation (σa(λex)) et du rendement quantique de photoluminescence (Φpl). Ainsi, une échelle absolue basée sur des propriétés spectroscopiques fondamentales et mesurables peut être réalisée, indépendante de la taille des particules, du matériau et de la coloration ou de la densité de marquage des luminophores et qui prend en compte la sensibilité des propriétés optiques des luminophores à leur environnement. Dans le but d'établir une telle échelle de luminosité pour les dispersions de diffusion de la lumière de particules luminescentes dont la taille dépasse quelques dizaines de nanomètres, nous démontrons comment la luminosité de particules de polystyrène (PSP) quasi monodispersées de 25 nm, 100 nm et 1 µm, chargées de deux colorants différents dans des concentrations variables peuvent être obtenus avec une seule configuration de sphère d'intégration conçue sur mesure qui permet la détermination absolue de Φpl et des mesures de transmission et de réflectance diffuse. Les valeurs Φpl, σa(λex) résultantes, les parties imaginaires de l'indice de réfraction et les valeurs B calculées de ces échantillons sont données en fonction du nombre de molécules de colorant incorporées par particule. Enfin, une efficacité de luminescence (LE) sans unité est définie, permettant la comparaison directe des efficacités de luminescence de particules de différentes tailles.

Au cours des dernières décennies, les nanoparticules (NP) et les microparticules (MP), colorées ou codées avec différents types de luminophores moléculaires et nanocristallins, ont été de plus en plus utilisées dans les sciences de la vie et des matériaux. Les applications typiques vont des rapporteurs optiques pour les tests de fluorescence et les systèmes d'imagerie biologique et d'administration de médicaments aux étiquettes d'authentification imprimables et aux plates-formes à base de billes pour la cytométrie en flux, la microscopie à fluorescence et l'immuno-séparation, jusqu'aux capteurs de particules et aux outils d'étalonnage pour différentes méthodes de fluorescence, en particulier pour la cytométrie en flux1. ,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. La plupart des méthodes de fluorescence exploitant les NP et les MP émissives, comme la spectroscopie de fluorescence, la microfluorométrie, la microscopie à fluorescence et la cytométrie en flux, ne mesurent que les intensités de fluorescence relatives spécifiques à l'instrument14. La comparaison fiable des mesures de fluorescence entre différents instruments et différents laboratoires nécessite un étalonnage de l'instrument pour déterminer et prendre en compte les contributions de signaux spécifiques à l'instrument, telles que la réactivité spectrale dépendante de la longueur d'onde du canal de détection de l'instrument, qui affectent les spectres d'émission mesurés. Pour la quantification, par exemple, d'analytes ou la comparaison de différents échantillons fluorescents avec différentes techniques de fluorescence, un étalonnage relatif de l'échelle d'intensité de fluorescence est généralement effectué en utilisant des solutions de fluorophores de concentrations connues, de propriétés de luminescence et en particulier de spectres d'émission correspondant étroitement à ceux de l'analyte. échantillon en utilisant les mêmes paramètres d’instrument que ceux appliqués pour la mesure de l’échantillon17. Ceci est simple pour les échantillons luminescents transparents, par exemple pour les applications de détection ou la quantification de luminophores avec des techniques de séparation chromatographique comme la chromatographie liquide haute performance (HPLC) avec détection de fluorescence, mais cela s'avère difficile pour les systèmes de diffusion de la lumière. Cependant, la plupart des dispersions de NP et de MP fluorescents largement utilisés diffusent la lumière d'excitation, en fonction de leur taille, de l'indice de réfraction et de l'environnement des particules. Cela peut affecter leur caractérisation fluorométrique et en particulier les mesures de leurs caractéristiques d'absorption avec des spectrophotomètres et spectrofluorimètres courants conçus pour la mesure d'échantillons transparents.

 0). The normalized absorbance and emission spectra of aqueous dispersions of these differently sized PSP loaded with Nile Red and Itrybe are displayed in the SI in Fig. S5. Due to the dye staining of the particles via a previously optimized swelling procedure assessed, e.g., microscopy, the dye molecules can be assumed to be homogeneously distributed within the particles, and the spherical shape of the particles is preserved in the process.12,41,42,44 This allows for a data analysis based on Mie Theory, like with the unstained particles discussed above. The absorbance and emission spectra of Itrybe-loaded PSP are broadened compared to the parent molecule in ethanol, yet the respective absorption and emission maxima match. In the case of solvatochromic Nile Red, the absorbance and emission bands of Nile Red-stained PSP are red shifted with decreasing PSP size, pointing to an increasingly polar microenvironment faced by the dye molecules with reduced PSP size and hence increased surface-to-volume ratio. The corresponding \({\Phi }_{\mathrm{pl}}\) of aqueous dispersions of Nile Red- and Itrybe-loaded PSPs in dependence on PSP size and loading concentration, i.e., the average dye-dye distance are shown in Fig. 4. This figure reveals opposite trends for the particle size- and dye loading-dependent \({\Phi }_{\mathrm{pl}}\) of both dyes. As shown in the left panel of Fig. 4, the \({\Phi }_{\mathrm{pl}}\) values of Nile Red-stained PSP decreased with decreasing PSP size and increased surface-to-volume ratio. In contrast, for PSP containing Itrybe molecules, \({\Phi }_{\mathrm{pl}}\) decreased with increasing particle size (right panel of Fig. 4. For both dyes, an increase in dye loading concentration resulted in a diminution of \({\Phi }_{\mathrm{pl}}\) (see also SI, Fig. S7). We attribute these trends to (1) the influence of the polar particle environment particularly in the case of the charge transfer dye Nile Red, the fluorescence of which is known to be quenched by hydrogen bonding interactions and polarity as follows also from the solvatochromic emission behavior of Nile Red (see SI, Fig. S5), (2) dye-dye interactions, and (3) energy transfer processes between dye molecules in the PSP. The latter two factors are supported by the dependence of \({\Phi }_{\mathrm{pl}}\) on dye loading concentration (see Fig. 4 and SI, Fig. S7)66,67,68,69,70. µa(λ) and µs(λ) of the dispersed 1 µm and 100 nm dye loaded PSPs determined by radiation transport and Mie Theory are shown in Fig. 5. For the 25 nm sized particles the scattering contributions were too small to be used for quantification and represent the physical size limit for our study and method development. For the fit of µa(λ) and µs(λ), we considered the contribution of the dye molecules to the dielectric function of the particle matrix by increasing the imaginary part of the refractive index. In a first step, n2 was used as a free variable and it was assumed that the particle matrix is homogeneously loaded with dye molecules. The resulting σa(λ) values are shown in Fig. 6. The resulting Np and rp values were also used for the determination of σa(λ) from µa(λ) calculated from the radiation transport theory. For the particle sizes and dye concentrations used here, the direct determination of σa(λ) from Mie calculations and calculations using radiation transport theory are in good agreement as displayed in Fig. 5./p>

3.0.co;2-i" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28sici%291097-0320%2819960315%2926%3A1%3C22%3A%3Aaid-cyto4%3E3.0.co%3B2-i" aria-label="Article reference 18" data-doi="10.1002/(sici)1097-0320(19960315)26:13.0.co;2-i"Article CAS PubMed Google Scholar /p>

3.0.CO;2-X" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291097-0320%2819981001%2933%3A2%3C213%3A%3AAID-CYTO16%3E3.0.CO%3B2-X" aria-label="Article reference 22" data-doi="10.1002/(SICI)1097-0320(19981001)33:23.0.CO;2-X"Article CAS PubMed Google Scholar /p>

3.0.co;2-q" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28sici%291097-0320%2819981001%2933%3A2%3C188%3A%3Aaid-cyto13%3E3.0.co%3B2-q" aria-label="Article reference 23" data-doi="10.1002/(sici)1097-0320(19981001)33:23.0.co;2-q"Article CAS PubMed Google Scholar /p>