Synthèse rapide et à grande échelle de points quantiques de soufre chiraux et fluorescents pour la surveillance de la température intracellulaire
Synthèse rapide et à grande échelle de points quantiques de soufre chiraux et fluorescents pour la surveillance de la température intracellulaire
Contexte académique
Les nanomatériaux fluorescents ont un potentiel d’application étendu dans des domaines tels que la collecte d’énergie, l’éclairage, les technologies de communication et d’information, la biologie et la médecine. Parmi eux, les points quantiques de soufre (Sulfur Quantum Dots, SQDs), en tant que nouveaux points quantiques sans métal, ont attiré de plus en plus d’attention ces dernières années en raison de leur respect de l’environnement, de leur excellente biocompatibilité et de leurs propriétés chimiques de surface modulables. Cependant, la préparation à grande échelle des SQDs et leur application sur le marché de consommation restent confrontées à des défis, notamment en raison de la durée souvent longue de leur processus de synthèse et de la difficulté à obtenir des produits de haute qualité en peu de temps. Par conséquent, le développement d’une méthode rapide et à grande échelle pour synthétiser les SQDs, ainsi que l’exploration de leurs applications biomédicales, sont devenus des sujets de recherche actuels.
Cette étude vise à résoudre le problème de la durée prolongée du processus de préparation des SQDs et propose une stratégie universelle de synthèse rapide et à grande échelle. En exploitant la capacité des orbitales 3d vides des espèces sulfure à se lier aux électrons π non appariés des groupes contenant de l’azote ou de l’oxygène, les chercheurs ont développé une méthode permettant de préparer des SQDs présentant une fluorescence bleue et des propriétés chirales en seulement 10 minutes. De plus, cette étude explore l’application des SQDs dans la surveillance de la température intracellulaire, offrant ainsi un nouvel outil pour le diagnostic des maladies liées à l’inflammation.
Source de l’article
Cet article a été co-écrit par Li Zhao, Tianjian Sha, Yufu Liu, Qingsong Mei, Haibin Li, Pinghua Sun, Haibo Zhou et Huaihong Cai, tous affiliés à la Faculté de pharmacie, à la Faculté de médecine et au Collège de chimie et de science des matériaux de l’Université de Jinan. L’article a été publié le 20 septembre 2024 dans la revue Chemical & Biomedical Imaging, sous le titre Rapid and Large-Scale Synthesis of Chiral and Fluorescent Sulfur Quantum Dots for Intracellular Temperature Monitoring.
Processus et résultats de la recherche
1. Synthèse rapide des points quantiques de soufre
Les chercheurs ont développé une stratégie de réaction rapide basée sur la poudre de soufre, l’hydroxyde de sodium et des composés contenant des groupes amino (tels que les acides aminés ou la polyéthylénimine). Les étapes spécifiques sont les suivantes :
- Préparation du précurseur : La poudre de soufre, l’hydroxyde de sodium et un composé contenant des groupes amino (comme la L-cystéine) sont dissous dans l’eau et agités à 90°C pendant 10 minutes, formant une solution précurseur orange transparente.
- Réaction d’oxydation : Du peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) est ajouté à la solution précurseur, ce qui fait passer rapidement la couleur de la solution de l’orange à l’incolore, et une fluorescence bleue apparaît sous une lumière UV de 365 nm, formant ainsi les points quantiques de soufre.
Cette méthode permet de préparer les SQDs en seulement 10 minutes, avec un rendement pouvant atteindre 16,844 grammes par lot, améliorant ainsi significativement l’efficacité de la préparation.
2. Caractérisation structurelle des points quantiques de soufre
Grâce à la microscopie électronique à transmission (TEM) et à la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM), les SQDs présentent une structure sphérique inhomogène avec un diamètre d’environ 4 nm. Les images HRTEM montrent des franges de réseau bien définies avec un espacement de 0,21 nm, en accord avec les données de la littérature. De plus, les analyses par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et par spectroscopie photoélectronique X (XPS) indiquent que la surface des SQDs contient du soufre, des groupes sulfonates et des molécules de cystéine, validant ainsi leur modèle structurel.
3. Propriétés optiques et étude de la chiralité
Les SQDs présentent un pic d’absorption distinct à 215 nm dans le spectre d’absorption UV-visible, attribué à une transition n → σ*. Sous une excitation à 370 nm, les SQDs émettent une fluorescence bleue à 460 nm, et l’intensité de leur fluorescence varie en fonction de la longueur d’onde d’excitation, montrant des propriétés de photoluminescence dépendantes de l’excitation. En outre, les chercheurs ont confirmé la chiralité des SQDs par spectroscopie de dichroïsme circulaire (CD), indiquant que leur chiralité provient des molécules de cystéine.
4. Propriétés de fluorescence dépendantes de la température
Les SQDs présentent des propriétés de fluorescence réversibles dépendantes de la température, leur intensité de fluorescence diminuant progressivement avec l’augmentation de la température. Dans la plage de 20 à 50°C, la variation de l’intensité de fluorescence est linéaire par rapport à la température, avec une sensibilité de 0,72%/°C. Cette propriété permet aux SQDs de servir de nanothermomètres pour la surveillance de la température intracellulaire, offrant ainsi un nouvel outil pour le diagnostic des maladies liées à l’inflammation.
5. Application dans la surveillance de la température intracellulaire
Grâce à des tests MTT, les chercheurs ont vérifié la bonne biocompatibilité des SQDs, montrant que même à une concentration de 200 μg/mL, le taux de survie des cellules Hela dépasse 85 %. En utilisant la microscopie confocale à balayage laser (CLSM), les chercheurs ont réussi à surveiller les variations de l’intensité de fluorescence des cellules Hela à différentes températures, confirmant ainsi le potentiel des SQDs dans la surveillance de la température intracellulaire.
Conclusion et signification
Cette étude a développé une stratégie de synthèse rapide et à grande échelle des SQDs, améliorant significativement l’efficacité de leur préparation et permettant leur application dans la surveillance de la température intracellulaire. Cette recherche jette les bases pour l’application commerciale des SQDs et offre un nouvel outil pour le diagnostic des maladies liées à l’inflammation. De plus, la chiralité des SQDs ouvre de nouvelles possibilités d’application dans des domaines tels que la reconnaissance chirale, la détection chirale et la catalyse asymétrique.
Points forts de la recherche
- Synthèse rapide et à grande échelle : Cette étude propose une méthode permettant de préparer des SQDs de haute qualité en seulement 10 minutes, avec un rendement pouvant atteindre 16,844 grammes par lot, améliorant ainsi significativement l’efficacité de la préparation.
- Propriétés chirales : En utilisant des acides aminés chiraux (comme la L-cystéine), les chercheurs ont réussi à conférer des propriétés chirales aux SQDs, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour leur application dans des domaines liés à la chiralité.
- Application dans la surveillance de la température : Les SQDs présentent d’excellentes propriétés de fluorescence dépendantes de la température, avec une sensibilité de 0,72%/°C, ce qui en fait des outils précieux pour la surveillance de la température intracellulaire et le diagnostic des maladies liées à l’inflammation.
Autres informations utiles
Cette étude explore également l’influence de différents ligands contenant de l’azote ou de l’oxygène (comme la tyrosine, la sérine, le tryptophane et la polyéthylénimine) sur les propriétés de fluorescence des SQDs, révélant que les ligands d’acides aminés aromatiques permettent aux SQDs d’émettre une fluorescence à plus longue longueur d’onde. Cette découverte offre de nouvelles perspectives pour réguler la couleur de fluorescence des SQDs, ce qui pourrait être optimisé dans de futures recherches pour améliorer leurs performances optiques.
Cette étude résout non seulement le problème de la durée prolongée de la préparation des SQDs, mais ouvre également de nouvelles possibilités pour leurs applications biomédicales et dans des domaines liés à la chiralité, apportant ainsi une valeur scientifique et pratique significative.