CN101381600A - 一种生物相容的水相量子点的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物相容的水相量子点的制备方法，该方法是通过高质量的量子点及其核壳结构的制备，结合表面修饰技术，利用核壳结构提高量子点的稳定性，再通过分子间力的相互作用，改变量子点表面的有机分子链，将油相量子点的表面长链有机分子改为具有生物相容性且易溶于水的含巯基和羧基或胺基的小分子或生物大分子的衍生物，最后得到可直接溶于磷酸盐缓冲液等生物相容的水相量子点。本发明的优点在于：量子点的制备与表面修饰方法简单，易于控制量子点质量与尺寸以及表面特性，所得的水相量子点具有较高的荧光效率和均一的粒径分布且稳定性强等优点；该发明制备的水相量子点可用于生物探测、医学诊断、能量转移等。

Description

一种生物相容的水相量子点的制备方法

技术领域

本发明涉及金属氧化物量子点的制备技术，具体是指一种生物相容的水相量子点的制备方法。

背景技术

量子点纳米材料具有量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应和库伦阻塞效应以及非线性光学效应等性能，在太阳能电池、传感器和生物医学等方面显示了广阔的应用前景。近年来半导体量子点(如CdSe、PbSe等)备受科研工作者关注，例如研究表明用不同尺寸、不同材料的量子点在光电器件的构筑及其性能调节中都显示了独特的用处。然而，考虑到实际应用，量子点在生物医药领域中的应用比其在光电领域领先一步，特别是量子点生物标签、疾病的诊断等生物医药应用方面已经展示了它们的魅力。在生物应用方面，量子点具有优异的性能，比如，量子点荧光效率高，包覆后可达50％以上；分子消光系数高，约为有机染料的10～100倍；吸收范围广及荧光谱窄且为对称结构；抗衰退能力强；量子点的荧光对激发光要求不高，通常只要激发光的能量大于其禁带宽度。此外，量子点的荧光峰的范围随量子点的尺寸改变而有规律的变化，利用这一特性可以根据需要调节量子点的荧光峰的范围。这些特性使得量子点在细胞标签、组织深度成像、量子点化验标签(Assay labeling)、能量转移(FRET)等方面的应用具有非常大的优势。另一方面，解决生物相容性以及生物稳定性等问题是量子点在生物医学应用中的关键问题。通常，人们希望在水相制备的量子点能直接应用于生物体系，然而由于生物体系的环境不同对量子点的稳定性要求较高，而水相制备的量子点的生物稳定性通常并不能满足需要，因而大大限制了水相制备的量子点在生物及医药方面的广泛应用。通常TOPO等油相体系制备的量子点稳定性好，荧光效率高，且可以通过表面包覆(如ZnS等)降低毒性。但由于油相体系中的量子点通常只能溶于有机溶剂，因此，需要对油相体系制备的量子点进行生物相容的改性，从而进一步满足油相量子点在生物方面的应用。虽然当前量子点一直是研究热点，但解决量子点的生物相容性及稳定性等问题仍然是量子点在生物医学应用方面的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单可行的量子点表面改性制备生物相容的水性量子点的制备方法，解决了油相量子点与生物体系不相容的问题，克服了水相制备的量子点稳定性差的困难，使量子点在生物方面的应用更简单，更方便。

本发明的方法是利用溶液法制备量子点来调控量子点的尺寸及荧光效率，通过分子键的变化来改变量子点表面的有机物，进而使量子点由油溶性变成水溶性，使其可以用于生物成像、疾病的诊断及治疗，但是量子点本身的结构并没有受到影响，因而可制备荧光效率高、稳定性好且表面性质可调的水相量子点。

本发明的生物相容的水相量子点的制备方法包括如下步骤：

1.油相量子点的溶液法制备

a.核量子点的制备

金属前驱体(如氧化物，氯化物，盐类等)溶于油酸与十八烯混合液，金属前驱体和油酸的摩尔数比例在1：2～1：8之间，油酸与十八烯的体积比1：4～1：10，置于反应器(如三口瓶)中，加热至金属前驱体完全溶解，降至室温。在氩气氛围中，再加入质量比为10：1～1：1的油胺或十八胺和三辛基氧化磷(TOPO)溶液后加热至280℃(其中，反应温度在150～300℃可调)，迅速注入三辛基磷化合物前驱体，三辛基磷化合物采用三辛基磷硒(TOPSe)、三辛基磷硒(TOPTe)或三辛基磷硫，它们通过将Se、S、Te的单质粉末溶于三辛基磷(TOP)中制备获得，三辛基磷化合物和金属前驱体的摩尔数比例在1：1～10：1之间变化，Se、S、Te单质的浓度为1.0mmol/ml。取样后在丙酮中沉淀，离心洗涤后将沉淀物溶于正己烷中密封保存，从而得到核量子点。

按上述方法可以制备出CdSe，PbSe，PbTe，CdTe，PbS，CdS，CuInS₂，CuInSe₂等核量子点，各种核量子点制备所采用的金属前驱体和三辛基磷化合物前驱体列于表1。

表1

三辛基磷化合物前驱体可以用三正丁基磷化合物前驱体替代。

b.油相核壳量子点的制备

可采用交替离子注入法或乙基黄原酸盐裂解法进一步制备量子点核壳结构。

采用交替离子注入法时，在无水无氧通氩气条件下，将装有十八烯和油胺的三口瓶加热到250℃以上约10分钟后，降至室温，注入核量子点样品的十八烯溶液。待温度稳定后，快速注入包覆CdS所需的油酸镉前驱体溶液，约8分钟后注入等体积单质硫前驱体溶液，20分钟后，注入包覆ZnS所需的油酸锌前驱体溶液，约8分钟后注入等体积单质硫前驱体溶液。包覆过程可以多次重复。完成最后一层后退火。

利用乙基黄原酸盐裂解法时，在无水无氧通氩气条件下，将装有十八烯和油胺的三口瓶加热到250℃以上约10分钟后，降至室温，注入核量子点样品的十八烯溶液。先后采用滴加的方法加入由乙基黄原酸镉与硬脂酸镉组成的Cd前驱体和乙基黄原酸锌与环己烷丁酸锌组成的Zn前驱体，同时反应温度控制在150～300℃。最后得到核壳量子点。

其中：两种制备方法中所说的油胺均可用十八胺代替；

乙基黄原酸盐裂解法包覆量子点时，Cd前驱体由硬脂酸镉与乙基黄原酸镉组成，摩尔数比例在0：1～5：1之间；Zn前驱体由环己烷丁酸锌与乙基黄原酸锌组成，摩尔数比例在0：1～5：1之间可调；溶剂由油酸、油胺、十八烯组成，其体积比例满足1～3：1～5：3～9。

2.油相量子点改性制备生物相容的水相量子点

取1.0×10^-4mmol油相核壳量子点，将量子点溶于0.1～1.0ml的三氯甲烷中，慢慢加入0.1～0.8ml的巯基乙酸(MPA)，超声5分钟～30分钟，溶液变混浊。加入浓度为1mol·L^-1KOH或NaOH等强碱溶液，使KOH的量为MPA量的2倍到8倍，摇匀后离心处理，转速为8000～21000转/分钟，1～5分钟后出现均匀的分层，取出无色的清液。向剩余液体中加入少量三氯甲烷及无水乙醇，其体积比满足三氯甲烷：无水乙醇＝1：1～5：1，离心处理，取出沉淀的量子点，并将所得量子点溶于磷酸盐缓冲液。

其中巯基乙酸可以通过交换或反应连接用其它带巯基和羧基或氨基的有机物或生物大分子的衍生物，如巯基丙酸、十一巯基酸，抗生素，免疫球蛋白，抗生蛋白链菌素(streptavidin)等代替。

磷酸盐缓冲液中可以加入牛血清蛋白来提高水相量子点的稳定性。

本发明利用溶液法制备油相量子点，然后利用一端带巯基另一端带羧基或氨基的有机物或生物大分子的衍生物改变量子点表面的有机长链，量子点表面链接的有机分子为亲水性的有机分子，使得量子点易溶于水或磷酸盐缓冲液等极性溶液中。

由于油相量子点稳定性好，荧光效率高，改性过程中只是改变量子点的表面有机物长链，量子点本身的结构没有变化，因而制备的水相量子点较直接制备的水相量子点稳定性更好。

本发明的优点在于：量子点具有较大的比表面积、较高的荧光效率和均一的粒径分布；油相体系下生长的量子点方法简单，易于控制量子点的粒径，因而也便于控制水相量子点的粒径；该方法制备的水相量子点稳定性强，在加入了牛血清蛋白的磷酸盐缓冲液中可放置三个月，荧光仍保持在30～40％；改性后的水相的量子点在细胞中稳定性很好，并且可以和细胞结合，这一性质表明，可以利用量子点的荧光特性进行生物标记、医学诊断等；此外还可以用于制备全光谱太阳能电池及光电探测器等，以期制备出高效率价格便宜的光伏器件。

附图说明

图1为本发明的油相量子点核壳结构的吸收谱和荧光谱。

图2为本发明改性后的水相核壳量子点的吸收谱和荧光谱。

图3为本发明改性后的核壳量子点荧光标记大鼠嗜碱性细胞白血病细胞，图中：(a)大鼠嗜碱性细胞白血病细胞的图片(b)BSA修饰的CdSe/CdS/ZnS量子点的荧光(c)将(a)和(b)复合后的图片

具体实施方式

实施例1：

核量子点的制备：以CdSe核的制备为例。取0.3mmol的CdO，置于三口瓶中，向三口瓶中加入0.5ml的油酸和4ml的十八烯，密封三口瓶，通氩气，一小时后，加热至250℃十分钟，降至室温，向三口瓶中加入2.5g的十八胺和0.5g TOPO，通氩气一小时。

取1.8mmol的Se粉，置于梨形瓶中。以下步骤在真空手套箱里操作，取1.0ml的TOP和1.5ml的双辛胺置于梨形瓶中，密封，取出。超声待Se粉完全溶解后即得TOPSe。

将三口瓶加热至282℃，迅速注入TOPSe，60秒取样，注入装有丙酮的梨形瓶中，离心，沉淀物即为CdSe量子点。

核壳量子点的溶液法制备：以乙基黄原酸盐裂解法制备CdSe/(CdS)₂/(ZnS)_1.5为例。在无水无氧通氩气条件下，将装有2.5ml十八烯、3g十八胺的三口瓶加热到280℃约10分钟后，降至室温，注入CdSe样品的十八烯溶液1.5ml(1.95×10^-4mmol)。

称取0.10995mmol(74.5mg)硬脂酸镉和0.03665mmol(13mg)乙基黄原酸镉，置于离心管中，向离心管中加入0.5ml的油酸、0.5ml油胺、1.5ml十八烯，超声，待乙基黄原酸镉和硬脂酸镉溶解后即值得Cd前驱体。

将三口瓶加热至225℃用针管慢慢注入Cd前驱体，大约30分钟注入完毕，退火20分钟。取样在丙酮中沉淀，沉淀物即为CdSe/(CdS)₃。

油相量子点的改性：取0.5×10^-4mmol油相CdSe/(CdS)₃核壳量子点，用甲苯、丙酮离心两遍，洗去量子点表面多余的有机物。将量子点溶于0.5ml的三氯甲烷中，慢慢加入0.6ml的巯基丙酸(MPA)，超声5分钟，溶液变混浊。加入1.5ml浓度为1mol.L^-1KOH溶液，摇匀，放入离心机中离心，转速为10000转/分钟，离心一分钟，则会出现均匀的分层，取出无色的清夜，向剩余液体中加入0.5ml三氯甲烷及0.3ml无水乙醇，离心，所得量子点溶于磷酸盐缓冲液。

图1、图2分别给出了本实施例制备的油相量子点和改性后的水相量子点的吸收谱和荧光谱。由荧光谱可以看出，改性前后量子点的荧光谱的半峰宽没有变化，吸收谱显示，改性后的量子点的结构和改性前没有变化。图3是改性后的水相量子点用于大鼠嗜碱性细胞白血病细胞荧光标记图，量子点的稳定性很好。

实施例2：

核量子点的制备：以CdSe量子点的制备为例。取0.3mmol的CdO，置于三口瓶中，向三口瓶中加入0.8ml的油酸和6ml的十八烯，密封三口瓶，通氩气，一小时后，加热至250℃十分钟，降至室温，向三口瓶中加入3g的十八胺和0.8gTOPO，通氩气一小时。

取1.0mmol的Se粉，置于梨形瓶中。以下步骤在真空手套箱里操作，取0.6ml的TOP和1.0ml的双辛胺置于梨形瓶中，密封，取出。超声待Se粉完全溶解后即得TOPSe。

将三口瓶加热至282℃，迅速注入TOPSe，20秒取样，在丙酮中沉淀，沉淀物即为CdSe量子点。

核壳量子点的制备：以交替离子注入法制备CdSe/CdS/Zn_0.5Cd_0.5S/(ZnS)₃为例。在无水无氧通氩气条件下，将装有3.0ml十八烯、2g十八胺的三口瓶加热到280℃约10分钟后，降至室温，注入CdSe样品的十八烯溶液1.8ml(1.20×10^-4mmol)。

将三口瓶加热至190℃，迅速注入0.17mlCd前驱体，10分钟后，注入等体积的S的前驱体；10分钟后，将反应温度调到200℃，10分钟后，迅速注入0.25mlZn_1/2Cd_1/2，10分钟后，迅速注入等体积的S的前驱体；10分钟后，将反应温度调节至230℃，10分钟后，迅速住入0.35mlZn前驱体；10分钟后迅速注入等体积的S前驱体；20分钟后，迅速注入0.45mlZn前驱体；10分钟后，迅速注入等体积的S前驱体；20分钟后，迅速注入0.58ml的Zn前驱体；10分钟后迅速注入等体积的S前驱体。

240℃退火一小时，取出样品，注入装有丙酮的梨形瓶中，离心，将沉淀至于正己烷中保存。

油相量子点的改性：取0.6×10^-4mmol油相CdSe/CdS/Zn_1/2Cd_1/2S/(ZnS)₃核壳量子点，用甲苯、丙酮离心三遍，洗去量子点表面多余的有机物。将量子点溶于0.3ml的三氯甲烷中，慢慢加入0.7ml的巯基丙酸(MPA)，超声30分钟，溶液变混浊。加入2.0ml浓度为1mol.L^-1KOH溶液，摇匀，放入离心机中离心，转速为9000转/分钟，离心一分钟，则会出现均匀的分层，取出无色的清夜，向剩余液体中加入0.8ml三氯甲烷及0.5ml无水乙醇，离心。向沉淀物中加入0.5ml的MPA和0.5ml三氯甲烷，超声20分钟，加入1.5ml的KOH溶液，以转速10000转/分离心一分钟，取出无色清液，向剩余液体中加入0.5ml三氯甲烷和0.3ml的无水乙醇，离心，取出量子点沉淀物。将所得量子点溶于磷酸盐缓冲液。

Claims (8)

1.一种生物相容的水相量子点的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：

A.油相量子点的制备

将金属前驱体溶于油酸与十八烯混合液，置于反应容器中，加热至金属前驱体完全溶解，降至室温；在氩气氛围中，再加入油胺和三辛基氧化磷溶液后加热至150～300℃，迅速注入三辛基磷化合物前驱体，取样后在丙酮中沉淀，离心洗涤后将沉淀物溶于正己烷中密封保存，从而得到核量子点；金属前驱体与三辛基磷化合物前驱体组合不同制备出的核量子点的种类不同；

制备过程中各材料配比为：

金属前驱体和油酸的摩尔数比例在1：2到1：8之间；

油酸与十八烯的体积比在1：4～1：10之间；

油胺和三辛基氧化磷的质量比在10：1～1：1之间；

三辛基磷化合物和金属前驱体的摩尔数比例在1：1～10：1之间；

B.油相核壳量子点的制备

采用交替离子注入法或乙基黄原酸盐裂解法制备量子点核壳结构，具体方法如下：

采用交替离子注入法时，在无水无氧通氩气条件下，将装有十八烯和油胺的三口瓶加热到250℃以上约10分钟后，降至室温，注入核量子点样品的十八烯溶液，待温度稳定后，快速注入包覆CdS所需的油酸镉前驱体溶液，约8分钟后注入等摩尔数的单质硫前驱体溶液，20分钟后，注入包覆ZnS所需的油酸锌前驱体溶液，约8分钟后注入等摩尔数的单质硫前驱体溶液，包覆过程可以多次重复，完成最后一层后退火；

采用乙基黄原酸盐裂解法时，在无水无氧通氩气条件下，将装有十八烯和油胺的三口瓶加热到250℃以上约10分钟后，降至室温，注入核量子点样品的十八烯溶液；然后采用滴加的方法加入由乙基黄原酸镉与硬脂酸镉组成的Cd前驱体和乙基黄原酸锌与环己烷丁酸锌组成的Zn前驱体，同时反应温度控制在150～300℃；最后得到由CdS和ZnS等包覆的核壳量子点；其中：

Cd前驱体材料配比：硬脂酸镉与乙基黄原酸镉的摩尔数比例在0:1～5:1之间；

锌前驱体材料配比：环己烷丁酸锌与乙基黄原酸锌的摩尔数比例在0：1～5：1之间；

溶剂材料配比：油酸、油胺、十八烯的体积比满足1～3：1～5：3～9；

C.油相量子点改性制备生物相容的水相量子点

取1.0×10^-4mmol油相核壳量子点，将量子点溶于0.1～1.0ml的三氯甲烷中，慢慢加入0.1～0.8ml的巯基乙酸(MPA)，超声5分钟～30分钟，溶液变混浊；加入浓度为1mol·L^-1KOH或NaOH等强碱溶液，使强碱的量为MPA量的2倍到5倍；摇匀后离心处理，转速为8000～21000转/分钟，1～5分钟后出现均匀的分层，取出无色的清液；向剩余液体中加入少量三氯甲烷及无水乙醇，其体积比满足三氯甲烷：无水乙醇＝1：1～5：1，离心处理，取出沉淀的量子点，并将所得量子点溶于磷酸盐缓冲液。

2.根据权利要求1所述的一种生物相容的水相量子点的制备方法，其特征在于：在步骤A中所说的三辛基磷化合物前驱体是三辛基磷硒、三辛基磷硫和三辛基磷碲三者之一；它们通过将Se、S、Te的单质粉末溶于三辛基磷中制备获得，其中Se、S、Te的单质粉末的浓度为1.0mmol/ml。

3.根据权利要求1所述的一种生物相容的水相量子点的制备方法，其特征在于：所说的金属前驱体是金属氧化物、金属氯化物或金属盐类。

4.根据权利要求1所述的一种生物相容的水相量子点的制备方法，其特征在于：所说的金属前驱体与三辛基磷化合物前驱体组合为：

CdSe核量子点采用CdO和三辛基磷硒组合；

PbSe核量子点采用PbO和三辛基磷硒组合；

PbTe核量子点采用PbO和三辛基磷碲组合；

CdTe核量子点采用CdO和三辛基磷碲组合；

PbS核量子点采用PbO和三辛基磷硫组合；

CdS核量子点采用CdO和三辛基磷硫组合；

CuInS₂核量子点采用氯化亚铜与氯化铟和三辛基磷硫组合；

CuInSe₂核量子点采用氯化亚铜与氯化铟和三辛基磷硒组合；

上述组合中的PbO前驱体可用醋酸铅前驱体替代。

5.根据权利要求1所述的一种生物相容的水相量子点的制备方法，其特征在于：在步骤A中所说的三辛基磷化合物可以用三正丁基磷化合物代替。

6.根据权利要求1所述的一种生物相容的水相量子点的制备方法，其特征在于：在制备过程中所采用的油胺材料可以用十八胺代替。

7.根据权利要求1所述的一种生物相容的水相量子点的制备方法，其特征在于：步骤C中所说的磷酸盐缓冲液中可以加入提高量子点的稳定性的牛血清蛋白。

8.根据权利要求1所述的一种生物相容的水相量子点的制备方法，其特征在于：步骤C中所说的巯基乙酸可以通过交换或反应连接用其它带巯基和羧基或氨基的有机物或生物大分子的衍生物代替，如巯基丙酸，十一巯基酸，抗生素，免疫球蛋白，抗生蛋白链菌素。

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