CN102250619B - 量子点-琼脂糖复合微球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点-琼脂糖复合微球，该复合微球是以蜂窝状的琼脂糖凝胶微球为基体，基体的孔隙中填充有改性量子点，孔隙的内壁上附着有一层聚乙烯亚胺，聚乙烯亚胺中的胺基通过醛基与改性量子点上的胺基交联成一体；本发明的复合微球量子点浓度高（包被量大）、化学性质稳定，可避免量子点的泄露；本发明还相应公开了一种该量子点-琼脂糖复合微球的制备方法，包括制备混合溶液、添加填充介质和添加交联剂等工艺步骤；该制备方法操作简单，便于推广和应用，且无需采用聚合物凝胶进行特殊修饰。
Description
技术领域
本发明主要涉及到量子点复合物微球，具体涉及量子点-琼脂糖复合微球及其制备方法。
背景技术
量子点（Quantum Dots, QDs）又可称为半导体纳米晶体（Semicondutor Nanocrystal），是一种由II-VI族或III-V族元素组成的、尺寸为1nm～20nm的纳米晶体。量子点具有摩尔吸光系数大、激发波长宽且连续、发射波长窄且对称、斯托克斯位移大、荧光寿命长、不易光漂白等优良性质，并且其荧光光谱随量子点的尺寸形状而改变，因此，量子点广泛应用于生物标记、发光二极管、激光、太阳能电池等光电子器件以及信息存储等领域。琼脂糖是由β-D-吡喃半乳糖和α-L-吡喃半乳糖基为结构单位的多糖聚合物，具有多孔结构、生物相容性好的凝胶体系，广泛应用于亲和层析和免疫分析。将量子点和凝胶体系杂合构建量子点的凝胶复合物可以充分发挥二者的优势，有望应用于荧光标记、免疫分析、催化等领域。
一般的量子点复合微球，基于物理包埋或者共价交联方法，将量子点包被进入凝胶微球中，从而获得量子点复合微球。前者比如Gong等基于氢键相互作用，将水溶性量子点包被进入N-异丙基丙烯酰胺水凝胶中，发展了温度敏感的量子点聚合物微球（Incorporating Fluorescent CdTe Nanocrystals into a Hydrogel via Hydrogen Bonding: Toward Fluorescent Microspheres with Temperature-Responsive Properties, Yanjun Gong, Mingyuan Gao, Dayang Wang, and Helmuth M 
hwald, Chem. Mater., 2005, 17 (10), 2648–2653），Kuang采用氢键相互作用，发展了量子点的pH响应的凝胶聚合物微球（Fabrication of Multicolor-Encoded Microspheres by Tagging Semiconductor Nanocrystals to Hydrogel Spheres, Min Kuang, Dayang Wang, Haobo Bao, Mingyuan Gao, HelmuchM
hwald1, and Ming Jiang, Adv. Mater., 2005, 17(3), 267–270），这种方法操作简单，但是物理包埋大多基于非共价作用，不能有效将量子点固定于凝胶微球上，获得的量子点复合微球化学性质不够稳定，容易发生颗粒的泄露；后者，比如Salcher在聚合物凝胶表面修饰氨基和巯基，基于氨基、巯基对于量子点的配位结合作用，将量子点固定在凝胶微球中（CdSe/CdS nanoparticles immobilized on pNIPAm-based microspheres Andrea Salcher, Marija S. Nikolic, Santiago Casado, Marisela Vélez, Horst Weller and Beatriz H. Juárez, J. Mater. Chem., 2010, 20, 1367-1374），这种方法虽然可以有效地使量子点固定于凝胶微球上，但量子点不能浓缩大量进入凝胶微球，包被量不大，而且需要聚合物凝胶的特殊修饰。因此，现有的量子点复合微球，量子点的浓度比较低（包被量小），而且有些化学性质不稳定，容易发生量子点泄露。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种量子点浓度高（包被量大）、化学性质稳定的量子点-琼脂糖复合微球，并且相应提供一种包被量大、无需对聚合物凝胶进行特殊修饰的量子点-琼脂糖复合微球的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种量子点-琼脂糖复合微球，所述复合微球是以蜂窝状的琼脂糖凝胶微球为基体，所述基体的孔隙中填充有改性量子点，所述孔隙的内壁上附着有一层聚乙烯亚胺，所述聚乙烯亚胺中的胺基通过醛基与所述改性量子点上的胺基交联成一体。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述改性量子点为巯基乙胺改性后的量子点。
上述的量子点-琼脂糖复合微球中，所述量子点优选为CdSe、CdTe、CdSe/ZnS、InP、Au中的一种或者多种。
上述的量子点-琼脂糖复合微球中，平均单个所述的琼脂糖凝胶微球填充上的改性量子点颗粒数为107～109。
上述的量子点-琼脂糖复合微球中，所述琼脂糖凝胶微球的粒径优选为200nm～1mm。
本发明的原理为：量子点采用巯基乙胺进行表面修饰，基于量子点表面胺基和琼脂糖的羟基的NH-O氢键作用，量子点包被进入琼脂糖微球中；聚乙烯亚胺基于NH-O氢键作用，进入琼脂糖微球中，在交联剂乙二醛的作用下，基于胺基与醛基的席夫碱反应，量子点与聚乙烯亚胺相互交联，从而量子点被共价固定在琼脂糖微球中。如图1所示，为本发明的原理示意图，第一步：量子点基于胺基与羟基的氢键作用嵌入微球中；第二步：聚乙烯亚胺作填充介质，乙二醛为交联剂，进行量子点的交联与固定。
作为一个总的发明构思，本发明还相应提供一种上述量子点-琼脂糖复合微球的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）制备混合溶液：将改性量子点溶液加入至琼脂糖凝胶微球中，振荡混合，得到混合溶液；
（2）添加填充介质：然后将填充介质聚乙烯亚胺溶液加入至所述步骤（1）得到的混合溶液中，振荡培育，离心，去除上清，收集离心产物；
（3）添加交联剂：再将交联剂乙二醛溶液或者戊二醛加入至所述步骤（2）得到的离心产物中，振荡培育，离心，去除上清，得到量子点-琼脂糖复合微球。
上述技术方案中，所述的聚乙烯亚胺与琼脂糖凝胶微球的质量配比优选为（40～100）∶1；所述的乙二醛与聚乙烯亚胺的质量配比优选为（0.5～10）∶1。
上述技术方案中，所述步骤（1）中，优选的工艺参数：振荡速度为500rpm～1500rpm，混合时间为4h～10h，所述改性量子点溶液的浓度为10-7M～10-5M。
上述技术方案中，所述步骤（2）中，优选的工艺参数：振荡培育的速度及时间分别为500rpm～1500rpm和4h～10h，离心工艺的速度及时间分别为100rpm～500rpm和0.5min～5min，所述填充介质聚乙烯亚胺溶液的pH为6.0～8.0，浓度为1mg/mL～20mg/mL。
上述技术方案中，所述步骤（3）中，优选的工艺参数：振荡培育的速度及时间分别为500rpm～1500rpm和1h～5h，离心工艺的速度及时间分别为100rpm～500rpm和0.5min～5min，所述交联剂乙二醛溶液的体积浓度为0.5%～5.0%。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的量子点-琼脂糖复合微球，首先，量子点基于物理包埋，与琼脂糖凝胶的氢键作用，量子点被极大的浓缩并包被入琼脂糖凝胶微球中，平均每个琼脂糖微球包被量子点可达1010；其次，以聚乙烯亚胺作为交联基质，聚乙烯亚胺中的胺基通过醛基与经过巯基乙胺改性的量子点上的胺基交联成一体，实现了量子点的共价固定，具有稳定的化学性质，可避免量子点的泄露；最后，采用琼脂糖作为包被凝胶微球，成本低廉。
本发明的量子点-琼脂糖复合微球的制备方法，操作简单，便于推广和应用，同时采用已经制备的琼脂糖微球中嵌入量子点不会对琼脂糖凝胶本身分子结构产生影响，而且因采用巯基乙胺对量子点进行改性，从而不需要采用聚合物凝胶进行特殊修饰。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明实施例1制得的CdSe/ZnS 量子点-琼脂糖微球的光学成像图，其中，A图中的（1）为荧光成像图（荧光为红色），A图中的（2）为明场光学成像图；B图为 Z轴扫描荧光成像图（荧光为红色）。
图3为本发明实施例1的泄露考察对比实验荧光成像图，其中，C图为对照样（未进行聚乙烯亚胺和乙二醛化学交联的量子点-琼脂糖微球）清洗前和清洗后的荧光成像（荧光为红色）；D图为实施例1制得的量子点-琼脂糖复合微球清洗前和清洗后的荧光成像（荧光为红色）。
图4为本发明实施例1的泄露考察对比实验荧光定量数据图。
图5为本发明实施例2制得的五种不同颜色（不同摩尔比的两种荧光发射波长为543nm和602nm的CdTe量子点组合而成）的CdTe量子点-琼脂糖复合微球的荧光成像图，其中，E为绿色，摩尔比为4∶0；F为浅绿色，摩尔比为4∶0.5；G为黄色，摩尔比为4∶1；H为橙色，摩尔比为2∶1；I为红色，摩尔比为0∶1。
图6为本发明实施例2制得的五种不同颜色（不同摩尔比的两种荧光发射波长为543nm和602nm的CdTe量子点组合而成）的CdTe量子点-琼脂糖复合微球的荧光发射光谱图，其中，E为绿色，摩尔比为4∶0；F为浅绿色，摩尔比为4∶0.5；G为黄色，摩尔比为4∶1；H为橙色，摩尔比为2∶1；I为红色，摩尔比为0∶1。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：
一种本发明的量子点-琼脂糖复合微球，以蜂窝状的琼脂糖凝胶微球（平均粒径为35 mm）为基体，基体的孔隙中填充有经巯基乙胺改性后的CdSe/ZnS量子点（即巯基乙胺-CdSe/ZnS量子点），基体孔隙的内壁上附着有一层聚乙烯亚胺，聚乙烯亚胺中的胺基通过醛基与巯基乙胺-CdSe/ZnS量子点上的胺基交联成一体，平均单个琼脂糖凝胶微球填充上的巯基乙胺-CdSe/ZnS量子点颗粒数为6.0×107。
本实施例的量子点-琼脂糖复合微球具体是通过工艺步骤制备得到：
（1）制备混合溶液：准备10mL荧光发射波长为602nm、浓度为10-6M的巯基乙胺-CdSe/ZnS量子点溶液，将其加入到平均粒径为35mm的琼脂糖凝胶微球中（总凝胶质量为0.3 mg，含微球数目108），在1500rpm的振荡速度下培育4h，得到混合溶液；
（2）添加填充介质：将2 mLpH为7.0、浓度为10mg/mL的聚乙烯亚胺溶液（作为填充介质）加入到上述步骤（1）得到的混合溶液中，1500rpm的振荡速度下继续培育4h，经500 rpm速度离心0.5min，去除上清，收集离心产物；
（3）添加交联剂：再将2 mL浓度为1.0%的乙二醛溶液（作为交联剂）加入到上述步骤（2）得到的离心产物中，1500rpm的振荡速度下培育2h，经500rpm速度离心0.5min，去除上清，得到巯基乙胺-CdSe/ZnS量子点-琼脂糖复合微球。
取10mL上述方法制得的量子点-琼脂糖复合微球悬浮液置于荧光显微镜上观察，如图2所示，由图2中的A图可以看出微球发出明亮的红色荧光，表明琼脂糖凝胶微球包被了大量的荧光量子点；由图2中的B图可以看出，量子点比较均匀的分布在琼脂糖凝胶微球中。
再对上述方法制得的量子点-琼脂糖复合微球进行泄露考察对比实验，将上述量子点-琼脂糖凝胶反复采用10mL二次水清洗，然后采用荧光分光光度计进行荧光测定，并且采用未进行聚乙烯亚胺-乙二醛交联的量子点-琼脂糖微球进行对照。结果如图3及图4所示，未进行聚乙烯亚胺-乙二醛交联的量子点-琼脂糖微球经过七次洗涤，荧光降低到初始的5%（参见图3中的C图），而进行聚乙烯亚胺-乙二醛交联的量子点-琼脂糖微球仅降低14%（参见图3中的D图），这表明，经过聚乙烯亚胺-乙二醛交联，量子点大多被共价交联并束缚在琼脂糖凝胶微球中。
由以上可见，本发明的量子点-琼脂糖复合微球的化学性质稳定，量子点浓度高（包被量大）。
实施例2：
一组（五种）本发明的量子点-琼脂糖复合微球，均以蜂窝状的琼脂糖凝胶微球（平均粒径为35mm）为基体，基体的孔隙中填充有经巯基乙胺改性后的CdTe量子点，每种量子点分别由不同摩尔比例（4∶0、4∶0.5、4∶1、2∶1、0∶1，不同的摩尔比例组合，表现为不同颜色的量子点）的两种荧光发射波长为543nm和602nm的CdTe量子点组合而成，每种基体的内壁上均附着有一层聚乙烯亚胺，聚乙烯亚胺中的胺基通过醛基与巯基乙胺-CdTe量子点上的胺基交联成一体，平均单个琼脂糖凝胶微球填充上的巯基乙胺-CdTe量子点颗粒数为1.0×108。
制备该实施例的五种巯基乙胺-CdTe量子点-琼脂糖复合微球的方法，具体工艺步骤如下：
（1）制备混合溶液：准备两种荧光发射波长为543nm和602nm的巯基乙胺-CdTe量子点溶液，按照不同的摩尔比（4∶0、4∶0.5、4∶1、2∶1、0∶1），分成五组，（每组总浓度控制为10-6 M，总容积控制为5ml），再准备五组平均粒径为35mm的琼脂糖凝胶微球中（总凝胶质量为0.15mg，含微球数目5.0×107），将不同摩尔比的多色量子点溶液分别加入至五组琼脂糖凝胶微球中，分别在1500rpm的振荡速度下培育4h，得到五组混合溶液。
（2）添加填充介质：将2mLpH为7.0，浓度为4mg/mL的聚乙烯亚胺溶液（作为填充介质）分成五组，分别加入到上述步骤（1）得到的五组混合溶液中，分别在1500rpm的振荡速度下继续培育4h，经500rpm速度离心0.5min，去除上清，收集五组离心产物；
（3）添加交联剂：再将0.75mL浓度为1.0%的乙二醛溶液（作为交联剂）分成五组，分别加入到上述步骤（2）得到的五组离心产物中，分别在1500rpm的振荡速度下培育2h，经500rpm速度离心0.5min，去除上清，得到五种CdTe量子点-琼脂糖复合微球。
将经上述方法制得的五种不同颜色的CdTe量子点-琼脂糖复合微球悬浮液置于荧光显微镜上观察，得到如图5及图6所示的不同颜色（E为绿色，摩尔比为4∶0；F为浅绿色，摩尔比为4∶0.5；G为黄色，摩尔比为4∶1；H为橙色，摩尔比为2∶1；I为红色，摩尔比为0∶1）的CdTe量子点-琼脂糖复合微球的荧光成像和荧光光谱。结果显示，采用不同颜色（不同摩尔比）的CdTe量子点进行琼脂糖微球包被，可以得到从绿色到红色的不同颜色的CdTe量子点-琼脂糖凝胶编码微球，从而表明，琼脂糖凝胶微球中包被了大量的量子点，进而说明本发明的量子点-琼脂糖复合微球的量子点的浓度非常高。
Claims (10)
1.一种量子点-琼脂糖复合微球，所述复合微球是以蜂窝状的琼脂糖凝胶微球为基体，所述基体的孔隙中填充有改性量子点，其特征在于：所述孔隙的内壁上附着有一层聚乙烯亚胺，所述聚乙烯亚胺中的胺基通过醛基与所述改性量子点上的胺基交联成一体。
2.根据权利要求1所述的量子点-琼脂糖复合微球，其特征在于：所述改性量子点为巯基乙胺改性后的量子点。
3.根据权利要求2所述的量子点-琼脂糖复合微球，其特征在于：所述量子点为CdSe、CdTe、CdSe/ZnS、InP、Au中的一种或者多种。
4.根据权利要求1或2或3所述的量子点-琼脂糖复合微球，其特征在于：平均单个所述的琼脂糖凝胶微球填充上的改性量子点颗粒数为107～109。
5.根据权利要求4所述的量子点-琼脂糖复合微球，其特征在于：所述琼脂糖凝胶微球的平均粒径为200 nm～1 mm。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的量子点-琼脂糖复合微球的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下工艺步骤：
（1）制备混合溶液：将改性量子点溶液加入至琼脂糖凝胶微球中，振荡混合，得到混合溶液；
（2）添加填充介质：然后将填充介质聚乙烯亚胺溶液加入至所述步骤（1）得到的混合溶液中，振荡培育，离心，去除上清，收集离心产物；
（3）添加交联剂：再将交联剂乙二醛溶液或者戊二醛加入至所述步骤（2）得到的离心产物中，振荡培育，离心，去除上清，得到量子点-琼脂糖复合微球。
7.根据权利要求6所述的量子点-琼脂糖复合微球的制备方法，其特征在于：所述的聚乙烯亚胺与琼脂糖凝胶微球的质量配比为（40～100）∶1；所述的乙二醛与聚乙烯亚胺的质量配比为（0.5～10）∶1。
8.根据权利要求6或7所述的量子点-琼脂糖复合微球的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，振荡速度为500rpm～1500rpm，混合时间为4h～10h，所述改性量子点溶液的浓度为10-7 M～10-5M。
9.根据权利要求6或7所述的量子点-琼脂糖复合微球的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，振荡培育的速度及时间分别为500rpm～1500rpm和4h～10h，离心工艺的速度及时间分别为100rpm～500rpm和0.5 min～5min，所述填充介质聚乙烯亚胺溶液的pH为6.0～8.0，浓度为1 mg/mL～20mg/mL。
10.根据权利要求6或7所述的量子点-琼脂糖复合微球的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，振荡培育的速度及时间分别为500rpm～1500rpm和1h～5h，离心工艺的速度及时间分别为100rpm～500rpm和0.5min～5min，所述交联剂乙二醛溶液的体积浓度为0.5%～5.0%。
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