CN104726085A - 一种核壳结构量子点复合纳米晶荧光探针及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米材料的制备技术及生物分析检测技术领域，尤其涉及一种核壳结构量子点复合纳米晶及其探针的制备方法。本发明提供了一种ZnSe基量子点核壳结构复合纳米晶的制备方法，该壳层为含有类ZnS半导体簇的复合二氧化硅壳，通过包覆复合二氧化硅壳，量子点的光化学稳定性和量子产率得到明显提高；同时基于量子点的荧光猝灭作用，制得用于检测痕量重金属离子的荧光探针。本发明反应条件温和，操作方法简单，制备的核壳结构复合纳米晶具有很好的物理化学稳定性和生物相容性，形成的探针具有很高的灵敏度和良好的稳定性，在生物传感器、荧光探针、生物标记等领域具有广泛应用前景。

Description

一种核壳结构量子点复合纳米晶荧光探针及制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料的制备技术及生物分析检测技术领域，尤其涉及一种核壳结构量子点复合纳米晶及其探针的制备方法，该探针可以用于检测溶液中痕量金属离子。

背景技术

半导体量子点主要是由II-VI族或III-V族元素组成的尺寸在1-10 nm之间的纳米颗粒，当半导体材料的尺寸小于或接近于激子波尔半径时，离子能量出现量子化，因此，半导体量子点的光学性质随粒子尺寸的变化而改变，同时其发光效率与体相材料相比也有很大提高。量子点的制备一直是人们关注的热点，从有机相到水相，从低荧光量子产率到高荧光量子产率，从短荧光寿命到长荧光寿命，量子点的制备技术在不断发展。目前量子点作为荧光探针可以同时实现对疾病诊断、跟踪、治疗于一体的多功能型量子点。同时，与传统的燃料探针相比，量子点探针具有抗光漂白，激发波长宽的特点，量子点表面易功能化，有利于引入能特异性识别客体的活性基团。本发明基于量子点的发光特性，在量子点表面引入还原型谷胱甘肽作为稳定剂，获得一种特异性识别金属离子的探针。这一探针可以实现实时监测细胞内游离金属离子浓度的变化水平，而且可检测其它样品中金属离子的浓度。因此，获得荧光量子产率更高、更稳定及生物相容性更好的的量子点的制备及其在各领域的应用具有重要的意义。

目前，广泛应用的是镉类量子点，但由于镉的生物毒性，限制了其在生物医学及生物检测领域的应用。由于Zn的无毒无害特性，因此Zn类量子点相比Cd类量子点具有更好的环境相容性。但由于表面悬空键较多及表面存在大量非辐射复合中心等缺点，制备的Zn类量子点存在易氧化、不稳定及量子产率较低等问题。我们通过在制备的Zn类量子点表面包覆一层含有类ZnS团簇的SiO₂壳层，从而使量子点表面缺陷减少，量子产率、颗粒的稳定性及生物相容性明显提高，可以更广泛的应用于生物传感器、荧光探针、生物标记等领域。

经对现有技术的文献检索发现，在ZnSe量子点表面包覆SiO₂壳层已经有相关的报道。Ando等人（Masanori Ando, Chunliang Li, Ping Yang, and Norio Murase, Blue-Emitting Small Silica Particles Incorporating ZnSe-Based Nanocrystals Prepared by Reverse Micelle Method, Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2007, 2007, 52971.）通过反相微乳液法制备ZnSe@SiO₂纳米晶，在合成过程中，采用壬基酚聚醚-5( CO-520)和环己烷形成的微乳液体系，经过三步反应合成。但是这种制备方法引入了新的有机物质对后期的量子点的分离带来困难，量子点的产率提高有限；同时微乳液方法制备包覆SiO₂纳米晶，由于微反应器的限制，制备ZnSe@SiO₂纳米晶的产量较小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种制备过程简单，产率高，且发光性能、稳定性及生物相容性好的水溶性核壳结构量子点复合纳米晶及探针的制备方法。首先，本发明提供了一种ZnSe基量子点核壳结构复合纳米晶的制备方法，该壳层为含有类ZnS半导体簇的复合二氧化硅壳，通过包覆复合二氧化硅壳，量子点克服了普通量子点物理化学性质不稳定性，发光性能易受外界环境影响等不足，同时量子点的产率得到明显提高。其次，利用重金属离子对量子点的荧光猝灭作用，可形成探测金属离子的离子探针。本发明的荧光探针具有很高的灵敏度，良好的稳定性，并且对生物体毒性较小，具有广泛的应用前景。

本发明是通过以下措施实现的：

一种核壳结构量子点复合纳米晶的制备方法，采用以下步骤：

（a）将ZnSe或ZnSe@ZnS量子点通过醇离心分离，然后分散到水中，得到量子点浓度为3.5×10^-4~8.5×10^-3 mol/L的水溶液；

（b）将上述量子点溶液中加入表面稳定剂和Zn源，其中表面稳性剂的浓度为5×10^-3~5×10^-2 mol/L，加入浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液调节溶液的pH为9~11，之后加入烷氧基硅烷试剂、氨水得到包覆二氧化硅的前驱体溶液，在室温下反应1-6 h，得到包覆二氧化硅的胶体溶液；

（c）将上述胶体溶液在磁力搅拌下，加热至90-120℃，油浴回流反应1-10 h，得到复合二氧化硅壳包覆的高发光效率的核壳结构量子点。

本发明中量子点的制备方法，包括如下步骤：（1）ZnSe量子点的制备过程如下：采用化学共沉淀法，将物质的量的比为2:1-8:1的NaBH₄与Se粉在氮气的保护性溶于2-5mL蒸馏水，得到Se的前驱体溶液；将Zn²⁺源按照Zn²⁺与Se^2-物质的量比为2：1-5：1溶于15-30 mL蒸馏水，加入表面稳定剂，其中表面稳定剂与Zn²⁺的摩尔比为1:1-4:1，并用浓度为1 mol/L的氢氧化钠调节溶液的pH值为9-12，得到Zn前驱体；将Se的前驱体溶液迅速注入到Zn前驱体中，在氮气保护下，磁力搅拌加热，在90-120℃，油浴回流反应1-10 h，得到水溶性ZnSe量子点；

（2）ZnSe@ZnS量子点的制备过程如下：取步骤（1）中制备的ZnSe量子点加入Zn源、硫脲和表面稳定剂，其中ZnSe量子点的浓度为9×10^-4 - 8×10^-3 mol/L，Zn源、表面稳定剂与硫脲的摩尔比为1：0.5-4：0.5-8，用配置好的浓度为1 mol/L NaOH溶液调节pH值为8-11.5，在磁力搅拌下，加热至90-120℃，油浴回流反应1-8 h，得到水溶性高荧光效率的ZnSe@ZnS量子点。

本发明中步骤（a）中醇为异丙醇或乙醇。

本发明所述表面稳定剂为还原性谷胱甘肽。

本发明步骤（b）中Zn源为氯化锌、碘化锌、硝酸锌、氧化锌、高氯酸锌、氯酸锌、碘酸锌、硫酸锌、氢氧化锌或碳酸锌；烷氧基硅烷试剂包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、或正硅酸丁酯；烷氧基硅烷试剂的浓度为1.5×10^-3~1.5×10^-2 mol/L，氨水的浓度为6×10^-3~7×10^-2 mol/L。

本发明步骤（b）中量子点、锌源、烷氧基硅烷试剂的摩尔比为1：0.5-15：0.5-9。

本发明步骤（c）中所述复合二氧化硅壳中含有类ZnS半导体纳米簇，半导体纳米簇均匀分布在复合二氧化硅壳中，颗粒粒径为0.5-2.5 nm。

本发明一种高效率的荧光探针，制备过程如下：取100μL制备好的核壳结构复合纳米晶，其中复合纳米晶的浓度为2×10^-5~2×10^-4 mol/L加入1.8 mL pH=7.4，浓度为0.01 mol/L 的缓冲溶液中，同时加入最高浓度为2×10^-6~2×10^-5 mol/L的铜、汞、银、铅金属离子，制得用于检测痕量金属离子的荧光探针。

本发明中缓冲溶液体系包括磷酸二氢钾-磷酸氢二钠、硼酸-硼砂、甘氨酸-氢氧化钠、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐（Tris-HCl）或醋酸-醋酸钠。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种核壳结构量子点复合纳米晶荧光探针的制备方法，本发明制得的ZnSe基量子点具有立方闪锌矿结构，粒径范围为3.5±0.5 nm；包覆复合SiO₂壳层后，复合纳米晶的颗粒明显增大，粒径范围为5±0.5nm，同时荧光光谱和吸收光谱发生红移，红移主要是复合SiO₂壳层中半导体ZnS团簇的厚度随回流时间的延长而增大。与传统的SiO₂包覆量子点比较，这种复合SiO₂壳层中含有半导体团簇，进一步提高了复合纳米晶的各项性能；核壳结构复合纳米晶的发光效率明显提高，例如量子点的量子产率为20-30%，得到的SiO₂包覆的复合纳米晶的产率可达40-90%，同时复合纳米晶表现出更好的稳定性及生物相容性，基于荧光猝灭作用可用于溶液中痕量重金属离子的检测，该离子探针具有高的稳定性，荧光强度及高的灵敏度，在环境检测、医药及生物领域具有广阔应用前景。

附图说明

图1纳米晶的XRD图谱：（a）ZnSe；（b）ZnSe@SiO₂复合纳米晶

图2 核壳结构复合纳米晶的TEM照片（a）ZnSe@SiO₂复合纳米晶；（b）ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶

图3不同反应时间制备的ZnSe@SiO₂复合纳米晶的吸收光谱图

图4不同反应时间制备的ZnSe@SiO₂复合纳米晶的荧光光谱图

图5 ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶的吸收光谱和荧光光谱

图6 ZnSe@SiO₂复合纳米晶在不同pH缓冲溶液中的稳定性

图7 不同浓度银离子对ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶荧光光谱影响：（I-VII）分别是0，0.6，2，4，6，8，10 (10^-6 mol L^-1)。

具体实施方式

下面通过具体实施例说明本发明的技术方案，但是本发明的技术方案不以具体实施例为限。

实施例1：

（1）ZnSe量子点溶液的制备

在氮气保护下，将0.01g NaBH₄与0.0061g Se粉溶于2 mL蒸馏水中，加热至40℃，完全溶解后得到NaHSe溶液；取0.0439 g Zn(Ac)₂溶入20 mL蒸馏水中，待其完全溶解后加入还原型谷胱甘肽0.0737g，用1mol/L的NaOH溶液调节pH=11.5，得到Zn的前驱体溶液；将Zn的前驱体转入三口瓶中，在氮气保护下迅速注入NaHSe溶液，油浴100℃回流，磁力搅拌1h后取出放入冰箱中快速冷却至室温，得到无色透明溶液，即为制备好的ZnSe QDs溶液。

（2）核壳结构ZnSe@SiO₂复合纳米晶的制备

将制备的ZnSe QDs溶液用异丙醇分离沉淀后分散到15 mL蒸馏水中，其中量子点的浓度为1.7×10^-3 mol/L，加入还原型谷胱甘肽和Zn²⁺摩尔比2的混合溶液，同时加入10 μL正硅酸四乙酯和50μL氨水，通过1 mol/L的NaOH溶液调节混合溶液的pH=10，在室温下密封搅拌5h，得到均一透明的胶体溶液；之后将胶体溶液在100℃下回流反应2h，得到核壳结构ZnSe@SiO₂复合纳米晶，其中含有ZnS团簇的SiO₂壳层的厚度大小为0.5 nm。如图2（a） 中为ZnSe@SiO₂复合纳米晶的TEM照片。图1为纳米晶的XRD图谱：（a）ZnSe；（b）ZnSe@SiO₂复合纳米晶。

（3）取100μL制备的核壳结构ZnSe@SiO₂复合纳米晶，其中复合纳米晶的浓度为2×10^-5 mol/L，加入1.8 mL pH=7.4，浓度为0.01 mol/L 的PBS缓冲溶液中，同时加入100 μL浓度为0~2×10^-6 mol/L的Cu²⁺金属离子，制得用于检测痕量铜离子的荧光探针，该探针对金属Cu²⁺的检出限为3×10^-9 mol/L。

实施例2：

（1）ZnSe量子点溶液的制备

在氮气保护下，将0.0085g NaBH₄与0.0060 g Se粉溶于2 mL蒸馏水中，加热至40℃，完全溶解后得到NaHSe溶液；取0.0351 g Zn(Ac)₂溶入20 mL蒸馏水中，待其完全溶解后加入还原型谷胱甘肽0.0903 g，用1 mol/L的NaOH溶液调节pH=11.8，得到Zn的前驱体溶液；将Zn的前驱体转入三口瓶中，在氮气保护下迅速注入NaHSe溶液溶液，油浴100℃回流，磁力搅拌1.5 h后取出放入冰箱中快速冷却至室温，得到无色透明溶液，即为制备好的ZnSe QDs溶液。

（2）核壳结构ZnSe@SiO₂复合纳米晶的制备

将制备的ZnSe QDs溶液用异丙醇分离沉淀后分散到15 mL蒸馏水中，其中量子点的浓度为8×10^-4 mol/L，加入还原型谷胱甘肽和Zn²⁺摩尔比1.5的混合溶液，同时加入20 μL正硅酸丙酯和30μL氨水，通过1 mol/L的NaOH溶液调节pH=10.5，在室温下密封搅拌3h，得到均一透明的胶体溶液，在110℃下回流反应6h，得到核壳结构ZnSe@SiO₂复合纳米晶，其中含有ZnS团簇的SiO₂壳层的厚度大小为0.8 nm。图3、图4为不同反应时间制备的ZnSe@SiO₂复合纳米晶的吸收光谱及荧光光谱图。图6 为ZnSe@SiO₂复合纳米晶在不同pH缓冲溶液中的稳定性。

（3）取100μL制备的核壳结构ZnSe@SiO₂复合纳米晶，其中复合纳米晶的浓度为5×10^-5 mol/L，加入1.8 mL pH=7.4，浓度为0.01 mol/L 的硼酸-硼砂缓冲溶液中，同时加入100 μL浓度为0~5×10^-6 mol/L的Hg²⁺金属离子，制得用于检测痕量汞离子的荧光探针，该探针对金属Hg²⁺的检出限为6×10^-9 mol/L。

实施例3：

（1）ZnSe@ZnS量子点溶液的制备

首先采用化学共沉淀法制备ZnSe量子点，制备方法如上述实施例1中所述。

取制备好的ZnSe量子点15 mL，其中ZnSe量子点的浓度为2.7×10^-3 mol/L，加入0.0138 g Zn(Ac)₂、0.0277 g还原性谷胱甘肽和0.01 g硫脲，用配置好的浓度为1 mol/L NaOH溶液调节pH值为10.5，在磁力搅拌下，油浴100℃回流，磁力搅拌反应2 h后放入冰箱快速冷却至室温，得到淡黄色水溶性高发光效率的ZnSe@ZnS量子点。

（2）核壳结构ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶的制备

将制备的ZnSe@ZnS QDs溶液用异丙醇分离沉淀后分散到15 mL蒸馏水中，其中量子点的浓度为4×10^-3 mol/L，加入还原型谷胱甘肽和Zn²⁺摩尔比1的混合溶液，同时加入30 μL正硅酸甲酯和30μL氨水，通过1 mol/L的NaOH溶液调节pH=10.8，在室温下密封搅拌5h，得到均一透明的胶体溶液，在120℃下回流反应8h，得到核壳结构ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶，其中含有ZnS团簇的SiO₂壳层的厚度大小为1.0 nm。图5为核壳结构ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶的吸收光谱和荧光光谱。

（3）取100μL制备的核壳结构ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶，其中复合纳米晶的浓度为8×10^-5 mol/L加入1.8 mL pH=7.4，浓度为0.01 mol/L 的甘氨酸-氢氧化钠缓冲溶液中，同时加入100μL浓度为0~1×10^-5 mol/L的Ag⁺金属离子，制得用于检测痕量银离子的荧光探针，该探针对金属Ag⁺ 的检出限为8×10^-8 mol/L。图7为不同浓度银离子对ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶荧光光谱影响。

实施例4：

（1）ZnSe@ZnS量子点溶液的制备

首先采用化学共沉淀法制备ZnSe量子点，制备方法如上述实施例2中所述。

取制备好的ZnSe量子点15mL，其中ZnSe量子点的浓度为4.1×10^-3 mol/L，加入0.0276 g Zn(Ac)₂、0.1385 g还原性谷胱甘肽和0.025 g硫脲，用配置好的浓度为1 mol/L NaOH溶液调节pH值为10.8，在磁力搅拌下，油浴100℃回流，磁力搅拌反应4 h后放入冰箱快速冷却至室温，得到淡黄色水溶性高发光效率的ZnSe@ZnS量子点。

（2）核壳结构ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶的制备

将制备的ZnSe@ZnS QDs溶液用异丙醇分离沉淀后分散到15 mL蒸馏水中，其中量子点的浓度为6×10^-3 mol/L，加入还原型谷胱甘肽和Zn²⁺摩尔比2.5的混合溶液，同时加入50 μL正硅酸丁酯和30μL氨水，通过1 mol/L的NaOH溶液调节pH=11，在室温下密封搅拌3h，得到均一透明的胶体溶液，在120℃下回流反应6h，得到核壳结构ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶，其中含有ZnS团簇的SiO₂壳层的厚度大小为1.3 nm。如图2（b）为ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶的TEM照片。

（3）取100μL制备的核壳结构ZnSe@ZnS@SiO₂复合纳米晶，其中复合纳米晶的浓度为1×10^-4 mol/L，加入1.8 mL pH=7.4，浓度为0.01 mol/L 的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐（Tris-HCl）缓冲溶液中，同时加入100μL浓度为0~2×10^-5 mol/L的Pb²⁺金属离子，制得用于检测痕量铅离子的荧光探针，该探针对金属Pb²⁺的检出限为5×10^-8 mol/L。

Claims (8)

1.一种核壳结构量子点复合纳米晶的制备方法，其特征在于采用以下步骤：

（a）将ZnSe或ZnSe@ZnS量子点通过醇离心分离，然后分散到水中，得到量子点浓度为3.5×10^-4~8.5×10^-3 mol/L的水溶液；

（b）将上述量子点溶液中加入表面稳定剂和Zn源，其中表面稳性剂的浓度为5×10^-3~5×10^-2 mol/L，加入浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液调节溶液的pH为9~11，之后加入烷氧基硅烷试剂、氨水得到包覆二氧化硅的前驱体溶液，在室温下反应1-6 h，得到包覆二氧化硅的胶体溶液；

（c）将上述胶体溶液在磁力搅拌下，加热至90-120℃，油浴回流反应1-10 h，得到复合二氧化硅壳包覆的高发光效率的核壳结构量子点。

2.根据权利要求1（a）所述的量子点的制备方法，其特征是包括如下步骤：（1）ZnSe量子点的制备过程如下：采用化学共沉淀法，将物质的量的比为2:1-8:1的NaBH₄与Se粉在氮气的保护性溶于2-5 mL蒸馏水，得到Se的前驱体溶液；将Zn²⁺源按照Zn²⁺与Se^2-物质的量比为2：1-5：1溶于15-30 mL蒸馏水，加入表面稳定剂，其中表面稳定剂与Zn²⁺的摩尔比为1:1-4:1，并用浓度为1 mol/L的氢氧化钠调节溶液的pH值为9-12，得到Zn前驱体；将Se的前驱体溶液迅速注入到Zn前驱体中，在氮气保护下，磁力搅拌加热，在90-120℃，油浴回流反应1-10 h，得到水溶性ZnSe量子点；

（2）ZnSe@ZnS量子点的制备过程如下：取步骤（1）中制备的ZnSe量子点加入Zn源、硫脲和表面稳定剂，其中ZnSe量子点的浓度为9×10^-4 - 8×10^-3 mol/L，Zn源、表面稳定剂与硫脲的摩尔比为1：0.5-4：0.5-8，用配置好的浓度为1 mol/L NaOH溶液调节pH值为8-11.5，在磁力搅拌下，加热至90-120℃，油浴回流反应1-8 h，得到水溶性高荧光效率的ZnSe@ZnS量子点。

3.根据权利要求1所述的核壳结构复合纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤（a）中醇为异丙醇或乙醇。

4.根据权利要求1或2所述的核壳结构复合纳米晶的制备方法，其特征在于：所述表面稳定剂为还原性谷胱甘肽（GSH）； Zn源为氯化锌、碘化锌、硝酸锌、氧化锌、高氯酸锌、氯酸锌、碘酸锌、硫酸锌、氢氧化锌或碳酸锌。

5.根据权利要求1所述的核壳结构复合纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤（b）中烷氧基硅烷试剂包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、或正硅酸丁酯；烷氧基硅烷试剂的浓度为1.5×10^-3~1.5×10^-2 mol/L，氨水的浓度为6×10^-3~7×10^-2 mol/L；量子点、锌源、烷氧基硅烷试剂的摩尔比为1：0.5-15：0.5-9。

6.根据权利要求1所述的复合纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤（c）中所述复合二氧化硅壳中含有类ZnS半导体纳米簇，半导体纳米簇均匀分布在复合二氧化硅壳中，颗粒粒径为0.5-2.5 nm。

7.一种高效率的荧光探针，其特征是：取100μL权利要求1-6中所述的核壳结构复合纳米晶，其中复合纳米晶的浓度为2×10^-5~2×10^-4 mol/L，加入1.8 mL pH=7.4，浓度为0.01 mol/L 的缓冲溶液中，同时加入最高浓度为2×10^-6~2×10^-5 mol/L的铜、汞、银或铅金属离子，制得用于检测痕量金属离子的荧光探针。

8.根据权利要求7所述的荧光探针的制备方法，其特征在于：缓冲溶液体系包括磷酸二氢钾-磷酸氢二钠（PBS）、硼酸-硼砂、甘氨酸-氢氧化钠、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐（Tris-HCl）或醋酸-醋酸钠。