CN106590623B - 一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法 - Google Patents

一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法，步骤：A、硒粉与亚硫酸钠反应制备硒代硫酸钠溶液；B、氯化镉晶体用去离子水溶解定容得到氯化镉溶液；C、氯化镉溶液中加入巯基丙酸；D、用氢氧化钠溶液调节pH值；E、加入亚碲酸钠晶体，溶解稳定后加入硼氢化钾与硒代硫酸钠溶液；F、取CdSeTeS前驱体溶液注入瓶，注入聚丙烯酰胺水溶液搅拌，得到量子点；G、取前驱体溶液注入微波反应器中加热，得到聚丙烯酰胺纳米微球；H、冷却，加入异丙醇提纯，冷冻干燥，得到CdTeSeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球胶状固体。工艺简单，产品光稳定性比CdTeSeS量子点高20倍，生物稳定性提高15%。

Description

一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备 方法
技术领域
本发明涉及荧光纳米材料的合成，更具体涉及一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法，尤其适用于生物荧光标记材料特别是细胞标记和临床诊断及应用。
背景技术
目前，关于近红外量子点的问题中，最亟待解决的莫过于其毒性。常用的近红外量子点都含有重金属离子，在生物应用的过程中或多或少都会释放出重金属，对于其毒性及安全性很难进行评价。因此，改变传统量子点的合成手段，制备低毒或无毒的量子点成为生物应用的挑战。为了提高量子点的稳定性，往往在其表面渡上一层CdS、ZnS，隔离有毒的核，提高荧光稳定性，但单纯渡上一层CdS、ZnS，其稳定性并没有得到数量级的提高，因此水相合成高稳定性的近红外量子点在细胞标记和活体成像方面有重大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法，该胶状固体在使用前溶于PBS溶液中或去离子水中，得CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球溶液。该量子点制备工艺快速简单，工艺参数易控制，无需后处理过程，所需原料价格低廉，合成出的复合物粒度分布较均一，荧光量子产率较高，无需除氧，反应容易控制，不用连接抗体可以直接用于细胞标记，也可以用于活体成像及药物靶向运输。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
其技术构思是：一种CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法，其组成为：聚丙烯酰胺(PAL,Mw＝15,000，中国上海化学试剂公司)、硒粉(Se，天津市科密欧化学试剂开发中心)、亚碲酸钠(NaTeO3，阿拉丁化学试剂有限公司生产，质量分数为97％)、硼氢化钾(KBH4，国药集团上海化学试剂有限公司，质量分数为96％)、氯化镉(CdCl2·2.5H2O，国药集团化学试剂有限公司)、巯基丙酸(MPA，Japan)，其余为水溶液。本发明中，用巯基丙酸为稳定剂及硫源，以硒代硫酸钠为硒源，亚碲酸钠为碲源，通过微波加热的方式制备CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球，由于微波具有均匀加热和快速升温的特点，镉离子(Cd2+)、硒离子(Se2-)、碲离子(Te2-)、和硫离子(S2-)在聚合物的网络中快速和均匀的形成CdTeSeS，且其粒度分布均一、荧光量子效率较高(30％-50％)。该方法克服了传统的聚合物包裹两步法对量子点的表面被破坏而降低荧光产率的局限性。
所述的CdTeSeS合金量子点中，亚碲酸钠+硒代硫酸钠、氯化镉(CdCl2·2.5H2O)、巯基丙酸(MPA)、聚丙烯酰胺的摩尔比率为1：8：19～24：0.00107，且在120-160℃条件下反应20-50min，pH值为8.6－9.2。
一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法，其步骤是：
1、硒粉(Se)与亚硫酸钠(Na2SO3)反应制备硒代硫酸钠溶液：分别称取0.7890～2.3670g硒粉和2.5208～7.5624g亚硫酸钠于250mL三口烧瓶中，向其中加入60～80mL去离子水，水浴回流(80～95℃)反应8～10h至溶液变为淡黄色透明液体，停止加热。自然冷却至常温(20-25℃，以下相同)后转入100mL的容量瓶中并用去离子水定容至刻度，为0.10～0.30mol/L的硒代硫酸钠溶液，反应方程式如下：
Se+Na2SO3＝Na2SeSO3；
2、称取0.2284～2.2835g氯化镉(CdCl2·2.5H2O)晶体，用去离子水溶解定容至100mL，得到0.01～0.10mol/L氯化镉溶液；
3、称取0.1061～1.0614g巯基丙酸(MPA)，用去离子水稀释定容至100mL，得0.01～0.10mol/L的巯基丙酸溶液；
4、取去离子水95～200mL，依次分别加入0.520～31.2mL0.01～0.10mol/L的氯化镉溶液、0.884～74.88mL0.01～0.10mol/L的巯基丙酸溶液，用1～5mol/L的氢氧化钠溶液，调节pH值为8.6－9.2，加入1.44～86.4mg亚碲酸钠晶体，溶解稳定后，同时加入2.46～147.53mg硼氢化钾与1.3～3.9mL硒代硫酸钠溶液，放置55－65min；
5、取15mlCdSeTeS前驱体溶液注入一个锥形瓶，然后注入0.8ml浓度为0.1mmol/L的聚丙烯酰胺水溶液充分搅拌以保证镉离子(Cd2+)、硒离子(Se2-)、碲离子(Te2-)、和硫离子(S2-)均匀分布到聚丙烯酰胺基质中，得到CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球前驱体；
6、取前驱体溶液注入微波反应器中，,在微波场120-160℃条件下反应20-50min，可以得到CdSeTeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球；
7、加入30-45ml异丙醇提纯，于-196℃的液氮中冷冻18－22min，再于冷冻干燥机上干燥22－26h，即得到CdTeSeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球胶状固体。将固体重新溶于水，用罗丹明6G和罗丹明B的乙醇溶液作参比，于354nm处测定紫外吸收，并用紫外吸收峰值激发测定荧光发射峰峰面积，测得其荧光量子产率约为30％-50％。于JEM-2100型高分辨透射电子显微镜下观察其形貌及粒径，平均粒径为35-40nm。
通过上述技术措施，合成出的量子点均匀的分布到聚合物的网络中，荧光量子效率相对单纯量子点荧光量子效率提高了20％左右，生物相容性相对单纯量子点提高了15％，可以作为生物荧光标记材料特别是细胞标记和临床诊断与应用。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、该量子点主要原料来源丰富，价格低廉，合成成本低。
2、传统的硒源(硒化钠或是硒化氢等)合成量子点时反应条件苛刻，要求前驱体溶液绝对无氧，因此硒化钠或硒化氢必须新鲜制备。而本专利中的硒源硒代硫酸钠溶液，水热法合成后配制成一定浓度的储备液，置于棕色瓶中冰箱内冷藏，稳定性高(几个月内也不会变质)，可以随用随取，简化了合成步骤，传统的碲源(碲氢化钠或是碲化氢等)在反应中十分不稳定，为确保不被氧化，常常需要使用到手套箱，或是长时间的通气，因此本专利的碲源选用了稳定的亚碲酸钠，合成的过程中无需通气除氧，反应容易控制。
3、采用程序微波制备该量子点，不同于常规的加热方式，加热速度快，合成时间短，加热均匀，且合成出的量子点-聚合物粒度分布均一，反应成本低。
4、传统的量子点表面修饰方法中需要首先制备得到量子点,这将会导致操作复杂并且破坏量子点表面，本发明中量子点前驱体中的镉离子(Cd2+)、硒离子(Se2-)、碲离子(Te2-)、和硫离子(S2-)均匀分布到聚丙烯酰胺基质中，CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球一步合成，制备工艺简单，工艺参数易控制。
5、经过荧光光稳定性测试，CdTeSeS量子点仅在20分钟的紫外光源辐射下荧光强度就发生了急剧下降,至20min时其荧光强度下降50％；CdTeSeS量子点一聚丙烯酰胺复合物在相同强度的紫外光源辐射时,在长达120min的紫外光源辐射下其荧光强度有所增强；之后,继续延长辐射时间,荧光强度才缓慢下降，经180min紫外辐射后，其荧光强度下降62％。
6、粒度分布较均一，荧光量子产率较高，无需除氧，反应容易控制，不用连接抗体可以直接用于细胞标记，也可以用于活体成像及药物靶向运输。
附图说明
图1为实施例1中CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的TEM图。
从图1中可知其良好的分散性以及均一的粒径。
图2为实施例1制备得到的CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球与CdTeSeS量子点(除不添加聚丙烯酰胺外制备方法均与实施例1相同)的荧光光谱图。
由图2可知CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的最大发射峰有所红移，表明聚合物在量子点表面形成了钝化层。
图3为实施例1中CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球、CdSeS量子点和CdTeSeS量子点三者的细胞毒性实验(MTT)图。
从图3中可知，将量子点母液稀释设置浓度梯度为0、0.965、1.930、2.895、3.860nmol/mL，与Hela细胞共孵育24h后测定细胞存活率。染毒后于37℃，5％CO2的培养箱内培养24h后使用MTT法检测在此浓度梯度下细胞的存活率，其结果如图3所示，在相同量子点浓度下，被聚丙烯酰胺包裹的CdTeSeS量子点细胞存活率最高，说明其毒性最小。
具体实施方式
实施例1：
下面通过实施例，进一步阐明本发明的突出特点，仅在于说明本发明而决不限制本发明。
一种CdTeSeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球，其组成为：聚丙烯酰胺(PAL,Mw＝15,000，中国上海化学试剂公司)、硒粉(Se，天津市科密欧化学试剂开发中心)、亚碲酸钠(NaTeO3,阿拉丁化学试剂有限公司生产，质量分数为97％)、硼氢化钾(KBH4，国药集团上海化学试剂有限公司，质量分数为96％)、氯化镉(CdCl2·2.5H2O，国药集团化学试剂有限公司)、巯基丙酸(MPA，Japan)，其余为水溶液。
所述的CdTeSeS合金量子点中，亚碲酸钠+硒代硫酸钠、氯化镉(CdCl2·2.5H2O)、巯基丙酸(MPA)、聚丙烯酰胺的摩尔比率为1：8：20：0.00107，亚碲酸钠与硒代硫酸钠的摩尔比率为1：1，130℃条件下加热30min。
所述的溶液pH值为8.6－9.2。
一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法，其步骤是：
1、硒粉(Se)与亚硫酸钠(Na2SO3)反应制备硒代硫酸钠溶液：分别称取2.3670g硒粉和7.5624g亚硫酸钠于250mL三口烧瓶中，向其中加入80mL去离子水，水浴95℃回流反应10h至溶液变为淡黄色透明液体，停止加热。自然冷却至室温后转入100mL的容量瓶中并用去离子水定容至刻度，为0.30mol/L的硒代硫酸钠溶液，反应方程式如下：
Se+Na2SO3＝Na2SeSO3；
2、称取0.2284g氯化镉(CdCl2·2.5H2O)晶体，用去离子水溶解定容至100mL，得到0.01mol/L氯化镉溶液；
3、称取0.1061g巯基丙酸(MPA)，用去离子水稀释定容至100mL，得0.01mol/L的巯基丙酸溶液；
4、取去离子水140mL，依次分别加入20mL0.01mol/L的氯化镉溶液、40mL0.1mol/L的巯基丙酸溶液，用1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值为8.6，加入2.8g亚碲酸钠晶体，溶解稳定后，同时加入硼氢化钾4.78mg与0.05mL硒代硫酸钠溶液，放置一个小时；
5、取实施例1步骤4中15ml溶液注入一个锥形瓶，然后注入0.8ml浓度为0.1mmol/L的聚丙烯酰胺水溶液充分搅拌，形成前驱体溶液；
6、取前驱体溶液注入微波反应器中，在微波场130℃条件下反应30min可以得到CdSeTeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球，经过紫外荧光测试，荧光量子效率相对与同样条件下单纯CdSeTeS量子点荧光量子效率提高了17.8％；
7、加入异丙醇提纯，于-196℃的液氮中冷冻20min，再于冷冻干燥机上干燥24h即得到CdTeSeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球胶状固体。
通过上述技术措施获得CdTeSeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球胶状固体。
实施例2：
一种CdTeSeS合金量子点，其组成为：聚丙烯酰胺(PAL,Mw＝15,000，中国上海化学试剂公司)、硒粉(Se，天津市科密欧化学试剂开发中心)、亚碲酸钠(NaTeO3，阿拉丁化学试剂有限公司生产，质量分数为97％)、硼氢化钾(KBH4，国药集团上海化学试剂有限公司，质量分数为96％)、氯化镉(CdCl2·2.5H2O，国药集团化学试剂有限公司)、巯基丙酸(MPA，Japan)，其余为水溶液。
所述的CdTeSeS合金量子点中，亚碲酸钠+硒代硫酸钠、氯化镉(CdCl2·2.5H2O)、巯基丙酸(MPA)、聚丙烯酰胺的摩尔比率为1：8：20：0.00107，亚碲酸钠与硒代硫酸钠的摩尔比率为6：4，130℃条件下加热30min。
所述的溶液pH值为8.6－9.2。
一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法，其步骤是：
1、分别称取1.1835g硒粉和3.7812g亚硫酸钠于250mL三口烧瓶中，加入85mL去离子水，水浴95℃回流反应8或9或10h至溶液澄清透明，移去热源，停止加热。自然冷却至室温(20～25℃)后转入100mL的容量瓶中并用去离子水定容至刻度，为0.15mol/L的硒代硫酸钠溶液，反应方程式如下：
Se+Na2SO3＝Na2SeSO3；
2、取无氧去离子水200mL，依次分别加入2.5mL0.10mol/L的氯化镉溶液、6mL0.10mol/L的巯基丙酸溶液，用5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值为8.8，加入4.2g亚碲酸钠晶体，溶解稳定后，同时加入7.08mg硼氢化钾与0.05mL硒代硫酸钠溶液，放置一个小时；
3、取实施例2步骤2中的混合液15ml注入一个锥形瓶,然后注入0.8ml浓度为0.1mmol/L的聚丙烯酰胺水溶液充分搅拌，形成前驱体溶液；
4、取前驱体溶液注入微波反应器中，在微波场130℃条件下反应30min可以得到CdSeTeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球，把合成的量子点纳米微球与同条件下合成的CdSeTeS量子点暴露于同一紫外光源，结果显示CdTeSeS量子点仅在20分钟的紫外光源辐射下荧光强度就发生了急剧的下降,到20分钟时荧光强度即下降至原有强度的一半；CdTeSeS量子点一聚丙烯酰胺复合物在相同强度的紫外光源辐射时,到20分钟时荧光强度有一定成都的增强。
通过上述技术措施获得CdTeSeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球。
其它实施步骤与实施例1相同。
实施例3：
一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法，其步骤是：
1、分别称取2.3670g硒粉和7.5624g亚硫酸钠于250mL三口烧瓶中，向其中加入80mL去离子水，水浴90℃回流反应8或9或10h至溶液澄清透明，黑色硒粉完全消失，移去热源停止加热。自然冷却至室温(20～25℃)后转入100mL的容量瓶中并用去离子水定容至刻度，即为0.30mol/L的硒代硫酸钠溶液，反应方程式如下：
Se+Na2SO3＝Na2SeSO3；
2、取无氧去离子水200mL，依次分别加入2.5mL0.10mol/L的氯化镉溶液、6mL0.10mol/L的巯基丙酸溶液，用5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值为9，加入一定量的亚碲酸钠晶体，溶解稳定后，同时加入硼氢化钾与硒代硫酸钠溶液(亚碲酸钠与硒代硫酸钠的摩尔比率为8：2)，放置一个小时；
3、取实施例3步骤2中的混合液15ml注入一个锥形瓶,然后注入0.8ml浓度为0.1mmol/L的聚丙烯酰胺水溶液充分搅拌，注入微波反应器中，在微波场160℃条件下反应50min可以得到CdSeTeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球，所制备的纳米微球在0.03mol/L浓度下和Hela细胞共孵育24小时没有显示出明显的细胞毒性；使用CdSeTeS量子点替换纳米微球时，即使在0.0005mol/L的浓度下由于Cd2+的大量释放，造成了细胞的大量死亡。
通过上述技术措施获得CdTeSeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球。
其它实施步骤与实施例1相同。

Claims (1)

1.一种CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球的水相微波制备方法，其步骤是：
A、硒粉与亚硫酸钠反应制备硒代硫酸钠溶液：分别称取0.7890～2.3670g硒粉和2.5208～7.5624g亚硫酸钠于250mL三口烧瓶中，向其中加入60～80mL去离子水，水浴回流80～95℃反应8～10h至溶液变为淡黄色透明液体，停止加热，自然冷却至20-25℃，后转入100mL的容量瓶中并用去离子水定容至刻度，为0.10～0.30mol/L的硒代硫酸钠溶液，反应方程式如下：
Se+Na2SO3＝Na2SeSO3；
B、称取0.2284～2.2835g氯化镉晶体，用去离子水溶解定容至100mL，得到0.01～0.10mol/L氯化镉溶液；
C、称取0.1061～1.0614g巯基丙酸，用去离子水稀释定容至100mL，得0.01～0.10mol/L的巯基丙酸溶液；
D、取去离子水95～200mL，依次分别加入0.520～31.2mL0.01～0.10mol/L的氯化镉溶液、0.884～74.88mL0.01～0.10mol/L的巯基丙酸溶液，用1～5mol/L的氢氧化钠溶液，调节pH值为8.6－9.2，加入1.44～86.4mg亚碲酸钠晶体，溶解稳定后，同时加入2.46～147.53mg硼氢化钾与1.3～3.9mL硒代硫酸钠溶液，放置55－65分钟；
E、取15mlCdSeTeS前驱体溶液注入瓶，然后注入0.8ml浓度为0.1mmol/L的聚丙烯酰胺水溶液充分搅拌以镉离子、硒离子、碲离子、和硫离子均匀分布到聚丙烯酰胺基质中，得到CdSeTeS量子点－聚丙烯酰胺纳米微球前驱体；
F、取前驱体溶液注入微波反应器中，在微波场120-160℃条件下反应20-50min，得到CdSeTeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球；
G、加入30-45ml异丙醇提纯，于-196℃的液氮中冷冻18－22min，再于冷冻干燥机上干燥22－26h，得到CdTeSeS量子点一聚丙烯酰胺纳米微球胶状固体。
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