CN109306263A - 一种水溶性量子点及其制备方法与应用 - Google Patents

一种水溶性量子点及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种水溶性量子点及其制备方法与应用，其中，方法包括步骤：提供一种水溶性量子点溶液；将所述水溶性量子点溶液调节至酸性；向调节至酸性的水溶性量子点溶液中加入不饱和羧酸聚合物，对水溶性量子点进行表面修复，离心得到表面修复后的水溶性量子点。通过本发明制备得到的水溶性量子点不仅分散性良好而且能够有效增强量子点的荧光强度。

Description

一种水溶性量子点及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及量子点技术领域，尤其涉及一种水溶性量子点及其制备方法与应用。
背景技术
量子点因具有色纯度高，发光颜色随组份和尺寸可调以及对水氧阻抗性高等优点，因此在很多领域都得到了应用与研究，与量子点相关的技术也得到了较大的发展，尤为突出的是在量子点发光二极管、太阳能电池以及生物标记等领域。
量子点技术发展到现在已经渗透到很多应用领域，尤其是生物荧光标记领域，由于现在的量子点材料大都是通过油相法制备得到的，而生物荧光标记领域通常需要用到的是水溶性量子点，因此需要对油溶量子点进行表面改性。然而对油溶量子点进行表面改性进行相转换一般有两种方式：一种是利用二氧化硅将量子点包覆起来实现量子点的相转换；另一种是利用短链的配体交换长链的配体（如利用巯基乙酸（MPA）交换油酸（OA））。
在实现量子点相转换的过程中必定会经历表面配体的变换，而在实现量子点的相转换过程中利用配体交换的方式是比较简单有效的方式，但通过这种方式实现的量子点相转换不仅会降低量子点的荧光强度，而且还会使量子点出现部分的团聚造成分散性不好的问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水溶性量子点及其制备方法与应用，旨在解决现有技术通过配体交换制备得到的水溶性量子点存在荧光强度低、易团聚、分散性差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种水溶性量子点的制备方法，其中，包括步骤：
提供一种水溶性量子点溶液；
将所述水溶性量子点溶液调节至酸性；
向调节至酸性的水溶性量子点溶液中加入不饱和羧酸聚合物，对水溶性量子点进行表面修复，离心得到表面修复后的水溶性量子点。
所述的水溶性量子点的制备方法，其中，调节所述水溶性量子点溶液的pH值为3-5。
所述的水溶性量子点的制备方法，其中，采用无机酸调节所述水溶性量子点溶液至酸性，所述无机酸为稀盐酸、稀硫酸、或稀硝酸中的一种或多种。
所述的水溶性量子点的制备方法，其中，按水溶性量子点溶液中水溶性量子点的质量与不饱和羧酸聚合物的摩尔量的比为100g：1-5mol，将所述不饱和羧酸聚合物加入所述水溶性量子点溶液中对水溶性量子点进行表面修复。
所述的水溶性量子点的制备方法，其中，所述不饱和羧酸聚合物包括：聚丙烯酸、聚丁烯酸、聚戊烯酸、聚己烯酸、聚庚烯酸或聚辛烯酸中的一种或多种。
所述的水溶性量子点的制备方法，其中，所述不饱和羧酸聚合物的聚合度为50-100。
所述的水溶性量子点的制备方法，其中，所述水溶性量子点是对油溶性量子点进行配体交换制备得到，所述水溶性量子点的表面配体包括硫羧酸配体。
所述的水溶性量子点的制备方法，其中，所述含硫羧酸配体中的C原子数≦18。
一种水溶量子点，其中，采用上述任意一种制备方法制备而得，所述水溶性量子点表面的配体包括一种或多种不饱和羧酸聚合物。
一种水溶性量子点的应用，其中，将所述水溶性量子点用于制作QLED器件的发光层。
有益效果：本发明先利用短链的含有巯基羧酸类配体对油溶性量子点进行配体交换得到水溶性量子点，然后再利用无机酸来调节溶液的pH值使溶液处于一种酸性的环境状态，最后再向混合液中适量添加一种不饱和羧酸聚合物对水溶性量子点进行表面修复，离心得到表面修复后的水溶性量子点。通过本发明制备得到的水溶性量子点不仅分散性良好而且能够有效增强量子点的荧光强度。
附图说明
图1为本发明一种水溶性量子点的制备方法较佳实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种水溶性量子点及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明一种水溶性量子点的制备方法较佳实施例的流程图，如图所示，其中，包括步骤：
S10、将硫羧酸类配体加入到油溶性量子点溶液中，进行配体交换反应，得到硫羧酸类配体的水溶性量子点溶液；
S20、将所述水溶性量子点溶液调节至酸性；
S30、向调节至酸性的水溶性量子点溶液中加入不饱和羧酸聚合物，对水溶性量子点进行表面修复，离心得到表面修复后的水溶性量子点。
具体来说，现有技术在利用配体交换反应将油溶性量子点转换为水溶性量子点的过程中，通常会出现交配体换不完全的情况。而配体交换不完全容易造成量子点表面形成一些缺陷或因阴阳离子空位，这不仅会降低量子点的荧光强度，而且会使得量子点出现团聚现象，导致量子点分散性较差。
为解决上述问题，本发明在利用含有巯基羧酸类配体对油溶性量子点进行配体交换得到水溶性量子点后，再利用无机酸来调节溶液的pH值使溶液处于一种酸性的环境状态，最后再向混合液中适量添加不饱和羧酸聚合物。所述不饱和羧酸聚合物在酸性环境下只电离出极少量的氢离子，因此完整的羧基官能团中羧基碳上的氧原子能够与水溶性量子点表面的金属离子或阳离子空位形成共价配位电子云重叠，从而降低水溶性量子点表面的缺陷，提升量子点的荧光强度。
进一步，在所述步骤S10中，本发明通过将硫羧酸类配体加入到油溶性量子点溶液中，进行配体交换反应，得到硫羧酸类配体的水溶性量子点溶液。
具体来说，本发明先提供一种油溶性量子点，所述油溶性量子点为二元相量子点、三元相量子点或四元相量子点中的一种，其中二元相量子点包括CdS、CdSe、CdTe、InP、AgS、PbS、PbSe、HgS等，但不限于此；所述三元相量子点包括ZnXCd1-XS、CuXIn1-XS、ZnXCd1-XSe、ZnXSe1-XS、ZnXCd1-XTe、PbSeXS1-X等，但不限于此；所述四元相量子点包括ZnXCd1-XS/ZnSe、CuXIn1-XS/ZnS、ZnXCd1-XSe/ZnS、CuInSeS、ZnXCd1-XTe/ZnS、PbSeXS1-X/ZnS等，但不限于此。所述油溶性量子点表面的配体为油酸、油胺、辛胺，三辛基磷、三辛基氧磷、十八烷基磷酸或十四烷基磷酸中的一种。
然后提供一种硫羧酸类配体，所述硫羧酸类配体的C原子数≦18，其中包括2-巯基乙酸、3-巯基丙酸、6-巯基己酸、8-巯基辛酸或11-巯基十一烷酸等，但不限于此。
最后将所述油溶性量子点与硫羧酸类配体按照质量与浓度比为100mg：（0.1-1mmol）的比例混合发生配体交换反应，制得表面硫羧酸类配体的水溶性量子点。
进一步，在所述步骤S20中，在所述水溶性量子点溶液中加入无机酸，使溶液呈酸性环境。具体来说，所述无机酸为稀盐酸、稀硫酸、或稀硝酸中的一种，加入无机酸的目的主要是为了防止步骤S30中添加的聚合物过度电离出氢离子。较佳地，所述水溶性量子点溶液再加入无机酸后，溶液的pH值为3-5，若pH值过低（小于3），则容易造成量子点表面被刻蚀，形成表面缺陷；若pH值过高（高于5），则不能够有效抑制含羧基聚合物的电离。因此本发明经多次实验验证，将所述水溶性量子点溶液的pH值调节为上述范围内，既能够避免量子点表面被刻蚀，又能够有效抑制羧基聚合物的电离。
更进一步，所述步骤S30中，在所述酸性水溶性量子点溶液中加入不饱和羧酸聚合物，进行配位反应，离心分离后得到荧光强度增强的水溶性量子点。
具体来说，所述不饱和羧酸聚合物包括聚丙烯酸、聚丁烯酸、聚戊烯酸、聚己烯酸、聚庚烯酸或聚辛烯酸中的一种或多种，所述不饱和羧酸聚合物在酸性环境下只能够电离出极少量的氢离子，避免了羧基（-COOH）因电离出过多的氢离子而携带很多负电荷(-COO-)，从而避免了水溶性量子点因带有大量电荷而形成团聚，因而保证了水溶性量子点的分散性。
进一步地，所述不饱和羧酸聚合物在较少电离出氢离子的状态下，羧基官能团中羧基碳上的氧原子会与经过相转换后的水溶性量子点表面的金属离子或阳离子空位形成共价配位电子云重叠，从而降低了量子点表面的缺陷，提升了水溶性量子点的荧光强度；同时所述羧基还能够进一步地增强量子点的水溶性。
更进一步地，在本发明中，所述不饱和羧酸聚合物的聚合度优选为50-100，当不饱和羧酸聚合物的聚合度低于50时，则不饱和羧酸聚合物中的羧基含量较少，其与水溶性量子点表面的金属离子结合不稳定，不能够有效降低量子点表面的缺陷；当不饱和羧酸聚合物的聚合度高于100时，则所述不饱和羧酸聚合物溶解度太低，难以形成溶液，不能与水溶性量子点表面的金属离子结合。
基于上述方法，本发明还提供一种增强荧光强度的水溶性量子点，其中，采用上述具体实施例中的任意一种方法制备而成。
下面通过具体实施例对本发明一种增强荧光强度的水溶性量子点制备方法做进一步的解释说明：
实施例1
利用表面配体为油酸的油溶性红色量子点CdSe/ZnS、巯基乙酸和聚丁烯酸制备一种稳定性好且能增强荧光强度的水溶性量子点，具体步骤如下：
1、取100mg表面配体为油酸的油溶性红色CdSe/ZnS量子点，加入到10ml的氯仿溶液中搅拌均匀，然后再向油溶性红色量子点溶液中加入含有20ml的乙醇、2ml的四甲基氢氧化铵以及400ul的巯基乙酸的混合液；
对所述混合液进行搅拌直到混合液出现明显的分层现象时，通过分液漏斗取出水溶性的量子点乙醇溶液，通过添加乙酸乙酯对水溶性量子点进行离心分离，对分离得到的水溶性红色CdSe/ZnS量子点进行干燥处理。
2、取100mg步骤1中的水溶性红色CdSe/ZnS量子点，加入到10ml的去离子水中，在大气环境下搅拌直到红色量子点全部溶解后，再称取2mmol的聚丁烯酸（聚合度为50-100）加入到水溶性红色量子点溶液中，在大气环境下搅拌60min，然后再向水溶性红色量子点溶液中添加乙酸乙酯进行离心分离，对分离得到的稳定性好且荧光强度增强的红色水溶性CdSe/ZnS量子点进行干燥处理。
实施例2
利用表面配体为油酸的油溶性红色量子点CdSe/ZnS、巯基丙酸以及丙烯酸制备一种稳定性好且能增强荧光强度的水溶性量子点，具体步骤如下：
a、取100mg表面配体为油酸的油溶性红色CdSe/ZnS量子点，加入到10ml的氯仿溶液中搅拌均匀，然后再向油溶性红色量子点溶液中加入含有20ml的乙醇、2ml的四甲基氢氧化铵以及400ul的巯基丙酸的混合液;
对所述混合液进行搅拌待直到混合液出现明显的分层现象时，通过分液漏斗取出水溶性的量子点乙醇溶液，通过添加乙酸乙酯对水溶性量子点进行离心分离，对分离得到的水溶性红色CdSe/ZnS量子点进行干燥处理。
b、取100mg步骤a中的水溶性红色CdSe/ZnS量子点，加入到10ml的去离子水中，在大气环境下搅拌直到待红色量子点全部溶解后，再称取2mmol的聚丙烯酸（聚合度为50-100）加入到水溶性红色量子点溶液中，在大气环境下搅拌60min，然后再向水溶性红色量子点溶液中添加乙酸乙酯进行离心分离，对分离得到的稳定性好且荧光强度增强的红色水溶性CdSe/ZnS量子点进行干燥处理。
综上所述，本发明先利用短链的含有巯基羧酸类配体对油溶性量子点进行配体交换得到水溶性量子点，然后再利用无机酸来调节溶液的pH值使溶液处于一种酸性的环境状态，最后再向混合液中适量添加不饱和羧酸聚合物对水溶性量子点进行表面修复，离心得到表面修复后的水溶性量子点。通过本发明制备得到的水溶性量子点不仅分散性良好而且能够有效增强量子点的荧光强度。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种水溶性量子点的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供一种水溶性量子点溶液；
将所述水溶性量子点溶液调节至酸性；
向调节至酸性的水溶性量子点溶液中加入不饱和羧酸聚合物，对水溶性量子点进行表面修复，离心得到表面修复后的水溶性量子点。
2.根据权利要求1所述的水溶性量子点的制备方法，其特征在于，调节所述水溶性量子点溶液的pH值为3-5。
3.根据权利要求1所述的水溶性量子点的制备方法，其特征在于，采用无机酸调节所述水溶性量子点溶液至酸性，所述无机酸为盐酸、硫酸、或硝酸中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的水溶性量子点的制备方法，其特征在于，按水溶性量子点溶液中水溶性量子点的质量与不饱和羧酸聚合物的摩尔量的比为100g：1-5mol，将所述不饱和羧酸聚合物加入所述水溶性量子点溶液中对水溶性量子点进行表面修复。
5.根据权利要求1所述的水溶性量子点的制备方法，其特征在于，所述不饱和羧酸聚合物包括：聚丙烯酸、聚丁烯酸、聚戊烯酸、聚己烯酸、聚庚烯酸或聚辛烯酸中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的水溶性量子点的制备方法，其特征在于，所述不饱和羧酸聚合物的聚合度为50-100。
7.根据权利要求1所述的水溶性量子点的制备方法，其特征在于，所述水溶性量子点是对油溶性量子点进行配体交换制备得到，所述水溶性量子点的表面配体包括硫羧酸配体。
8.根据权利要求7所述的水溶性量子点的制备方法，其特征在于，所述硫羧酸配体的C原子数≦18。
9.一种水溶性量子点，其特征在于，采用上述权利要求1-8任意一种制备方法制备而得，所述水溶性量子点表面的配体包括一种或多种不饱和羧酸聚合物。
10.一种如权利要求9所述的水溶性量子点的应用，其特征在于，将所述水溶性量子点用于制作QLED器件的发光层。
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