CN109652066A - 一种蛋白质基半导体量子点及其制备方法 - Google Patents

一种蛋白质基半导体量子点及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种蛋白质基半导体量子点及其制备方法，涉及半导体量子点合成领域。此制备方法包括以下步骤：S1，制备还原性蛋白溶液；S2，以还原性蛋白溶液为还原剂模板，加入过渡金属化合物溶液进行混合，然后再加入碱液反应获得混合液；S3，在混合液中加入硫化钠溶液反应后，经透析得到蛋白质基半导体量子点。该制备方法条件温和，无需额外的还原剂，且制备得到的半导体量子点具有良好的生物相容性和生物降解可调控性，且粒径尺寸均匀，具备较强的光热转换效率，在肿瘤光热治疗等领域具有极大的应用潜能。

Description

一种蛋白质基半导体量子点及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体量子点合成领域，且特别涉及一种蛋白质基半导体量子点及其制备方法。
背景技术
半导体量子点，简称为量子点，它是纳米尺度原子和分子的集合体，一般粒径范围在2～20nm。量子点是将材料的尺寸在三维空间进行约束，并达到一定的临界尺寸后，材料的行为将具有量子特性，结构和性质也随之发生从宏观到微观的转变。荧光量子点是在受到光激发或加上电压后会产生强的荧光发射的一类纳米材料，II-VI族半导体(如硒化镉、硫化镉、硫化锌等)和III-V族(如磷化铟、砷化铟等)的纳米晶都是常见的荧光量子点。传统上荧光量子点材料一般应用在平面显示器件、光电子元件(如发光二极管)、量子点激光器等技术领域，而作为生物标记物的应用被认为是一个出人意料的发现。
因而，为了满足量子点在生物领域的应用需求，需要开发一种新型半导体量子点，这种半导体量子点需具有良好的生物相容性和生物降解可调控性，用于满足绝大部分生物领域的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蛋白质基半导体量子点，此半导体量子点具有良好的生物相容性和生物降解可调控性，可满足绝大部分生物领域的应用需求。
本发明的另一目的在于提供一种蛋白质基半导体量子点的制备方法，该制备方法条件温和，无需额外的还原剂，可通过改变制备方法的反应条件来调控半导体量子点的尺寸大小和吸收波长。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供一种蛋白质基半导体量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备还原性蛋白溶液；
S2，以所述还原性蛋白溶液为还原剂模板，加入过渡金属化合物溶液进行混合，然后再加入碱液反应获得混合液；
S3，在所述混合液中加入硫化钠溶液反应后，经透析得到所述蛋白质基半导体量子点。
进一步地，在步骤S1中，所述还原性蛋白溶液的浓度为5～50mg/ml；所述还原性蛋白溶液中的还原性蛋白选自牛血清蛋白、人血清蛋白、羊毛角蛋白和丝素蛋白中的一种。
进一步地，在步骤S2中，所述混合步骤为：将所述还原性蛋白溶液与所述过渡金属化合物溶液在35～40℃条件下搅拌1～5min。
进一步地，在步骤S2中，加入所述碱液反应1～5min；其中，所述碱液为氢氧化钠溶液。
进一步地，在步骤S2中，在所述混合液中还原性蛋白和过渡金属化合物的质量比为1～50:1。
进一步地，在步骤S2中，所述过渡金属化合物为过渡金属的氯化物或硝酸物。
进一步地，在步骤S3中，过渡金属离子与硫离子的摩尔比为1：0.1～4。
进一步地，在步骤S3中，在所述混合液中加入所述硫化钠溶液后，在40～100℃条件下搅拌反应1～10h，反应结束后在透析袋中透析1～2天。
本发明还提供一种蛋白质基半导体量子点，按照上述的蛋白质基半导体量子点的制备方法制得。
进一步地，所述蛋白质基半导体量子点为过渡金属硫族半导体量子点，其尺寸为3nm～30nm，其近红外吸收波段为700～1300nm。
本发明实施例提供的蛋白质基半导体量子点及其制备方法的有益效果是：
(1)本发明提供的蛋白质基半导体量子点的制备方法，该制备方法以还原性蛋白溶液为还原剂模板，无需额外的还原剂，且制备条件温和，还可通过改变还原性蛋白溶液浓度、过渡金属离子与硫离子的比例和反应的温度与时间来调控半导体量子点的尺寸大小和吸收波长。
(2)本发明提供的蛋白质基半导体量子点，因其以蛋白质为基础制备形成，因而具有良好的生物相容性和生物降解可调控性，且制备得到的半导体量子点粒径尺寸均匀，具备较强的近红外光吸收效果，即其光热转换效率较强，这个特征使其在肿瘤光热治疗等领域具有极大的应用潜能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1提供的蛋白质基半导体量子点制备流程图；
图2为实施例2提供的蛋白质基半导体量子点在不同放大倍数下的透射电镜图；
图3为实施例5提供的蛋白质基半导体量子点的透射电镜图；
图4为实施例1～2和对比例1～2提供的产物的红外吸收光谱图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的蛋白质基半导体量子点及其制备方法进行具体说明。
本发明提供一种蛋白质基半导体量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备还原性蛋白溶液。
进一步地，在步骤S1中，所述还原性蛋白溶液的浓度为5～50mg/ml；所述还原性蛋白溶液中的还原性蛋白选自牛血清蛋白、人血清蛋白、羊毛角蛋白和丝素蛋白中的一种。这些蛋白质均富含巯基、羟基、羧基等氨基酸残基中的一种，这些氨基酸残基使得这些蛋白质具有还原特性。
更为优选地，所述还原性蛋白溶液的浓度为20～50mg/ml，此浓度下，保证有足够量的还原性蛋白作为配体合成半导体量子点，且不同的浓度，合成的半导体量子点的尺寸也不一样，还原性蛋白浓度越高，半导体量子点尺寸越大。
在本发明较佳实施例中，选用羊毛角蛋白作为还原性蛋白，羊毛角蛋白来源广，易于制备，成本较低。
进一步地，所述羊毛角蛋白按以下步骤进行制备：将天然羊毛纤维分别在丙酮和乙醇中清洗2h，去除油脂。取5g脱脂羊毛纤维，加入100ml包含7M尿素、0.08M硫化钠和0.8g十二醇硫酸钠的水溶液进行溶解，在50℃的温度下加热搅拌8h。在截留分子量3500的透析袋中导入溶解液，随后将透析袋放置在盛满蒸馏水的透析桶内，换水间隔为2h，透析3天后获得羊毛角蛋白溶液。
S2，以所述还原性蛋白溶液为还原剂模板，加入过渡金属化合物溶液进行混合，然后再加入碱液反应获得混合液。
进一步地，在步骤S2中，所述混合步骤为：将所述还原性蛋白溶液与所述过渡金属化合物溶液在35～40℃条件下搅拌1～5min，保证溶液中的还原性蛋白和过渡金属化合物分布均匀，保证后续反应充分。
进一步地，在步骤S2中，加入所述碱液反应1～5min；其中，所述碱液为氢氧化钠溶液。
进一步地，在步骤S2中，所述过渡金属化合物为过渡金属的氯化物或硝酸物。可以理解的是，这里所述的过渡金属为元素周期表中d区的一系列金属元素，包括钴、铜、镍等金属。
在本发明较佳实施例中，将羊毛角蛋白溶液与过渡金属化合物溶液在37℃的条件下搅拌5min后，加入氢氧化钠溶液反应2min后，得到混合液。
进一步地，在混合液中，还原性蛋白和过渡金属化合物的质量比为1～50:1。更为优选地，还原性蛋白和过渡金属化合物的质量比为10～35:1，保证有足够多的还原性蛋白提供足量的过渡金属离子结合位点，并对过渡金属离子进行包裹(如图1所示)。
S3，将所述混合液加入硫化钠溶液反应后，经透析得到所述蛋白质基半导体量子点。
进一步地，在步骤S3中，过渡金属离子与硫离子的摩尔比为1：0.1～4。不同的过渡金属离子与硫离子的比例会影响制备得到的半导体量子点的物相结构，从而影响其光吸收效果。
更进一步地，在步骤S3中，过渡金属离子与硫离子的摩尔比为1：1～4，在这比例下制备得到的半导体量子点具有较好的光吸收效果。
进一步地，在步骤S3中，将所述混合液加入所述硫化钠溶液后，在40～100℃条件下搅拌反应1～10h，反应结束后在透析袋中透析1～2天。加入硫化钠后，反应温度和时间会影响制备得到的半导体量子点的尺寸大小。
更为优选地，将所述混合液加入所述硫化钠溶液后，在50～90℃条件下搅拌反应1.5～8h。在此反应条件下制备得到的半导体量子点的尺寸在3nm～30nm之间。可以理解的是，这里所说的半导体量子点的尺寸指的是半导体量子点的最大粒径。
在本发明的一个较佳实施例中，所述混合液加入所述硫化钠溶液后，在55℃条件下搅拌反应1.5h，制备得到的蛋白质基半导体量子点的尺寸在4-5nm范围内。在本发明的另一个较佳实施例中，所述混合液加入所述硫化钠溶液后，在90℃条件下搅拌反应1.5h，制备得到的蛋白质基半导体量子点的尺寸在18-22nm范围内。经多次试验证明，反应温度越高，反应时间越长，制备得到的蛋白质基半导体量子点的尺寸越大，越不利于其光吸收效果。
本发明还提供一种蛋白质基半导体量子点，按照上述的蛋白质基半导体量子点的制备方法制得。
进一步地，所述蛋白质基半导体量子点为过渡金属硫族半导体量子点，其尺寸为3nm～30nm，其近红外吸收波段为700～1300nm。本发明提供的蛋白质基半导体量子点具有良好的生物相容性和生物降解可调控性，且制备得到的半导体量子点粒径尺寸均匀，具备较强的近红外光吸收效果，即其光热转换效率较强，这个特征使其在肿瘤光热治疗等领域具有极大的应用潜能。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种蛋白质基半导体量子点，按照以下步骤制成：
(1)羊毛角蛋白(WK)溶液的制备：将天然羊毛纤维分别在丙酮和乙醇中清洗2h，去除油脂。取5g脱脂羊毛纤维，加入100ml包含7M尿素、0.08M硫化钠和0.8g十二醇硫酸钠的水溶液进行溶解，在50℃的温度下加热搅拌8h。在截留分子量3500的透析袋中导入溶解液，随后将透析袋放置在盛满蒸馏水的透析桶内，换水间隔为2h，透析3天后获的浓度为50mg/ml的羊毛角蛋白溶液。
(2)以羊毛角蛋白溶液为还原剂模板，加入氯化铜溶液混合，在37℃条件下搅拌5min后，加入1mol的氢氧化钠溶液反应2min后，加入20mM的硫化钠溶液反应2min，得到反应液。其中，反应液中羊毛角蛋白和氯化铜的质量比为25：1，反应液中的铜离子与硫离子的摩尔比为1：1。
(3)将反应液置于55℃条件下磁力搅拌反应1.5h，反应结束后经过透析袋透析2天，得到蛋白质基硫化铜半导体量子点。
实施例2
本实施例提供一种蛋白质基半导体量子点，与实施例1的区别之处在于：
步骤(2)中，反应液中的铜离子与硫离子的摩尔比为1：4。
图2为实施例2提供的蛋白质基半导体量子点在不同放大倍数下的透射电镜图。经测量，本实施例提供的蛋白质基半导体量子点的尺寸在4～5nm范围内。
实施例3
本实施例提供一种蛋白质基半导体量子点，与实施例2的区别之处在于：
步骤(3)中，将反应液置于60℃条件下磁力搅拌反应1.5h。
经测量，本实施例提供的蛋白质基半导体量子点的尺寸在8～9nm范围内。
实施例4
本实施例提供一种蛋白质基半导体量子点，与实施例2的区别之处在于：
步骤(3)中，将反应液置于60℃条件下磁力搅拌反应4h。
经测量，本实施例提供的蛋白质基半导体量子点的尺寸在10～12nm范围内。实施例4与实施例3相比，反应液的反应的温度相同，但是反应时间不同，得到的蛋白质基半导体量子点尺寸也不同。上述结果可以看出，反应液的反应时间越长，制备得到的蛋白质基半导体量子点尺寸越大。
实施例5
本实施例提供一种蛋白质基半导体量子点，与实施例2的区别之处在于：
步骤(3)中，将反应液置于90℃条件下磁力搅拌反应1.5h。
图3为实施例5提供的蛋白质基半导体量子点的透射电镜图。从图上可以看出，此时的蛋白质基半导体量子点呈现为纳米片形状，其尺寸大小在18～22nm范围内。与实施例2和实施例3提供的蛋白质基半导体量子点相比，在反应时间相同的情况下，反应温度改变，制备得到的蛋白质基半导体量子点的形状发生改变，尺寸也发生改变。上述结果可以看出，反应液的反应温度越高，制备得到的蛋白质基半导体量子点尺寸越大。
上述实施例1～5证明了加入硫化钠后，反应液的反应温度和反应时间都会影响制备得到的半导体量子点的尺寸大小。反应温度越高，反应时间越长，制备得到的半导体量子点尺寸越大。而尺寸大小的改变则会影响蛋白质基半导体量子点的光吸收效果。蛋白质基半导体量子点的尺寸越小，光吸收效果越好。
对比例1
本对比例提供一种羊毛角蛋白溶液，按照实施例1的步骤(1)制备得到。
对比例2
本对比例提供一种铜纳米簇，与实施例1的区别之处在于：
步骤(2)中，不加入硫化钠溶液，即反应液中的铜离子与硫离子的摩尔比为1：0。
图4为实施例1～2和对比例1～2提供的产物的红外吸收光谱图。从图中可发现，实施例2提供的蛋白质基半导体量子点的近外红吸收相比其他实施例和对比例有一个显著的增强，证明了不同的过渡金属离子与硫离子的比例会影响制备得到的半导体量子点的光吸收效果，且在范围内比例越高，光吸收效果越好。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种蛋白质基半导体量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备还原性蛋白溶液；
S2，以所述还原性蛋白溶液为还原剂模板，加入过渡金属化合物溶液进行混合，然后再加入碱液反应获得混合液；
S3，在所述混合液中加入硫化钠溶液反应后，经透析得到所述蛋白质基半导体量子点。
2.根据权利要求1所述的蛋白质基半导体量子点的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述还原性蛋白溶液的浓度为5～50mg/ml；所述还原性蛋白溶液中的还原性蛋白选自牛血清蛋白、人血清蛋白、羊毛角蛋白和丝素蛋白中的一种。
3.根据权利要求1所述的蛋白质基半导体量子点的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述混合步骤为：将所述还原性蛋白溶液与所述过渡金属化合物溶液在35～40℃条件下搅拌1～5min。
4.根据权利要求1所述的蛋白质基半导体量子点的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，加入所述碱液反应1～5min；其中，所述碱液为氢氧化钠溶液。
5.根据权利要求1所述的蛋白质基半导体量子点的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，在所述混合液中还原性蛋白和过渡金属化合物的质量比为1～50:1。
6.根据权利要求1所述的蛋白质基半导体量子点的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述过渡金属化合物为过渡金属的氯化物或硝酸物。
7.根据权利要求1所述的蛋白质基半导体量子点的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，过渡金属离子与硫离子的摩尔比为1：0.1～4。
8.根据权利要求1所述的蛋白质基半导体量子点的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，在所述混合液中加入所述硫化钠溶液后，在40～100℃条件下搅拌反应1～10h，反应结束后在透析袋中透析1～2天。
9.一种蛋白质基半导体量子点，其特征在于，如权利要求1-8任意一项所述的蛋白质基半导体量子点的制备方法制得。
10.根据权利要求9所述的蛋白质基半导体量子点，其特征在于，所述蛋白质基半导体量子点为过渡金属硫族半导体量子点，其尺寸为3nm～30nm，其近红外吸收波段为700～1300nm。
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