CN112210377A - 一种硅核双层量子点壳复合纳米材料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硅核双层量子点壳复合纳米材料及其制备方法和用途，该硅核双层量子点壳复合纳米材料以二氧化硅颗粒为核心，利用正电性多聚物聚乙烯亚胺(PEI)在二氧化硅表面的层层自组装特性，连续吸附两层量子点形成硅核双层量子点外壳结构。本发明还公布了由硅核双层量子点壳复合纳米材料制备的新型量子点标签在荧光免疫层析检测中的应用，该新型量子点标签分散性好、粒径大小可调、荧光性能强且易于批量制备，可用于复杂样本中目标物质的高灵敏检测。

Description

一种硅核双层量子点壳复合纳米材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及新型纳米材料及量子点领域，具体而言，涉及一种硅核双层量子点壳复合纳米材料及其制备方法和用途。
背景技术
量子点具有激发光谱宽、发射光谱窄、发射波长可控、荧光寿命长、光稳定性好等性质，现已广泛应用于生物学领域。近些年来，基于量子点的侧流免疫层析已被用于定量检测各种分析物(例如毒素，病毒蛋白，生物标志物和细菌)。但是，由于量子点粒径小(5～20纳米)，易于团聚，且量子点的生物相容性较差，基于量子点的侧流免疫层析应用仍然受到限制。近年来，通过将大量量子点嵌入载体(例如聚合物，胶乳，磁珠，二氧化硅)中而制备的亚微米尺寸的量子点微球，已被用作免疫层析系统的稳定的荧光分子。与普通的量子点相比，量子点微球具有更强的荧光特性，从而进一步提高了灵敏度和稳定性。
二氧化硅纳米材料具有稳定性好、分散性强、粒径大小可控且生物毒性低等优点，可通过离心分离，离心后不易团聚。所以将量子点吸附在二氧化硅材料表面组成一个新型纳米材料，该材料既具有量子点优异的光学性能，又解决了量子点本身易团聚的问题，是一种具有优异荧光性能且分散性良好的新型纳米材料。但是由于硅球量子点材料制备过程繁琐，制备的硅球量子点很难同时具有良好的分散性和优异的荧光性能。如2017年NVBeloglazova等人将量子点包裹在二氧化硅壳内，制备了硅球量子点复合材料，制备步骤繁琐且二氧化硅壳过厚还会影响荧光性能。
目前，只有单层量子点壳的硅球量子点核壳结构，尚无多层硅核量子点壳的纳米材料。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种硅核双层量子点壳复合纳米材料，该材料是一种具有双层量子点外壳、单分散性的新型量子点纳米材料。材料性能优越，从结构上看，具有双层量子点外壳，可提供更强的荧光信号。此外该材料的分散性好、稳定性强、易储存，羧基化量子点外壳可提供抗体偶联的位点，材料的综合性能先进。
本发明的第二目的在于提供一种所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法，制备过程基于聚乙酰亚胺(PEI)层层自组装，制备过程简单、高效、可重复，可用于制备不同粒径的硅球量子点。
本发明的第三目的在于提供一种硅核双层量子点壳复合纳米材料作为硅球量子点标签在免疫层析系统中的检测应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种硅核双层量子点壳复合纳米材料，所述复合纳米材料具有核壳结构，内核层为二氧化硅颗粒，外壳层为羧基化量子点，所述二氧化硅颗粒与所述羧基化量子点之间为聚乙烯亚胺(PEI)层；
所述复合纳米材料的粒径为150～450纳米，所述复合纳米材料的荧光发射波长范围为400～800纳米；
优选的，所述二氧化硅颗粒的粒径为80～350纳米。
所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二氧化硅颗粒加入到水溶液中，通过超声反应使二氧化硅颗粒单分散，形成二氧化硅的水溶液；
(2)将步骤(1)得到的二氧化硅水溶液加入到PEI溶液中，通过超声反应使正电性的PEI通过电荷作用在负电性的二氧化硅颗粒表面自组装，形成一种PEI修饰的二氧化硅颗粒，即SiO2@PEI；SiO2@PEI颗粒离心后用去离子水清洗除去溶液中多余的PEI，保存在去离子水中待用；
(3)将步骤(2)所得的SiO2@PEI颗粒与羧基化量子点颗粒以体积比1/50的比例混匀后进行超声反应，通过剧烈超声反应使负电性的羧基化量子点颗粒紧密的吸附在正电性的SiO2@PEI颗粒表面，形成具有量子点外壳的硅核量子点壳复合纳米颗粒，即SiO2@QDs；
(4)将步骤(3)所得的SiO2@QDs颗粒加入到PEI水溶液中，通过超声反应使正电性的PEI在SiO2@QDs颗粒表面再次自组装，形成第二次PEI修饰的SiO2@QDs颗粒即SiO2@QDs@PEI，SiO2@QDs@PEI颗粒离心后用去离子水清洗除去溶液中多余的PEI，保存在去离子水中待使用；
(5)将步骤(4)所得的SiO2@QDs@PEI颗粒与羧基化量子点颗粒以体积比1/50的比例混匀后进行超声反应，通过剧烈超声反应使负电性的羧基化量子点颗粒紧密的吸附在正电性的SiO2@QDs@PEI颗粒表面，形成具有第二层量子点外壳的硅核双层量子点壳复合纳米颗粒SiO2@QDs@QDs。
制备的SiO2@QDs@QDs使用离心机离心后用去离子水清洗两次，重悬于10mL去离子水中。
优选的，在步骤(1)中，所述二氧化硅颗粒表面带负电荷，粒径大小范围为80～350纳米。
优选的，在步骤(2)中，所述PEI的分子质量为5000～80000，所述PEI溶液的浓度为0.5～5mg/mL，优选为1mg/mL；在步骤(3)中，所述超声的时间为20～60分钟，优选为40分钟。
优选的，在步骤(3)中，所述的羧基化量子点颗粒为CdSe/ZnS-COOH颗粒，荧光发射波长范围为400～800纳米；优选的，所述量子点的浓度为0.1～1nmol；所述的超声的时间为20～60分钟，优选为40分钟。
优选的，在步骤(4)中，所述PEI溶液的浓度为0.5～5mg/mL，优选为1mg/mL；优选的，所述超声的时间为20～60分钟，更优选为40分钟。
优选的，在步骤(5)中，所述羧基化量子点颗粒为CdSe/ZnS-COOH颗粒，荧光发射波长范围为400～800纳米；所述羧基化量子点颗粒的浓度为0.1～1nmol；所述的超声的时间为20～60分钟，更优选为45分钟。
优选的，在步骤(1)中，所述二氧化硅颗粒的制备方法采用改进的
Figure BDA0002732236750000041
化学沉淀法制备得到，具体的：硅源为正硅酸乙酯(TEOS)，溶剂为无水乙醇，还原剂为氨水，室温反应3～6h制备得到所述二氧化硅颗粒。
所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料在荧光免疫层析检测中的应用。
优选的，所述硅核双层量子点壳复合纳米材料作为硅球量子点标签；
优选的，所述硅核双层量子点壳复合纳米材料的表面还修饰有重组抗原，重组抗原通过量子点外壳的羧基基团与重组抗原的氨基端形成肽链偶联。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的硅核双层量子点壳复合纳米材料性能优越，从结构上看，具有双层量子点外壳，可提供更强的荧光信号；具有可调控的二氧化硅核心，可控制复合纳米材料的大小；此外该材料的分散性好、稳定性强、易储存，羧基化量子点外壳可提供抗体偶联的位点，是目前综合性能最先进的硅球量子点材料。
(2)本发明提出采用PEI层层自组装法制备双层量子点外壳结构硅球复合纳米材料，制备方法便捷、成熟、重复性好，可实现批量生产。
(3)本发明提出的PEI层层自组装法是一种通用的硅球量子点制备方法。通过更换不同粒径的二氧化硅颗粒(80～350纳米)可以制备不同粒径大小的硅球量子点(150～450纳米)。
(4)本发明提出的硅核双层量子点壳复合纳米材料具有广阔的应用前景，包括在生物成像、生物传感、现场快速检测等领域的应用。在硅核双层量子点壳复合纳米材料表面修饰上检测抗体，即可作为高性能的硅球量子点免疫标签用于生物样本中的目标物的快速检测。
(5)本发明提出的硅核双层量子点壳复合纳米材料作为多功能硅球量子点标签用于免疫层析检测，可以提供超强荧光信号，因此可以有效提高荧光免疫层析检测的灵敏度，特别是低浓度样本的快速定量检测。
综上，本申请发明的PEI层层自组装法，实现了硅核双层量子点壳复合纳米材料的可控制备，制备程序便捷、高效、重复性好。制备出的硅核量子点壳复合纳米材料具有良好的分散性及超强荧光性能，且粒径均一可控，表面的羧基易于抗体修饰，在生物样本检测特别是超敏荧光免疫层析检测领域具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法示意图。
图2为硅核双层量子点壳二氧化硅颗粒复合纳米材料制备过程中各组分的透射电子显微镜图，其中图2a为，图2b为SiO2@QDs颗粒，图2c为SiO2@QDs@QDs颗粒。
图3为硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备过程中的表征图，其中图3a为SiO2@QDs@QDs颗粒的透射电镜图，图3b为SiO2@QDs@QDs的元素面扫描图，图3c为各组分的zeta电位变化图，图3d为各组分在日光及紫外光下激发图，图3e为各组分在紫外光激发下的荧光发射光谱图，图3f为SiO2@QDs@QDs的荧光标签在不同pH下的水动力尺寸和荧光强度，图3g为SiO2@QDs@QDs颗粒在乙醇中的水动力尺寸和荧光强度随时间的关系。
图4为本发明实施例2的硅核双层量子点壳复合纳米材料表面修饰重组抗原的制备过程。
图5为本发明实施例3的硅球量子点标签作为高性能荧光标签与免疫层析系统联用检测血清中人IgG和IgM的实验流程图。
图6为本发明实施例3的基于硅球量子点及胶体金标签的免疫层析系统检测血清中人IgG和IgM的荧光及比色结果照片及荧光强度柱形图。
图7为本发明实施案例3基于硅球量子点标签的免疫层析系统检测临床血清的检测结果。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列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，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。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。
实施例1
本发明制备的硅核双层量子点壳复合纳米材料，包括二氧化硅核心、两层PEI夹层及两层羧基化量子点组成的量子点外壳。其中二氧化硅颗粒的粒径大小为200纳米，PEI夹层的厚度为5纳米，羧基化量子点的粒径为10纳米，合成的硅球量子点的最终粒径约为280纳米，同时具有良好的分散性与超强的荧光性能。
一种上述本实施例的硅核量子点壳复合纳米材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)制备分散性良好的200纳米二氧化硅核心：
依次将100mL无水乙醇、6mL去离子水、28％氨水加入到200mL广口瓶中，加入干净的搅拌子，磁力搅拌20分钟。一次性快速加入4mL正硅酸乙酯溶液，室温条件下搅拌4h。反应结束后，6000rpm/6min离心得到二氧化硅沉淀物，无水乙醇洗涤3次后，将产物置于真空烘箱中60℃真空干燥6h，得到200纳米二氧化硅颗粒干粉备用。
(2)制备SiO2@PEI颗粒：
称取200纳米二氧化硅颗粒约10mg并溶解于50mL新鲜配置的PEI溶液中(1mg/mL)，超声反应40分钟。6000rpm/6min离心，并用去离子水洗2遍后重悬于5mL去离子水中待用。
(3)制备单层量子点壳SiO2@QDs颗粒：
将制备的SiO2@PEI溶液(5mL)加入到100mL CdSe/ZnS-COOH溶液中，剧烈超声40分钟，表面带强正电的SiO2@PEI大量吸附带负电荷的CdSe/ZnS-COOH，形成SiO2@QDs量子点颗粒。5500rpm/6min离心，用去离子水洗一遍后重悬于5mL去离子水中待用。
(4)制备SiO2@QDs@PEI颗粒：
将制备的SiO2@QDs溶液(5mL)加入到50mL新鲜配置的PEI溶液中(1mg/mL)，超声反应40分钟。5500rpm/6min离心，去离子水洗2遍后重悬于5mL去离子水中待用。
(5)制备双层量子点壳SiO2@QDs@QDs颗粒：
将制备的SiO2@QDs@PEI溶液(5mL)加入到100mL CdSe/ZnS-COOH溶液中，剧烈超声45分钟，表面带强正电的SiO2@QDs@PEI大量吸附带负电荷的CdSe/ZnS-COOH，形成SiO2@QDs@QDs量子点颗粒。5000rpm/6min离心，用去离子水洗一遍后重悬于10mL去离子水中待用。
图2为本实施例步骤(1)制得的二氧化硅核心颗粒，步骤(3)制得的SiO2@QDs颗粒，步骤(5)制得的SiO2@QDs@QDs颗粒的透射电子显微镜图(TEM)。由上述TEM结果可见，硅核双层量子点壳复合纳米材料粒径均一，羧基化量子点随着层数的增加变多，两层羧基化量子点壳包裹在二氧化硅颗粒表面，使得产物同时具有良好的分散性及超强的荧光性能。
本实施例所制得的硅核双层量子点壳复合纳米材料的表征结果如图3所示。图3a为SiO2@QDs@QDs颗粒的TEM图；图3b为SiO2@QDs@QDs颗粒的元素扫描面分布图；本发明提出的硅核双层量子点壳复合纳米材料采用PEI介导的层层自组装法制备，原理是利用PEI的强正电吸附作用。由图3c可知，通过的各组分zeta电位的变化可以监控自组装反应与吸附反应的进行。图3d和图3e为合成过程中各组分的日光及紫外光激发下的照片及荧光光谱图。图3f和图3g为SiO2@QDs@QDs颗粒随pH和时间变化与荧光强度的关系，由图可知，合成的SiO2@QDs@QDs颗粒荧光性能稳定，耐受性好。
实施例2
本发明提出的硅核双层量子点壳复合纳米材料的表面为羧基化量子点，表面具有大量游离羧基可以用于抗体偶联，可以非常简便的实现纳米材料的表面功能化。本发明的硅核双层量子点壳复合纳米材料表面抗体修饰的步骤如图4所示，包括以下步骤：
将1mgSiO2@QDs@QDs粉末溶解在1mL 2-(N-吗啉)乙磺酸溶液(0.1M，pH5.5)中，然后加入100μL碳二亚胺溶液(0.01M)和20μL N-羟基琥珀酰亚胺溶液(0.1M)，超声反应15分钟活化SiO2@QDs@QDs表面的羧基；然后通过离心回收SiO2@QDs@QDs，重悬于200μL PBST溶液中(0.01M，pH7.4)；加入15μg重组抗原，室温震荡反应2h后加入150μL BSA(10％)，继续封闭反应1h后，离心回收产物并用PBST清洗1遍，重悬于100μL PBST中，加入100μL金标稀释液，混匀后铺在硝酸纤维膜上制作结合垫，与吸水垫、样品垫，硝酸纤维膜和底板组装成试纸条待用。
实施例3
本发明提出的硅核双层量子点壳复合纳米材料表面修饰重组抗原后可作为高性能荧光纳米标签用于免疫层析系统的检测。本实施例采用新型冠状病毒重组抗原S1修饰的硅球量子点标签与免疫层析系统相结合，检测人血清中不同浓度的IgG和IgM。图5为本实施例所示的硅球量子点标签作为硅球荧光标签与免疫层析系统联用快速检测人血清中IgG和IgM的实验流程图。
图6为基于硅球量子点免疫层析系统检测人新冠阳性血清中IgG和IgM的测试分析结果。其中，图6a为检测人新冠阳性血清中不同稀释倍数的IgG和IgM的硅球量子点试纸条荧光结果(365纳米波长紫外激发)。
从图中可见，试纸条检测线(T线)上的荧光强度随着新冠阳性血清稀释倍数的增加而逐渐减弱，肉眼观察灵敏度为稀释10万倍，荧光分析仪读值的检测限为稀释100万倍。图6b为检测人新冠阳性血清中不同稀释倍数的IgG和IgM的胶体金比色结果，肉眼观察灵敏度为稀释1000倍，比硅球量子点试纸条低1万倍。图6c根据人新冠阳性血清不同稀释倍数和T线处荧光信号强度，建立了基于硅球量子点标签的荧光信号的柱状图。误差线为测量五次所得。
图7为本发明实施案例3基于硅球量子点标签的免疫层析系统检测临床血清结果。结果显示该基于硅球量子点标签的免疫层析系统具有很好的特异性，只针对新型冠状病毒的IgG和IgM抗体有效。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (10)

1.一种硅核双层量子点壳复合纳米材料，其特征在于，所述复合纳米材料具有核壳结构，内核层为二氧化硅颗粒，外壳层为羧基化量子点，所述二氧化硅颗粒与所述羧基化量子点之间为聚乙烯亚胺(PEI)层；
所述复合纳米材料的粒径为150～450纳米，所述复合纳米材料的荧光发射波长范围为400～800纳米；
优选的，所述二氧化硅颗粒的粒径为80～350纳米。
2.根据权利要求1所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将二氧化硅颗粒加入到水溶液中，通过超声反应使二氧化硅颗粒单分散，形成二氧化硅的水溶液；
(2)将步骤(1)得到的二氧化硅水溶液加入到PEI溶液中，通过超声反应使正电性的PEI通过电荷作用在负电性的二氧化硅颗粒表面自组装，形成一种PEI修饰的二氧化硅颗粒，即SiO2@PEI；SiO2@PEI颗粒离心后用去离子水清洗除去溶液中多余的PEI，保存在去离子水中待用；
(3)将步骤(2)所得的SiO2@PEI颗粒与羧基化量子点颗粒以体积比1/50的比例混匀后进行超声反应，通过剧烈超声反应使负电性的羧基化量子点颗粒紧密的吸附在正电性的SiO2@PEI颗粒表面，形成具有量子点外壳的硅核量子点壳复合纳米颗粒，即SiO2@QDs；
(4)将步骤(3)所得的SiO2@QDs颗粒加入到PEI水溶液中，通过超声反应使正电性的PEI在SiO2@QDs颗粒表面再次自组装，形成第二次PEI修饰的SiO2@QDs颗粒即SiO2@QDs@PEI，SiO2@QDs@PEI颗粒离心后用去离子水清洗除去溶液中多余的PEI，保存在去离子水中待使用；
(5)将步骤(4)所得的SiO2@QDs@PEI颗粒与羧基化量子点颗粒以体积比1/50的比例混匀后进行超声反应，通过剧烈超声反应使负电性的羧基化量子点颗粒紧密的吸附在正电性的SiO2@QDs@PEI颗粒表面，形成具有第二层量子点外壳的硅核双层量子点壳复合纳米颗粒SiO2@QDs@QDs。
3.根据权利要求2所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述二氧化硅颗粒表面带负电荷，粒径大小范围为80～350纳米。
4.根据权利要求2所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述PEI的分子质量为5000～80000，所述PEI溶液的浓度为0.5～5mg/mL，优选为1mg/mL；
和/或；
在步骤(3)中，所述超声的时间为20～60分钟，优选为40分钟。
5.根据权利要求2所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的羧基化量子点颗粒为CdSe/ZnS-COOH颗粒，荧光发射波长范围为400～800纳米；优选的，所述量子点的浓度为0.1～1nmol；
和/或；
所述的超声的时间为20～60分钟，优选为40分钟。
6.根据权利要求2所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述PEI溶液的浓度为0.5～5mg/mL，优选为1mg/mL；
优选的，所述超声的时间为20～60分钟，更优选为40分钟。
7.根据权利要求2所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述羧基化量子点颗粒为CdSe/ZnS-COOH颗粒，荧光发射波长范围为400～800纳米；所述羧基化量子点颗粒的浓度为0.1～1nmol；所述的超声的时间为20～60分钟，优选为45分钟。
8.根据权利要求2-7任一项所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述二氧化硅颗粒的制备方法采用改进的
Figure FDA0002732236740000031
化学沉淀法制备得到，具体的：硅源为正硅酸乙酯(TEOS)，溶剂为无水乙醇，还原剂为氨水，室温反应3～6h制备得到所述二氧化硅颗粒。
9.根据权利要求1-8任一项所述的硅核双层量子点壳复合纳米材料在荧光免疫层析检测中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述硅核双层量子点壳复合纳米材料作为硅球量子点标签；
优选的，所述硅核双层量子点壳复合纳米材料的表面还修饰有重组抗原，重组抗原通过量子点外壳的羧基基团与重组抗原的氨基端形成肽链偶联。
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