CN114806539A - 一种半导体纳米晶的表面生物相容性修饰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境友好、高效清洁、无毒、步骤简单、成本低同时能够保持半导体纳米晶荧光性能的配体置换方法。采用功能化生物相容性配体分子取代半导体纳米晶原表面的疏水性配体分子，得到水溶性(水分散性)及表面生物相容性修饰的半导体纳米晶。该方法克服了现有配体置换后处理步骤繁琐、消耗大量有机溶剂及沉淀剂、得到的水相纳米颗粒稳定性差的缺陷。并且通过改变投料精确控制纳米晶体表面配体的种类和数量，最终获得水中及生理缓冲液中稳定分散、表面可以修饰生物功能性分子的半导体纳米晶。在水溶性半导体纳米晶表面进行化学修饰，使其成为生物功能化纳米晶体，作为纳米探针可用于体内外生物检测和疾病治疗。
Description
技术领域
本发明涉及一种对半导体纳米晶材料表面进行配体置换及生物相容性修饰的方法，属于纳米材料表面界面工程技术领域。
背景技术
纳米材料是指在三维空间中至少有一维度处于纳米尺寸范围(1-100nm)的材料，以及以它们为单元而构筑的材料。过去三十年来，纳米材料，尤其是具有尺寸效应和表面效应所赋予的各种特殊物理化学性质(光学、磁学、电学、催化及吸附等)的功能纳米材料，已经被证明在生物、医药等领域有广泛的应用价值，包括体外诊断、活体成像、纳米药物和治疗等。量子点又称为半导体纳米晶，是由II-VI、II-V、III-V、IV-VI、I-VI、I-III-VI族等元素组成的纳米颗粒，具有独特的光学性质：(1)尺寸可调的宽带吸收；(2)高摩尔消光系数；(3)尺寸可调的窄带发射；(4)高荧光量子产率；(5)抗光漂白，这些性质使其在活体肿瘤等重大疾病的早期诊断及高通量生物信息分析中具有显著优势。高质量的半导体纳米晶(具有窄的尺寸分布、高荧光量子产率)一般通过化学液相合成方法制备，且多在有机相中完成，以油酸(OA)、油胺(OLA)、十二硫醇(DDT)、三辛基膦(TOP)、三辛基氧膦(TOPO)等做有机分子配体，合成的纳米晶体只能溶于甲苯、环己烷等非极性或弱极性有机溶剂中，然而生物医学应用要求量子点必须能够在生理条件(水，pH～7.4，36-42℃，盐、蛋白质和其他生物分子存在)下稳定分散，故需要对有机相合成的纳米晶体进行二次表面改性。
目前，已经报道了多种方法来获得水溶性纳米晶体，包括二氧化硅、两亲性聚合物、脂质胶束及可分散性的聚合物的包覆，及配体置换等。在这些策略中，配体置换方法是利用水溶性配体分子置换颗粒表面原始的油溶性配体分子，此方法不仅相对简单，并且在赋予单个颗粒水溶性的同时不会增大水溶性量子点的尺寸。Mattoussi等人利用二氢硫辛酸(DHLA)作为表面配体分子，通过配体置换获得了水溶性的DHLA修饰量子点，并且在较长时间内稳定(Journal of the American Chemical Society,2000,122,12142-12150)。与单齿巯基配体相比，稳定性的增强可归因于DHLA配体末端的双巯基靶向基团提供的双齿螯合效应。然而，由于存在长的疏水链段，DHLA封端的量子点通常在碱性缓冲溶液中稳定，但其局部环境发生改变时，如将量子点分散于弱酸或酸性溶液中会出现颗粒聚集，这是由于量子点纳米晶体的胶体分散性是通过其表面DHLA末端羧酸根离子的静电排斥作用实现的，因而强烈依赖于DHLA末端羧基的脱质子化，一旦羧基末端羧基不能脱质子，水溶性就会丧失。为了提高量子点在水中的稳定性及对生理环境变化的抵抗力，需要设计新的配体。有课题组利用硫辛酸和聚乙二醇的酯化反应，制备生物相容性的DHLA-PEG配体分子，其中PEG可以促进纳米晶体在水中的分散，所得的DHLA-PEG封端的量子点在相对较宽的pH范围内，可长期稳定分散(Journal of the American Chemical Society,2005,127,3870-3878；Journal of the American Chemical Society,2007,129,13987-13996)。但是上述配体置换过程步骤比较繁琐，通常需要加入有机碱，进而导致荧光效率的下降，并且后处理还需要大量有机溶剂对量子点进行沉淀再分散的多次纯化处理过程，才能获得水溶性量子点。
综上所述，目前还缺乏一种环境友好、高效清洁、无毒同时能够保持半导体纳米晶荧光性能的配体置换方法，以满足纳米晶体在生物医学应用等领域中的使用要求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种环境友好、高效清洁、无毒同时能够保持半导体纳米晶荧光性能的配体置换方法，以克服现有配体置换后处理步骤繁琐、消耗大量有机溶剂、得到的水相纳米颗粒稳定性差等缺陷。
本发明的目的之一是提供一种对半导体纳米晶表面进行配体置换的方法，针对传统配体置换工艺中存在的问题，提出一种环境友好、高效清洁、无毒的纳米晶表面配体置换方法，使其具有条件温和、可批量生产、步骤简单、成本低、清洁无毒等优势，能保持半导体纳米晶的发光性能。
本发明的目的之二是提供一种对半导体纳米晶表面进行水溶性及生物相容性修饰的配体置换方法，通过改变投料精确控制纳米晶体表面配体的种类和数量，最终获得水溶性的、表面生物相容性修饰的半导体纳米晶。
本发明所提供的对半导体纳米晶表面进行配体置换的方法，为：利用功能化生物相容性配体分子取代半导体纳米晶原表面的疏水性配体分子实现半导体纳米晶材料的表面改性，得到水溶性半导体纳米晶。
上述方法中，示例性半导体纳米晶包含但不限于I-VI,I-III-VI,I-II-III-VI,II-VI,II-III-VI,III-VI,III-V,IV-VI族等半导体，并包含它们的计量或非计量比的任意组成，以及包含但不限于它们任意的合金型、核壳型、异质型、掺杂型等形式的复合结构，其中所述掺杂离子包含但不限于：Cu+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、Co3+、Ni2+、Ni3+、Cr3+、Gd3+、Dy3+、Yb3+、Nb3 +、Er3+、Ho3+、Eu3+、Tb3+、Tm3+等。
上述半导体纳米晶具体可为：Cu-In-S、Cu-In-Se、Cu-Al-S、Cu-Al-Se、Cu-In-Ga-S、Cu-In-Ga-Se、Cu-In-Zn-S、Cu-In-Zn-Se、Ag-In-S、Ag-In-Se、Ag-In-S@ZnS、Ag-In-Se@ZnS、Ag-In-S@ZnSe、Ag-In-Se@ZnSe、Cu-In-S@ZnS、Cu-In-Se@ZnS、Cu-In-S@ZnSe、Cu-In-Se@ZnSe、Ag-In-S@ZnS:Mn、Ag-In-Se@ZnS:Mn、Ag-In-S@ZnSe:Mn、Ag-In-Se@ZnSe:Mn、Cu-In-S@ZnS:Mn、Cu-In-S@ZnSe:Mn、Cu-In-Se@ZnSe:Mn、Cu-In-Se@ZnS:Mn、Cu-In-Zn-S@ZnS、Cu-In-Zn-S@ZnSe、Cu-In-Zn-Se@ZnS、Cu-In-Zn-Se@ZnSe、Ag2S、Ag2Se、InP、InP@ZnS、Cu2-xS(0≤x≤1)、CdTe、CdSe、CdHgTe、CdTe@ZnS、CdSe@ZnS、PbS、PbSe、HgTe、ZnS、ZnSe、ZnGa2O4:Cr、ZnAl2O4:Cr等中的任何一种或任意组合。
原表面为疏水性配体分子修饰的半导体纳米晶通过改良文献的方法制备，参考文献包含但不限于Science Translational Medicine,2019,11,eaay7162；Biomaterials,2014,35(5),1608-1617；ACS Nano,2020,14,12113-12124等，其疏水性配体分子包含但不限于硫辛酸、油酸、油胺、烷基硫醇、十六胺、三辛基氧磷、三辛基磷等。
所述功能化生物相容性配体包含但不限于：聚乙二醇(PEG)分子及衍生物、水溶性小分子、生物分子、高分子聚合物，以及它们任意组合：
其中，所述PEG分子及衍生物包含但不限于异端基或同端基官能团(或称功能团)取代的PEG分子及其衍生物；
所述的官能团或功能团包括但不限于：巯基(SH)、硫辛酸及其衍生物(LA)、二氢硫辛酸及其衍生物(DHLA)、羧基(COOH)、氨基(NH2)、乙酸基、丙酸基、单磷酸基(mp)、双磷酸基(dp)、咪唑基(Imidazole)、异羟肟酸、多巴胺(DA)、聚多巴胺(PDA)、酰肼(Hydrazide)、胆固醇等、马来酰亚胺(Maleimide)、叠氮(N3)、甲氧基(CH3O)、羟基(OH)、活性酯包括N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、亲和素(Avidin)、生物素(Biotin)、叶酸(FA)、炔烃(Alkyne)如丙炔等、磷脂(DSPE)、荧光染料分子如荧光素(FITC)和罗丹明(RB)等、丙烯酸酯、丙烯酸胺、N羟基琥珀酰亚胺酯(SCM)、醛基(CHO)、氨基酸分子如半胱氨酸和天冬氨酸等衍生物及其衍生物等、硅烷(Sil)等基团或其残基及衍生物；
其中，异端基官能团取代的PEG衍生物包含但不限于：DHLA-PEG-CH3O、DHLA-PEG-Maleimide、DHLA-PEG-SH、DHLA-PEG-COOH、DHLA-PEG-NH2、DHLA-PEG-N3、DHLA-PEG-NHS、DHLA-PEG-Biotin、DHLA-PEG-DSPE、DHLA-PEG-SCM、LA-PEG-Maleimide、DHLA-PEG-NHS、DHLA-PEG-Hydrazide、DHLA-PEG-FA、DHLA-PEG-ALK、LA-PEG-CH3O、DHLA-PEG-OH、LA-PEG-OH、DHLA-PEG-CHO、LA-PEG-CHO、LA-PEG-Maleimide、LA-PEG-SH、LA-PEG-COOH、LA-PEG-NH2、LA-PEG-N3、LA-PEG-NHS、LA-PEG-Biotin、LA-PEG-DSPE、LA-PEG-Maleimide、LA-PEG-NHS、LA-PEG-Hydrazide、LA-PEG-FA、LA-PEG-ALK、DHLA-PEG-Alkyne、LA-PEG-Alkyne、DHLA-PEG-Imidazole、LA-PEG-Imidazole、DHLA-PEG-PDA、LA-PEG-DA、CHO-PEG-NH2、HOOC-PEG-NH2、Maleimide-PEG-NH2、Maleimide-PEG-NHS、Maleimide-PEG-COOH、FA-PEG-COOH、N3-PEG-COOH、N3-PEG-NH2、N3-PEG-SH、HOOC-PEG-OH、HS-PEG-OH、HS-PEG-SH、HS-PEG-COOH、HS-PEG-DSPE、HS-PEG-NH2、HS-PEG-NHS、FA-PEG-NH2、DSPE-PEG-NH2、DSPE-PEG-NH2、DSPE-PEG-COOH、HS-PEG-Biotin、HOOC-PEG-Biotin、LA-PEG-Alkyne、HS-PEG-Alkyne、Maleimide-PEG-N3、Biotin-PEG-Hydrazide、Biotin-PEG-NHS、dp-PEG-Maleimide、mp-PEG-Maleimide、OH-PEG-CH3O等，或任选的它们之间任意组合，或任选它们的衍生物；
同端基官能团取代的PEG衍生物包含但不限于：OH-PEG-OH、HOOC-PEG-COOH、HS-PEG-SH、LA-PEG-LA、DHLA-PEG-DHLA、Maleimide-PEG-Maleimide、NH2-PEG-NH2、Alkyne-PEG-Alkyne、N3-PEG-N3等；
其中，所述水溶性小分子包括单个以及多个官能团，其中官能团包含但不限于以下各项中的一种或多种：巯基(SH)、硫辛酸及其衍生物(LA)、二氢硫辛酸及其衍生物(DHLA)、羧基(COOH)、氨基(NH2)、乙酸基、丙酸基、单磷酸基(mp)、双磷酸基(dp)、咪唑基(Imidazole)、异羟肟酸、多巴胺(DA)、聚多巴胺(PDA)、酰肼(Hydrazide)、胆固醇等、马来酰亚胺(Maleimide)、叠氮(N3)、甲氧基(CH3O)、羟基(OH)、活性酯包括N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、亲和素(Avidin)、生物素(Biotin)、叶酸(FA)、炔烃(Alkyne)如丙炔等、磷脂(DSPE)、荧光染料分子如荧光素(FITC)和罗丹明(RB)等、丙烯酸酯、丙烯酸胺、N羟基琥珀酰亚胺酯(SCM)、醛基(CHO)、氨基酸分子如半胱氨酸和天冬氨酸等衍生物及其衍生物等、硅烷(Sil)等基团等，
所述水溶性小分子具体可为：巯基羧酸类小分子、巯基醇类小分子、巯基胺类小分子，如巯基乙酸、巯基丙酸、巯基丁酸、巯基乙胺、巯基丁二酸、二巯基丁二酸、黄原酸盐类配体、硫醇盐类配体等。
其中，所述生物分子包含但不限于：核甘酸、寡核苷酸、核酸适配体、氨基酸如半胱氨酸等、多肽及衍生物如谷胱甘肽(GSH)、精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)等、蛋白、核酸等生物分子及由它们制备的任何衍生物或还原产物等；
其中，所述高分子聚合物包含但不限于：透明质酸、多糖、壳聚糖、聚乙烯醇、聚硅氧烷、内酯如聚(己内酯)、聚羟基酸和其共聚物，如聚(乳酸)、聚(乙醇酸)、聚(L-乳酸-共-乙醇酸)、聚(L-乳酸)、聚(乳酸-共-乙醇酸)、聚(D，L-丙交酯)、聚(D，L-丙交酯-共-己内酯)、聚(D，L-丙交酯-共-己内酯-共-乙交酯)以及其共混物、聚氰基丙烯酸烷酯、聚氨酯、聚氨基酸(如聚-L-赖氨酸、聚(戊酸)和聚L-谷氨酸)、纤维素(包含衍生的纤维素，如烷基纤维素、羟烷基纤维素、纤维素醚、纤维素酯、硝基纤维素、羟丙基纤维素和羧甲基纤维素)、甲基丙烯酸羟丙酯、聚酸酐、聚原酸酯、聚(酯酰胺)、聚酰胺、聚(酯醚)、聚碳酸酯、乙烯乙酸乙烯酯聚合物、聚乙烯醚、聚乙烯酯(如聚乙酸乙烯酯)、聚乙烯基卤化物、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸类聚合物(如聚丙烯酸、聚((甲基)丙烯酸甲酯)、聚((甲基)丙烯酸乙酯)、聚((甲基)丙烯酸丁酯))、聚((甲基)丙烯酸己酯)、聚((甲基)丙烯酸异癸酯)(统称为“聚丙烯酸”))、聚二恶烷酮以及其共聚物、聚羟基烷酸酯、聚(丁酸)、聚甲醛、聚磷腈和三亚甲基碳酸酯等。
具体地，所述PEG分子包含但不限于异端基遥爪和同端基官能团取代的PEG分子及其衍生物，
其中，PEG的分子量可为：500～10000；
所述PEG分子主干结构一端采用与金属离子具有强配位能力的单齿或多齿功能基团，另一端则选用能够加载生物活性或靶向分子的功能基团；
所述与金属离子具有强配位能力的单齿或多齿功能基团包含但不限于：巯基(SH)、硫辛酸及其衍生物(LA)、二氢硫辛酸及其衍生物(DHLA)、羧基(COOH)、氨基(NH2)、乙酸基、丙酸基、单磷酸基(mp)、双磷酸基(dp)、咪唑基(Imidazole)、异羟肟酸、多巴胺(DA)、聚多巴胺(PDA)、酰肼(Hydrazide)、胆固醇等、马来酰亚胺(Maleimide)、叠氮(N3)、甲氧基(CH3O)、羟基(OH)、活性酯包括N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、亲和素(Avidin)、生物素(Biotin)、叶酸(FA)、炔烃(Alkyne)如丙炔等、磷脂(DSPE)、荧光染料分子如荧光素(FITC)和罗丹明(RB)等、丙烯酸酯、丙烯酸胺、N羟基琥珀酰亚胺酯(SCM)、醛基(CHO)、氨基酸分子如半胱氨酸和天冬氨酸等衍生物及其衍生物等、硅烷(Sil)等基团；
所述与金属离子具有强配位能力的单齿或多齿功能基团通过单/多齿配体螯合效应取代半导体纳米晶原表面原有的疏水性配体分子，所述疏水性配体分子包含但不限于硫辛酸、油酸、油胺、烷基硫醇、十六胺、三辛基氧磷、三辛基磷等；
所述能够加载生物活性或靶向分子的基团包含但不限于巯基(SH)、硫辛酸及其衍生物(LA)、二氢硫辛酸及其衍生物(DHLA)、羧基(COOH)、氨基(NH2)、乙酸基、丙酸基、单磷酸基(mp)、双磷酸基(dp)、咪唑基(Imidazole)、异羟肟酸、多巴胺(DA)、聚多巴胺(PDA)、酰肼(Hydrazide)、胆固醇等、马来酰亚胺(Maleimide)、叠氮(N3)、甲氧基(CH3O)、羟基(OH)、活性酯包括N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、亲和素(Avidin)、生物素(Biotin)、叶酸(FA)、炔烃(Alkyne)如丙炔等、磷脂(DSPE)、荧光染料分子如荧光素(FITC)和罗丹明(RB)等、丙烯酸酯、丙烯酸胺、N羟基琥珀酰亚胺酯(SCM)、醛基(CHO)、氨基酸分子如半胱氨酸和天冬氨酸等衍生物及其衍生物等、硅烷(Sil)等基团；
所述功能化生物相容性异端基遥爪PEG配体包含但不限于：一端为巯基、另一端为甲氧基的PEG分子；一端为硫辛酸基、另一端为羧基的PEG分子；一端为硫辛酸基、另一端为氨基的PEG分子；一端为硫辛酸基、另一端为氨基的咪唑基的PEG分子；一端为巯基、另一端为活性马来酰亚胺官能团的PEG分子；一端为巯基、另一端为活性羧基官能团的PEG分子；一端为巯基、另一端为活性氨基官能团的PEG分子；一端为巯基、另一端为叠氮官能团的PEG分子；一端为巯基、另一端为活性羟基官能团的PEG分子中的一种或几种的混合物；
所述对半导体纳米晶表面进行配体置换的方法，为：将油相半导体纳米晶的弱极性或非极性有机溶液加入到功能化生物相容性配体的弱极性或非极性有机溶液中，将所得混合溶液加热到40～135℃，通入惰性气体，搅拌下反应，反应完全后不需通过传统的有机溶剂沉淀纯化处理过程，而是直接加水萃取，直接得到功能化生物相容性配体修饰的水相量子点水溶液，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在水保存备用。
所述油相半导体纳米晶的弱极性或非极性有机溶液通过将油相半导体纳米晶分散到弱极性或非极性有机溶剂中获得；
其中，所述的弱极性或非极性有机溶剂包含但不限于环己烷、正己烷、戊烷、三氯甲烷、二氯甲烷、氯苯、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲基甲酰胺等；
油相半导体纳米晶与弱极性或非极性有机溶剂的配比包含但不限于10～100mg：5～50mL；
所述功能化生物相容性配体的弱极性或非极性有机溶液通过将功能化生物相容性配体溶于弱极性或非极性有机溶剂中获得；
其中，所述的弱极性或非极性有机溶剂包含但不限于环己烷、正己烷、戊烷、三氯甲烷、二氯甲烷、氯苯、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲基甲酰胺等；
功能化生物相容性配体与弱极性或非极性有机溶剂的配比包含但不限于50～2000mg：10-100mL；
所得混合溶液中，功能化生物相容性配体与油相半导体纳米晶的配比包含但不限于50～2000mg：10～100mg。
所述惰性气体包含但不限于氮气、氩气等；
所述反应的时间根据配体分子的反应活性而定，包含但不限于1～6h；
弱极性或非极性有机溶剂与萃取用水的比例包含但不限于1:0.5到1:20；
加水萃取避免了有机溶剂和沉淀剂的加入；
所得水溶性半导体纳米晶在水相中分散和稳定。
本发明的目的之三是提供一种半导体纳米晶与多种生物功能性分子的耦联方法。半导体纳米晶与生物功能性分子的耦联对于其在疾病如肿瘤的靶向成像、单/多模态成像、手术导航、光动力治疗、光声成像、光热治疗、免疫治疗、基因治疗、靶向治疗、复合治疗等体内外生物应用至关重要。
本发明所提供的半导体纳米晶与生物功能性分子的耦联方法，包括：
1)通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶；
根据所要耦联的生物功能性分子的具体化学结构及功能基团，选择水溶性纳米晶表面的活性官能团，如配体分子上未和半导体纳米晶表面配位的端基官能团，用于加载生物功能性分子，选取的官能团种类包含但不限于巯基、马来酰亚胺、羧基、氨基、叠氮、甲氧基、羟基、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、biotin等基团中的任一或它们的任何比例组合；
2)水溶性半导体纳米晶的表面功能化
使得所要耦联的生物功能性分子与上述水溶性半导体纳米晶耦联，即可。
上述方法步骤2)中，所要耦联的生物功能性分子通过包含但不限于“click”反应、酰胺化、酯化反应与上述水溶性半导体纳米晶耦联；
示例性修饰以PEG一端为羧基为例，水溶性半导体纳米晶的表面生物功能化的具体步骤如下：取水相量子点(即功能化生物相容性配体修饰的量子点)水溶液，将pH调到8～10，加入缩合试剂，振荡10～30min，迅速加入聚醚胺修饰的生物功能性分子，振荡反应，超滤纯化除去未反应的生物功能性分子，得到耦联了生物功能性分子的半导体纳米晶，转移到PBS缓冲溶液中，保存备用；
所述缩合试剂可为：1-(3-二甲胺基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDCI)、N,N-碳酰二咪唑(CDI)、2-(7-氮杂苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯(HATU)、二环己基碳二亚胺(DCC)、二异丙基碳二亚胺(DIC)或4-(4,6-二甲氧基三嗪-2-基)-4-甲基吗啉盐酸盐(DMTMM)中的一种或任意组合；
水相量子点与缩合试剂、聚醚胺修饰的生物功能性分子的质量比依次包含但不限于：1～20mg:0.04～0.4mg:0.09～0.9mg；
所述振荡反应包含但不限于在室温下进行；
所述振荡反应的时间包含但不限于1～5h；
反应前通过ICP-AES或吸收光谱对功能化生物相容性配体修饰的量子点进行金属离子浓度或纳米晶浓度的测定。
上述配体置换方法在水溶性纳米晶体批量制备、分离纯化及表面水溶性和生物相容性修饰中的应用也属于本发明的保护范围。
由上述配体置换方法制得的水溶性纳米晶体或耦联生物功能性分子的半导体纳米晶在制备体内外生物检测和疾病治疗的产品中的应用也属于本发明的保护范围。
所述体内外生物检测和疾病治疗的产品包含但不限于用于疾病如肿瘤等的靶向成像、单/多模态成像、手术导航、光动力治疗、光声成像、光热治疗、免疫治疗、基因治疗、靶向治疗、复合治疗的产品的产品。
本发明具有以下优点和有益效果：
1)本发明提供了一种环境友好、高效清洁、低毒及低成本的纳米晶体表面配体置换工艺，使其具有条件温和、可批量生产、步骤简单、成本低、清洁无毒等优势，能保持半导体纳米晶在配体交换前后的荧光性能。
2)本发明通过改变生物相容性配体分子结构及比例精确控制纳米晶体表面配体的种类、数量及活性功能基团，通过上述萃取方法可获得水中及生理环境中可稳定分散、表面可以修饰生物功能性分子的半导体纳米晶。
3)本发明通过水溶液萃取得到的生物相容性半导体纳米晶，表面可耦联分子如生物靶向分子，可用于构建重大疾病如肿瘤等的主动或被动靶向性纳米探针，并可实现体内外生物检测和疾病治疗。
附图说明
图1为本发明实施例10所得的水溶性半导体纳米晶的水合动力尺寸分布。
图2为本发明实施例12所得的耦联生物功能分子叶酸的半导体纳米晶的水合动力尺寸分布。
图3为本发明实施例10所得的水溶性半导体纳米晶的FTIR光谱。
图4为本发明实施例12所得的耦联生物功能分子叶酸的半导体纳米晶的FTIR光谱。
图5为本发明实施例12所得的纳米探针尾静脉注射到荷瘤小鼠体内并实现活体成像。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、生物材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
任选地，示例性的异端基和同端基官能团取代的PEG分子及其衍生物包含但不限于DHLA-PEG-CH3O、DHLA-PEG-Maleimide、DHLA-PEG-SH、DHLA-PEG-COOH、DHLA-PEG-NH2、DHLA-PEG-N3、DHLA-PEG-NHS、DHLA-PEG-Biotin、DHLA-PEG-DSPE、DHLA-PEG-SCM、LA-PEG-Maleimide、DHLA-PEG-NHS、DHLA-PEG-Hydrazide、DHLA-PEG-FA、DHLA-PEG-ALK、LA-PEG-CH3O、DHLA-PEG-OH、LA-PEG-OH、DHLA-PEG-CHO、LA-PEG-CHO、LA-PEG-Maleimide、LA-PEG-SH、LA-PEG-COOH、LA-PEG-NH2、LA-PEG-N3、LA-PEG-NHS、LA-PEG-Biotin、LA-PEG-DSPE、LA-PEG-Maleimide、LA-PEG-NHS、LA-PEG-Hydrazide、LA-PEG-FA、LA-PEG-ALK、DHLA-PEG-Alkyne、LA-PEG-Alkyne、DHLA-PEG-Imidazole、LA-PEG-Imidazole、DHLA-PEG-PDA、LA-PEG-DA、CHO-PEG-NH2、HOOC-PEG-NH2、Maleimide-PEG-NH2、Maleimide-PEG-NHS、Maleimide-PEG-COOH、FA-PEG-COOH、N3-PEG-COOH、N3-PEG-NH2、N3-PEG-SH、HOOC-PEG-OH、HS-PEG-OH、HS-PEG-SH、HS-PEG-COOH、HS-PEG-DSPE、HS-PEG-NH2、HS-PEG-NHS、FA-PEG-NH2、DSPE-PEG-NH2、DSPE-PEG-NH2、DSPE-PEG-COOH、HS-PEG-Biotin、HOOC-PEG-Biotin、LA-PEG-Alkyne、HS-PEG-Alkyne、Maleimide-PEG-N3、Biotin-PEG-Hydrazide、Biotin-PEG-NHS、dp-PEG-Maleimide、mp-PEG-Maleimide、OH-PEG-CH3O等，或任选的它们之间任意组合，或任选它们的衍生物。任选地，异端基遥爪PEG及其反应原料可从包含但不限于Sigma-Aldrich、Aladdin、伊诺凯、百灵威、国药试剂、北京键凯科技股份有限公司、Nanocs等试剂公司购买，亦可以根据改进后的文献方法包含但不限于Journal of the American ChemicalSociety,127,3870。
任选地，示例性半导体纳米晶包含但不限于I-VI,I-III-VI,I-II-III-VI,II-VI,II-III-VI,III-VI,III-V,IV-VI族等半导体，并包含它们的计量或非计量比的任意组成，以及包含但不限于它们任意的合金型、核壳型、异质型、掺杂型等形式的复合结构，其中所述掺杂离子包含但不限于：Cu+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、Co3+、Ni2+、Ni3+、Cr3+、Gd3+、Dy3+、Yb3+、Nb3+、Er3 +、Ho3+、Eu3+、Tb3+、Tm3+等。上述纳米晶具体可为：Cu-In-S、Cu-In-Se、Cu-Al-S、Cu-Al-Se、Cu-In-Ga-S、Cu-In-Ga-Se、Cu-In-Zn-S、Cu-In-Zn-Se、Ag-In-S、Ag-In-Se、Ag-In-S@ZnS、Ag-In-Se@ZnS、Ag-In-S@ZnSe、Ag-In-Se@ZnSe、Cu-In-S@ZnS、Cu-In-Se@ZnS、Cu-In-S@ZnSe、Cu-In-Se@ZnSe、Ag-In-S@ZnS、Ag-In-Se@ZnS、Ag-In-S@ZnSe、Ag-In-Se@ZnSe、Cu-In-S@ZnS、Cu-In-S@ZnS:Mn、Cu-In-Se@ZnS:Mn、Cu-In-Se@ZnSe、Cu-In-Se@ZnS、Cu-In-Zn-S@ZnS、Cu-In-Zn-S@ZnSe、Cu-In-Zn-Se@ZnS、Cu-In-Zn-Se@ZnSe、Ag2S、Ag2Se、InP、InP@ZnS、Cu2-xS(0≤x≤1)、CdTe、CdSe、CdHgTe、CdTe@ZnS、CdSe@ZnS、PbS、PbSe、HgTe、ZnS、ZnSe、ZnGa2O4:Cr、ZnAl2O4:Cr等中的任何一种或任意组合；原表面为疏水性配体分子修饰的半导体纳米晶通过改良文献的方法制备，参考文献包含但不限于Science Translational Medicine,2019,11,eaay7162；Biomaterials,2014,35(5),1608-1617；ACS Nano,2020,14,12113-12124等，其疏水性配体分子包含但不限于油酸、油胺、烷基硫醇、十六胺、三辛基氧磷、三辛基磷等。
实施例1、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用一端为巯基、另一端为甲氧基的PEG分子(PEG分子量：1000)做配体，将10mg十二烷基硫醇配体修饰的CuInS2@ZnS半导体纳米晶分散于5mL乙酸乙酯中，后将其加入到10mL含有200mg配体的乙酸乙酯溶液中，混合溶液加热到55℃通氮气搅拌反应5h，而后用水萃取，得到PEG修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例2、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用一端为巯基、另一端为甲氧基的PEG分子(PEG分子量：2000)做配体，将10mg十二烷基硫醇、油酸、油胺配体共同修饰的CuInSe2@ZnS分散于5mL甲苯中，后将其加入到10mL含有200mg配体的甲苯溶液中，混合溶液加热到80℃通氮气搅拌反应5h，而后用水萃取，得到PEG修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例3、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用一端为巯基、另一端为甲氧基的PEG分子(PEG分子量：2000)做配体，将10mg十二烷基硫醇配体修饰的CuInSe2@ZnS分散于5mL乙酸乙酯中，后将其加入到20mL含有50mg配体的乙酸乙酯溶液中，混合溶液加热到50℃通氮气搅拌反应5h，而后用水萃取，得到PEG修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例4、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用一端为巯基、另一端为甲氧基的PEG分子(PEG分子量：1000)做配体，将10mg十二烷基硫醇、油酸、油胺配体共同修饰的AgInSe2@ZnS分散于5mL苯中，后将其加入到20mL含有200mg配体的苯溶液中，混合溶液加热到50℃通氮气搅拌反应5h，而后用水萃取，得到PEG修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例5、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用一端为巯基、另一端为马来酰亚胺基团的PEG分子(PEG分子量：2000)做配体，将10mg十二烷基硫醇、油酸、油胺配体共同修饰的CuInSe2@ZnS分散于5mL甲苯中，后将其加入到10mL含有200mg配体的甲苯溶液中，混合溶液加热到65℃通氮气搅拌反应5h，而后用水萃取，得到PEG修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例6、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用巯基丙酸小分子做配体，将10mg十二烷基硫醇配体修饰的CuInSe2@ZnS分散于5mL甲苯中，后将其加入到10mL含有100mg配体的甲苯溶液中，混合溶液加热到65℃通氮气搅拌反应5h，而后用水萃取，得到巯基丙酸修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例7、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用谷胱甘肽做配体，将10mg十二烷基硫醇配体修饰的CuInS2@ZnS分散于5mL甲苯中，后将其加入到10mL含有80mg配体的二甲基甲酰胺溶液中，混合溶液加热到65℃通氮气搅拌反应5h，而后用水萃取，得到谷胱甘肽修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例8、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用谷胱甘肽和巯基丙酸做配体(1:1摩尔比)，将10mg十二烷基硫醇配体修饰的Cu1.5In0.5Se2@ZnS分散于5mL甲苯中，后将其加入到10mL含有100mg配体的二甲基甲酰胺溶液中，混合溶液加热到70℃通氮气搅拌反应5h，而后用水萃取，得到谷胱甘肽和巯基丙酸共修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例9、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用一端为巯基、另一端为甲氧基的PEG分子(PEG分子量：2000)，并同时选用一端为巯基、另一端为活性马来酰亚胺官能团的PEG分子(PEG分子量：2000)，以一定比例(5:1)共同做配体，将10mg十二烷基硫醇配体修饰的CuInSe2@ZnS分散于5mL甲苯中，后将其加入到20mL含有200mg配体的甲苯溶液中，混合溶液加热到50℃通氮气搅拌反应5h，而后用水萃取，得到PEG修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例10、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用一端为巯基、另一端为甲氧基的PEG分子(PEG分子量：2000)，并同时选用一端为巯基、另一端为活性羧基官能团的PEG分子(PEG分子量：2000)，以一定比例(10:1)共同做配体，将10mg十二烷基硫醇、油酸、油胺配体共同修饰的CuInSe2@ZnS:Mn分散于5mL甲苯中，后将其加入到20mL含有200mg配体的甲苯溶液中，混合溶液加热到55℃通氮气搅拌反应3h，而后用水萃取，得到PEG修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
上面所述十二烷基硫醇、油酸、油胺配体共同修饰的半导体纳米晶体制备方法包括以下步骤：将计量比的CuI和In(CH3COO)3混合于十二硫醇，十八烯，在100-120℃下脱气，继而在氮气保护下加入Se、油胺、十二硫醇的混合物。将反应混合物加热，并氮气保护下在200℃进行高温热分解和晶体成核和生长反应30分钟。之后加入ZnSt2、MnSt2、十二硫醇和十八烯的混合物继续反应30分钟到1小时，制备得到CuInSe2@ZnS:Mn量子点。反应结束后将反应液冷却至室温，用丙酮沉淀、离心纯化处理。
图1为所得水溶性半导体纳米晶的水合动力尺寸分布。
图3为所得的水溶性半导体纳米晶的FTIR光谱。
实施例11、
通过配体置换反应制备水溶性半导体纳米晶：选用一端为巯基、另一端为甲氧基的PEG分子(PEG分子量：1000)，并同时选用一端为巯基、另一端为活性羟基官能团的PEG分子(PEG分子量：1000)，以一定比例(10:1)共同做配体，将10mg十二烷基硫醇、油酸、油胺配体共同修饰的CuInSe2@ZnS:Mn(同实施例10)分散于5mL甲苯中，后将其加入到20mL含有200mg配体的甲苯溶液中，混合溶液加热到55℃通氮气搅拌反应3h，而后用水萃取，得到PEG修饰的水相量子点，透析或超滤纯化除去游离配体，最后分散在超纯水中置于4℃冰箱保存，以备进一步使用。
实施例12、
生物功能性分子叶酸通过酰胺化反应，与实施例10中的水溶性半导体纳米晶共价耦联。具体步骤如下，PEG修饰的量子点通过ICP-AES测定金属离子浓度，取2mg水相量子点，将pH调到8，后加入0.04mg缩合试剂DMTMM振荡10min，将0.09mg聚醚胺修饰的生物功能性分子叶酸迅速加入，继续室温振荡反应2h，最后反应得到的耦联了叶酸分子的半导体纳米晶，超滤纯化除去未反应的叶酸分子，并转移到1×PBS缓冲溶液中，置于4℃冰箱中保存以备进一步使用进行活体成像。
图2为所得耦联生物功能分子叶酸的半导体纳米晶的水合动力尺寸分布。
图4为所得的耦联生物功能分子叶酸的半导体纳米晶的FTIR光谱。
图5为所得耦联生物功能分子叶酸的半导体纳米晶作为纳米探针尾静脉注射到荷瘤小鼠体内并实现活体成像。
上述活体成像具体操作步骤如下：1)细胞培养：4T1细胞株由通派生物细胞库提供，在RPMI-1640培养基中加入10％胎牛血清和1％青霉素-链霉素溶液(100×)，置于37℃,含5％CO2的细胞培养箱中进行培养，所述4T1细胞可换成其他各种肿瘤细胞；2)动物模型构建：在体重约为20g的Balb/c小鼠(购自北京大学医学院动物房)，右后肢皮下注射100μL的1)细胞悬液，构建皮下肿瘤模型；3)活体成像：荷瘤小鼠麻醉并脱毛后，经尾静脉注射纳米探针。将小鼠放置在恒温动物床上，光学成像采用808nm连续激光激发，采集不同时间点老鼠皮下肿瘤区域NIR II发光成像。成像期间小鼠吸入混合2％异氟烷的氧气，处于麻醉状态。
实施例13、
生物功能性分子叶酸通过酰胺化反应，与实施例10中的水溶性半导体纳米晶共价耦联。具体步骤如下，PEG修饰的量子点通过ICP-AES测定金属离子浓度，取1mg水相量子点，将pH调到10，后加入0.1mg缩合试剂DMTMM振荡10min，将0.2mg聚醚胺修饰的生物功能性分子叶酸迅速加入，继续室温振荡反应2h，最后反应得到的耦联了叶酸分子的半导体纳米晶，超滤纯化除去未反应的叶酸分子，并转移到1×PBS缓冲溶液中，置于4℃冰箱中保存以备进一步使用。
实施例14、
生物功能性分子叶酸通过“click”反应，与实施例5中一端巯基另一端马来酰亚胺基团修饰的水溶性半导体纳米晶共价耦联。具体步骤如下，PEG修饰的量子点通过ICP-AES测定金属离子浓度，将0.5mg聚醚胺修饰的叶酸和0.2mg巯基化试剂2-亚氨基硫烷盐酸盐溶于1mL水中，室温振荡反应2h，后将5mg水相量子点加入上述溶液中，继续室温震荡反应30min，最后反应得到的耦联了叶酸分子的半导体纳米晶，超滤纯化除去未反应的叶酸分子，并转移到1×PBS缓冲溶液中，置于4℃冰箱中保存以备进一步使用。
实施例15、
生物功能性分子叶酸通过酰胺化反应，与实施例10中的水溶性半导体纳米晶共价耦联。具体步骤如下，PEG修饰的量子点通过ICP-AES测定金属离子浓度，取1mg水相量子点，将pH调到10，后加入0.1mg缩合试剂DIC振荡10min，将0.2mg聚醚胺修饰的生物功能性分子叶酸迅速加入，继续室温振荡反应2h，最后反应得到的耦联了叶酸分子的半导体纳米晶，超滤纯化除去未反应的叶酸分子，并转移到1×PBS缓冲溶液中，置于4℃冰箱中保存以备进一步使用。
Claims (10)
1.一种对半导体纳米晶表面进行配体置换的方法，为：利用功能化生物相容性配体分子取代半导体纳米晶原表面的疏水性配体分子实现半导体纳米晶材料的表面改性，得到水溶性半导体纳米晶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述半导体纳米晶选自以下各项中的一种或多种：I-VI,I-III-VI,I-II-III-VI,II-VI,II-III-VI,III-VI,III-V,IV-VI族半导体，并包含它们的计量或非计量比的任意组成，以及包含它们任意的合金型、核壳型、异质型、掺杂型形式的复合结构，其中所述掺杂离子为：Cu+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、Co3+、Ni2+、Ni3+、Cr3+、Gd3 +、Dy3+、Yb3+、Nb3+、Er3+、Ho3+、Eu3+、Tb3+、Tm3+；
所述纳米晶具体可为：Cu-In-S、Cu-In-Se、Cu-Al-S、Cu-Al-Se、Cu-In-Ga-S、Cu-In-Ga-Se、Cu-In-Zn-S、Cu-In-Zn-Se、Ag-In-S、Ag-In-Se、Ag-In-S@ZnS、Ag-In-Se@ZnS、Ag-In-S@ZnSe、Ag-In-Se@ZnSe、Cu-In-S@ZnS、Cu-In-Se@ZnS、Cu-In-S@ZnSe、Cu-In-Se@ZnSe、Ag-In-S@ZnS:Mn、Ag-In-Se@ZnS:Mn、Ag-In-S@ZnSe:Mn、Ag-In-Se@ZnSe:Mn、Cu-In-S@ZnS:Mn、Cu-In-S@ZnSe:Mn、Cu-In-Se@ZnSe:Mn、Cu-In-Se@ZnS:Mn、Cu-In-Zn-S@ZnS、Cu-In-Zn-S@ZnSe、Cu-In-Zn-Se@ZnS、Cu-In-Zn-Se@ZnSe、Ag2S、Ag2Se、InP、InP@ZnS、Cu2-xS(0≤x≤1)、CdTe、CdSe、CdHgTe、CdTe@ZnS、CdSe@ZnS、PbS、PbSe、HgTe、ZnS、ZnSe、ZnGa2O4:Cr、ZnAl2O4:Cr中的任何一种或任意组合。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：所述功能化生物相容性配体包括以下各项中的一种或多种：聚乙二醇分子及衍生物、水溶性小分子、生物分子、高分子聚合物；
其中，所述PEG分子及衍生物选自异端基或同端基官能团取代的PEG衍生物中的一种或多种，PEG的分子量为：500～10000，PEG分子主干结构的一端采用与金属离子具有强配位能力的单齿或多齿功能基团，另一端则选用能够加载生物活性或靶向分子的基团；
PEG分子及其衍生物中所述的官能团或功能基团包含以下各项中的一种或多种：巯基、硫辛酸及其衍生物、二氢硫辛酸及其衍生物、羧基、氨基、乙酸基、丙酸基、单磷酸基、双磷酸基、咪唑基、异羟肟酸、多巴胺、聚多巴胺、酰肼、胆固醇、马来酰亚胺、叠氮、甲氧基、羟基、活性酯、亲和素、生物素、叶酸、炔烃、磷脂、荧光染料分子、丙烯酸酯、丙烯酸胺、N羟基琥珀酰亚胺酯、醛基、氨基酸分子、硅烷；
其中：1)异端基官能团PEG衍生物具体可为：DHLA-PEG-CH3O、DHLA-PEG-Maleimide、DHLA-PEG-SH、DHLA-PEG-COOH、DHLA-PEG-NH2、DHLA-PEG-N3、DHLA-PEG-NHS、DHLA-PEG-Biotin、DHLA-PEG-DSPE、DHLA-PEG-SCM、LA-PEG-Maleimide、DHLA-PEG-NHS、DHLA-PEG-Hydrazide、DHLA-PEG-FA、DHLA-PEG-ALK、LA-PEG-CH3O、DHLA-PEG-OH、LA-PEG-OH、DHLA-PEG-CHO、LA-PEG-CHO、LA-PEG-Maleimide、LA-PEG-SH、LA-PEG-COOH、LA-PEG-NH2、LA-PEG-N3、LA-PEG-NHS、LA-PEG-Biotin、LA-PEG-DSPE、LA-PEG-Maleimide、LA-PEG-NHS、LA-PEG-Hydrazide、LA-PEG-FA、LA-PEG-ALK、DHLA-PEG-Alkyne、LA-PEG-Alkyne、DHLA-PEG-Imidazole、LA-PEG-Imidazole、DHLA-PEG-PDA、LA-PEG-DA、CHO-PEG-NH2、HOOC-PEG-NH2、Maleimide-PEG-NH2、Maleimide-PEG-NHS、Maleimide-PEG-COOH、FA-PEG-COOH、N3-PEG-COOH、N3-PEG-NH2、N3-PEG-SH、HOOC-PEG-OH、HS-PEG-OH、HS-PEG-SH、HS-PEG-COOH、HS-PEG-DSPE、HS-PEG-NH2、HS-PEG-NHS、FA-PEG-NH2、DSPE-PEG-NH2、DSPE-PEG-NH2、DSPE-PEG-COOH、HS-PEG-Biotin、HOOC-PEG-Biotin、LA-PEG-Alkyne、HS-PEG-Alkyne、Maleimide-PEG-N3、Biotin-PEG-Hydrazide、Biotin-PEG-NHS、dp-PEG-Maleimide、mp-PEG-Maleimide、OH-PEG-CH3O，或任选的它们之间任意组合，或任选它们的衍生物；
2)同端基官能团PEG衍生物具体可为：OH-PEG-OH、HOOC-PEG-COOH、NH2-PEG-NH2、HS-PEG-SH、LA-PEG-LA、DHLA-PEG-DHLA、Alkyne-PEG-Alkyne、N3-PEG-N3；
其中，所述水溶性的小分子包括单个以及多个官能团，其中官能团包含以下各项中的一种或多种：巯基、硫辛酸及其衍生物、二氢硫辛酸及其衍生物、羧基、氨基、乙酸基、丙酸基、单磷酸基、双磷酸基、咪唑基、异羟肟酸、多巴胺、聚多巴胺、酰肼、胆固醇、马来酰亚胺、叠氮、甲氧基、羟基、活性酯、亲和素、生物素、叶酸、炔烃、磷脂、荧光染料分子、丙烯酸酯、丙烯酸胺、N羟基琥珀酰亚胺酯、醛基、氨基酸分子、硅烷基团，具体可为：巯基羧酸类小分子、巯基醇类小分子、巯基胺类小分子；
其中，所述生物分子包含：核甘酸、寡核苷酸、核酸适配体、氨基酸、多肽及衍生物、蛋白、核酸及由它们制备的衍生物或还原产物；
其中，所述高分子聚合物包含：透明质酸、多糖、壳聚糖、聚乙烯醇、聚硅氧烷、内酯、聚羟基酸和其共聚物，如聚乳酸、聚乙醇酸、聚L-乳酸-共-乙醇酸、聚L-乳酸、聚乳酸-共-乙醇酸、聚D，L-丙交酯、聚D，L-丙交酯-共-己内酯、聚D，L-丙交酯-共-己内酯-共-乙交酯以及其共混物、聚氰基丙烯酸烷酯、聚氨酯、聚氨基酸、纤维素、甲基丙烯酸羟丙酯、聚酸酐、聚原酸酯、聚酯酰胺、聚酰胺、聚酯醚、聚碳酸酯、乙烯乙酸乙烯酯聚合物、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯基卤化物、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸类聚合物、聚二恶烷酮以及其共聚物、聚羟基烷酸酯、聚丁酸、聚甲醛、聚磷腈和三亚甲基碳酸酯。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述与金属离子具有强配位能力的单齿或多齿功能基团包括以下各项中的一种或多种：巯基、硫辛酸及其衍生物、二氢硫辛酸及其衍生物、羧基、氨基、乙酸基、丙酸基、单磷酸基、双磷酸基、咪唑基、异羟肟酸、多巴胺、聚多巴胺、酰肼、胆固醇、马来酰亚胺、叠氮、甲氧基、羟基、活性酯、亲和素、生物素、叶酸、炔烃、磷脂、荧光染料分子、丙烯酸酯、丙烯酸胺、N羟基琥珀酰亚胺酯、醛基、氨基酸分子、硅烷基团；
所述与金属离子具有强配位能力的单齿或多齿功能基团通过单/多齿配体螯合效应取代纳米颗粒表面原有的疏水性配体分子，包括以下各项中的一种或多种：硫辛酸、油酸、油胺、烷基硫醇、十六胺、三辛基氧磷、三辛基磷；
所述与金属离子具有强配位能力的单齿或多齿功能基团通过单/多齿配体螯合效应取代纳米颗粒表面原有的疏水性配体分子；
所述能够加载生物活性或靶向分子的基团包括以下各项中的一种或多种：巯基、硫辛酸及其衍生物、二氢硫辛酸及其衍生物、羧基、氨基、乙酸基、丙酸基、单磷酸基、双磷酸基、咪唑基、异羟肟酸、多巴胺、聚多巴胺、酰肼、胆固醇、马来酰亚胺、叠氮、甲氧基、羟基、活性酯、亲和素、生物素、叶酸、炔烃、磷脂、荧光染料分子、丙烯酸酯、丙烯酸胺、N羟基琥珀酰亚胺酯、醛基、氨基酸分子、硅烷。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述对半导体纳米晶表面进行配体置换的操作为：将油相半导体纳米晶的弱极性或非极性有机溶液加入到功能化生物相容性配体的弱极性或非极性有机溶液中，将所得混合溶液加热到40～135℃，通入惰性气体，搅拌下反应，反应完全后加水萃取，直接得到水相量子点水溶液，透析或超滤纯化除去游离配体，即得。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所得混合溶液中，功能化生物相容性配体与油相半导体纳米晶的配比包含但不限于50～2000mg：10～100mg；
所述反应的时间包含但不限于1～6h。
7.一种半导体纳米晶与单/多种生物功能性分子的耦联方法，包括：
1)通过权利要求1-6中任一项所述的配体置换方法制备水溶性半导体纳米晶；
其中，根据所要耦联的生物功能性分子的化学结构及功能基团，选择水溶性纳米晶表面的活性官能团，也即配体分子上未和半导体纳米晶表面配位的端基官能团，用于加载生物功能性分子；
2)水溶性半导体纳米晶的表面功能化
使得所要耦联的生物功能性分子与上述水溶性半导体纳米晶耦联，即可，
具体地，所要耦联的生物功能性分子通过包含但不限于“click”反应、酰胺化、酯化反应与水溶性半导体纳米晶耦联。
8.权利要求1-6中任一项所述的配体置换方法在水溶性纳米晶体批量制备、分离纯化及表面水溶性和生物相容性修饰中的应用。
9.由权利要求1-6中任一项所述的配体置换方法制得的水溶性纳米晶体或由权利要求7所述方法制备的耦联生物功能性分子的半导体纳米晶在制备体内外生物检测和疾病治疗的产品中的应用，所述体内外生物检测和疾病治疗的产品。
10.根据权利要求9所述的应用，所述体内外生物检测和疾病治疗的产品为：用于疾病靶向成像、单/多模态成像、手术导航、光动力治疗、光声成像、光热治疗、免疫治疗、基因治疗、靶向治疗、复合治疗的产品。
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