ES2228107T3 - Nanocristales semiconductores fluorescentes solubles en agua. - Google Patents

Nanocristales semiconductores fluorescentes solubles en agua.

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Abstract

Nanocristal semiconductor soluble en agua destinada a emitir energía, que comprende: un núcleo de nanocristal semiconductor que presenta una banda prohibida de energía seleccionada; una capa corteza que reviste el núcleo de nanocristal semiconductor, comprendiendo la corteza un material semiconductor que presenta una banda prohibida de energía superior a la del núcleo; una capa externa que comprende una molécula presentando una primera parte que comprende al menos un grupo enlazante para la unión al nanocristal, y una segunda parte que comprende al menos un grupo hidrófilo.

Description

Nanocristales semiconductores fluorescentes solubles en agua.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a materiales nanocristalinos solubles en agua que emiten energía en un intervalo estrecho de longitudes de onda. En particular, la invención se refiere a nanocristales semiconductores solubles en agua que emiten luz en el intervalo de energía visible e infrarroja.
Antecedentes de la invención
Los nanocristales semiconductores (también conocidos como partículas Quantum Dot™ cuyos radios son más pequeños que el radio de Bohr efectivo del excitón constituyen una clase de materiales a caballo entre las formas moleculares y formas másicas de la materia. El confinamiento cuántico tanto del electrón como del orificio, en las tres dimensiones, conduce a un aumento de la banda prohibida efectiva del material al disminuir el tamaño del cristalito. En consecuencia, tanto la absorción como la emisión óptica de nanocristales semiconductores se desplazan hacia el azul (mayores energías) a medida que el tamaño de los nanocristales se hace más pequeño.
Bawendi y colaboradores han descrito un procedimiento para preparar nanocristales semiconductores monodispersos mediante pirólisis de reactivos organometálicos inyectados en un disolvente coordinante caliente (Murray et al. (1993) J. Am. Chem. Soc. 115:8706). Esto permite la nucleación temporalmente discreta y da como resultado un crecimiento controlado de cantidades macroscópicas de nanocristales. La precipitación selectiva por tamaños de los cristalitos a partir de la disolución de crecimiento puede proporcionar cristalitos con distribuciones incluso más estrechas de los tamaños. La distribución estrecha de tamaños de los nanocristales semiconductores permite la posibilidad de la emisión de luz con anchuras estrechas de líneas espectrales.
En un esfuerzo por mejorar el rendimiento fotoluminiscente de los nanocristales semiconductores, la superficie del nanocristal se ha pasivado por reacción de los átomos superficiales del nanocristal con ligandos pasivantes orgánicos, para eliminar niveles de energía en la superficie del cristalito que caen dentro de la banda energéticamente prohibida del interior másico. Estos estados de energía de la superficie actúan como trampas para los electrones y orificios que degradan las propiedades de luminiscencia del material. Dicha pasivación produce un aumento atómicamente abrupto en el potencial químico en la interface del semiconductor y la capa pasivante (véase, Alivisatos (1996) J. Phys. Chem. 100:13226). Murray et al. (1993), más arriba, describe nanocristales de CdSe terminados con restos orgánicos tales como tri-n-octilfosfina (TOP) y óxido de tri-n-octilfosfina (TOPO) con rendimientos cuánticos tan elevados como el 20% en disolventes orgánicos tales como tolueno (véase también la tesis doctoral de Christopher Murray "Sinthesis and Characterization of II-VI Quantum Dots and Their Assembly into 3-D Quantum Dot Superlattices" (1995) Massachusetts Institute of Technology; y Kuno et al. (1997) J. Phys. Chem. 106(23):9869).
Aunque los nanocristales semiconductores preparados tal como se describe por Bawendi y colaboradores muestran una monodispersidad próxima, y por tanto una elevada selectividad por el color, las propiedades de luminiscencia del material dependen del proceso. La estabilidad de la propiedad fotoluminiscente del nanocristal es una función de la naturaleza de la especie pasivante que reviste a la superficie externa del nanocristal.
Los nanocristales orgánicamente revestidos conocidos no son robustos y muestran degradación en disolución del rendimiento fotoluminiscente. Esto es debido probablemente a la disociación de la capa pasivante de la superficie del nanocristal, ó a la degradación de la capa pasivante lo que da como resultado la degradación de la superficie del semiconductor.
También se ha dado a conocer la pasivación de nanocristales semiconductores usando materiales inorgánicos. Las partículas pasivadas con un revestimiento inorgánico son mucho más robustas que las partículas orgánicamente pasivadas, y presentan una mayor tolerancia a las condiciones de procesamiento necesarias para su incorporación en los dispositivos. Las estructuras de partículas de nanocristales semiconductores inorgánicamente pasivadas, dadas a conocer previamente, incluyen CdSe terminado en CdS y CdS terminado en CdSe (Than et al. (1996) J. Phys. Chem. 100:8927); ZnS que se hace crecer sobre CdS (Youn et al. (1988) J. Phys. Chem. 92:6320); ZnS sobre CdSe y la estructura inversa (Kortan et al. (1990) J. Am. Chem. Soc. 112:1327); nanocristales de CdSe terminados en Zns (Hines et al. (1996) J. Phys. Chem. 100:468); nanocristales de CdSe terminados en ZnSe (Danek et al. (1996) Chem. Materials 8:173); y SiO_{2} sobre Si (Wilson et al. (1993) Science 262:1242).
Kortan et al. (1990), más arriba, describe una nanopartícula de CdSe terminada en ZnS que presenta una capa de grupos tiofenílicos unidos a la superficie externa. Los grupos tiofenílicos se usaron para pasivar la superficie y para permitir que se aislaran agrupaciones en forma de polvo. Lawless et al. (1995) J. Phys. Chem. 99:10329 informó de la preparación de nanocristales semiconductores de CdS terminados con ácidos mercaptocarboxílicos bifuncionales HS(CH_{2})_{n}COOH, en la que n es 1 igual a 3. Se unieron partículas de TiO_{2} a los nanocristales de CdS a través del grupo funcional ácido carboxílico del resto bifuncional terminador, a fin de promover la transferencia electrónica interpartículas entre partículas desiguales del semiconductor.
Los nanocristales semiconductores descritos anteriormente son solubles o dispersables en disolventes orgánicos solamente, tales como hexano o piridina. Muchas aplicaciones que se basan en la emisión fluorescente de los nanocristales semiconductores requieren que los nanocristales semiconductores sean solubles en agua.
Muchos nanocristales semiconductores solubles en agua dados a conocer adolecen de desventajas significativas que limitan su aplicabilidad general. Por ejemplo, Spanhel et al. (1987) J. Am. Chem. Soc. 109:5649, describe un sol de CdS terminado en Cd(OH)_{2}; sin embargo, las propiedades fotoluminiscentes del sol dependían del pH. El sol sólo se pudo preparar en un intervalo muy estrecho de pH (pH 8 a 10), y mostró una banda estrecha de fluorescencia sólo a un pH superior a 10. Dicha dependencia del pH limita enormemente la utilidad del material. En particular, no es apropiado para uso en sistemas biológicos.
Otros grupos han sustituido la capa pasivante orgánica del nanocristal semiconductor con restos solubles en agua; sin embargo, los nanocristales semiconductores derivatizados resultantes no son muy luminiscentes. Se han usado tioles de cadena corta, tales como 2-mercaptoetanol y 1-tioglicerol, como estabilizantes en la preparación de nanocristales de CdTe solubles en agua. Véase, Rogach et al. (1996) Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 100:1772 y Rajh et al. (1993) J. Phys. Chem. 97.11999. Se han dado a conocer otros compuestos terminadores más exóticos, con resultados similares. Véase, Coffer et al. (1992) Nanotechnology 3:69, que describe el uso de ácido desoxirribonucleico (ADN) como un compuesto terminador. En todos estos sistemas, los nanocristales semiconductores revestidos no fueron estables, y las propiedades fotoluminiscentes se degradaron con el tiempo.
La falta de disponibilidad de suspensiones o disoluciones acuosas de nanocristales semiconductores con emisiones fotoluminiscentes intensas limita su aplicación en una variedad de aplicaciones basadas en agua, tales como, las aplicaciones biológicas. Además, las disoluciones acuosas pueden ser a menudo sistemas químicos muy agresivos, y muchos de los sistemas de nanocristales semiconductores solubles en agua conocidos se degradan, principalmente mediante descomposición fotoanódica en la interfaz de la superficie del semiconductor, durante exposiciones prolongadas en el agua.
De este modo, aún existe la necesidad de nanocristales semiconductores solubles en agua que se puedan preparar como suspensiones o disoluciones estables, robustas, en medios acuosos. También existe la necesidad de nanocristales semiconductores solubles en agua destinados a emitir energía con eficiencias cuánticas elevadas, que posean una distribución estrecha de tamaños de partículas (y por tanto que tengan un intervalo espectral estrecho de la fotoluminiscencia).
Sumario de la invención
Un objetivo primario de la invención es resolver las necesidades mencionadas anteriormente en la técnica.
Otro objetivo de la invención es proporcionar nanocristales semiconductores solubles en agua que superen las limitaciones de la técnica anterior y que muestren rendimientos cuánticos elevados con emisiones de fotoluminiscencia de elevada pureza espectral.
Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un nanocristal semiconductor que sea fácilmente soluble en sistemas acuosos y que demuestre estabilidad química y electrónica en esos sistemas.
Un objetivo adicional de la invención es proporcionar un nanocristal semiconductor soluble en agua, derivatizado para proporcionar una capacidad de enlazamiento o de acoplamiento.
En un aspecto de la invención, se proporciona un nanocristal semiconductor soluble en agua destinado a emitir energía. Según la presente invención, se proporciona un nanocristal semiconductor soluble en agua capaz de emitir energía, que comprende:
un núcleo de nanocristal semiconductor que presenta una banda prohibida de energía seleccionada;
una capa corteza que reviste el núcleo del nanocristal semiconductor, comprendiendo la corteza un material semiconductor que presenta una banda prohibida de energía superior a la del núcleo;
una capa externa que comprende una molécula presentando una primera parte que comprende al menos un grupo enlazante para la unión al nanocristal, y una segunda parte que comprende al menos un grupo hidrófilo. El nanocristal incluye un núcleo de nanocristal semiconductor que presenta una banda prohibida de energía seleccionada, recubierto con una capa corteza de un material que presente una banda prohibida de energía superior a la del núcleo y con diferencias apropiadas de bandas. El nanocristal soluble en agua comprende además una capa externa en la superficie externa de la capa de revestimiento. La capa externa incluye una molécula que tiene al menos un grupo enlazante para unir de la molécula a la capa de revestimiento, y al menos un grupo hidrófilo separado opcionalmente del grupo enlazante mediante una región hidrófoba suficiente para minimizar la transferencia de carga electrónica a través de la región hidrófoba.
La capa externa del nanocristal puede comprender una molécula orgánica. La molécula orgánica puede comprender restos seleccionados para proporcionar solubilidad en un medio acuoso, tal como un hidrocarburo de cadena larga que termina en un resto que presenta afinidad por un medio acuoso, y un resto que demuestra afinidad por la superficie del nanocristal semiconductor. La afinidad por la superficie del nanocristal promueve la coordinación de la molécula orgánica a la superficie externa del nanocristal semiconductor, y el resto con afinidad por el medio acuoso estabiliza la suspensión del nanocristal semiconductor.
En una realización preferida, la molécula tiene la fórmula estructural (I)
(I)H_{z}X^{1} ((CH_{2})_{n}CO_{2}H) _{y}
y sales de la misma, en la que X^{1} es N, P u O=P; n es mayor o igual a 6; y z e y se seleccionan para satisfacer los requisitos de valencia de X^{1}.
En otras realizaciones preferidas, la molécula tiene la fórmula estructural (II)
1
en la que: X y X' son iguales o diferentes, y se seleccionan de entre el grupo formado por S, N, P u O=P; Y es un resto hidrófilo; y Z está ausente o es una región hidrófoba que tiene una cadena principal de al menos seis átomos. X y X' pueden incluir otros sustituyentes para satisfacer los requisitos de valencia, tales como, por ejemplo, aminas, tioles, fosfinas y óxidos de fosfina, sustituidos con hidrógeno o con otros restos orgánicos. Además, los átomos puente X y X' se pueden seleccionar para formar un anillo de 5 a 8 miembros con coordinación a la superficie del semiconductor. Los átomos puente son típicamente de carbono, pero pueden ser otros elementos tales como oxígeno, nitrógeno y azufre. El grupo Y puede ser cualquier grupo cargado o polar, tal como un carboxilato, un sulfonato, un fosfato, un polietilenglicol u otro poliol, y una sal de amonio, por ejemplo, carboxilato (-CO_{2}^{-}), sulfonato (SO_{3}^{-}), hidróxido (-OH), alcóxidos, sales de amonio (-NH_{4}^{+}), y fosfato (-PO_{4}^{-2}) y fosfonato (-PO_{3}^{-2}), y similares. Típicamente Z es un grupo alquilo o un grupo alquenilo, pero también puede incluir otros átomos, tales como carbono y nitrógeno. El grupo Z se puede modificar adicionalmente como se describe en este documento para proporcionar interacciones atractivas con ligandos vecinos.
En aún otra realización preferida, la molécula tiene la fórmula estructural (III):
2
en la que: X, X' y X'' son iguales o diferentes, y se seleccionan de entre el grupo formado por S, N, P u O=P; Y es un resto hidrófilo; y Z es una región hidrófoba que tiene una cadena principal de al menos seis átomos. Los grupos X, X' y X'' pueden incluir otros sustituyentes a fin de satisfacer los requisitos de valencia, tales como, por ejemplo, aminas, tioles, fosfinas y óxidos de fosfina, sustituidos con hidrógeno o con otros restos orgánicos. Además, los átomos puente X, X' y X'' se pueden seleccionar para formar un anillo de 5 a 8 miembros con coordinación a la superficie del semiconductor. Los átomos puente son típicamente carbono, pero pueden ser otros elementos tales como oxígeno, nitrógeno y azufre. El grupo Y puede ser cualquier grupo cargado o polar, tal como un carboxilato, un sulfonato, un fosfato, un polietilenglicol u otro poliol, y una sal de amonio, por ejemplo, carboxilato (-CO_{2}^{-}), sulfonato (SO_{3}^{-}), hidróxido (-OH), alcóxidos, sales de amonio (-NH_{4}^{+}), y fosfato (-PO_{4}^{-2}) y fosfonato (-PO_{3}^{-2}), y similares. Típicamente Z es un grupo alquilo o un grupo alquenilo, pero también puede incluir otros átomos, tales como carbono y nitrógeno. Adicionalmente Z se puede modificar tal como se describe en este documento para proporcionar interacciones atractivas con ligandos vecinos.
En otras realizaciones preferidas, la molécula tiene la fórmula estructural (IV):
(IV)(R^{1})_{a}-R^{2}-[(R^{3})_{b} (R^{4})_{c}]_{d}
en la que:
R^{1} se selecciona de entre el grupo constituido por heteroalquilo, heteroalquenilo, heteroalquinilo, -OR, -SR, -NHR, -NR'R'', -N(O)HR, -N(O)R'R'', -PHR, -PR'R'', -P(NR'R'')NR'R'', -P(O)R'R'', -P(O)(NR'R'') NR'R'', -P(O)(OR')OR'', -P(O)OR, -P(O)NR'R'', -P(S)(OR')R'', y -P(S)OR, en los que R, R' y R'' se seleccionan independientemente de entre el grupo constituido por H, un alquilo ramificado o no ramificado, un alquenilo ramificado o no ramificado, un alquinilo ramificado o no ramificado, un heteroalquilo ramificado o no ramificado, un heteroalquenilo ramificado o no ramificado, y un heteroalquinilo ramificado o no ramificado, con la condición de que, cuando a es superior a 1, los grupos R^{1} pueden ser iguales o diferentes o pueden estar enlazados para formar un cicloalquilo, cicloalquenilo, heterociclo, arilo, heteroarilo de seis, siete, ocho, nueve o diez miembros, o un éter corona o éter heterocorona de seis a trece miembros;
R^{2} se selecciona de un enlace (es decir, R^{2} está ausente), un alquileno ramificado o no ramificado, un alquenileno ramificado o no ramificado, un heteroalquileno ramificado o no ramificado, un heteroalquenileno ramificado o no ramificado, cicloalquilo, cicloalquenilo, cicloalquinilo, heterociclo, arilo y heteroarilo;
R^{3} se selecciona de un alquileno ramificado o no ramificado, un alquenileno ramificado o no ramificado, un heteroalquileno ramificado o no ramificado, un heteroalquenileno ramificado o no ramificado, cicloalquilo, cicloalquenilo, cicloalquinilo, heterociclo, arilo y heteroarilo;
R^{4} se selecciona de entre el grupo constituido por hidrógeno, un carboxilato, un tiocarboxilato, una amida, una imida, una hidrazina, un sulfonato, un sulfóxido, una sulfona, un sulfito, un fosfato, un fosfonato, un fosfonio, un alcohol, un tiol, una amina, un amonio, un alquilamonio, un nitrato, un resto de azúcar, y un cicloalquenilo, cicloalquinilo, heterociclo, arilo o heteroarilo de cinco, seis, siete, ocho, nueve o diez miembros;
a es igual a 1, 2, 3 ó 4;
b es igual a 0, 1, 2 ó 3;
c es igual a 0, 1, 2 ó 3; y
d es igual 0, 1, 2 ó 3, en la que, cuando d es igual a 2 ó 3, los grupos R^{3} pueden ser iguales o diferentes o pueden estar enlazados juntos para formar un cicloalquilo, cicloalquenilo, heterociclo, arilo o heteroarilo de cinco, seis, siete, ocho, nueve o diez miembros.
Preferentemente, R^{1} es un tiol (por ejemplo, -SH), una fosfina, un óxido de fosfina, o una amina (por ejemplo, -NH2, -NHR o -NRR').
Preferentemente, R^{2} contiene entre 6 y 20 átomos. Más preferentemente, R^{2} es un alquileno, alquenileno, alquinileno, heteroalquileno, heteroalquenileno o heteroalquinileno lineales que contienen 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 ó 20 átomos, o un cicloalquilo o heterociclo que contiene 5 ó 6 átomos.
Preferentemente, cuando b es igual a 1, 2 ó 3, R^{3} contiene entre 6 y 20 átomos. Más preferentemente, R^{3} es un alquileno, alquenileno, alquinileno, heteroalquileno, heteroalquenileno o heteroalquinileno lineales que contienen 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 ó 20 átomos, o un cicloalquilo o heterociclo que contiene 5 ó 6 átomos.
Preferentemente, R^{4} es un carboxilato (-COO^{-}), un fosfonato (-PO_{3}^{-}), un sulfonato (-SO_{3}^{-}) o un amonio
(-N^{+}HRR').
En aún otra realización preferida de la invención, la molécula tiene la fórmula estructural (V):
(V)\abrecg Y^{2} (R^{1})\cierracg{m'}-R^{2}\abrecg X^{2} (R^{4})\cierracg{n'}
en la que los grupos colgantes R^{1} y R^{4}, y el resto R^{2}, son como se definen anteriormente; X^{2} e Y^{2} son iguales o diferentes, y son unidades monoméricas seleccionadas de entre el grupo constituido por acrilato, estireno, imida, acrilamida, etileno, vinilo, diacetileno, fenileno-vinileno, aminoácido, azúcar, sulfona, pirrol, imidazol, tiofeno y éter, y m' y n' se seleccionan en relación al número de sitios de coordinación disponibles sobre la superficie del nanocristal semiconductor. Es deseable que m' no sea superior al número de sitios de coordinación disponibles, y preferentemente no sea superior a alrededor de un cuarto de los sitios de coordinación disponibles. En particular, m' está en el intervalo comprendido entre aproximadamente 3 y aproximadamente 100. El valor de n' se escoge típicamente para que esté en proporción con el valor de m'. De este modo, es deseable que n' no sea superior al número de sitios de coordinación disponibles, y preferentemente no sea superior a aproximadamente un cuarto de los sitios de coordinación disponibles. En particular, n' está en el intervalo comprendido entre 3 y 100. La molécula puede ser un copolímero de bloques, en el que se proporciona un primer bloque que incluye un grupo colgante capaz de funcionar como un resto enlazante, Y. Se proporciona un segundo bloque que incluye un grupo colgante capaz de funcionar como un grupo hidrófilo, X. El bloque de polímero sirve como una región hidrófila. En una realización preferida, la molécula tiene la fórmula
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en la que los X son iguales o diferentes, y son elementos seleccionados de entre el grupo de S, N, P u O=P; y los Y son iguales o diferentes, y son restos hidrófilos, tales como carboxilatos, sulfonatos, fosfatos, fosfonatos, polietilenglicol, sal de amonio y similares. El grupo X puede incluir otros sustituyentes a fin de satisfacer los requisitos de valencia, tales como, por ejemplo, aminas, tioles, fosfina y óxidos de fosfina, sustituidos con hidrógeno o con otros restos orgánicos. Los grupos terminales R y R' pueden ser cualquier resto, incluyendo hidrógeno. En particular, es deseable que R sea un resto polar debido a su proximidad al bloque hidrófilo. De forma similar, es deseable que R' sea un resto no polar debido a su proximidad al bloque hidrófobo. Los índices m y n se seleccionan en relación con el número de sitios de coordinación disponibles sobre la superficie del nanocristal semiconductor. Es deseable que m no sea superior al número de sitios de coordinación disponibles, y preferentemente que no sea superior a un cuarto de los sitios de coordinación disponibles. En aplicaciones típicas, m está en el intervalo comprendido entre 3 y 100. El valor de n se escoge típicamente para que esté en proporción con el valor de m. De este modo, es deseable que n no sea superior al número de sitios de coordinación disponibles, y preferentemente que no sea superior a un cuarto de los sitios de coordinación disponibles. En aplicaciones típicas, n está en el intervalo comprendido entre aproximadamente 3 y 100.
Sin verse limitados por la teoría, los inventores creen que la coordinación de la molécula que tiene la fórmula estructural (IV) al nanocristal recubierto ocurre entre los restos de la superficie sobre el nanocristal y el resto R^{1} de la molécula.
En otra realización preferida, la capa externa solubilizadora en agua puede comprender una población homogénea de moléculas que tienen las fórmulas estructurales (I), (II), (III), (IV) o (V), una población mixta de moléculas de cualquier fórmula estructural, es decir, una población mixta de moléculas las cuales tienen todas la fórmula estructural (I), (II), (III), (IV) o (V), o una población mixta de moléculas que tienen una combinación de dos o más de las fórmulas estructurales (I), (II), (III), (IV) y (V).
En otro aspecto de la invención, se proporciona un nanocristal semiconductor soluble en agua en el que la capa solubilizante en agua es una bicapa, presentando una primera capa de la bicapa afinidad por la capa de recubrimiento, y presentando una segunda capa de la bicapa una región hidrófoba adyacente a la primera capa y que termina en un grupo hidrófilo. La bicapa puede incluir una molécula liófila de coordinación usada en la fabricación del nanocristal semiconductor, como la primera capa, y un tensioactivo como la segunda capa.
Éstas y otras realizaciones de la presente invención se les ocurrirán fácilmente a cualquier experto en la materia en vista de la descripción de este documento.
Breve descripción de los dibujos
La invención se describe con referencia a las figuras, que se presentan únicamente con fines ilustrativos, y en las que:
la Figura 1 es una ilustración esquemática del nanocristal soluble en agua de la invención;
la Figura 2 es una ilustración esquemática de varias realizaciones alternativas de la capa soluble en agua del nanocristal;
la Figura 3 es una ilustración de un nanocristal soluble en agua de la invención que tiene una cadena principal hidrófila hidrocarbonada reticulada;
la Figura 4 es una ilustración de un nanocristal soluble en agua de la invención que comprende una región de polimetacrilato;
la Figura 5 es una ilustración esquemática de un nanocristal soluble en agua de tipo bicapa de la invención; y
la Figura 6 es una ilustración de la reacción de desplazamiento usada en la formación del nanocristal soluble en agua de la invención.
Descripción detallada de la invención Definiciones y nomenclatura
Antes de que la presente invención se describa y se explique con detalle, deberá entenderse que esta invención no está limitada a formatos de ensayo, materiales o reactivos específicos, puesto que tales, por supuesto, pueden variar. También se entenderá que la terminología usada en este documento tiene el fin de describir realizaciones particulares solamente y no pretende ser limitativa.
Se debe observar que, tal como se usa en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones anejas, las formas singulares "un/una" y "el/la" incluyen los referentes en plural, excepto que el contexto dicte claramente otra cosa. De este modo, por ejemplo, la referencia a "un nanocristal" incluye más de un nanocristal; la referencia a "una capa externa" incluye más de una de dicha capa externa; y similares.
En esta memoria descriptiva, y en las reivindicaciones que le siguen, se hará referencia a un número de términos que se definirán para que signifiquen lo siguiente:
"Partículas Quantum dot™" son un nanocristal semiconductor con propiedades ópticas y electrónicas dependientes del tamaño. En particular, la banda prohibida de energía de un nanocristal semiconductor varía con el diámetro del cristal.
"Nanocristal semiconductor" incluye, por ejemplo, cristalitos inorgánicos entre alrededor de 1 nm y alrededor de 1000 nm de diámetro, preferentemente entre alrededor de 2 nm y alrededor de 50 nm, más preferentemente alrededor de 5 nm hasta alrededor de 20 nm (tal como alrededor de 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 ó 20 nm), que incluyen un "núcleo" de uno o más primeros materiales semiconductores, y que puede estar rodeado por una "corteza" de un segundo material semiconductor. Un núcleo del nanocristal semiconductor rodeado por una corteza semiconductora se denomina como un nanocristal semiconductor de tipo "núcleo/corteza". El material de "corteza" circundante tendrá preferentemente una banda prohibida superior a la banda prohibida del material central, y se puede escoger para que tenga un espaciamiento atómico próximo al del sustrato del "núcleo". El núcleo y/o la corteza pueden ser un material semiconductor, incluyendo, pero sin limitarse a, aquellos materiales del grupo II-VI (por ejemplo, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, MgTe y similares) y III-V (por ejemplo, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlAs, AlP, AlSb, AlS, y similares) y IV (por ejemplo, Ge, Si, Pb y similares), y una aleación de los mismos, o una mezcla, incluyendo mezclas ternarias y cuaternarias de los mismos.
Un nanocristal semiconductor está, opcionalmente, rodeado de un "revestimiento" de un agente de taponamiento orgánico. El agente de taponamiento orgánico puede ser cualquier número de materiales, pero tiene una afinidad por la superficie del nanocristal semiconductor. En general, el agente de taponamiento puede ser una molécula orgánica aislada, un polímero (o un monómero para una reacción de polimerización), un complejo inorgánico, y una estructura cristalina extendida. El revestimiento se usa para proporcionar solubilidad, por ejemplo, la capacidad para dispersar homogéneamente un nanocristal semiconductor revestido en un disolvente escogido, para proporcionar funcionalidad, propiedades de unión, o similares. Además, el revestimiento se puede usar para adaptar las propiedades ópticas del nanocristal semiconductor.
"Rendimiento cuántico", tal como se usa en este documento, significa la relación de fotones emitidos a los absorbidos, por ejemplo, el rendimiento cuántico de la fotoluminiscencia.
En otras realizaciones de la invención, el nanocristal revestido se caracteriza porque el nanocristal muestra una desviación menor a un 10% de rms (raíz cuadrada media), y preferentemente menor a 5% de rms, del diámetro del núcleo. De este modo, la expresión "partículas monodispersas" incluye una población de partículas en las que la población de partículas se desvía menos de un 10% de rms de diámetro, y preferentemente menos de 5% de rms. El nanocristal en un medio acuoso muestra preferentemente fotoluminiscencia que tiene rendimientos cuánticos superiores a 10%, y lo más preferible en el intervalo de alrededor de 10% hasta 30%.
El término "alquilo", tal como se usa en este documento, incluye una referencia a un grupo hidrocarbonado saturado ramificado o no ramificado, de 1 a 100 átomos de carbono, tal como metilo, etilo, n-propilo, isopropilo, n-butilo, isobutilo, t-butilo, octilo, decilo, tetradecilo, hexadecilo, eicosilo, tetracosilo y similares, así como grupos cicloalquílicos tales como ciclopentilo, ciclohexilo y similares. La expresión "alquilo inferior" incluye un grupo alquilo de 1 a 20 átomos de carbono, preferentemente de 6 a 20 átomos de carbono.
El término "alquileno", tal como se usa en este documento, incluye una referencia a una cadena hidrocarbonada ramificada o no ramificada, saturada, difuncional, que contiene de 1 a 100 átomos de carbono, e incluye, por ejemplo, metileno (-CH_{2}-), etileno (-CH_{2}-CH_{2}-), propileno (-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-), 2-metilpropileno (-CH_{2}-CH(CH_{3})-CH_{2}-), hexileno (-(CH_{2})_{6}-), y similares. "Alquileno inferior" incluye un grupo alquileno de 1 a 20, más preferentemente de 6 a 20, átomos de carbono.
El término "alquenilo", tal como se usa en este documento, incluye una referencia a un grupo hidrocarbonado ramificado o no ramificado, de 2 a 100 átomos de carbono, que contiene al menos un doble enlace carbono-carbono, tal como etenilo, n-propenilo, isopropenilo, n-butenilo, isobutenilo, t-butenilo, octenilo, decenilo, tetradecenilo, hexadecenilo, eicosenilo, tetracosenilo y similares. La expresión "alquenilo inferior" incluye un grupo alquenilo de 2 a 20 átomos de carbono, preferentemente de 6 a 20 átomos de carbono, que contiene un enlace -C\equivC-.
El término "alquenileno" incluye una referencia a una cadena hidrocarbonada ramificada o no ramificada difuncional que contiene de 2 a 100 átomos de carbono y al menos un doble enlace carbono-carbono. "Alquenileno inferior" incluye un grupo alquenileno de 2 a 20, más preferentemente de 6 a 20, átomos de carbono, que contiene un doble enlace carbono-carbono.
El término "alquinilo", tal como se usa en este documento, incluye una referencia a un grupo hidrocarbonado ramificado o no ramificado, de 2 a 100 átomos de carbono, que contiene al menos un enlace -C=C-, tal como etinilo, n-propinilo, isopropinilo, n-butinilo, isobutinilo, t-butinilo, octinilo, decinilo, y similares. Los grupos alquinilo preferidos de este documento contienen de 6 a 20 átomos de carbono. La expresión "alquinilo inferior" incluye un grupo alquinilo comprendido entre 2 y 10 átomos de carbono, y un enlace -C\equivC-.
El término "alquinileno" incluye una referencia a una cadena hidrocarbonada ramificada o no ramificada difuncional que contiene de 2 a 100 átomos de carbono y al menos un triple enlace carbono-carbono. "Alquinileno inferior" incluye un grupo alquinileno de 2 a 10 átomos de carbono, que contiene un enlace -C\equivC-.
Opcionalmente, una cadena de alquilo, de alquileno, de alquenilo, de alquenileno, de alquinilo o de alquinileno puede contener de 1 a 6 uniones seleccionadas de entre el grupo constituido por -O-, -S- y -NR- en el que R es hidrógeno, alquilo inferior o alquenilo inferior.
Los términos "heteroalquilo", "heteroalquileno", "heteroalquenilo", "heteroalquenileno", "heteroalquinilo" y "heteroalquinileno" incluyen una referencia a grupos alquilo, alquileno, alquenilo, alquenileno, alquinilo y alquinileno, respectivamente, en los que uno o más átomos de carbono se han sustituido, por ejemplo, con átomos de nitrógeno, de azufre o de oxígeno.
"Alcoxi" incluye una referencia al grupo -O-R, en el que R es un radical alquílico tal como se define anteriormente. Los ejemplos de un radical alcoxi incluyen, pero no se limitan a, metoxi, etoxi, isopropoxi y similares.
"Alquilamino" incluye una referencia a un radical -NHR, en el que R es un radical alquílico tal como se define anteriormente. Los ejemplos de radicales alquilamino incluyen, pero no se limitan a, metilamino, (1-etiletil)amino, y similares.
"Alquiltio" incluye una referencia a un radical -SR en el que R es un radical alquílico tal como se define anteriormente. Los ejemplos de radicales alquiltio incluyen, pero no se limitan a, metiltio, butiltio, y similares.
"Dialquilamino" incluye una referencia a un radical -NR'R'', en el R' y R'' son cada uno independientemente radicales alquílicos como se define anteriorm ente. Los ejemplos de radicales dialquilamino incluyen, pero no se limitan a, dimetil-amino, metiletilamino, dietilamino, di(1-metiletil)amino, y similares.
"Hidroxialquilo" incluye una referencia a un radical alquilo tal como se define anteriormente, sustituido con uno o más grupos hidroxi. Los ejemplos de radicales hidroxialquílicos incluyen, pero no se limitan a, hidroximetilo, 2-hidroxietilo, 2-hidroxipropilo, 3-hidroxipropilo, 2-hidroxibutilo, 3-hidroxibutilo, 4-hidroxibutilo, 2,3-dihidroxipropilo, 1-(hidroximetil) -2-hidroxietilo, 2,3-dihidroxibutilo, 3,4-dihidroxibutilo, y 2-(hidroximetil) -3-hidroxipropilo, y similares.
El término "acilo", tal como se usa en este documento, incluye una referencia a un grupo alquilo enlazado a través de un enlace -(CO)-. La expresión "acilo inferior" incluye un grupo acilo en el que el grupo alquilo, unido a través de un enlace carbonilo, es un grupo alquilo inferior.
La expresión "resto de azúcar" incluye una referencia a monosacáridos, disacáridos, polisacáridos, y similares. El término "azúcar" incluye aquellos restos que se han modificado, por ejemplo, en los que uno o más grupos hidroxilo se sustituyen con halógeno, restos alcoxi, grupos alifáticos, o se funcionalizan como éteres, aminas, o similares. Los ejemplos de azúcares modificados incluyen: aquellos que contienen un grupo alcoxi inferior en lugar de un resto hidroxilo, es decir, \alpha- o \beta-glicósidos tales como metil-\alpha-D-glucopiranósido, metil-\beta-D-glucopiranósido, y similares; aquellos que se han hecho reaccionar con aminas, es decir, N-glicosilaminas o N-glicósidos tales como N-(\alpha-D-glucopiranosil)metilamina; aquellos que contienen grupos hidroxilo acilados, típicamente de 1 a 5 grupos acilo inferior; aquellos que contienen uno o más grupos ácido carboxílico, por ejemplo, ácido D-glucónico o similar; y aquellos que contienen grupos amina libres tales como D-glucosamina, D-galactosamina, N-acetil-D-glucosamina, o similares. Los ejemplos de sacáridos preferidos son glucosa, galactosa, fructosa, ribosa, manosa, arabinosa, xilosa. Los ejemplos de polisacáridos son dextrano y celulosa.
"Arilo" incluye referencia a un radical hidrocarbonado aromático monovalente constituido por uno o más anillos condensados en los que al menos un anillo tiene naturaleza aromática, que puede estar opcionalmente sustituido con uno o más de los siguientes sustituyentes: hidroxi, ciano, alquilo, alcoxi, tioalquilo, halo, haloalquilo, hidroxialquilo, nitro, amino, alquilamino, y dialquilamino, excepto que se indique lo contrario.
"Heteroarilo" incluye una referencia a un radical carbocíclico aromático monovalente que tiene uno o más anillos que incorporan uno, dos o tres heteroátomos en el anillo (escogidos de nitrógeno, oxígeno o azufre), que puede estar opcionalmente sustituido con uno o más de los siguientes sustituyentes: hidroxi, ciano, alquilo, alcoxi, tioalquilo, halo, haloalquilo, hidroxialquilo, nitro, amino, y alquil-amino y dialquilamino, excepto que se indique lo contrario.
"Cicloalquilo" incluye una referencia a un radical carbocíclico saturado monovalente constituido por uno o más anillos, que puede estar opcionalmente sustituido con uno o más de los siguientes sustituyentes: hidroxi, ciano, alquilo, alcoxi, tioalquilo, halo, haloalquilo, hidroxialquilo, nitro, amino, alquilamino y dialquilamino, excepto que se indique lo contrario.
"Cicloalquenilo" incluye la referencia a un radical carbocíclico insaturado monovalente constituido por uno o más anillos y que contiene uno o más dobles enlaces carbono-carbono, que puede estar sustituido opcionalmente con uno o más de los siguientes sustituyentes: hidroxi, ciano, alquilo, alcoxi, tioalquilo, halo, haloalquilo, hidroxialquilo, nitro, amino, alquilamino y dialquilamino, excepto que se indique lo contrario.
"Cicloalquinilo" incluye la referencia a un radical carbocíclico insaturado monovalente constituido por uno o más anillos y que contiene uno o más triples enlaces carbono-carbono, que puede estar opcionalmente sustituido con uno o más de los siguientes sustituyentes: hidroxi, ciano, alquilo, alcoxi, tioalquilo, halo, haloalquilo, hidroxialquilo, nitro, amino, alquilamino y dialquilamino, excepto que se indique lo contrario.
"Heterocíclico" incluye la referencia a un radical carbocíclico saturado monovalente, constituido por uno o más anillos, que incorpora uno, dos o tres heteroátomos (escogidos de nitrógeno, oxígeno o azufre), que puede estar opcionalmente sustituido con uno o más de los siguientes sustituyentes: hidroxi, ciano, alquilo, alcoxi, tioalquilo, halo, haloalquilo, hidroxialquilo, nitro, amino, alquilamino y dialquilamino, excepto que se indique lo contrario.
La expresión "éter corona" incluye la referencia a un radical mono-, di-, trivalente o multivalente superior (por ejemplo, 4, 5, 6, 7, u 8), de molécula heterocíclica no ramificada saturada. Los éteres corona se denominan típicamente como "x corona y" o "xCy", en el que x representa el número total de átomos en la molécula, e y representa el número de heteroátomos en la molécula. De este modo, por ejemplo, "12 corona 4" es un éter corona que contiene 12 átomos, 4 de los cuales son heteroátomos, y 18C6 es un éter corona que contiene 18 átomos, 6 de los cuales son heteroátomos. Los heteroátomos preferidos son O, S y N, y, en cualquier éter corona particular, los heteroátomos pueden ser iguales o diferentes. Un "éter heterocorona" es un éter corona en el que los heteroátomos son diferentes. Los éteres corona preferidos son éteres corona o heterocorona de seis a treinta miembros, los más preferidos son 8C4, 9C3, 12C4, 15C5, 18C6 y 20C8, e incluso son más preferidos los 12C4 y 18C6.
"Opcional" u "opcionalmente" significa que el hecho o circunstancia descrita a continuación puede ocurrir o no, y que la descripción incluye casos en los que dicho hecho o circunstancia ocurre, y casos en los que no. Por ejemplo, la frase "alquileno opcionalmente sustituido" significa que un resto alquileno puede estar sustituido o no, y que la descripción incluye tanto a alquileno no sustituido como a alquileno en el que hay sustitución, y similares.
La presente invención se refiere a nanocristales semiconductores solubles en agua que son muy luminiscentes y estables en disoluciones acuosas. El nanocristal se representa esquemáticamente en la Figura 1. Un nanocristal semiconductor 10 está revestido con una capa externa 14 que hace al cristal soluble en agua. La capa externa 14 se selecciona además para mantener las propiedades luminiscentes del nanocristal, y para mejorar la fortaleza del nanocristal en disoluciones acuosas. Se puede usar una capa 12 opcional de revestimiento para revestir el nanocristal semiconductor antes de la aplicación de la capa externa 14. La capa externa incluye una molécula 15 que presenta al menos un grupo enlazante 16 para la unión de la molécula a la capa de revestimiento, y al menos un grupo hidrófilo 20 separado del grupo enlazante mediante una región hidrófoba 18 suficiente para evitar la transferencia de carga electrónica a lo largo de la región hidrófoba. Obsérvese que el grupo hidrófilo 20 se representa, en aras de una conveniencia, como una carga negativa en la Figura 1; sin embargo, el grupo puede estar cargado positivamente, o ser polarmente neutro.
El nanocristal incluye un nanocristal semiconductor que muestra efectos de confinamiento cuántico en sus propiedades luminiscentes. Estos nanocristales son conocidos como "partículas de Quantum Dot™". Cuando los nanocristales semiconductores son iluminados con una fuente de energía primaria, ocurre una emisión secundaria de energía de una frecuencia que corresponde a la banda prohibida del material semiconductor usado en el nanocristal semiconductor. En partículas confinadas cuánticamente, la banda prohibida es una función del tamaño del nanocristal.
Con la exposición a una fuente de luz, el nanocristal semiconductor emite energía de una longitud de onda característica de su composición y tamaño. La capa soluble en agua de la invención se puede usar con nanocristales que tienen diversas combinaciones de núcleo y revestimiento del nanocristal. La invención permite la preparación de una variedad de nanocristales solubles en agua que tienen una distribución muy estrecha de tamaños de partículas, y que muestran mejoras en la pureza del color y la intensidad de sus emisiones fotoluminiscentes, así como demuestran fortaleza y estabilidad en suspensiones o disoluciones a base de agua. La mayoría de los semiconductores del grupo II-VI, III-V y IV se han preparado como partículas de tamaño cuántico, y muestran efectos de confinamiento cuántico en sus propiedades físicas, y se pueden usar en nanocristales de la invención solubles en agua. Los materiales ejemplares adecuados para uso como núcleos de nanocristales semiconductores incluyen CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, MgTe, GaAs, GaP, GaSb, GaN, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InP, InSb, InN, AlAs, AlP, AlSb, AlS, PbS, PbSe, Ge, Si, y aleaciones de los mismos, o una mezcla de los mismos, incluyendo mezclas ternarias y cuaternarias de los mismos.
Los nanocristales semiconductores se caracterizan por su tamaño nanométrico uniforme. Por tamaño "nanométrico" se quiere decir inferior a aproximadamente 150 Angstroms (\ring{A}), y preferentemente en el intervalo comprendido entre 15 y 150 \ring{A}. El nanocristal también está sustancialmente monodisperso en el intervalo ancho de tamaños dado anteriormente. Por monodisperso, tal como se usa ese término en este documento, se quiere decir un sistema coloidal en el que las partículas suspendidas tienen un tamaño y una forma sustancialmente idénticas. Para los fines de la presente invención, partículas monodispersas significa que al menos el 60% de las partículas caen dentro de un intervalo específico de tamaños de partículas. En realizaciones preferidas, las partículas monodispersas se desvían menos de 10% de rms de diámetro, y preferentemente menos de 5%. Los nanocristales semiconductores monodispersos se han descrito con detalle en Murray et al. (1993), más arriba, la tesis de Murray (1995), más arriba, y Kuno et al., más arriba.
En realizaciones preferidas, el nanocristal semiconductor presenta una capa en forma de corteza de revestimiento. En la superficie del nanocristal semiconductor, los defectos de la superficie pueden dar como resultado trampas para los electrones, u orificios que degradan las propiedades eléctricas y ópticas del nanocristal semiconductor. Una capa aislante en la superficie del nanocristal semiconductor proporciona un salto atómicamente abrupto en el potencial químico en la interfaz, lo que elimina estados de energía que pueden servir como trampas para los electrones y orificios. Esto da como resultado una mayor eficacia en el proceso luminiscente.
Los materiales adecuados para la capa corteza de revestimiento incluyen semiconductores que tienen una banda prohibida de energía superior al nanocristal semiconductor. Además de presentar una banda prohibida de energía superior a los nanocristales semiconductores, los materiales adecuados para la capa corteza de revestimiento deben tener una buena separación entre las bandas de conducción y de valencia con respecto al nanocristal semiconductor. De este modo, la banda de conducción es deseablemente mayor, y la banda de valencia es deseablemente menor a las del núcleo del nanocristal semiconductor. De este modo, el núcleo se puede revestir con un material de corteza que comprende ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgS, MgSe, GaAs, GaN, GaP, GaAs, GaSb, HgO, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InN, InP, InSb, AlAs, AlN, AlP, AlSb, una aleación de los mismos, o una mezcla de los mismos, incluyendo mezclas ternarias y cuaternarias de los mismos. Preferentemente, la banda prohibida de energía de la corteza de revestimiento es superior a la del núcleo. Para nanocristales semiconductores que emiten energía en el visible (por ejemplo, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, GaP, GaAs) o en el IR próximo (por ejemplo, InP, InAs, InSb, PbS, PbSe), se puede usar un material que presenta una banda prohibida de energía en las regiones del ultravioleta. Los materiales ejemplares incluyen ZnS, GaN, y calcogenuros de magnesio, por ejemplo MgS, MgSe y MgTe. Para nanocristales semiconductores que emiten en el IR próximo, también se pueden usar materiales que presentan una banda prohibida de energía en el visible, tales como CdS o CdSe. La capa corteza de revestimiento puede incluir hasta ocho monocapas del material semiconductor.
Particularmente los nanocristales semiconductores preferidos para la emisión en el visible incluyen CdX^{3}, en el que X^{3} es S, Se y Te, y ZnY^{3}, en el que Y^{3} es Se, Te. Para esas moléculas, el ZnS es un material preferido para uso como el revestimiento. Para CdTe, un material preferido puede ser ZnSe para uso como el revestimiento debido al mayor grado de igualdad de redes cristalinas entre los materiales. Los nanocristales revestidos que se pueden usar en la presente invención se describen en Dabbousi et al. (1997) J. Phys. Chem. B, 101 (46) 9463, y Kuno et al., más arriba.
La mayoría de los nanocristales semiconductores de la técnica anterior se preparan en un disolvente de coordinación, dando como resultado la formación de una capa orgánica pasivante sobre la superficie del nanocristal, compuesta del disolvente orgánico. De este modo, los nanocristales semiconductores pasivados son fácilmente solubles en disolventes orgánicos, tales como tolueno, cloroformo y hexano. La presente invención proporciona una partícula modificada en la superficie que es soluble en medios acuosos. Según la invención, la superficie del nanocristal semiconductor está revestida con una capa externa que estabiliza al nanocristal semiconductor en disolución acuosa. La capa externa incluye una molécula que tiene al menos un resto enlazante que le une a la superficie de la partícula, y que termina en al menos un resto hidrófilo. Los restos enlazantes e hidrófilos están opcionalmente separados mediante una región hidrófoba suficiente para evitar la transferencia de carga a lo largo de la región. La región hidrófoba también proporciona un entorno "pseudo-hidrófobo" para el nanocristal, y de ese modo lo protege de los entornos acuosos. Para que muestre una elevada eficacia cuántica, es deseable que las partículas permanezcan aisladas electrónicamente entre sí. La capa externa de la invención presenta tal fin útil adicional de mantener el aislamiento deseado entre nanocristales semiconductores habituales.
La capa externa puede estar realizada en cualquier material que satisfaga los criterios estructurales y de rendimiento establecidos en este documento. El material puede ser orgánico o inorgánico. En realizaciones preferidas, la molécula es una molécula orgánica. En algunas realizaciones, la capa externa puede ser una mezcla de dos o más moléculas diferentes que se disuelven en agua. En otras realizaciones, la capa externa puede comprender moléculas adicionales seleccionadas para proporcionar un atributo deseable al nanocristal semiconductor. Por ejemplo, el revestimiento externo puede incluir moléculas que tienen grupos funcionales reactivos para que reaccionen con otras sustancias o moléculas.
Los restos enlazantes adecuados incluyen moléculas que tienen pares electrónicos disponibles para la interacción con la superficie del semiconductor, tales como oxígeno (O), azufre (S), nitrógeno (N) y fósforo (P). Las moléculas ejemplares incluyen restos donadores de electrones, tales como aminas, tioles, fosfinas, óxidos de aminas, óxidos de fosfinas, y similares. El resto enlazante se une a la superficie del nanocristal semiconductor principalmente a través de unión de coordinación de pares electrónicos solitarios del átomo de nitrógeno, de azufre, de nitrógeno o de fósforo del grupo enlazante. También se puede usar la unión covalente y la unión iónica para formar la interacción de la capa externa con la superficie del semiconductor.
Una molécula que presente un único resto enlazante dará como resultado la formación de una capa externa que presente propiedades de solubilización en agua; sin embargo, puede ser deseable que la molécula comprenda una pluralidad de restos enlazantes, tal como se ilustra esquemáticamente en la Figura 2A. De este modo, la molécula puede ser un ligando bidentado o tridentado que tiene dos o más grupos enlazantes 22, 22'. Se pueden usar los grupos enlazantes como se describen en este documento anteriormente. Por ejemplo, la molécula puede ser un ditiol, una diamina, una triamina, una difosfina, y similar, derivatizada. Los grupos enlazantes pueden ser iguales o diferentes.
Los ligandos multidentados proporcionan estabilidad y fortaleza mejoradas a la capa orgánica y al nanocristal soluble en agua resultante. Sin estar atados a ningún modo particular de operación, se cree que la estabilidad mejorada del nanocristal soluble en agua se logra mediante el aumento del coeficiente de unión del ligando multidentado a la superficie del semiconductor. Puesto que la capa orgánica se forma mediante reacción de intercambio con moléculas de disolvente solvatadas (véase más abajo), se concluye que la molécula que solubiliza en agua también se puede desplazar de la superficie del nanocristal semiconductor. Se ha observado, por ejemplo, que la capa externa se puede eliminar al menos parcialmente mediante diálisis de la capa soluble en agua. El uso de un ligando multidentado aumenta la resistencia de la interacción de la molécula con el nanocristal semiconductor, y disminuye la facilidad de intercambio de la capa orgánica con otras moléculas coordinantes.
Se ha observado cualitativamente un aumento de estabilidad del nanocristal semiconductor soluble en agua resultante en la precipitación selectiva mediante tamaños de nanocristales semiconductores revestidos. Los nanocristales semiconductores que se han revestido con un ligando bidentado, tal como un ácido lipoico, muestran un aumento de cuatro veces en la estabilidad de la suspensión con respecto a una molécula revestida con un ligando monodentado comparable.
El resto hidrófilo puede ser un grupo polar o un grupo cargado (positiva o negativamente). La polaridad o carga del grupo proporciona las interacciones hidrófilas necesarias con agua para proporcionar disoluciones o suspensiones estables del nanocristal semiconductor. Los grupos hidrófilos ejemplares incluyen grupos polares tales como hidróxidos (-OH), aminas, poliéteres tales como polietilenglicol y similares, así como grupos cargados, tales como carboxilatos (-CO_{2}^{-}), sulfonatos (-SO_{3}^{-}), fosfatos (-PO_{4}^{-2}) y fosfonatos (-PO_{3}^{-2}), nitratos, sales de amonio (-NH_{4}^{+}), y similares.
Se ha logrado solubilidad en agua usando moléculas que tienen un único grupo hidrófilo; sin embargo, puede ser deseable que la molécula incluya más de un único resto hidrófilo, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 2B. La Figura 2B muestra una molécula que presente al menos dos restos hidrófilos 24, 24'. Los grupos hidrófilos pueden ser iguales o diferentes. También se contempla que la molécula solubilizante en agua pueda incluir múltiples grupos enlazantes y grupos hidrófilos, como se muestra en la Figura 2C.
La región hidrófoba se selecciona para evitar la fotooxidación de la superficie mediante transferencia de carga de un orificio a la superficie, bien desde el núcleo del nanocristal semiconductor o bien desde el entorno. Los procedimientos típicos incluyen electrolisis de agua del entorno con la oxidación resultante del azufre o del selenio (del nanocristal semiconductor) a SO_{2} o SeO_{2}, en casos en los que el nanocristal semiconductor o la capa de revestimiento contengan S o Se. La transferencia de una carga a través de la capa representa una vía no emisiva de energía para el estado excitado del semiconductor, y de ese modo se reduce significativamente o se extingue la fotoluminiscencia.
Las modificaciones de la técnica anterior para las superficies de nanocristales semiconductores incluyen la terminación de nanocristales de CdS con 2-mercaptoetanol, 1-tioglicerol y ácido 3-mercaptopropiónico. Véase, Lawless et al., más arriba, y Rogach et al., más arriba. Estas moléculas orgánicas de cadena corta no proporcionan un nanocristal semiconductor soluble en agua ópticamente luminiscente debido a que la cadena corta de carbonos no proporciona el aislamiento adecuado del nanocristal semiconductor frente a los procesos fotooxidativos. Por lo tanto, la transferencia de carga puede producirse entre el nanocristal semiconductor y el carboxilato o el entorno acuoso. La luminiscencia está parcialmente extinguida, y los rendimientos cuánticos son bajos, es decir, inferiores a 1%, en sistemas que emplean moléculas orgánicas de cadena corta como capa de terminación.
En una realización de la invención, la región hidrófoba es un resto hidrocarbonado de cadena larga, -(CH_{2})_{n}-, en el que n es superior a seis y preferentemente superior a ocho. Se han usado con éxito restos hidrocarbonados en los que n es igual a 11 ó 15 en la fabricación del nanocristal de la invención soluble en agua. No hay ningún límite superior a la longitud de la cadena hidrocarbonada. Sin embargo, se reconoce que cadenas hidrocarbonadas muy largas pueden hacer que el nanocristal sea indeseablemente "grasiento". La región hidrófoba también puede incluir hidrocarburos ramificados.
En otra realización, la región hidrófoba puede incluir una cadena principal hidrocarbonada modificada. Esta modificación puede ser el resultado de reacciones de acoplamiento, por ejemplo, acoplamiento de carbodiimida, usadas para aumentar la longitud de la cadena principal hidrófoba. Como alternativa, en la cadena principal se pueden introducir átomos que no sean de carbono, para mejorar la interacción atractiva del ligando solubilizante en agua con las moléculas vecinas.
La cadena principal también se puede modificar para que incluya grupos colgantes que atraen a regiones hidrófobas vecinas mediante fuerzas tales como atracción de van der Waals o mediante enlace de hidrógeno. La interacción atractiva entre moléculas vecinas sirve para estabilizar la capa externa del nanocristal semiconductor. En el caso en el que el resto enlazante se disocie de la superficie del semiconductor, la interacción atractiva con sus vecinos ayudará a la molécula a que permanezca asociada íntimamente con el nanocristal semiconductor hasta que su resto enlazante sea capaz de recoordinarse a la superficie.
Las modificaciones ejemplares incluyen restos de amida, cetona, éter y aromáticos, y similares, que sustituyen en su totalidad o en parte a la cadena principal hidrocarbonada, o que están unidos como grupos colgantes de la cadena hidrocarbonada. La naturaleza polar de los restos promueve el enlace de hidrógeno y otras interacciones atractivas con moléculas vecinas, lo que estabiliza el revestimiento y aumenta su fortaleza en disolución acuosa.
En otras realizaciones de la invención, la molécula de la capa externa está reticulada o polimerizada con sus moléculas vecinas. La reticulación proporciona estabilidad a la capa creando un ligando efectivamente multidentado en toda la superficie del semiconductor, y reduciendo significativamente la volatilidad del ligando y aumentando la fortaleza y estabilidad del revestimiento. En la Figura 3, se ilustran esquemáticamente redes reticuladas ejemplares.
Para este fin, la cadena hidrocarbonada puede incluir cierto grado de insaturación, que se puede reticular con la exposición a energía UV o a otro iniciador de radicales libres, para formar puentes entre ligandos vecinos. La insaturación del hidrocarburo (y reticulaciones subsiguientes) retiene la hidrofobia deseada para evitar la degradación fotoinducida de la superficie del semiconductor.
En una realización de la invención, la capa externa termina en un resto hidrófilo insaturado que es capaz de reticularse o polimerizarse. Por ejemplo, el resto insaturado puede ser un acrilato o metacrilato, que se puede polimerizar mediante exposición a iniciadores de radicales libres, a calor, a energía UV, etc., para formar poli(metacrilato), como se muestra en la Figura 4. El resultado es una red polímera, en este ejemplo, poli(metacrilato), que interactúa con, y protege eficazmente a, el nanocristal semiconductor de un entorno acuoso. El poli(metacrilato) se puede desprotonar para proporcionar una superficie cargada y hacer al nanocristal soluble en agua. Otros restos insaturados ejemplares para la polimerización incluyen ácido acrílico y poliestireno derivatizado para que incluya un grupo funcional solubilizante en agua, por ejemplo, carboxilato y sulfonato, y similares.
En otra realización de la invención, la capa externa comprende un copolímero de bloques que proporciona las funcionalidades enlazante, hidrófila e hidrófoba requeridas. El copolímero incluye al menos un primer bloque que contiene un grupo colgante capaz de funcionar como un resto enlazante, y un segundo bloque que tiene un grupo colgante capaz de funcionar como un resto hidrófilo. La cadena principal polimérica puede funcionar como la región hidrófoba. Los restos enlazante e hidrófilo pueden estar unidos directamente a la cadena principal hidrocarbonada, o pueden estar unidos mediante grupos espaciadores intermedios. Por ejemplo, el grupo enlazante Y puede terminar de un grupo espaciador aromático o alquílico para proporcionar un mayor acceso a la superficie del semiconductor.
En una realización de la invención, la molécula tiene la fórmula estructural (V):
(V)\abrecg Y^{2} (R^{1})\cierracg{m'}-R^{2}\abrecg X^{2} (R^{4})\cierracg{n'}
en la que R^{1}, R^{2}, R^{4}, X^{2}, Y^{2}, m' y n' son tal como se definen anteriormente. En una realización ejemplar de una molécula que tiene la fórmula estructural (V), la molécula es un copolímero de bloques que tiene la fórmula
4
en la que X e Y son restos enlazantes y restos hidrófilos, respectivamente, y pueden ser cualquiera de los restos discutidos aquí anteriormente. R y R' pueden ser hidrógeno, R puede ser un resto polar y R' puede ser un resto no polar. El copolímero de bloques puede tener un peso molecular comprendido entre 300 y 50.000. Los tamaños de los bloques para los restos hidrófilo y enlazante están preferentemente en el intervalo comprendido aproximadamente entre 3 y 100.
Moléculas ejemplares para uso en la invención tienen la fórmula estructural (I)
(I)H_{z}X((CH_{2})_{n}CO_{2}H) _{y}
en la que X, z, n e y son tal como se definen anteriormente, la fórmula estructural (II)
5
o la fórmula estructural III
6
en las que Y, Z, X, X' y X'' son tal como se definen anteriormente, o la fórmula estructural (IV)
(IV)(R^{1})_{a}-R^{2}-[(R^{3})_{b} (R^{4})_{c}]_{d}
en la que R^{1}, R^{2}, R^{3}, R^{4}, a, b, c y d son como se definen anteriormente.
Las moléculas ejemplares para uso en la capa externa del nanocristal de la invención soluble en agua que tiene la fórmula proporcionada aquí anteriormente, incluyen ácidos aminocarboxílicos de cadena larga, NH_{2}(CH_{2})_{n}COOH, y ácidos fosfinocarboxílicos P((CH_{2})_{n}COOH)_{3}, y sus óxidos O= P((CH_{2})_{n}COOH)_{3}, en los que n es mayor o igual a 6, preferentemente n es mayor o igual a 8 y más preferentemente n es igual a 10 a 12. El ácido carboxílico se puede desprotonar para proporcionar el resto hidrófilo. Otras moléculas adecuadas incluyen ligandos bidentados, tales como, ácido dihidrolipoico, HSCH_{2}CH_{2}CH(SH)(CH_{2})_{4}COOH, o más generalmente, HSCH_{2}CH_{2}CH(SH)(CH_{2})_{n}COOH, en la que n es igual a 1 a 10. La longitud del ligando se puede aumentar mediante procedimientos estándares de acoplamiento de carbodiimida, produciendo una especie con la fórmula HSCH_{2}CH_{2}CH(SH)(CH_{2})_{4}CONH(CH_{2})_{n}COOH. La disponibilidad comercial de numerosos precursores permite que n oscile fácilmente entre 2 y por lo menos 10. En Rich et al. (1979) The Peptides Vol. 1, Academic Press, págs. 241-2561 se pueden encontrar más detalles de la reacción de acoplamiento de carbodiimida.
Otros ligandos bidentados adecuados incluyen: los análogos que contienen amina primaria de la molécula anterior, H_{2}NCH_{2}CH_{2}CH(NH_{2})(CH_{2})_{n}COOH; derivados de etilendiamina, tales como (HOOC(CH_{2})_{n})HNCH_{2}CH_{2}NH
((CH_{2})_{n}COOH); difosfinas tales como (HOOC(CH_{2})_{n})_{2}PCH_{2}CH_{2}P((CH_{2})_{n}COOH)_{2}; y los óxidos de difosfina correspondientes (HOOC(CH_{2})_{n})_{2}P(O)CH_{2}CH_{2}P(O)((CH_{2})_{n}COOH)_{2}. Una ventaja del uso de los derivados de ácido carboxílico mencionados anteriormente es que ellos mismos se prestan a un amplio intervalo de químicas. Por ejemplo, el nanocristal semiconductor soluble en agua se puede acoplar con moléculas que tienen afinidad biológica para uso en ensayos. En otro ejemplo, el nanocristal semiconductor soluble en agua se puede acoplar a perlas, soportes sólidos u objetos de interés a fin de seguir o identificar un artículo. Véanse las Patentes US n^{os} 6.426.513 y 6.617.583, más arriba, para detalles adicionales.
Será fácilmente manifiesto para el experto normal en la materia que el resto de ácido carboxílico de las moléculas enumeradas anteriormente puede estar sustituido con una amplia variedad de grupos cargados o polares, incluyendo pero sin limitarse a hidróxidos, poliéteres, tales como polietilenglicol y similares, y aminas, así como grupos cargados tales como carboxilatos, sulfonatos, fosfatos, nitratos, sales de amonio y similares. Las moléculas tales como las enumeradas aquí anteriormente están comercialmente disponibles o se pueden sintetizar a partir de procedimientos y procedimientos bien conocidos en la técnica. Adicionalmente se pondrá de manifiesto que las modificaciones descritas anteriormente con respecto a regiones hidrófobas y a los grupos hidrófilos se pueden incorporar en la molécula descrita inmediatamente anterior en la preparación de ligandos adecuados para uso en el revestimiento externo de la invención.
En otro aspecto de la invención, la capa externa soluble en agua puede ser una bicapa que comprende una capa interna, que tiene una afinidad por la superficie del semiconductor, y una capa externa, que termina en una capa hidrófila que tiene afinidad por un medio acuoso. La Figura 5A ilustra una molécula ejemplar usada en la bicapa externa de la invención. La molécula, el sulfosuccinato de dioctilo (aerosol OT™), contiene regiones hidrocarbonadas hidrófobas 52 (representadas esquemáticamente como "-----" en la Figura 5A), y una región hidrófila cargada 54 (representada mediante "O" en la Figura 5A). En la Figura 5B se muestra una molécula bicapa ejemplar, en la que una capa interna 40 incluye una molécula 42 (aquí TOPO) que tiene un resto enlazante 44 con una afinidad por la superficie del semiconductor. Desde el resto enlazante se extiende una cola hidrófoba 48. La segunda capa externa 50 comprende una región hidrófoba interna 52 y un resto hidrófilo terminal 54 para la interacción favorable con un medio acuoso. Las regiones hidrófobas 48, 52 de las capas interna y externa, respectivamente, interactúan preferentemente en el medio acuoso, para formar una micela que encapsula en ella al nanocristal. La Figura 5B también ilustra la reacción de desplazamiento que ocurre para formar la bicapa de la invención.
La capa interna puede incluir aquellos disolventes de coordinación usados típicamente en la fabricación del nanocristal semiconductor. Las moléculas ejemplares incluyen trialquilfosfinas y óxidos de fosfina, tales como óxido de trioctilfosfina (TOPO), trioctilfosfina (TOP), tributilfosfina (TBP), y similares. Un posible disolvente es la hexadecilamina, en particular para disolver ZnSe.
La segunda capa externa puede incluir cualquier tensioactivo que tenga una cola no polar y una cabeza polar. Los ejemplos no limitativos de tensioactivos incluyen dioctilsulfosuccinato de sodio (conocido con el nombre comercial de jabón AOT), C_{12}H_{25}(OCH_{2}CH_{2})_{23}OH (Brij 35®), C_{18}H_{37}(OCH_{2}CH_{2})_{10}OH (Brij 76®) y C_{18}H_{37}(OCH_{2}CH_{2})_{20}OH (Brij 98®). Incluso el jabón de mano habitual, por ejemplo jabón Ivory®, se ha usado con éxito en la preparación de nanocristales de la invención solubles en agua.
Un procedimiento para la preparación del nanocristal soluble en agua es el siguiente. El procedimiento se describe para un nanocristal de CdSe(ZnS), es decir, un núcleo de CdSe con una corteza de ZnS, pero se entiende que el procedimiento se puede aplicar en la preparación de nanocristales semiconductores a partir de los materiales semiconductores conocidos.
Se prepara una población de nanocristales casi monodispersos. El tamaño real de los nanocristales variará dependiendo del material usado. Para CdSe, las partículas oscilan en tamaño entre aproximadamente 12 \ring{A} y aproximadamente 150 \ring{A} de diámetro, con una distribución de tamaños de partículas de aproximadamente 5 a 10% de rms en el diámetro. Los nanocristales monodispersos se pueden obtener usando un procedimiento de crecimiento coloidal a alta temperatura, opcionalmente seguido de la precipitación selectiva por tamaños. Si las anchuras de líneas de emisión espectral no son tan estrechas como se desea, se puede usar una precipitación selectiva por tamaños para obtener una población de nanocristales semiconductores de una distribución más estrecha de tamaños de partículas. Véase, Murray et al. (1993), más arriba, la tesis de Murray (1995), más arriba, y Kuno et al., más arriba.
El núcleo del nanocristal semiconductor se puede revestir entonces, con la capa de revestimiento apropiada del semiconductor, es decir, la corteza. El nanocristal revestido se puede preparar introduciendo el primer nanocristal semiconductor sustancialmente monodisperso y un precursor capaz de la conversión térmica en un segundo material semiconductor en un disolvente de coordinación. El disolvente de coordinación se mantiene a una temperatura suficiente para convertir el precursor en el segundo material semiconductor, pero insuficiente para alterar sustancialmente la monodispersidad del primer nanocristal semiconductor. Preferentemente, el segundo material semiconductor presenta una banda prohibida superior a la del primer nanocristal semiconductor. Sobre el primer nanocristal semiconductor se forma una corteza de revestimiento del segundo material semiconductor. La monodispersidad del nanocristal se monitoriza durante la conversión el precursor y el revestimiento del primer nanocristal semiconductor. La distribución de tamaños de partículas se puede refinar adicionalmente mediante precipitación por selección de tamaños. En la patente US nº 6.322.901, presentada el 13 de noviembre de 1997, y titulada "Highly Luminescent Color-Selective Materials", y en Dabbousi et al., más arriba, se pueden encontrar más detalles en la preparación de un nanocristal semiconductor revestido para uso en el nanocristal de la invención soluble en agua.
La superficie externa del nanocristal, según se forma, incluye una capa orgánica derivada del disolvente de coordinación usado durante el procedimiento de crecimiento de la capa de terminación. La superficie del nanocristal se puede modificar para obtener el nanocristal de la invención soluble en agua, mediante exposición repetida a un exceso de un grupo coordinante que compite. Por ejemplo, una dispersión del nanocristal semiconductor se puede tratar con una molécula orgánica coordinante, tal como las descritas aquí, para producir nanocristales que se dispersan fácilmente en agua, pero que ya no se dispersa en compuestos alifáticos. Dicho procedimiento de intercambio de superficie se puede llevar a cabo usando una variedad de moléculas que son capaces de coordinarse o enlazarse a la superficie externa del nanocristal semiconductor taponado, tal como, a título de ejemplo, fosfinas, tioles, aminas, óxidos de fosfina y óxidos de amina.
En la Figura 6 se ilustra una reacción típica. Los nanocristales semiconductores 60 se preparan en un disolvente orgánico de coordinación, tal como óxido de trioctilfosfina (TOPO), lo que da como resultado la formación de una capa de TOPO de pasivación 62 sobre la superficie del nanocristal semiconductor. Esta capa es desplazada, al menos en parte, mediante el ligando 54, representado aquí como un ácido mercaptocarboxílico de cadena larga, que comprende la capa externa de la invención, a fin de obtener el nanocristal 66 soluble en agua. El desplazamiento puede ocurrir mediante dispersión de los nanocristales semiconductores o de los nanocristales semiconductores revestidos en un medio que contiene concentraciones elevadas del ligando usado para formar el revestimiento externo. El medio puede ser un líquido puro que comprende el ligando, o puede ser una disolución altamente concentrada. Las concentraciones elevadas hacen que la reacción de desplazamiento tenga lugar para maximizar la cobertura de la superficie del nanocristal por la molécula del revestimiento externo. Obsérvese que el desplazamiento de la capa de TOPO no necesita ser completo a fin de obtener un nanocristal soluble en agua.
Puede ser deseable la exposición repetida del nanocristal a la disolución del ligando coordinante. El revestimiento externo puede comprender una mezcla del disolvente orgánico polar original usado en la preparación del nanocristal y la molécula solubilizante en agua usada en el revestimiento externo de la invención. La sustitución de la molécula solubilizante en agua puede ser suficiente para hacer soluble en agua a la molécula, y no es necesario que sea completa. En algunas realizaciones, la sustitución está completa en aproximadamente de 25 a 50%, preferentemente está completa en un 60%. El grado real de sustitución necesaria para la solubilidad en agua dependerá del número de grupos cargados o polares sobre la molécula solubilizante en agua. Un mayor número de grupos cargados o polares puede requerir un menor nivel de sustitución de la superficie, a fin de lograr la solubilidad en agua.
También está dentro del alcance de la presente invención incluir otros ligandos coordinantes en el revestimiento externo del nanocristal. Los ligandos adicionales se pueden incluir para que se puedan realizar reacciones químicas adicionales al nanocristal. Por ejemplo, se pueden añadir a la superficie externa del nanocristal ligandos coordinantes que terminan en grupos reactivos tales como ácido carboxílico, haluros de acilo, y similares.
Deberá entenderse que, aunque la invención se ha descrito en conjunción con las realizaciones específicas preferidas de la misma, la descripción así como los ejemplos que siguen pretenden ilustrar y no limitar el alcance de la invención. Otros aspectos, ventajas y modificaciones dentro del alcance de la invención serán manifiestos para los expertos en la técnica a la que pertenece la invención.
Los siguientes ejemplos están destinados a proporcionar los expertos en la materia una descripción completa y una exposición de cómo obtener y usar las nuevas composiciones de la invención, y no pretende limitar el alcance de ningún modo de la invención. Se han realizado esfuerzos para asegurar la exactitud con respecto a los números usados (por ejemplo, cantidades, temperaturas, etc.), pero por supuesto se deben permitir algunos errores y desviaciones experimentales. Excepto que se indique de otro modo, las partes son partes en peso, las temperaturas están en grados centígrados, y la presión es la atmosférica o próximo a ella.
La práctica de la presente invención empleará, excepto que se indique lo contrario, técnicas convencionales de química orgánica sintética, de bioquímica, de biología molecular, y similares, que están dentro de la pericia de la técnica. Dichas técnicas se explican de forma completa en la bibliografía. Véase, por ejemplo, la Encyclopedia of Chemical Technology de Kirk-Othmer's; House's Modern Synthetic Reactions; el texto de Marvel et al. ORGANIC SYNTHESIS; Volumen 1 de la colección, y similares.
Ejemplo 1 Preparación de CdSe(ZnS) terminado en TOPO
(a) Preparación de CdSe. El óxido de trioctilfosfina (TOPO, 90% de pureza) y la trioctilfosfina (TOP, 95% de pureza) se obtuvieron de Strem y Fluka, respectivamente. El dimetilcadmio (CdMe_{2}) y el dietilcinc (ZnEt_{2}) se compraron de Alfa y Fluka, respectivamente, y ambos materiales se filtraron separadamente a través de un filtro de 0,2 m en una caja de atmósfera inerte. El selenuro de trioctilfosfina se preparó disolviendo 0,1 moles de perdigones de Se en 100 ml de TOP produciendo, de este modo, una disolución 1 M de TOPSe. El hexametil(disilatiano) (TMS_{2}S) se usó según se adquirió de Aldrich. El n-hexano, metanol, piridina y n-butanol, de grado HPLC, se adquirió de EM Sciences.
La preparación típica de nanocristales de CdSe terminados con TOP/TOPO es la siguiente. Se colocó TOPO (30 g) en un matraz, y se secó a vacío (\sim 1 Torr) a 180ºC durante 1 hora. El matraz se llenó entonces con nitrógeno y se calentó hasta 350ºC. En una caja seca en atmósfera inerte se preparó la siguiente disolución para inyección: CdMe_{2} (200 microlitros, 2,78 mmoles), disolución 1 M de TOPSe (4,0 ml, 4,0 mmoles), y TOP (16 ml). La disolución para inyección se mezcló a conciencia, se cargó en una jeringuilla, y se retiró de la caja seca.
Se eliminó el calor del matraz de reacción, y la mezcla de reactivos se suministró con una única inyección continua en el TOPO agitado vigorosamente. Esto produce una disolución profundamente amarilla/naranja, con una característica de absorción marcada entre 470 y 500 nm y una disminución repentina de temperatura hasta \sim 240ºC. Se restauró el calentamiento al matraz de reacción, y la temperatura se elevó gradualmente hasta alcanzar entre 260 y 280ºC.
Se retiraron alícuotas de la disolución de la reacción a intervalos regulares (5-10 minutos), y se realizaron espectros de absorción para controlar el crecimiento de los cristalitos. Las mejores muestras se prepararon durante un período de un crecimiento constante de unas pocas horas modulando la temperatura de crecimiento en respuesta a los cambios en la distribución de tamaños, según se estima a partir de la gráfica en los espectros de absorción. La temperatura se redujo entre 5 y 10ºC en respuesta a un aumento en la distribución de tamaños. Como alternativa, la reacción también se puede detener en este punto. Cuando parece que el crecimiento se detiene, la temperatura aumenta entre 5 y 10ºC. Cuando se observaron las características de absorción deseadas, el matraz de reacción se dejó enfriar hasta alrededor de 60ºC, y se añadieron 20 ml de butanol para evitar la solidificación del TOPO. La adición de un elevado exceso de metanol provoca que las partículas floculen. El floculado se separó del líquido sobrenadante mediante centrifugación. El polvo resultante se puede dispersar en una variedad de disolventes orgánicos (alcanos, éteres, cloroformo, tetrahidrofurano, tolueno, etc.) para producir una disolución ópticamente clara.
Adicionalmente el polvo se puede optimizar en un procedimiento opcional de precipitación mediante selección de tamaños. Los nanocristalitos se dispersaron en una disolución de \sim 10% de butanol en hexano. Entonces, se añadió gota a gota metanol a esta disolución agitada hasta que persistió la opalescencia. La separación del sobrenadante y del floculado mediante centrifugación produjo un precipitado enriquecido con los cristalitos más grandes en la muestra. Este procedimiento se repitió hasta que no se observó más saltos bruscos del espectro de absorción óptica. La precipitación mediante selección por tamaños se puede llevar a cabo en una variedad de pares de disolventes/no disolventes, incluyendo piridina/hexano y cloroformo/metanol.
(b) Preparación de CdSe(ZnS). Un matraz que contiene 5 g de TOPO se calentó hasta 190ºC a vacío durante varias horas, después se enfrió hasta 60ºC tras lo cual se añadieron 0,5 ml de trioctilfosfina (TOP). En la vasija de reacción se transfirieron, vía una jeringuilla, aproximadamente entre 0,1 y 0,4 micromoles de nanocristales de CdSe dispersos en hexano, y el disolvente se separó por bombeo.
Como los precursores de Zn y S se usaron, respectivamente, dietilcinc (ZnEt_{2}) y hexametildisilatiano ((TMS)_{2}S). La distribución de tamaños de partículas para una muestra particular se determinó mediante comparación de los datos ópticos con aquellos de los nanocristales semiconductores conocidos de tamaño de partículas conocido. Las cantidades de precursores de Zn y S necesarias para hacer crecer una corteza de ZnS del grosor deseado para cada muestra de CdSe se calculó basándose en la relación del volumen de corteza al del núcleo, suponiendo un núcleo y una corteza esféricos, y teniendo en cuenta los parámetros de red másica de CdSe y ZnS. Para partículas más grandes, la relación de Zn a Cd necesaria para lograr la corteza con igual grosor es menor que para los nanocristales más pequeños. La cantidad real de ZnS que crece sobre los núcleos de CdSe fue generalmente menor que la cantidad añadida debido a la reacción incompleta de los precursores y a la pérdida de algo del material sobre las paredes del matraz durante la adición.
Se disolvieron cantidades equimolares de los precursores en 2 a 4 ml de TOP en el interior de una caja de guantes con atmósfera inerte. La disolución del precursor se cargó en una jeringuilla y se transfirió a un embudo de adición unido al matraz de reacción. El matraz de reacción, que contiene los nanocristales de CdSe dispersos en TOPO y TOP, se calentó en una atmósfera de N_{2}. La temperatura a la que se calentaron los precursores osciló desde 140ºC para nanocristales de 23\ring{A} de diámetro hasta 220ºC para nanocristales de 55 \ring{A} de diámetro. Cuando se alcanzó la temperatura deseada, los precursores de Zn y S se añadieron gota a gota a la mezcla de reacción agitada vigorosamente, durante un período de 5 a 10 minutos.
Después de que se terminó la adición, la mezcla se enfrió hasta 90ºC y se dejó agitando durante varias horas. Se añadió butanol (5 ml) a la mezcla para evitar que el TOPO solidifique al enfriar hasta temperatura ambiente. Las partículas revestidas se almacenaron en su disolución de crecimiento para asegurarse de que la superficie de los nanocristales permanecían pasivadas con TOPO. Después se recuperaron en forma de polvo precipitando con metanol y redispersando en una variedad de disolventes que incluyen hexano, cloroformo, tolueno, THF y piridina.
Ejemplo 2 Preparación de nanocristales solubles en agua, usando ácido mercaptocarboxílico de cadena larga
Los nanocristales semiconductores de CdSe(ZnS) terminados en TOPO se prepararon tal como se describe en el Ejemplo 1. Los nanocristales de CdSe(ZnS) revestidos se precipitaron de la disolución de crecimiento usando una mezcla de butanol y metanol. Para obtener los nanocristales semiconductores precipitados, la disolución se centrifugó durante 5 a 10 minutos, se decantó el sobrenadante, y el residuo se lavó con metanol (2X).
El residuo se pesó. Se supuso que el peso de la terminación con TOPO era el 30% del peso total; y se añadió un exceso molar de 30 veces de la nueva molécula de terminación, el ácido 11-mercaptoundecanoico (MUA). El residuo y el MUA (disolución pura) se agitó a 60ºC durante 8 a 12 horas. Mientras que la mezcla estaba aún caliente, se añadió a la mezcla de MUA/nanocristal un volumen de tetrahidrofurano (THF) igual al MUA añadido. Resultó una disolución clara, y los nanocristales semiconductores revestidos se almacenaron en THF.
Los nanocristales semiconductores revestidos se hacen solubles en agua mediante desprotonación del grupo funcional ácido carboxílico del MUA. La desprotonación se logró añadiendo una suspensión de t-butóxido de potasio en THF a la disolución de nanocristal semiconductor-MUA/THF. Se produjo un gel que entonces se centrifugó, y el líquido sobrenadante se separó mediante vertido. El residuo se lavó dos veces con THF, se centrifugó cada vez, y el líquido sobrenadante se separó mediante vertido. El residuo final se dejó secar al aire durante 10 minutos. Se añadió agua desionizada (Millipore) al residuo hasta que se formó una disolución clara.
Los nanocristales semiconductores revestidos resultantes se analizaron para determinar el rendimiento cuántico fotoluminiscente. Un nanocristal semiconductor de CdSe, con un revestimiento de cuatro monocapas de ZnS revestido como se ha descrito, tuvo una banda de absorción a 480 nm y una banda fotoluminiscente a 500 nm, con un rendimiento cuántico de 12%. Un segundo nanocristal semiconductor de CdSe, con un revestimiento de cuatro monocapas de ZnS revestido como se ha descrito, tuvo una banda de absorción a 526 nm y una banda fotoluminiscente a 542 nm, con un rendimiento cuántico del 18%.
Ejemplo 3 Preparación de un nanocristal semiconductor soluble en agua, usando un ligando multidentado
Se preparó un nanocristal semiconductor soluble en agua tal como se describe en el Ejemplo 2, excepto que se usó el ligando bidentado ácido dihidrolipoico.
La síntesis de un ligando bidentado ditiólico se logró mediante la reducción de la coenzima ácido lipoico. El procedimiento general se describe en Gunsalus et al. (1956) J. Am. Chem. Soc. 78:1763-1766. Se añadió borohidruro de sodio (1,2 g) en partes de 30 a 50 mg a una suspensión agitada de ácido lipoico (6,0 g) en 117 ml de bicarbonato sódico 0,25 M en agua a 0ºC. La reacción se agitó durante 45 minutos a 0ºC, a continuación se añadieron 100 ml de tolueno y la mezcla se acidificó hasta pH \sim 2 con ácido clorhídrico. La capa toluénica se recogió y se guardó. La capa acuosa se lavó tres veces con 15 ml de tolueno. Las capas orgánicas se combinaron, se secaron con sulfato magnésico anhidro, se filtraron, y el disolvente se eliminó a vacío, dejando el producto ácido dihidrolipoico como un aceite amarillo (rendimiento 80%).
Se realizó el intercambio de la molécula terminadora usando el mismo procedimiento como se describe para el ácido 11-mercaptoundecanoico. Los nanocristales semiconductores de CdSe(ZnS) terminados en TOPO se precipitaron de la disolución y se lavaron dos veces con metanol. El polvo que queda se disolvió (en nitrógeno) a 70ºC en la cantidad mínima (habitualmente entre 300 y 600 mg) de ácido dihidrolipoico necesaria para producir una disolución clara. Esta mezcla se agitó a 70ºC durante 6 horas, y después se almacenó a temperatura ambiente. Los nanocristales se hicieron solubles en agua mediante tratamiento con t-butóxido de potasio en THF, tal como se describe para los ligandos de ácido mercaptocarboxílico.
Ejemplo 4 Preparación de un nanocristal semiconductor soluble en agua, usando un tensioactivo
Los nanocristales semiconductores de CdSe(ZnS) terminados en TOPO se prepararon tal como se describe en el Ejemplo 1. Los nanocristales semiconductores se disolvieron en hexano para dar una disolución que presentaba una concentración comprendida entre aproximadamente 0,001 y 0,01 molar de nanocristales de CdSe(ZnS). A la mezcla se añadió suficiente tensioactivo dioctilsulfosuccinato sódico (nombre comercial AOT) para producir una disolución que presentaba un 5% de tensioactivo en peso (pero también sirve jabón líquido Ivory®). El disolvente de hexano se evaporó a vacío. El residuo sólido resultante se disolvió en agua para dar una disolución clara cuyo rendimiento cuántico fue aproximadamente el mismo que la muestra inicial (\sim 75% del valor original).

Claims (36)

1. Nanocristal semiconductor soluble en agua destinada a emitir energía, que comprende:
un núcleo de nanocristal semiconductor que presenta una banda prohibida de energía seleccionada;
una capa corteza que reviste el núcleo de nanocristal semiconductor, comprendiendo la corteza un material semiconductor que presenta una banda prohibida de energía superior a la del núcleo;
una capa externa que comprende una molécula presentando una primera parte que comprende al menos un grupo enlazante para la unión al nanocristal, y una segunda parte que comprende al menos un grupo hidrófilo.
2. Nanocristal semiconductor soluble en agua según la reivindicación 1, en el que la capa externa comprende además
una bicapa que reviste la corteza, comprendiendo la bicapa:
una capa interna que presenta afinidad con la corteza; y
una capa externa que comprende una molécula que presenta un grupo hidrófilo separado de la capa interna mediante una región hidrófoba adyacente a la capa interna.
3. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, en el que el grupo enlazante comprende un resto seleccionado de entre el grupo consistente en aminas, tioles, fosfinas, óxidos de fosfina, y óxidos de amina.
4. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, en el que el grupo hidrófilo es un grupo cargado o polar.
5. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, en el que el grupo hidrófilo se selecciona de entre el grupo constituido por ácido carboxílico, carboxilato (-CO_{2}^{-}), sulfonato (-SO_{3}), hidróxido (-OH), alcóxidos, sales de amonio (-NH_{4}^{+}), y fosfato (-PO_{4}^{-2}) y fosfonato (-PO_{3}^{-2}).
6. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, en el que el grupo hidrófilo comprende un grupo hidrófilo insaturado que es reticulable o polimerizable.
7. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 6, en el que el grupo hidrófilo insaturado se selecciona de entre el grupo constituido por ácido metacrílico, ácido acrílico, y estireno hidrófilamente derivatizado.
8. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, en el que el compuesto comprende dos o más grupos hidrófilos.
9. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, en el que la primera parte está separada de la segunda parte mediante una región hidrófoba.
10. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 9, en el que la región hidrófoba comprende una cadena hidrocarbonada de la fórmula -(CH_{2})_{n}-, en la que n es mayor o igual a seis.
11. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1 ó 2, en el que la molécula presenta la fórmula estructural (I)
(I)H_{z}X((CH_{2})_{n}CO_{2}H) _{y}
o una sal de la misma, en la que:
X es la primera parte del ligando, y es igual a S, N, P u O=P;
n es mayor o igual a 6; y
z e y se seleccionan para satisfacer los requisitos de valencia de X.
12. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1 ó 2, en el que la molécula presenta la fórmula estructural (II)
7
en la que:
Y es el resto hidrófilo;
Z es una región hidrófoba que presenta una cadena principal de al menos seis átomos;
X y X' son, individualmente o juntos, los grupos enlazantes, y son iguales o diferentes, y se seleccionan de entre el grupo de S, N, P y O=P, ó están enlazados juntos para formar un anillo de 5 a 8 miembros mediante la coordinación a la superficie del nanocristal.
13. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1 ó 2, en el que la molécula presenta la fórmula estructural (III)
8
en la que:
Y es el resto hidrófilo;
Z es una región hidrófoba que presenta una cadena principal de al menos seis átomos;
X, X' y X'' son, individualmente o juntos, grupos enlazantes, y son iguales o diferentes, y se seleccionan de entre el grupo de S, N, P y O=P, o están enlazados juntos para formar un anillo de 5 a 8 miembros mediante la coordinación a la superficie del nanocristal.
14. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1 ó 2, en el que la molécula presenta la fórmula estructural (IV)
(IV)(R^{1})_{a}-R^{2}-[(R^{3})_{b} (R^{4})_{c}]_{d}
en la que:
R^{1} es la primera parte, y se selecciona de entre el grupo constituido por heteroalquilo, heteroalquenilo, heteroalquinilo, -OR, -SR, -NHR, -NR'R'', -N(O)HR, -N(O)R'R'', -PHR, -PR'R'', -P(NR'R'')NR'R'', -P(O)R'R'', - P(O)(NR'R'')NR'R'', -P(O)(OR')OR'', -P(O)OR, -P(O)NR'R'', -P(S)(OR')R'', y -P(S)OR, en los que R, R' y R'' se seleccionan independientemente de entre el grupo constituido por H, un alquilo ramificado o no ramificado, un alquenilo ramificado o no ramificado, un alquinilo ramificado o no ramificado, un heteroalquilo ramificado o no ramificado, un heteroalquenilo ramificado o no ramificado, y un heteroalquinilo ramificado o no ramificado, con la condición de que, cuando a es superior a 1, los grupos R^{1} pueden ser iguales o diferentes o pueden estar enlazados para formar un cicloalquilo, cicloalquenilo, heterociclo, arilo, heteroarilo de seis, siete, ocho, nueve o diez miembros, o un éter corona o éter heterocorona de seis a trece miembros;
R^{2} se selecciona de un enlace, un alquileno ramificado o no ramificado, un alquenileno ramificado o no ramificado, un heteroalquileno ramificado o no ramificado, un heteroalquenileno ramificado o no ramificado, cicloalquilo, cicloalquenilo, cicloalquinilo, heterociclo, arilo y heteroarilo;
R^{3} se selecciona de un alquileno ramificado o no ramificado, un alquenileno ramificado o no ramificado, un heteroalquileno ramificado o no ramificado, un heteroalquenileno ramificado o no ramificado, cicloalquilo, cicloalquenilo, cicloalquinilo, heterociclo, arilo y heteroarilo;
R^{4} es la segunda parte, y se selecciona de entre el grupo constituido por hidrógeno, un carboxilato, un tiocarboxilato, una amida, una imida, una hidrazina, un sulfonato, un sulfóxido, una sulfona, un sulfito, un fosfato, un fosfonato, un fosfonio, un alcohol, un tiol, una amina, un amonio, un alquilamonio, un nitrato, un resto de azúcar, y un cicloalquilo, cicloalquenilo, cicloalquinilo, heterociclo, arilo o heteroarilo de cinco, seis, siete, ocho, nueve o diez miembros;
a es igual a 1, 2, 3 ó 4;
b es igual a 0, 1, 2 ó 3;
c es igual a 0, 1, 2 ó 3; y
d es igual a 0, 1, 2 ó 3, en la que, cuando d es igual a 2 ó 3, los grupos R^{3} pueden ser iguales o diferentes o pueden estar enlazados juntos para formar un cicloalquilo, cicloalquenilo, heterociclo, arilo o heteroarilo de cinco, seis, siete, ocho, nueve o diez miembros.
15. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 14, en el que R^{1} es un tiol, una fosfina, un óxido de fosfina, o una amina.
16. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 14, en el que R^{2} contiene entre 6 y 20 átomos.
17. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 16, en el que R^{2} es un alquileno, alquenileno, alquinileno, heteroalquileno, heteroalquenileno, heteroalquinileno lineales, un cicloalquilo o un heterociclo.
18. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 14, en el que b es igual a 1, 2 ó 3, y R^{3} contiene entre 6 y 20 átomos.
19. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 18, en el que R^{3} es un alquileno, alquenileno, alquinileno, heteroalquileno, heteroalquenileno, heteroalquinileno lineales, un cicloalquilo o un heterociclo.
20. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 14, en el que R^{4} es un, carboxilato (-COO^{-}), un fosfonato (-PO_{3}^{-}), un sulfonato (-SO_{3}^{-}), o un amonio (-N^{+}HRR').
21. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1 ó 2, en el que la molécula comprende la fórmula estructural (V)
(V)\abrecg Y^{2} (R^{1})\cierracg{m'}-R^{2}\abrecg X^{2} (R^{4})\cierracg{n'}
en la que:
X^{2} e Y^{2} son iguales o diferentes, y son unidades monoméricas seleccionadas de entre el grupo constituido por acrilato, estireno, imida, acrilamida, etileno, vinilo, diacetileno, fenileno-vinileno, aminoácido, azúcar, sulfona, pirrol, imidazol, tiofeno y éter;
R^{1} es la primera parte, y se selecciona de entre el grupo constituido por heteroalquilo, heteroalquenilo, heteroalquinilo, -OR, -SR, -NHR, -NR'R'', -N(O)HR, -N(O)R'R'', -PHR, -PR'R'', -P(NR'R'')NR'R'', -P(O)R'R'', -P(O)(NR'R'')NR'R'', -P(O)(OR')OR'', -P(O)OR, -P(O)NR'R'', -P(S)(OR')R'', y -P(S)OR, en los que R, R' y R'' se seleccionan independientemente de entre el grupo constituido por H, un alquilo ramificado o no ramificado, un alquenilo ramificado o no ramificado, un alquinilo ramificado o no ramificado, un heteroalquilo ramificado o no ramificado, un heteroalquenilo ramificado o no ramificado, y un heteroalquinilo ramificado o no ramificado, con la condición de que, cuando a es superior a 1, los grupos R^{1} pueden ser iguales o diferentes o pueden estar enlazados para formar un cicloalquilo, cicloalquenilo, heterociclo, arilo, heteroarilo de seis, siete, ocho, nueve o diez miembros, o un éter corona o éter heterocorona de seis a treinta miembros;
R^{2} se selecciona de un enlace, un alquileno ramificado o no ramificado, un alquenileno ramificado o no ramificado, un heteroalquileno ramificado o no ramificado, un heteroalquenileno ramificado o no ramificado, cicloalquilo, cicloalquenilo, cicloalquinilo, heterociclo, arilo y heteroarilo;
R^{4} es la segunda parte, y se selecciona de entre el grupo constituido por hidrógeno, un carboxilato, un tiocarboxilato, una amida, una imida, una hidrazina, un sulfonato, un sulfóxido, una sulfona, un sulfito, un fosfato, un fosfonato, un fosfonio, un alcohol, un tiol, una amina, un amonio, un alquilamonio, un nitrato, un resto de azúcar, y un cicloalquilo, cicloalquenilo, cicloalquinilo, heterociclo, arilo o heteroarilo de cinco, seis, siete, ocho, nueve o diez miembros;
m' está en el intervalo comprendido entre 3 y 100; y
n' está en el intervalo comprendido entre 3 y 100.
22. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 21, en el que la molécula comprende la fórmula
9
en la que:
X es igual o diferente, y es igual a S, N, P u O=P, y puede incluir otros sustituyentes a fin de satisfacer los requisitos de valencia; Y es un resto hidrófilo; R es H o un resto polar; R' es H o un resto no polar; m está en el intervalo comprendido entre 3 y 100; y n está en el intervalo comprendido entre 3 y 100.
23. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 10 ó 12, en el que n está en el intervalo comprendido entre 10 y 12.
24. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, 2, 14 ó 21, en el que la molécula es un ligando multidentado.
25. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1 ó 2, en el que el núcleo del nanocristal es un semiconductor del Grupo II-VI, Grupo III-V o Grupo IV.
26. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, 2 ó 25, en el que el núcleo comprende CdS, CdSe. CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, MgTe, GaAs, GaP, GaSb, GaN, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InP, InSb, InN, AlAs, AlP, AlSb, AlS, PbS, PbSe, Ge, Si, una aleación de los mismos, o una mezcla de los mismos.
27. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 25 ó 26, en el que la corteza comprende ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgS, MgSe, GaAs, GaN, GaP, GaAs, GaSb, HgO, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InN, InP, InSb, AlAs, AlN, AlP, AlSb, una aleación de los mismos, o una mezcla de los mismos.
28. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, 2, 25 ó 26, en el que el núcleo es CdSe y la corteza es ZnS.
29. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1, 2, 25, 26, 27 ó 28, en el que el núcleo es un miembro de una población de partículas monodispersas.
30. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 29, en el que la población de partículas monodispersas se caracteriza porque, cuando la población se irradia, emite luz en un intervalo espectral menor a aproximadamente 40 nm de la anchura total a la mitad del máximo (FWHM), preferentemente no superior a aproximadamente 25 nm de FWHM.
31. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 29, en el que la población de partículas monodispersas se caracteriza porque muestra una desviación no superior a aproximadamente el 10% de rms en el diámetro del núcleo, preferentemente una desviación no superior a aproximadamente el 5% de rms en el diámetro del núcleo.
32. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 2, en el que la capa interna comprende un compuesto liófilo de coordinación.
33. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 32, en el que el compuesto liófilo de coordinación se selecciona de entre el grupo constituido por trialquilfosfinas, óxidos de trialquilfosfina y alquilaminas.
34. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 2, en el que la capa externa de la bicapa comprende un tensioactivo.
35. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 34, en el que el tensioactivo se selecciona de entre el grupo constituido por dioctilsulfosuccinato sódico, C_{12}H_{25}(OCH_{2}CH_{2})_{23}OH, C_{18}H_{37}(OCH_{2}CH_{2})_{10}OH y C_{18}H_{37}(OCH_{2}CH_{2})_{20}OH.
36. Nanocristal soluble en agua según la reivindicación 1 ó 2, en el que el nanocristal soluble en agua está disperso o disuelto en un medio acuoso.
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