ITRM20130269A1 - Metodo per il controllo della solubilita' di quantum dots - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione “Metodo per il controllo della solubilità di quantum dotâ€

SETTORE TECNICO

La presente invenzione si riferisce al settore dei nanocristalli semiconduttori luminescenti (quantum dot).

In particolare, la presente invenzione riguarda la funzionalizzazione della superficie di quantum dot (QD) attraverso lo scambio dei leganti nativi con altri leganti in grado di regolare la solubilità di detta nanoparticella, in particolare in acqua e in altri solventi polari.

SFONDO DELL’INVENZIONE

I quantum dot (QD) sono nanocristalli di semiconduttori dotati di peculiari proprietà ottiche ed elettroniche, tali che essi stanno emergendo come alternative ai fluorofori molecolari in diverse applicazioni tecnologiche. QD di, ad esempio, CdSe mostrano un elevato assorbimento di luce e un’intensa luminescenza nella regione dell’UV-visibile, la cui lunghezza d’onda può in entrambi i casi essere modulata regolando il diametro della particella. I QD sono molto stabili sia chimicamente che fotochimicamente e sono eccellenti assorbitori a due fotoni. Grazie a queste particolari proprietà, i QD sono impiegati in numerose applicazioni legate all’uso della luminescenza: analisi (bio)chimiche, diagnostica per immagini, terapia medica, celle solari fotovoltaiche e dispositivi LED per illuminazione e display. Negli ultimi 5-10 anni molte aziende di chimica fine (ad esempio Sigma-Aldrich, Strem Chemicals) hanno inserito varie tipologie di QD nei loro cataloghi, e sono nate diverse piccole/medie imprese con l’obiettivo di sviluppare QD su misura per applicazioni specifiche nei settori sopra elencati.

I metodi di sintesi che consentono la preparazione di QD con un controllo accurato delle loro proprietà producono nanocristalli la cui superficie à ̈ ricoperta da uno strato di leganti molecolari fortemente idrofobici. Tali QD sono pertanto (moderatamente) solubili solo in solventi organici apolari come toluene, esano o cloroformio. Tuttavia, molte applicazioni dei QD – ad esempio nell’imaging biologico o nella terapia medica – richiedono nanocristalli solubili in acqua; in generale, il controllo della solubilità dei QD nei solventi comuni à ̈ un requisito cruciale per una buona processabilità di tali nanomateriali. Questo obiettivo può essere ottenuto funzionalizzando la superficie dei nanocristalli con opportuni leganti molecolari (I. L. Medintz, H. T. Uyeda, E. R. Goldman, H. Mattoussi, “Quantum dot bioconjugates for imaging, labeling and sensing†, Nat. Mater., 2005, 4, 435-446).

Un altro motivo per modificare lo strato di rivestimento (capping layer) dei QD à ̈ quello di connettere unità molecolari funzionali (ad esempio recettori, fluorofori, interruttori, sensibilizzatori, biomolecole) al nanocristallo, con lo scopo di sviluppare nanomateriali ibridi con proprietà prestabilite.

Una metodologia spesso utilizzata per gli scopi sopra descritti comporta lo scambio dei leganti idrofobici nativi con nuovi leganti funzionali (ad esempio idrofilici). Sfortunatamente, in molti casi le proprietà ottiche e la stabilità in soluzione delle nanoparticelle peggiorano drasticamente in seguito allo scambio dei leganti.

La modifica post-sintesi della superficie à ̈ un requisito essenziale per applicazioni che richiedono nanocristalli idrofilici. La superficie può essere resa compatibile con l’acqua seguendo due strategie generali: 1) scambio dei leganti nativi con molecole di rivestimento (capping agents) che combinano un gruppo di ancoraggio (anchoring group) alla superficie metallica e una parte idrofilica; 2) inclusione dei nanocristalli idrofilici mediante molecole o polimeri anfifilici.

La prima strategia (scambio dei leganti) consente la preparazione di nanocristalli idrofilici con uno strato superficiale compatto (cioà ̈ di piccole dimensioni finali, adatti per l’attraversamento di barriere biologiche) ma con un rendimento quantico di luminescenza modesto (perché la passivazione superficiale ottenuta in seguito allo scambio dei leganti non à ̈ ottimale).

I leganti superficiali devono possedere due domini funzionali principali: una porzione idrofilica che permette la solubilizzazione dei nanocristalli in mezzi polari, e un gruppo di ancoraggio (anchoring group) in grado di legarsi alla superficie del quantum dot. I tioli sono ampiamente utilizzati come gruppi di ancoraggio. La sostituzione del legante idrofobico con tioli legati a gruppi carbossilici, come gli acidi mercaptopropionico e mercaptoacetico, e con molecole zwitterioniche contenenti tioli, come la cisteina, sono esempi rappresentativi della prima strategia. La funzionalizzazione superficiale mediante leganti monotiolati à ̈ un approccio semplice, ma i nanocristalli risultanti presentano un basso rendimento quantico di emissione (ciò accade, in generale, per tutti i nanocristalli idrofilici preparati attraverso la prima strategia) e una scarsa stabilità nel lungo periodo, per via del desorbimento dei leganti dalla superficie. Derivati ditiolici come l’acido diidrolipoico, l’acido diidrolipoico accoppiato con poli(etilen)glicole, leganti multi-tiolici migliorano enormemente la stabilità in una vasta gamma di condizioni biologiche, mantenendo al contempo un piccolo raggio idrodinamico. I leganti basati sull’acido lipoico e i composti correlati, contenenti l’unità di ancoraggio 1,2-ditiolano, sono sempre più largamente utilizzati grazie alla loro capacità di formare robusti monostrati di rivestimento sulla superficie di nanoparticelle metalliche o semiconduttrici. L’elevata stabilità dello strato à ̈ dovuta alla presenza, in ciascuna porzione di ancoraggio, di due efficienti siti per il legame alla superficie, generati dalla rottura del legame S–S della porzione ditiolano. L’apertura del legame disolfuro avviene spontaneamente in presenza di una superficie di metallo nobile, mentre deve essere attivata nel caso di superfici di materiali semiconduttori. Nello specifico, il gruppo ditiolano viene chimicamente ridotto a ditiolo. Tutti questi tipi di leganti, pertanto, sfruttano l’acido diidrolipoico (DHLA) come gruppo di ancoraggio per la superficie dei nanocristalli. Il DHLA si sintetizza normalmente dall’acido lipoico, attraverso la riduzione dell’unità 1,2-ditiolano.

L’acido lipoico viene comunemente ridotto utilizzando una soluzione di NaBH4(A. F. Wagner, E. Walton, G. E. Boxer, M. P. Pruss, F. W. Holly, K. Folkers, “Properties and Derivatives of α-Lipoic Acid†, J. Am. Chem. Soc., 1956, 78, 5079-5081; C. Gunsalus, L. S. Barton, W. Gruber, “Biosynthesis and Structure of Lipoic Acid Derivatives†, J. Am. Chem. Soc., 1956, 78, 1763-1766). I protocolli attualmente disponibili per la riduzione dell’acido lipoico sono basati sulla rottura del legame S–S per reazione con NaBH4a bassa temperatura per diverse ore. Il prodotto ottenuto viene quindi acidificato e purificato per estrazione con acqua/toluene o acqua/cloroformio (H. Mattoussi, J. M. Mauro, E. R. Goldman, G. P. Anderson, V. C. Sundar, F. V. Mikulec, M. G. Bawendi, “Self-Assembly of CdSe−ZnS Quantum Dot Bioconjugates Using an Engineered Recombinant Protein†, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 12142-12150; H. T. Uyeda, I. L. Medintz, J. K. Jaiswal, S. M. Simon, H. Mattoussi, “Synthesis of Compact Multidentate Ligands to Prepare Stable Hydrophilic Quantum Dot Fluorophores†, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 3870-3878; A. R. Clapp, E. R. Goldman, H. Mattoussi, “Capping of CdSe–ZnS quantum dots with DHLA and subsequent conjugation with proteins†, Nat. Protoc., 2006, 1, 1258-1266; B. C Mei, K. Susumu, I. L Medintz, H. Mattoussi, “Polyethylene glycol-based bidentate ligands to enhance quantum dot and gold nanoparticle stability in biological media†, Nat. Protoc., 2009, 4,412-423). Il legante ridotto (ditiolo) deve essere conservato in frigorifero e in atmosfera inerte, in modo da impedirne la riossidazione.

In alcuni casi non à ̈ possibile utilizzare NaBH4come agente riducente; ad esempio con leganti funzionali contenenti recettori per ioni metallici, che sono pertanto sensibili agli ioni metallici.

Un metodo alternativo recentemente pubblicato si basa sull’impiego della luce UV per spezzare il legame S–S dell’acido lipoico, in modo da ottenere la funzione ditiolica (G. Palui, T. Avellini , N. Zhan, F. Pan, D. Gray, I. Alabugin, H. Mattoussi, “Photo-Induced Phase Transfer of Luminescent Quantum Dots to Polar and Aqueous Media†, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 16370-16378). Tale metodo evita l’uso di reagenti chimici di tipo boroidruro e consente di compiere l’attivazione dei leganti e la funzionalizzazione dei QD in un unico passaggio, con un considerevole risparmio di tempo. Esso richiede tuttavia un’attrezzatura specifica (dispositivo per irradiazione UV) e, soprattutto, non può essere utilizzato nel caso di leganti fotosensibili.

Un’altra tipologia di scambio di leganti fa uso di silani tiolati. Questi leganti si adsorbono direttamente sulla superficie dei QD in seguito allo spostamento dei leganti nativi (M. Bruchez Jr., M. Moronne, P. Gin, S. Weiss, A. P. Alivisatos, Science, 1998, 281, 2013-2016; D. Gerion, F. Pinaud, S. C. Williams, W. J. Parak, D. Zanchet, S. Weiss, A. P. Alivisatos, J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 8861-8871). L’aggiunta di una base provoca l’idrolisi dei gruppi silanolo e la formazione di un guscio di silice-silossano. Un’ulteriore aggiunta del precursore silossanico può generare un guscio di maggiore spessore, in modo da ottenere una migliore compatibilità con l’acqua.

US6426513 descrive la funzionalizzazione superficiale di nanocristalli semiconduttori utilizzando legante contenente monotioli. Come sopra discusso, l’impiego di leganti monotiolici comporta alcuni svantaggi per quanto riguarda la stabilità del nanocristallo, specialmente in soluzione acquosa.

US6369098 descrive metodi per la sintesi di derivati ditiolanici, che sono leganti per alcuni recettori cellulari e sono utili per il trattamento di varie malattie.

US6649138 descrive un metodo per la solubilizzazione in acqua di nanocristalli semiconduttori utilizzando polimeri anfifilici, aventi una parte idrofobica in grado di interagire con il nanocristallo mediante legami non covalenti e una porzione idrofilica capace di promuovere la solubilizzazione dei nanocristalli in ambiente acquoso. Detto metodo di funzionalizzazione differisce pertanto dal metodo dello scambio di leganti, in particolare perché l’interazione legante-nanocristallo à ̈ di tipo non covalente. Inoltre, i leganti descritti sono tutti di natura polimerica.

US6319426 descrive un nanocristallo semiconduttore solubile in acqua, comprendente un nucleo nanocristallino semiconduttore, un guscio-strato ricoprente il nucleo comprendente un materiale semiconduttore e uno strato esterno comprendente una molecola dotata di almeno un gruppo di collegamento (linking group) per legare la molecola al guscio-strato che ricopre il nucleo, ed almeno un gruppo idrofilico, eventualmente separato dal gruppo di collegamento tramite una regione idrofobica sufficiente per prevenire il trasferimento di carica elettronica attraverso la regione idrofobica. Sono riportati diversi tipi di leganti per la solubilizzazione in acqua dei nanocristalli, in particolare leganti aventi gruppi tiolo per l’ancoraggio alla superficie del nanocristallo. Viene descritto anche l’acido lipoico e la sua riduzione con NaBH4secondo un metodo noto nell’arte (C. Gunsalus, L. S. Barton, W. Gruber, “Biosynthesis and Structure of Lipoic Acid Derivatives†, J. Am. Chem. Soc., 1956, 78, 1763-1766).

Gli inventori della presente invenzione hanno trovato un metodo per la produzione di QD funzionalizzati, che implica la rapida riduzione di leganti basati sul gruppo ditiolano, in particolare l’acido lipoico, e il loro successivo uso nella funzionalizzazione di QD attraverso lo scambio con i leganti superficiali nativi. Detto metodo si basa sull’uso di una resina a scambio ionico con boroidruro (N. M. Yoon, H. J. Lee, J. H. Ahn, J. Choi, “Selective reduction of alkyl halides with borohydride exchange resin-nickel acetate in methanol†, J. Org. Chem., 1994, 59, 4687-4688) per la riduzione dell’unità ditiolano.

US6888019 descrive un metodo per la preparazione di un complesso di renio mediante l’uso di una resina scambiata con boroidruro, nel quale la resina viene utilizzata come agente riducente per la rottura del legame S–S del disolfuro, così convertito in solfuro, che si combina a sua volta con il renio. I complessi di renio ottenuti sono utili come farmaci radioattivi. I composti ottenuti con il metodo descritto, così come il loro utilizzo, sono del tutto diversi dai composti descritti nella presente invenzione ed il loro campo di applicazione.

I vantaggi dell’utilizzo dell’agente riducente supportato su resina per quanto riguarda la riduzione dei leganti per la funzionalizzazione dei QD sono i seguenti:

1. Rimozione del reagente supportato per decantazione o filtrazione; non à ̈ richiesta alcuna estrazione aggiuntiva;

2. Possibilità di effettuare la reazione a temperatura ambiente e in solventi aerati;

3. Tempi di reazione rapidi (circa 1 ora, rispetto a circa 5 ore per le procedure attualmente note);

4. Possibilità di preparare velocemente l’esatta quantità di legante ridotto per l’immediato scambio di rivestimento, evitando così la conservazione in atmosfera inerte di soluzioni madre di legante ridotto.

In aggiunta, poiché la resina non contiene cationi metallici, la strategia qui riportata à ̈ particolarmente adatta per l’attivazione di leganti sensibili agli ioni metallici (ad esempio, contenenti recettori per ioni metallici).

Gli inventori della presente invenzione hanno trovato che l’utilizzo del metodo dell’invenzione per la riduzione dei leganti consente di produrre QD ricoperti con un legante ridotto nella forma di ione carbossilato ed uno strato di controcationi legati allo ione carbossilato in modo non covalente.

Nag e collaboratori (“Effect of metal ions on photoluminescence, charge transport, magnetic and catalytic properties of all-inorganic colloidal nanocrystals and nanocrystal solids†, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 13604-13615) descrivono nanocristalli (NC) semiconduttori colloidali aventi leganti anionici inorganici legati covalentemente sulla superficie; le parti cationiche dei leganti inorganici sono utilizzate per modificare le proprietà del nanocristallo ed impartire funzionalità aggiuntive. Gli autori mostrano che dette specie cationiche possono essere utilizzate per modificare quasi tutte le proprietà di NC totalmente inorganici, in particolare l’efficienza di fotoluminescenza, la mobilità elettronica, il drogaggio, la suscettibilità magnetica e la prestazione elettrocatalitica. Tale documento, tuttavia, si riferisce soltanto a NC totalmente inorganici, cioà ̈ solo NC con leganti anionici inorganici. In questo articolo il problema della solubilità non à ̈ affrontato né tantomeno menzionato.

NC rivestiti da specie cationiche sono altresì descritti nell’articolo di Kovalenko e collaboratori (“Nanocrystal superlattices with thermally degradable hybrid inorganicorganic capping ligands†, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 15124-15126). NC funzionalizzati con complessi metallici di calcogenuri (MCC) vengono convertiti da fortemente idrofilici a non polari e lipofilici utilizzando tensioattivi cationici che si legano alle superfici cariche negativamente, formando monostrati idrofobici compatti. Per formare il rivestimento idrofobico, i controioni Na<+>o NH4<+>vengono parzialmente sostituiti con diversi ioni alchilammonio terziari; possono essere utilizzati anche altri tensioattivi cationici a catena lunga. Detti tensioattivi cationici sono perciò impiegati per rendere i NC ricoperti con MCC compatibili con le comuni molecole non polari e quindi solubili in solventi non polari. Pertanto il problema della solubilità à ̈ citato in questo lavoro soltanto per quanto riguarda i solventi non polari e le molecole cationiche sono impiegate per rendere idrofobica la superficie dei NC. Anche in questo caso tutti i leganti descritti nel documento sono inorganici.

Sono stati tentati diversi approcci per modulare la solubilità di nanocristalli. Ad esempio, con leganti molecolari o polimerici contenenti unità oligo(etilenglicole) si ottengono NC solubili in vari solventi a seconda della lunghezza della catena (H. T. Uyeda, I. L. Medintz, J. K. Jaiswal, S. M. Simon, H. Mattoussi, “Synthesis of Compact Multidentate Ligands to Prepare Stable Hydrophilic Quantum Dot Fluorophores†, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 3870-3878; I. Yildiz, B. McCaughan, S. F. Cruickshank, J. F. Callan, F. M. Raymo, “Biocompatible CdSe-ZnS Core-Shell Quantum Dots Coated with Hydrophilic Polythiols†, Langmuir, 2009, 25, 7090-7096). Il controllo della solubilità con questo approccio richiede però un notevole impegno sintetico perché, per ciascun solvente di interesse, occorre preparare un tipo di legante ben preciso da utilizzare per la successiva funzionalizzazione dei NC. Inoltre, dato che questi leganti spesso possiedono un peso molecolare elevato, essi aumentano in modo sostanziale il raggio idrodinamico dei NC risultanti, ponendo spesso problemi per applicazioni biologiche.

In considerazione di quanto detto sopra, vi à ̈ ancora la necessità di un metodo per controllare e modulare in modo efficiente la solubilità dei quantum dot, in particolare nei solventi polari; più in particolare, vi à ̈ ancora la necessità di un metodo per ottenere in modo semplice quantum dot solubili in diversi solventi senza alterarne le proprietà in modo sostanziale.

E’ stato trovato con sorpresa che la funzionalizzazione di QD con controcationi differenti, in particolare utilizzando il metodo della presente invenzione, consente la modulazione e il controllo della solubilità dei QD in soluzione acquosa e in altri solventi polari. Di fatto, il QD funzionalizzato ha proprietà di solubilità differenti in diversi solventi polari a seconda del tipo di controcationi con cui à ̈ funzionalizzato.

RIASSUNTO DELL’INVENZIONE

E’ un oggetto della presente invenzione un quantum dot funzionalizzato con leganti recanti un gruppo ditiolano e un gruppo acido salificato con controcationi, in cui detti controcationi sono scelti nel gruppo costituito da Na<+>, Li<+>, K<+>, Zn<++>, Fe<++>, Cu<++>, tetraalchilammonio C1-C8.

Quando il controcatione à ̈ un tetraalchilammonio C1-C8, le catene alchiliche possono essere uguali o diverse, lineari oppure ramificate. Preferibilmente, il tetraalchilammonio à ̈ scelto nel gruppo costituito da: tetrametilammonio (TMA<+>), tetrabutilammonio (TBA<+>), tetraetilammonio (TEA<+>) e tetraottilammonio (TOA<+>).

Detto legante comprende una porzione con un gruppo ditiolano che si lega al quantum dot e una porzione con un gruppo acido salificato.

Detto gruppo acido salificato può essere un gruppo carbossilato, solfonato o fosfato. Preferibilmente à ̈ un gruppo carbossilato.

Preferibilmente, detti leganti sono leganti basati sull’acido lipoico.

Un metodo per la produzione di detto quantum dot à ̈ anch’esso un oggetto della presente invenzione. Detto metodo comprende i seguenti passaggi:

a. aggiunta di una resina caricata con BH4<–>ad una soluzione di un legante recante un gruppo ditiolano e un gruppo acido salificabile in un primo solvente, detto solvente che scioglie detto legante e non scioglie detta resina;

b. rimozione del solvente per ottenere la resina con il legante attaccato;

c. aggiunta di una soluzione di una base o di un suo sale a detta resina, in cui il catione di detta base o sale à ̈ scelto nel gruppo costituito da Na<+>, Li<+>, K<+>, Zn<++>, Fe<++>, Cu<++>, tetraalchilammonio C1-C8, e agitazione in modo da estrarre il legante ridotto dalla resina;

d. lavaggio della resina con detto primo solvente così da ottenere una soluzione contenente detto legante ridotto;

e. aggiunta di quantum dot ricoperti con leganti idrofobici, detti quantum dot essendo in forma solida o disciolti in un secondo solvente non miscibile con detto primo solvente, alla soluzione del punto d), ottenendo così una miscela bifasica;

f. agitazione di detta miscela per consentire il trasferimento di detti quantum dot a detta soluzione per permettere lo scambio dei leganti idrofobici nativi con quelli idrofilici ridotti;

g. isolamento di detti quantum dot.

In una forma di realizzazione dell’invenzione, i quantum dot aggiunti al punto e) sono disciolti in un secondo solvente non miscibile con detto primo solvente; si ottiene quindi una miscela bifasica. In questa forma di realizzazione, quando detta miscela viene agitata nel punto f), i quantum dot si trasferiscono da detto secondo solvente alla soluzione del punto d), formando tipicamente una sospensione. Il secondo solvente viene quindi rimosso e la sospensione viene lavata con detto secondo solvente. Dopo aver separato i solventi, il primo solvente può essere rimosso e i QD isolati (punto g).

In una diversa forma di realizzazione, detti quantum dot aggiunti al punto e) si trovano in forma solida. In detta forma di realizzazione, l’agitazione della miscela (punto f) causa il trasferimento dei quantum dot in forma solida alla soluzione contenente i leganti idrofilici ridotti, formando tipicamente una sospensione. Tale sospensione può essere quindi lavata con un secondo solvente non miscibile con il primo solvente di detta soluzione. Dopo aver separato i solventi, il primo solvente può essere rimosso e i QD isolati (punto g).

Detto metodo consente la preparazione di quantum dot ricoperti con i leganti idrofilici e i controcationi desiderati, che possono poi essere solubilizzati in acqua o altro solvente polare.

Esempi di solventi polari nei quali detti QD possono essere solubilizzati sono acqua, metanolo, acetone, acetonitrile.

A seconda del catione di detta base o sale impiegati nel punto c) del metodo dell’invenzione, si possono ottenere quantum dot con caratteristiche di compatibilità differenti nei confronti dei solventi polari.

I QD ottenuti con il metodo della presente invenzione mantengono in gran parte le loro proprietà ottiche e sono stabili in soluzione per molto tempo.

Fa parte dello scopo della presente invenzione anche l’utilizzo dei quantum dot dell’invenzione come sonde/traccianti luminescenti in biologia e in diagnostica medica, come componenti di fotosensibilizzatori per la terapia fotodinamica, in materiali fotoassorbenti per celle solari e in materiali luminescenti per tecnologie di illuminazione e display.

La presente invenzione verrà ora descritta in dettaglio anche mediante esempi.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

Definizioni

Nel contesto della presente invenzione, il termine “quantum dot†si riferisce a un nanocristallo semiconduttore con proprietà ottiche ed elettroniche dipendenti dalla dimensione. Il termine “nanocristallo†à ̈ utilizzato nella presente invenzione come sinonimo di “quantum dot†.

Nel contesto della presente invenzione, “legante†si riferisce ad una molecola in grado di legarsi alla superficie di un quantum dot.

Figure

Figura 1. Spettri di assorbimento (linea continua) ed emissione (linea tratteggiata) di CdSe-5ZnS arancioni, ricoperti con TOP/TOPO in CHCl3(linee nere) e DHLA<–>/Na<+>in H2O (linee grigie). λecc= 485 nm.

Figura 2. Spettri di assorbimento (linee continue) ed emissione (linee tratteggiate) di CdSe-3ZnS verdi, ricoperti con TOP/TOPO in CHCl3(linee nere), ricoperti con DHLA<–>/Na<+>in H2O (linee grigio chiaro) e ricoperti con DHLA<–>/TMA<+>in H2O (linee grigio scuro). λecc= 420 nm.

Figura 3. Variazioni di assorbimento osservate in seguito all’aggiunta di resina BH4<–>(2 equivalenti) ad una soluzione di acido lipoico in metanolo (tempo totale di agitazione, 20 minuti).

Figura 4. a) Spettri di assorbimento di una soluzione di acido lipoico/DHLA in metanolo, prima (linea continua) e dopo (linea tratteggiata) l’aggiunta di TMAOH. La parte b) mostra un ingrandimento della regione spettrale relativa alla banda di assorbimento S–S con picco massimo a 330 nm.

Figura 5. a) Variazioni di assorbimento della soluzione di acido lipoico 20 minuti dopo l’aggiunta della base TMAOH (linea continua). b) Spettri dell’acido lipoico prima della riduzione (linea tratteggiata) e dopo la riduzione ed estrazione con la base (linea continua).

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Un quantum dot comprende un “nucleo†(core) di uno o più materiali semiconduttori, che può essere rivestito da un “guscio†(shell) di un secondo materiale semiconduttore. Un nucleo nanocristallino semiconduttore ricoperto da un guscio semiconduttore prende il nome di nanocristallo semiconduttore “nucleo/guscio†(coreshell). Il nucleo e/o il guscio possono essere un materiale semiconduttore inclusi, ma non limitati a, quelli del gruppo di materiali II-VI (ad esempio, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, MgTe e simili), III-V (ad esempio, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlAs, AIP, AlSb, AIS, e simili) e IV (ad esempio, Ge, Si, Pb e simili), e una loro lega o miscela, incluse le loro miscele ternarie e quaternarie.

Il nucleo può essere sintetizzato secondo la procedura pubblicata da Peng e collaboratori (Z. A. Peng, X. Peng, “Formation of High-Quality CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals Using CdO as Precursor†, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 183-184). La reazione di rivestimento con guscio può essere effettuata usando o la reazione e adsorbimento di strati ionici successivi (successive ion layer adsorption and reaction, SILAR) (J. J. Li, Y. A. Wang, W. Guo, J. C. Keay, T. D. Mishima, M. B. Johnson, X. Peng, “Large-Scale Synthesis of Nearly Monodisperse CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals Using Air-Stable Reagents via Successive Ion Layer Adsorption and Reaction†, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 12567-12575) oppure con l’approccio di iniezione dei precursori in un solo passaggio (M. A. Hines, P. Guyot-Sionnest, “Synthesis and Characterization of Strongly Luminescing ZnS-Capped CdSe Nanocrystals†, J. Phys. Chem, 1996, 100, 468-471; B. O. Dabbousi, J. Rodriguez-Viejo, F. V. Mikulec, J. R. Heine, H. Mattoussi, R. Ober, K. F. Jensen, M. G. Bawendi, “(CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots: Synthesis and Optical and Structural Characterization of a Size Series of Highly Luminescence Materials†, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 9463-9475). I nanocristalli semiconduttori nucleo/guscio si possono preparare in solventi organici non coordinanti e altobollenti utilizzando un approccio in due passaggi, nel quale un guscio relativamente spesso viene fatto crescere su nuclei nanocristallini sintetizzati nel primo passaggio. I nanocristalli risultanti sono ricoperti con leganti idrofobici, ad esempio TOPO (ossido di triottilfosfina), TOP (triottilfosfina), OlA (acido oleico), ODA (ottadecilammina) e/o HDA (esadecilammina); essi funzionano da agenti passivanti superficiali idrofobici, così da prevenire l’aggregazione delle particelle.

In particolare, nuclei di quantum dot più idonei per la presente invenzione sono CdSe, CdTe e CdS.

ZnS, CdS e ZnSe sono gusci di quantum dot particolarmente idonei per la presente invenzione.

Preferibilmente, il nucleo del QD à ̈ CdSe e il guscio à ̈ ZnS.

Il QD può variare nella dimensione e nello spessore del guscio a seconda del numero di monostrati del guscio. Preferibilmente, il numero di monostrati del guscio à ̈ 3 o 5.

In una forma di realizzazione preferita, i QD vengono preparati in un solvente organico non coordinante e altobollente utilizzando un approccio in due passaggi, nel quale un guscio relativamente spesso di ZnS viene fatto crescere su nuclei nanocristallini di CdSe sintetizzati nel primo passaggio. I nanocristalli risultanti sono ricoperti con TOPO (ossido di triottilfosfina) e TOP (triottilfosfina), OlA (acido oleico), ODA (ottadecilammina) e/o HDA (esadecilammina). Tali QD sono poi utilizzati nel punto e) del metodo dell’invenzione allo scopo di ottenere i quantum dot dell’invenzione.

Il quantum dot della presente invenzione à ̈ ricoperto con leganti idrofilici recanti un gruppo ditiolano ed un gruppo acido salificato e controcationi.

Un esempio schematico di un quantum dot dell’invenzione à ̈ riportato di seguito (M<+>= controcatione):

Preferibilmente, i leganti sono leganti basati sull’acido lipoico.

Più preferibilmente, il legante à ̈ l’acido lipoico, che à ̈ ridotto ad acido diidrolipoico (DHLA) in modo da potersi legare al quantum dot.

S OH Acido lipoico

S O HS HS OH Acido diidrolipoico (DHLA)

O

Il QD della presente invenzione à ̈ caratterizzato dall’essere solubile in solvente polare e, in particolare, dal fatto che la sua solubilità può essere modulata attraverso il tipo di funzionalizzazione superficiale. Infatti, a seconda del controcatione con il quale à ̈ funzionalizzata la superficie del QD, il QD à ̈ dotato di specifiche caratteristiche di compatibilità nei confronti di diversi solventi polari.

Più in dettaglio, à ̈ possibile regolare la solubilità dei QD variando il tipo di sale o base usato nel passaggio di estrazione (punto c) del metodo dell’invenzione, in particolare cambiando il controcatione di tale sale o base.

Rispetto ai metodi noti, il metodo dell’invenzione possiede infatti l’ulteriore vantaggio di consentire la modulazione della solubilità dei QD in diversi solventi polari semplicemente variando il tipo di base (e quindi di controcatione) da utilizzare nel metodo. In tal modo si evita lo sforzo di sintetizzare differenti QD con differenti leganti a seconda del solvente, come si fa nello stato dell’arte. E’ importante notare che l’utilizzo del metodo dell’invenzione non varia o altera in modo sostanziale le proprietà dei quantum dot funzionalizzati.

I quantum dot della presente invenzione sono ottenuti con il metodo descritto sopra, comprendente i punti a)-g), che à ̈ anch’esso un oggetto della presente invenzione. Tale metodo verrà ora descritto in maggiore dettaglio.

Nel punto a) di tale metodo, una resina caricata con BH4<–>viene aggiunta ad una soluzione del legante recante un gruppo ditiolano e un gruppo acido salificabile in un primo solvente.

Preferibilmente, detto primo solvente à ̈ scelto nel gruppo costituito da metanolo, etanolo o acqua.

Il rapporto molare fra il legante e BH4<–>nel punto a) à ̈ preferibilmente 1:2. La miscela ottenuta viene agitata per un tempo sufficiente per il legante per penetrare nella resina, reagire ed aderire alla resina. Detto tempo di agitazione à ̈ almeno 30 minuti, preferibilmente maggiore di 30 minuti.

La resina caricata con BH4<–>à ̈ disponibile in commercio e può essere acquistata o, alternativamente, preparata con metodi noti nella tecnica. Ad esempio, può essere preparata a partire da una resina a scambio anionico commerciale caricata con anioni Cl<–>, nella quale detti anioni vengono successivamente scambiati con anioni BH4<–>utilizzando una soluzione acquosa di NaBH4(N. M. Yoon, H. J. Lee, J. H. Ahn, J. Choi, “Selective reduction of alkyl halides with borohydride exchange resin-nickel acetate in methanol†, J. Org. Chem., 1994, 59, 4687-4688). Questa seconda opzione à ̈ economicamente più vantaggiosa.

Detta resina si trova preferibilmente sotto forma di granuli.

Nel punto b) il solvente viene rimosso e si ottiene la resina con il legante incorporato. Detta resina può essere eventualmente lavata con il solvente, allo scopo di rimuovere il legante non reagito e i prodotti di idrolisi del boroidruro.

Nel punto c) una base o un suo sale à ̈ aggiunta alla resina, preferibilmente in un rapporto compreso fra 1,2 e 4 equimolare rispetto al contenuto di BH4<–>della resina. La miscela viene agitata per un periodo di tempo appropriato per estrarre il legante ridotto dalla resina; preferibilmente tale periodo di tempo à ̈ di 30 minuti.

Quando viene usata una base, si tratta di una base di Bronsted. Preferibilmente à ̈ un idrossido.

Quando viene usato un sale, preferibilmente à ̈ un sale di triflato (CF3SO3<–>), bromuro (Br<–>) o perclorato (ClO4<–>).

Il catione di detta base o suo sale à ̈ scelto nel gruppo costituito da Na<+>, Li<+>, K<+>, Zn<++>, Fe<++>, Cu<++>, tetraalchilammonio C1-C8.

Quando il catione à ̈ un tetraalchilammonio C1-C8, à ̈ preferibilmente scelto nel gruppo costituito da tetrametilammonio (TMA<+>), tetraetilammonio (TEA<+>), tetra(nbutil)ammonio (TBA<+>) e tetra(n-ottil)ammonio (TOA<+>). Più preferibilmente, il catione à ̈ TBA<+>.

La resina viene quindi lavata con il solvente (punto d). Eventualmente, detto lavaggio con il solvente può essere ripetuto in modo da recuperare la maggior quantità possibile di legante ridotto; tutte le frazioni di solvente vengono poi riunite ed il solido residuo viene scartato.

Nel punto e) i quantum dot ricoperti con leganti idrofobici, ottenuti come descritto sopra, vengono aggiunti alla soluzione del punto d) contenente il legante ridotto.

La quantità di QD aggiunti al punto e) può variare fra 1/20000 e 1/30000 in termini di rapporto QD/legante, a seconda della dimensione del QD.

I quantum dot ricoperti con leganti idrofobici possono essere aggiunti alla soluzione del punto d) in forma solida oppure disciolti in un secondo solvente non miscibile con detto primo solvente.

Si ottiene pertanto una miscela bifasica.

Detta miscela viene agitata per consentire il trasferimento dei QD alla soluzione contenente il legante ridotto per permettere lo scambio dei leganti idrofobici nativi con i leganti idrofilici ridotti (punto f). Essa può essere ulteriormente agitata per un tempo opportuno, preferibilmente per una notte, al fine di ottenere un completo scambio dei leganti.

I QD ottenuti vengono quindi isolati (punto g).

L’isolamento dei QD può essere compiuto secondo le conoscenze generali dell’esperto nel ramo.

Ad esempio, nel caso in cui i QD siano aggiunti in forma solida, una volta che essi si trasferiscono alla soluzione contenente i leganti idrofilici ridotti, si forma tipicamente una sospensione. La sospensione può essere lavata con un secondo solvente non miscibile con il primo solvente di detta soluzione, al fine di rimuovere i QD non reagiti e i leganti idrofobici nativi. Dopo aver separato i solventi, il primo solvente può essere rimosso, preferibilmente a pressione ridotta, e i QD isolati.

In un altra forma di realizzazione esemplare, nel caso in cui i QD vengano aggiunti disciolti in un secondo solvente, non miscibile con il primo solvente, i QD, una volta trasferiti alla soluzione contenente i leganti idrofilici ridotti, formano tipicamente una sospensione. I solventi non miscibili vengono separati e la sospensione può essere trattata come descritto sopra.

Preferibilmente, detto secondo solvente à ̈ esano.

Vengono così ottenuti quantum dot ricoperti con leganti idrofilici e controcationi, secondo la presente invenzione.

Detti QD possono essere quindi disciolti in acqua o in altro solvente polare, ottenendo così una soluzione di QD.

Detta soluzione di QD può essere filtrata al fine di rimuovere possibili grandi aggregati. Ad esempio, si può utilizzare un filtro a siringa. Detta soluzione può essere ulteriormente purificata rimuovendo il legante ridotto in eccesso mediante cicli di diluizione/concentrazione. Preferibilmente, il numero di detti cicli à ̈ uguale a 3 ed à ̈ preferibilmente impiegato un filtro per centrifuga.

Si ottiene così una soluzione concentrata di quantum dot ricoperti con leganti idrofilici e controcationi.

Il metodo dell’invenzione sopra descritto à ̈ preferibilmente impiegato ad una temperatura compresa fra 20 e 60°C.

La concentrazione del legante nel punto a) Ã ̈ preferibilmente inferiore a 50 mM.

Il rapporto QD/legante à ̈ preferibilmente compreso fra 1/20000 e 1/30000.

In una forma di realizzazione preferita, il QD Ã ̈ funzionalizzato con acido diidrolipoico (DHLA) come legante ridotto e con Na<+>come controcatione.

In una forma di realizzazione più preferita, il QD à ̈ un QD con nucleo-guscio CdSe-ZnS ricoperto con DHLA<–>/Na<+>.

La presente invenzione fornisce anche un metodo per controllare la solubilità dei quantum dot, caratterizzato dal fatto che quando il solvente à ̈ acqua il gruppo acido del legante secondo l’invenzione à ̈ salificato con un controcatione scelto nel gruppo costituito da Na<+>, Li<+>, K<+>, TMA<+>, TEA<+>e TBA<+>.

La presente invenzione fornisce anche un metodo per controllare la solubilità dei quantum dot, caratterizzato dal fatto che quando il solvente à ̈ dimetilsolfossido (DMSO) il gruppo acido del legante secondo l’invenzione à ̈ salificato con TBA<+>.

La presente invenzione fornisce anche un metodo per controllare la solubilità dei quantum dot, caratterizzato dal fatto che quando il solvente à ̈ metanolo il gruppo acido del legante secondo l’invenzione à ̈ salificato con un controcatione scelto nel gruppo costituito da K<+>, TMA<+>, TEA<+>, TBA<+>e TOA<+>.

La presente invenzione fornisce anche un metodo per controllare la solubilità dei quantum dot, caratterizzato dal fatto che quando il solvente à ̈ acetonitrile il gruppo acido del legante secondo l’invenzione à ̈ salificato con un controcatione scelto nel gruppo costituito da TEA<+>e TBA<+>.

La presente invenzione fornisce anche un metodo per controllare la solubilità dei quantum dot, caratterizzato dal fatto che quando il solvente à ̈ acetone il gruppo acido del legante secondo l’invenzione à ̈ salificato con TBA<+>.

Il quantum dot della presente invenzione può essere utilizzato come sonda/tracciante luminescente per applicazioni biologiche in vitro; ad esempio, per analisi biochimiche.

In un’altra forma di realizzazione, i quantum dot dell’invenzione possono essere utilizzati come sonde/traccianti luminescenti in diagnostica medica e/o imaging in medicina.

In un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione, il quantum dot può essere utilizzato come componente di fotosensibilizzatori per terapia fotodinamica. La terapia fotodinamica à ̈ una forma di fototerapia impiegata per il trattamento di varie condizioni cliniche, in cui composti fotosensibili sono esposti alla luce in modo selettivo.

Un fotosensibilizzatore che comprende il quantum dot dell’invenzione rientra anch’esso nell’ambito della presente invenzione.

I quantum dot dell’invenzione possono anche essere inclusi in materiali fotoassorbenti; detti materiali possono essere utilizzati, ad esempio, per la costruzione di celle solari.

Un materiale fotoassorbente che comprende il quantum dot dell’invenzione costituisce anch’esso oggetto della presente invenzione.

In un’ulteriore forma di realizzazione, i quantum dot sono inclusi in materiali luminescenti, che possono essere impiegati in dispositivi per illuminazione e display. Per questa applicazione dei quantum dot si può fare riferimento a Y. Shirasaki, G. J. Supran, M. G. Bawendi, V. Bulovic, “Emergence of colloidal quantum-dot lightemitting technologies†, Nat. Photonics, 2013, 7, 13-23 e agli articoli in esso citati.

Un materiale luminescente che comprende il quantum dot dell’invenzione costituisce anch’esso un oggetto della presente invenzione.

Gli esempi che seguono illustrano ulteriormente l’invenzione.

ESEMPI

Esempio 1

Riduzione dell’acido lipoico e scambio di rivestimento (cap exchange) del quantum dot

La preparazione dei quantum dot à ̈ stata effettuata secondo il procedimento seguente:

1) La riduzione dell’acido lipoico à ̈ stata ottenuta mescolando 5,5 mg di acido lipoico (2,66×10<–5>mol) con 19 mg di resina BH4<–>(2,7 mmol di BH4<–>per g) in 500 µL di metanolo a 400 rpm per almeno 30 minuti. Agitando per un tempo più lungo si ottiene una riduzione migliore. Durante questo periodo, l’acido lipoico penetra nella resina, reagisce e resta legato ad essa.

2) Lo strato di metanolo à ̈ stato rimosso e i granuli sono stati lavati 3 volte con 500 µL di metanolo. Lo scopo di questa operazione à ̈ quello di eliminare l’acido lipoico non reagito e i prodotti di idrolisi del boroidruro.

3) Ai granuli sono stati aggiunti metanolo (500 µL) e NaOH (da 1,2 a 4 equivalenti rispetto al contenuto di BH4<–>). La miscela à ̈ stata posta sotto agitazione per 30 minuti in modo da estrarre l’acido lipoico ridotto dalla resina.

4) I granuli sono stati lavati per 2 volte con 200-300 µL di metanolo fresco, al fine di recuperare la maggior quantità possibile di legante ridotto. Tutte le frazioni di metanolo sono state riunite e il solido residuo à ̈ stato scartato.

5) La quantità desiderata di QD (un rapporto QD/acido lipoico compreso fra 1/20000 e 1/30000, a seconda della dimensione del QD) à ̈ stata disciolta in 1000 µL di esano. La soluzione dei QD à ̈ stata aggiunta alla provetta contenente il legante ridotto in metanolo, ottenendo così una miscela bifasica.

6) Il sistema bifasico à ̈ stato agitato ottenendo il rapido trasferimento dei QD dalla fase dell’esano a quella del metanolo. La risultante sospensione in metanolo appariva torbida. La miscela à ̈ stata mantenuta sotto agitazione durante la notte per consentire un completo scambio dei leganti idrofobici nativi con quelli nuovi idrofilici.

7) Lo strato dell’esano (decolorato) à ̈ stato rimosso e la sospensione in metanolo à ̈ stata lavata per 5 volte con esano (2 mL) in modo da rimuovere i nanocristalli non reagiti e i leganti idrofobici nativi.

8) Il solvente metanolo à ̈ stato rimosso a pressione ridotta e i QD asciutti restanti sono stati disciolti in acqua.

9) La miscela à ̈ stata fatta passare prima attraverso un filtro a siringa (dimensione dei pori 0,46 µm) per eliminare eventuali grandi aggregati, ed à ̈ stata successivamente purificata con 3 cicli di diluizione/concentrazione con un filtro per centrifuga (Millipore, 30 kDa, 7000 rpm, 12 minuti per ciascun ciclo) allo scopo di eliminare l’eccesso di acido diidrolipoico libero (B. C Mei, K. Susumu, I. L. Medintz, H. Mattoussi, “Polyethylene glycol-based bidentate ligands to enhance quantum dot and gold nanoparticle stability in biological media†, Nat. Protoc., 2009, 4, 412-423). Alla fine si ottiene una soluzione acquosa di QD relativamente concentrata (da 5 a 10 µM).

La resina caricata con boroidruro à ̈ stata preparata seguendo i protocolli riportati in letteratura (N. M. Yoon, H. J. Lee, J. H. Ahn, J. Choi, “Selective reduction of alkyl halides with borohydride exchange resin-nickel acetate in methanol†, J. Org. Chem., 1994, 59, 4687-4688). La quantità di BH4<–>caricata, determinata mediante titolazione acida, à ̈ in accordo con quanto riportato per una resina caricata con boroidruro commerciale (Sigma-Aldrich, Borohydride on Amberlite<®>IRA-400, numero di catalogo: 328642). In tutti i casi, à ̈ stata utilizzata una resina caricata con 2,7 mmol di BH4<–>per grammo di resina.

La funzionalizzazione con DHLA<–>/Na<+>utilizzando la metodologia sopra descritta ha consentito di disciogliere in acqua diversi tipi di nanocristalli semiconduttori “nucleo†e “nucleo-guscio†. Utilizzando QD nucleo-guscio di CdSe-ZnS ricoperti con DHLA<–>/Na<+>di varie dimensioni e diversi spessori del guscio (3 e 5 monostrati) sono state ottenute soluzioni acquose limpide che sono risultate stabili per almeno 3 mesi. E’ stato osservato soltanto un minimo spostamento nella lunghezza d’onda dei picchi di assorbimento e di emissione rispetto ai QD idrofobici iniziali, ad indicazione dell’assenza di fenomeni di aggregazione e del fatto che i prodotti finali mantengono le proprietà spettroscopiche. L’efficienza di luminescenza dei QD finali in soluzione acquosa à ̈ il 30-50% di quello delle nanoparticelle di partenza in solvente organico, come ampiamente riportato in letteratura (A. R. Clapp, E. R. Goldman, H. Mattoussi, “Capping of CdSe–ZnS quantum dots with DHLA and subsequent conjugation with proteins†, Nat. Protoc., 2006, 1, 1258-1266). Abbiamo trovato che i nuclei di QD CdSe dopo il trasferimento di fase non emettono, di nuovo in accordo con quanto noto in letteratura. Il tempo necessario per il trasferimento completo dalla fase in esano alla fase in metanolo, la solubilità e la stabilità in acqua dei QD idrofilici e le proprietà fotofisiche delle soluzioni acquose sono elencati nella Tabella 1.

Tabella 1

Tempo per Spostamento Spostamento il trasferi- Solubilità Stabilità in del picco di del picco di mento di in H2O H2O assorbimento emissione fase (min) (nm) (nm) CdSe-3ZnS

< 1 Sì ≈ 3 mesi<b,c>0 nm 1 nmverdi

CdSe-5ZnS

< 1 Sì ≈ 3 mesi<b,c>0nm 1-2nmarancioni

CdSe-3ZnS

ros 1)< 1 Sì ≈ 3 mesi<b,c>1 nm 0 nm

si(

CdSe-3ZnS

< 1 Sì ≈ 3 mesi<b,c>2 nm 1 nmrossi(2)

Proprietà fotofisiche di diversi nanocristalli semiconduttori ricoperti con DHLA<–>/Na<+>in acqua. CdSe-ZnS rossi (1) e (2) sono stati preparati in due reazioni diverse. Diametro delle particelle: CdSe-3ZnS verdi, 4,6 nm; CdSe-5ZnS arancioni, 6,6 nm; CdSe-3ZnS rossi(1), 5,9 nm; CdSe-3ZnS rossi(2), 5,4 nm.<b>Col tempo un solido di colore rosso si separa dalla soluzione, probabilmente a causa della protonazione dell’acido lipoico sulla superficie dei QD, come confermato dalla rapida dissoluzione del precipitato aggiungendo NaOH.<c>Il solido mostrava una luminescenza quando esposto alla lampada UV.

I QD ottenuti sono stati confrontati con QD CdSe-5ZnS arancioni ricoperti con TOP/TOPO, cioà ̈ i QD ricoperti con i leganti idrofobici nativi. La figura 1 mostra gli spettri di assorbimento ed emissione di CdSe-5ZnS arancioni ricoperti con DHLA<–>/Na<+>in acqua, confrontati con CdSe-5ZnS arancioni ricoperti con TOP/TOPO in CHCl3. Come appare dalla figura 1, lo spettro di assorbimento dei QD CdSe-5ZnS ricoperti con DHLA<–>/Na<+>rimane invariato rispetto a quello dei QD ricoperti con TOP/TOPO, confermando così che i QD funzionalizzati sono integri e le loro proprietà di assorbimento non sono state modificate. Lo spettro di emissione ha un’intensità inferiore rispetto a quella dei QD ricoperti con TOP/TOPO, come previsto e già noto in letteratura per QD ricoperti con leganti idrofilici.

Esempio 2

Effetto dell’anione del sale usato per estrarre DHLA dalla resina

E’ stata esaminata l’influenza della natura dei controanioni del sale di sodio usato per l’estrazione dell’acido lipoico ridotto (DHLA) dalla resina (punto 3 del protocollo dell’esempio 1). Il procedimento per la preparazione dei QD era lo stesso di quello riportato nell’esempio 1. Al posto dell’idrossido di sodio discusso nel punto 3 del protocollo dell’esempio 1, sono stati utilizzati diversi sali di sodio. In questi esperimenti sono stati utilizzati nanocristalli nucleo-guscio CdSe-ZnS. I risultati sono elencati nella Tabella 2.

Tabella 2

Spostamento Spostamento Trasfe-Sale di Solubilità del picco di del picco di rimento

sodio in H assorbimento emissione

di fase2O

(nm) (nm)

NaCl No No / /

<NaBH>4 No No / /

NaBr Sì Sì 1 nm 2 nm

<Na>2<CO>3 Sì Sì 1 nm 2 nm

<CH>3<COONa>Sì Sì 2 nm 2 nm

<NaCF>3<SO>3 Sì Sì 2 nm 1 nm

<NaClO>4 Sì Sì 0 nm 1 nm

NaOH Sì Sì 0 nm 2 nm

Proprietà fotofisiche di QD CdSe-5ZnS ricoperti con DHLA<–>/Na<+>in acqua, estratti dalla resina usando diversi sali sodici.

Nessun trasferimento di fase à ̈ stato osservato utilizzando NaCl o NaBH4nella fase di estrazione. Il carbonato e l’acetato di sodio danno un’estrazione incompleta del legante DHLA e di conseguenza uno scambio di leganti parziale. I sali di triflato, bromuro e perclorato danno un’estrazione completa, pertanto consentono di ottenere nanocristalli con scambio di leganti dotati di stabilità in acqua e proprietà fotofisiche simili a quelle ottenute utilizzando l’idrossido di sodio. Con il bromuro di sodio si ottiene uno scambio completo del rivestimento, ma à ̈ necessario agitare per più tempo.

Esempio 3

Effetto del catione della base o del sale usati per estrarre DHLA dalla resina: modulazione della solubilità

Nell’estrazione (punto 3) sono stati impiegati diversi tipi di sali e di idrossidi, ottenendo risultati differenti. Sono stati effettuati numerosi esperimenti di scambio di rivestimento seguendo il protocollo riportato nell’esempio 1. Diversi ioni metallici alcalini e ioni tetraalchilammonio sono stati utilizzati con successo come cationi dei sali e degli idrossidi. I risultati di questi esperimenti sono raccolti nella Tabella 3.

Tabella 3

Spostamento Spostamento Trasferimento Solubilità del picco di del picco di di fase in H2O assorbimento emissione (nm) (nm)

LiOH Sì Sì 0 nm 1 nm

NaOH Sì Sì 0 nm 2 nm

KOH Sì Sì 4 nm 3 nm

TMAOH Sì Sì 0 nm 0 nm

TEANO3Sì Sì 2 nm 2 nm TBAOH<a>Sì Sì<b>0 nm 5 nm

Proprietà fotofisiche di QD CdSe-ZnS ricoperti usando DHLA<–>e differenti controcationi in acqua. TMA<+>= tetrametilammonio, TEA<+>= tetraetilammonio, TBA<+>= tetra(n-butil)ammonio.<a>TBAPF6dà gli stessi risultati.<b>Sospensioni acquose limpide, ma à ̈ stato rilevato un fondo negli spettri di assorbimento.

La figura 2 mostra gli spettri di assorbimento ed emissione di QD ricoperti con DHLA<–>e Na<+>oppure TMA<+>come controcationi. Come per l’esempio 1, gli spettri di assorbimento non cambiano, a conferma dell’integrità dei QD, mentre gli spettri di emissione dei QD funzionalizzati hanno un’intensità più bassa.

QD ricoperti con lo stesso gruppo di ancoraggio (DHLA<–>) e controcationi differenti (ad esempio, Na<+>, TMA<+>ecc.) mostrano caratteristiche di solubilità diverse. I dati relativi alla solubilità sono elencati nella tabella 4, in comparazione con quelli dei QD idrofobici nativi ricoperti con TOPO.

Tabella 4

<b,d>Li<+ a,e>Na<+ a,d>K<+ c,d>T<+ b,g a,h a,d>MA TEA TBA TOA TOPO QD

<Esano>No No No No No No No Sì

<Toluene>Sì No No No / No No Sì

<CHCl>3 Sì Sì No / / Sì No Sì

<THF>/ Sì No No / Sì No Sì

<Acetone>/ No No No No Sì No No

<Acetonitrile>/ No No No Sì Sì No No

<Metanolo>No No Sì Sì Sì Sì Sì No

<DMSO>/ No No / No Sì No No

<Acqua>Sì Sì Sì Sì Sì Sì No No

Caratteristiche di solubilità di QD<a>CdSe-3ZnS rossi(2),<b>CdSe-3ZnS (7,5 nm) e<c>CdSe-3ZnS (5,7 nm) ricoperti con DHLA<–>e differenti controcationi. TMA<+>= tetrametilammonio, TEA<+>= tetraetilammonio, TBA<+>= tetra(n-butil)ammonio, TOA<+>= tetra(n-ottil)ammonio.<d>Da idrossido;<e>da idrossido, perclorato e bromuro;<f>da triflato;<g>da nitrato;<h>da idrossido e PF6<–>. DMSO = Dimetilsolfossido. THF = Tetraidrofurano. I risultati riportati nella tabella 4 mostrano che utilizzando la stessa procedura di scambio di copertura e lo stesso agente di copertura (DHLA) à ̈ possibile modulare la solubilità dei QD cambiando il tipo di sale/base impiegato nella fase di estrazione. I cationi alcalini come Li<+>, Na<+>e K<+>permettono la solubilizzazione dei QD principalmente in acqua o in metanolo. QD-DHLA<–>recanti cationi ammonio con catene alchiliche corte, come TMA<+>, sono solubili in metanolo e in acqua. Cationi tetraalchilammonio con catene alchiliche più lunghe danno QD che sono maggiormente compatibili con solventi organici. Ad esempio, TEA<+>consente la solubilizzazione dei QD in acetonitrile, oltre che in acqua e in metanolo. L’uso di TBA<+>consente la solubilizzazione in un’ampia gamma di solventi, ma in questo caso i QD sono meno solubili in acqua, a causa del fatto che la superficie dei nanocristalli reca lunghe catene alchiliche idrofobiche. I QD ricoperti con TOA<+>sono solubili solo in metanolo. Le proprietà spettroscopiche dei QD, tuttavia, vengono mantenute nella dispersione finale, con spostamenti dei picchi di emissione e di assorbimento non superiori a 5 nm.

Esempio 4

Riduzione dell’acido lipoico: misure spettrofotometriche

La riduzione dell’acido lipoico à ̈ stata studiata osservando la variazione della banda di assorbimento del S–S a 330 nm. 2,5 mL di una soluzione di acido lipoico in metanolo (1,6×10<–2>M) sono stati introdotti in una cella spettrofotometrica insieme ad una determinata quantità di resina boroidruro (2 equivalenti di BH4<–>). La soluzione à ̈ stata posta sotto agitazione. Le variazioni nell’assorbimento sono mostrate nella figura 3.

Le variazioni di assorbimento mostrate nella figura 3, in particolare la diminuzione della banda a 330 nm, possono essere prese ad indicazione dell’avvenuta riduzione dell’acido lipoico da parte della resina. In aggiunta, si può notare che anche la banda a 230 nm, inizialmente fuori scala, decresce. Poiché questa banda à ̈ presente anche nella forma ridotta dell’acido lipoico (G. Bucher, C. Lu, W. Sander, “The Photochemistry of Lipoic Acid: Photoionization and Observation of a Triplet Excited State of a Disulfide†, ChemPhysChem, 2005, 6, 2607-2618), la sua diminuzione suggerisce che il DHLA sia chemi-adsorbito all’interno della resina, molto probabilmente a causa dell’interazione fra il residuo carbossilato dell’acido lipoico e le porzioni ammonio della resina.

Questa ipotesi trae supporto dal fatto che la banda a 230 nm viene immediatamente recuperata in seguito all’aggiunta di base (idrossido di tetrametilammonio, TMAOH), mentre la banda a 330 nm mostra solo un leggero recupero (Figura 4). Tali osservazioni indicano che il TMAOH causa il rilascio dell’acido lipoico ridotto (DHLA<–>) dalla resina.

In seguito ad agitazione, l’assorbanza a 330 nm torna ad aumentare, raggiungendo un valore massimo dopo 20 minuti, per via del rilascio di acido lipoico non reagito dalla resina (Figura 5a). Confrontando l’intensità dell’assorbimento a 330 nm dopo 20 minuti con l’intensità iniziale (figura 5b) si può stimare che la resa della riduzione dell’acido lipoico à ̈ circa 90%.

1/2

FIGURA 1 FIGURA 2

2/2

FIGURA 3 FIGURA 4 FIGURA 5

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un quantum dot funzionalizzato con leganti recanti un gruppo ditiolano e un gruppo acido salificato con controcationi, in cui detti controcationi sono scelti nel gruppo costituito da Na<+>, Li<+>, K<+>, Zn<++>, Fe<++>, Cu<++>, tetraalchilammonio C1-C8.
2. 2. Il quantum dot secondo la rivendicazione 1, in cui detto controcatione à ̈ un tetraalchilammonio C1-C8scelto nel gruppo costituito da tetrametilammonio (TMA<+>), tetrabutilammonio (TBA<+>), tetraetilammonio (TEA<+>) e tetraottilammonio (TOA<+>).
3. 3. Il quantum dot secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-2, in cui detto gruppo acido salificato à ̈ scelto nel gruppo costituito da un gruppo carbossilato, solfonato e fosfato, preferibilmente à ̈ un gruppo carbossilato.
4. 4. Il quantum dot secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui detti leganti sono leganti basati sull’acido lipoico.
5. 5. Il quantum dot secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, che à ̈ un quantum dot nucleo-guscio CdSe-ZnS.
6. 6. Il quantum dot secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, in cui detto legante à ̈ DHLA e detto controcatione à ̈ Na<+>.
7. 7. Il quantum dot secondo la rivendicazione 1, che à ̈ un quantum dot nucleo-guscio CdSe-ZnS ricoperto con DHLA<–>/Na<+>.
8. 8. Un metodo per la preparazione del quantum dot di una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7 comprendente i seguenti passaggi: a. aggiunta di una resina caricata con BH4<–>ad una soluzione di un legante recante un gruppo ditiolano e un gruppo acido salificabile in un primo solvente, detto solvente che scioglie detto legante e non scioglie detta resina; b. rimozione di detto solvente per ottenere la resina con il legante attaccato; c. aggiunta di una soluzione di una base o di un suo sale a detta resina, in cui il catione di detta base o sale à ̈ scelto nel gruppo costituito da Na<+>, Li<+>, K<+>, Zn<++>, Fe<++>, Cu<++>, tetraalchilammonio C1-C8, ed agitazione per estrarre il legante ridotto dalla resina; d. lavaggio della resina con detto primo solvente per ottenere una soluzione contenente detto legante ridotto; e. aggiunta di quantum dot ricoperti con leganti idrofobici, detti quantum dot essendo in forma solida o sciolti in un secondo solvente non miscibile con detto primo solvente, alla soluzione del punto d), ottenendo così una miscela bifasica; f. agitazione di detta miscela per consentire il trasferimento di detti quantum dot a detta soluzione per permettere lo scambio dei leganti idrofobici nativi con quelli idrofilici ridotti; g. isolamento di detti quantum dot.
9. 9. Il metodo secondo la rivendicazione 8 che comprende ulteriormente il passaggio di solubilizzazione di detti quantum dot ottenuti in un solvente polare, preferibilmente acqua.
10. 10. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-9, in cui detto primo solvente à ̈ metanolo, etanolo o acqua.
11. 11. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-10, in cui detta base del punto c) Ã ̈ una base di Bronsted, preferibilmente un idrossido.
12. 12. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-11, in cui detto sale del punto c) à ̈ un sale triflato (CF3SO3<–>), bromuro (Br<–>) o perclorato (ClO4<–>).
13. 13. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-12, in cui detto catione di detta base o sale del punto c) à ̈ un catione tetraalchilammonio C1-C8ed à ̈ scelto nel gruppo costituito da tetrametilammonio (TMA<+>), tetraetilammonio (TEA<+>), tetra(n-butil)ammonio (TBA<+>) e tetra(n-ottil)ammonio (TOA<+>).
14. 14. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-13, in cui detto secondo solvente à ̈ esano.
15. 15. Uso del quantum dot di una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7 come sonda/tracciante luminescente per applicazioni biologiche in vitro.
16. 16. Il quantum dot secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7 per uso come sonda/tracciante luminescente in diagnostica medica e imaging in medicina.
17. 17. Il quantum dot secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7 per uso come un componente di fotosensibilizzatori per la terapia fotodinamica.
18. 18. Fotosensibilizzatore che comprende il quantum dot secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7.
19. 19. Materiale fotoassorbente che comprende il quantum dot secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7 per la produzione di celle solari.
20. 20. Materiale luminescente che comprende il quantum dot secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7 per dispositivi di illuminazione e display.