JP2008534424A - Ｃｄｔｅ／ｇｓｈコア−シェル量子ドット - Google Patents

Abstract

量子ドットが提供され、各ドットは、ＣｄＴｅを含むコアと、ＧＳＨを含み、該コアを覆うシェルとを有する。当該量子ドットは、該コアを形成するためのテルリド（Ｔｅ）前駆体及びカドミウム（Ｃｄ）前駆体、並びに該コアを覆うシェルを形成するためのグルタチオン（ＧＳＨ）を含有する溶液中で形成され得る。該コアは、該溶液中で成長するＣｄＴｅナノ結晶を含み得る。該ナノ結晶の成長は制限され得る。当該量子ドットは、高い蛍光発光量子収率（例えば、約４５％まで）及び小さなサイズ（例えば、約３．８ｎｍから約６ｎｍまで）を有し得る。
【選択図】図１

Description

（関連出願に対する相互参照）
本願は、２００５年３月３１日に出願された米国仮出願番号第６０／６６６，７３１号の利益を主張するものであり、その内容は、本明細書中に参考として援用される。

（発明の分野）
本発明は、量子ドットに関する。

（発明の背景）
量子ドット（ＱＤ）は、用途が広く、そして現在市販されている。例えば、ＱＤは、光電子及び光起電力デバイス、電気通信ネットワークのための光増幅器媒体、並びに生体標識において有用であり得る。

代表的には、ＱＤは、半導体コア（核）及びこのコアの外側の半導体シェル（殻）を有する、ナノ結晶粒子である。ＱＤのサイズは、代表的には、２ｎｍから２０ｎｍまでである。ＱＤは、そのサイズが小さいために、十分に規定された蛍光発光スペクトルを有する。従来より、ＱＤは、チオールシェルを有し得、そしてしばしば、適切な材料（例えば、ポリマー及びシリカ）で被覆されている。このシェル及びポリマー被覆は、代表的には、ＱＤの特性（例えば、光学特性、安定性、及び別の物体に対するＱＤのアフィニティー）を改善又は変更するために使用される。例えば、シェル及び被覆は、ＱＤの蛍光量子収率を改善し得る。量子収率は、吸収された光子１個あたりの放出された光子の数であり、そしてしばしば臨界特性である（例えば、ＱＤが標識として使用される場合）。

しかし、従来のＱＤは、いくつかの欠点を有する。ポリマー被覆されたＱＤは、サイズがより大きく、従って用途が限定される。チオールシェルのみを有するＱＤは、サイズがより小さい一方、これらは、代表的には、蛍光量子収率及び長期の安定性という観点からすれば、ポリマー被覆されたＱＤと比較して、劣っている。

例えば、チオールでキャップされたＣｄＴｅのＱＤは、非特許文献１（この内容は、本明細書中に参考として援用される）において開示されているような水溶液合成技術により形成され得る。しかし、これらのチオールでキャップされたＱＤに関する問題点は、それらが低い量子収率（代表的には、１％〜１０％の範囲）を有することである。この量子収率は、種々の形成後処理（例えば、光化学エッチング、サイズ選択的沈殿及び長期照明）により改善され得るが、この精製された又は活性化されたＱＤは、これらの処理の間に凝集する傾向を有し、従って、より大きなサイズの粒子を形成する。

ＣｄＳｅのＱＤは、非特許文献２（この内容は、本明細書中に参考として援用される）において報告されているように、水中で、グルタチオンを安定化分子として用いて合成されている。しかし、Ｂaｕｍｌｅにおいて開示された技術に関する問題点は、ＣｄＳｅのＱＤが、１６％という比較的低い量子収率を有することである。この技術に関する別の問題点は、調製されたＱＤが、狭い範囲の波長においてしか調節可能でないことである。その理由は、形成されたＱＤは、それらが約３ｎｍよりも大きなサイズに成長した場合に、凝集する傾向があるからである。

Ｎｉｋｏｌａｉ Ｇａｐｏｎｉｋら（「Ｇａｐｏｎｉｋ」）、"Ｔｈｉｏ−ｃａｐｐｉｎｇ ｏｆ ＣｄＴｅ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ：Ａｎ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｔｏ Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｒｏｕｔｅｓ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｂ，第１０６巻、７１７７頁−７１８５頁，２００２ Ｍｏｎｉｋａ Ｂaｕｍｌｅら（「Ｂaｕｍｌｅ」）、"Ｈｉｇｈｌｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ−Ｃｏａｔｅｄ ＣｄＳｅ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ：Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｗａｔｅｒ，Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ"，Ｌａｎｇｍｕｉｒ，第２０巻，３８３８頁〜３８３１頁、２００４

従って、比較的サイズが小さく、かつ量子収率の高いＱＤが必要である。これらの特性を有するＱＤ及び広範囲の波長にわたって調節可能なＱＤを調製するための方法及び溶液もまた必要である。

（発明の要旨）
本発明の局面に従って、量子ドットを合成する方法が提供される。この方法では、テルリド（Ｔｅ）前駆体及びカドミウム（Ｃｄ）前駆体を含有する溶液が提供される。ＣｄＴｅを含むナノ結晶は、この溶液中で成長する。グルタチオン（ＧＳＨ）もまた、この溶液中に導入され、ナノ結晶を覆うシェルを形成する。このナノ結晶及びシェルは量子ドットを形成し、各ドットは、ＣｄＴｅを含むコア及びＧＳＨを含むシェルを有する。

本発明の別の局面に従って、ナノ結晶コア及びこのコアを覆うシェルを有する量子ドットが提供される。上記コアは、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む。上記シェルは、グルタチオン（ＧＳＨ）を含む。

本発明の更なる局面に従って、量子ドットを形成するための溶液が提供され、各ドットはＣｄＴｅコア及びＧＳＨシェルを有する。この溶液は、ＣｄＴｅコアを形成するためのテルリド（Ｔｅ）前駆体及びカドミウム（Ｃｄ）前駆体、並びにこのＣｄＴｅコアを覆うシェルを形成するためのグルタチオン（ＧＳＨ）を含有する。

本発明のなお別の局面に従って、量子ドットを合成する方法が提供される。この方法では、量子ドットは、テルリド（Ｔｅ）前駆体、カドミウム（Ｃｄ）前駆体、及びグルタチオン（ＧＳＨ）を含有する溶液中で形成され、その結果、量子ドットの各々は、ＣｄＴｅを含むコア及びＧＳＨを含むシェルを有する。

有利なことに、上記量子ドットは、約１６％よりも高い（例えば、約４５％までの）蛍光量子収率を有し得る。上記量子ドットはまた、約３．８ｎｍから約６ｎｍまでの範囲の直径を有し得る。

本発明の他の局面及び特徴は、添付の図面とともに以下の本発明の具体的な実施形態の記載を精査すれば、当業者に明らかとなるであろう。

（図面の簡単な説明）
図面において、これら図面は、ほんの一例として、本発明の実施態様を説明する。

（詳細な説明）
図１は、本発明の典型的な実施形態である量子ドット（ＱＤ）１０を例示する。量子ドットはまた、種々の他の名称（例えば、ナノ結晶、ナノ粒子及び量子ビット）で指称される。

量子ドット１０は、コア１２及びシェル１４を有する。コア１２は、半導体ナノ結晶（例えば、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ））を含み、これは、閃亜鉛鉱の格子構造を有し得る。コア１２は、約２．８ｎｍから約５ｎｍまでの直径を有する。シェル１４は、安定化剤であるグルタチオン（ＧＳＨ）を含み、そして約０．５ｎｍの厚さを有する。従って、ＱＤ１０の外径は、約３．８ｎｍ〜約６ｎｍである。

当業者に理解され得るように、ＱＤのサイズは、種々の技術（従来技術（例えば、Ｘ線回析（ＸＲＤ））が挙げられる）を用いて測定され得る。ＱＤのサイズはまた、蛍光発光ピーク波長とナノ結晶サイズとの間の公知の関係に基づいて、推定され得る。このＸＲＤアプローチはより正確であり得る一方で、発光ピークアプローチはまた、信頼性があり得、そしてより簡便であり得る。技術の例は、Ｘ．Ｍｉｃｈａｌｅｔら、“Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔｓ ｆｏｒ Ｌｉｖｅ Ｃｅｌｌｓ，ｉｎ Ｖｉｖｏ Ｉｍａｇｉｎｇ，ａｎｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ，第３０７巻、５３８頁〜５４１頁、２００５に記載されており、その内容は、本明細書中に参考として援用される。

コア中のＣｄ：Ｔｅのモル比は、約２．５：１から約３．５：１まで変動し得る。この比は、コアサイズとともに変動し得る。例えば、コアが約４ｎｍの直径を有する場合、この比は、約３．３：１である。

量子ドット１０は、約１６％よりも高い（例えば、約４５％までの）蛍光量子収率を有する。ＱＤ１０の量子収率は、約２０％から約２５％までであり得、発光ピーク波長は、約５２０ｎｍ〜約６２０ｎｍの範囲である（例えば、ＱＤ１０がＴｅ前駆体としてＮａＨＴｅを用いて形成される場合）。ＱＤ１０の量子収率はまた、約３０％から約４５％までであり得、発光ピーク波長は、約５００ｎｍ又は約５２０ｎｍから約６２０ｎｍまでの範囲である（例えば、ＱＤ１０がＴｅ前駆体としてＨ_２Ｔｅを用いて形成される場合）。上述のように、量子収率は、吸収された光子１個あたりの放出された光子の数である。量子収率は、任意の適切な技術を用いて測定され得る。適切な技術は、当業者に公知である。例えば、フルオレセインは、従来より、参照標準として使用されている。ピークバンド幅は、約３０ｎｍから約５２ｎｍまでである。正しく理解され得るように、このピークバンド幅とは、当該ピークに基づく半値全幅（ＦＷＨＭ）をいう。

本発明の実施形態に例示的なプロセスに従い、量子ドット１０は、溶液から形成され得、この溶液は、テルリド（Ｔｅ）前駆体、カドミウム（Ｃｄ）前駆体、及びグルタチオンを含有する。この例示的なプロセスでは、Ｔｅ及びＣｄ前駆体は、ＣｄＴｅナノ結晶を形成するために溶液中に提供され、そしてＧＳＨは、上記ナノ結晶を覆うシェルを形成するために当該溶液に導入される。この溶液は、水性であり得る（即ち、水を溶媒として有する）。以下にさらに議論されるように、この溶液は加熱されてナノ結晶の成長を促進し得る。

溶液中でのＣｄ、Ｔｅ及びＧＳＨのモル比は、変動し得る。例えば、Ｃｄ：Ｔｅのモル比は、約３：１から約７：１まで変動し得、そしてＴｅ：ＧＳＨのモル比は、約１：２から約１：１０まで変動し得る。このモル比は、生じるＱＤの特性及びこのＱＤを形成するのに必要とされる時間に影響し得る。このモル比が約５：１：５（Ｃｄ：Ｔｅ：ＧＳＨ）であれば有利であり得る。その理由は、生じたＱＤが、比較的高い量子収率を有し得るからである。Ｔｅ前駆体及びＣｄ前駆体は、互いに反応してコア１２を形成するのに適した任意の化学化合物であり得る。例えば、Ｔｅ前駆体は、テルル化水素ナトリウム（ＮａＨＴｅ）若しくはテルル化水素（Ｈ_２Ｔｅ）、又はこれら両方の組み合わせを含み得る。Ｈ_２ＴｅをＴｅ前駆体として使用することは有利であり得る。その理由は、生じたＱＤが、ＮａＨＴｅをＴｅ前駆体として用いて合成されたＱＤよりも良好な性質（例えば、より高い量子収率）を有し得るからである。Ｃｄ前駆体としては、水溶性のＣｄ塩（例えば、塩化カドミウム（ＣｄＣｌ_２）、過塩化カドミウム、酢酸カドミウム等、又はこれらの任意の組み合わせ）が挙げられ得る。この溶液は、約１１．０を超えるｐＨ値を有する。約１１．２から約１１．８まで（例えば、約１１．５）のｐＨ値を有することは有利であり得る。

溶液は、２種の前駆体溶液（各々は、２種の前駆体のうち一方又は他方をそれぞれ含有する）を混合することにより調製され得る。例えば、この溶液は、Ｃｄ前駆体溶液とＴｅ前駆体溶液とを混合することにより調製され得る。この前駆体溶液のうち、一方はまた、得られる溶液にＧＳＨを導入するために、ＧＳＨを含有し得る。これら前駆体溶液は、「ワンショット（１回限りの）」混合により混合され得る。他の混合技術（例えば、滴下混合）もまた、使用され得る。しかし、「ワンショット」混合技術を適用することは有利であり得る。その理由は、「ワンショット」混合技術が、改善された結果（例えば、より高い量子収率及びより狭いバンド幅）を生じ得るからである。「ワンショット」混合により、滴下混合よりも狭い初期粒子サイズ分布が生じ得ることが見出された。正しく理解され得るように、ナノ結晶の狭いサイズ分布は有利であり得る。

当業者により理解され得るように、前駆体の混合はまた、前駆体を（例えば、Ｈ_２ＴｅをＴｅ前駆体として）含有するガスを、別の前駆体（例えば、Ｃｄ前駆体）を含有する溶液に通気することにより、実行され得る。以下に明らかになるように、この様式で前駆体の混合物を調製することは有利であり得る。

理解されるように、ＣｄＴｅナノ結晶は、前駆体を適温で混合すると、溶液中で自己集合により形成しそして成長し得る。グルタチオンシェルは、ＣｄＴｅナノ結晶コアの形成直後に、新しく形成されたナノ結晶の表面に結合することにより、形成し得る。代表的には、このシェルは、グルタチオンの単層を含み、その厚さは約０．５ｎｍである。このシェルが形成された後、コアはさらに成長し得る。その理由は、Ｃｄ及びＴｅイオンがこのシェルを通して貫通又は浸透し得るからである。従って、ナノ結晶は、適切な条件下で成長し続ける。このことは、当業者に理解され得る。例えば、制限内で、より高温で、ナノ結晶はより迅速に成長する。従って、成長温度及び成長時間を調節することにより、形成されるＱＤのサイズは制御され得、換言すれば、蛍光発光ピークは調整され得る。

溶液は、選択された期間、適温に加熱され得る。例えば、Ｃｄ前駆体溶液及びＴｅ前駆体溶液の混合物を含有する水溶液は、約９０分までの間、約９５℃に加熱され、ＱＤを形成し得る。加熱温度は、変動し得、そして特定の適用において、当業者により容易に決定され得る。例えば、この加熱温度は、この溶液の沸騰温度により制限される。水溶液に関しては、加熱温度は、標準的な条件では、約１００℃未満であるはずである。

成長温度が十分に高い温度（例えば、約９５℃）に維持されている場合、ナノ粒子は、比較的高速で成長し続け得る。この溶液の温度が、例えば、室温未満にまで低下すると、成長速度は顕著に低下し得る。従って、加熱時間は、形成された量子ドットの、得られるサイズを制御するように選択され得る。いくつかの実施形態では、約９０分未満の加熱時間が適切であり得る。任意の特定の適用における特定の加熱時間は、種々の要因（例えば、加熱温度、溶液の内容物、最終的なＱＤの所望のサイズ等）に応じて算定され得る。加熱時間は、ナノ結晶の成長を制限するように選択され得、その結果、生じる量子ドットは、約２．８ｎｍから約５ｎｍまでのコア直径（上記コアの直径）を有する。加熱時間はまた、コア直径が約４ｎｍの平均直径を有するように選択され得る。形成される量子ドットの外径は、加熱時間に依存して、約４ｎｍから約６ｎｍまで変動し得る。正しく理解され得るように、加熱時間はまた、ナノ結晶の成長を制限するように選択され得、その結果、形成される量子ドットは、選択された蛍光発光スペクトルを有し、これは、該量子ドットのサイズに依存している。加熱時間が変動するにつれて、そして従って形成される量子ドットのサイズが変動するにつれて、該量子ドットの蛍光スペクトルは、以下の実施例に例示されるように、約５００ｎｍから約６２０ｎｍまでの範囲の種々の波長でピークに達し得る。

選択された期間の加熱の後、溶液は迅速に冷却されてナノ粒子の顕著な更なる成長を防止し、これにより、所望のサイズを有するか、又は、選択された範囲のサイズを有する量子ドット１０を形成し得る。冷却は、任意の適切な様式で実行され得る。例えば、溶液は、氷浴中に浸漬されることにより冷却され得る。迅速な冷却は、所望の蛍光発光特性を有するＱＤを得るのに有利であり得る。例えば、溶液が迅速に冷却される場合、形成されるＱＤのサイズは、狭い範囲内でのみ変動し得る。しかし、狭いサイズ分布を有する必要がない場合、溶液はゆっくりと冷却されてもよい。

ＱＤの合成に関する更なる情報は、文献（例えば、Ｂaｕｍｌｅ及びＧａｐｏｎｉｋ）中に見出され得る。

サンプルのＱＤを、以下の実施例の手順で調製した。ここで、全ての反応は、アルゴンガス環境下、酸素を含まない水中で実行した。

工程１．Ｔｅ前駆体を、２つのプロトコールのうちの１つに従って調製した。プロトコール１に従って、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）を水中でテルル（Ｔｅ）粉末と反応させることにより、テルル化水素ナトリウム（ＮａＨＴｅ）を含有する前駆体溶液を調製した。このＴｅ粉末は、９９．８％の表示純度（ｓｔａｔｅｄ ｐｕｒｉｔｙ）及び２００メッシュであった。ＮａＢＨ_４は、僅かに過剰であった。プロトコール２に従って、テルル化アルミニウム（Ａｌ_２Ｔｅ_３）を０．５Ｍの硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）と反応させることにより、Ｈ_２Ｔｅガスを調製した。

工程２．ＣｄＣｌ_２及びグルタチオン（ＧＳＨ）を含有し、ｐＨが約１１．５である前駆体溶液を調製した。

工程３．混合物溶液を調製した。プロトコール１に従って、工程１及び工程２からの２種の前駆体溶液を、「ワンショット」混合により混合した。プロトコール２に従い、工程１からのＨ_２Ｔｅガスを、工程２からの前駆体溶液に、数分間通気した。いずれの場合にも、混合物溶液を激しく撹拌した。この混合物溶液の総容積は３００ｍｌであった。混合物溶液中のＣｄ、Ｔｅ及びＧＳＨのモル含有量は、それぞれ、３ｍｍｏｌ、０．６ｍｍｏｌ及び３ｍｍｏｌであった。

工程４．混合物溶液を、種々の期間、約９５℃の温度で加熱した。この溶液を室温から９５℃にまで加熱するのに約２分かかった。ＧＳＨ−キャップしたＣｄＴｅのＱＤは、約９５℃の温度に達すると迅速に成長する。

工程５．選択された加熱時間の後、加熱した溶液を氷浴中に浸漬し、ＱＤの更なる成長を停止させた。別個のサンプルに関して、種々の期間後、加熱を停止し、種々の粒子サイズ及び蛍光発光スペクトルのＱＤを得た。

工程６．調製したＱＤを、２−プロパノール中で沈殿させ、そして数回洗浄し、ＱＤのペレットを形成した。過剰の塩（例えば、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ）及び過剰のＧＳＨを、洗浄により除去した。

工程７．ペレットを、真空中、室温にて一晩乾燥させ、サンプルＱＤの粉末を形成した。

このサンプルＱＤの吸収及び蛍光スペクトルを、それぞれＡｇｉｌｅｎｔ^ＴＭ ８４３ ＵＶ−Ｖｉｓ分光計及びＪｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ Ｈｏｒｉｂａ Ｆｌｕｏｒｏｌｏｇ^ＴＭ蛍光分光計を用いて、室温で測定した。蛍光スペクトルを、４７０ｎｍの励起で、４８０ｎｍから７００ｎｍまで走査することにより、得た。サンプルＱＤから検出された蛍光色は、緑色（約１０分の加熱後）から赤色（約９０分の加熱後）に変化した。吸収及び蛍光発光スペクトルの例示的な測定結果を、図２に示す。破線は、吸収スペクトルを表し、そして実線は、蛍光スペクトルを表す。示されたスペクトルは、それぞれ、１０分、４０分及び９０分の加熱後に形成されたサンプルＱＤに関するものである。約４００ｎｍでは、吸光度は、加熱時間が増加すると共に増加する。加熱時間が増加すると、発光ピークはより高い波長へとシフトする。

図３は、発光ピーク波長の加熱時間に対する測定した依存性を示す。理解され得るように、ピーク波長は、加熱時間が約１０分から約１２０分まで増加するにつれて、約５２０ｎｍから約６２０ｎｍまで増加する。また理解され得るように、ピークは、約９０分の加熱後には僅かしかシフトしない。

サンプルＱＤの量子収率及びバンド幅もまた、測定した。いくつかの結果を図４に示す。量子収率を、サンプルＱＤおよび参照溶液（これは、塩基性エタノール中のフルオレセイン溶液であり、０．９７の量子収率を有していた）の積分蛍光強度（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ）を測定することにより決定した。これらの測定に関して、ＱＤサンプルを希釈し、４７０ｎｍで０．１の吸光度を得た。理解され得るように、量子収率は、約１０％から約４５％まで変動し、そしてバンド幅は、約３０ｎｍから約５２ｎｍまで変動した。測定した最大量子収率は、約６００ｎｍで約４５％である。量子収率は、広範なスペクトル範囲（約５００ｎｍから約６２５ｎｍまで）にわたって、１６％を超える。量子収率は、約５１０ｎｍから約６２０ｎｍまでの範囲にわたって、約３０％と約４５％との間である。これらの値は、他のチオール配位子によりキャップされたＣｄＴｅのＱＤ（代表的には、１％〜１０％の範囲の量子収率を示す）よりもずっと高い。

特定の理論に制限されることなく、グルタチオンシェルがＣｄＴｅナノ結晶コアの幾何学的配置（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を安定化させ、従って量子収率の増加を導くことが可能である。公知のように、ＱＤは、それらの量子収率に劇的に影響し得る表面欠陥を有し得る。表面原子の幾何学的配置は、ナノ結晶がそれらのサイズを変化させるにつれて変化する。特定のコアサイズでは、この表面幾何学的配置は、例えば、ＧＳＨ−Ｃｄ相互作用に対して、最適であり得る。しかし、このコアのサイズが大き過ぎる場合又は小さ過ぎる場合には、安定化剤と表面コア原子（例えば、Ｃｄ原子）との間の幾何学的配置の不整合が存在し得る。この不整合は、滑らかでない、欠陥のある表面を生じ、従って、量子収率を低減させ得る。

実験結果はまた、プロトコール１に従って調製されたＱＤが、プロトコール２に従って調製されたＱＤの量子収率よりも低い量子収率を示すことを示す。特定の理論に制限されることなく、プロトコール２における混合物溶液中よりもプロトコール１における混合物溶液中でより多くのＴｅ_ｎ ^２−クラスターが形成され、そしてＴｅ_ｎ ^２−クラスターの存在により、最初に形成されたＣｄＴｅナノ結晶において欠陥が増加することが可能である。従って、プロトコール２に従って形成されたＣｄＴｅナノ結晶は、プロトコール１に従って形成されたものよりも少ない欠陥を含み得る。

サンプルＱＤのサイズ分布を、動的光散乱（ＤＬＳ）技術を用いて、水溶液中で測定した。サンプルＱＤの粉末を、脱イオン化水中に溶解し、最終濃度が３００ｍｇ／ｍｌまでになるようにした。この測定を、Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ^ＴＭにより提供されたＢＩ−２００ＳＭ^ＴＭレーザー光散乱システムで行った。サンプルＱＤの測定した外径は、約３．８ｎｍから約６ｎｍまで変動する。

図５から図８、図９Ａ及び図９Ｂに示すデータは、約９０分の加熱で形成されたＱＤから収集した。これらのＱＤは、約６００ｎｍに蛍光発光ピークを有した。

図５は、６００ｎｍに蛍光発光ピークを有しかつ２６％の量子収率を有するサンプルＱＤについての測定結果を示す。示されるように、ＱＤの外径は、約４．３ｎｍから約６ｎｍまで変動し、そして平均外径は約５ｎｍである。シェルの厚さは約０．５ｎｍであり、コア直径は約２．８ｎｍから約５ｎｍであり、そして平均コア直径は約４ｎｍである。ＱＤの約１ｖ％（体積百分率）のみが凝集し、１０ｎｍ〜２０ｎｍのサイズのクラスターを形成した。

サンプルＱＤの透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）の画像を、ＦＥＩ Ｔｅｃｎａｉ ＴＦ−２０^ＴＭ電界放射型高分解能ＴＥＭ（２００ｋＶ）を用いて得た。ＴＥＭ画像の例を図６に示し、これは、サンプルＱＤの結晶化度を例証する。右上部のすみの差込図は、点線により囲まれた部分の拡大画像である。

真空乾燥したサンプルＱＤの粉末のＸ線回析（ＸＲＤ）パターンを、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｘ’Ｐｅｒｔ ＰＲＯ^ＴＭＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎシステムを用いて得た。画像の例を図７に示す。サンプルＱＤの粉末は、約２７°にＸＲＤピーク（００２）を示し、（１１０）、（１０３）及び（１１２）回析の重なりにより約４７°に幅広いバンドを示した。このことにより、サンプルＱＤが、他のチオールキャップされたＣｄＴｅのＱＤと同様に、閃亜鉛鉱の立方晶構造を有することが確認される。比較のために、ＣｄＳ量子ドットについてのＸＲＤパターンもまた示され、これは「ＣｄＳ」として印をつけられている。

サンプルＱＤを、ＥＬＡＮ９０００／ＤＲＣ^ＴＭ誘導結合プラズマ質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ）を用いた元素分析に供した。分析結果は、精製されたＱＤにおけるＣｄ：Ｔｅのモル比が約３．３：１であることを示し、この比は混合溶液における５：１のモル比よりも小さい。

約４ｎｍという測定したコアサイズ及び閃亜鉛鉱の格子構造に基づき、単一のサンプルＱＤにおけるＣｄ：Ｔｅ：ＧＳＨのモル比は約１０：３：７であると算出した。

粒度分析、元素分析及び吸収測定に基づき、６００ｎｍに蛍光発光ピークを有するサンプルＱＤが、約１８０，０００ダルトンの分子量を有し、かつ４７０ｎｍで約２×１０^５Ｍ^−１ｃｍ^−１のモル吸光係数を有することもまた算出される。

サンプルＱＤを、他のチオール配位子との配位子交換によりさらに研究した。ＱＤのサイズ及び構造は、配位子交換の影響を受けなかったことが見出された。しかし、交換されたＱＤの蛍光量子収率は、サンプルＱＤよりも小さかった。

サンプルＱＤは、空気中、約４℃で暗所に保存した場合、ペレット形態または水溶液中のいずれにおいても、数ヶ月間安定であったこともまた見出された。このサンプルＱＤが溶液中に分散される場合、サンプルＱＤの安定性は、該溶液のｐＨ値に依存する。溶液中のサンプルＱＤの蛍光強度は、図８において例証されているように、該溶液のｐＨ値に依存する。丸い点は、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ緩衝溶液中で測定されたデータ点である。三角の点は、リン酸緩衝溶液中で測定されたデータ点である。示されるように、蛍光強度は、９を超えるｐＨではほぼ一定であり、そして９未満のｐＨでは減少する。ｐＨ値が約６未満である場合、蛍光は実質的に消光している。

サンプルＱＤは、種々の生理食塩水緩衝溶液及び細胞培養培地中での３日間のインキュベーション後、凝集しなかったことが見出された。従って、これらのＱＤは、非常に安定であり、そして細胞標識及び生体イメージングの用途に適している。多くの細胞における遊離ＧＳＨの濃度は、１ｍＭ〜１０ｍＭ程度の高さであり得るので、他のチオール配位子からの干渉は少なく、そして従って、サンプルＱＤの長期のインビボでの安定性は、非常に良好であるはずである。

サンプルＱＤの研究はまた、サンプルＱＤが、非常に低い毒性、すなわち、細胞生存率又は細胞機能に対する非常に少ない干渉を有することを示し、このことは、サンプルＱＤが、生細胞イメージングに適切であり得ることを示した。

また、サンプルＱＤをビオチン（例えば、ＮＨＳ−ビオチン）で標識した。ビオチン標識化ＱＤを用いて、ＮＩＨ３Ｔ３細胞の骨格に対し、標準的な免疫染色手順を介してアクチンを標識し、そしてこれを首尾よく用いてＮＩＨ３Ｔ３細胞を造影した。この研究に関して、ＱＤ粉末を、リン酸緩衝化生理食塩水（ＰＢＳ）緩衝液中に再溶解し、そしてＮ−ヒドロキシスクシンイミドビオチン（ＮＨＳ−ビオチン）と共に２時間インキュベートした。遊離ＮＨＳ−ビオチンを、限外濾過により除去した。ＮＩＨ３Ｔ３細胞を、カバースリップ上で培養し、氷冷メタノールで５分〜１０分間固定し、そしてＰＢＳ緩衝液中１％ＢＳＡで１時間ブロッキングした後、免疫染色した。カバースリップ上の固定した細胞を、連続して抗アクチンモノクローナル抗体、ビオチン標識化ヤギ抗ウサギ２次抗体、ストレプトアビジン及びビオチン標識化サンプルＱＤと共にインキュベートした。各インキュベーション工程の後、カバースリップをＰＢＳ緩衝液で数回洗浄した。図９Ａ及び図９Ｂは、ビオチン標識化ＱＤでアクチン免疫染色したＮＩＨ３Ｔ３細胞の、２枚の例示的な画像を示す。図９Ａにおける画像は、共焦点蛍光画像であり、そして図９Ｂにおける画像は、透過画像である。蛍光画像は、Ｏｌｙｍｐｕｓ Ｆｌｕｏｖｉｅｗ３００^ＴＭ共焦点レーザー走査システムを用いて、４８８−ｎｍアルゴンレーザー励起で撮った。６００ｎｍでのＱＤ発光を、２つの彩度５７０−ｎｍロングパス光学フィルタで検出した。

上記で議論したように、本明細書中に開示されるＱＤは、比較的小さい粒子サイズおよび高い量子収率を有し得る。高い量子収率は、形成後処理なしに達成され得る。このＱＤはまた、広範囲のｐＨの溶液において高い溶解度を有し得る。さらに、このＱＤは、細胞培養において高い安定性を示し得る。

各ＧＳＨ分子は、１つのアミノ基及び２つのカルボキシル基を有するので、ＧＳＨ分子は、互いに架橋され得る。従って、当業者に理解され得るように、本明細書中に開示されるＱＤは、表面上のマトリックスで生体重合化（ｂｉｏ−ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅｄ）及び安定化され得る。このＱＤはまた、高い安定性及び低い細胞傷害性を有し得る。

本明細書中に開示されるＱＤは、種々の適用において（例えば、生体標識のために）使用され得る。このＱＤは、生体タグとして、インビトロ又はインビボの生体イメージングのために、および蛍光プローブとして、ＤＮＡ又はタンパク質の検出のために、使用され得る。

理解され得るように、ＱＤはまた、他の分野（例えば、発光デバイス、フォトニック構造及びコア−シェル構造、光電子及び光起電力デバイス、光増幅器媒体等）においても使用され得る。

本明細書中に記載される実施形態の、上記に明確に言及されていない他の特徴、利益及び利点は、本記載及び図面から、当業者により理解され得る。

上記で引用された各参考文献の内容は、本明細書中に参考として援用される。

当然、上記の実施形態は、単に例示であり、決して限定的でないことが意図される。記載された実施形態は、形態、パーツの配置、詳細及び操作順序の多くの変更を受けやすい。本発明は、むしろ、このような変更の全てを、特許請求の範囲により定義される本発明の範囲内に包含することが意図される。

図１は、量子ドットの概略図である。 図２は、吸収及び蛍光スペクトルの線グラフである。 図３は、加熱時間の関数としての蛍光発光ピーク波長のグラフである。 図４は、波長の関数としての量子収率及びバンド幅のグラフである。 図５は、動的光散乱（ＤＬＳ）により測定されたサイズ分布のグラフである。 図６は、サンプル量子ドットの透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）の画像である。 図７は、２つのタイプの量子ドットのＸ線回析（ＸＲＤ）パターンの線グラフである。 図８は、ｐＨの関数としての蛍光強度の線グラフである。 図９Ａは、量子ドットで標識された細胞の共焦点蛍光画像である。 図９Ｂは、量子ドットで標識された細胞の透過画像である。

Claims (41)

1. 量子ドットを合成する方法であって、
   テルリド（Ｔｅ）前駆体及びカドミウム（Ｃｄ）前駆体を含有する溶液を提供する工程；
   該溶液中で、ＣｄＴｅを含むナノ結晶を成長させる工程；および
   グルタチオン（ＧＳＨ）を該溶液中に導入して、該ナノ結晶を覆うシェルを形成する工程
   を包含し、該ナノ結晶及び該シェルが量子ドットを形成し、各ドットがＣｄＴｅを含むコア及びＧＳＨを含むシェルを有する、
   方法。
2. 前記テルリド前駆体がテルル化水素ナトリウム（ＮａＨＴｅ）及びテルル化水素（Ｈ_２Ｔｅ）より選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記カドミウム前駆体が水溶性Ｃｄ塩を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記塩が、塩化カドミウム（ＣｄＣｌ_２）、過塩化カドミウム、及び酢酸カドミウムより選択される、請求項３に記載の方法。
5. 前記溶液が溶媒として水を含有する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記溶液中のＣｄ：Ｔｅのモル比が約３：１から約７：１までであり、かつ、該溶液中のＴｅ：ＧＳＨのモル比が約１：２から約１：１０までである、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記溶液中のＣｄ：Ｔｅ：ＧＳＨのモル比が約５：１：５である、請求項６に記載の方法。
8. 前記溶液が約１１．２から約１１．８までのｐＨ値を有する、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記溶液が約１１．５のｐＨ値を有する、請求項８に記載の方法。
10. 前記成長させる工程が、前記溶液を加熱して前記ナノ結晶の成長を促進させることを含む、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記加熱が、前記溶液を約９５℃の温度に加熱することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記溶液が選択された期間加熱される、請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
13. 前記溶液が前記選択された期間加熱された後に、該溶液を冷却することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記冷却が、前記溶液を氷浴中に浸漬することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記選択された期間が約９０分未満である、請求項１２〜請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記選択された期間が、前記ナノ結晶の成長を制限するように選択され、その結果、前記量子ドットが、約２．８ｎｍから約５ｎｍまでのコア直径を有する、請求項１２〜請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記コア直径が約４ｎｍの平均直径を有する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記選択された期間が、前記ナノ結晶の成長を制限するように選択され、その結果、前記量子ドットが、選択された蛍光発光スペクトルを有する、請求項１２〜請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記蛍光発光スペクトルが、約５００ｎｍ〜約６２０ｎｍの波長でピークに達する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記提供する工程が、前記溶液を、前記Ｔｅ前駆体を含有する第１の前駆体溶液と前記Ｃｄ前駆体を含有する第２の前駆体溶液とを混合することによって調製することを含み、該第１の前駆体溶液及び該第２の前駆体溶液のうち、少なくとも一方が、さらにＧＳＨを含有する、請求項１〜請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記提供する工程が、前記溶液を、前記Ｃｄ前駆体及び前記ＧＳＨを含有する溶液にテルル化水素（Ｈ_２Ｔｅ）を含有するガスを通気することによって調製することを含む、請求項１〜請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
22. テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含むナノ結晶コア；及び
    該コアを覆うシェル、
    を有し、該シェルがグルタチオン（ＧＳＨ）を含む、
    量子ドット。
23. 前記コアが約２．８ｎｍから約５ｎｍまでの直径を有する、請求項２２に記載の量子ドット。
24. 前記直径が約４ｎｍである、請求項２３に記載の量子ドット。
25. 前記シェルが約０．５ｎｍの厚さを有する、請求項２２〜請求項２４のいずれか１項に記載の量子ドット。
26. 約１６％よりも高い蛍光量子収率を有する、請求項２２〜請求項２５のいずれか１項に記載の量子ドット。
27. 前記量子収率が約２０％から約２５％までである、請求項２６に記載の量子ドット。
28. 前記量子収率が約３０％から約４５％までである、請求項２６に記載の量子ドット。
29. 約５００ｎｍ〜約６２０ｎｍの波長でピークに達する蛍光発光スペクトルを有する、請求項２２〜請求項２８のいずれか１項に記載の量子ドット。
30. 前記コア中のＣｄ：Ｔｅのモル比が約２．５：１から約３．５：１までである、請求項２２〜請求項２９のいずれか１項に記載の量子ドット。
31. 前記コア中のＣｄ：Ｔｅのモル比が約３．３：１である、請求項３０に記載の量子ドット。
32. 前記シェルが約０．５ｎｍの厚さを有する、請求項２２〜請求項３１のいずれか１項に記載の量子ドット。
33. 量子ドットを形成するための溶液であって、各ドットがＣｄＴｅコア及びＧＳＨシェルを有し、当該溶液が、
    ＣｄＴｅコアを形成するためのテルリド（Ｔｅ）前駆体及びカドミウム（Ｃｄ）前駆体、並びに
    該ＣｄＴｅコアを覆うシェルを形成するためのグルタチオン（ＧＳＨ）
    を含有する、
    溶液。
34. 前記テルリド前駆体がテルル化水素ナトリウム（ＮａＨＴｅ）及びテルル化水素（Ｈ_２Ｔｅ）より選択される、請求項３３に記載の溶液。
35. 前記カドミウム前駆体が水溶性のＣｄ塩を含む、請求項３３又は請求項３４に記載の溶液。
36. 前記塩が、塩化カドミウム（ＣｄＣｌ_２）、過塩化カドミウム、及び酢酸カドミウムより選択される、請求項３５に記載の溶液。
37. 約１１．２から約１１．８までのｐＨ値を有する、請求項３３〜請求項３６のいずれか１項に記載の溶液。
38. 約１１．５のｐＨ値を有する、請求項３７に記載の溶液。
39. Ｃｄ：Ｔｅのモル比が約３：１から約７：１までであり、かつ、Ｔｅ：ＧＳＨのモル比が約１：２から約１：１０までである、請求項３３〜請求項３８のいずれか１項に記載の溶液。
40. Ｃｄ：Ｔｅ：ＧＳＨのモル比が約５：１：５である、請求項３３〜請求項３８のいずれか１項に記載の溶液。
41. 量子ドットを合成する方法であって、
    量子ドットを、テルリド（Ｔｅ）前駆体、カドミウム（Ｃｄ）前駆体、及びグルタチオン（ＧＳＨ）を含有する溶液中で形成する工程を包含し、その結果、該量子ドットのそれぞれが、ＣｄＴｅを含むコア及びＧＳＨを含むシェルを有する、
    方法。

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