JP4404489B2 - Water-soluble fluorescent semiconductor nanocrystal - Google Patents

Description

【００２３】
を有し、かつその塩を含む。ここで、Ｘ¹はＮ、Ｐ、ＳまたはＯ＝Ｐであり、ｎは６以上であり、ならびに、ｚおよびｙはＸ¹の原子価の必要条件を満たすように選択される。
【００２４】
他の好ましい実施形態において、該分子は構造式（II）
【００２５】
【化８】

【００２６】
を有し、ここで、ＸおよびＸ’は、同一もしくは異なるものであり、Ｓ、Ｎ、ＰまたはＯ＝Ｐからなる群より選択され、Ｙは親水性成分であり、ならびに、Ｚは存在しないまたは少なくとも６個の原子からなる主鎖を有する疎水性領域である。ＸおよびＸ’は、原子価の必要条件を満たす他の置換基を含んでもよく、例えば、水素原子または他の有機成分によって置換された、アミン、チオール、ホスフィンおよびホスフィンオキシドである。加えて、ＸおよびＸ’を架橋する原子は、半導体表面に配位時に５員〜８員環を形成するように選択され得る。該架橋する原子は一般的に炭素であるが、例えば酸素、窒素および硫黄のような他の元素も可能である。Ｙは、カルボキシレート、スルホネート、ホスフェート、ポリエチレングリコールまたは他のポリオールおよびアンモニウム塩のような任意の荷電された基または極性基（charged or polar group）であり、例えばカルボキシレート（−ＣＯ₂ ^-）、スルホネート（ＳＯ₃ ^-）、ヒドロキシド（−ＯＨ）、アルコキシド、アンモニウム塩（−ＮＨ₄ ⁺）ならびにホスフェート（−ＰＯ₄ ^-2）およびホスホネート（−ＰＯ₃ ^-2）等である。Ｚは一般的にアルキル基またはアルケニル基でるが、炭素および窒素のような他の原子も含まれる。さらにＺは、本明細書中で説明されるように、近接する配位子と引力的な相互作用を提供するように修飾され得る。
【００２７】
さらに他の好ましい実施形態において、該分子は、構造式（III）
【００２８】
【化９】

【００２９】
を有し、ここで、Ｘ、Ｘ’およびＸ”は、同一もしくは異なるものであり、Ｓ、Ｎ、ＰまたはＯ＝Ｐからなる群より選択され、Ｙは親水性成分であり、ならびに、Ｚは少なくとも６個の原子からなる主鎖を有する疎水性領域である。Ｘ、Ｘ’およびＸ”は、原子価の必要条件を満たすように他の置換基を含んでもよく、例えば、水素原子または他の有機成分によって置換された、アミン、チオール、ホスフィンおよびホスフィンオキシドである。加えて、Ｘ、Ｘ’およびＸ”を架橋する原子は、半導体表面に配位時に５員〜８員環を形成するように選択され得る。該架橋する原子は一般的に炭素であるが、例えば酸素、窒素および硫黄のような他の元素も可能である。Ｙは、カルボキシレート、スルホネート、ホスフェート、ポリエチレングリコールまたは他のポリオールおよびアンモニウム塩のような任意の荷電された基または極性基であり、例えばカルボキシレート（−ＣＯ₂ ^-）、スルホネート（ＳＯ₃ ^-）、ヒドロキシド（−ＯＨ）、アルコキシド、アンモニウム塩（−ＮＨ₄ ⁺）ならびにホスフェート（−ＰＯ₄ ^-2）およびホスホネート（−ＰＯ₃ ^-2）等である。Ｚは一般的にアルキル基またはアルケニル基であるが、炭素および窒素のような他の原子も含まれる。Ｚはさらに、本明細書中で説明されるように、近接する配位子と引力的な相互作用を提供するように修飾される。
【００３０】
他の好ましい実施形態において、該分子は、構造式（IV）
【００３１】
【化１０】

【００３２】
を有し、ここで、Ｒ¹は、ヘテロアルキル、ヘテロアルケニル、ヘテロアルキニル、−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’）ＯＲ’および−Ｐ（Ｓ）ＯＲであり、ここで、Ｒ、Ｒ’およびＲ”は、それぞれ独立して、Ｈ、分岐または分岐していないアルキル、分岐または分岐していないアルケニル、分岐または分岐していないアルキニル、分岐または分岐していないヘテロアルキル、分岐または分岐していないヘテロアルケニルおよび分岐または分岐していないヘテロアルキニルからなる群より選択され、ここでａが１より大きい場合、Ｒ¹基は、同一もしくは異なるものであり、または、６、７、８、９もしくは１０員のシクロアルキル、シクロアルケニル、複素環式、アリール、ヘテロアリールまたは６〜３０員のクラウンエーテルもしくはへテロクラウンエーテルを形成するように結合され得る；
Ｒ²は、単結合（すなわちＲ²は存在しない）、分岐または分岐していないアルキレン、分岐または分岐していないアルケニレン、分岐または分岐していないヘテロアルキレン、分岐または分岐していないヘテロアルケニレン、シクロアルキル、シクロアルケニル、シクロアルキニル、複素環式、アリールおよびヘテロアリールである；
Ｒ³は、分岐または分岐していないアルキレン、分岐または分岐していないアルケニレン、分岐または分岐していないヘテロアルキレン、分岐または分岐していないヘテロアルケニレン、シクロアルキル、シクロアルケニル、シクロアルキニル、複素環式、アリールおよびヘテロアリールである；
Ｒ⁴は、水素原子、カルボキシレート、チオカルボキシレート、アミド、イミド、ヒドラジン、スルホネート、スルホキシド、スルホン、スルフィット、ホスフェート、ホスホネート、ホスホニウム、アルコール、チオール、アミン、アンモニウム、アルキルアンモニウム、ニトレート、糖成分および５、６、７、８、９もしくは１０員のシクロアルケニル、シクロアルキニル、複素環式、アリールまたはへテロアリールからなる群より選択される；
ａは１、２、３または４である；
ｂは０、１、２または３である；
ｃは０、１、２または３である；ならびに
ｄは０、１、２または３であり、ここでｄが２もしくは３の場合、Ｒ³基は同一もしくは異なるものであり、または、共に結合し５、６、７、８、９もしくは１０員のシクロアルキル、シクロアルケニル、複素環式、アリールもしくはへテロアリールを形成するように共に結合し得る。
【００３３】
好ましくは、Ｒ¹はチオール（例えば−ＳＨ）、ホスフィン、ホスフィンオキシドまたはアミン（例えば−ＮＨ₂、−ＮＨＲまたは−ＮＲＲ’）である。
【００３４】
好ましくは、Ｒ²は６〜１２個の原子を含む。より好ましくは、Ｒ²は、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９または２０個の原子を含む直鎖アルキレン、アルケニレン、アルキニレン、ヘテロアルキレン、ヘテロアルケニレンもしくはへテロアルキニレン、または、５もしくは６個の原子を含むシクロアルキルもしくは複素環式である。
【００３５】
好ましくは、ｂは１、２または３の場合、Ｒ³は６〜２０個の原子を含む。より好ましくは、Ｒ³は、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９または２０個の原子を含む直鎖アルキレン、アルケニレン、アルキニレン、ヘテロアルキレン、ヘテロアルケニレンもしくはヘテロアルキニレン、または、５もしくは６個の原子を含むシクロアルキルもしくは複素環式である。
【００３６】
好ましくは、Ｒ⁴はカルボキシレート（−ＣＯＯ^-）、ホスホネート（−ＰＯ₃−）、スルホネート（−ＳＯ₃ ^-）またはアンモニウム（−Ｎ⁺ＨＲＲ’）である。
【００３７】
本発明のさらに他の実施形態において、該分子は、構造式（Ｖ）
【００３８】
【化１１】

【００３９】
を有し、ここで、ペンダント基Ｒ¹ならびにＲ⁴およびＲ²成分は上記で定義した通りであり、Ｘ²およびＹ²は同一もしくは異なるものであり、アクリレート、スチレン、イミド、アクリルアミド、エチレン、ビニル、ジアセチレン、フェニレン−ビニレン、アミノ酸、糖、スルホン、ピロール、イミダゾール、チオフェンおよびエーテルからなる群より選択されるマーユニット（mer unit）であり、ｍ’およびｎ’は半導体ナノ結晶表面の利用可能な配位部位の数に関連して選択される。ｍ’は、利用可能な配位部位の数以下、好ましくは利用可能な配位部位の数の約４分の１以下であることが望ましい。特にｍ’は約３〜約１００の範囲内である。ｎ’の値は一般的に、ｍ’の値と同程度になるように選択される。すなわち、ｎ’は、利用可能な配位部位の数以下、好ましくは利用可能な配位部位の数の約４分の１以下であることが望ましい。特にｎ’は約３〜約１００の範囲内である。該分子は、ブロックコポリマーであり得、ここで、結合成分Ｙとして機能化できるペンダント基を含む第一ブロックが提供され、親水性基Ｘとして機能化できるペンダント基を含む第二ブロックが提供される。ポリマーブロックは親水性領域として働く。
【００４０】
好ましい実施形態において、該分子は、式
【００４１】
【化１２】

【００４２】
を有し、ここで、Ｘは、同一もしくは異なるものであり、Ｓ、Ｎ、ＰまたはＯ＝Ｐからなる群より選択される元素であり、Ｙは、同一もしくは異なるものであり、例えばカルボキシレート、スルホネート、ホスフェート、ホスホネート、ポリエチレングリコール、アンモニウム塩等のような親水性成分である。Ｘは、原子価の必要条件を満たすように、例えば水素原子もしくは他の有機成分で置換されたアミン、チオール、ホスフィンおよびホスフィンオキシドのような他の置換基を含んでもよい。末端基ＲおよびＲ’は任意の成分であり、例えば水素原子である。特にＲに関しては、親水性ブロックに近接しているために、極性成分であることが望ましい。同様に、Ｒ’に関しては、疎水性ブロックに近接しているために、非極性成分であることが好ましい。ｍおよびｎは、半導体ナノ結晶表面の利用可能な配位部位の数に関連して選択される。ｍは利用可能な配位部位の数以下、好ましくは利用可能な配位部位の数の約４分の１以下であることが望ましい。一般的な用途において、ｍは約３〜１００の範囲内である。ｎの値は一般的に、ｍの値と同程度になるように選択される。すなわち、ｎは利用可能な配位部位の数以下、好ましくは利用可能な配位部位の数の約４分の１以下であることが望ましい。一般的な用途において、ｎは約３〜１００の範囲内である。
【００４３】
理論通りに結合されるとも限らないが、発明者等は、構造式（IV）を有する分子のオーバーコートされたナノ結晶への配位は、ナノ結晶の表面成分および該分子のＲ¹成分の間で起こる、と考えている。
【００４４】
他の好ましい実施形態において、水溶性化する外層は、構造式（Ｉ）、（II）、（III）、（IV）または（Ｖ）を有する分子の均一な集合体（homogeneous population）、すべての各構造式の分子の混合集合体、すなわち構造式（Ｉ）、（II）、（III）または（Ｖ）を有する分子全ての混合集合体、もしくは、構造式（Ｉ）、（II）、（III）および（Ｖ）の２以上の組み合わせからなる分子の混合集合体、を含む。
【００４５】
本発明の他の観点において、水溶性化する層が、オーバーコーティング層に親和性を持つ二重層の第一層、および、その第一層に近接した疎水性領域を持ち、親水性基において末端化されている（terminating in a hydrophilic group）二重層の第二層、を有する二重層である、水溶性半導体ナノ結晶が提供される。該二重層は、第一層として、半導体ナノ結晶を製造することに用いられる配位親液性分子（coordinating lyophilic molecule）、かつ第二層として界面活性剤を含んでもよい。
【００４６】
本発明のこれらおよび他の実施形態は、ここで開示された見解において当業者により容易に到達されるであろう。
【００４７】
発明の詳細な説明
定義および命名：
本発明を詳細に開示、説明する前に、本発明はそれ自体特定のアッセイフォーマット、物質または試薬に制限されるものではなく、言うまでもなく、変更できるものであると解されるべきである。また、本明細書中で使用される専門用語は特定の実施態様を説明するためのものであり、制限するものではないと解されるべきである。
【００４８】
本明細書及び添付した特許請求の範囲中で使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は特記しない限り複数形を含むものであることに留意すべきである。従って、例えば、「ナノ結晶(a nanocrystal)」という言及は１以上のナノ結晶を包含し、「外層（an outer layer）」という言及は１以上のこのような外層を包含するなどである。
【００４９】
本明細書においておよび下記特許請求の範囲において、多くの用語は下記意味を有するように定義されて引用されている。
【００５０】
「Quantum dot^TM粒子」とは、サイズ依存型の光および電子特性を有する半導体ナノ結晶のことである。特に、半導体ナノ結晶のバンドギャップエネルギーは結晶の直径によって変化する。
【００５１】
「半導体ナノ結晶（semiconductor nanocrystal）」は、例えば、第二の半導体物質の「シェル」に囲まれてもよい、一以上の第一の半導体物質の「コア」を含む直径が約１ｎｍ〜約１０００ｎｍ、好ましくは約２ｎｍ〜約５０ｎｍ、より好ましくは約５ｎｍ〜約２０ｎｍ（約６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０ｎｍなど）の無機微結晶を含む。半導体シェルによって囲まれた半導体ナノ結晶コアは、「コア／シェル」半導体ナノ結晶と称される。周囲の「シェル」物質は、好ましくはコア物質のバンドギャップよりより大きいバンドギャップを持ち、「コア」基材の原子間隔（atomic spacing）に近い原子間隔を持つように選択され得る。コアおよび／またはシェルは、これらに限定されないが、ＩＩ−ＶＩ族（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＴｅ等）、ＩＩＩ−Ｖ族（ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＳ等）およびＩＶ族（Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐｂ等）物質のもの、ならびに、それらの合金、または、それらの三元ならびに四元混合を含む混合物、を含む半導体物質でありうる。
【００５２】
半導体ナノ結晶は、必要であれば、有機キャッピング剤の「被膜」によって囲まれる。有機キャッピング剤は、任意の多くの物質であり得るが、半導体ナノ結晶表面に対する親和性を有するものである。通常、キャッピング剤は、単離された有機分子、ポリマー（または重合反応用のモノマー）、無機複合体、および、拡張された結晶質構造（extended crystalline structure）であり得る。被膜は、被覆された半導体ナノ結晶を所定の溶媒中で均一に分散する能力、溶解性、官能性（functionality）、結合特性等を付与するのに使用される。加えて、被膜は、半導体ナノ結晶の光学特性を適合させるために用いられる。
【００５３】
本明細書中で使用される、「量子収量」ということばは、吸収されたものに対する放出された光量子の割合を意味し、例えば光ルミネセンス量子収量である。
【００５４】
本発明の他の実施形態において、被覆されたナノ結晶は、ナノ結晶がコア直径における１０％ｒｍｓ（自乗平均）未満、好ましくは５％ｒｍｓ未満の偏差を示すことを特徴とする。このように、「単分散性の粒子」相は、粒子集合体が直径において１０％ｒｍｓ未満、好ましくは５％ｒｍｓ未満の偏差を示す粒子集合体を含む。水性環境におけるナノ結晶は、好ましくは１０％より大きい、最も好ましくは約１０％〜３０％の範囲の量子収量を有する光ルミネセンスを示す。
【００５５】
本明細書中で使用される、「アルキル」ということばは、炭素原子１〜１００個の分岐または分岐していない飽和炭化水素基を意味し、例えばメチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｔ−ブチル、オクチル、デシル、テトラデシル、ヘキサデシル、エイコシル、テトラコシル等、さらにはシクロペンチル、シクロヘキシル等のシクロアルキル基が挙げられる。「低級アルキル」ということばは、炭素原子１〜２０個、好ましくは６〜２０個のアルキル基を含む。
【００５６】
本明細書中で使用される、「アルキレン」ということばは、炭素原子１〜１００個の、二官能の分岐または分岐していない飽和炭化水素基を意味し、メチレン（−ＣＨ₂−）、エチレン（−ＣＨ₂−ＣＨ₂−）、プロピレン（−ＣＨ₂−ＣＨ₂−ＣＨ₂−）、２−メチルプロピレン（−ＣＨ₂−ＣＨ（ＣＨ₃）−ＣＨ₂−）、ヘキシレン（−（ＣＨ₂）₆−）等が挙げられる。「低級アルキレン」ということばは、炭素原子１〜２０個、より好ましくは６〜２０個のアルキレン基を含む。
【００５７】
本明細書中で使用される、「アルケニル」ということばは、少なくとも一つの炭素−炭素二重結合を含む、炭素原子２〜１００個の、分岐または分岐していない炭化水素基を意味し、例えばエテニル、ｎ−プロペニル、イソプロペニル、ｎ−ブテニル、イソブテニル、ｔ−ブテニル、オクテニル、デセニル、テトラデセニル、ヘキサデセニル、エイコセニル、テトラコセニル等が挙げられる。「低級アルケニル」ということばは、一つの−Ｃ＝Ｃ−結合を含む、炭素原子２〜２０個、好ましくは６〜２０個のアルケニル基を含む。
【００５８】
「アルケニレン」ということばは、炭素原子２〜１００個および少なくとも一つの炭素−炭素二重結合を含む、二官能の分岐または分岐していない炭化水素基を意味する。「低級アルキニレン」は、一つの炭素−炭素二重結合を含む炭素原子２〜２０個、より好ましくは６〜２０個のアルケニレン基を含む。
【００５９】
本明細書中で使用される、「アルキニル」ということばは、炭素原子２〜１００個および少なくとも一つのＣ□Ｃ結合を含む、分岐または分岐していない炭化水素基を意味し、例えばエチニル、ｎ−プロピニル、イソプロピニル、ｎ−ブチニル、イソブチニル、ｔ−ブチニル、オクチニル、デシニル等が挙げられる。好ましくは炭素原子２〜１０個および一つの−Ｃ□Ｃ−結合を有するアルキニル基である。
【００６０】
「アルキニレン」ということばは、炭素原子２〜１００個および少なくとも一つの炭素−炭素三重結合を含む、二官能の分岐または分岐していない炭化水素基を意味する。「低級アルキニレン」は、一つの−Ｃ□Ｃ−結合を含む、炭素原子２〜１０個のアルキニレン基を含む。
【００６１】
必要であれば、アルキル、アルキレン、アルケニル、アルケニレン、アルキニルまたはアルキニル鎖は、−Ｏ−、−Ｓ−および−ＮＲ−（ここで、Ｒは水素原子、低級アルキルまたは低級アルケニルである）からなる群より選択される１〜６個の結合（linkages）を含む。
【００６２】
「ヘテロアルキル」、「ヘテロアルキレン」、「ヘテロアルケニル」、「ヘテロアルケニレン」、「ヘテロアルキニル」および「ヘテロアルキニレン」ということばは、１以上の炭素原子が例えば窒素、硫黄または酸素原子でそれぞれ置換されるアルキル、アルキレン、アルケニル、アルケニレン、アルキニルおよびアルキニレン基をそれぞれ意味する。
【００６３】
「アルコキシ」は、−Ｏ−Ｒ基（ここで、Ｒは上述と同様のアルキル基である）を意味する。アルコキシ基の例としては、これらに限定されないが、メトキシ、エトキシ、イソプロポキシ等が挙げられる。
【００６４】
「アルキルアミノ」は、−ＮＨＲ基（ここで、Ｒは上述と同様のアルキル基である）を意味する。アルキルアミノ基の例としては、これらに限定されないが、メチルアミノ（１−エチルエチル）アミノ等が挙げられる。
【００６５】
「アルキルチオ」は、−ＳＲ基（ここで、Ｒは上述と同様のアルキル期である）を意味する。アルキルチオ基の例としては、これらに限定されないが、メチルチオ、ブチルチオ等が挙げられる。
【００６６】
「ジアルキルアミノ」は、−ＮＲ’Ｒ”基（ここで、Ｒ’およびＲ”は、それぞれ独立して、上記と同様のアルキル基である）を意味する。ジアルキルアミノ基の例としては、これらに限定されないが、ジメチルアミノ、メチルエチルアミノ、ジエチルアミノ、ジ（１−メチルエチル）アミノ等が挙げられる。
【００６７】
「ヒドロキシアルキル」は、１以上の水酸基で置換された、上記と同様のアルキル基を意味する。ヒドロキシアルキル基の例としては、これらに限定されないが、ヒドロキシメチル、２−ヒドロキシエチル、２−ヒドロキシプロピル、３−ヒドロキシプロピル、２−ヒドロキシブチル、３−ヒドロキシブチル、４−ヒドロキシブチル、２，３−ジヒドロキシプロピル、１−（ヒドロキシメチル）−２−ヒドロキシエチル、２，３−ジヒドロキシブチル、３，４−ジヒドロキシブチルおよび２−（ヒドロキシメチル）−３−ヒドロキプロピル等が挙げられる。
【００６８】
本明細書中で使用される、「アシル」ということばは、−（ＣＯ）−結合を介して結合したアルキル基を含む。「低級アシル」ということばは、カルボニル結合を介して結合したアルキル基が低級アルキル基であるアシル基を含む。
【００６９】
「糖成分」ということばは、単糖類、二糖類、多糖類等を意味する。「糖」ということばは、１以上の水酸基がハロゲン原子、アルコキシ成分、脂肪族基で置換される、または、エーテル、アミン等として機能化される（functionalized）などの、修飾された部位を含む。修飾された糖の例としては、ヒドロキシル成分の代わりに低級アルコキシ基を含むもの、すなわち、メチルα−Ｄ−グルコピラノシド、メチルβ−Ｄ−グルコピラノシド等のようなαまたはβ−グリコシドであり；アミンと反応したもの、すなわち、例えばＮ−（α−Ｄ−グルコピラノシル）メチルアミンのようなＮ−グリコシルアミンまたはＮ−グリコシドであり；アシル化された水酸基を含むもので、具体的には１〜５個の低級アシル基であり；１以上のカルボン酸基を含むものであり、例えばＤ−グルコン酸等であり；遊離アミン基を含むものであり、例えばＤ−グルコサミン、Ｄ−ガラクトサミン、Ｎ−アセチル−Ｄ−グルコサミン等、を含む。好ましい糖類の例としては、グルコース、ガラクトース、フルクトース、リボース、マンノース、アラビノース、キシロースが挙げられる。多糖類の例としては、デキストランおよびセルロースが挙げられる。
【００７０】
「アリール」は、少なくとも一つの環が本質的に芳香環である１以上の縮合環から構成される一価の芳香族炭化水素基を意味し、必要であれば１以上の下記の置換基；特記しない限り、ヒドロキシ、シアノ、アルキル、アルコキシ、チオアルキル、ハロゲン原子、ハロアルキル、ヒドロキシアルキル、ニトロ、アミノ、アルキルアミノおよびジアルキルアミノで置換されてもよい。
【００７１】
「ヘテロアリール」は、環内に１〜３個のヘテロ原子（窒素、酸素または硫黄から選択される）を組み入れる１以上の環を有する一価の芳香族炭素環式基を意味し、必要であれば、１以上の下記の置換基；特記しない限り、ヒドロキシ、シアノ、アルキル、アルコキシ、チオアルキル、ハロゲン原子、ハロアルキル、ヒドロキシアルキル、ニトロ、アミノ、ならびに、アルキルアミノおよびジアルキルアミノで置換されてもよい。
【００７２】
「シクロアルキル」は、１以上の環から構成される一価の飽和炭素環式基を意味し、必要であれば、１以上の下記の置換基；特記しない限り、ヒドロキシ、シアノ、アルキル、アルコキシ、チオアルキル、ハロゲン原子、ハロアルキル、ヒドロキシアルキル、ニトロ、アミノ、アルキルアミノおよびジアルキルアミノで置換されてもよい。
【００７３】
「シクロアルケニル」は、１以上の環から構成されかつ１以上の炭素−炭素二重結合を含む一価の不飽和炭素環式基を意味し、必要であれば、１以上の下記の置換基；特記しない限り、ヒドロキシ、シアノ、アルキル、アルコキシ、チオアルキル、ハロゲン原子、ハロアルキル、ヒドロキシアルキル、ニトロ、アミノ、アルキルアミノおよびジアルキルアミノで置換されてもよい。
【００７４】
「シクロアルキニル」は、１以上の環から構成されかつ１以上の炭素−炭素三重結合を含む一価の不飽和炭素環式基を意味し、必要であれば、１以上の下記の置換基；特記しない限り、ヒドロキシ、シアノ、アルキル、アルコキシ、チオアルキル、ハロゲン原子、ハロアルキル、ヒドロキシアルキル、ニトロ、アミノ、アルキルアミノおよびジアルキルアミノで置換されてもよい。
【００７５】
「複素環式」は、１以上の環から構成されかつ１〜３個のヘテロ原子（窒素、酸素または硫黄から選択される）を組み入れる一価の飽和炭素環式基を意味し、必要であれば、１以上の下記の置換基；特記しない限り、ヒドロキシ、シアノ、アルキル、アルコキシ、チオアルキル、ハロゲン原子、ハロアルキル、ヒドロキシアルキル、ニトロ、アミノ、アルキルアミノおよびジアルキルアミノで置換され得る。
【００７６】
「クラウンエーテル」ということばは、一価、二価、三価またはそれ以上（例えば４、５、６、７もしくは８価）の多価基の、分岐していない飽和複素環式分子を意味する。クラウンエーテルは、一般的に、「ｘクラウンｙ」または「ｘＣｙ」のように称され、この際、ｘは分子中の総原子数を表し、ｙは分子中のヘテロ原子数を表す。従って、例えば１２クラウン４は、１２個の原子を含み、うち４個がヘテロ原子であるクラウンエーテルであり、１８Ｃ６は、１８個の原子を含み、うち６個がヘテロ原子であるクラウンエーテルである。好ましいヘテロ原子は、Ｏ、ＳおよびＮであり、いくつかの特定のクラウンエーテルによっては、ヘテロ原子は同一であってもまたは異なっていてもよい。「ヘテロクラウンエーテル」は、ヘテロ原子が異なるクラウンエーテルである。好ましいクラウンエーテルは６〜１３員のクラウンまたはヘテロクラウンエーテルであり、より好ましくは８Ｃ４、９Ｃ３、１２Ｃ４、１５Ｃ５、１８Ｃ６および２０Ｃ８であり、さらにより好ましくは１２Ｃ４および１８Ｃ６である。
【００７７】
「必要で」または「必要であれば」は、その後に説明される事象または状況が生じてもあるいは生じなくてもよい、さらにその記載は前記事象または状況が生じる場合および生じない場合を含むことを意味する。例えば、「必要であれば置換されたアルキレン」という文言は、アルキレン成分は置換されてもまたは置換されていなくてもよく、その記載は未置換アルキレンまたは置換が存在するアルキレンの両方を含むことを意味すし、他も同様である。
【００７８】
本発明は、高いルミネセンスでかつ水溶液中で安定である水溶性半導体ナノ結晶に注目している。ナノ結晶は図１に概略的に示される。半導体ナノ結晶１０は、結晶を水溶性にする外層１４で被覆される。外層１４はさらに、ナノ結晶のルミネセンス特性を維持し、水溶液中でのナノ結晶の強固さを改善するために選択される。必要であれば光学的オーバーコーティング層１２は、外層１４の塗布の前に、半導体ナノ結晶を被覆するのに用いられる。外層は、オーバーコーティング層への分子の付着用の少なくとも一つの結合基１６、および、疎水性領域での電子電荷移動を防ぐのに十分な疎水性領域１８により該結合基から離れて間隔があけられる少なくとも一つの親水性基２０、を有する分子１５を含む。図１において、親水性基２０は負電荷として便宜上示されているが、該基は正に帯電している、または極性的に中性（polar neutral）でありうる、ということに留意すべきである。
【００７９】
ナノ結晶は、それらの発光特性において量子閉じ込め効果を示す半導体ナノ結晶を含む。これらのナノ結晶は、「Quantum Dot^TM粒子」として知られている。半導体ナノ結晶が一次エネルギー源により発光している場合には、半導体ナノ結晶で用いられる半導体物質のバンドギャップに相当する周波数を有するエネルギーの二次放出が生じる。量子を閉じ込めた粒子では、バンドギャップはナノ結晶サイズの関数である。
【００８０】
半導体ナノ結晶は、光源へ晒されて、その組成およびサイズに特有な波長のエネルギーを放出する。本発明の水溶性層は、ナノ結晶コアおよびオーバーコートの様々な組み合わせを有するナノ結晶で用いられ得る。本発明は、非常に狭い粒度分布を持ち、かつ色純度およびそれらの光ルミネセンス放出強度における改善を示し、さらに水ベースの懸濁液および溶液中で強固かつ安定であることを示す、種々の水溶性ナノ結晶の調製を可能にする。ＩＩ−ＶＩ族、ＩＩＩ−Ｖ族およびＩＶ族の多くの半導体は、量子サイズ粒子として調製され、それらの物理的特性における量子閉じ込め効果を示し、本発明の水溶性ナノ結晶において使用できる。半導体ナノ結晶コアとしての使用に適した具体的な物質としては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＭｇＴｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＧａＮ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｎ、ＩｎＮ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＳ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、Ｇｅ、Ｓｉ、それらの合金、またはそれらの三元および四元混合物等のそれらの混合物が挙げられる。
【００８１】
半導体ナノ結晶は、それらの均一なナノメーターサイズを特徴とする。「ナノメーター」サイズとは、約１５０オングストローム（Å）未満、好ましくは１５〜１５０オングストローム（Å）の範囲であることを意味する。またナノ結晶は、上述の広いサイズ範囲内で実質的に単分散性である。本明細書中で使用される単分散とは、懸濁粒子が実質的に同一なサイズおよび形状を有するコロイド系を意味する。本発明の目的として、単分散性の粒子は、少なくとも６０％の粒子が特定の粒度範囲内にあることを意味する。好ましい実施形態において、単分散性の粒子は直径が１０％ｒｍｓ未満、好ましくは５％未満の偏差を示す。単分散性の半導体ナノ結晶は、Murray et al.(1993)、the Murray thesis(1995) およびKuno et al.で詳細に説明されている。
【００８２】
好ましい実施形態において、半導体ナノ結晶は、オーバーコーティングシェル層を有する。半導体ナノ結晶の表面において、表面欠陥は、半導体ナノ結晶の電気的および光学的特性を減少させる電子または空孔のトラップを生ずる。半導体ナノ結晶表面の絶縁層は、電子および空孔のトラップとして作用し得るエネルギー状態を消去する界面で化学的ポテンシャルにおける突然型の原子的なジャンプを提供する。これは発光段階で高い効果を生じる。
【００８３】
オーバーコーティングシェル層のための適切な物質は、半導体ナノ結晶より高いバンドギャップエネルギーを有する半導体を含む。オーバーコーティングシェル層に適切な物質は、半導体ナノ結晶より高いバンドギャップエネルギーを有することに加えて、半導体ナノ結晶において良好な伝導帯および価電子帯のオフセットを持つべきである。このように、半導体ナノ結晶コアに比べて、伝導帯は高いことが望ましく、かつ価電子帯は低いことが望ましい。従って、コアは、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、それらの合金、またはそれらの三元および四元混合物を含むそれらの混合物を含むシェル物質でオーバーコートされ得る。オーバーコーティングシェルのバンドギャップエネルギーは、コアより大きいことが好ましい。可視（例えばＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓ）または近赤外（例えばＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ）においてエネルギーを放出する半導体ナノ結晶に関して、紫外領域でバンドギャップエネルギーを有する物質が用いられ得る。具体的な物質は、ＺｎＳ、ＧａＮ、および、例えばＭｇＳ、ＭｇＳｅおよびＭｇＴｅのようなマグネシウムカルコゲニドを含む。近赤外域で放出する半導体ナノ結晶として、ＣｄＳまたはＣｄＳｅのような可視域においてバンドギャップエネルギーを有する物質も用いられる。オーバーコーティングシェル層は、半導体物質の単分子層を８まで含んでもよい。
【００８４】
可視域での放出のために特に好ましい半導体ナノ結晶は、ＣｄＸ³（ここで、Ｘ³はＳ、ＳｅおよびＴｅである）、ならびに、ＺｎＹ³（ここで、Ｙ³はＳｅ、Ｔｅである）を含む。これらの分子に関して、ＺｎＳはオーバーコートとして用いるのに好ましい物質である。ＣｄＴｅに関して、ＺｎＳｅは物質間の結晶格子の合わせ（lattice match）がより高い程度であることにより、オーバーコートとして用いるのに好ましい物質であり得る。本発明で用いられるオーバーコートされたナノ結晶は、Dabbousi et al. (1997) J. Phys. Chem. B, 101(46):9463, and Kuno et al.において詳細に説明されている。
【００８５】
多くの先行技術の半導体ナノ結晶は配位溶媒中で調製されており、ナノ結晶表面上に有機溶媒で構成される不活性化有機層が形成される。従って不活性化半導体ナノ結晶は、例えばトルエン、クロロホルムおよびヘキサンのような有機溶媒に容易に溶解する。本発明は、その代わりに、表面を修飾した、水性媒体中で可溶性である粒子を提供する。本発明によれば、半導体ナノ結晶の表面は、水溶液中で半導体ナノ結晶を安定化する外層で被覆される。外層は、粒子表面へ付着される少なくとも一つの結合成分、および、少なくとも一つの親水性成分で末端化される少なくとも一つの結合成分を有する分子を含む。結合成分および親水性成分は、必要であれば、その領域での電荷移動を防ぐのに十分な疎水性領域により離れて間隔があけられている。疎水性領域はまた、ナノ結晶のための「偽性の疎水性（pseudo-hydrophobic）」環境を提供しており、それによって水性環境から保護している。高い量子効率を示すために、粒子が互いに電気的に孤立しているままであることが望ましい。本発明の外層は、各半導体ナノ結晶間の望ましい孤立を維持するという、追加の有用な目的の役に立つ。
【００８６】
外層は、本明細書中で述べられるような構造的および性能的基準に見合う任意の物質から製造され得る。その物質は有機または無機であり得る。特に好ましい実施形態において、分子は有機分子である。いくつかの実施形態において、外層は、２以上の異なる水溶性化する分子の混合物であり得る。他の実施形態において、外層は、半導体ナノ結晶へ望ましい特性を提供するように選択される追加の分子を含んでもよい。例えば、外層は、他の基質または分子と反応するための反応性官能基を有する分子を含む。
【００８７】
適切な結合成分としては、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、窒素（Ｎ）およびリン（Ｐ）のような、半導体表面との相互作用に利用される電子対を有する分子が挙げられる。具体的な分子としては、例えばアミン、チオール、ホスフィン、アミンオキシド、ホスフィンオキシド等のような、電子供与性成分が挙げられる。結合成分は、結合基の窒素、硫黄、酸素またはリン原子の孤立電子対の配位結合により、初めに半導体ナノ結晶表面に付着する。共有結合およびイオン結合もまた、半導体ナノ結晶と外層との相互作用を形成するために用いられ得る。
【００８８】
単一の結合成分を有する分子は、水溶性化する特性を有する外層を形成する。しかしながら、図２Ａで概略的に示すように、複数の結合成分を含むことが分子にとって望ましいことがある。すなわち、該分子は、２以上の結合基２２、２２’を有する二座または三座配位子であり得る。結合基としては、上記と同様のものが使用できる。例えば、該分子は、誘導されたジチオール、ジアミン、トリアミン、ジホスフィン等であり得る。結合基は、同一であってもまたは異なっていてもよい。
【００８９】
多座配位子は、有機層と得られる水溶性ナノ結晶とに、増強された安定性および強さを提供する。特定の操作様式に関係なく、多座配位子の半導体ナノ結晶に対する結合係数が増加することによって、水溶性ナノ結晶の改善された安定性が達成される、と考えられる。有機層が溶媒和された溶媒分子（solvated solvent molecules）（以下を参照）との交換反応によって形成され、それに続いて水溶性化する分子もまた半導体ナノ結晶表面で変換され得る。例えば、外層は水溶性層の分離（dialysis）によって少なくとも部分的に除去され得ることが観察されている。多座配位子を使用することによって、半導体ナノ結晶と分子との相互作用の強度が増加し、かつ他の配位分子による有機層の交換が起こり難くなる。
【００９０】
得られた水溶性半導体ナノ結晶の増加した安定性は、被覆された半導体ナノ結晶のサイズ選択的析出において質的に観察されている。例えばリポ酸のような二座配位子でオーバーコートされた半導体ナノ結晶は、比較の単座配位子被覆分子に対して、懸濁安定性において４倍の増加を示した。
【００９１】
親水性成分は、極性基または（正または負に）荷電された基であり得る。基の極性または荷電によって必須の水との親水性相互作用が提供され、半導体ナノ結晶の安定な溶液または懸濁液が提供される。具体的な親水性基としては、ヒドロキシド（−ＯＨ）、アミンのような極性基、ポリエチレングリコール等のようなポリエーテル、さらにカルボキシレート（ＣＯ₂ ^-）、スルホネート（ＳＯ₃ ^-）、ホスフェート（ＰＯ₄ ^2- ）およびホスホネート（ＰＯ₃ ^2- ）、ニトレート、アンモニウム塩（ＮＨ₄ ⁺）等のような荷電された基を含む。
【００９２】
水溶性は単一の親水性基を有する分子を用いて達成されてきた。しかしながら、図２Ｂで概略的に示されるように、該分子において１以上の親水性成分を含むことが望ましい。図２Ｂは、少なくとも二つの親水性成分２４、２４’を有する分子を示している。親水性基は同一であってもまたは異なっていてもよい。また図２Ｃに示されるように、水溶性分子は複数の結合基および親水性基を含みうることが考えられる。
【００９３】
疎水性領域は、半導体ナノ結晶コアまたは周囲環境の双方から表面への空孔の電荷移動によって表面が光酸化されることを防ぐように選択される。一般的なプロセスは、例えば半導体ナノ結晶またはオーバーコーティング層がＳまたはＳｅを含む場合において（半導体ナノ結晶の）硫黄またはセレニウムのＳＯ₂またはＳｅＯ₂への結果として生じる酸化を伴なう周囲環境からの水の電気分解を含む。層での電荷移動は、半導体の励起状態のための非エネルギー的な放出経路を表しており、それによって光ルミネセンスは顕著に減少または抑制される。
【００９４】
先行技術の半導体ナノ結晶の表面修飾としては、２−メルカプトエタノール、１−チオグリセロールおよび３−メルカプトプロピオン酸によるＣｄＳナノ結晶のキャッピングが挙げられる。Lawless et al.およびRogach et al, を参照。これら短鎖の有機分子は、最適な発光を示す水溶性半導体ナノ結晶を提供しない。なぜなら、短い炭素鎖は、光酸化プロセスに対する半導体ナノ結晶の十分な絶縁性を提供しないからである。それゆえに電荷移動は、半導体ナノ結晶とカルボキシレートまたは水性環境のいずれかとの間で生じる。短鎖の有機分子を用いた系において、ルミネセンスは部分的に抑制され、量子収量は低く、すなわち１％未満である。
【００９５】
本発明の一つの実施形態において、疎水性領域は長鎖の炭化水素成分−（ＣＨ₂）_n−であり、ここで、ｎは６より大きく、好ましくは８より大きい。ｎが１１〜１５の炭化水素成分は、本発明の水溶性ナノ結晶の製造において好適に使用され得る。炭化水素鎖の長さの上限はないが、非常に長い炭化水素鎖は、ナノ結晶を望ましくなく「油性」にすることがある、と考えられる。疎水性領域はまた、分岐した炭化水素も含んでもよい。
【００９６】
他の実施形態において、疎水性領域は修飾された炭化水素主鎖を含んでもよい。この修飾は、例えば、疎水性主鎖の長さを増すために用いられるカルボジイミドカップリングのようなカップリング反応によるものであり得る。あるいは、近接する分子と水溶性配位子との引力の相互作用を改善するように、炭素以外の原子が主鎖に導入されてもよい。
【００９７】
主鎖はまた、ファンデルワールス力または水素結合のような力を介して近接する疎水性領域にひきつけられるペンダント基を含むように修飾される。近接する分子間の引力の相互作用は、半導体ナノ結晶の外層を安定化するように作用する。結合成分が半導体ナノ結晶表面から分離する場合において、その近接するものの引力の相互作用は、その結合成分が表面に再配位できるまで、分子が半導体ナノ結晶と密接に会合し続けるように補助する。
【００９８】
具体的な修飾としては、アミド、ケトン、エーテルおよび芳香族成分等を、全体または部分的に炭化水素主鎖に置換する、または、炭化水素主鎖からのペンダント基として付着させることが挙げられる。その成分の極性特性により近接する分子との水素結合および他の引力の相互作用が促進され、それにより被覆が安定化され、水溶液中におけるその強固さが増加される。
【００９９】
本発明の他の実施形態において、外層の分子は、その近接する分子に架橋されている、または、重合されている。架橋は、半導体表面で効果的に多座配位子を形成することによって層へ安定性を提供し、それにより顕著に配位子の非持久性を減少させ、被覆の強固さおよび安定性を増加させる。具体的な架橋ネットワークは、図３に概略的に示される。
【０１００】
最後に、炭化水素鎖はある程度の不飽和度を含んでもよく、これにより紫外線エネルギーまたは他のラジカル開始剤に晒されて架橋され、近接する配位子はブリッジされる。炭化水素が不飽和であること（およびその後の架橋）によって、半導体表面の光誘導性分解（photoinduced degradation）を防ぐのに望ましい疎水性が維持される。
【０１０１】
本発明の一つの実施形態において、外層は、架橋または重合されうる不飽和疎水性成分で末端化されている。例えば、図４に示すように、不飽和成分は、ラジカル開始剤、熱、紫外線エネルギー等に晒すことにより重合され、ポリ（メタクリレート）を形成しうるアクリレートまたはメタクリレートである。結果として、ポリマーネットワークを生じ、この実施例においては、半導体ナノ結晶と相互作用し効果的に水性環境から半導体ナノ結晶を遮蔽するポリ（メタクリレート）を生じる。ポリ（メタクリレート）は、脱プロトン化し、電荷表面（charged surface）を提供し、ナノ結晶を水溶性にする。重合のための他の具体的な不飽和成分としては、例えばカルボキシレートおよびスルホネート等のような水溶性化する官能基（water-solubilizing functional group）を含むように誘導されたアクリル酸およびポリスチレンが挙げられる。
【０１０２】
本発明の他の実施形態において、外層は、必須の結合性、親水性および疎水性機能を付与するブロックコポリマーを含む。該ポリマーは、少なくとも、結合成分として機能化できるペンダント基を含む第一ブロック、および、親水性成分として機能化できるペンダント基を含む第二ブロックを含む。そのポリマー主鎖は、疎水性領域として機能し得る。結合および親水性成分は直接炭化水素主鎖に付着され得る、または、それらは中間スペーシング基（intermediary spacing groups）を介して付着され得る。例えば、結合基Ｙは、半導体表面により接近する芳香族またはアルキルスペーシング基で末端化されている。
【０１０３】
本発明の一つの実施形態において、該分子は構造式（Ｖ）：
【０１０４】
【化１３】

【０１０５】
を有し、ここでＲ¹、Ｒ²、Ｒ⁴、Ｘ²、Ｙ²、ｍ’およびｎ’は上記で定義した通りである。構造式（Ｖ）を有する分子の一つの具体的な実施形態において、該分子は式
【０１０６】
【化１４】

【０１０７】
を有するブロックコポリマーであり、ここでＸおよびＹはそれぞれ結合および親水性成分であり、上述した任意の成分でありうる。ＲおよびＲ’は水素原子、Ｒは極性成分、および、Ｒ’は非極性成分であり得る。ブロックコポリマーは３００〜５０，０００の分子量を有し得る。親水性および結合成分に関するブロックの大きさは好ましくは約３〜１００の範囲内である。
【０１０８】
本発明で用いられる具体的な分子は、構造式（Ｉ）
【０１０９】
【化１５】

【０１１０】
（ここでＸ、ｚ、ｎおよびｙは上記で定義した通りである）、構造式（II）
【０１１１】
【化１６】

【０１１２】
または構造式（III）
【０１１３】
【化１７】

【０１１４】
（ここで、Ｙ、Ｚ、Ｘ、Ｘ’およびＸ”は上記で定義した通りである）、構造式（IV）
【０１１５】
【化１８】

【０１１６】
（ここでＲ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴、ａ、ｂ、ｃ、およびｄは上記で定義した通りである）
を有する。
【０１１７】
本発明の水溶性ナノ結晶の外層において用いられる上記で提供された式を有する具体的な分子としては、長鎖アミノカルボン酸、ＮＨ₂（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨならびにホスフィノカルボン酸（phosphinocarboxylic acids）、Ｐ（（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨ）₃およびそれらの酸化物Ｏ＝Ｐ（（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨ）₃が挙げられ、ここでnは６以上、好ましくはｎは８以上、より好ましくはｎは１０〜１２である。カルボン酸は脱プロトン化されて、親水性成分を提供し得る。他の適切な分子としては、ジヒドロリポ酸、ＨＳＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＳＨ）（ＣＨ₂）₄ＣＯＯＨ、またより一般的にはＨＳＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＳＨ）（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨ（ここでｎは１〜１０である）のような二座配位子が挙げられる。配位子の長さは、標準的なカルボジイミドカップリング方法により増加され、式ＨＳＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＳＨ）（ＣＨ₂）₄ＣＯＮＨ（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨを有する化学種（species）が形成される。市販の多くの前駆物質により、ｎは２から少なくとも１０にまで容易に変えられる。さらに詳細なカルボジイミドカップリング反応は、Rich et al. (1979) The Peptides Vol. 1, Academic Press, pp. 241-2561で見出される。
【０１１８】
他の適切な二座配位子としては、上記分子の第一アミン含有類似体、Ｈ₂ＮＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨ；（ＨＯＯＣ（ＣＨ₂）_n）ＨＮＣＨ₂ＣＨ₂ＮＨ（（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨ）のようなエチレンジアミンの誘導体；（ＨＯＯＣ（ＣＨ₂）_n）₂ＰＣＨ₂ＣＨ₂Ｐ（（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨ）₂のようなジホスフィン；および相当するジホスフィンオキシド（ＨＯＯＣ（ＣＨ₂）_n）₂Ｐ（Ｏ）ＣＨ₂ＣＨ₂Ｐ（Ｏ）（（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨ）₂が挙げられる。上述のカルボン酸誘導体を用いる利点としては、それら自身に広範囲の化学的特性を与えることである。例えば、水溶性半導体ナノ結晶は、分析で使用するために、生物学的親和性を有する分子とカップリングされ得る。他の例として、水溶性半導体ナノ結晶は、物を追跡もしくは同定するため、ビーズ、固形支持体または関心のある対象物にカップリングされ得る。さらに詳細には、共に出願中の米国出願番号第０９／１５６，４５７号および第０９／１６０，４５８号を参照。
【０１１９】
当業者にとって、これらに限定されないが、ヒドロキシド、例えばポリエチレングリコールのようなポリエーテル等ならびにアミンのような広範囲の荷電された基または極性基で、さらにカルボキシレート、スルホネート、ホスフェート、ニトレート、アンモニウム塩等のような荷電基で、上記で列挙した分子のカルボン酸成分が置換され得ることは明らかであろう。例えばここで列挙されたような分子は、市販されている、または、当業界で周知の方法で合成され得る。さらに、上述の疎水性領域および親水性基に関する修飾が、本発明の外層被覆における使用に適した配位子の調整において、前述の分子に取り入れられ得る、ということも明らかであろう。
【０１２０】
本発明の他の観点において、水溶性外層は、半導体表面に親和性を有する内層（inner layer）、および、水性媒体に親和性を有する親水性層において末端化されている外層（outer layer）から構成される二重層であり得る。図５Ａは、本発明の外部二重層に用いられる具体的な分子を示している。該分子、ジオクチルスルホスクシネート（aerosol OT ^TM）は、疎水性炭化水素領域５２（図５において概略的に「−−−−」として示される）、荷電された親水性領域５４（図５Ａにおいて「Ｏ」として示される）を含む。具体的な二重層分子は図５Ｂに示され、ここで内層４０は、半導体表面に親和性を有する結合成分４４を持つ分子４２（ここではＴＯＰＯ）を含む。疎水性テール（hydrophobic tail）４８は結合成分から延長される。第二外層５０は、水性媒体との好適な相互作用のための内層疎水性領域（inner hydrophobic region）５２および末端親水性成分（terminal hydrophilic moiety）５４からなる。内層および外層の疎水性領域４８、５２はそれぞれ、水性媒体中で優先的に相互作用し、そこでナノ結晶をカプセル化したミセルを形成する。図５Ｂもまた、本発明の二重層の形成を生じる変換反応を説明している。
【０１２１】
内層は、一般的に半導体ナノ結晶の製造に用いられる溶媒が配位されたものを含んでもよい。具体的な分子としては、トリオクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）、トリオクチルホスフィン（ＴＯＰ）、トリブチルホスフィン（ＴＢＰ）等のようなトリアルキルホスフィンならびにホスフィンオキシドが挙げられる。ヘキサデシルアミンは、特にＺｎＳｅを溶媒和するために使用可能な溶媒である。
【０１２２】
第二外層は、非極性テール（non-polar tail）および極性ヘッド（polar head）を有する任意の界面活性剤を含んでもよい。界面活性剤の例としては、これらに限定されないが、ジオクチルスルホスクシネートナトリウム（商標名AOT soapとして知られる）、Ｃ₁₂Ｈ₂₅（ＯＣＨ₂ＣＨ₂）₂₃ＯＨ（Brij35（登録商標））、Ｃ₁₈Ｈ₃₇（ＯＣＨ₂ＣＨ₂）₁₀ＯＨ（Brij76（登録商標））およびＣ₁₈Ｈ₃₇（ＯＣＨ₂ＣＨ₂）₂₀ＯＨ（Brij98（登録商標））が挙げられる。さらに、Ivory（登録商標）石鹸のような一般的なハンドソープも本発明の水溶性ナノ結晶の調製に好適に用いられ得る。
【０１２３】
水溶性ナノ結晶の調製方法を以下に示す。該方法は、ＣｄＳｅ（ＺｎＳ）、すなわちＺｎＳシェルを持つＣｄＳｅコアの半導体ナノ結晶のために説明されているが、該方法は既知の半導体物質からの半導体ナノ結晶の調製に応用され得ることが理解される。
【０１２４】
まずほとんど単分散性のナノ結晶の集合体を調製する。ナノ結晶の実際のサイズは使用される物質によって変化するであろう。ＣｄＳｅに関して、粒子は、直径が約５〜１０％ｒｍｓの粒度偏差を示す、直径が約１２Å〜約１５０Åのサイズ範囲である。単分散性のナノ結晶は、高温コロイド成長プロセス（high-temperature colloidal growth process）を用いて得られ、必要であれば、続いてサイズ選択的析出を行う。スペクトル放出線幅が所望のものほど狭くない場合、サイズ選択的析出が用いられ、狭い粒度分布の半導体ナノ結晶の集合体を得ることができる。Murray et al. (1993), the Murray thesis (1995)およびKuno et al.を参照。
【０１２５】
次に半導体ナノ結晶コアを、適切な半導体オーバーコーティング層、すなわちシェルで被覆し得る。実質的に単分散性の第一半導体ナノ結晶および第二半導体物質に熱変換可能な前駆体を、配位溶媒に導入することによって、被覆されたナノ結晶を調製し得る。配位溶媒は、前駆体を第二半導体物質に変換するのに十分であるが、第一半導体ナノ結晶の単分散性を実質的に変えるのには不十分な温度で維持される。好ましくは、第二半導体物質は第一半導体ナノ結晶より大きいバンドギャップを有する。第二半導体物質のオーバーコーティングシェルは、第一半導体ナノ結晶の上に形成される。ナノ結晶の単分散性は、前駆体の変換および第一半導体ナノ結晶のオーバーコーティング中、モニターされる。さらに、粒度分布は、サイズ選択的析出によって改善される。本発明の水溶性ナノ結晶で使用するための、被覆された半導体ナノ結晶の析出に関するさらなる詳細は、１９９７年１１月１３日付で出願された、上記Dabbousi等の、名称が「高発光の色−選択的物質（Highly Luminescent Color-Selective Materials）」である米国番号第０８／９６９，３０２号で見出される。
【０１２６】
形成されたナノ結晶の外部表面は、キャッピング層を成長させるプロセス（capping layer growth process）中に用いられる配位溶媒から生じる有機層を含む。ナノ結晶表面は、本発明の水溶性ナノ結晶を得るために、過量の競合する配位基（coordinating group）に繰り返し晒すことによって修飾される。例えば、半導体ナノ結晶の分散物（dispersion）を本明細書中で説明されたような配位有機分子で処理することによって、水中で容易に分散するが、脂肪族炭化水素中ではもはや分散しないナノ結晶を製造する。このような表面交換プロセスは、例えば、ホスフィン、チオール、アミン、ホスフィンオキシドおよびアミンオキシドのような、キャップされた半導体ナノ結晶の外部表面に配位または結合できる種々の分子を用いて行われ得る。
【０１２７】
具体的な反応は、図６で説明される。半導体ナノ結晶６０は、トリオクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）のような配位有機溶媒中で調製され、これは半導体ナノ結晶表面上に不活性化ＴＯＰＯ層６２の形成をもたらす。水溶性ナノ結晶６６を得るために、この層は、長鎖のメルカプトカルボン酸として表される本発明の外層からなる配位子５４によって、少なくとも部分的に変換される。変換は、外層の被覆形成に用いられる配位子を高濃度で含む溶媒中で、半導体ナノ結晶またはオーバーコートされた半導体ナノ結晶を分散させることによって生じる。媒体は、配位子を含むニートリキッド（neat liquid）であり得、またそれは高濃度溶液であり得る。高濃度であることによって変換反応が促進され、外部被覆の分子によるナノ結晶の表面被覆が最大化される。水溶性ナノ結晶を得るために、ＴＯＰＯ層の変換は完了させる必要がないことに留意すべきである。
【０１２８】
望ましくは、ナノ結晶は配位子溶液へ繰り返し晒される。外部被覆は、本発明の、ナノ結晶の調整に用いられる最初の極性有機溶媒、および、外部被覆に用いられる水溶性分子の混合物を含み得る。水溶性分子の置換は、分子を水溶性にするのに十分であればよく、完了させる必要はない。いくつかの実施形態において、置換は約２５〜５０％、好ましくは６０％を超過して完了される。水中で可溶化されるのに必要な実際の置換の程度は、水溶性分子上の荷電された基または極性基の数に依存する。荷電された基または極性基が多いほど、表面置換は水溶性を達成するためにより低いレベルでよい。
【０１２９】
また、ナノ結晶の外部被覆上に他の配位子を含むことも、本発明の範囲内である。追加の配位子が含まれることによって、追加の化学反応がナノ結晶に対して可能になる。例えば、カルボン酸、ハロゲン化アシル等の反応性基で末端化されている配位子が、ナノ結晶の外部表面に追加され得る。
【０１３０】
本発明は、好ましい特定の実施形態について説明されているが、前述の説明および下記の実施例も同様に、単に説明することを意図しており本発明の範囲を限定するものではないことが解されるべきである。本発明の範囲内の他の観点、利点および改変は、本発明が属する分野の当業者には明白であろう。
【０１３１】
下記実施例は、当該分野における通常の知識を有するものに本発明の新規な組成物をどのようにして作製、使用するかの完全な開示及び説明を提供することを意図するものであり、本発明者らが発明としてみなしている概念を制限するものではない。使用される数（例えば、量、温度など）に関する正確さを保証することに努力がなされているが、実験上の誤差や偏差は、いうまでもなく、ある程度許容されるべきである。特記しない限り、部は重量部であり、温度は摂氏温度であり、圧力は気圧であるいは気圧付近である。
【０１３２】
本発明の実施は、特記しない限り、当該分野における知識に含まれる、合成有機化学、生化学、分子生物学などの公知の技術を用いるものであろう。このような技術は、文献で十分説明される。例えばKirk-Othmer’s Encyclopedia of Chemical Technology; House’s Modern Synthetic Reactions; the Marvel et al. text ORGANIC SYNTHESIS; Collective Volume 1を参照。
【０１３３】
実施例１
ＴＯＰＯでキャップしたＣｄＳｅ（ＺｎＳ）の調製
（ａ）ＣｄＳｅの調製 トリオクチルホスフィンオキシド（TOPO、純度90%）およびトリオクチルホスフィン（TOP、純度95%）を、それぞれストレーム社（Strem）およびフルカ社（Fluka）から得た。ジメチルカドミウム（CdMe₂）およびジエチル亜鉛（ZnEt₂）を、それぞれアルファ社（Alfa）およびフルカ社より得て、両方の物質を、不活性雰囲気のボックス内で０．２ｍフィルターにより別々にろ過した。セレン化トリオクチルホスフィン（Trioctylphosphine selenide）を、ＴＯＰ１００ｍｌ中に一回分のＳｅ０．１モルを溶解することによって調製し、このようにしてＴＯＰＳｅの１Ｍ溶液を製造した。ヘキサメチル（ジシラチアン）（Hexamethyl(disilathiane)）（ＴＭＳ₂Ｓ）をアルドリッチ社（Aldrich）より得た。ＨＰＬＣグレードのｎ−ヘキサン、メタノール、ピリジンおよびｎ−ブタノールをＥＭサイエンシズ社（EM Sciences）より得た。
【０１３４】
ＴＯＰ／ＴＯＰＯでキャップされたＣｄＳｅナノ結晶の具体的な調製を以下に示す。ＴＯＰＯ（３０ｇ）をフラスコに入れ、吸引下（〜１Ｔｏｒｒ）、１８０℃で１時間乾燥した。次にそのフラスコを窒素で満たし、３５０℃に加熱した。不活性雰囲気の乾燥ボックス内で、ＣｄＭｅ₂（２００μＬ、２．７８ｍｍｏｌ）、１ＭＴＯＰＳｅ溶液（４．０ｍＬ、４．０ｍｍｏｌ）およびＴＯＰ（１６ｍＬ）からなる注入溶液を調整した。その注入溶液を徹底的に混合し、シリンジに充填し、乾燥ボックスより取り出した。
【０１３５】
熱を反応フラスコから取り除き、その試薬混合物を一回の連続した注入で強く攪拌しているＴＯＰＯに導入した。これによって、４７０〜５００ｎｍの鋭い吸収特徴を有する濃黄色／橙色の溶液を得て、さらに温度を〜２４０℃に急激に下げた。反応フラスコを再び加熱し、温度を徐々に２６０〜２８０℃に上げた。
【０１３６】
反応溶液の一定量を規則的なインターバル（５〜１０分）で分取し、吸収スペクトルを測定して微結晶の成長をモニターした。吸収スペクトルにおける特徴の鋭さから推測されるような粒度分布の変化に応じて成長温度を調節することによって、２〜３時間の一定した成長期間の後、最も良いサンプルを調製した。粒度分布の増加に応じて、温度を５〜１０℃下げた。あるいは、反応をこの時点で止めることもできる。成長が停止したようにみえる時点で、温度を５〜１０℃上げた。望ましい吸収特徴が得られた時点で、反応フラスコを約６０℃まで冷却し、ブタノール２０ｍＬを加えてＴＯＰＯの固化を防止した。かなり過量のメタノールを添加することによって、粒子を凝集させた。その凝集物を遠心分離によって上澄み液から分離した。生じた粉末を様々な有機溶媒（アルカン、エーテル、クロロホルム、テトラヒドロフラン、トルエンなど）に分散させ、必要であれば透明な溶液を製造した。
【０１３７】
その粉末はさらに、必要であればサイズ選択的析出方法で最適化されうる。ナノ微結晶をヘキサン中の〜１０％ブタノール溶液に分散させた。次にメタノールを、乳白光が持続するまでこの攪拌溶液に滴下して加えた。遠心分離によって上澄みと凝集物とを分離して、サンプル中に最大の微結晶が豊富な析出物を製造した。この方法を、光学的吸収スペクトルの鋭さがもはやみられなくなるまで繰り返した。サイズ選択的析出は、例えばピリジン／ヘキサンおよびクロロホルム／メタノールのような種々の溶媒／非溶媒対中で行うことができる。
【０１３８】
（ｂ）ＣｄＳｅ（ＺｎＳ）の調製 ＴＯＰＯ５ｇを含むフラスコを、吸引下で数時間、１９０℃まで加熱し、次に６０℃まで冷却し、その後トリオクチルホスフィン（ＴＯＰ）を０．５ｍＬ加えた。ＣｄＳｅナノ結晶０．１〜０．４μｍｏｌをざっとヘキサン中に分散させ、シリンジを用いて反応容器へ移し、溶媒をポンプで抜き取った。ジエチル亜鉛（ZnEt₂）およびヘキサメチルジシラチアン（(TMS)₂S）をそれぞれＺｎおよびＳ前駆体として用いた。特定のサンプルに関する粒度分布は、粒度がわかっている既知半導体ナノ結晶の粒度分布に関する光学的データと比較することによって測定された。各ＣｄＳｅサンプルにおいて望ましい厚さのＺｎＳシェルを成長させるのに必要なＺｎおよびＳ前駆体の量を、球状のコアおよびシェルを想定しかつＣｄＳｅおよびＺｎＳのバルクの格子パラメータを考慮した、コア量に対するシェル量の割合に基づき計算した。より大きい粒子の、同じ厚さのシェルを達成するために必要なＣｄに対するＺｎの割合は、より小さいナノ結晶に比べて小さい。ＣｄＳｅコア上で成長するＺｎＳの実際の量は、前駆体の不完全反応や添加中にフラスコの壁で多少物質が失われることに起因して、概して加えられた量より少なかった。
【０１３９】
等モル量の前駆体を、不活性雰囲気のグローブボックス内でＴＯＰ２〜４ｍＬに溶解した。その駆体溶液をシリンジに充填し、反応フラスコに取り付けられた添加漏斗へ移した。ＴＯＰＯおよびＴＯＰ中に分散したＣｄＳｅナノ結晶を含む反応フラスコを、Ｎ₂雰囲気下で加熱した。前駆体が添加される温度は、直径が２３Åであるナノ結晶に対する１４０℃から、直径が５５Åであるナノ結晶に対する２２０℃の範囲であった。望ましい温度に到達した時に、ＺｎおよびＳ前駆体を、５〜１０分以上かけて強く攪拌している反応混合物中に滴下して加えた。
【０１４０】
添加が完了した後、その混合物を９０℃に冷却し、数時間攪拌しつづけた。ブタノール（５ｍＬ）をその混合物に加えて、室温へ冷却するときＴＯＰＯが固化することを防止した。オーバーコートされた粒子をそれらの成長溶液中で保存し、ナノ結晶表面がＴＯＰＯで不活性化されていることを確認した。それらは後で、メタノールで析出させることにより粉末形状で回収され、ヘキサン、クロロホルム、トルエン、ＴＨＦおよびピリジンを含む様々な溶媒に再分散させた。
【０１４１】
実施例２
長鎖のメルカプトカルボン酸を用いた水溶性半導体ナノ結晶の調製
ＴＯＰＯでキャップされたＣｄＳｅ（ＺｎＳ）半導体ナノ結晶を、実施例１で説明したように調整した。オーバーコートされたＣｄＳｅ（ＺｎＳ）ナノ結晶を、ブタノールおよびメタノールの混合物を用いた成長溶液で析出させた。析出した半導体ナノ結晶を得るために、その溶液を５〜１０分遠心分離し、その上澄み液をデカンテーションし、残留物をメタノール（２％）で洗浄した。
【０１４２】
残留物の質量を計量した。ＴＯＰＯキャップの質量は総質量の３０％と推測され、３０倍を超過するモル量の、新たなキャッピング分子である１１−メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）を添加した。残留物およびＭＵＡ（ニート溶液(neat solution)）を６０℃で８〜１２時間攪拌した。添加されたＭＵＡに等しい量のテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）をＭＵＡ／ナノ結晶混合物に添加し、その間その混合物は熱いままであった。生じた透明溶液および被覆された半導体ナノ結晶をＴＨＦ中で保存した。
【０１４３】
被覆された半導体ナノ結晶を、ＭＵＡのカルボン酸官能基の脱プロトン化によって水溶性にした。脱プロトン化は、ｔ−ブトキシドカリウム（potassium t-butoxide）のＴＨＦの懸濁液を、ＭＵＡ−半導体ナノ結晶／ＴＨＦ溶液に添加することによって達成された。ゲルが生じ、次に遠心分離して上澄み液を除去した。残留物を二回ＴＨＦで洗浄し、それぞれにおいて遠心分離し、上澄み液を除去した。最終的な残留物を１０分間空気乾燥した。脱イオン水（ミリポア社(Millipore)）を、透明溶液が形成されるまでその残留物に加えた。
【０１４４】
半導体ナノ結晶を被覆した結果物を、光ルミネセンス量子収量について試験した。上述のように被覆されたＺｎＳの４つの単層被覆を有するＣｄＳｅ半導体ナノ結晶は、４８０ｎｍにおいて吸収バンド、５００ｎｍにおいて１２％の量子収量を有する光ルミネセンスバンドを有していた。上述のように被覆されたＺｎＳの４つの単層被覆を有する第二ＣｄＳｅ半導体ナノ結晶は、５２６ｎｍにおいて吸収バンド、５４２ｎｍにおいて１８％の量子収量を有する光ルミネセンスバンドを有していた。
【０１４５】
実施例３
多座配位子を用いた水溶性半導体ナノ結晶の調製
二座配位子であるジヒドロリポ酸を用いた以外は実施例２で説明されたように、水溶性半導体ナノ結晶を調整した。二座配位のジチオール配位子の合成を、補酵素リポ酸の還元によって達成した。一般的な方法は、Ｇｕｎｓａｌｕｓ ｅｔ ａｌ． （１９５６） Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． ７８：１７６３１７６６で説明される。０℃の０．２５Ｍ炭酸水素ナトリウム水溶液１１７ｍＬ中のリポ酸（６．０ｇ）の攪拌懸濁液に、水素化硼素ナトリウム（１．２ｇ）を３０〜５０ｍｇに分配して加えた。反応を０℃で４５分攪拌して行い、その後、トルエン１００ｍＬを加えて、その混合物を塩酸を用いて〜ｐＨ２に酸性化した。トルエン層を回収し保存した。水層を１５ｍＬトルエンで３回洗浄した。有機層を合わせて、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過し、吸引下で溶媒を除去し、生成したジヒドロリポ酸を黄色のオイルとして得た（収率８０％）。
【０１４６】
キャップの交換を、１１−メルカプトウンデカン酸に関して説明されたのと同じ方法を用いて行った。ＴＯＰＯでキャップされたＣｄＳｅ（ＺｎＳ）半導体ナノ結晶を溶液で析出し、メタノールで２回洗浄した。残留した粉末を、透明溶液を製造するのに必要な最小量のジヒドロリポ酸（通常、３００〜６００ｍｇ）に、７０℃で溶解した（窒素雰囲気下）。この混合物を７０℃で６時間攪拌し、室温で保存した。ナノ結晶を、メルカプトカルボン酸配位子で説明されたように、ＴＨＦ中のｔ−ブトキシドカリウム（potassium tbutoxide）で処理することによって水溶性にした。
【０１４７】
実施例４
界面活性剤を用いた水溶性半導体ナノ結晶の調製
ＴＯＰＯでキャップされたＣｄＳｅ（ＺｎＳ）半導体ナノ結晶を、実施例１で説明されたように調整した。半導体ナノ結晶をヘキサン中に溶解し、ＣｄＳｅ（ＺｎＳ）ナノ結晶の約０．００１〜０．０１モル濃度の溶液を得た。十分量の界面活性剤ジオクチルスルホスクシネート（商標名ＡＯＴ）を混合物に加え、５質量％の界面活性剤を含む溶液を製造した（ただし、液体Ivory（登録商標）石鹸も用いられた）。ヘキサン溶媒を吸引下で揮発させた。生じた固体残留物を水に溶解し、その量子収量が最初のサンプルとほぼ同じ（最初の値の〜７５％）である透明溶液を得た。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の水溶性ナノ結晶の概略図である。
【図２】 図２は、ナノ結晶の水溶性層の、いくつかの選択しうる実施形態の概略図である。
【図３】 図３は、本発明の架橋炭化水素親水性主鎖を有する水溶性ナノ結晶の図である。
【図４】 図４は、本発明のポリメタクリレート領域を含む水溶性ナノ結晶の図である。
【図５】 図５は、本発明の二重層水溶性ナノ結晶の概略図である。
【図６】 図６は、本発明の水溶性ナノ結晶の構成において使用される変換反応の図である。[0001]
This invention was made with US government support under contract number 94-00334 approved by the National Science Foundation. The US government has certain rights in this invention.
[0002]
This specification is divided into the following commonly owned applications: application number 60 / 101,046, filed on September 18, 1998 and dated “Inventory Control” respectively. No. and application 09 / 160,458, filed on Sep. 18, 1998, with the name “Detection of Compounds and Interaction in Biological Systems Using Application No. 60 / 100,947, “Quantam Dots”, application number 09, whose name is “Biological Applications of Quantum Dots”, filed on September 24, 1998. No. 160/454, filed on Sep. 18, 1998, “Water-Soluble Thiol-Capped Nanocrystals” Associated with cancer. No. 09 / 156,457.
[0003]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to water-soluble nanocrystalline materials that release energy over a narrow range of wavelengths. In particular, the present invention relates to water-soluble semiconductor nanocrystals that emit light in the visible and infrared energy ranges.
[0004]
Background of the Invention
Semiconductor nanocrystals with radii smaller than the Bohr radius of bulk excitons (or Quantum Dot^TM(Known as particles) constitutes a class of substance intermediates between the molecular and bulk forms of an object. Quantum confinement of electrons and holes in all three dimensions leads to an increase in the effective band gap of the material with a decrease in crystal size. As a result, both optical absorption and emission of semiconductor nanocrystals shift to blue (higher energy) as the nanocrystal size decreases.
[0005]
Bauendi and co-workers describe a method for preparing monodisperse semiconductor nanocrystals by pyrolysis of organometallic reagents injected into hot coordinating solvents (Murray et al. (1993) ) J. Am. Chem. Soc., 115: 8706). Thereby, individual nucleation is now possible, and a controlled amount of nanocrystal growth is possible. Size selective precipitation of crystallites from the growth solution can provide a narrower size distribution of crystallites. Narrow size distribution semiconductor nanocrystals allow light emission with a narrow spectral linewidth.
[0006]
In an effort to improve the photoluminescence yield of semiconductor nanocrystals, the nanocrystal surface is deactivated by reacting surface atoms with organic deactivating ligands, and the energetic energy inside the bulk of the microcrystalline surface. Eliminate energy levels that exist within the forbidden gap. These surface energy states act as traps for electrons and holes that reduce the luminescent properties of the material. Such deactivation results in an atomic sudden increase in chemical potential at the boundary between the semiconductor and the deactivation layer (see Alivisatos (1996), J. Phys. Chem. 100: 13226). Murray et al. (1993) describes organic components such as tri-n-octylphosphine (TOP) and tri-n-octylphosphine oxide (TOPO) having a quantum yield of about 20% in an organic solvent such as toluene. CdSe nanocrystals capped with (see also Christopher Murray's doctoral dissertation "Synthesis and Characterization of II-IV Quantum Dots and their Assembly into 3D Quantum Dot Superlattices -VI Quantum Dots and Their Assembly into 3-D Quantum Dot Superlattices) (1995), Massachusetts Institute of Technology; and Kuno et al. (1997) J. Phys. Chem. 106 (23): 9869).
[0007]
Despite the fact that semiconductor nanocrystals prepared as described by Bowendy and co-workers are almost monodisperse, thereby showing high color selectivity, the luminescence properties of the material are process dependent. The stability of the photoluminescence properties of the nanocrystal is due to the effect of the nature of the passivating species that coats the outside of the nanocrystal. Known organically coated nanocrystals are not strong in solution and exhibit reduced photoluminescence yield. This is probably because the semiconductor surface is decomposed by dissociation of the deactivated layer from the nanocrystal surface or decomposition of the deactivated layer.
[0008]
Inactivation of semiconductor nanocrystals using inorganic materials has also been reported. Particles deactivated with an inorganic coating are stronger than organically deactivated particles and have greater resistance to the processing conditions required for them to be mixed into the device. The inorganically deactivated semiconductor nanocrystal particle structures reported so far include CdSe-capped CdSe and CdSe-capped CdS (Than et al. (1996), J. Phys. Chem. 100: 8927): ZnS grown on CdS (Youn et al. (1988), J. Phys. Chem. 92: 6320); ZnS on CdSe and its reverse structure (Kortan et al. (1990) J. Am. Chem. Soc. 112: 1327); ZnS-capped CdSe nanocrystals (Danek et al. (1996) Chem. Materials 8: 173); and SiO on Si₂(Wilson et al. (1993) Science 262: 1242).
[0009]
Kortan et al. (1990) describes ZnS capped-CdSe nanoparticles having a layer in which a thiophenyl group is bonded to the outer surface. Thiophenyl groups can be used to inactivate the surface and the clusters can be separated in powder form. Lawless et al. (1995) J. Phys. Chem. 99: 10329 is a bifunctional mercaptocarboxylic acid HS (CH₂)_nThe preparation of CdS semiconductor nanocrystals capped with COOH (where n is 1 to 3) is reported. In order to promote electron transfer between particles between different types of semiconductor nanocrystal particles, TiO₂The particles are attached to the CdS nanocrystals via functional carboxylic acid groups that are bifunctional capping components.
[0010]
The semiconductor nanocrystals described above are only soluble or dispersible in organic solvents such as hexane or pyridine. Many applications based on the fluorescence emission of semiconductor nanocrystals require that the semiconductor nanocrystals are water soluble.
[0011]
Many reported water-soluble semiconductor nanocrystals suffer from serious disadvantages that limit their broad applicability. For example, Spanhel et al. (1987) J. Am. Chem. Soc. 109: 5649 describes Cd (OH)₂A CdS sol capped with is disclosed. However, the photoluminescence properties of the sol are pH dependent. The sol can only be prepared in a very narrow pH range (pH 8-10) and exhibits a narrow fluorescent band only at pH greater than 10. Such pH dependence greatly limits the usefulness of the material and is not particularly suitable for use in biological systems.
[0012]
Another group replaces the organic passivation layer of semiconductor nanocrystals with water-soluble components. However, the result coated with semiconductor nanocrystals does not emit as strongly. Short chain thiols such as 2-mercaptoethanol and 1-thio-glycerol have been used as stabilizers in the preparation of water-soluble CdTe nanocrystals. See, for example, Rogach et al. (1996) Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 100: 1772 and Rajh et al (1993) J. Phys. Chem. 97: 11999. Other more exogenous capping compounds have been reported with similar results. See Coffer et al. (1992) Nanotechnology 3:69 which describes the use of deoxyribonucleic acid (DNA) as a capping compound. In all these systems, the coated semiconductor nanocrystals are not stable and the photoluminescence properties decrease with time.
[0013]
Due to the inability to utilize aqueous suspensions or aqueous solutions of semiconductor nanocrystals with strong photoluminescence emission, their application is limited in various water-based applications such as biological applications. . In addition, aqueous solutions are often very active chemical systems, and many known water-soluble semiconductor nanocrystal systems are subject to photoanodic decomposition, mainly at the semiconductor surface boundaries, during long exposure times in water. ).
[0014]
Accordingly, there remains a need for water-soluble semiconductor nanocrystals that can be prepared as stable and strong suspensions or solutions in aqueous media. There is also a need for water-soluble semiconductor nanocrystals capable of energy release with high quantum efficiency, which have a narrow particle size (hence a narrow photoluminescence spectral range).
[0015]
Summary of invention
The primary objective of the present invention is to address the aforementioned needs in the art.
[0016]
Another object of the present invention is to overcome the limitations of the prior art and provide water-soluble semiconductor nanocrystals that exhibit high quantum yields with high spectral purity photoluminescence emission.
[0017]
Yet another object of the present invention is to provide semiconductor nanocrystals that are easily solubilized in aqueous systems and exhibit chemical and electronic stability therein.
[0018]
Yet another object of the present invention is to provide water-soluble semiconductor nanocrystals that are coated to provide binding or coupling capabilities.
[0019]
In one aspect of the present invention, a water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy is provided. The nanocrystal includes a semiconductor nanocrystal core having a selected bandgap energy overcoated with a shell layer made of a material having a larger bandgap energy than the core with an appropriate bandgap offset. The soluble nanocrystal further comprises an outer layer on the outer surface of the overcoating layer. The outer layer comprises one or more linking groups for attachment of molecules to the overcoating layer and, if necessary, the linking group with sufficient hydrophobic region to minimize electron charge transfer in the hydrophobic region. Molecules having one or more hydrophilic groups that are spaced apart from each other.
[0020]
The outer layer of nanocrystals can contain organic molecules. The organic molecule provides solubility in an aqueous medium, such as a long-chain hydrocarbon atom that is terminated by a component that has an affinity for the aqueous medium and a component that has an affinity for the surface of the semiconductor nanocrystal. Ingredients selected to do so may be included. Coordination of organic molecules to the semiconductor nanocrystal outer surface is promoted by the affinity to the nanocrystal surface, and the semiconductor nanocrystal suspension is stabilized by the component having affinity for the aqueous medium.
[0021]
In one preferred embodiment, the molecule has the structural formula (I)
[0022]
[Chemical 7]

[0023]
And including salts thereof. Where X¹Is N, P, SOr O = P, n is 6 or more, and z and y are X¹Is selected to meet the valence requirements of
[0024]
In another preferred embodiment, the molecule has the structural formula (II)
[0025]
[Chemical 8]

[0026]
Where X and X ′ are the same or different and are selected from the group consisting of S, N, P or O═P, Y is a hydrophilic component, and Z is absent Or a hydrophobic region having a main chain of at least 6 atoms. X and X 'may contain other substituents that meet the valence requirements, such as amines, thiols, phosphines and phosphine oxides substituted by hydrogen atoms or other organic components. In addition, the atoms that bridge X and X 'can be selected to form a 5- to 8-membered ring upon coordination to the semiconductor surface. The bridging atom is typically carbon, but other elements such as oxygen, nitrogen and sulfur are possible. Y is any charged or polar group such as carboxylate, sulfonate, phosphate, polyethylene glycol or other polyols and ammonium salts, for example carboxylate (—CO₂ ^-), Sulfonate (SO_Three ^-), Hydroxide (—OH), alkoxide, ammonium salt (—NH_Four ⁺) And phosphate (-PO_Four ^-2) And phosphonate (-PO_Three ^-2) Etc. Z is typically an alkyl or alkenyl group, but includes other atoms such as carbon and nitrogen. Furthermore, Z can be modified to provide attractive interactions with adjacent ligands, as described herein.
[0027]
In yet another preferred embodiment, the molecule has the structural formula (III)
[0028]
[Chemical 9]

[0029]
Where X, X ′ and X ″ are the same or different and are selected from the group consisting of S, N, P or O═P, Y is a hydrophilic component, and Z Is a hydrophobic region having a main chain of at least 6 atoms. X, X ′ and X ″ may contain other substituents to meet valence requirements, for example hydrogen atoms or Amines, thiols, phosphines and phosphine oxides substituted by other organic components. In addition, the atoms bridging X, X ′ and X ″ can be selected to form a 5- to 8-membered ring upon coordination to the semiconductor surface. The bridging atoms are generally carbon, Other elements such as oxygen, nitrogen and sulfur are possible, and Y is any charged or polar group such as carboxylate, sulfonate, phosphate, polyethylene glycol or other polyols and ammonium salts. For example, carboxylate (—CO₂ ^-), Sulfonate (SO_Three ^-), Hydroxide (—OH), alkoxide, ammonium salt (—NH_Four ⁺) And phosphate (-PO_Four ^-2) And phosphonate (-PO_Three ^-2) Etc. Z is generally an alkyl or alkenyl group, but includes other atoms such as carbon and nitrogen. Z is further modified to provide an attractive interaction with an adjacent ligand, as described herein.
[0030]
In another preferred embodiment, the molecule has the structural formula (IV)
[0031]
[Chemical Formula 10]

[0032]
Where R¹Is heteroalkyl, heteroalkenyl, heteroalkynyl, -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 ') OR' and -P (S) OR, where R, R 'and R Each independently represents H, branched or unbranched alkyl, branched or unbranched alkenyl, branched or unbranched alkynyl, branched or unbranched heteroalkyl, branched or unbranched hetero Selected from the group consisting of alkenyl and branched or unbranched heteroalkynyl If where a is greater than 1, R¹The groups may be the same or different, or 6, 7, 8, 9 or 10 membered cycloalkyl, cycloalkenyl, heterocyclic, aryl, heteroaryl or 6-30 membered crown ether or heterocrown ether Can be combined to form
R²Is a single bond (ie R²Is not present), branched or unbranched alkylene, branched or unbranched alkenylene, branched or unbranched heteroalkylene, branched or unbranched heteroalkenylene, cycloalkyl, cycloalkenyl, cycloalkynyl, heterocyclic ring Formula, aryl and heteroaryl;
R^ThreeIs branched or unbranched alkylene, branched or unbranched alkenylene, branched or unbranched heteroalkylene, branched or unbranched heteroalkenylene, cycloalkyl, cycloalkenyl, cycloalkynyl, heterocyclic, aryl And heteroaryl;
R^FourIs hydrogen atom, carboxylate, thiocarboxylate, amide, imide, hydrazine, sulfonate, sulfoxide, sulfone, sulfite, phosphate, phosphonate, phosphonium, alcohol, thiol, amine, ammonium, alkylammonium, nitrate, sugar component and 5 , 6, 7, 8, 9 or 10 membered cycloalkenyl, cycloalkynyl, heterocyclic, aryl or heteroaryl;
a is 1, 2, 3 or 4;
b is 0, 1, 2 or 3;
c is 0, 1, 2 or 3; and
d is 0, 1, 2 or 3, where when d is 2 or 3, R^ThreeThe groups can be the same or different or can be joined together to form a 5, 6, 7, 8, 9 or 10 membered cycloalkyl, cycloalkenyl, heterocyclic, aryl or heteroaryl. .
[0033]
Preferably R¹Is a thiol (eg -SH), phosphine, phosphine oxide or amine (eg -NH₂, -NHR or -NRR ').
[0034]
Preferably R²Contains 6 to 12 atoms. More preferably, R²Is a straight chain alkylene, alkenylene, alkynylene, heteroalkylene, heteroalkenylene containing 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 or 20 atoms or Heteroalkynylene, or cycloalkyl or heterocyclic containing 5 or 6 atoms.
[0035]
Preferably, when b is 1, 2 or 3, R^ThreeContains 6 to 20 atoms. More preferably, R^ThreeIs a straight chain alkylene, alkenylene, alkynylene, heteroalkylene, heteroalkenylene containing 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 or 20 atoms or Heteroalkynylene or cycloalkyl or heterocyclic containing 5 or 6 atoms.
[0036]
Preferably R^FourIs carboxylate (-COO^-), Phosphonate (-PO_Three-), Sulfonate (-SO_Three ^-) Or ammonium (-N⁺HRR ').
[0037]
In yet another embodiment of the invention, the molecule has the structural formula (V)
[0038]
Embedded image

[0039]
Where the pendant group R¹And R^FourAnd R²Ingredients are as defined above and X²And Y²Are the same or different, and a mer unit selected from the group consisting of acrylate, styrene, imide, acrylamide, ethylene, vinyl, diacetylene, phenylene-vinylene, amino acid, sugar, sulfone, pyrrole, imidazole, thiophene and ether ( mer unit) and m ′ and n ′ are selected in relation to the number of available coordination sites on the semiconductor nanocrystal surface. It is desirable that m ′ is not more than the number of available coordination sites, preferably not more than about one quarter of the number of available coordination sites. In particular, m 'is in the range of about 3 to about 100. The value of n 'is generally chosen to be comparable to the value of m'. That is, n ′ is preferably not more than the number of available coordination sites, and preferably not more than about one quarter of the number of available coordination sites. In particular, n 'is in the range of about 3 to about 100. The molecule can be a block copolymer, wherein a first block comprising a pendant group that can be functionalized as a binding component Y is provided and a second block comprising a pendant group that can be functionalized as a hydrophilic group X is provided. . The polymer block serves as a hydrophilic region.
[0040]
In a preferred embodiment, the molecule has the formula
[0041]
Embedded image

[0042]
Wherein X is the same or different and is an element selected from the group consisting of S, N, P or O = P, Y is the same or different, for example, carboxylate , Hydrophilic components such as sulfonates, phosphates, phosphonates, polyethylene glycols, ammonium salts and the like. X may include other substituents such as amines, thiols, phosphines and phosphine oxides substituted with hydrogen atoms or other organic components to meet valence requirements. The terminal groups R and R 'are optional components, for example a hydrogen atom. Particularly regarding R, since it is close to the hydrophilic block, it is preferably a polar component. Similarly, R ′ is preferably a nonpolar component because it is close to the hydrophobic block. m and n are selected in relation to the number of available coordination sites on the semiconductor nanocrystal surface. m is less than or equal to the number of available coordination sites, preferably less than or equal to about one quarter of the number of available coordination sites. In typical applications, m is in the range of about 3-100. The value of n is generally selected to be comparable to the value of m. That is, n is less than or equal to the number of available coordination sites, preferably less than or equal to about one quarter of the number of available coordination sites. In typical applications, n is in the range of about 3-100.
[0043]
Although not necessarily bound in theory, the inventors have determined that the coordination of the molecule having the structural formula (IV) to the overcoated nanocrystal depends on the surface component of the nanocrystal and the R of the molecule.¹I think it happens between the ingredients.
[0044]
In another preferred embodiment, the water-solubilizing outer layer comprises a homogeneous population of molecules having the structural formula (I), (II), (III), (IV) or (V), all Mixed aggregates of molecules of each structural formula, ie, mixed aggregates of all molecules having structural formula (I), (II), (III) or (V), or structural formulas (I), (II), ( III) and a mixed assembly of molecules composed of a combination of two or more of (V).
[0045]
In another aspect of the present invention, the water-solubilizing layer has a bilayer first layer having an affinity for the overcoating layer, and a hydrophobic region adjacent to the first layer, and is terminated at the hydrophilic group. Water-soluble semiconductor nanocrystals are provided that are bilayers having a second layer of bilayers that are terminating in a hydrophilic group. The bilayer may include a coordinating lyophilic molecule used for producing semiconductor nanocrystals as a first layer, and a surfactant as a second layer.
[0046]
These and other embodiments of the invention will be readily reached by those skilled in the art in view of the disclosure disclosed herein.
[0047]
Detailed Description of the Invention
Definition and naming:
Before the present invention is disclosed and described in detail, it should be understood that the present invention is not limited to a particular assay format, substance or reagent per se, and of course can be varied. Also, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments and is not intended to be limiting.
[0048]
It should be noted that as used herein and in the appended claims, the singular forms “a”, “an”, and “the” include the plural unless specifically stated otherwise. Thus, for example, reference to “a nanocrystal” includes one or more nanocrystals, reference to “an outer layer” includes one or more such outer layers, and the like.
[0049]
In this specification and in the claims below, a number of terms are defined and cited to have the following meanings.
[0050]
“Quantum dot^TM“Particles” are semiconductor nanocrystals having size-dependent optical and electronic properties. In particular, the band gap energy of a semiconductor nanocrystal varies with the diameter of the crystal.
[0051]
A “semiconductor nanocrystal” has a diameter that includes, for example, one or more “cores” of a first semiconductor material that may be surrounded by a “shell” of a second semiconductor material. , Preferably about 2 nm to about 50 nm, more preferably about 5 nm to about 20 nm (about 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 nm, etc. ) Inorganic microcrystals. A semiconductor nanocrystal core surrounded by a semiconductor shell is referred to as a “core / shell” semiconductor nanocrystal. The surrounding “shell” material preferably has a larger band gap than that of the core material, and may be selected to have an atomic spacing close to the atomic spacing of the “core” substrate. The core and / or shell may be, but is not limited to, group II-VI (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, MgTe, etc.), group III-V (GaN, GaP, GaAs) , GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlAs, AlP, AlSb, AlS, etc.) and Group IV (Ge, Si, Pb, etc.) materials, and their alloys, or their ternary and quaternary A semiconductor material including a mixture including a mixture.
[0052]
The semiconductor nanocrystals are surrounded by a “coating” of organic capping agent, if necessary. The organic capping agent can be any of a number of materials, but has an affinity for the semiconductor nanocrystal surface. Typically, the capping agent can be an isolated organic molecule, a polymer (or a monomer for the polymerization reaction), an inorganic complex, and an extended crystalline structure. The coating is used to impart the ability to uniformly disperse the coated semiconductor nanocrystals in a given solvent, solubility, functionality, binding properties, and the like. In addition, the coating is used to adapt the optical properties of the semiconductor nanocrystals.
[0053]
As used herein, the term “quantum yield” refers to the ratio of photons emitted to those absorbed, eg, photoluminescence quantum yield.
[0054]
In another embodiment of the invention, the coated nanocrystals are characterized in that the nanocrystals exhibit a deviation in core diameter of less than 10% rms (root mean square), preferably less than 5% rms. Thus, the “monodisperse particle” phase includes particle aggregates that exhibit a deviation of less than 10% rms in diameter, preferably less than 5% rms. Nanocrystals in an aqueous environment preferably exhibit photoluminescence having a quantum yield greater than 10%, most preferably in the range of about 10% to 30%.
[0055]
As used herein, the term “alkyl” means a branched or unbranched saturated hydrocarbon group of 1 to 100 carbon atoms such as methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n- Examples include butyl, isobutyl, t-butyl, octyl, decyl, tetradecyl, hexadecyl, eicosyl, tetracosyl, and the like, and cycloalkyl groups such as cyclopentyl and cyclohexyl. The term “lower alkyl” includes alkyl groups of 1 to 20 carbon atoms, preferably 6 to 20 carbon atoms.
[0056]
As used herein, the term “alkylene” refers to a difunctional branched or unbranched saturated hydrocarbon group of 1 to 100 carbon atoms, methylene (—CH₂-), Ethylene (-CH₂-CH₂-), Propylene (-CH₂-CH₂-CH₂-), 2-methylpropylene (-CH₂-CH (CH_Three) -CH₂-), Hexylene (-(CH₂)₆-) Etc. are mentioned. The term “lower alkylene” includes alkylene groups of 1 to 20 carbon atoms, more preferably 6 to 20 carbon atoms.
[0057]
As used herein, the term “alkenyl” refers to a branched or unbranched hydrocarbon group of 2 to 100 carbon atoms containing at least one carbon-carbon double bond, for example Examples include ethenyl, n-propenyl, isopropenyl, n-butenyl, isobutenyl, t-butenyl, octenyl, decenyl, tetradecenyl, hexadecenyl, eicosenyl, tetracocenyl and the like. The term “lower alkenyl” includes alkenyl groups of 2 to 20 carbon atoms, preferably 6 to 20 carbon atoms, containing one —C═C— bond.
[0058]
The term “alkenylene” means a difunctional branched or unbranched hydrocarbon group containing 2 to 100 carbon atoms and at least one carbon-carbon double bond. “Lower alkynylene” includes an alkenylene group of 2 to 20 carbon atoms, more preferably 6 to 20 carbon atoms containing one carbon-carbon double bond.
[0059]
As used herein, the term “alkynyl” refers to a branched or unbranched hydrocarbon group containing 2 to 100 carbon atoms and at least one C □ C bond, such as ethynyl, n -Propynyl, isopropynyl, n-butynyl, isobutynyl, t-butynyl, octynyl, decynyl and the like. An alkynyl group having 2 to 10 carbon atoms and one —C □ C— bond is preferred.
[0060]
The term “alkynylene” refers to a bifunctional branched or unbranched hydrocarbon group containing 2 to 100 carbon atoms and at least one carbon-carbon triple bond. “Lower alkynylene” includes alkynylene groups of 2 to 10 carbon atoms containing one —C □ C— bond.
[0061]
If necessary, the alkyl, alkylene, alkenyl, alkenylene, alkynyl or alkynyl chain is a group consisting of —O—, —S— and —NR—, wherein R is a hydrogen atom, lower alkyl or lower alkenyl. 1 to 6 linkages selected from more.
[0062]
The terms "heteroalkyl", "heteroalkylene", "heteroalkenyl", "heteroalkenylene", "heteroalkynyl" and "heteroalkynylene" mean that one or more carbon atoms are each replaced, for example, with a nitrogen, sulfur or oxygen atom Meaning alkyl, alkylene, alkenyl, alkenylene, alkynyl and alkynylene groups respectively.
[0063]
“Alkoxy” means an —O—R group, wherein R is an alkyl group as defined above. Examples of alkoxy groups include, but are not limited to, methoxy, ethoxy, isopropoxy and the like.
[0064]
“Alkylamino” means a —NHR group wherein R is an alkyl group as defined above. Examples of alkylamino groups include, but are not limited to, methylamino (1-ethylethyl) amino and the like.
[0065]
“Alkylthio” refers to the group —SR where R is in the same alkyl period as described above. Examples of alkylthio groups include, but are not limited to, methylthio, butylthio, and the like.
[0066]
“Dialkylamino” means a —NR′R ″ group, wherein R ′ and R ″ are each independently an alkyl group as defined above. Examples of dialkylamino groups include, but are not limited to, dimethylamino, methylethylamino, diethylamino, di (1-methylethyl) amino, and the like.
[0067]
“Hydroxyalkyl” means an alkyl group as described above substituted with one or more hydroxyl groups. Examples of hydroxyalkyl groups include, but are not limited to, hydroxymethyl, 2-hydroxyethyl, 2-hydroxypropyl, 3-hydroxypropyl, 2-hydroxybutyl, 3-hydroxybutyl, 4-hydroxybutyl, 2,3 -Dihydroxypropyl, 1- (hydroxymethyl) -2-hydroxyethyl, 2,3-dihydroxybutyl, 3,4-dihydroxybutyl, 2- (hydroxymethyl) -3-hydroxypropyl and the like.
[0068]
As used herein, the term “acyl” includes alkyl groups attached through a — (CO) — linkage. The term “lower acyl” includes an acyl group in which an alkyl group bonded via a carbonyl bond is a lower alkyl group.
[0069]
The term “sugar component” means monosaccharides, disaccharides, polysaccharides and the like. The term “sugar” includes modified sites in which one or more hydroxyl groups are replaced by halogen atoms, alkoxy components, aliphatic groups, or functionalized as ethers, amines, and the like. Examples of modified sugars are those containing a lower alkoxy group in place of the hydroxyl component, ie α or β-glycosides such as methyl α-D-glucopyranoside, methyl β-D-glucopyranoside and the like; Reacted, ie N-glycosylamine or N-glycoside such as N- (α-D-glucopyranosyl) methylamine; containing acylated hydroxyl groups, specifically 1-5 A lower acyl group, including one or more carboxylic acid groups, such as D-gluconic acid; including a free amine group, such as D-glucosamine, D-galactosamine, N-acetyl- Including D-glucosamine. Examples of preferred saccharides include glucose, galactose, fructose, ribose, mannose, arabinose, and xylose. Examples of polysaccharides include dextran and cellulose.
[0070]
“Aryl” means a monovalent aromatic hydrocarbon group composed of one or more fused rings wherein at least one ring is essentially an aromatic ring, and if necessary one or more of the following substituents; Unless otherwise specified, it may be substituted with hydroxy, cyano, alkyl, alkoxy, thioalkyl, halogen atom, haloalkyl, hydroxyalkyl, nitro, amino, alkylamino and dialkylamino.
[0071]
“Heteroaryl” means a monovalent aromatic carbocyclic group having one or more rings incorporating from 1 to 3 heteroatoms (selected from nitrogen, oxygen or sulfur) in the ring, If present, may be substituted with one or more of the following substituents; unless otherwise specified, hydroxy, cyano, alkyl, alkoxy, thioalkyl, halogen atom, haloalkyl, hydroxyalkyl, nitro, amino, and alkylamino and dialkylamino .
[0072]
“Cycloalkyl” means a monovalent saturated carbocyclic group composed of one or more rings and, if necessary, one or more of the following substituents; unless otherwise specified, hydroxy, cyano, alkyl, alkoxy , Thioalkyl, halogen atom, haloalkyl, hydroxyalkyl, nitro, amino, alkylamino and dialkylamino.
[0073]
“Cycloalkenyl” means a monovalent unsaturated carbocyclic group composed of one or more rings and containing one or more carbon-carbon double bonds, and, if necessary, one or more of the following substituents: Unless otherwise specified, may be substituted with hydroxy, cyano, alkyl, alkoxy, thioalkyl, halogen atom, haloalkyl, hydroxyalkyl, nitro, amino, alkylamino and dialkylamino.
[0074]
“Cycloalkynyl” means a monovalent unsaturated carbocyclic group composed of one or more rings and containing one or more carbon-carbon triple bonds, and, if necessary, one or more of the following substituents; Unless otherwise specified, it may be substituted with hydroxy, cyano, alkyl, alkoxy, thioalkyl, halogen atom, haloalkyl, hydroxyalkyl, nitro, amino, alkylamino and dialkylamino.
[0075]
“Heterocyclic” means a monovalent saturated carbocyclic group composed of one or more rings and incorporating from 1 to 3 heteroatoms (selected from nitrogen, oxygen or sulfur) For example, it may be substituted with one or more of the following substituents; unless otherwise specified, hydroxy, cyano, alkyl, alkoxy, thioalkyl, halogen atom, haloalkyl, hydroxyalkyl, nitro, amino, alkylamino and dialkylamino.
[0076]
The term “crown ether” means an unbranched saturated heterocyclic molecule of a monovalent, divalent, trivalent or higher (eg, 4, 5, 6, 7 or 8 valent) polyvalent group. . Crown ethers are generally referred to as “x crown y” or “xCy”, where x represents the total number of atoms in the molecule and y represents the number of heteroatoms in the molecule. Thus, for example, 12 crown 4 is a crown ether containing 12 atoms, 4 of which are heteroatoms, and 18C6 is a crown ether containing 18 atoms, of which 6 are heteroatoms. . Preferred heteroatoms are O, S and N, and depending on some specific crown ethers, the heteroatoms may be the same or different. “Heterocrown ether” is a crown ether having different heteroatoms. Preferred crown ethers are 6-13 membered crown or heterocrown ethers, more preferably 8C4, 9C3, 12C4, 15C5, 18C6 and 20C8, and even more preferably 12C4 and 18C6.
[0077]
“Necessary” or “if necessary” may or may not result from the event or situation described thereafter, and further includes when the event or situation occurs and when it does not occur Means that. For example, the phrase “optionally substituted alkylene” means that the alkylene component may be substituted or unsubstituted and the description includes both unsubstituted or substituted alkylene. The meaning is the same for others.
[0078]
The present invention focuses on water-soluble semiconductor nanocrystals that are highly luminescent and stable in aqueous solutions. The nanocrystal is shown schematically in FIG. The semiconductor nanocrystal 10 is coated with an outer layer 14 that makes the crystal water soluble. The outer layer 14 is further selected to maintain the luminescence properties of the nanocrystals and improve the robustness of the nanocrystals in aqueous solution. If necessary, the optical overcoating layer 12 is used to coat the semiconductor nanocrystals prior to the application of the outer layer 14. The outer layer is spaced apart from the linking group by at least one linking group 16 for attachment of molecules to the overcoating layer and a hydrophobic region 18 sufficient to prevent electron charge transfer in the hydrophobic region. Molecules 15 having at least one hydrophilic group 20. In FIG. 1, the hydrophilic group 20 is shown for convenience as a negative charge, but it should be noted that the group can be positively charged or polar neutral. is there.
[0079]
Nanocrystals include semiconductor nanocrystals that exhibit quantum confinement effects in their luminescent properties. These nanocrystals are known as “Quantum Dot^TMKnown as “particles”. When the semiconductor nanocrystal emits light from the primary energy source, secondary emission of energy having a frequency corresponding to the band gap of the semiconductor material used in the semiconductor nanocrystal occurs. For particles that confine quanta, the band gap is a function of nanocrystal size.
[0080]
Semiconductor nanocrystals are exposed to a light source and emit energy at wavelengths characteristic of their composition and size. The water-soluble layer of the present invention can be used with nanocrystals having various combinations of nanocrystal cores and overcoats. The present invention has various narrow particle size distributions that exhibit improvements in color purity and their photoluminescence emission intensity, and that are robust and stable in water-based suspensions and solutions. Allows the preparation of water-soluble nanocrystals. Many II-VI, III-V, and IV semiconductors are prepared as quantum-sized particles, exhibit quantum confinement effects in their physical properties, and can be used in the water-soluble nanocrystals of the present invention. Specific materials suitable for use as a semiconductor nanocrystal core include CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, MgTe, GaAs, GaP, GaSb, GaN, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InP, InSn. , InN, AlAs, AlP, AlSb, AlS, PbS, PbSe, Ge, Si, alloys thereof, or mixtures thereof such as ternary and quaternary mixtures thereof.
[0081]
Semiconductor nanocrystals are characterized by their uniform nanometer size. By “nanometer” size is meant less than about 150 angstroms (Å), preferably in the range of 15 to 150 angstroms (Å). Nanocrystals are also substantially monodisperse within the wide size range described above. Monodispersed as used herein refers to a colloidal system in which suspended particles have substantially the same size and shape. For the purposes of the present invention, monodisperse particles mean that at least 60% of the particles are within a certain size range. In a preferred embodiment, the monodisperse particles exhibit a deviation of less than 10% rms in diameter, preferably less than 5%. Monodisperse semiconductor nanocrystals are described in detail in Murray et al. (1993), the Murray thesis (1995) and Kuno et al.
[0082]
In a preferred embodiment, the semiconductor nanocrystal has an overcoating shell layer. At the surface of a semiconductor nanocrystal, surface defects cause electron or hole traps that reduce the electrical and optical properties of the semiconductor nanocrystal. The insulating layer on the semiconductor nanocrystal surface provides a sudden type of atomic jump in chemical potential at the interface that erases energy states that can act as traps for electrons and vacancies. This produces a high effect at the light emission stage.
[0083]
Suitable materials for the overcoating shell layer include semiconductors having higher band gap energy than semiconductor nanocrystals. In addition to having a higher band gap energy than the semiconductor nanocrystal, a suitable material for the overcoating shell layer should have a good conduction and valence band offset in the semiconductor nanocrystal. Thus, it is desirable that the conduction band is higher and the valence band is lower than that of the semiconductor nanocrystal core. Therefore, the core is 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, alloys thereof, or shell materials including mixtures thereof including ternary and quaternary mixtures thereof. The band gap energy of the overcoating shell is preferably greater than the core. For semiconductor nanocrystals that emit energy in the visible (eg CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, GaP, GaAs) or near infrared (eg InP, InAs, InSb, PbS, PbSe), the band gap energy in the ultraviolet region The substance having can be used. Specific materials include ZnS, GaN, and magnesium chalcogenides such as MgS, MgSe, and MgTe. A substance having band gap energy in the visible region such as CdS or CdSe is also used as the semiconductor nanocrystal emitted in the near infrared region. The overcoating shell layer may include up to 8 monolayers of semiconductor material.
[0084]
Particularly preferred semiconductor nanocrystals for emission in the visible range are CdX^Three(Where X^ThreeAre S, Se and Te), and ZnY^Three(Where Y^ThreeAre Se and Te). For these molecules, ZnS is a preferred material for use as an overcoat. With respect to CdTe, ZnSe may be a preferred material for use as an overcoat due to the higher degree of lattice match between the materials. Overcoated nanocrystals used in the present invention are described in detail in Dabbousi et al. (1997) J. Phys. Chem. B, 101 (46): 9463, and Kuno et al.
[0085]
Many prior art semiconductor nanocrystals are prepared in a coordinating solvent, and an inactivated organic layer composed of an organic solvent is formed on the nanocrystal surface. Thus, deactivated semiconductor nanocrystals are readily soluble in organic solvents such as toluene, chloroform and hexane. The present invention instead provides particles that are surface modified and are soluble in aqueous media. According to the present invention, the surface of the semiconductor nanocrystal is coated with an outer layer that stabilizes the semiconductor nanocrystal in an aqueous solution. The outer layer includes molecules having at least one binding component attached to the particle surface and at least one binding component terminated with at least one hydrophilic component. The binding component and the hydrophilic component are spaced apart if necessary by a hydrophobic region sufficient to prevent charge transfer in that region. The hydrophobic region also provides a “pseudo-hydrophobic” environment for the nanocrystals, thereby protecting it from the aqueous environment. In order to exhibit high quantum efficiency, it is desirable that the particles remain electrically isolated from one another. The outer layer of the present invention serves an additional useful purpose of maintaining the desired isolation between each semiconductor nanocrystal.
[0086]
The outer layer can be made from any material that meets the structural and performance criteria as described herein. The material can be organic or inorganic. In a particularly preferred embodiment, the molecule is an organic molecule. In some embodiments, the outer layer can be a mixture of two or more different water solubilizing molecules. In other embodiments, the outer layer may include additional molecules that are selected to provide desirable properties to the semiconductor nanocrystal. For example, the outer layer includes molecules having reactive functional groups for reacting with other substrates or molecules.
[0087]
Suitable binding components include molecules having electron pairs utilized for interaction with the semiconductor surface, such as oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N) and phosphorus (P). Specific examples of the molecule include electron donating components such as amine, thiol, phosphine, amine oxide, phosphine oxide, and the like. The binding component is first attached to the surface of the semiconductor nanocrystal by the coordination bond of a lone pair of nitrogen, sulfur, oxygen or phosphorus atoms of the linking group. Covalent and ionic bonds can also be used to form the interaction between the semiconductor nanocrystal and the outer layer.
[0088]
Molecules with a single binding component form an outer layer that has the property of making it water soluble. However, as shown schematically in FIG. 2A, it may be desirable for a molecule to include multiple binding components. That is, the molecule can be a bidentate or tridentate ligand having two or more linking groups 22, 22 '. As the linking group, those similar to the above can be used. For example, the molecule can be a derivatized dithiol, diamine, triamine, diphosphine, and the like. The linking groups may be the same or different.
[0089]
Multidentate ligands provide enhanced stability and strength to the organic layer and the resulting water-soluble nanocrystals. Regardless of the particular mode of operation, it is believed that the increased stability of water-soluble nanocrystals is achieved by increasing the binding coefficient of the polydentate ligand to the semiconductor nanocrystal. Molecules that are formed by an exchange reaction with the solvated solvent molecules (see below), followed by water solubilization, can also be converted at the semiconductor nanocrystal surface. For example, it has been observed that the outer layer can be at least partially removed by dialysis of the water-soluble layer. By using a multidentate ligand, the strength of the interaction between the semiconductor nanocrystal and the molecule increases, and the exchange of the organic layer by other coordination molecules is less likely to occur.
[0090]
The increased stability of the resulting water-soluble semiconductor nanocrystals has been qualitatively observed in the size selective deposition of coated semiconductor nanocrystals. For example, semiconductor nanocrystals overcoated with bidentate ligands such as lipoic acid showed a 4-fold increase in suspension stability over the comparative monodentate ligand-coated molecule.
[0091]
  The hydrophilic component can be a polar group or a (positive or negative) charged group. The polarity or charge of the group provides the essential hydrophilic interaction with water and provides a stable solution or suspension of semiconductor nanocrystals. Specific hydrophilic groups include hydroxide (—OH), polar groups such as amines, polyethers such as polyethylene glycol, and further carboxylates (CO₂ ^-), Sulfonate (SO_Three ^-), Phosphate (PO_Four ^2- ) And phosphonate (PO_Three ^2- ), Nitrates, ammonium salts (NH_Four ⁺) And the like.
[0092]
Water solubility has been achieved using molecules with a single hydrophilic group. However, it is desirable to include one or more hydrophilic components in the molecule, as schematically shown in FIG. 2B. FIG. 2B shows a molecule having at least two hydrophilic components 24, 24 '. The hydrophilic groups may be the same or different. Further, as shown in FIG. 2C, it is conceivable that the water-soluble molecule may contain a plurality of binding groups and hydrophilic groups.
[0093]
The hydrophobic region is selected to prevent the surface from being photooxidized by charge transfer of vacancies from either the semiconductor nanocrystal core or the surrounding environment to the surface. A common process is to use sulfur or selenium SO (for semiconductor nanocrystals), for example when the semiconductor nanocrystal or overcoating layer contains S or Se.₂Or SeO₂Including electrolysis of water from the surrounding environment with resultant oxidation to. The charge transfer in the layer represents a non-energetic emission path for the excited state of the semiconductor, whereby photoluminescence is significantly reduced or suppressed.
[0094]
Surface modification of prior art semiconductor nanocrystals includes capping of CdS nanocrystals with 2-mercaptoethanol, 1-thioglycerol and 3-mercaptopropionic acid. See Lawless et al. And Rogach et al. These short-chain organic molecules do not provide water-soluble semiconductor nanocrystals that exhibit optimal light emission. This is because short carbon chains do not provide sufficient insulation of semiconductor nanocrystals for photooxidation processes. Therefore, charge transfer occurs between the semiconductor nanocrystal and either the carboxylate or aqueous environment. In systems using short-chain organic molecules, luminescence is partially suppressed and the quantum yield is low, i.e. less than 1%.
[0095]
In one embodiment of the invention, the hydrophobic region is a long chain hydrocarbon moiety — (CH₂)_n-Where n is greater than 6, preferably greater than 8. A hydrocarbon component having n of 11 to 15 can be suitably used in the production of the water-soluble nanocrystal of the present invention. Although there is no upper limit on the length of the hydrocarbon chain, it is believed that very long hydrocarbon chains can make the nanocrystals undesirable and “oily”. The hydrophobic region may also include branched hydrocarbons.
[0096]
In other embodiments, the hydrophobic region may include a modified hydrocarbon backbone. This modification may be due to a coupling reaction such as, for example, a carbodiimide coupling used to increase the length of the hydrophobic backbone. Alternatively, atoms other than carbon may be introduced into the main chain so as to improve the attractive interaction between adjacent molecules and the water-soluble ligand.
[0097]
The backbone is also modified to include pendant groups that are attracted to adjacent hydrophobic regions via forces such as van der Waals forces or hydrogen bonds. The attractive interaction between neighboring molecules acts to stabilize the outer layer of semiconductor nanocrystals. When the binding component separates from the semiconductor nanocrystal surface, the attractive interaction of its neighbors helps keep the molecule intimately associated with the semiconductor nanocrystal until the binding component can re-coordinate to the surface. .
[0098]
Specific modifications include amide, ketone, ether, aromatic components, etc., wholly or partially substituted with a hydrocarbon backbone or attached as a pendant group from the hydrocarbon backbone. The polar nature of the component promotes hydrogen bonding and other attractive interactions with neighboring molecules, thereby stabilizing the coating and increasing its robustness in aqueous solutions.
[0099]
In other embodiments of the invention, the outer layer molecules are cross-linked or polymerized to their neighboring molecules. Crosslinking provides stability to the layer by effectively forming multidentate ligands on the semiconductor surface, thereby significantly reducing ligand durability and increasing coating robustness and stability. increase. A specific cross-linking network is shown schematically in FIG.
[0100]
Finally, the hydrocarbon chain may contain some degree of unsaturation, which causes it to be bridged by exposure to UV energy or other radical initiators, and adjacent ligands to be bridged. The unsaturated hydrocarbon (and subsequent crosslinking) maintains the desired hydrophobicity to prevent photoinduced degradation of the semiconductor surface.
[0101]
In one embodiment of the invention, the outer layer is terminated with an unsaturated hydrophobic component that can be crosslinked or polymerized. For example, as shown in FIG. 4, the unsaturated component is an acrylate or methacrylate that can be polymerized by exposure to radical initiators, heat, ultraviolet energy, etc. to form poly (methacrylate). The result is a polymer network, and in this example, poly (methacrylate) that interacts with the semiconductor nanocrystals and effectively shields the semiconductor nanocrystals from the aqueous environment. The poly (methacrylate) is deprotonated to provide a charged surface and make the nanocrystals water soluble. Other specific unsaturated components for polymerization include acrylic acid and polystyrene derivatized to include water-solubilizing functional groups such as, for example, carboxylates and sulfonates. It is done.
[0102]
In other embodiments of the present invention, the outer layer comprises a block copolymer that imparts the essential binding, hydrophilic and hydrophobic functions. The polymer includes at least a first block that includes a pendant group that can be functionalized as a binding component and a second block that includes a pendant group that can be functionalized as a hydrophilic component. The polymer backbone can function as a hydrophobic region. The binding and hydrophilic components can be attached directly to the hydrocarbon backbone, or they can be attached via intermediate spacing groups. For example, the linking group Y is terminated with an aromatic or alkyl spacing group that is closer to the semiconductor surface.
[0103]
In one embodiment of the invention, the molecule has the structural formula (V):
[0104]
Embedded image

[0105]
Where R¹, R², R^Four, X², Y², M ′ and n ′ are as defined above. In one specific embodiment of the molecule having the structural formula (V), the molecule has the formula
[0106]
Embedded image

[0107]
Where X and Y are binding and hydrophilic components, respectively, and can be any of the components described above. R and R 'can be a hydrogen atom, R can be a polar component, and R' can be a non-polar component. The block copolymer can have a molecular weight of 300 to 50,000. The block size for the hydrophilic and binding components is preferably in the range of about 3-100.
[0108]
Specific molecules used in the present invention are represented by the structural formula (I)
[0109]
Embedded image

[0110]
(Where X, z, n and y are as defined above), structural formula (II)
[0111]
Embedded image

[0112]
Or structural formula (III)
[0113]
Embedded image

[0114]
(Where Y, Z, X, X ′ and X ″ are as defined above), structural formula (IV)
[0115]
Embedded image

[0116]
(Where R¹, R², R^Three, R^Four, A, b, c, and d are as defined above)
Have
[0117]
Specific molecules having the formula provided above used in the outer layer of the water-soluble nanocrystals of the present invention include long chain aminocarboxylic acids, NH₂(CH₂)_nCOOH and phosphinocarboxylic acids, P ((CH₂)_nCOOH)_ThreeAnd their oxides O = P ((CH₂)_nCOOH)_ThreeWhere n is 6 or more, preferably n is 8 or more, more preferably n is 10-12. The carboxylic acid can be deprotonated to provide a hydrophilic component. Other suitable molecules include dihydrolipoic acid, HSCH₂CH₂CH (SH) (CH₂)_FourCOOH, or more generally HSCH₂CH₂CH (SH) (CH₂)_nAnd bidentate ligands such as COOH (where n is 1 to 10). The length of the ligand is increased by standard carbodiimide coupling methods and has the formula HSCH₂CH₂CH (SH) (CH₂)_FourCONH (CH₂)_nChemical species with COOH are formed. With many commercially available precursors, n can be easily changed from 2 to at least 10. A more detailed carbodiimide coupling reaction is described by Rich et al. (1979)The Peptides Vol. 1, Academic Press, pp. 241-2561.
[0118]
Other suitable bidentate ligands include primary amine-containing analogs of the above molecules, H₂NCH₂CH₂CH (NH₂) (CH₂)_nCOOH; (HOOC (CH₂)_n) HNCH₂CH₂NH ((CH₂)_nDerivatives of ethylenediamine such as (COOH); (HOOC (CH₂)_n)₂PCH₂CH₂P ((CH₂)_nCOOH)₂And corresponding diphosphine oxides (HOOC (CH₂)_n)₂P (O) CH₂CH₂P (O) ((CH₂)_nCOOH)₂Is mentioned. The advantage of using the carboxylic acid derivatives described above is that they give themselves a wide range of chemical properties. For example, water soluble semiconductor nanocrystals can be coupled with molecules having biological affinity for use in analysis. As another example, water-soluble semiconductor nanocrystals can be coupled to beads, solid supports or objects of interest to track or identify objects. For further details, see co-pending US application Ser. Nos. 09 / 156,457 and 09 / 160,458.
[0119]
For those skilled in the art, but not limited to, hydroxides such as polyethers such as polyethylene glycol and the like, as well as a wide range of charged or polar groups such as amines, further carboxylates, sulfonates, phosphates, nitrates, ammonium salts It will be apparent that charged groups such as can replace the carboxylic acid component of the molecules listed above. For example, molecules as listed herein are commercially available or can be synthesized by methods well known in the art. Furthermore, it will also be clear that modifications on the hydrophobic regions and hydrophilic groups described above can be incorporated into the aforementioned molecules in the preparation of ligands suitable for use in the outer coating of the present invention.
[0120]
In another aspect of the invention, the water-soluble outer layer comprises an inner layer having an affinity for the semiconductor surface and an outer layer terminated in a hydrophilic layer having an affinity for an aqueous medium. It can be a double layer composed. FIG. 5A shows specific molecules used in the outer bilayer of the present invention. The molecule, dioctyl sulfosuccinate (aerosol OT^TM) Includes a hydrophobic hydrocarbon region 52 (shown schematically as “----” in FIG. 5) and a charged hydrophilic region 54 (shown as “O” in FIG. 5A). A specific bilayer molecule is shown in FIG. 5B, where the inner layer 40 comprises a molecule 42 (here TOPO) having a binding component 44 that has an affinity for the semiconductor surface. A hydrophobic tail 48 is extended from the binding component. The second outer layer 50 consists of an inner hydrophobic region 52 and a terminal hydrophilic moiety 54 for suitable interaction with the aqueous medium. The inner and outer hydrophobic regions 48, 52 each interact preferentially in an aqueous medium, where they form micelles encapsulating nanocrystals. FIG. 5B also illustrates the conversion reaction that results in the formation of the bilayer of the present invention.
[0121]
The inner layer may include a material coordinated with a solvent generally used in the production of semiconductor nanocrystals. Specific molecules include trialkyl phosphines such as trioctyl phosphine oxide (TOPO), trioctyl phosphine (TOP), tributyl phosphine (TBP), and phosphine oxide. Hexadecylamine is a solvent that can be used especially to solvate ZnSe.
[0122]
The second outer layer may include any surfactant having a non-polar tail and a polar head. Examples of surfactants include, but are not limited to, dioctyl sulfosuccinate sodium (known as AOT soap), C₁₂H_{twenty five}(OCH₂CH₂)_{twenty three}OH (Brij35 (registered trademark)), C₁₈H₃₇(OCH₂CH₂)_TenOH (Brij76®) and C₁₈H₃₇(OCH₂CH₂)₂₀OH (Brij98 (registered trademark)). Furthermore, a general hand soap such as Ivory® soap can also be suitably used for preparing the water-soluble nanocrystals of the present invention.
[0123]
The preparation method of water-soluble nanocrystals is shown below. Although the method has been described for CdSe (ZnS), a CdSe core semiconductor nanocrystal with a ZnS shell, it is understood that the method can be applied to the preparation of semiconductor nanocrystals from known semiconductor materials. Is done.
[0124]
First, an assembly of almost monodisperse nanocrystals is prepared. The actual size of the nanocrystal will vary depending on the material used. For CdSe, the particles are in the size range of about 12 to about 150 inches in diameter, showing a particle size deviation of about 5 to 10% rms in diameter. Monodisperse nanocrystals are obtained using a high-temperature colloidal growth process, followed by size selective precipitation if necessary. If the spectral emission linewidth is not as narrow as desired, size selective precipitation can be used to obtain an aggregate of semiconductor nanocrystals with a narrow particle size distribution. See Murray et al. (1993), the Murray thesis (1995) and Kuno et al.
[0125]
The semiconductor nanocrystal core can then be coated with a suitable semiconductor overcoating layer, ie a shell. Coated nanocrystals can be prepared by introducing a substantially monodisperse first semiconductor nanocrystal and a precursor that can be thermally converted to a second semiconductor material into a coordinating solvent. The coordinating solvent is sufficient to convert the precursor to the second semiconductor material, but is maintained at a temperature that is insufficient to substantially change the monodispersity of the first semiconductor nanocrystal. Preferably, the second semiconductor material has a larger band gap than the first semiconductor nanocrystal. An overcoating shell of the second semiconductor material is formed on the first semiconductor nanocrystal. The monodispersity of the nanocrystals is monitored during precursor conversion and overcoating of the first semiconductor nanocrystal. Furthermore, the particle size distribution is improved by size selective precipitation. Further details regarding the deposition of coated semiconductor nanocrystals for use in the water-soluble nanocrystals of the present invention can be found in Dabousi et al., Filed on Nov. 13, 1997, with the name “High Luminescence Color— “Highly Luminescent Color-Selective Materials”, US Pat. No. 08 / 969,302.
[0126]
The outer surface of the formed nanocrystals includes an organic layer that results from the coordinating solvent used during the capping layer growth process. The nanocrystal surface is modified by repeated exposure to an excessive amount of competing coordinating groups to obtain the water-soluble nanocrystals of the present invention. For example, nanodispersions of semiconductor nanocrystals that disperse easily in water but no longer disperse in aliphatic hydrocarbons by treatment with a coordination organic molecule as described herein. Crystals are produced. Such a surface exchange process can be performed using various molecules that can coordinate or bind to the external surface of the capped semiconductor nanocrystal, such as, for example, phosphines, thiols, amines, phosphine oxides and amine oxides.
[0127]
The specific reaction is illustrated in FIG. The semiconductor nanocrystal 60 is prepared in a coordinating organic solvent such as trioctylphosphine oxide (TOPO), which results in the formation of a deactivated TOPO layer 62 on the semiconductor nanocrystal surface. In order to obtain water-soluble nanocrystals 66, this layer is at least partially converted by a ligand 54 consisting of the outer layer of the present invention, represented as a long chain mercaptocarboxylic acid. The conversion occurs by dispersing the semiconductor nanocrystals or overcoated semiconductor nanocrystals in a solvent containing a high concentration of the ligand used for coating the outer layer. The medium can be a neat liquid containing a ligand, and it can be a concentrated solution. The high concentration promotes the conversion reaction and maximizes the surface coverage of the nanocrystals with the outer coating molecules. It should be noted that the conversion of the TOPO layer need not be completed in order to obtain water-soluble nanocrystals.
[0128]
Desirably, the nanocrystals are repeatedly exposed to the ligand solution. The outer coating may comprise the first polar organic solvent used for nanocrystal preparation of the present invention and a mixture of water-soluble molecules used for the outer coating. The replacement of the water soluble molecule need only be sufficient to make the molecule water soluble and need not be completed. In some embodiments, the substitution is completed by about 25-50%, preferably more than 60%. The actual degree of substitution necessary to be solubilized in water depends on the number of charged or polar groups on the water-soluble molecule. The more charged or polar groups, the lower the surface substitution may be to achieve water solubility.
[0129]
It is also within the scope of the present invention to include other ligands on the nanocrystal outer coating. Inclusion of additional ligands allows additional chemical reactions to the nanocrystal. For example, ligands terminated with reactive groups such as carboxylic acids, acyl halides, etc. can be added to the outer surface of the nanocrystal.
[0130]
While the invention has been described with reference to specific preferred embodiments, it is understood that the foregoing description and the following examples are also intended to be merely illustrative and are not intended to limit the scope of the invention. It should be. Other aspects, advantages and modifications within the scope of the invention will be apparent to those skilled in the art to which the invention belongs.
[0131]
The following examples are intended to provide complete disclosure and explanation of how to make and use the novel compositions of the present invention to those having ordinary knowledge in the art. It does not limit the concepts that the inventors regard as inventions. Efforts have been made to ensure accuracy with respect to numbers used (eg amounts, temperature, etc.), but experimental errors and deviations should, of course, be tolerated to some extent. Unless indicated otherwise, parts are parts by weight, temperature is in degrees Centigrade, and pressure is at or near atmospheric.
[0132]
The practice of the present invention will employ known techniques, such as synthetic organic chemistry, biochemistry, molecular biology, etc., included in the knowledge of the art, unless otherwise specified. Such techniques are explained fully in the literature. Kirk-Othmer ’sEncyclopedia of Chemical Technology; House ’sModern Synthetic Reactions; See the Marvel et al. text ORGANIC SYNTHESIS; Collective Volume 1.
[0133]
Example 1
Preparation of CdSe (ZnS) capped with TOPO
(A)Preparation of CdSe  Trioctylphosphine oxide (TOPO, purity 90%) and trioctylphosphine (TOP, purity 95%) were obtained from Strem and Fluka, respectively. Dimethylcadmium (CdMe₂) And diethylzinc (ZnEt)₂) Were obtained from Alfa and Fluka, respectively, and both materials were filtered separately through a 0.2 m filter in a box with an inert atmosphere. Trioctylphosphine selenide was prepared by dissolving a 0.1 mole portion of Se in 100 ml of TOP, thus producing a 1M solution of TOPSe. Hexamethyl (disilathiane) (TMS₂S) was obtained from Aldrich. HPLC grade n-hexane, methanol, pyridine and n-butanol were obtained from EM Sciences.
[0134]
The specific preparation of CdSe nanocrystals capped with TOP / TOPO is shown below. TOPO (30 g) was placed in a flask and dried at 180 ° C. for 1 hour under suction (˜1 Torr). The flask was then filled with nitrogen and heated to 350 ° C. In a dry box with an inert atmosphere, CdMe₂An injection solution consisting of (200 μL, 2.78 mmol), 1 MTOPSe solution (4.0 mL, 4.0 mmol) and TOP (16 mL) was prepared. The infusion solution was thoroughly mixed, filled into a syringe and removed from the drying box.
[0135]
Heat was removed from the reaction flask and the reagent mixture was introduced into a vigorously stirred TOPO in a single continuous injection. This resulted in a deep yellow / orange solution with sharp absorption characteristics of 470-500 nm, and the temperature was sharply lowered to ~ 240 ° C. The reaction flask was heated again and the temperature was gradually raised to 260-280 ° C.
[0136]
A certain amount of the reaction solution was collected at regular intervals (5 to 10 minutes), and the absorption spectrum was measured to monitor the growth of microcrystals. The best samples were prepared after a constant growth period of 2-3 hours by adjusting the growth temperature in response to changes in the particle size distribution as inferred from the sharpness of the features in the absorption spectrum. The temperature was lowered by 5-10 ° C. as the particle size distribution increased. Alternatively, the reaction can be stopped at this point. The temperature was increased by 5-10 ° C. when growth appeared to have stopped. When the desired absorption characteristics were obtained, the reaction flask was cooled to about 60 ° C. and 20 mL of butanol was added to prevent TOPO from solidifying. The particles were agglomerated by adding a significant excess of methanol. The aggregate was separated from the supernatant by centrifugation. The resulting powder was dispersed in various organic solvents (alkane, ether, chloroform, tetrahydrofuran, toluene, etc.) to produce a transparent solution if necessary.
[0137]
The powder can be further optimized by size selective precipitation methods if necessary. Nanocrystallites were dispersed in a 10% butanol solution in hexane. Methanol was then added dropwise to the stirred solution until milky white persisted. The supernatant and aggregates were separated by centrifugation to produce a precipitate rich in the largest microcrystals in the sample. This process was repeated until the sharpness of the optical absorption spectrum was no longer visible. Size selective precipitation can be performed in various solvent / non-solvent pairs such as pyridine / hexane and chloroform / methanol.
[0138]
(B)Preparation of CdSe (ZnS)  A flask containing 5 g of TOPO was heated to 190 ° C. under suction for several hours and then cooled to 60 ° C., after which 0.5 mL of trioctylphosphine (TOP) was added. CdSe nanocrystals of 0.1 to 0.4 μmol were roughly dispersed in hexane, transferred to a reaction vessel using a syringe, and the solvent was extracted with a pump. Diethyl zinc (ZnEt₂) And hexamethyldisilathian ((TMS)₂S) was used as Zn and S precursor respectively. The particle size distribution for a particular sample was determined by comparison with optical data regarding the particle size distribution of known semiconductor nanocrystals of known particle size. The amount of Zn and S precursor required to grow a desired thickness of ZnS shell in each CdSe sample, relative to the amount of core, assuming a spherical core and shell and considering the bulk lattice parameters of CdSe and ZnS Calculation was based on the ratio of shell amount. The ratio of Zn to Cd required to achieve the same thickness shell of larger particles is small compared to smaller nanocrystals. The actual amount of ZnS grown on the CdSe core was generally less than the amount added due to incomplete reaction of the precursor and some material loss at the walls of the flask during the addition.
[0139]
An equimolar amount of precursor was dissolved in 2-4 mL of TOP in an inert atmosphere glove box. The precursor solution was filled into a syringe and transferred to an addition funnel attached to the reaction flask. A reaction flask containing CdSe nanocrystals dispersed in TOPO and TOP₂Heated under atmosphere. The temperature at which the precursor was added ranged from 140 ° C. for nanocrystals with a diameter of 23 ° to 220 ° C. for nanocrystals with a diameter of 55 °. When the desired temperature was reached, Zn and S precursors were added dropwise into the reaction mixture that was vigorously stirred over 5-10 minutes.
[0140]
After the addition was complete, the mixture was cooled to 90 ° C. and kept stirring for several hours. Butanol (5 mL) was added to the mixture to prevent the TOPO from solidifying when cooled to room temperature. The overcoated particles were stored in their growth solution, confirming that the nanocrystal surface was inactivated with TOPO. They were later recovered in powder form by precipitation with methanol and redispersed in various solvents including hexane, chloroform, toluene, THF and pyridine.
[0141]
  Example 2
  Preparation of water-soluble semiconductor nanocrystals using long-chain mercaptocarboxylic acids
  A TOPO-capped CdSe (ZnS) semiconductor nanocrystal was prepared as described in Example 1. Overcoated CdSe (ZnS) nanocrystals were precipitated with a growth solution using a mixture of butanol and methanol. In order to obtain precipitated semiconductor nanocrystals, the solution was centrifuged for 5-10 minutes, the supernatant was decanted and the residue was washed with methanol (2%).
[0142]
The mass of the residue was weighed. The mass of the TOPO cap was estimated to be 30% of the total mass, and a new capping molecule, 11-mercaptoundecanoic acid (MUA), over 30 times the molar amount was added. The residue and MUA (neat solution) were stirred at 60 ° C. for 8-12 hours. An amount of tetrahydrofuran (THF) equal to the added MUA was added to the MUA / nanocrystal mixture while the mixture remained hot. The resulting clear solution and coated semiconductor nanocrystals were stored in THF.
[0143]
The coated semiconductor nanocrystals were rendered water soluble by deprotonation of the carboxylic acid functionality of MUA. Deprotonation was achieved by adding a suspension of potassium t-butoxide in THF to the MUA-semiconductor nanocrystal / THF solution. A gel formed and was then centrifuged to remove the supernatant. The residue was washed twice with THF and centrifuged at each to remove the supernatant. The final residue was air dried for 10 minutes. Deionized water (Millipore) was added to the residue until a clear solution was formed.
[0144]
The results coated with semiconductor nanocrystals were tested for photoluminescence quantum yield. CdSe semiconductor nanocrystals with four single layer coatings of ZnS coated as described above had an absorption band at 480 nm and a photoluminescence band with a 12% quantum yield at 500 nm. The second CdSe semiconductor nanocrystal with four monolayer coatings of ZnS coated as described above had an absorption band at 526 nm and a photoluminescence band with a quantum yield of 18% at 542 nm.
[0145]
  Example 3
  Preparation of water-soluble semiconductor nanocrystals using multidentate ligands
  Except for using bidentate ligand dihydrolipoic acidExample 2Water soluble semiconductor nanocrystals were prepared as described in. Synthesis of bidentate dithiol ligands was achieved by reduction of the coenzyme lipoic acid. General methods are described in Gunsalus et al. (1956) J. Am. Am. Chem. Soc. 78: 17631766. To a stirred suspension of lipoic acid (6.0 g) in 117 mL of a 0.25 M aqueous sodium bicarbonate solution at 0 ° C., sodium borohydride (1.2 g) was added in portions between 30-50 mg. The reaction was stirred at 0 ° C. for 45 minutes, after which 100 mL of toluene was added and the mixture was acidified to ˜pH 2 using hydrochloric acid. The toluene layer was collected and stored. The aqueous layer was washed 3 times with 15 mL toluene. The organic layers were combined, dried over anhydrous magnesium sulfate, filtered, and the solvent was removed under suction to give the resulting dihydrolipoic acid as a yellow oil (yield 80%).
[0146]
The cap exchange was performed using the same method as described for 11-mercaptoundecanoic acid. TOPO-capped CdSe (ZnS) semiconductor nanocrystals were precipitated in solution and washed twice with methanol. The remaining powder was dissolved at 70 ° C. (under a nitrogen atmosphere) in the minimum amount of dihydrolipoic acid (usually 300-600 mg) necessary to produce a clear solution. The mixture was stirred at 70 ° C. for 6 hours and stored at room temperature. Nanocrystals were rendered water soluble by treatment with potassium tbutoxide in THF as described for mercaptocarboxylic acid ligands.
[0147]
Example 4
Preparation of water-soluble semiconductor nanocrystals using surfactants
TOPO-capped CdSe (ZnS) semiconductor nanocrystals were prepared as described in Example 1. The semiconductor nanocrystal was dissolved in hexane to obtain an approximately 0.001-0.01 molar solution of CdSe (ZnS) nanocrystals. A sufficient amount of surfactant dioctyl sulfosuccinate (trade name AOT) was added to the mixture to produce a solution containing 5% by weight surfactant (but liquid Ivory® soap was also used). The hexane solvent was evaporated under suction. The resulting solid residue was dissolved in water to give a clear solution whose quantum yield was approximately the same as the first sample (˜75% of the initial value).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a water-soluble nanocrystal of the present invention.
FIG. 2 is a schematic illustration of several alternative embodiments of a water soluble layer of nanocrystals.
FIG. 3 is a diagram of water-soluble nanocrystals having a crosslinked hydrocarbon hydrophilic backbone of the present invention.
FIG. 4 is a diagram of a water-soluble nanocrystal comprising a polymethacrylate region of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of the bilayer water-soluble nanocrystals of the present invention.
FIG. 6 is a diagram of the conversion reaction used in the construction of the water-soluble nanocrystals of the present invention.

Claims (32)

A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy;
A shell layer overcoating the semiconductor nanocrystal core, the shell comprising a semiconductor material having a bandgap energy greater than that of the core;
An outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one binding group for attachment to the nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group;
The ligand is, structural formula (I):

Where X is the first part of the ligand and N, P or O = P;
n is 6 or more; and z and y are selected to meet the valence requirements for X,
The water-soluble semiconductor nanocrystal containing the molecule | numerator represented by these, or its salt. A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy; and an outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one linking group for attachment to the nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group Including
The ligand is, structural formula (I):

Where X is the first part of the ligand and N, P or O = P;
n is 6 or more; and z and y are selected to meet the valence requirements for X,
The water-soluble semiconductor nanocrystal containing the molecule | numerator represented by these, or its salt. A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy;
A shell layer overcoating the semiconductor nanocrystal core, the shell comprising a semiconductor material having a bandgap energy greater than that of the semiconductor nanocrystal; and a bilayer overcoating the shell (the bilayer is
An inner layer having affinity for the shell; and an outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one binding group for attachment to the nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group)
Including
The hydrophilic groups are spaced apart from the inner layer by a hydrophobic region proximate to the inner layer;
The ligand is, structural formula (I):

Where X is the first part of the ligand and N, P or O = P;
n is 6 or more; and z and y are selected to meet the valence requirements for X,
The water-soluble semiconductor nanocrystal containing the molecule | numerator represented by these, or its salt. A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy;
A shell layer overcoating the semiconductor nanocrystal core, the shell comprising a semiconductor material having a bandgap energy greater than that of the core;
Outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one binding group for attachment to a nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group
Including
The ligand has the structural formula (II)

here,
Y is a hydrophilic component;
Z is a hydrophobic region having a main chain of at least 6 atoms;
X and X ′ are linking groups individually or together and are the same or different and are selected from the group consisting of S, N, P and O═P, or bonded together and arranged on the nanocrystal surface. Form a 5- to 8-membered ring when
A water-soluble semiconductor nanocrystal comprising a multidentate molecule represented by A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
  A semiconductor nanocrystal core having a selected bandgap energy; and
  Outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one linking group for attachment to a nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group
Including
  The ligand has the structural formula (II)

here,
  Y is a hydrophilic component;
  Z is a hydrophobic region having a main chain of at least 6 atoms;
  X and X ′ are linking groups individually or together and are the same or different and are selected from the group consisting of S, N, P and O═P, or bonded together and distributed on the nanocrystal surface. Form a 5- to 8-membered ring when
A water-soluble semiconductor nanocrystal comprising a multidentate molecule represented by   A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
  A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy;
  A shell layer overcoating the semiconductor nanocrystal core, the shell comprising a semiconductor material having a bandgap energy greater than that of the semiconductor nanocrystal;
  A double layer overcoating the shell (the double layer is
  An inner layer having affinity for the shell; and
  Outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one linking group for attachment to a nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group
including)
Including
  The hydrophilic groups are spaced apart from the inner layer by a hydrophobic region proximate to the inner layer;
  The ligand has the structural formula (II):

here,
  Y is a hydrophilic component;
  Z is a hydrophobic region having a main chain of at least 6 atoms;
  X and X ′ are linking groups individually or together and are the same or different and are selected from the group consisting of S, N, P and O═P, or bonded together and distributed on the nanocrystal surface. Form a 5- to 8-membered ring when
A water-soluble semiconductor nanocrystal comprising a multidentate molecule represented by A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy;
A shell layer overcoating the semiconductor nanocrystal core, the shell comprising a semiconductor material having a bandgap energy greater than that of the core;
Outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one binding group for attachment to a nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group
Including
The ligand has the structural formula (III):

here,
Y is a hydrophilic component;
Z is a hydrophobic region having a main chain of at least 6 atoms;
X, X ′ and X ″ are linking groups individually or together and are the same or different and are selected from the group consisting of S, N, P and O═P, or bonded together to form a nanocrystal Forms a 5- to 8-membered ring upon coordination on the surface,
A water-soluble semiconductor nanocrystal comprising a multidentate molecule represented by A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
  A semiconductor nanocrystal core having a selected bandgap energy; and
  Outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one linking group for attachment to a nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group
Including
  The ligand has the structural formula (III):

here,
  Y is a hydrophilic component;
  Z is a hydrophobic region having a main chain of at least 6 atoms;
  X, X ′ and X ″ are linking groups individually or together and are the same or different and are selected from the group consisting of S, N, P and O═P, or bonded together to form a nanocrystal Forms a 5- to 8-membered ring upon coordination on the surface,
A water-soluble semiconductor nanocrystal comprising a multidentate molecule represented by   A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
  A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy;
  A shell layer overcoating the semiconductor nanocrystal core, the shell comprising a semiconductor material having a bandgap energy greater than that of the semiconductor nanocrystal;
  A double layer overcoating the shell (the double layer is
  An inner layer having affinity for the shell; and
  Outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one linking group for attachment to a nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group
including)
Including
  The hydrophilic groups are spaced apart from the inner layer by a hydrophobic region proximate to the inner layer;
  The ligand has the structural formula (III):

here,
  Y is a hydrophilic component;
  Z is a hydrophobic region having a main chain of at least 6 atoms;
  X, X ′ and X ″ are linking groups individually or together and are the same or different and are selected from the group consisting of S, N, P and O═P, or bonded together to form a nanocrystal Forms a 5- to 8-membered ring upon coordination on the surface,
A water-soluble semiconductor nanocrystal comprising a multidentate molecule represented by A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy;
A shell layer overcoating the semiconductor nanocrystal core, the shell comprising a semiconductor material having a bandgap energy greater than that of the core;
Outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one binding group for attachment to a nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group
Including
The ligand has the formula:

here,
X may be the same or different, S, N, P or O = P, and may contain other substituents to meet valence requirements; Y is a hydrophilic component; R is A hydrogen atom or a polar component; R ′ is a hydrogen atom or a nonpolar component; m is in the range of 3-100; n is in the range of 3-100.
A water-soluble semiconductor nanocrystal comprising a multidentate molecule represented by A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
  A semiconductor nanocrystal core having a selected bandgap energy; and
  Outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one linking group for attachment to a nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group
Including
The ligand has the formula:

here,
  X may be the same or different, S, N, P or O = P, and may contain other substituents to meet valence requirements; Y is a hydrophilic component; R is R ′ is a hydrogen atom or a non-polar component; m is in the range of 3-100; n is in the range of 3-100.
A water-soluble semiconductor nanocrystal comprising a multidentate molecule represented by   A water-soluble semiconductor nanocrystal capable of releasing energy,
  A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy;
  A shell layer overcoating the semiconductor nanocrystal core, the shell comprising a semiconductor material having a bandgap energy greater than that of the semiconductor nanocrystal;
  A double layer overcoating the shell (the double layer is
  An inner layer having affinity for the shell; and
  Outer layer comprising a ligand having a first portion comprising at least one linking group for attachment to a nanocrystal and a second portion comprising at least one hydrophilic group
including)
Including
  The hydrophilic groups are spaced apart from the inner layer by a hydrophobic region proximate to the inner layer;
  The ligand has the formula:

here,
  X may be the same or different, S, N, P or O = P, and may contain other substituents to meet valence requirements; Y is a hydrophilic component; R is R ′ is a hydrogen atom or a non-polar component; m is in the range of 3-100; n is in the range of 3-100.
A water-soluble semiconductor nanocrystal comprising a multidentate molecule represented by The water-soluble nanocrystal according to any one of claims 4 to 12, wherein the binding group comprises a component selected from the group consisting of amine, thiol, phosphine, phosphine oxide and amine oxide. The water-soluble nanocrystal according to any one of claims 4 to 13 , wherein the hydrophilic group is a charged group or a polar group. The hydrophilic group includes carboxylic acid, carboxylate (—CO ₂ ⁻ ), sulfonate (—SO ₃ ⁻ ), hydroxide (—OH), alkoxide, ammonium salt (—NH ₄ ⁺ ) and phosphate (—PO ₄ ^{2). -)} and phosphonate (selected from the group consisting of _-PO ^{3 2-),} water-soluble nanocrystal of any one of claims 4-14. The water-soluble nanocrystal according to any one of claims 4 to 15 , wherein the hydrophilic group comprises an unsaturated hydrophilic group that can be crosslinked or polymerized. The water-soluble nanocrystal according to claim 16 , wherein the unsaturated hydrophilic group is selected from the group consisting of methacrylic acid, acrylic acid and hydrophilically derived styrene. The ligand includes 2 or more hydrophilic groups, a water-soluble nanocrystal of any one of claims 4 to 17.   The water-soluble nanocrystal according to claim 1 or 2, wherein the first part is spaced apart from the second part by a hydrophobic region. The hydrophobic region is the formula - (CH _{2) n} - (where, n is 6 or more is) a hydrocarbon chain, a water-soluble nanocrystal of claim 19. The water-soluble nanocrystal according to claim 20 , wherein n is in the range of 10-12. The water-soluble nanocrystal according to any one of claims 1 to 21, wherein the nanocrystal core is a group II-VI, III-V or IV group semiconductor. The core is CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, MgTe, GaAs, GaP, GaSb, GaN, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InP, InSb, InN, AlAs, AlP, AlSb, AlS, PbS, The water-soluble nanocrystal according to any one of claims 1 to 22, comprising PbSe, Ge, Si, an alloy thereof, or a mixture thereof. The shell is made of ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgS, MgSe, GaAs, GaN, GaP, GaAs, GaSb, HgO, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InN, InP, InSb, The water-soluble nanocrystal according to any one of claims 1 to 23, comprising AlAs, AlN, AlP, AlSb, an alloy thereof, or a mixture thereof. 25. The water-soluble nanocrystal according to any one of claims 1 to 24 , wherein the core is CdSe and the shell is ZnS. The water-soluble nanocrystal according to any one of claims 1 to 25, wherein the core is an element of an aggregate of monodisperse particles. 27. The water-soluble composition according to claim 26 , characterized in that when the aggregate of monodisperse particles is irradiated, the aggregate emits light in a spectrum having a full width at half maximum (FWHM) of less than 40 nm. Nanocrystal. 28. The water-soluble nanocrystal according to claim 27 , wherein the aggregate of monodisperse particles has a feature that a core diameter shows a deviation of 10% rms or less. The inner layer comprises trialkylphosphine, coordinating lyophilic compound selected from the group consisting of trialkyl phosphine oxides and alkyl amines (coordinating lyophilic compound), according to claim 3, according to any one of the 6, 9 Water-soluble nanocrystals. The water-soluble nanocrystal according to any one of claims 3 , 6, and 9 , wherein the outer layer contains a surfactant. The surfactants are dioctyl sulfosuccinate sodium, C ₁₂ H ₂₅ (OCH ₂ CH ₂ ) ₂₃ OH, C ₁₈ H ₃₇ (OCH ₂ CH ₂ ) ₁₀ OH and C ₁₈ H ₃₇ (OCH ₂ CH ₂ ) ₂₀ 31. The water soluble nanocrystal of claim 30 , selected from the group consisting of OH. A composition comprising water-soluble nanocrystals,
The water-soluble nanocrystal is
A semiconductor nanocrystal core having a selected band gap energy;
A shell layer overcoating the semiconductor nanocrystal core, the shell layer comprising a semiconductor material having a band cap energy greater than that of the core;
At least one binding group for attachment of the ligand to the surface of the nanocrystal, and at least spaced apart from the binding group by a hydrophobic region sufficient to prevent charge transfer in the hydrophobic region An outer layer comprising at least one water-soluble ligand having at least one hydrophilic group having one hydrophilic group;
Including
The ligand is, structural formula (I):

Where X is a linking group and N, P or O = P;
n is 6 or more; and z and y are selected to meet the valence requirements for X,
Including a molecule represented by
A composition comprising the water-soluble nanocrystals dispersed or dissolved in an aqueous medium.

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