KR20080030555A - 폴리머 코팅 시약을 포함하는 신규 수용성 나노크리스탈 및이의 제조방법 - Google Patents

폴리머 코팅 시약을 포함하는 신규 수용성 나노크리스탈 및이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원소 주기율표(PSE)의 II 족, VIIA 족, VIIIA 족, IB 족, IIB 족, III 족 또는 IV 족 원소로부터 선택되는 최소 하나의 금속 M1 및 상기 PSE의 V 족 또는 VI 족으로부터 선택되는 최소 하나의 원소 A를 포함하는 나노크리스탈 코어, 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 결합된 캡핑 시약, 및 상기 나노크리스탈 코어에 수용성 폴리머 쉘을 형성하기 위하여 상기 캡핑 시약과 공유적으로 결합된 수용성 폴리머를 포함하는 수용성 나노크리스탈에 관한 것이다. 또한 상기 나노크리스탈을 포함하는 조성물 및 상기 나노크리스탈의 용도에 관한 것이다.
Figure 112007087371467-PCT00021
나노크리스탈, 코어, 쉘, 캡핑 시약, 수용성

Description

폴리머 코팅 시약을 포함하는 신규 수용성 나노크리스탈 및 이의 제조방법{Novel Water-soluble Nanocrystals Comprising a Polymeric Coating Reagent, and Methods of Preparing the same}
본 발명은 신규 수용성 나노크리스탈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 in vitro 또는 in vivo 에서, 생물학적 물질의 검출 및/또는 시각화 또는 그 과정(예컨대, 조직 또는 세포 영상화)과 같은 다양한 분석 및 생물 의학의 적용을 포함하나 이에 한정되지 않는 상기 나노크리스탈의 용도에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 핵산, 단백질 또는 다른 생분자와 같은 분석물의 검출에 이용될 수 있는 상기 나노크리스탈을 포함하는 조성물 및 키트에 관한 것이다.
반도체 나노크리스탈(양자 점)은 발광 장치(Colvin et al, Nature 370, 354-357, 1994; Tessler et al, Science 295, 1506-1508, 2002), 레이저(Klimov et al, Science 290, 314-317, 2000), 태양 전지(Huynh et al, Science 295, 2425-2427, 2002) 또는 세포 생물학과 같은 생화학적 연구 분야에서 형광 생물학적 표지와 같은, 다양한 기술분야에서 그 용도에 대한 근본적이고 기술적인 큰 관심을 받고 있다. 예를 들어, Bruchez et al, Science, Vol. 281 , 페이지 2013- 2015, 2001; Chan & Nie, Science, Vol. 281 , 페이지 2016-2018, 2001 ; 미국 특허 번호 6,207,392, summarized in Klarreich, Nature, Vol. 43, 페이지 450-452, 2001에서 알 수 있고; 또한, Mitchell, Nature Biotechnology, 페이지 1013-1017, 2001 , 및 미국 특허 번호 6,423,551 , 6,306,610, 및 6,326,144에서 알 수 있다.
생물학적 분석에 이용하기 위한 민감한 비-방사성 동위원소 검출 시스템의 개발은 DNA 시퀀싱, 임상 진단 분석, 및 기초 세포 및 분자 생물학 프로토콜과 같은, 다양한 연구 및 진단 분야에 상당한 영향을 주었다. 현재 비-방사성 동위원소 검출 방법은 색상이 변하거나, 형광 또는 발광인 유기 리포터 분자에 주된 기초를 두고 있다. 분자의 형광 표지는 생물학에서 표준 기술이다. 상기 표지는 종종 넓은 스펙트럼 특성, 짧은 수명, 포토블리칭 및 세포에 잠재적 독성의 문제점을 발생시키는 유기 염료이다. 최근 대두하는 양자 점 기술은 비유기 복합체 또는 입자를 이용하는 형광 표지 개발의 새로운 시대를 열었다. 상기 물질은 유기 염료 보다 큰 스톡 쉬프트(Stocks shift), 보다 긴 방출 반감기, 좁은 방출 피크 및 최소 포토-블리칭을 포함하는 상당한 장점을 제공한다(참조: 상기 인용 문헌)
지난 수 십년 동안, 다양한 반도체 나노크리스탈의 합성 및 특성 부여에 상당한 진보가 있었다. 최근 진보는 상대적으로 모노분산 양자 점의 대규모 제조를 이끌어왔다.(Murray et al., J. Am. Chem. Soc, 115, 8706-15, 1993; Bowen Katari et al., J. Phys. Chem. 98, 4109-17, 1994; Hines, et al., J. Phys. Chem. 100, 468-71 , 1996. Dabbousi, et al., J. Phys. Chem. 101 , 9463-9475,1997.)
발광 양자 점 기술에서의 보다 큰 진보는 결과적으로 형광 효율 및 상기 양 자 점의 안정성을 개선시켰다. 양자 점의 뛰어난 발광 특성은 양자 크기 제한으로부터 발생하는데, 이는 금속 및 반도체 코어 입자가 이들의 들뜸 보어 반지름, 약 1 내지 5 nm 보다 더 작을 때 발생한다.(Alivisatos, Science, 271, 933-37, 1996; Alivisatos, J. Phys. Chem. 100, 13226- 39, 1996; Brus, Appl Phys., A53, 465-74, 1991; Wilson et al., Science, 262, 1242-46, 1993.) 최근 연구 결과는 크기-조절 가능한 보다 작은 밴드갭 코어 입자를 보다 큰 밴드갭 비유기 물질 쉘로 캡핑함으로써 개선된 발광을 달성할 수 있다고 보고 되고 있다. 예를 들어, ZnS 층으로 패시베이팅된 CdSe 양자 점은 실온에서 강력히 발광하고, 이들의 방출 파장은 입자 크기를 변화시킴으로써 청색에서 적색으로 조절될 수 있다. 또한, 상기 ZnS 캡핑 층은 표면 비방사성 재결합 부분을 패시베이팅하고 상기 양자 점에 보다 큰 안정성을 제공한다.(Dabbousi et al., J. Phys. Chem. B101 , 9463-75, 1997. Kortan, et al., J. Am. Chem. Soc. 112, 1327-1332, 1990.)
발광 양자 점 기술의 진보에도 불구하고, 종래 캡핑된 발광 양자 점은 수용성이 아니기 때문에 생물학적 적용에 부적절하였다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서, 상기 양자 점의 유기 패시베이팅 층을 수용성 부분으로 대체하였다. 그러나 결과적으로 생기는 양자 점은 상당히 발광적이지 못하다(Zhong et al., J. Am. Chem. Soc. 125, 8589, 2003). 2-머캡토에탄올 및 1-티오-글리세롤과 같은 짧은 사슬의 티올은 수용성 CdTe 나노크리스탈의 제조에 있어 안정제로서 사용되었다.(Rogach et al., Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 100, 1772, 1996; Rajh et al., J. Phys. Chem. 97, 11999, 1993). 다른 접근법 으로, Coffer 등은 수용성 캡핑 화합물로서 데옥시리보핵산(DNA)의 용도를 설명하였다(Coffer, et al., Nanotechnology 3, 69, 1992). 이러한 모든 시스템에서, 상기 코팅 나노크리스탈은 불안정하고, 발광 특성은 시간이 지나면서 감소했다.
다른 연구에서, Spanhel 등은 Cd(OH)2-캡핑된 CdS 졸을 개시하고 있다 (Spanhel, et al., J. Am. Chem. Soc. 109, 5649, 1987). 그러나 콜로이드 같은 나노크리스탈은 매우 좁은 pH 범위(pH 8-10)에서만 제조될 수 있고 10 보다 큰 pH 범위에서 좁은 형광 밴드를 나타내었다. 상기 pH 의존성은 상기 물질의 유용성을 제한하고, 특히, 생물학적 시스템에서의 사용은 부적절하다.
PCT 공개 WO 00/17656은 나노크리스탈의 수용성을 부여하기 위해, 각각 화학식 SH(CH2)n-COOH 및 SH(CH2)H-SO3H을 가지는 카르복실산 또는 술폰산으로 캡핑된 코어-쉘 나노크리스탈을 개시한다. 유사하게, PCT 출원 WO 00/29617 및 영국 특허 출원 GB 2342651은, 머캡토아세트산 또는 머캡토-운데카노산과 같은 유기산을 나노크리스탈의 표면에 결합시켜 나노크리스탈을 수용성화 하고 단백질 또는 핵산과 같은 생분자와의 컨쥬게이션에 적합하도록 한 내용을 개시한다. 또한, GB 2342651은 나노크리스탈의 수용성을 부여하는 캡핑 물질로서 트리옥틸포스핀의 용도를 개시하고 있다.
다른 접근법은 수용화제로서 디아미노카르복실산의 용도를 보고한 PCT 공개 WO 00/27365에서 습득하였다. 상기 PCT 공개문헌에서, 상기 디아미노산은 1가의 캡핑 화합물에 의해 나노크리스탈 코어에 결합되어 있다.
PCT 공개 WO 00/17655는 친수성 부분 및 소수성 부분을 가지는 가용화제의 사용에 의해 수용성이 부여된 나노크리스탈을 개시하고 있다. 가용화제는 소수성기에 의해 상기 나노크리스탈에 결합하고, 반면에 카르복실산 또는 메타크릴산과 같은, 친수성기는 수용성을 제공한다.
다른 PCT 출원(WO 02/073155)에서, 수용성을 부여하기 위해 트리옥틸포스핀 옥사이드 하이드록사메이트, 하이드록사미산 유도체 또는 에티렌디아민과 같은 여러자리 착화제와 같은 다양한 분자가 직접적으로 나노크리스탈의 표면에 결합된 수용성 반도체 나노크리스탈이 개시되어 있다. 상기 나노크리스탈은 그 다음 EDC에 의해 단백질에 결합된다. 다른 접근법에서, PCT 출원 WO 00/58731은 혈액 세포군의 분석을 위해 이용되는 나노크리스탈 및 약 3,000 내지 약 3,000,000의 분자량을 가지는 아미노-유래 다당류가 상기 나노크리스탈에 결합되었음을 개시하고 있다.
미국 특허 US 6,699,723는 바이오틴 및 스트렙타비딘과 같은 생분자를 발광 나노크리스탈 프로브에의 결합을 촉진하기 위한 결합제로서 실란-베이스 화합물의 용도를 개시하고 있다. 미국 특허 출원 번호 2004/0072373 A1은 실란-베이스 화합물을 이용하는 생화학적 표지 방법을 개시하고 있다. 실란-결합 나노입자는 분자를 각인함으로써 주형 분자에 결합되고, 이어 매트릭스를 형성하기 위하여 중합된다. 그 후, 상기 주형 분자는 상기 매트릭스로부터 제거된다. 상기 주형 분자의 제거로 매트릭스에 형성된 구멍은 표지 하는데 이용할 수 있는 특성을 가진다.
최근에, 수용성 나노크리스탈을 안정화하기 위한 합성 폴리머의 사용은 보고 되어 있다. 미국 특허 출원 2004/0115817 A1은 표면이 트리옥틸포스핀 또는 트리옥틸포스핀 옥사이드로 코팅된, 나노크리스탈에 양쪽성, 이중블록 중합체가 소수성 상호작용에 의해 비공유적으로 결합될 수 있음을 개시하고 있다. 유사하게, Gao 등(Nature Biotechnology, Vol. 22, 969-976, August 2004)은 비 공유 소수성 상호작용에 의해 양쪽성, 삼중-블록 공중합체로 둘러싸여진 수용성 반도체 나노크리스탈을 개시하고 있다.
이러한 발달에도 불구하고, 생물학적 분석에 있어 검출 목적으로 이용될 수 있는 발광 나노크리스탈의 필요성이 여전히 남아있다. 이러한 점에서, 생분자의 생물학적 활성을 보존하는 방식으로 생분자에 결합될 수 있는 나노크리스탈을 가지는 것은 바람직할 것이다. 또한, 수성 매체에 안정하고, 견고한 현탁액 또는 용액으로 제조되고 보관될 수 있는 수용성 반도체 나노크리스탈을 가지는 것은 바람직할 것이다. 마지막으로, 상기 수용성 나노크리스탈 양자 점은 높은 양자 효율로 에너지를 방출할 수 있어야 하고, 좁은 입자 크기를 가져야한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 요구를 만족하는 나노크리스탈을 제공하는 데 있다.
상기 목적은 각각 독립항의 특징을 가지는 상기 나노크리스탈 및 나노크리스탈을 제조하는 과정에 의해 해결된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음을 포함하는 수용성 나노크리스탈을 제공한다:
원소 주기율표(PSE)의 Ib 족, IIb 족, IVb 족, Vb 족, VIb 족, VIIb 족, VIIIb 족, II 족, III 족 또는 IV 족 원소로부터 선택되는 최소 하나의 금속 M1을 포함하는 나노크리스탈 코어, 및
상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘, 상기 쉘은 다음을 포함한다:
상기 나노크리스탈 코어의 표면에 부착된 캡핑 시약을 포함하는 첫 번째 층, 상기 캡핑시약은 최소 하나의 결합기를 가지고,
상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 공유적으로 결합된 최소 하나의 결합 부분을 가지는 폴리머를 포함하는 두 번째 층.
본 발명의 수용성 나노크리스탈은 다음 단계를 포함하는 방법에 의해 수득할 수 있다:
상기 정의된 나노크리스탈 코어를 캡핑 시약과 반응시켜, 상기 캡핑 시약을 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 결합시키고 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 첫 번째 층을 형성하는 단계, 그리고
상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 최소 하나의 결합 부분을 가지는 폴리머와 상기 캡핑 시약을 결합시켜, 상기 첫 번째 층에 공유 결합된 두 번째 층을 형성하고 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘을 형성하는 단계.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음을 포함하는 수용성 나노크리스탈을 제공한다:
원소 주기율표(PSE)의 II 족, VIIA 족, VIIIA 족, IB 족, IIB 족, III 족 또는 IV 족 원소로부터 선택되는 최소 하나의 금속 M1 및 상기 PSE의 V 족 또는 VI 족으로부터 선택되는 최소 하나의 원소 A를 포함하는 나노크리스탈 코어, 및
상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘, 상기 쉘은 다음을 포함한다:
상기 나노크리스탈 코어의 표면에 부착된 캡핑 시약을 포함하는 첫 번째 층, 상기 캡핑시약은 최소 하나의 결합기를 가지고,
상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 공유적으로 결합된 최소 하나의 결합 부분을 가지는 폴리머를 포함하는 두 번째 층.
본 발명의 수용성 나노크리스탈은 다음 단계를 포함하는 방법에 의해 수득할 수 있다:
상기 정의된 나노크리스탈 코어를 캡핑 시약과 반응시켜, 상기 캡핑 시약을 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 결합시키고 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 첫 번째 층을 형성하는 단계,
그리고
상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 최소 하나의 결합 부분을 가지는 폴리머와 상기 캡핑 시약을 결합시켜, 상기 첫 번째 층에 공유 결합된 두 번째 층을 형성하고 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘을 형성하는 단계.
전형적으로 나노크리스탈을 코팅하는 종래 방법은 폴리머 층과 나노크리스탈의 경계면에 공유 결합을 포함하지 않는다. 본 발명에 있어, 작은 모노머 또는 저 분자량의 폴리머/올리고머(일반적으로 다소 저 분자량을 가지는 폴리머)는 첫 번째 층으로 알려진, 캡핑 시약 층을 형성하기 위해서, 상기 나노크리스탈 표면을 캡핑(예컨대, 금속-설퍼 또는 금속-질소 결합을 형성하기 위함)하기 위해서 먼저 이용된다. 상기 첫 번째 층은 상기 나노크리스탈 코어에 공유적으로 결합된다. 상기 단계 이후에 결합제의 존재 하에서 폴리머(수용성기를 가짐)를 상기 캡핑 시약에 결합한다. 상기 결합 단계의 실시에서, 상기 폴리머는 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 두 번째 층을 형성한다. 상기 폴리머는 올리고머, 폴리머 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 폴리머가 상기 캡핑 시약에 결합하면, 그 결과 수용성 쉘에 둘러싸인 나노크리스탈 코어를 포함하는 수용성 나노크리스탈을 형성한다(참조: 도 1).
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 상기 정의된 코어를 가지는 수용성 나노크리스탈 제조 방법을 제공한다:
상기 정의된 나노크리스탈 코어를 캡핑 시약과 반응시켜, 상기 캡핑 시약을 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 결합시키고 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 첫 번째 층을 형성하는 단계,
그리고
상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 최소 하나의 결합 부분을 가지는 폴리머와 상기 캡핑 시약을 결합시켜, 상기 첫 번째 층에 공유 결합된 두 번째 층을 형성하고 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘을 형성하는 단계.
본 발명은 수용성 나노크리스탈은 나노크리스탈을 둘러싸는 수용성 폴리머 쉘을 형성함으로써 효과적으로 안정화 될 수 있다는 발견에 기초한다. 상기 쉘은 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 공유적으로 결합된 첫 번째 층(캡핑 시약 포함), 및 상기 첫 번째 층에 공유적으로 결합되어, 첫 번째 층을 오버-코팅(따라서 코팅 시약으로 작용함)하는 두 번째 층(폴리머를 포함하는 코팅 시약)을 포함한다. 상기 방법으로 합성된 폴리머 쉘은 나노크리스탈이 실질적인 발광의 손실 없이 상당히 긴 시간 동안 수용액 상태에 머무르게 함을 알 수 있었다. 이론에 구애받지 않는다는 것을 가정하면, 상기 나노크리스탈의 개선된 안정성은 상기 폴리머 쉘의 보호 기능 때문 인 것으로 판단된다. 상기 쉘은 상기 나노크리스탈 코어와 존재 하는 이온, 라디칼 또는 분자와 같은 반응적인 수용성 종 사이의 접촉을 감소시키는 허메틱 박스 또는 보호막으로서 작용한다. 이러한 것은 수용액 상태에서 나노크리스탈의 응집을 방지하는데 유용하다. 이러한 나노크리스탈의 응집 방지는 전기학적으로 서로 분리되어, 자체의 광발광을 연장하기 때문이라고 판단된다. 또한, 상기 폴리머는 전하를 상기 나노크리스탈 표면에 전달하는 것으로 판단된다. 수용성 폴리머 쉘을 나노크리스탈 주위에 형성함으로써, 종래 캡핑된 나노크리스탈과 비교하여 상기 폴리머 쉘은 나노크리스탈 표면으로부터 쉽게 제거되지 않는다. 이는 수성 환경에서 상기 나노크리스탈의 안정성을 개선시킨다. 반대로, 작은 분자는 덜 적합한데, 이는 나노크리스탈의 표면에서 보다 쉽게 제거되어, 쉘을 통하여 확산되는 이온 종에 상기 나노크리스탈을 노출시키고, 그로 인해 수용액에서 나노크리스탈의 불안정을 야기 때문이다. 다른 장점은 형성된 상기 (폴리머) 쉘이 조직 및 기관 타깃과 같은 다양한 생물학적 물질의 인식을 촉진할 수 있는 적합한 생물학적 분자 또는 분석물과의 결합에 의하여 유리하게 기능화 될 수 있다는 점이다. 상기 수용성 쉘을 형성하기 위한 다른 조합의 캡핑 시약 및 폴리머로 실시함으로써, 본 발명은 폭 넓은 적용에 유용한 개선된 화학적 및 물리적 특성을 가지는 새로운 분류의 수용성 나노크리스탈에 세련된 경로를 제시한다.
본 발명에 따르면, 상기 나노크리스탈의 표면이 캡핑 시약과 결합할 수 있는 한 적합한 형태의 나노크리스탈(양자점)은 수용성이 부여될 수 있다. 이러한 점에서, 용어 “나노크리스탈” 및 “양자점”은 서로 바꾸어 사용된다.
일 구현예에서, 적합한 나노크리스탈은 금속 만을 포함하는 나노크리스탈을 가진다. 이러한 목적으로, M1은 원소 주기율표(PSE)의 II 족, VIIA 족, VIIIA 족, IB 족, IIB 족, III 족 또는 IV 족 원소로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 따라서, 상기 나노크리스탈 코어는 오직 금속 원소 M1 만으로 이루어질 수 있다; 아래에 정의된 바와 같이, 비-금속 원소 A 또는 B는 부존재한다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 나노크리스탈은 금, 은 또는 구리(제 Ib 족), 티타늄(제 IVb 족), 테르븀(제 IIIb 족), 코발트, 플라티늄, 로듐, 루테늄(제 VIIIb 족), 납(제 IV 족) 또는 이들의 합금과 같은, PSE의 상기 족으로부터 순수 금속만으로 이루어진다. 아래에서, 카운터 원소 A를 포함하는 나노크리스탈에 관하여 주로 설명되지만, 순수 금속 또는 순수 금속의 혼합물로 이루어진 나노크리스탈도 본 발명에 이용될 수 있는 것으로 이해된다.
다른 구현예에서, 본 발명에 이용되는 상기 나노크리스탈 코어는 두개의 원소를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 나노크리스탈 코어는 Zn, Cd, Hg, Mg, Mn, Ga, In, Al, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au 및 Au와 같은 금속으로 형성된 잘 알려진 코어-쉘과 같은, 두개의 금속 원소, M1 및 M2를 포함하는 이원 나노크리스탈 합금일 수 있다. 본 발명에 적합한 다른 형태의 이원 나노크리스탈은 하나의 금속 원소 M1 및 상기 PSE의 V 족 또는 VI 족으로부터 선택되는 최소 하나의 원소 A를 포함 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 이용하기에 적합한 나노크리스탈의 하나의 형태는 화학식 M1A를 가진다. 이러한 나노크리스탈의 예는 II-VI 족 반도체 나노크리스탈(즉, II 족 또는 IIB 족 금속, 및 VI 족 원소를 포함하는 나노크리스탈)일 수 있고, 상기 코어 및/또는 쉘(본 명세서에서 사용된 용어“쉘”은 상기 나노크리스탈을 둘러싸는 유기 분자로 만들어진 폴리머 “쉘”과는 다르고 개별적이다)은 CdS, CdSe, CdTe, MgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, 또는 HgTe을 포함한다. 상기 나노크리스탈 코어는 또한 III-V 족 반도체 나노크리스탈(즉, III 족 금속 및 V 족 원소를 포함하는 나노크리스탈)일 수 있다. 상기 코어 및/또는 쉘은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AIN, AIP, AIAs 또는 AISb을 포함한다. 본 발명에 이용되는 코어 쉘 나노크리스탈의 구체예는 ZnS 쉘을 가지는 (CdSe)-나노크리스탈 뿐만아니라 ZnS 쉘을 가지는 (CdS)-나노크리스탈을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상술한 코어-쉘 나노크리스탈에 한정되는 것은 아니다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 본 발명의 나노크리스탈은 조성 M11 -x-M2XA를 가지는 균일 삼원 합금으로 이루어진 코어를 가질 수 있고, 여기에서
a) A가 상기 PSE의 VI 족 원소를 나타내는 경우, 상기 M1 및 M2는 각각 독립적으로 원소 주기율표(PSE)의 IIb 족, VIIa 족, VIIIa 족, Ib 족 또는 II 족 원소로부터 선택되며, 또는
b) A가 상기 PSE의 (V) 족 원소를 나타내는 경우, M1 및 M2는 모두 상기 PSE의 (III) 족 원소로부터 선택된다.
다른 구현예에서, 균질 사원 합금으로 이루어진 나노크리스탈이 이용될 수 있다. 상기 형태의 사원 합금은 조성 M11 - xM2xAyB1 -y를 가지고, 여기에서
a) A 및 B 모두가 상기 PSE의 VI 족 원소를 나타내는 경우, 상기 M1 및 M2는 각각 독립적으로 원소 주기율표(PSE)의 IIb 족, VIIa 족, VIIIa 족, Ib 족 또는 II 족 원소로부터 선택되며, 또는
b) A 및 B 모두가 상기 PSE의 (V) 족 원소를 나타내는 경우, M1 및 M2는 각각 독립적으로 상기 PSE의 (III) 족 원소로부터 선택된다.
상기 형태의 균질 삼원 또는 사원 나노크리스탈의 예는, 예를 들어, Zhong et al, J. Am. Chem. Soc, 2003 125, 8598-8594, Zhong et al, J. Am. Chem. Soc, 2003 125, 13559- 13553, 또는 국제 특허 출원 WO 2004/054923에 설명되어 있다.
상술한 화학식에 사용된 M1 및 M2의 지정은 본 명세서 전반에 걸쳐 서로 바꾸어 사용될 수 있다. 예를 들어, Cd 및 Hg를 포함하는 합금은 각각, M1 또는 M2 뿐만 아니라 M2 및 M1로 지정될 수 있다. 마찬가지로, 상기 PSE의 V 족 또는 VI 족 원소에 대한 A 및 B의 지정은 서로 바꾸어 사용할 수 있다. 따라서 본 발명의 사원 합금에서, Se 또는 Te는 모두 원소 A 또는 B로서 명명될 수 있다.
상기 삼원 나노크리스탈은 다음의 단계를 포함하는 공정에 의해 수득할 수 있다;
적합한 온도 T1에서 나노크리스탈의 생성에 적합한 형태로 원소 M1을 포함하는 반응 혼합물을 가열하고, 상기 온도에서 나노크리스탈의 생성에 적합한 형태로 원소 A를 첨가하며, 상기 이원 나노크리스탈 M1A를 형성하기에 적합한 온도에서 충분한 시간동안 반응혼합물을 가열한 다음 상기 반응 혼합물을 냉각하여 이원 나노크리스탈 M1A를 형성하는 단계, 및
상기 형성된 이원 나노크리스탈 M1A를 침전하거나 분리하는 과정 없이, 상기 반응 혼합물을 적합한 온도 T2에서 재가열하고, 나노크리스탈의 생성에 적합한 형태로 상기 원소 M2의 충분한 양을 상기 온도에서 상기 반응 혼합물에 첨가하며, 그 다음 상기 삼원 나노크리스탈 M11 - XM2XA를 형성하기에 적합한 온도에서 충분한 시간 동안 상기 반응 혼합물을 가열한 다음 상기 반응 혼합물을 실온에서 냉각하고, 삼원 나노크리스탈 M11 - XM2XA를 분리하는 단계.
상기 삼원 나노크리스탈에서, 상기 인덱스 x는 0.001 < x < 0.999, 바람직하게는 0.01 < x < 0.99, 0.1 < 0.9 또는 보다 바람직하게는 0.5 < x < 0.95의 값을 가진다. 보다 더욱 더 바람직한 구현예에서, x는 약 0.2 또는 약 0.3에서 약 0.8 또는 약 0.9까지의 값을 가질 수 있다. 이용되는 사원 나노크리스탈에서, y는 0.001 < y < 0.999, 바람직하게는 0.01 < y < 0.99, 또는 보다 바람직하게는 0.1 < x <0.95 또는 약 0.2에서 약 0.8까지의 값을 가진다.
상기 II-VI 삼원 나노크리스탈에서, 여기에 포함되는 원소 M1 및 M2는 Zn, Cd 및 Hg로 구성된 군으로부터 바람직하게 독립적으로 선택된다. 상기 삼원 합금에서 상기 PSE의 VI 족 원소 A는 S, Se 및 Te로 구성된 군으로부터 바람직하게 선택된다. 따라서, 상기 원소 M1, M2 및 A의 모든 조합은 본 발명의 범위 내에 있다. 바람직한 구현예에서, 이용되는 나노크리스탈은 조성 ZnxCd1 - xSe, ZnxCd1-xS, ZnxCd1 - xTe, HgxCd1 - xSe, HgxCd1 - xTe, HgxCd1 - xS, ZnxHg1 - xSe, ZnxHg1 - xTe 및 ZnxHg1 - xS를 가진다.
어떤 바람직한 구현예에서, 상기 화학식에 사용된 x는 0.10 < x < 0.90 또는 0.15 < x < 0.85, 및 보다 바람직하게는 0.2 < x < 0.8의 값을 가진다. 특히 바람직한 구현예에서, 상기 나노크리스탈은 조성 ZnxCd1 - xS 및 ZnxCd1 - xSe를 가진다. 상기 나노크리스탈은 바람직하게는 x가 0.10 < x < 0.95, 그리고 보다 바람직하게는 0.2 < x < 0.8의 값을 가진다.
상기 나노크리스탈 코어가 본 발명의 III-V 나노크리스탈로부터 만들어지는 구현예에서, 원소 M1 및 M2 각각은 독립적으로 Ga 및 In로부터 선택된다. 원소 A는 바람직하게는 P, As 및 Sb로부터 선택된다. 상기 원소 M1, M2 및 A의 모든 가능한 조합은 본 발명의 범위 내에 있다. 어떤 바람직한 구현예에서, 나노크리스탈은 조성 Gaxln1 - xP, Gaxln1 - xAs 및 Gaxln1 - xAs를 가진다.
본 발명에서, 상기 나노크리스탈 코어는 두개의 주 성분을 포함하는 수용성 폴리머 쉘에 둘러싸여진다. 상기 수용성 쉘의 첫 번째 성분은 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 친화력을 가지고 상기 폴리머 쉘의 첫 번째 층을 형성하는 캡핑 시약이다. 두 번째 성분은 상기 캡핑 시약에 결합되고 수용성 쉘의 두 번째 층을 형성하는 폴리머이다.
나노 물질의 표면에 결합 친화력을 가지는 작은 분자 또는 고분자의 모든 형태는 첫 번째 층을 형성하기 위한 캡핑 시약으로 사용될 수 있다. 바람직한 캡핑 시약은 유기 분자이고, 첫째로, 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 공유적으로 결합하거나 고정될 수 있는 최소 하나의 부분을 가질 수 있으며, 둘째로, 상기 폴리머와 연속적인결합을 제공하는 최소 하나의 결합기를 가질 수 있다. 상기 결합기는 상기 폴리머에 존재하는 결합 부분에 직접적으로 반응할 수 있거나, 예를 들어, 결합 반응을 일으키게 하기 위해서, 결합제에 의한 활성화를 필요로 할 수 있다. 상기 두 부분의 각각은 분자의 말단 위치 또는 분자의 주 사슬을 따라 비-말단 위치의 상기 캡핑 시약에 존재할 수 있다. 저 분자량 폴리머의 예는 아미노 또는 카르복실-리치(rich) 폴리머 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
일 구현예에서, 상기 캡핑 시약은 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 친화력을 가지는 하나의 부분을 포함하고, 상기 부분은 상기 캡핑 시약 분자의 말단에 위치하고 있다. 상기 나노크리스탈 코어 및 상기 부분간의 상호작용은 소수성 또는 정전기적 상호작용, 또는 공유 또는 배위 결합으로 인해 발생한다. 적절한 말단기는 자유(비결합된) 전자쌍을 가지는 부분을 포함하여, 상기 캡핑 시약을 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 결합될 수 있도록 한다. 대표적인 말단기는 S, N, P 원자 또는 P=O 기를 함유하는 부분을 포함한다. 상기 부분의 구체예는 예를 들어, 아민, 티올, 아민-옥사이드 및 포스핀을 포함한다.
다른 구현예에서, 상기 캡핑 시약은 소수성 영역에 의해 말단기로부터 멀리 떨어져서 위치한 최소 하나의 결합기를 추가적으로 포함한다. 각 결합기는 수용성 쉘의 두 번째 층을 형성하기 위하여 사용되는 상기 폴리머 상의 상보적인 결합 부분과 반응할 수 있는 적합한 수의 주 사슬 탄소 원자 및 적합한 작용기를 포함 할 수 있다. 대표적인 결합 부분은 하이드록시(-OH), 아미노(-NH2), 카르복실(-COOH), 카르보닐(-CHO) 및 시아노(-CN)기로 구선된 군으로부터 선택될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 상기 캡핑 시약은 하기 일반식(G1)으로 표시된 바와 같이, 소수성 영역에 의해 말단기로부터 멀리 떨어져서 위치한 하나의 결합기를 포함한다:
일반식 G1
Figure 112007087371467-PCT00001
여기에서,
TG - 말단기
HR - 소수성 영역
CM1 - 결합기
바람직한 구현예에서, 상기 캡핑 시약은 하기 일반식(G2)으로 표시된 바와 같이, 소수성 영역에 의해 말단기로부터 멀리 떨어져서 위치한 두개의 결합기를 포함한다:
일반식 G2
Figure 112007087371467-PCT00002
여기에서
TG - 말단기
HR - 소수성 영역
CM1& CM2 - 결합기
상기 일반식 G1 및 G2에서, 상기 결합기 CM1 및 CM2는 친수성일 수 있다. 대표적인 친수성 결합기는 -NH2, -COOH 또는 OH 작용기를 포함한다. 다른 예는 니트릴기, 이소시아네이트기 및 할라이드기를 포함한다. 상기 결합기는 또한 소수성일 수 있다. 소수성 및 친수성기의 조합을 가지는 캡핑 시약이 이용될 수 있다. 소수성기의 예는 알킬 부분, 방향족 고리 또는 메톡시기를 포함한다.
이론에 구애받지 않는다는 것을 가정하면, 일반식 (G1) 및 (G2)로 정의된 상기 캡핑 시약의 소수성 영역은 수성 환경에 존재하는 전하를 띄는 종으로부터 나노크리스탈 코어를 보호 할 수 있다고 판단된다. 상기 수성 환경에서 나노크리스탈 코어의 표면으로의 전하 이동은 상기 소수성 영역에 의해 방해되어, 합성 동안의 나노크리스탈 중간체(즉, 상기 캡핑 시약으로 캡핑된 나노크리스탈)의 미성숙 쿠엔칭(quenching)을 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 캡핑 시약에 소수성 영역의 존재는 상기 나노크리스탈의 최종 양자 수율을 개선하는데 도움을 줄 수 있다. 상기 목적에 적절한 소수성 부분의 예는 모든 지방족 직쇄, 고리형 또는 방향족 탄화수소 부분을 포함하는, 탄화수소 부분을 포함한다.
일 구현예에서, 본 발명의 상기 나노크리스탈에 사용되는 상기 캡핑 시약은 일반식 (I)을 갖는다:
일반식 I
Figure 112007087371467-PCT00003
상기 화학식에서, X는 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 친화력을 가지는 말단기를 나타낸다. X는 S, N, P, 또는 O=P로부터 선택될 수 있다. 상기 부분 Hn-X-의 구체예는 다음 중 어느 하나를 포함 할 수 있다: 예컨대, H-S-, O=P- 및 H2N-이다. Ra는 최소 두개의 주 사슬 탄소 원자를 포함하는 부분이고, 이에 소수성을 가진다. 만일, Ra가 소수성이 우세하다면, 예컨대 Ra가 탄화수소인 경우, Ra는 상기 나노크리스탈 코어로부터 Z 부분을 분리하는 소수성 영역을 제공한다. 상기 부분 Y는 N, C, -COO- 또는 -CH2O-로부터 선택된다. Z는 연속한 중합을 위한 최소 하나의 결합 부분을 포함하여, 상기 친수성 캡핑 시약의 일부에 우세한 친수성을 부여하는 부분이다. 대표적인 극성 작용기는 -OH, -COOH, -NH2, -CHO, -CONHR, -CN, -NCO, -COR 및 할라이드를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 화학식에서 숫자는 기호 k, n, n’및 m으로 나타낸다. k는 O 또는 1이다. 상기 숫자 n은 0 내지 3의 정수이고 n’은 0 내지 2의 정수이다; 모두 X 및 Y 각각의 원자가전자 요건을 만족시키기 위해서 선택된다. 숫자 m은 0 내지 2의 정수이다. 숫자 k 는 O 또는 1이다. 상기 조건은 만약 k가 0 이라면, Z는 Ra에 결합할 수 있다는 것에 적용한다. 결합기 Z가, 예를 들어 고리부분, 예컨대 지방족 사이클로알칸, 방향족 탄화수소 또는 헤테로사이클과 같은 Ra에 직접적으로 결합되는 경우를 k=0 값이 충족시킨다. 그러나, 예컨대, 벤젠 고리에 결합된 3차 아미노기 또는 고리형 탄화수소와 같이, k=1일 때 Ra가 고리 부분이라는 것은 가능하다. 따라서, 본 발명의 상기 화학식에서, Y 또는 Z는 결합기로서 작용할 수 있다. 만약 Z가 결합기로서 존재한다면, 이어 Y는 결합기 Z에 결합하기 위한 구조 성분으로서 작용할 수 있다. 만약 Z가 없다면, Y는 그 다음 결합기의 일부를 형성할 수 있다.
상기 화학식에서 부분 Ra는 약 10 내지 약 100개의 주 사슬 원자를 포함할 수 있다. 특히 일 구현예에서, Ra 및 Z 각각은 독립적으로 2 내지 50개의 주 사슬 원자를 포함한다. Z는 하나 또는 그 이상의 아미드 또는 에스테르 결합을 포함할 수 있다. Ra에 이용될 수 있는 적합한 부분의 예는 알킬, 알케닐, 알콕시 및 아릴 부분을 포함한다.
본 명세서에 사용된 용어 “알킬”은 일반적으로 2 내지 50개의 탄소 원자를 포함하는, 분지쇄 또는 비분지쇄, 직쇄 또는 고리형 포화 탄화수소기를 의미한다. 예를 들면, 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 이소부틸, t-부틸, 옥틸, 데실, 테트라데실, 헥사데실, 에이코실, 테트라코실 뿐만 아니라 사이클로펜틸, 사이클로헥실과 같은 사이클로알킬기이다. 본 명세서에서 사용된 “알케닐”은 일반적으로 2 내지 50개의 탄소 원자 및 최소 하나의 이중결합을 포함하는 분지쇄 또는 비분지쇄 탄화수소기를 의미한다. 전형적으로 1 내지 6의 이중 결합, 보다 전형적으로는 1 내지 2의 이중 결합을 포함한다. 예를 들어, 에테닐, n-프로페닐, n-부테닐, 옥테닐, 데세닐 뿐만 아니라 사이클로펜테닐, 사이클로헥세닐과 같은 사이클로알케닐기 이다. 본 명세서에서 사용된 용어 “알콕시”는 치환기 --O-R을 의미하고 상기 R 은 상기 정의된 알킬이다. 본 명세서에서 사용된 용어 “아릴”은, 다른 언급이 없는 한, 하나 또는 그 이상의 방향족 고리를 포함하는 방향족 부분을 의미한다. 아릴기는 방향족 고리에 하나 또는 그 이상의 불활성, 비-수소 치환기로 선택적으로 치환될 수 있고, 적절한 치환기는 예를 들어, 할로, 할로알킬(바람직하게는 할로-치환 저분자 알킬), 알킬(바람직하게는 저분자 알킬), 알케닐(바람직하게는 저분자 알케닐), 알키닐(바람직하게는 저분자 알키닐), 알콕시(바람직하게는 저분자 알콕시), 알콕시카보닐(바람직하게는 저분자 알콕시카보닐), 카르복시, 니트로, 시아노 및 술포닐을 포함한다. 모든 구현예에서, Ra는 헤테로방향족 부분을 포함할 수 있고, 이는 일반적으로 질소, 산소 또는 황과 같은 헤테로원자를 포함한다.
바람직한 구현예에서, Ra는 에틸, 프로필, 부틸 및 펜틸, 사이클로펜틸, 사이클로헥실, 사이클로-옥틸, 에톡시, 프로폭시, 부톡시 및 벤질 부분으로 구성된 군으로부터 선택된다. 바람직한 캡핑 시약의 일 구현예는 아미노에틸티올, 아미노프로필티올 및 아미토부틸티올로 구성된 군으로부터 선택된다.
특히 적절한 캡핑 시약의 예는 다음과 같은 각 화학식을 가지는 (친수성) 화합물이다:
Figure 112007087371467-PCT00004
HS-(CH2)n=5-11-COOH,
Figure 112007087371467-PCT00005
다른 구현예에서, 상기 캡핑 시약은 C=C 이중 결합과 같은, 중합가능한 불포화기에 의해, 자유 라티칼 중합 메카니즘을 매개로 하여 상기 폴리머와 결합한다. 상기 캡핑 시약의 구체예는 ω-티올 말단 메틸 메타크릴에이트, 2-부텐에티올, (E)-2-부텐-1-티올, S-(E)-2-부테닐 티오아세테이트, S-3-메틸부테닐 티오아세테이트, 2-퀴놀린메탄에티올, 및 S-2-퀴놀린메틸 티오아세테이트를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘의 두 번째 성분은 상기 캡핑 시약에 존재하는 결합기를 활성화하는 결합제의 이용을 매개로 하여, 수용성기를 가지는 폴리머를 상기 캡핑 시약에 결합함으로써 형성된다. 상기 결합제 및 상기 결합 부분을 가지는 상기 폴리머는 연속적으로 첨가 될 수 있다. 즉, 활성화가 일어난 후에 상기 폴리머는 첨가된다; 또는 상기 폴리머는 상기 결합제와 동시에 첨가될 수 있다.
원칙적으로, 상기 결합제가 첫 번째 층을 형성하는데 이용되는 상기 캡핑 시약 및 두 번째 층을 형성하기 위하여 이용되는 상기 폴리머와 화학적으로 양립 가능하다면, 즉 상기 결합제가 이들의 구조를 바꾸기 위하여 이들과 반응을 하지 않는다면, 상기 캡핑 시약의 결합기를 활성화하는 어떠한 결합제도 사용될 수 있다. 이상적으로, 상기 결합제 분자는 폴리머 분자에 의해 완전히 치환되어야 하기 때문에 미반응 결합제는 나노크리스탈에 존재할 수 없다. 그러나, 실제로는, 그럼에도 불구하고 상기 결합제의 미반응 잔기가 최종 나노크리스탈에 존재할 가능성이 있다.
적절한 결합제의 결정은 본 발명의 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자의 지식 범위 내에 있다. 적합한 결합제의 일예는 술포-N-하이드록시숙신이미드(NHS)와 함께 사용되는 1-에틸-3-[3-디메틸아미노프로필] 카보디이미드(EDC) 이다. 사용될 수 있는 다른 형태의 결합제는 이미드 및 아졸을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 사용될 수 있는 이미드의 예는 카보디이미드, 숙신이미드 및 프탈이미드이다. 이미드의 명시적 예는 N-하이드록시숙신이미드 또는 다른 활성 분자와 함께 사용되는, 1-에틸-3-[3-디메틸아미노프로필] 카보디이미드(EDC), 술포-N-하이드록시숙신이미드, N,N’- 디사이크로헥실카보디이미드(DCC), N,N’-디사이클로헥실 카보디이미드 또는 N-(3-디메틸아미노프로필)-N’-에틸카보디이미드를 포함한다.
결합기가 불포화 C=C 결합을 포함하는 캡핑 시약의 경우, 상기 결합제는 tert-부틸 퍼아세테이트, tert-부틸 퍼아세테이트, 벤조일 퍼옥사이드, 포타슘 퍼설페이트, 및 퍼아세트산을 포함한다.
수용성 쉘의 두 번째 층을 형성하기 위하여 사용되는 폴리머는 상기 캡핑 시약의 활성화된 결합기와 반응할 수 있는 결합 부분을 가지는 하나 또는 그 이상의 적합한 결합 부분을 포함 할 수 있다. 전형적으로, 적합한 폴리머는, 상기 캡핑 시약의 활성화된 결합기에 반응성이 있는 작용기 1, 2, 3개 또는 어떤 구현예에서는 최소 2개(즉, 복수의)의 작용기를 갖는 결합기를 갖는다.
도 3에서 확인 할 수 있듯이, 상기 폴리머의 최소 두개의 결합 부분이 상기 캡핑 시약의 분자와 반응하는 경우, 상기 폴리머는 상기 캡핑 시약에 공유적으로 결합(“교차결합”)되어, 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 폴리머 쉘을 형성한다.
상기 캡핑 시약과 상기 폴리머의 결합은 어떤 적절한 결합 반응 기구에 의하여 실시될 수 있다. 적절한 반응기구의 예는 자유-라디칼 결합, 아미드 결합 또는 에스테르 결합 반응을 포함한다. 종래 결합 반응의 이용과 관계없이, 예컨대 적합한 결합 반응에 의해, 폴리머/올리고머는 상기 캡핑 시약에 그래프팅 될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 친수성 캡핑 시약에 그래프팅 되는 상기 폴리머가 먼저 합성되고, 그 다음 카보디이미드 매개 결합 반응(즉, 교차 결합제)에 의해 상기 캡핑 시약의 노출된 결합 부분에 결합된다. 적합한 폴리머는 상기 친수성 캡핑 시약에 결합할 수 있는 작용기를 가지는 랜덤 뿐만 아니라 블록 공중합체를 포함한다.
바람직한 결합 반응은 캡핑 시약의 결합기에 있는 카르복실 작용기 및 아미노 작용기, 그리고 상기 폴리머의 결합부분이 공유 결합을 형성하기 위하여 반응하는, 1-에틸-3-[3-디메틸아미노프로필] 카보디이미드]에 의해 제공되고 술포-N-하이드록시숙신이미드에 의해 촉진되는 카보디이미드 결합 반응이다.
본 발명에서, 수용성 쉘의 두 번째 층에 존재하는 용어 “폴리머”는 약 100 내지 1,000,000 달톤의 분자량을 가지는, 저 분자량 폴리머(예컨대, 올리고머) 뿐만 아니라 고 분자량 폴리머를 포함한다. 각 반복 유닛에 존재하는 그룹의 크기 및 수에 따라, 상기 폴리머의 분자량의 하한값은 100 이상일 수 있다. 상기 폴리머가 폴리올 또는 폴리아민과 같은 저 분자량 반복 유닛(예컨대, 작은 측쇄를 가짐)으로부터 유래된 경우, 상기 폴리머의 분자량의 하한값은 낮을 수 있다. 고 분자량을 가지는 반복 유닛(예컨대, 벌키 측쇄를 가짐)이 있는 폴리머의 경우, 그 하한값은 100이상 일 수 있다. 구현예에서, 폴리머의 분자량의 하한값은 약 400, 또는 500, 또는 600, 또는 1000, 또는 1200, 또는 1500 이거나, 약 2000 보다 클 수 있다. 용어 “결합” 및 “공유 결합”은 서로 바꾸어 사용되고, 에스테르를 형성하기 위하여 산 및 알코올을 결합하거나, 아미드를 형성하기 위하여 산 및 아민을 결합하는 것과 같이, 두 분자를 함께 연결하여 한 분자의 보다 큰 분자를 형성하는 형태의 반응을 일반적으로 의미한다. 상기 캡핑 시약 및 폴리머에 존재하는 결합기 및 결합부분을 결합할 수 있는 어떠한 반응도 상기 용어의 의미 내에 있다. 또한,‘결합’은 상기 캡핑 시약 층에 폴리머를 공유적으로 결합시키기 위해서 상기 폴리머에 상응하는 결합 부분과 상기 캡핑 시약에 결합기로서 존재하는 하나 또는 그 이상의 불포화기(예컨대, -C=C- 이중 결합)를 반응시키는 것도 포함한다.
상기 폴리머는 친수성 또는 소수성 부분, 또는 친수성 및 소수성 즉, 양쪽성 부분을 포함할 수 있다. 본 발명의 나노크리스탈이 이용되는 환경에서 바람직한 용해도를 얻기 위해서 상기 부분은 상기 폴리머의 적합한 위치에 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 수용성 쉘의 수용성을 개선하기 위해서, 두 번째 층을 형성하는 상기 폴리머는 소수성 부분 보다 친수성 부분을 포함 할 수 있다. 반대로, 상기 쉘이 소수성을 제공해야 할 경우, 친수성 보다 많은 수의 소수성 부분을 가지는 폴리머가 이용될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 폴리머는 하기 화학식 (III)을 가지는 상기 캡핑 시약의 결합기에 대하여 반응하는 최소 하나의 결합 부분을 포함한다:
화학식 III
Figure 112007087371467-PCT00006
상기 J는 상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 결합 부분이고, m은 최소 1의 정수이다.
상기 구현예를 상세히 설명하면, 예를 들어 첫 번째 층이 아미노-말단기를 가지는 경우, 두 번째 층을 형성하는 상기 폴리머는 첫 번째 층의 아미노기와 공유결합하기 위하여 카르복실기를 가질 수 있다. 실제로, 존재하는 모든 결합 부분 및 결합기가 공유결합과 관련되어 있지 않을 수 있다. 예를 들어, 50% 카르복실기가 첫 번째 층의 아미노기와 중합할 수 있다.
다른 예에서, 상기 첫 번째 층이 카르복실-말단기를 가지는 경우, 두 번째 층 폴리머는 첫 번째 층의 카르복실기와 공유적으로 결합하는 아미노기를 가질 수 있다. 또한, 존재하는 모든 결합 부분 및 결합기가 공유결합과 관련되어 있지 않을 수 있다. 예를 들어, 50% 아미노기가 첫 번째 층의 아미노기와 중합할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 폴리머는 상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 최소 두개의 결합 부분을 포함한다. 이 경우, 상기 폴리머는 하기 화학식 (IV)를 가질 수 있다:
화학식 IV
Figure 112007087371467-PCT00007
상기 J 및 K는 결합 부분이고, 동일하거나 다르며, m 및 n 각각은 최소 1의 정수이다.
일반적으로, 상기 캡핑 시약이 J 및 K 말단기를 모두 가지는 경우, 상기 폴리머는 상기 캡핑 시약과 공유결합하기 위하여 하나, 또는 K 및 J 그룹 모두를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 첫 번째 층이 카르복실- 및 아미노-말단 표면을 모두 가지는 경우, 상기 첫 번째 층의 카르복실기 및 아미노기와 각각 공유결합하기 위하여 두 번째 층 폴리머는 오직 하나, 또는 아미노- 및 카르복실기 모두를 가질 수 있다. 상기 결합 부분의 일부는 상기 결합기에 공유적으로 결합되기에 충분하고, 상기 결합 부분은 결합기와 정확한 화학양론비로 존재할 필요는 없다.
또 다른 구현예에서, 상기 폴리머는 상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 최소 세 개의 결합 부분을 포함한다. 상기 구현예에서, 상기 폴리머는 하기 화학식 (V)를 가질 수 있다:
화학식 V
Figure 112007087371467-PCT00008
상기 J , K 및 L은 결합 부분이고, 동일하거나 다르며, m, n 및 p 각각은 최소 1의 정수이다. 다른 구현예에서, 상기 폴리머는 수용성 뿐만 아니라 첫 번째 층과 표면 결합을 제공하기 위해서 세 개 또는 그 이상의 다른 작용기(NH2, COOH, NCO, CHO 등)를 가질 수 있다.
두 번째 층을 형성하는 상기 폴리머는 상기 나노크리스탈이 있는 용매와 접촉 할 것이다. 그리하여, 상기 나노크리스탈이 예컨대, 물을 포함하는, 상기 용매에 용해될 수 있도록, 바람직하게는 상기 결합 부분 J, K 또는 L의 최소 하나는 수용성 쉘에 수용성을 부여하는 친수성기를 포함한다. 이러한 목적으로, 상기 폴리머는 수용성 쉘에 수용성을 부여하는 친수성기를 가지는 최소 하나의 부분을 포함할 수 있다. 상기 부분은 상기 결합 부분과 개별적으로 또는 상기 결합 부분 상에 존재할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 결합 부분 J, K 및 L 각각은 아미노, 하이드록실, 카르보닐, 카르복실, 니트릴, 이소시아네이트 및 할라이드기로부터 선택되는 작용기를 포함한다. 동종작용기를 가지는 폴리머가 바람직하는 경우에는, 상기 폴리머의 결합 부분은 예컨대, 하이드록실기, 또는 카르복실기, 또는 아미노기 단독으로 구성될 수 있다. 상기 경우에 있어, 상기 폴리머는 각각, 폴리비닐 알코올, 폴리카르복실산 및 폴리아민이다.
다른 특성(예컨대, 수용성)을 가지는 나노크리스탈을 얻기 위해서, 하나 이상 형태의 모노머를 가지는 다른 형태의 폴리머가 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 두 번째 층을 형성하기 위해서 상기 폴리머로서 이중블록 공중합체, 삼중블록 공중합체 또는 혼합 랜덤 폴리머의 이용이 가능하다. 구체예는 폴리(아크릴산-b-메틸 메타크릴에이트), 폴리(메틸 메타크릴에이트-b-소듐 아크릴에이트), 폴리(t-부틸 메타크릴에이트-b-에틸렌 옥사이드), 폴리(메틸 메타크릴에이트-b-소듐 메타크릴에이트) 및 폴리(메틸 메타크릴에이트-b-N,N-디메틸 아크릴아미드)를 포함한다.
화학식 (III)의 폴리머의 있는 결합 부분 J는 상기 캡핑 시약에 존재하는 결합기에 반응하는 적합한 작용기를 포함할 수 있다. 상기 친수성 부분 K는 상기 폴리머와 우세한 친수성이 일치하는 어떠한 작용기도 포함할 수 있어, 상기 폴리머가 수용성이 되도록 할 수 있다. 적절한 작용기의 예는 카르복실, 아미노, 하이드록실, 아미드, 에스테르, 안하이드라이드 및 알데히드기를 포함한다.
일 구현예에서, 상기 폴리머는 폴리아민, 폴리아세틸 산 또는 폴리올로 구성된 군으로부터 선택된다. 상기 폴리머의 분자량은 약 500(약 400)이하에서 약 1,000,000 까지 일 수 있다. 상기 구현예 중 어느 하나에서, 상기 분자량은 약 600 내지 약 1,400,000 이고, 보다 바람직하게는 약 2000 내지 약 750,000 이다. in vivo 적용에 있어, 약 2000의 하한값은 인체에 대한 잠재적인 독성을 최소화하기 위하여 선택될 수 있다.
캡핑 시약이 결합기로서 중합가능한 불포화기를 포함하는 경우, 폴리아세틸렌, 폴리아크릴산 또는 폴리에틸렌이민을 포함하는, 불포화 폴리머는 수용성 쉘의 두 번째 층을 형성하는데 이용될 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 폴리머는 폴리머에 친화성 리간드를 결합하여 기능화 될 수 있다. 이렇게 함으로써, 기능화된 나노크리스탈을 수득할 수 있다. 상기 나노크리스탈은 친화성 리간드가 결합 특이성을 가지는 기질의 존재 또는 부존재를 검출 할 수 있다. 상기 기능화된 나노크리스탈의 친화성 리간드와 샘플에 존재하는 타깃 기질 간의 접촉, 및 연속적인 결합은 다양한 용도를 제공할 수 있다. 예를 들어, 기능화된 나노크리스탈-기질을 포함하는 복합체 형성은 양자화, 가시화 또는 다른 형태의 검출을 위한 검출 가능한 신호를 방출할 수 있다. 고려되는 친화성 리간드는 키메릭 또는 유전적으로 변형된 모노클로날 항체를 포함하는 모노클로날 항체, 펩타이드, 앱타머, 핵산 분자, 스트렙타비딘, 아비딘 또는 렉틴 등을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 양태는 수용성 나노크리스탈 제조 방법에 관한 것이다.
수용성 쉘의 합성은 먼저 상기 캡핑 시약을 상기 나노크리스탈 코어와 접촉하여 반응시킴으로써 실시될 수 있다. 상기 접촉 단계는 직접적 또는 간접적으로 이루어 질 수 있다. 직접적 접촉은 배위 리간드(coordinating ligand)의 사용 없이 상기 캡핑 시약을 함유하는 용액으로의 침지를 의미한다. 간접적 접촉은 상기 캡핑 시약과 접촉하는 단계 이전에 상기 나노크리스탈 코어를 준비하기 위하여 배위 리간드의 사용을 의미한다. 전형적으로 간접 접촉은 두 단계를 포함한다. 접촉 방법 둘 다 본 발명에서 실행가능하다. 그러나 배위 리간드가 캡핑 시약이 나노크리스탈 코어의 표면에 결합하는데 기여하기 때문에 후자인 간접 접촉 방법이 바람직하다.
간접 접촉은 다음과 같이 상세히 설명될 것이다. 간접 접촉의 첫 번째 단계에서, 배위 리간드를 유기용매에 용해함으로써 준비한다. 그 다음, 상기 나노크리스탈 코어를 미리 결정된 시간동안 유기 용매에 침지하여, 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 충분히 안정한 패시베이팅층(passivating layer)을 형성하였다(이하, “패시베이팅된 나노크리스탈”로서 의미 됨). 상기 패시베이팅층은 상기 나노크리스탈 코어에 접촉할 수 있는 친수성 종을 억제하여, 상기 나노크리스탈의 어떠한 분해도 방지할 수 있도록 한다. 상기 패시베이팅된 나노크리스탈을 분리하고, 바람직하다면, 배위 리간드를 함유하는 유기 용매에 원하는 시간동안 보관한다. 바람직하다면, 예컨대, 클로로포름, 메틸렌 클로라이드 또는 테트라하이드로퓨란과 같은 적합한 중성 유기 용매가 첨가될 수 있다.
간접 접촉의 두 번째 단계에서, 리간드 교환은 유기용매의 존재 또는 수용액에서 실시될 수 있다. 리간드 교환(치환)은 패시베이팅된 나노크리스탈과 캡핑 시약의 접촉을 촉진시키기 위하여 과잉의 캡핑 시약을 패시베이팅된 나노크리스탈에 첨가함으로써 실시된다. 높은 수준의 치환을 달성하기 위하여 요구되는 접촉 시간은 요구되는 시간동안 반응 혼합물을 교반 또는 소니케이팅 함으로써 감축될 수 있다. 충분히 긴 시간이 지난 후, 상기 캡핑 시약은 패시베이팅된 층을 치환하고, 나노크리스탈에 결합하게 되어, 폴리머의 연속적 결합을 위해 상기 나노크리스탈 코어의 표면을 캡핑한다.
간접 접촉에서 이용되는 상기 배위 리간드는 나노크리스탈 코어의 표면에 대하여 친화력을 가지는 부분을 포함하는 어떠한 분자일 수 있다. 이러한 친화력은 예컨대, 정전기적 상호작용, 공유 결합 또는 배위 결합의 형태로 분명히 나타날 수 있다. 적합한 배위 리간드는 소수성 분자 또는 극성 작용기와 같은, 친수성 부분에 결합되는 소수성 사슬을 포함하는 양쪽성 분자를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 분자의 예는 트리옥틸포스핀, 트리옥틸포스핀 옥사이드 또는 머캡토운데카노산을 포함한다. 이용될 수 있는 다른 형태의 배위 리간드는 티올, 아민 또는 실란을 포함한다.
간접 접촉 방법에 의해 캡핑 시약과 폴리머의 결합을 실시하기 위한 개요는 도 4에서 확인할 수 있다. 우선, 나노크리스탈 코어를 트리옥틸 포스핀 옥사이드(TOPO)와 같은 배위 용매(coordination solvents)에서 준비하여, 상기 나노크리스탈 코어 표면에 패시베이팅 층을 형성한다. 그 결과, 상기 TOPO 층은 캡핑 시약에 의해 치환된다. 고농도의 상기 캡핑 시약을 함유하는 미디엄에서 TOPO-층 나노크리스탈의 분산에 의해 치환은 발생할 수 있다. 상기 단계는 전형적으로 유기용매 또는 수용액에서 실시된다. 바람직한 유기용매는 피리딘, 디메틸포름아미드(DMF), DMSO, 디클로로메탄, 에테르, 클로로포름 또는 테트라하이드로퓨란과 같은 극성 유기 용매를 포함한다. 그 후, 상기 캡핑 시약에 결합될 폴리머를 준비하고 상기 캡핑된 나노크리스탈 코어에 첨가한다.
본 발명의 방법은 일단 수용성 쉘의 첫 번째 층이 형성되면, 캡핑 시약으로 캡핑된 상기 나노크리스탈과 수용성기를 가지는 상기 폴리머를 결합하는 단계를 추가적으로 포함한다. 결합은 바람직하다면, 결합제의 존재에서 실시 될 수 있다. 상기 결합제는 폴리머에 대한 반응성을 부여하기 위한 캡핑 시약을 준비하는데 이용될 수 있거나, 상기 캡핑 시약에 대한 반응성을 부여하기 위한 폴리머 상의 결합 부분을 준비하는데 이용될 수 있다. 바람직한 구현예에서, EDC(1-에틸-3-[3-디메틸아미노프로필] 카보디이미드)는 결합제로서 이용될 수 있고, 선택적으로 술포NHS(술포-N-하이드록시숙신이미드)에 의해 원조될 수 있다. 교차-결합제를 포함하여, 다른 형태의 결합제가 또한 사용될 수 있다. 예는 디이소프로필카보디이미드, 카보디사이클로헥실이미드, N,N’-디사이클로헥실카보디이미드(DCC; Pierce), N-숙신이미딜-S-아세틸-티오아세테이트(SATA), N-숙신이미딜-3-(2- 피리딜디티오)프로피오네이트(SPDP), 오르토-페닐엔디말레이미드(o-PDM), 및 술포숙신이미딜 4-(N-말레이미도메틸)사이클로헥산-1-카르복실에이트(술포-SMCC) 및 아졸과 같은 카보디이미드를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 결합제는 O-요소 유도체를 형성하기 위해서 카르복실기를 활성화함으로써 카르복실산과 아민 사이의 아미드 결합 형성을 촉매한다. 상기 유도체는 친핵성 아민기와 쉽게 반응하여 상기 결합 반응을 촉진한다.
상기 캡핑 시약에 존재하는 결합기 및 상기 폴리머에 존재하는 결합 부분의 등 몰 량이 반응할 수 있다. 설명을 위해, 결합기의 x 몰을 가지는 캡핑 시약의 x 몰이 1 몰의 나노크리스탈 코어에 결합될 수 있다고 가정한다. y 몰의 폴리머가 1 몰의 나노크리스탈 코어(x 몰의 캡핑 시약과 결합 됨)와 완전히 반응하는데 x 몰의 결합 부분을 포함한다면, 폴리머 대 나노크리스탈의 혼합비는 나노크리스탈 몰 당 최소 y 몰의 폴리머이다. 실제로, 캡핑 시약은 나노크리스탈의 완전한 캡핑을 보장하기 위해보통 과잉으로 반응된다. 비반응된 캡핑 시약은 예컨대, 원심분리에 의해 제거될 수 있다. 캡핑된 나노크리스탈과 결합하기 위하여 첨가되는 폴리머의 양은 또한 과잉으로 첨가될 수 있고, 전형적으로 캡핑된 나노크리스탈의 몰 당 약 10, 또는 약 20 또는 약 30 내지 1000 몰의 폴리머의 범위이다.
나노크리스탈 코어의 표면에 포함된 캡핑 시약에 폴리머를 결합하기 위해서, 상기 폴리머는 결합제의 존재에서 상기 캡핑 시약과 혼합된다. 상기 결합제 및 상기 폴리머는 첫 번째 층을 포함하는 상기 나노크리스탈을 함유하는 용액에 동시에 첨가될 수 있거나(참조. 실시예 1 및 2), 상기 결합제 이후에 상기 폴리머를 첨가하는 것과 같이, 연속적으로 첨가될 수 있다. 상기 결합제는 상기 캡핑 시약 및 폴리머에 각각 존재하는 상기 결합기 및 결합 부분을 활성화하기 위한 개시제로서 작용한다. 이 후, 상기 폴리머는 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 두 번째 층을 형성하기 위하여 상기 캡핑 시약과 결합된다.
상기 결합 반응은 수용액 또는 유기용매에서 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기 결합 반응은 중합속도를 개선시키기 위하여 개시제, 안정제 또는 상전이 시약을 포함하는, 적절한 첨가제와 함께 물과 같은 수용액에서 실시될 수 있다. 또한, 인산 또는 암모늄 완충 용액과 같은, 완충 용액에서 실시 될 수 있다. 게다가, 상기 중합은 결합 시약 및 촉매와 같은, 적합한 첨가제와 함께 무수의 유기용매에서 실시될 수 있다. 일반적으로 사용되는 유기용매는 DMF, DMSO, 클로로포름, 디클로로메탄 및 THF를 포함한다.
마지막으로, 일단 유기 쉘의 두 번째 층이 형성되면, 마지막 단계는 두 번째 층에 포함된 상기 폴리머와 두 번째 층에 존재하는 수용성 기를 노출시키기 위해 적합한 시약과 반응시키는 단계를 포함한다. 예를 들어, 이용되는 폴리머가 에스테르 결합을 포함하는 경우(두 번째 층의 형성을 간섭하는 카르복실기를 보호하기 위함), 상기 에스테르는 상기 나노크리스탈에 알칼리성 용액(예컨대, 소듐 하이드록사이드)을 첨가함으로써 가수분해될 수 있다. 이렇게 하는 것은 상기 두 번째 층의 카르복실기를 상기 용액에 방출될 수 있도록 하여, 수용성을 부여하기 위한 것이다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 본 발명은 추가적으로 주어진 분석물에 대하여 결합 친화력을 가지는 분자에 컨쥬게이트 되는 나노크리스탈에 관한 것이다. 상기 나노크리스탈을 주어진 분석물에 결합 친화력을 가지는 분자에 컨쥬게이팅 함으로써, 마커 화합물 또는 프로브가 형성된다. 상기 프로브에서, 본 발명의 나노크리스탈은 분석물의 검출을 위해 사용될 수 있도록, 예컨대, 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역 내 또는 적외선 영역 근처의 방사선을 방출하는 라벨 또는 태그의 역할을 한다.
원칙적으로, 최소한 어느 정도 분석물에 특이적으로 결합할 수 있는 특이적 결합 파트너 때문에 모든 분석물은 검출될 수 있다. 상기 분석물은 약제와 같은 화학적 화합물(예컨대, 아스피린? 또는 리바비린), 또는 단백질(예컨대, 트로포닌 또는 세포 표면 단백질에 특이적인 항체) 또는 핵산분자와 같은 생화학 분자일 수 있다. 리바비린과 같이, 목적 분석물에 대하여 결합 친화력을 가지는 적절한 분자(이는 또한 분석물 결합 파트너로 부름)에 결합될 때, 그 결과로서 생기는 프로브는 환자의 혈장에 존재하는 약제의 정도를 모니터링하기 위한 형광 면역분석에서 표본으로 이용될 수 있다. 심근의 손실에 대한 마커 단백질이고, 일반적으로 심장병에 대한 마커 단백질인 트로포닌의 경우에 항-트로포닌 항체 및 본 발명의 나노크리스탈을 함유하는 컨쥬게이트는 심장병의 진단에 사용될 수 있다. 본 발명의 나노크리스탈과 종양 관련 세포 표면 단백질에 특이적인 항체와의 컨쥬게이트의 경우에, 상기 컨쥬게이트는 종양 진단 또는 영상화에 이용될 수 있다. 다른 예는 상기 나노크리스탈과 스트렙타비딘의 컨쥬게이트이다.
또한, 상기 분석물은 바이러스 입자, 크로모좀 또는 전체 세포를 포함하나 이에 한정되지 않은 복잡한 생물학적 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 분석물 결합 파트너가 세포막에 결합하는 지질인 경우, 상기 지질에 결합된 본 발명의 나노크리스탈을 포함하는 컨쥬게이트는 전체 세포의 검출 및 시각화에 이용될 수 있다. 세포 염색 또는 세포 영상화와 같은 목적으로, 가시광선을 방출하는 나노크리스탈은 바람직하게 사용된다. 상술한 바와 같이, 분석물 결합 파트너에 컨쥬게이트된 본 발명의 나노입자를 포함하는 마커 화합물의 사용에 의해 검출될 분석물은 바람직하게는 생분자이다.
따라서, 보다 바람직한 구현예에서, 상기 분석물에 대한 결합 친화력을 가지는 상기 분자는 단백질, 펩타이드, 면역원성 햅텐의 특성을 가지는 화합물, 핵산, 탄수화물 또는 유기분자이다. 분석물 결합 파트너로서 이용되는 상기 단백질은 예컨대, 항체, 항체 단편, 리간드, 아비딘, 스트렙타비딘 또는 효소일 수 있다. 유기분자의 예는 바이오틴, 디곡시제닌, 세로트로닌, 포레이트 유도체, 항원, 펩타이드, 단백질, 핵산 및 효소 등과 같은 화합물이다. 핵산은 DNA, RNA 또는 PNA 분자, 10 내지 50 bp의 짧은 올리고뉴클레오타이드 뿐만 아니라 보다 긴 핵산으로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
생분자의 검출에 사용되는 경우, 본 발명의 나노크리스탈은 숙주 분자의 표면 노출된 그룹을 매개로하여 결합 활성을 가지는 상기 분자에 컨쥬게이트 될 수 있다. 이러한 목적으로, 아민, 하이드록실 또는 카르복실에이트기와 같은 상기 폴리머 상의 표면 노출된 작용기는 결합제와 반응될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 결합제는 어떤 생물학적 타깃에 대한 결합 친화력을 가지는 분자에 본 발명의 나노크리스탈을 결합할 수 있는 화합물을 의미한다. 나노크리스탈을 상기 분석물 결합 파트너에 컨쥬게이트하는데 사용될 수 있는 결합제의 예는 에틸-3-디메틸아미노카보디이미드 또는 당업자에게 알려진 다른 적절한 결합 화합물과 같은 (두개의 작용기를 가지는) 결합제이다. 적절한 결합제의 예는 N-(3-아미노프로필)3-머캡토-벤즈아미드, 3-아미노프로필-트리메톡시실란, 3-머캡토프로필-트리메톡시실란, 3-(트리메톡시시릴)프로필-말레이미드 및 3-(트리메톡시시릴)프로필-히드라지드이다. 또한, 상기 폴리머 코팅은 의도된 결합 친화력 또는 분석물 결합 파트너를 가지는 선택된 분자에 결합되는 적합한 결합제와 컨쥬게이트 될 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리머 코팅이 사이클로덱스트린 부분을 포함하는 경우, 이용될 수 있는 적절한 결합제는 페로센 유도체, 아다만탄 화합물, 폴리옥시에틸렌 화합물, 관심 분자와 공유 결합을 형성하기 위하여 적합한 반응기를 가지는 모든 방향족 화합물을 포함할 수 있나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 본 명세서에서 정의된 최소 한 형태의 나노크리스탈을 포함하는 조성물을 제공한다. 상기 나노크리스탈은 플라스틱 비드, 마그네틱 비드 또는 라텍스 비드에 삽입될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 정의된 나노크리스탈을 포함하는 검출 키트도 본 발명의 일부이다.
본 발명은 다음의 제한되지 않은 실시예 및 첨부된 도면에 의해서 보다 상세히 설명된다:
도 1a는 본 발명의 수용성 나노크리스탈의 일반도를 나타내고, 도 1b는 캡핑 시약으로 아미노 에틸티올을 포함하는 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 결합된 첫 번째 층 및 두 번째 층을 형성하기 위하여 이용되는 폴리아세틸산 폴리머를 보다 상세하게 나타낸다(참조: 도 3). 도 1b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 나 노크리스탈은 상기 캡핑 시약 결합기의 최소 하나(이웃하는)의 분자와 상기 폴리머 결합 부분의 하나의 분자간의 공유결합으로 형성된 경계 영역을 포함하여, 그 결과 상기 캡핑 시약의 결합기와 상기 폴리머의 결합 부분간의 공유 결합은 상기 캡핑 시약 분자와 함께 가교 결합의 역할을 한다.
도 2a-2b는 쉘의 두 번째 층을 형성하기 위하여 폴리아세틸산 폴리머를 이용하는 결합에 의해 형성된, 폴리아미드 폴리머 쉘에 둘러싸여진 수용성 나노크리스탈을 합성하는 방법을 나타내는 개략도이다. 사용된 상기 캡핑 시약은 아미노 에틸티올이다. 상기 예에서, 상기 폴리아미드 폴리머 쉘은 또한 노출된 카르복실산기를 포함한다.
도 3a-3b는 쉘의 두 번째 층을 형성하기 위하여 폴리아민 폴리머를 이용하는 결합에 의해 형성된, 폴리아미드 폴리머 쉘에 둘러싸여진 수용성 나노크리스탈을 합성하는 방법을 나타내는 개략도이다. 이용된 상기 캡핑 시약은 카르복실 에틸티올이다. 상기 예에서, 상기 폴리아미드 폴리머 쉘은 노출된 아미노기를 포함한다.
도 4는 머캡토프로피온산(MCA) 또는 아미노에탄티올(AET)만으로 캡핑된 (CdSe)-ZnS 코어 쉘 나노크리스탈과 비교하여 화학적 산화에 대하여 폴리머로 쉘이 형성된 본 발명 나노크리스탈의 안정성을 나타낸다.
실시예 1: 수용액에서 폴리머로 결합된 수용성 나노크리스탈의 제조
우선, 다음의 과정에 따라 TOPO 캡핑된 나노크리스탈을 제조하였다.
트리옥틸포스핀 옥사이드(TOPO)(3O g)를 플라스크에 넣고 1 시간동안 180℃에서 진공(~ 1 Torr) 하에 건조시켰다. 이어, 상기 플라스크를 질소로 채우고 350 ℃까지 가열하였다. 불활성 대기(드라이 박스)에서, 다음의 주입 용액을 준비하였다: CdMe2 (0.35 ml), 1 M 트리옥틸포스핀-Se(TOPSe) 용액(4.0 ml) 및 트리옥틸포스핀(TOP)(16 ml). 상기 주입 용액을 완전히 혼합하고, 시린지(syringe)에 로딩하며, 드라이 박스로부터 제거하였다.
반응으로부터 열을 제거하고 상기 반응 혼합물을 한번의 연속적인 주입으로 격렬하게 교반하는 TOPO로 옮겼다. 열이 상기 반응 플라스크에 모여 온도는 점차적으로 260-280℃ 까지 상승하였다. 반응 후, 상기 반응 플라스크를 ~ 60℃까지 냉각하고, 20 ml의 부탄올을 상기 TOPO의 고체화를 방지하기 위해 첨가하였다. 과잉의 메탄올의 첨가는 입자의 응집을 야기한다. 응집물은 원심분리에 의해 상층액으로부터 분리하였다; 결과적으로 생기는 분말은 육안으로 투명한 용액을 만들기 위해서 다양한 유기 용매에서 분산시킬 수 있다.
5 g 의 TOPO을 포함하는 플라스크를 몇 시간 동안 진공 하에서 190℃까지 가열하고 0.5 ml 트리옥틸포스핀(TOP)을 첨가한 후 60℃까지 냉각 하였다. 헥산에서 분산된 약 0.1-0.4 μmol의 CdSe 점을 시린지를 이용하여 반응 용기로 옮겼고 용매는 펌핑으로 제거하였다. 디에틸 징크(ZnEt2) 및 헥사메틸디실라티안((TMS)2S)을 각각, Zn 및 S 전구체로서 사용하였다. 상기 전구체의 등 몰량을 불활성 글로브 박스 내부의 2-4 ml TOP에서 용해하였다. 상기 전구체 용액을 시린지에 로딩하고 반응 플라스크에 결합된 보충 깔때기로 옮겼다. 상기 첨가가 모두 끝난 후, 상기 혼합물은 90℃까지 냉각하고 몇 시간동안 교반하였다. 실온까지 냉각할 때 상기 TOPO가 고체화되는 것을 방지하기 위해 부탄올을 상기 혼합물에 첨가하였다.
그 다음 과량의 아미노에틸티올과 함께, TOPO 코팅 양자 점을 클로로포름에서 용해하였다(참조: 도 2의 1 단계). 상기 혼합물을 2 시간 동안 초음파 처리하고, 그 다음 침전 형성이 모두 완료될 때 까지 실온에서 보관하였다. 수득된 고체는 몇 번 클로로포름으로 세척하고 원심분리로 수집하였다. 그 다음 상기 아미노 캡핑된 양자 점을 pH 8의 완충 용액에서 용해하고 상기 캡핑 시약의 결합기를 활성화하기 위하여 결합제로서 존재하는 EDC 및 술포-NHS와 함께, 폴리(아크릴산) 폴리머 용액(평균 분자량: GPC로 측정된 2,000)으로 적상 첨가하며, 실온에서 30분 동안 교반하였다(참조: 도 2의 2 및 3 단계).
우선 상기 반응 혼합물을 0℃에서 4시간 동안 교반하고 그 다음 실온에서 하룻 밤 동안 반응하도록 두었다. 상기 수득된 용액을 하룻밤 동안 투석하고 질소로 가스를 제거한 후 보관하였다. 우선 상기 반응용액을 에테르로 두 번 세척하고 산성(pH는 약 4-5로 조정) 폴리머 코팅 나노크리스탈 용액을 원심분리 함으로써 추가적 정제를 실시하였다. 상기 수집된 나노크리스탈은 이어 pH 값(7-8 까지)의 조정에 의해 물에서 재용해 하였다.
본 발명의 폴리머 쉘 나노크리스탈의 물리-화학적 특성을 다음과 같이 머캡 토프로피온산(MCA) 또는 아미노에탄티올(AET)만으로 캡핑된 (CdSe)-ZnS 코어 쉘 나노크리스탈과 비교하였다: 상기 나노크리스탈의 수용액에, H2O2를 최종 농도 0.15 mol/L 로 첨가하고 화학적 거동을 분광광도법으로 분석하였다(도 4). MCA 또는 AET 만으로 코팅된 상기 나노크리스탈의 경우, 상기 나노크스탈의 산화가 즉시 검출되었고 30분 내로 상기 나노크리스탈은 침전되었다. 반대로, 상기 쉘이 형성된 본 발명의 나노크리스탈은 천천히 발생한 화학적 산화에 대하여 상당히 안정하였다.
실시예 2: 유기용액에서 폴리머를 결합한 수용성 나노크리스탈의 제조
TOPO 캡핑 나노크리스탈을 실시예 1과 같이 준비하고 과잉의 3-머캡토프로피온산과 함께, 클로로포름에서 용해하였다(참조: 도 4, 1 단계). 우선 상기 혼합물을 약 1시간 동안 소니케이팅하고 용액에서 과량의 침전이 형성될 때 까지 실온에 두었다. 원심분리에 의해 상기 침전물을 수집하고 몇 번 아세톤으로 세척하여 프리(free) 3-머캡토프로피온산을 제거하였다. 상기 수득된 3-머캡토프로피온산 캡핑 양자 점을 아르곤 가스로 짧게 건조하고 이어 무수 DMF에서 용해하였다. 상기 용액에, 상기 캡핑 시약 및 상기 폴리머 간의 공유 결합 경계를 활성화하고 연속적 형성을 위해 과잉의 EDC 및 NHS을 첨가하고 약 30분 동안 실온에서 교반하였다(참조: 도 4, 2 단계). 보충 깔때기로부터, 무수 DMF에 용해된, 분자량 1200(분자량 400 내지 60,000은 일반적으로 안정함)을 가지는 폴리에틸렌이 민(Sigma-Aldrich Pte Ltd)을 격렬한 교반을 하면서 적상으로 첨가하였다. 상기 폴리에틸렌이민 용액을 첨가한 후, 상기 폴리머 두 번째 층을 상기 캡핑 시약에 결합하기 위해 반응을 실온에서 하룻밤 동안 계속하였다(참조: 도 4, 3 단계). 그 다음, 감압 하에서 회전 증발기로 상기 DMF 용매를 제거하고 물에서 용해하였다. 상기 폴리머 코팅 양자 점의 추가적 정제는 에테르로 두 번 세척함으로써 실시하였다.

Claims (63)

  1. 다음을 포함하는 수용성 나노크리스탈:
    원소 주기율표(PSE)의 Ib 족, IIb 족, IVb 족, Vb 족, VIb 족, VIIb 족, VIIIb 족, II 족, III 족 또는 IV 족 원소로부터 선택되는 최소 하나의 금속 M1을 포함하는 나노크리스탈 코어, 및
    상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘, 상기 쉘은 다음을 포함한다:
    상기 나노크리스탈 코어의 표면에 부착된 캡핑 시약을 포함하는 첫 번째 층, 상기 캡핑시약은 최소 하나의 결합기를 가지고,
    상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 공유적으로 결합된 최소 하나의 결합 부분을 가지는 폴리머를 포함하는 두 번째 층.
  2. 다음을 포함하는 수용성 나노크리스탈:
    원소 주기율표(PSE)의 II 족, VIIA 족, VIIIA 족, IB 족, IIB 족, III 족 또는 IV 족 원소로부터 선택되는 최소 하나의 금속 M1, 및 상기 PSE의 V 족 또는 VI 족으로부터 선택되는 최소 하나의 원소 A를 포함하는 나노크리스탈 코어, 및
    상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘, 상기 쉘은 다음을 포함한다:
    상기 나노크리스탈 코어의 표면에 부착된 캡핑 시약을 포함하는 첫 번째 층, 상기 캡핑시약은 최소 하나의 결합기를 가진다, 그리고
    상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 공유적으로 결합된 최소 하나의 결합 부분을 가지는 폴리머를 포함하는 두 번째 층.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 캡핑 시약은 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 친화력을 가지는 말단기를 포함하는 것을 특징으로 나노크리스탈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡핑 시약은 소수성 영역에 의해 상기 말단기로부터 떨어져서 위치하는 최소 하나의 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 결합기 각각은 아미노, 하이드록실, 카르보닐, 카르복실, 니트릴, 이소시아네이트 및 할라이드기로 구성된 군으로부터 선택되는 작용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡핑 시약은 다음의 화학식 (I)을 가지는 분자인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈:
    화학식 I
    Figure 112007087371467-PCT00009
    상기 X는 S, N, P, 또는 O=P 으로부터 선택되는 말단기이고,
    Ra는 최소 두개의 주 사슬 탄소 원자를 포함하는 부분이며,
    Y는 N, C, -COO-, 또는 -CH2O- 로부터 선택되고,
    Z는 극성 작용기를 포함하는 부분이며,
    k는 O 또는 1이고,
    n은 0 내지 3의 정수이며,
    n'은 0 내지 2의 정수이고, 상기 n'은 Y의 원자가 요건을 만족시키도록 선택되며,
    m은 0 내지 2의 정수이다.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 Ra 부분은 2-50개의 주 사슬 원자를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 Ra는 알킬, 알케닐, 알콕시 및 아릴기로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 Ra는 각각 독립적으로 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 사이클로펜틸, 사이클로헥실, 사이클로-옥틸, 에톡시 및 벤질기로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Z는 아미노, 하이드록시, 카르보닐, 카르복실, 니트릴, 이소시아네이트 및 할라이드기로 구성된 군으로부터 선택되는 작용기인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 Z는 2-50개의 주 사슬 원자를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 Z는 아미드 또는 에스테르 결합을 추가적으로 포함 하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡핑 시약은 다음 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈:
    Figure 112007087371467-PCT00010
    HS-(CH2)n-COOH, n=6-11
    Figure 112007087371467-PCT00011
  14. 제 4 항에 있어서, 상기 캡핑 시약의 결합기는 중합 가능한 불포화 탄소-탄소 결합을 포함하는 것을 특징으로 나노크리스탈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 캡핑 시약은 ω-티올기 말단 메틸 메타크릴에이트, 2-부텐티올, (Ε)-2-부텐-1-티올, S-(Ε)-2-부테닐 티오아세테이트, S-3-메틸부테닐 티오아세테이트, 2-퀴놀린메탄티올 및 S-2-퀴놀린메틸 티오아세테이트로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  16. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 다음 화학식 (III)을 가지는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈:
    화학식 III
    Figure 112007087371467-PCT00012
    상기 J는 상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 결합 부분이고,
    m은 최소 1의 정수이다.
  17. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 최소 두개의 결합 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 폴리머는 다음 화학식 (IV)를 가지는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈:
    화학식 IV
    Figure 112007087371467-PCT00013
    상기 J 및 K는 결합 부분이고, 동일하거나 다르며,
    m 및 n은 각각 최소 1의 정수이다.
  19. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 최소 세 개의 결합 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 폴리머는 다음 화학식 (V)를 가지는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈:
    화학식 V
    Figure 112007087371467-PCT00014
    상기 J, K 및 L은 결합 부분이고, 동일하거나 다르며,
    m, n 및 p는 각각 최소 1의 정수이다.
  21. 제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합 부분 J, K 또는 L 중 최소 하나는 수용성 쉘에 수용성을 부여하는 친수성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  22. 제 17 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 수용성 쉘에 수용성을 부여하는 친수성기를 가지는 최소 하나의 부분을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  23. 제 17 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합 부분 J, K 및 L 은 각각 아미노, 하이드록실, 카르보닐, 카르복실, 니트릴, 이소시아네이트 및 할라이드기로 구성된 군으로부터 선택되는 작용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 폴리머의 결합 부분은 동종작용기인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리아민, 폴리카르복실산 및 폴리비닐 알코올로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  26. 제 18 항에 있어서, 상기 폴리머는 이중 블록 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 이중 블록 공중합체는 폴리(아크릴산-b-메틸 메타크릴에이트), 폴리(메틸 메타크릴에이트-b-소듐 아크릴에이트), 폴리(t-부틸 메타크릴에이트-b-에틸렌 옥사이드), 폴리(메틸 메타크릴에이트-b-소듐 메타크릴에이트) 및 폴리(메틸 메타크릴에이트-b-N,N-디메틸 아크릴아미드)로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  28. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리(아세틸렌), 폴리아크릴산 및 폴리에틸렌이민을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머의 분자량은 약 2,000 내지 약 750,000인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  30. 제 2 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노크리스탈은 코어-쉘 나노크리스탈인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 금속은 Zn, Cd, Hg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag 및 Au로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서, 상기 원소 A는 S, Se 및 Te로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 나노크리스탈은 CdS, CdSe, MgTe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe 및 HgTe로 구성된 군으로부터 선택되는 코어 쉘 나노크리스탈인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  34. 제 2 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노크리스탈은 조성 M11 -x-M2XA를 가지는 균일 삼원 합금을 포함하고,
    여기에서
    a) A가 상기 PSE의 VI 족 원소를 나타내는 경우, 상기 M1 및 M2는 각각 독립적으로 원소 주기율표(PSE)의 IIb-VIB, IIIB-VB 또는 IVB 족, II 족 또는 III 족 원소로부터 선택되며, 또는
    b) A가 상기 PSE의 (V) 족 원소를 나타내는 경우, M1 및 M2는 모두 상기 PSE의 (III) 족 원소로부터 선택되고,
    다음의 단계를 포함하는 공정에 의해 수득할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈:
    ⅰ) 적합한 온도 T1에서 나노크리스탈의 생성에 적합한 형태로 원소 M1을 포함하는 반응 혼합물을 가열하고, 상기 온도에서 나노크리스탈의 생성에 적합한 형태로 원소 A를 첨가하며, 이원 나노크리스탈 M1A를 형성하기에 적합한 온도에서 충분한 시간동안 반응혼합물을 가열한 다음 상기 반응 혼합물을 냉각하여 이원 나노크리스탈 M1A를 형성하는 단계, 및
    ⅱ) 상기 형성된 이원 나노크리스탈 M1A를 침전하거나 분리하는 과정 없이, 상기 반응 혼합물을 적합한 온도 T2에서 재가열하고, 나노크리스탈의 생성에 적합한 형태로 상기 원소 M2의 충분한 양을 상기 온도에서 상기 반응 혼합물에 첨 가하며, 그 다음 상기 삼원 나노크리스탈 M11 - XM2XA를 형성하기에 적합한 온도에서 충분한 시간 동안 상기 반응 혼합물을 가열한 다음 상기 반응 혼합물을 실온에서 냉각하고, 삼원 나노크리스탈 M11 - XM2XA를 분리하는 단계.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 x는 0.001 < x < 0.999인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  36. 제 34 항 또는 제 35 항에 있어서, 상기 x는 0.01 < x < 0.99인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  37. 제 34 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 x는 0.5 < x < 0.95인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  38. 제 34 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원소 M1 및 M2는 각각 독립적으로 Zn, Cd, Hg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag 및 Au로 구성된 군으로부터 선 택되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  39. 제 34 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원소 A는 S, Se 및 Te로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  40. 제 28 항 또는 제 39 항에 있어서, 상기 나노크리스탈은 조성 ZnxCd1 - xSe 또는 ZnxCd1 - xS를 가지는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  41. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 쉘의 두 번째 층에 컨쥬게이트 되는 분석물에 대해 결합 친화력을 가지는 분자를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  42. 제 41 항에 있어서, 분석물에 대해 결합 친화력을 가지는 상기 분자는 단백질, 펩타이드, 면역원성 햅텐의 특징을 가지는 화합물, 핵산, 탄수화물 또는 유기분자인 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  43. 제 41 항에 있어서, 상기 나노크리스탈은 공유결합제를 매개로 하여 분석물에 대한 결합 친화력을 가지는 상기 분자에 컨쥬게이트 되는 것을 특징으로 하는 나노크리스탈.
  44. 분석물을 검출하기 위한 상기 청구항 중 어느 한 항에 기재된 나노크리스탈의 용도.
  45. 다음의 단계를 포함하는 수용성 나노크리스탈의 제조방법:
    원소 주기율표(PSE)의 Ib 족, IIb 족, IVb 족, Vb 족, VIb 족, VIIb 족, VIIIb 족, II 족, III 족 또는 IV 족 원소로부터 선택된 최소 하나의 금속 M1을 포함하는 나노크리스탈 코어를 제공하는 단계,
    상기 나노크리스탈 코어와 캡핑 시약을 반응시켜, 상기 캡핑 시약을 상기 나노크리스탈 코어의 표면에 결합시켜 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 첫 번째 층을 형성하는 단계,
    그리고
    상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 최소 하나의 결합 부분을 가지는 폴리머와 상기 캡핑 시약을 결합시켜, 상기 첫 번째 층에 공유 결합된 두 번째 층을 형성하고 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘을 형성하는 단계.
  46. 다음의 단계를 포함하는 수용성 나노크리스탈 제조 방법:
    원소 주기율표(PSE)의 IIB-VIB 족, IIIB-VB 족 또는 IVB 족, II 족 또는 III 족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 최소 하나의 금속 M1, 및 상기 원소 주기율표의 V 족 또는 VI 족 원소로부터 선택되는 최소 하나의 원소 A를 포함하는 나노크리스탈 코어를 제공하는 단계,
    상기 나노크리스탈 코어와 캡핑 시약을 반응시켜, 상기 캡핑 시약을 나노크리스탈 코어의 표면에 결합시켜 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 첫 번째 층을 형성하는 단계,
    그리고
    상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 최소 하나의 결합 부분을 가지는 폴리머와 상기 캡핑 시약을 결합시켜, 상기 첫 번째 층에 공유 결합된 두 번째 층을 형성하고 상기 나노크리스탈 코어를 둘러싸는 수용성 쉘을 형성하는 단계.
  47. 제 45 항 또는 제 46 항에 있어서, 상기 캡핑 시약은 친수성인 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제 45 항 또는 제 46 항에 있어서, 상기 캡핑 시약은 소수성인 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제 45 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡핑 시약에 존재하는 각 결합기는 아미노, 하이드록실, 카르보닐, 카르복실, 니트릴, 이소시아네이트 및 할라이드기로부터 선택되는 작용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제 45 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡핑 시약은 하기 화학식 (I)을 가지는 것을 특징으로 하는 방법:
    화학식 I
    Figure 112007087371467-PCT00015
    상기 X는 S, N, P, 또는 O=P로부터 선택되는 말단기 이고,
    Ra는 최소 두개의 주 사슬 탄소원자를 포함하는 부분이며,
    Y는 N, C, -COO- 또는 -CH2O-로부터 선택되고,
    Z는 극성 작용기를 포함하는 부분이며,
    k는 0 또는 1이고,
    n은 0 내지 3의 정수이며,
    n’는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n’은 Y의 원자가 요건을 만족시키기 위해 선택되며,
    m은 O 내지 2의 정수이다.
  51. 제 45 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡핑 시약은 다음의 화학식으로 표시되는 화합물로 구성된 군으로부터 선택되는 화합물인 것을 특징으로 하는 방법:
    Figure 112007087371467-PCT00016
    HS-(CH2)n-COOH, n=6-11
    Figure 112007087371467-PCT00017
  52. 제 45 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 캡핑 시약을 폴리머에 결합시키는 단계 이전에 상기 캡핑 시약의 결합기를 활성화시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제 52 항에 있어서, 상기 활성화 단계는 캡핑 시약의 첫 번째 층을 포함하는 나노크리스탈을 결합제와 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제 53 항에 있어서, 상기 결합제는 1-에틸-3-[3-디메틸아미노프로필]카보디이미드(EDC), 술포-N-하이드록시숙신이미드, N,N’-디사이클로헥실카보디이미드(DCC), N, N’- 디사이클로헥실 카보디이미드, N-(3-디메틸아미노프로필)-N’-에틸카보디이미드 및 N-하이드록시숙신이미드로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서, 상기 캡핑 시약과 폴리머를 결합시키는 단계는 상기 폴리머 및 상기 결합제를 첫 번째 층을 포함하는 나노크리스탈을 함유하는 용액에 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제 45 항 내지 제 55 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합은 수성 완충 용액에서 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 제 56 항에 있어서, 상기 수성 완충 용액은 인산 또는 암모늄 완충 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 제 45 항 내지 제 57 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합은 극성 유기 용매에서 실시되는 것을 특징으로 방법.
  59. 제 58 항에 있어서, 상기 유기 용매는 피리딘, DMF 및 클로로포름으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제 45 항 내지 제 59 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 하기 화학식 (III)을 가지는 것을 특징으로 하는 방법:
    화학식 III
    Figure 112007087371467-PCT00018
    상기 J는 상기 캡핑 시약의 최소 하나의 결합기에 대하여 반응하는 결합 부분이고,
    m은 최소 1의 정수이다.
  61. 제 45 항 내지 제 59 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 하기 화학식 (IV)을 가지는 것을 특징으로 하는 방법:
    화학식 IV
    Figure 112007087371467-PCT00019
    상기 J 및 K는 결합 부분이고, 동일하거나 다르며,
    m 및 n 각각은 최소 1의 정수이다.
  62. 제 45 항 내지 제 59 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 하기 화학식 (IV)을 가지는 것을 특징으로 하는 방법:
    화학식 IV
    Figure 112007087371467-PCT00020
    상기 J, K 및 L은 결합 부분이고, 동일하거나 다르며,
    m, n 및 p 각각은 최소 1의 정수이다.
  63. 제 45 항 내지 제 62 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 두 번째 층에 포함된 폴리머와 두 번째 층에 존재하는 수용성기를 노출시키기에 적합한 시약을 반응시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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