含有聚合涂覆剂的新型水溶性纳米晶及其制备方法

专利名称：含有聚合涂覆剂的新型水溶性纳米晶及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新型水溶性纳米晶及其制备方法。本发明还涉及这种纳 米晶在包括但不限于分析和生物医学应用的用途，例如在生物体外或生物体 内生物物质或生物过程的检验和/或造影，如在组织或细胞图象内。本发明还 涉及含有能用于检验诸如核酸、蛋白质或其它生物分子的分析物的这种纳米 晶的组合物和试剂盒。
背景技术：
由于半导体纳米晶(量子点(quantum dots))用于诸如发光装置(Colvin 等人，Nature 370, 354-357， 1994; Tessler等人，Science 295， 1506-1508， 2002)、 激光器(Klimov等人，Science 290， 314-317， 2000)、太阳能电池(Huynh等 人,Science 295, 2425-2427， 2002)、或者在如细胞生物学的生物化学研究领域 中的荧光生物标记物的许多技术中，因此已引起大量基础理论和技术兴趣。 例如，见Bruchez等人，Science, Vol. 281， 2013-2015, 2001; Chan & Nie, Science, Vol. 281, 2016-2018， 2001;美国专禾U 6207392, summarized in Klarreich, Nature, Vol. 43， 450-452， 2001;还见Mitchell, Nature Biotechnology, 1013-1017,2001以及美国专利6423551、 6306610和6326144。
开发用于生物学试验的灵敏非同位素检测系统己经很大地影响了许多 研究和诊断领域，例如DNA序列、临床诊断试验以及基本细胞和分子生物 学实验指南。当前的非同位素检测方法主要基于经过变色，或者是荧光的、 发光的有机报道分子。分子的荧光标记是生物学中的标准技术。标记物通常 是引起广谱特征、短寿命、光致漂白和对细胞潜在毒性的通常问题的有机染 料。最近出现的量子点技术对于使坷无机复合物或颗粒开发荧光标记物孕育了新的时代。这些材料提供了超过有机染料的实质的优点，包括Stocks偏移、
更长的发射半衰期、窄的发射峰和最小的光致漂白(参见上述引用的参考文 献)。
过去的十年，在多种半导体纳米晶的合成和表征上已有很多的进步。最
近的进展导致大规模地制备相关的单分散量子点。(Murray等人，J. Am. Chem. Soc.， 115， 8706-15, 1993; Bowen Katari等人，J. Phys. Chem. 98， 4109-17, 1994; Hines等人，J. Phys. Chem. 100,468-71 ，1996; Dabbousi等人，J. Phys. Chem. 101,9463-9475,1997。)
在发光量子点技术屮的进--步进展使得量子点的荧光效率和稳定性的 增强。量子点的不同寻常的发光性质由量子的尺寸限制而产生，当金属和半 导体核颗粒比它们的激发Bohr半径更小，约l-5nm时，产生量子的尺寸限 制。(Alivisatos， Science, 271, 933-37， 1996; Alivisatos， J. Phys. Chem. 100， 13226-39， 1996; Brus， Appl Phys., A53,465-74, 1991; Wilson等人，Science, 262， 1242-46,1993。)最近的工作显示，通过用较高能带隙的无机材料外壳封闭尺 寸可调的较低能带隙的核颗粒可以获得改进的发光。例如，用ZnS层钝化的 CdSe量子点在室温下发出强光，并且通过改变它们的颗粒尺寸可以调整它 们的发射波长从蓝光至红光。另外，ZnS封闭层钝化了表面非辐射重组位置 并导致了量子点更大的稳定性。(Dabbousi等人,J. Phys. Chem. B101, 9463-75， 1997. Kortan,等人，J. Am. Chem. Soc. 112， 1327-1332， 1990。)
尽管在发光量子点技术中有进步，但由于常规的封闭层发光量子点不溶 于水因此不适合于生物应用。
为了克服这个问题，使用水溶性部分来代替量子点的有机钝化层。然而， 所得到的量子点发光不强(Zhong等人,J. Am. Chem. Soc. 125, 8589， 2003)。短 链的硫醇如2-巯基乙醇和l-硫甘油也已用于制备水溶性CdTe纳米晶的稳定 剂(Rogach等人，Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 100, 1772, 1996; Rajh等人，J.Phys.Chem. 97， 11999,1993)。在另一种方法中，Coffer等人描述了脱氧核糖 核酸(DNA)作为水溶性封闭化合物(capping compound)的用途(Coffer， 等人，Nanotechnology3,69， 1992)。在所有这些体系中，涂覆的纳米晶不稳定 并且光致发光性质随时间而下降。
在进一步的研究中，Spanhd等人公开了一种Cd(OH)2封闭的CdS溶胶 (Spanhel等人，J.Am.Chem.Soc. 109,5649,1987)。然而，胶体纳米晶仅可以 在很窄的pH范围(pH 8-10)制备，并在pH大于10时显示出很窄的荧光带。 这种pH依赖性大大地限制了材料的有用性，特别是，它不适合用于生物体 系。
PCT公开WO 00/17656公开了为了使纳米晶可溶于水分别用羧酸或式 SH(CH2)n-COOH和SH(CH2)n-S03H的磺酸化合物封闭的核-壳纳米晶。同样， PCT公开WO 00/29617和英国专利申请GB 2342651描述了将诸如巯基乙酸 或巯基十一垸酸的有机酸附着到纳米晶的表面使它们可溶于水，并适合于诸 如蛋白质或核酸的生物分子的结合。GB 2342651还描述了三辛基膦作为封 闭材料的用途，设想该封闭材料使纳米晶具有水溶性。
PCT公开WO 00/27365教导了另一种方法，它报导了二氨基羧酸作为 水溶化剂的用途。在此PCT公开中，通过--价的封闭化合物将二氨基酸链 接到纳米晶核上。
PCT公开文本WO 00/17655公开了通过使用具有亲水部分和疏水部分 的溶化剂而具有水溶性的纳米晶。溶化剂通过疏水基团附着到纳米晶上，由 此诸如羧酸或甲基丙烯酸的亲水基团提供了水溶性。
此外，PCT公开(WO02/073155)描述了水溶性半导体纳米晶，其中，将 诸如三辛基氧化膦羟肟酸盐、羟肟酸的衍生物或者如乙二胺的多齿络合物的 各种分子直接附着到纳米晶的表面使纳米晶具有水溶性。然后这些纳米晶可 以通过EDC链接到蛋白质上。在另--种方法中，PCT公开WO 00/58731公
开了用于化验血细胞群的纳米晶，其中将分子量为约3000至3000000的氨 衍生的多糖链接到纳米晶上。
美国专利US 6699723公开了硅垸基化合物作为链接剂以促进诸如生物 素和抗生蛋白链菌素的生物分子附着到发光的纳米晶探针的用途。美国专利 申请NO.2004/0072373A1描述了一种使用硅烷基化合物的生化标记的方法。 将硅烷链接的纳米颗粒通过分子印记结合到模板分子上，然后被聚合形成基 质。其后，将该模板分子从基质中除去。由于除去了模板分子而在基质中产 生的孔洞具有可用于标记的性质。
最近，报导了合成聚合物稳定水溶性纳米晶的用途。美国专利申请 No,2004/0115817A1描述了两性的、二嵌段的聚合物通过疏水作用可以被非 共价地结合到纳米晶上，该纳米晶的表面被诸如三辛基膦或三辛基氧化膦的 试剂包覆。同样，Gao等人(Nature Biotechnology, Vol. 22, 969-976， August 2004) 公开了水溶性半导体纳米晶，该纳米晶通过非共价疏水作用使用两性的、三 嵌段共聚物封装。
尽管有这些发展，但仍遗留下需要能用于生物化验检测目的的发光纳米 晶。在此方面，希望有能以保持生物分子生物反应性的方式附着到生物分子 上的纳米晶。另外，希望有能在水性介质中作为稳定的浓的悬浮液或溶液被 制备并储存的水溶性半导体纳米晶。最终，这些水溶性纳米晶量子点应该能 具有高量子效率的能量发射，并应该具有窄的颗粒尺寸。

发明内容
因此，本发明的目的是提供满足上述需要的纳米晶。 通过纳米晶和制备具有各独立权利要求特征的纳米晶的方法来解决该 目的。
在一个方面，本发明指向一种水溶性纳米晶，该纳米晶包括
纳米晶核，该纳米晶核含有选自元素周期系(PSE)的第Ib副族、lib 副族、IVb副族、Vb副族、Vlb副族、VIIb副族、VIIIb副族、II主族、III 主族或IV主族元素中的至少-'种金属M1，和
包围纳米晶核的水溶性壳，所述壳包括
第一层，该第一层含有附着到纳米晶核的表面上的封闭剂(capping reagent),所述封闭剂具有至少--个偶合基团(coupling group),
和第二层，该第二层含有具有至少一个共价偶合到所述封闭剂的至少一 个偶合基团上的偶合部分的聚合物。
采用包括以下的方法获得水溶性纳米晶
将上述定义的纳米晶核与封闭剂反应，由此将该封闭剂附着到纳米晶核 的表面并形成包围纳米晶核的第一层， 和
将所述封闭剂与具有至少一个偶合部分的聚合物偶合，所述偶合部分对 所述封闭剂的至少一个偶合基团具有反应性，由此形成共价偶合到所述第--层的第二层并完成包围纳米晶核的水溶性壳的形成。
在另一方面，本发明指向--种水溶性纳米晶，该纳米晶包括
纳米晶核，该纳米晶核含有选自元素周期系(PSE)的第II主族、VIIA 副族、VIIIA副族、IB副族、IIB副族、III主族或IV主族的至少一种金属 Ml，以及选自PSE的第V主族或VI主族的至少一个元素A，和
包围所述纳米晶核的水溶性壳，所述壳包括
第一层，该第一层含有附着到纳米晶核的表面的封闭剂，所述封闭剂具 有至少一个偶合基团，
和第二层，该第二层含有具有共价偶合到所述封闭剂的至少一个偶合基 团的至少一个偶合部分的聚合物。
所述水溶性纳米晶通过以下方法获得
将上述定义的纳米晶核与封闭剂反应，山此将该封闭剂附着到纳米晶核 的表面并形成包围纳米晶核的第一层，
和
将所述封闭剂与具有至少一个偶合部分的聚合物偶合，所述偶合部分对 所述封闭剂的至少一个偶合基团具有反应性，由此形成共价偶合到所述第一 层的第二层并完成包围纳米晶核的水溶性壳的形成。
传统的涂覆纳米晶的方法通常不包括在聚合物层和纳米晶间界面的共 价结合。在本发明中，两种小的单体或低分子量聚合物/低聚物(通常为具有 相当低分子量的聚合物)首先被用于封闭纳米晶表面(例如，形成金属-硫 或金属-氮键)以形成封闭剂层，也称作第一层。该第--层共价结合到纳米 晶核上。该步骤之后将聚合物(具有水溶性基团)在偶合剂存在下偶合到封 闭剂。在实施偶合步骤时，聚合物形成包围纳米晶核的第二层。聚合物可以 包括低聚物、聚合物或它们的混合物。 一旦该聚合物偶合到封闭剂上，则导 致形成含有通过水溶性壳(也见图l)包围的纳米晶核的水溶性纳米晶。
在另一方面，本发明指向制备具有上述定义的核的水溶性纳米晶的方 法，该方法包括
将上述定义的纳米晶核与封闭剂反应，由此将该封闭剂附着到纳米晶核 的表面并形成包围纳米晶核的第一层，
和
将所述封闭剂与具有至少一个偶合部分的聚合物偶合，所述偶合部分对 所述封闭剂的至少一个偶合基团具有反应性，由此形成共价偶合到所述第一 层的第二层并完成包围纳米晶核的水溶性壳的形成。
本发明基于水溶性纳米晶可以通过包围纳米晶的水溶性聚合物壳的形 成而有效地被稳定的发现。该壳包括共价结合到纳米晶核表面的第一层(含 有封闭剂)，以及共价偶合到第一层的第二层(含有聚合物的涂覆剂)，由此有效地涂覆了 (over-coating)第一层(因此作为涂覆剂)。发现以此方式合 成的聚合物壳使纳米晶停留在水性环境中相当长的时间而没有任何实质上 的发光损失。不希望被理论束缚，相信纳米晶改进的稳定性可以归因于聚合 物壳的保护功能。该壳起到降低纳米晶核与诸如可能存在的离子、自由基或 分子的反应性水溶性种类间接触的密封盒或保护屏障的作用。这有利于防止 纳米晶在水性环境中的聚集。考虑到以这样的做法，纳米晶保持互相电分离(electrically isolated),由此也延长了它的光致发光。另外，还相信聚合物 在纳米晶的表面引入了电荷。通过具有在纳米晶周围形成的水溶性聚合物 壳，与常规封闭的纳米晶相比聚合物壳不容易从纳米晶表面解吸附。这改进 了在水性环境中纳米晶的稳定性。在另一方面，由于小分子更容易从纳米晶 表面解吸附因此它们不合适，由此将纳米晶暴露到能通过壳来分散的离子种 类中，由此产生在水溶液中纳米晶的不稳定性。另一个优点是，由此形成的(聚合物)壳还可以通过附着合适的生物分子或分析物被有利地官能化，所 述生物分子或分析物可以促进识别非常多的诸如组织和有机靶的生物材料。 通过实现封闭剂和聚合物的不同组合以形成水溶性壳，本发明展现了通向具 有有利于广泛使用的改进的化学和物理性质的新种类的水溶性纳米晶的绝 好途径。
根据本发明，任何合适种类的纳米晶(量子点)都可具有水溶性，因此 只要纳米晶表面可以与封闭剂附着即可。在此上下文中，术语"纳米晶"和 "量子点"可以互换使用。
在一个实施方式中，合适的纳米晶具有含有一种金属的纳米晶核。为此 目的，Ml可以选自由元素周期系(PSE)的第II主族、VIIA副族、VIIIA 副族、IB副族、IIB副族、III主族或者IV主族元素组成的组中。因此，纳 米晶核可以仅由金属元素M1组成；以下所定义的非金属元素A或B不存在。 在此实施方式中，纳米晶仅由上述PSE的任何族的纯金属组成，例如金、银、铜(Ib副族)、钛(IVb副族)、铽(IIIb副族)、钴、铂、铑、钌(VIHb副 族)、铅(IV主族)或者它们的合金。当在下文中仅参考含有计数元素(counter element) A的纳米晶来说明本发明时，可以理解由纯金属或纯金属的混合物 组成的纳米晶也可以用于本发明。
在另一种实施方式中，用于本发明的纳米晶核可以含有两种元素。因此， 纳米晶核可以为含有两种金属元素M1和M2的二元纳米晶合金，例如由诸 如Zn、 Cd、 Hg、 Mg、 Mn、 Ga、 In、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Ag、 Au禾卩Au 的金属形成的任何公知的核-壳纳米晶。另一种适合于本发明的二元纳米晶 可以含有一种金属元素Ml，和选自PSE的第V主族或VI主族的至少一种 元素A。因此，目前适合使用的一种纳米晶具有式M1A。这种纳米晶的例 子可以为II-VI族的半导体纳米晶(即，含有第II主族或IIB副族中的金属 和第VI主族中的元素)，其中，核和/或壳(本文中所使用的术语"壳"不 同于由封装纳米晶的有机分子制成的聚合物"壳"并与该聚合物"壳"相区 分)包括CdS、 CdSe、 CdTe、 MgTe、 ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 HgS、 HgSe或者 HgTe。纳米晶核也可以为任何第III-V族的半导体纳米晶(即，含有第III 主族中的金属和第V主族中的元素的纳米晶)。该核和/或壳包括GaN、 GaP、 GaAs、 GaSb、 InN、 InP、 InAs、 InSb、 A1N、 A1P、 AlAs、 AlSb。可以用于 本发明的核壳纳米晶的具体例子包括但不限于，具有ZnS壳的(CdSe)-纳米 晶，以及具有ZnS壳的(CdS)-纳米晶。
本发明并不限于上述核-壳纳米晶的使用。在另一个实施方式中，本发 明的纳米晶可以具有由具有Ml^M2xA组成的均质三元合金组成的核，其 中，
a)当A表示PSE的第VI主族的元素吋，M1和M2独立地选自元素周 期系(PSE)的第IIb副族、VIIa副族、VIIIa副族、Ib副族或II主族的元素， 或者
b)当A表示PSE的(V)主族的元素时，M1和M2都选自PSE的(III) 主族的元素。
在另一个实施方式中，可以使用由均质四元合金组成的纳米晶。这种四 元合金具有Ml-xM2xAyB1-y的组成，其中，
a) 当A和B都表示PSE的第VI主族的元素时，Ml和M2独立地选自 元素周期系(PSE)的第IIb副族、VIIa副族、Villa副族、Ib副族或II主族 的元素，或者
b) 当A和B都表示PSE的第V主族的元素时，Ml和M2独立地选自 PSE的第III主族的元素。
这种均质三元或四元纳米晶的例子已经有描述，例如在Zhoiig等人，J. Am. Chem. Soc， 2003 125, 8598-8594，Zhong等人，J. Am. Chem. Soc, 2003 125: 13559-13553，或者国际专利申请WO2004/054923中。
作为用于上述式子中的标号Ml和M2在说明书全文中可以互换使用。 例如，含有Cd和Hg的合金可以各自分别表示成Ml或M2也可以M2和 Ml。同样，PSE的第V或VI族元素的标号A和B可以互换使用；因此在 本发明的四元合金中，Se或Te都可以被命名为元素A或B。
通过包括以下形成二元纳米晶MIA的方法来获得这样的三元纳米晶，
以适合于产生纳米晶的形式将含有元素M1的反应混合物加热至合适的 温度Tl，在此温度下以适合产生纳米晶的形式添加元素A,在适合形成所 述二元纳米晶MIA的温度下将反应混合物加热足够的时间，然后使反应混 合物冷却，并且
不沉淀或分离所形成的二元纳米晶M1A，再加热该反应混合物至合适 的温度T2，以适合于产生纳米晶的形式在此温度下将足够量的元素M2添加 到反应混合物中，然后在适合于形成所述三元纳米晶M1-XM2XA的温度下将 反应混合物加热足够的吋间，接着使反应混合物冷却至室温并分离该三元纳米晶Ml1-xVI2xA。
在这些三元纳米晶中，指数x的值为0.001<x<0.999，优选0.01<x<0.99、 0.1<x<0.9，或更优选0.5〈xO.95。在更优选的实施方式中，x的值可以为约 0.2或约0.3至约0.8或约0.9之间。在本文使用的四元纳米晶中，y的值为 0.001<y<0.999，优选为0.01<y<0.99，或更优选为0.1<y<0.95，或者为约0.2 至约0.8之间。
在II-VI三元纳米晶中，其中所含有的元素Ml和M2优选独立地选自 由Zn、 Cd和Hg组成的组中。在这些三元合金中PSE的第VI族的元素A 优选选自由S、 Se和Te组成的组中。因此，这些元素M1、 M2和A的所有 组合都在本发明的范围内。在优选的实施方式中，所使用的纳米晶具有 ZnxCdi.xSe、 ZnxCd^S、 ZnxCdNxTe、 HgxC山.xSe、 HgxCd卜xTe、 HgxCdkS、 ZnxHg"Se、 ZnxHgl_xTe和ZnxHgl_xS的组成。
在这些优选的实施方式屮，上述化学式中使用的x的值为0.10<x<0"0 或0.15〈x〈0.85，更优选0.2〈xO.8。在特别优选的实施方式中，纳米晶具有 ZnxCd,.xS和ZnxCd，.xSe的组成。优选x的值为0. 1(Xx0.95、更优选0.2<x<0.8 的这种纳米晶。
在纳米晶核由本发明的m-v纳米晶制成的某个实施方式中，各元素mi
和M2独立地选自Ga和In。元素A优选选自P、 As禾B Sb。这些元素M1、 M2和A的所有可能的组合都在本发明的范围内。在一些当前优选的实施方 式中，纳米晶具有Gaxln1-xP、 GaJn1-xAs和GaJn1-xAs的组成。
在本发明中，纳米晶核被包裹在含有2种主要成分的水溶性聚合物壳中。 水溶性壳的第一种成分是对纳米晶核表面具有亲合性并形成聚合物壳的第 一层的封闭剂。第二种成分是与封闭剂偶合并形成水溶性壳的第二层的聚合 物。
对纳米材料农面具有结合亲合性的各种小分子或大分子都可以用作形成第一层的封闭剂。优选的封闭剂为有机分子，并且所述有机分子具有，第 一，能共价结合到或固定在纳米晶核表面的至少一部分，以及第二，提供与 聚合物随后偶合的至少一个偶合基团。该偶合基团可以与存在于聚合物中的 偶合部分直接反应，或者它可以通过偶合剂要求激活，例如为了进行偶合反 应。这两部分的每部分都可以存在于封闭剂的分子的末端位置，或者沿着分 子主链的非末端位置。低分子量聚合物的例子包括富氨基或羧基的聚合物或 它们的混合物。
在-个实施方式中，封闭剂含有对纳米晶核的表面具有亲合性的一个部 分，所述部分位于封闭剂分子的末端位置。纳米晶核与该部分间的作用可以 由疏水作用或静电作用，或者由共价结合或配位结合而产生。合适的端基包 括具有自山(未结合的)电于对的部分，由此使封闭剂能结合到纳米晶核的表面。示例的端基包括含有S、 N、 P原子或P:O基团的部分。这些部分的具体例子包括例如胺、硫醇、氧化胺(amine-oxide)和膦。
在另--个实施方式中，封闭剂还含有通过疏水区域与端基隔开的至少一 个偶合基团。各偶合基团可以含有任意合适数量的主链碳原子，以及能与聚 合物上补充的偶合部分反应的任意合适的官能团，所述聚合物用于形成水溶 性壳的第二层。示例的偶合部分可以选fi由羟基(-OH)、氨基(-NH2)、羧 基(-COOH)、羰基(-CHO)、氰基(-CN)组成的组中。
在优选的实施方式中，封闭剂含有通过疏水区域与端基隔开的一个偶合 基团，由下面的通式(Gl)表示TG-HR-CM1
其中，TG-端基 HR—疏水区域 CM1—偶合基团
在优选的实施方式屮，封闭剂含有通过疏水区域与端基隔开的两个偶合基团，由下面的通式(G2)表示
<formula>complex formula see original document page 27</formula>
其中，TG—端基
HR—疏水区域
CM1和CM2—偶合基团
在上述式G1和G2中，偶合基团CM1和CM2可以为亲水性的。亲水 性偶合基团的例子包括-NH2、 -COOH或OH官能团。其它的例子包括腈基、 异氰基和卤素。偶合基团还可以是疏水性的。可以使用疏水基团与亲水基团 组合的封闭剂。疏水基团的一些例子包括烷基部分、芳环或者甲氧基。
不希望被理论束缚，相信在由式(Gl)和(G2)定义的封闭剂中疏水 区域能防护纳米晶核不受存在于水性环境中的带电物质的影响。由水性环境 迁移到纳米晶核表面的电荷通过疏水区域变得受阻碍，由此在合成时使中间 体纳米晶(即用封闭剂封闭的纳米晶)的提前淬灭(premature quenching) 最小化。因此，在封闭剂中疏水区域的存在可以有助于提高纳米晶的最终量 子产率。适合于此目的的疏水部分的例子包括烃部分，该烃部分包括所有脂 肪族直链的、环的或芳烃部分。
在一个实施方式中，用于本发明的纳米晶的封闭剂具有通式(I):
<formula>complex formula see original document page 27</formula>
在该式中，x表示对纳米晶核的表面具有亲合性的端基。x可以选自s、N、P、或OP。IVX-部分的具体例子可以包括下面任何一种例如H-S-， 0=P-和H2N-。 Ra是含有至少2个主链碳原子的部分，并肉此具有疏水特性。如果Ra在特性上例如烃具有显著的疏水性，那么它提供了将Z部分与纳米晶核分隔开的疏水区域。Y部分选自N、 C、 -(:00-或-0120-。 z是含有至少一个用于随后聚合的偶合部分的部分，并因此使亲水封闭剂的部分具有显著的疏水特性。实例的极性官能团包括但不限于-OH、 -COOH、 -NH2、 -CHO、 -CONHR、 -CN、 -NCO、 -COR和卣素。式中的数字由符号k、 n、 n'和m表 示。k是0或1。数字n是0-3的整数，n'是0-2的整数；为了满足X和Y 各自化合价的需要，两个都选择。数字m是0-2的整数。数字k是O或l。 在k是0的条件下，Z将结合到&。 k=0的值满足偶合部分Z直接结合到 Ra的情况，例如，Ra为环状部分，该环部分例如脂肪族环烷烃、芳烃或杂环。然而，当k二l时，如叔氨基结合到苯环或环烃，Ra为环状部分。因此，在当前的式子中，Y或者Z可以起到偶合基团的作用。如果Z作为偶合基团存 在，那么Y可以起到附着偶合基团Z的结构成分的作用。如果Z不存在， 那么Y可以形成偶合基团的部分。
在上述式中的Ra部分可以含有几十至几百个主链碳原子。在一个特别 的实施方式中，Ra和Z各自独立地含有2-50个主链碳原子。Z可以含有一 个或多个酰胺或酯键。能用于Ra的合适部分的例子包括烷基、烯基、烷氧 基和芳基部分。
文本使用的术语"烷基"表示支链或非支链的、直链或环状的饱和烃基， 通常含有2-50个碳原子，例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异 丁基、叔丁基、辛基、癸基、十四烷基、十六垸基、二十烷基、二十四垸基， 以及环烷基如环戊基、环己基。本文使用的术语"烯基"表示支链或非支链 的烃基，通常含有2-50个碳原子并含有至少一个双键，代表性地含有l-6个 双键，更代表性地一个或两个双键，例如乙烯基、正丙烯基、正丁烯基、辛 烯基、癸烯基，以及环烯基如环丙烯基、环己烯基。本文使用的术语"烷氧 基"表示取代基-O-R，其中R为上述定义的烷基。本文使用的术语"芳基"，除非另外指定，表示含有一个或多个芳环的芳族部分。芳基任选地由一个或 多个芳环上的惰性的、非氢収代基所取代，并且合适的取代基包括，例如卤 素、卤烷基(优选卣素取代的较低级烷基)、烷基(优选较低级烷基)、烯基 (优选较低级烯基)、炔基(优选较低级炔基)、垸氧基(优选较低级垸氧基)、 烷氧羰基(优选较低级垸氧羰基)、羧基、硝基、氰基和磺酰基。在所有的 实施方式中，Ra可以包括杂芳族部分，该部分通常含有诸如氮、氧或硫的杂 原子。
在优选的实施方式中，Ra选自由乙基、丙基、丁基和戊基、环戊基、环 己基、环辛基、乙氧基、丙氧基、丁氧基和苯甲基部分组成的组屮。优选的 封闭剂的一个实施方式为选自由氨乙基硫醇、氨丙基硫醇和氨丁基硫醇组成 的组中。
一些特别合适的封闭剂的例子为具有以下各式的(亲水性)化合物<formula>complex formula see original document page 29</formula>HS-(CH2)n=5-11-COOH<formula>complex formula see original document page 30</formula> 和<formula>complex formula see original document page 30</formula>。
在另--个实施方式中，通过任何自由基聚合机理，封闭剂通过可聚合的
不饱和基团，例如c=c双键，与聚合物偶合。这样的封闭剂的具体例子包 括但不限于，co-硫羟基封端的甲基两烯酸甲酯、2-丁烯硫醇、$>2-丁烯-1-硫醇、硫代醋酸S-阁-2-丁烯酯、硫代醋酸S-3-甲基丁烯酯、2-喹啉甲硫醇 和硫代醋酸S-2-喹啉甲酯。
通过使用偶合剂以活化存在于封闭剂中的偶合基团，将具有水溶性基团 的聚合物偶合到封闭剂来形成包围纳米晶核的水溶性壳的第二组分。可以依 次添加偶合剂和具有偶合部分的聚合物，即在进行活化后添加聚合物；或者 可以将聚合物与偶合剂一起同吋添加。
原则上，可以使用任何可活化封闭剂中的偶合基团的偶合剂，只要该偶 合剂与用于形成第一层的偶合剂和用于形成第二层的聚合物化学相容即可， 意味着偶合剂不与它们反应以改变它们的结构。理想地，由于偶合剂分子应 该完全被聚合物分子替代，园此未反应的偶合剂应该存在于纳米晶中。然而，实际上，有可能未反应的残留的偶合剂仍然存在于最终的纳米晶中。
确定适当的偶合剂是在本领域的普通技术人员的常识内的。合适的偶合剂的一个例子是与磺基-N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)组合使用的1-乙基-3-[3-二甲基氨丙基]碳二亚胺(EDC)。可以使用的其它类型的偶合剂包括但不限 于酰亚胺和吡咯。可以使用的酰亚胺的一些例子为碳二亚胺、琥珀酰亚胺和 邻苯二甲酰亚胺(pthalimides)。酰亚胺的一些明确的例子包括1-乙基-3-[3-二甲基氨丙基]碳二亚胺(EDC)、磺基-N-羟基琥珀酰亚胺、N，N'-二环己基 碳二亚胺(DCC)、 N，N'-二环己基碳二亚胺、N-(3-二甲基氨丙基)-N'-乙基碳 二亚胺，连同N-羟基琥珀酰亚胺或任何其它的活化分子--起使用。
在偶合基团包括不饱和的C=C键的偶合剂的情况下，该偶合剂含有诸 如过氧化乙酸叔丁酯(tert-butyl peracetate)、过氧化乙酸叔丁酯、过氧化苯 甲酰、过硫酸钾和过乙酸的引发剂。
用于形成水溶性壳的第二层的聚合物可以含冇一个或多个合适的偶合 部分，该偶合部分具有与封闭剂上活化的偶合基团反应的偶合部分。通常， 合适的聚合物具有偶合部分，该偶合部分具有l、 2、 3个，或者在一些实施 方式中至少2个(即多个)对封闭剂活化的偶合基团具有反应性的官能团。 如图3所示，当聚合物的至少2个偶合部分与封闭剂反应时，该聚合物共价 偶合("交联")到封闭剂，由此形成包围纳米晶核的水溶性聚合物壳。
聚合物与封闭剂的偶合可以通过任何合适的偶合反应方案来实现。合适 的反应方案的例子包括自由基偶合、酰胺偶合或者酯偶合反应。除了使用常 规的偶合反应，例如，聚合物/低聚物可以通过合适的偶合反应接枝到封闭剂 上。在一个实施方式中，先合成被接枝到亲水性封闭剂的聚合物，然后通过 碳二亚胺媒介的偶合反应(即，交联剂)被偶合到封闭剂上暴露的偶合部分。 合适的聚合物包括具有官能团的无规共聚物和嵌段共聚物，该官能团可以被 偶合到亲水封闭剂上。
一个优选的偶合反应是由l-乙基-3-[3-二甲基氨丙基]碳二亚胺提供并山 磺基-N-羟基琥珀酰亚胺促进的碳二亚胺偶合反应，其中封闭剂的偶合基团 中的羧基官能团和氨基官能团与聚合物的偶合部分反应形成共价键。
在本发明的上下文中，作为水溶性壳的第二层存在的术语"聚合物"包 括低分子量聚合物(例如低聚物)，以及高分子量聚合物，分子量为约100 至约1000000道尔顿。根据存在于各重复单元中基团的大小和数量，聚合物 分子量的下限可以高于100。如果聚合物为由低分子量重复单元(例如具有 小的侧链)如多元醇或聚胺衍生的，那么聚合物的分子量下限可以低。在重 复单元具有高分子量(例如具有很大的侧链)的聚合物的情况下，下限可以 高于100。在一些实施方式中，聚合物分子量的下限可以为约400，或者500， 或者600，或者IOOO，或者1200，或者1500，或者高于约2000。术语"偶 合"和"共价偶合"互换使用，通常表示将两种分子结合在一起形成一个单 独的、较大的整体的任何种类的反应，例如酸与醇形成酷的偶合，或者酸与 胺形成酰胺的偶合。任何可以将存在于封闭剂中的偶合基团和偶合部分与聚 合物偶合的反应均在该术语含义的范围内。"偶合"还包括在封闭剂中以偶合基团存在的一个或多个不饱和基团(例如-cK:-双键)与在聚合物中相应 的偶合部分反应，以将聚合物共价结合到封闭剂层。
聚合物可以含有亲水部分或者疏水部分，或者它可以同时含有亲水部分 和疏水部分，即它是两性的。这些部分可以在聚合物中以任何合适的比例存 在，以获得在本发明的纳米晶所使用的环境中所需要的溶解度。例如，为了 改进水溶性壳的水溶性，形成第二层的聚合物可以含有比疏水部分更多的亲 水部分。相反，如果该壳被变成疏水性的，可以使用具有比亲水部分更大量 的疏水部分的聚合物。
在--个实施方式中，含有至少一个对封闭剂的偶合基团具有反应性的偶 合部分的聚合物具有式(in):<formula>complex formula see original document page 33</formula>
其中，J为对封闭剂的至少一个偶合基团具有反应性的偶合部分，且m 为至少1的整数。
为了说明此实施方式，如果例如第一层具有氨基封闭的基团，那么形成 第二层的聚合物可以具有用于与第一层的氨基共价偶合的羧基。实际上，共 价偶合可能不是涉及所有存在的偶合部分和偶合基团。例如，50%的羧基可 以与第一层内的氨基聚合。
在另一个实施例屮，如果第--层具有羧基封闭的表面，那么第二层聚合 物可以具有与第--层的羧基共价偶合的氨基。共价偶合还可能不是涉及所有
存在的偶合部分和偶合基团。例如50%的羧基可以与第一层内的氨基聚合。
在另一个实施方式中，聚合物含有至少两个对封闭剂的至少一个偶合基
团具有反应性的偶合部分。在这种情况下，该聚合物具有式(IV): <formula>complex formula see original document page 33</formula>
其中，J和K是偶合部分，所述J和K相同或不同，且m和n各为至少 1的整数。
一般地，如果封闭剂还同时具有J和K封闭的基团，那么聚合物可以具 有K和J基团中的一个或两个，以与封闭剂共价偶合。例如，如果第一层同 吋具有羧基和氨基封闭的表面，那么第二层聚合物可以各仅具有氨基和羧基 中的一个或两个，以与第一层的羧基和氨基共价偶合。- 些偶合部分共价偶 合到偶合基团就足够，而且偶合部分以与偶合基团精确的化学计量比存在是 不必要。
在另一个实施方式中，聚合物含有至少三个对封闭剂的至少一个偶合基团具有反应性的偶合部分。在这个实施方式中，所述聚合物可以具有式(V):
<formula>complex formula see original document page 34</formula>
其中，J、 K和L是偶合部分，所述J、 K和L相同或不同，且m、 n和 p各为至少l的整数。在另一个实施方式中，聚合物可以具有3个或更多不 同的官能团(NH2、 COOH、 NCO、 CHO等)，以提供水溶性以及与第一层 偶合的表面。
形成第二层的聚合物与纳米晶置于其中的溶剂接触。因此，为了使纳米 晶可溶于可以包括水的溶剂中，例如，所述偶合部分J、 K和L的至少--个 优选含有亲水基，该亲水基使所述水溶性壳具有水溶性。为了此目的，聚合 物还可以含有至少一个具有亲水基的部分，该亲水基使所述水溶性壳具有水 溶性。该部分既可以与偶合部分独立存在也可以自身存在于偶合部分上。
在一个实施方式中，偶合部分J、 K和L各含有选自氨基、羟基、羰基、 羧基、腈、异氰酸酯和卤素基团的官能团。如果需要具有同官能性的 (homofUnctional)聚合物，那么该聚合物的偶合部分可以单独由例如羟基、 或羧基、或氨基组成。在这种情况下，聚合物各为聚乙烯醇、聚羧酸和聚胺。
为了获得具有不同性质(例如，水中的溶解度)的纳米晶，可以使用超 过一种类型的单体的其它类型的聚合物。例如，可能使用二嵌段共聚物、三 嵌段共聚物或混合无规共聚物作为形成第二层的聚合物。具体的例子包括， 聚(丙烯酸-b-甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯-b-丙烯酸钠)、聚(甲基丙 烯酸叔丁酯-b-环氧乙烷)、聚(甲基丙烯酸甲酯-b-甲基丙烯酸钠)和聚(甲基丙 烯酸甲酯-b-N，N-二甲基丙烯酰胺)。
式(III)聚合物中的偶合部分J可以含有任何合适的官能团，该官能团 对存在于封闭剂屮的偶合基团具有反应性。亲水部分K可以含有任何官能 团，该官能团将主要的亲水特征给f'聚合物，由此使该聚合物具有水溶性。合适的官能团的例子例如包括羧基、氨基、羟基、酰胺、酯、酸酐和醛部分。
在一个实施方式中，聚合物选自由多胺、多乙酰基酸或多元醇组成的组
中。该聚合物的分子量可以从小于约500 (约400)至大于约1000000。在这 些实施方式的一个中，分子量可以为约600至约1400000，且更优选约2000 至约750000。为了在体内应用，可以选择约为2000的下限，使对人体的潜 在毒性最小化。
如果当前的封闭剂含有可聚合的不饱和基团作为偶合基团，那么不饱和 聚合物可以用于形成水溶性壳的第二层，包括聚乙炔、聚丙烯酸、聚氮丙啶。
在另一个实施方式中，聚合物可以通过将亲合性的配位体附着到聚合物 上而官能化。在这种情况下，获得了官能化的纳米晶。这种纳米晶可以检测 亲合性配位体具有结合特性的基质的存在与否。如果存在于样品中，官能化 的纳米晶的亲合性配位体与目标基质间的接触与随后的结合可以满足多种 目的。例如，可以导致形成含有官能化纳米晶基质的络合物，所述基质可以 发射可检测的信号用于量化、可视化或者其它形式的检测。设想的亲合性配 位体包括单克隆抗体，该单克隆抗体包括嵌合体的(chineric)或遗传学修饰 的单克隆抗体、肽、适体、核酸分子、抗生蛋白链菌素、抗生物素蛋白、凝 集素等。
根据上述公开，本发明的另一个方面是关于制备水溶性纳米晶的方法。 水溶性壳的合成可以通过首先将封闭剂与纳米晶核接触并反应来实现。 该接触可以是直接接触也可以是间接接触。直接接触指将纳米晶核浸入含有 封闭剂的溶液中而不使用任何配价配位体(coordinating ligand)。间接接触 指与封闭剂接触前，使用配价配位体来准备(prime)纳米晶核。间接接触 通常包括两个步骤。在本发明中两种方法都是可行的。然而，间接接触的后 面的方法是优选的，由于配价配位体有助于加快封闭剂附着到纳米晶核的表 面上。
下面将详细说明间接接触。在间接接触的第--个步骤中，优选通过溶解 在有机溶剂中来制备配价配位体。然后，将纳米晶核浸入有机溶剂中预定的 时间，使得在纳米晶(下文称作"钝化的纳米晶")的核的表面形成足够稳 定的钝化层。该钝化层用于排斥任何可以接触纳米晶核的亲水种类，由此防 止纳米晶的任何降解。如果需要，钝化的纳米晶可以在含有配价配位体的有 机溶剂中被分离并储存任何希望的时间。如果需要，可以添加合适的中性有 机溶剂，例如氯仿、二氯甲垸或者四氢呋喃。
在间接接触的第二个步骤中，可以在有机溶剂的存在下或在水溶液中实 施配位体交换。通过向钝化的纳米晶添加过量的封闭剂来实施配位体交换 (取代)，以促进钝化的纳米晶与封闭剂的接触。需要获得很高程度取代的 接触时间可以通过搅拌或声波处理反应混合物需要的吋间来縮短。在足够长 的时间后，封闭剂取代了钝化层并自己附着到纳米晶上，因此封闭纳米晶核 的表面，随后偶合聚合物。
用于间接接触的配价配位体可以是含有对纳米晶核的表面具有亲合性 的部分的任何分子。这种亲合性可以用例如静电作用、共价结合或配位结合 的形式米证明。合适的配价配位体包括但不限于疏水分子或者含有附着到亲 水部分例如极性官能团的疏水链的两性分子。这种分子的例子包括三辛基 膦、三辛基氧化膦或者巯基十一垸酸。可以使用的其它种类的配价配位体包 括硫醇、胺或硅烷。
通过间接接触途径实现封闭剂与聚合物偶合的方式示于图4中。第一， 纳米晶核可以在诸如三辛基氧化膦(TOPO)的配价溶剂(coordination solvents)中制备，导致在纳米晶核的表面形成钝化层。接着，T0P0层被封 闭剂替换。通过将TOPO层的纳米晶分散在含有高浓度封闭剂的介质中来产 生替换。这个步骤通常在有机溶剂或者在水溶液中实现。优选的有机溶剂包 括极性有机溶剂，如吡啶、二甲基甲酰胺(DMF)、 DMSO、 二氯甲烷、乙醚、氯仿或者四氢呋喃。此后，偶合到封闭剂的聚合物可以被制备并添加到 封闭的纳米晶核。
本发明的方法包括，水溶性壳的第一层一旦形成，下一步骤是将用封闭 剂封端的纳米晶与具有水溶性基团的聚合物偶合。如果需要，偶合可以在偶合剂存在下进行。偶合剂可以用于准备(prime)封闭剂致使偶合剂对聚合 物具有反应性，或者偶合剂可以用于在聚合物上准备偶合部分致使它们对封 闭剂具有反应性。在优选的实施方式中，EDC (l-乙基-3-[3-二甲基氨丙蜀 碳二亚胺)可以用作偶合剂，任选由磺基NHS (磺基-N-羟基琥珀酰亚胺) 辅助。也可以使用其它种偶合剂，包括交联剂。例子包括但不限于，碳二亚 胺，如二异丙基碳二亚胺、碳二环己酰亚胺、N,N'-二环己基碳二亚胺(DCC; Pierce)、 N-琥珀酰亚胺基-S-乙酰基硫代乙酸酯(SATA)， N-琥珀酰亚胺基 -3-(2-吡啶基二硫醇)丙酸酯(SPDP)、邻亚苯基二马来酰亚胺(o-PDM)和 磺基琥珀酰亚胺基4-(N-马来酰亚胺甲基)环己烷-l-羧酸酯(磺基-SMCC)和 吡咯。偶合剂通过活化羧基催化羧酸和胺之间酰胺键的形成，以形成O-脲 衍生物。这种衍生物容易与亲核的胺基反应，由此加速了偶合反应。
等摩尔量的存在于封闭剂中的偶合基团可以与存在于聚合物中的偶合 部分反应。为了说明，假定具有x摩尔偶合基团的x摩尔的封闭剂可以附着 到每1摩尔的纳米晶核。如果y摩尔聚合物含有x摩尔的偶合部分完全与1 摩尔的纳米晶核反应(用x摩尔封闭剂附着)，则聚合物与纳米晶的混合比 为每摩尔纳米晶核至少y摩尔聚合物。实际上，通常以过量的封闭剂反应， 以确保完全封闭在纳米晶上。未反应的封闭剂可以通过例如离心分离来除 去。为了与封闭的纳米晶偶合所添加的聚合物的量也可以过量添加，通常为 每摩尔封闭的纳米晶约10、或约20或约30至1000摩尔聚合物。
为了将聚合物偶合到含在纳米晶核表面的封闭剂上，在偶合剂的存在下 将聚合物与封闭剂混合。可以将偶合剂与聚合物同时加入到含有包括第一层 的纳米晶的溶液中(参见实施例1和2)，或者可以依次添加它们，在偶合剂 之后添加聚合物。偶合剂用作引发剂以分别活化存在于封闭剂和聚合物中的 偶合基团和偶合部分。此后，聚合物与封闭剂偶合以形成包围纳米晶核的第 二层。
偶合反应可以在水溶液中或者有机溶剂中进行。例如，偶合反应可以在 水溶液，例如具有合适的添加剂的水中进行以改进聚合动力学，所述添加剂 包括引发剂、稳定剂或者相转移剂。偶合反应还可以在缓冲溶液中进行，例 如磷酸盐或铵缓冲溶液。另外，聚合反应可以在具有合适的添加剂的无水有 机溶剂中进行，所述合适的添加剂例如偶合剂和催化剂。通常使用的有机溶 剂包括DMF、 DMSO、氯仿、二氯甲烷和THF。
最后， 一旦形成了有机壳的第二聚合物层，最后的步骤可以包括将第二 层中所含的聚合物与适合于使存在于第二层中的水溶性基团暴露的试剂反 应。例如，如果使用的聚合物含冇酯键(以保护羧基，否则可能千扰第二层 的形成)，那么该酯可以通过添加碱溶液(例如氢氧化钠)来水解成纳米晶。 这样做也能使在第二层中的羧基释放到给与水溶解性的溶液中。
如本文所述，本发明还提到纳米晶，该纳米晶轭合到对给定的分析物具 有结合亲合性的分子上。通过将纳米晶轭合到对给定的分析物具有结合亲合 性的分子上，形成标记化合物或探针。在这种探针中，本发明的纳米晶用作 发出辐射的标记物或标签，可以用于检测给定的分析物，所述辐射例如在电 磁光谱的可见光或近红外光范围内。
理论上，对于存在特定结合配偶体的每个分析物都可以检测，至少能有 些特定地键合到分析物上。该分析物可以是化学的化合物，如药品(例如 Aspirin⑧或者Ribavirin),或者生物化学分子，如蛋白质(例如肌钙蛋白或细 胞表面蛋白的特定抗体)或核酸分子。当偶合到相应分析物的具有结合亲合 性的合适分子(也指作分析物结合配偶体)上，例如Ribavirin时，所得到的探针可以用于例如监测患者血浆内药物浓度的荧光免疫测定。在肌钙蛋白情 况下，该肌钙蛋白是用于破坏心肌并由此通常用于心脏病发作的标记蛋白 质，含有抗肌钙蛋白抗体和本发明的纳米晶的结合物可以用于诊断心脏病发 作。在本发明的纳米晶与特定用于联合细胞表面蛋白的肿瘤的抗体的结合物 的情况下，该结合物可以用于肿瘤的诊断或成像。另一个例子是纳米晶与抗 生蛋白链菌素的结合物。
分析物也可以是包括但不限于病毒颗粒、染色体或全细胞(whole cell) 的复合生物结构。例如，如果分析物结合配偶体是附着到细胞膜的类脂，那 么含有链接到这样的类脂的本发明的纳米晶的结合物rij以用于检测并显像 全细胞。为了诸如细胞染色或细胞成像的目的，优选使用发射可见光的纳米 晶。根据此公开，通过使用含有轭合到分析物结合配偶体的本发明的纳米晶 的标记化合物来检测的分析物优选为生物分子。
因此，在进一步优选的实施方式中，对分析物具有结合亲合性的分子为 蛋白质、肽、具有免疫半抗原特征的化合物、核酸、碳水化合物或有机分子。 用作分析物结合配偶体的蛋白质可以为，例如抗体、抗体片段、配位体、抗 生物素蛋白、抗生蛋白链菌素或酶。有机分子的例子是诸如生物素、异羟基 洋地黄毒苷配基、5-羟色胺(serotronine)、叶酸盐衍生物、抗原、肽、蛋白 质、核酸和酶等的化合物。核酸可以选自但不限于，DNA、 RNA或PNA分 子、具有10-50bp的短寡核苷酸以及较长核酸。
当用于检测生物分子时，本发明的纳米晶可以通过宿主分子的表面暴露 基团轭合到具有结合反应性的分子上。为了此目的，聚合物上的表面暴露官 能团诸如氨基、羟基或羧酸酯基可以与链接剂反应。本文所使用的链接剂表 示能将木发明的纳米晶链接到对任何生物靶具有结合亲合性的分子的任何 化合物。可以用于将纳米晶轭合到分析物结合配偶体上的链接剂种类的例子 为诸如本领域技术人员公知的乙基-3-二甲基氨基碳:二亚胺或其它合适的偶合化合物的(双官能的)链接剂。合适的链接剂的例子为N-(3-氨丙基)3-巯 基-苯甲酰胺、3-氨丙基-三甲氧基硅烷、3-巯基丙基-三甲氧基硅烷、3-(三甲 氧基甲硅烷基)丙基-马来酰亚胺和3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基-酰肼。聚合物 涂层也可以与合适的链接剂轭合，该链接剂被偶合到具有需要的结合亲合性 或分析物结合配偶体的选择的分子上。例如，如果聚合物涂层含有环糊精部 分，那么可以使用的合适的链接剂可以包括但不限于都具有合适的反应活性 基团以与相应分子形成共价键的二茂铁衍生物、金刚烷化合物、聚氧乙烯化 合物、芳香化合物。
另外，本发明还指向含有至少一种本文定义的纳米晶的组合物。可以将 纳米晶加入塑料球、磁性微球(magnetic bead)或橡胶球中。此外，含有本 文定义的纳米晶的检测试剂盒(detectionkit)也是本发明的部分。


通过下列非限制的实施例和附图进一步详细地说明本发明，其中 图1示出了本发明的水溶性纳米晶的概括图(图la),其中图lb更详细 地显示了附着到纳米晶核表面的第一层，该纳米晶核含有氨乙基硫醇作为封 闭剂，和用于形成第二层的聚乙酸聚合物(还参见图3)。从图lb可以看到， 纳米晶含有由封闭剂的偶合基团的至少一个(邻近)分子与聚合物偶合部分 的一个分子间的共价结合所形成的界面区域，使得封闭剂上的偶合基团与聚 合物的偶合部分间的共价键用作将封闭剂分子链接在一起的桥接。
图2示出了合成封装在聚酰胺聚合物壳中的水溶性纳米晶的方法的示意 图，所述聚酰胺聚合物壳使用聚乙酸聚合物通过偶合形成壳的第二层而形 成。所使用的封闭剂为氨乙基硫醇。在此实施例中，聚酰胺聚合物壳还含有 暴露的羧酸基团。
图3显示了合成封装在聚酰胺聚合物壳中的水溶性纳米晶的方法的示意图，所述聚酰胺聚合物壳使用聚酰胺聚合物通过偶合形成壳的第二层而形 成。所使用的封闭剂为羧基乙基硫醇。在此实施例中，聚酰胺聚合物壳还含 有暴露的氨基。
图4示出了与仅用巯基丙酸(MCA)或氨基乙硫醇(AET)封闭的一个 (CdSe)-ZnS核壳纳米晶相比，本发明的聚合物封壳的纳米晶抵抗化学氧化的 稳定性。
具体实施例方式
实施例1:在水溶液中用偶合的聚合物制备水溶性纳米晶
根据下列步骤先制备TOPO封闭的纳米晶。
将三辛基氧化膦(TOPO) (30 g)放入烧瓶中，并在真空( 1托)下 在18(TC下千燥1小时。然后在该烧瓶中充入氮气并加热至350°C。在惰性 气氛下(干燥箱)，制备下列注射溶液CdMe2 (0.35 ml)、 1M三辛基膦-Se (TOPSe)溶液(4.0 ml)和三辛基膦(TOP) (16ml)。将该注射溶液充分 混合，装入注射器，并从干燥箱中取出。
将该反应停止加热，将反应混合物随着单独连续注射移入剧烈搅拌的 TOPO中。对反应的烧瓶进行加热，温度逐渐升至260-280°C。反应后，使 反应烧瓶冷却至约60°C，并加入20 ml 丁醇防止TOPO固化。加入大量过量 的甲醇使颗粒絮凝。通过离心分离将絮凝物与上清液分离；所得到的粉末可 以分散到各种有机溶剂中以产生光学清液。
在真空下将容纳5 g TOPO的烧瓶加热至1卯。C几小吋，然后冷却至60 °C，在其后加入0.5 ml的三辛基膦(TOP)。用注射器将分散在己烷中的大 致0.1-0.4 nmol的CdSe点(dot)移入反应器屮，并将溶剂抽出。二乙基锌 (ZnEt2)和六甲基二硅硫烷((TMS)2S)分别作为Zn和S的前驱体。在惰 性气体手套箱中，将等摩尔量的前驱体溶解在2-4mlTOP中。将前驱体溶液 装入注射器中并移入固定在反应烧瓶上的附加的漏斗中。添加完之后，将混
合物冷却至9(TC，并搅拌几小时。将丁醇加到混合物中防止TOPO在冷却 至室温时固化。
然后将涂覆了量子点的TOPO与大量氨乙基硫醇一起溶解在氯仿中(参 见图2，步骤l)。将混合物超声处理2小时，然后放在室温下直到完全形成 沉淀。所得到的固体用氯仿洗涤几次，并通过离心分离收集。接着，将氨基 封闭的量子点溶解在pH为8的缓冲溶液中，然后逐滴加入到聚丙烯酸聚合 物(平均分子量基于GPC为2000)溶液中，EDC和磺基-NHS以偶合剂 存在以活化封闭剂上的偶合基团，并在室温下搅拌30分钟(参见图2，步骤 2和3)。
先将反应混合物在0'C下搅拌4小时，然后在室温下反应过夜。用氮气 脱气后将得到的溶液渗析过夜并储存。进一步的纯化通过首先用醚洗涤反应 溶液两次并离心分离涂覆了纳米晶溶液的酸性(pH调节至约4-5)聚合物来 进行。通过调节pH值(至7-8)将收集的纳米晶再溶解在水中。
将本发明的聚合物壳纳米晶的物理化学性质与仅用巯基丙酸(MCA) 或氨基乙硫醇(AET)封闭的(CdSe)-ZnS核壳纳米晶的相比如下向纳米晶 的水溶液中以0.15 mo1/1的最终浓度和随着光致光谱的 (photospectroscopially)化学状态加入H202 (图4)。对于仅用MCA或AET 涂覆的纳米晶，立刻检测出纳米晶的氧化并在30分钟内纳米晶沉淀。相反， 本发明壳化的纳米晶对仅仅缓慢发生的化学氧化明显更稳定。
实施例2:在有机溶剂中制备具有偶合的聚合物的水溶性纳米晶
根据实施例1制备TOPO封闭的纳米晶，并与过量的3-巯基丙酸一起溶 解在氯仿屮(参见图4，歩骤l)。将混合物先声波处理约1小时，然后在室 温下过夜直到在溶液中形成大量沉淀。通过离心分离收集沉淀，并通过用丙酮洗涤几次除去游离的3-巯基丙酸。用氩气简单地干燥所得到的3-巯基丙酸 封闭的量子点，然后溶解在无水DMF中。向此溶液中加入过量的EDC和 NHS，然后在室温下搅拌约30分钟以活化并接着形成封闭剂与聚合物间的 共价偶合界面(参见图4，步骤2)。从附加的漏斗，在强烈地搅拌下，逐滴 加入溶解在无水DMF中的分子量为1200 (MW为400-60000通常为合适) 的聚氮丙啶(Sigma-AldrichPteLtd)。将聚氮丙啶溶液全部加完之后，在室 温下继续反应过夜，使聚合物第二层偶合到封闭剂(参见图4，步骤3)。接 着，将DMF溶剂在减压下通过旋转蒸发除去，然后溶解在水中。聚合物涂 覆量子点的进--步提纯通过用醚洗涤两次来进行。
权利要求
1、一种水溶性纳米晶，该纳米晶包括纳米晶核，该纳米晶核含有选自元素周期系的第Ib副族、IIb副族、IVb副族、Vb副族、VIb副族、VIIb副族、VIIIb副族、II主族、III主族或IV主族元素中的至少一种金属M1，和包围所述纳米晶核的水溶性壳，所述壳包括第一层，该第一层含有附着到纳米晶核表面的封闭剂，所述封闭剂具有至少一种偶合基团，和第二层，该第二层含有具有至少一个共价偶合到所述封闭剂的至少一个偶合基团的偶合部分的聚合物。
2、 一种水溶性纳米晶，该纳米晶包括纳米晶核，该纳米晶核含有选自元素周期系的第II主族、VIIA副族、 VIIIA副族、IB副族、IIB副族、m主族或iv主族元素中的至少--种金属 Ml，以及选自元素周期系的第V主族或VI主族的至少一种元素A，和 包围所述纳米晶核的水溶性壳，所述壳包括第一层，该第一层含有附着到纳米晶核表面的封闭剂，所述封闭剂 具有至少一个偶合基团，和第二层，该第二层含有具有至少一个共价偶合到所述封闭剂的至少 一个偶合基团的偶合部分的聚合物。
3、 根据权利要求1或2所述的纳米晶，其中，所述封闭剂含有对纳米 晶核的表面具有亲合性的端基。
4、 根据权利耍求1-3屮任意--项所述的纳米晶，其中，所述封闭剂含 有至少一个通过疏水区域将端基隔开的偶合基团。
5、 根据权利要求4所述的纳米晶，其中，每个所述偶合基团含有选自 氨基、羟基、羰基、羧基、腈、异氰酸酯和卤素基团中的官能团。
6、 根据权利要求1-5中任意一项所述的纳米晶，其中，所述封闭剂为 具有式(I)的分子<formula>complex formula see original document page 3</formula>其中，X为选自S、 N、 P或OP的端基，Ra为含有至少2个主链碳原子的部分，Y选自N、 C、 -CO0-或-CH20-，Z为含有极性官能团的部分，k为0或l，n为0-3的整数，n'为0-2的整数，其中，选择n'是为了满足Y的化合价的需要，以及 m为0-2的整数。
7、 根据权利要求6所述的纳米晶，其中，所述Ra部分含有2-50个主链 碳原子。
8、 根据权利要求6或7所述的纳米晶，其中，所述Ra选自由垸基、烯 基、烷氧基和芳基部分组成的组中。
9、 根据权利要求8所述的纳米晶，其中，各所述Ra为独立地选自由乙 基、丙基、丁基、戊基、环戊基、环己基、环辛基、乙氧基和苯甲基组成的组中的部分。
10、 根据权利要求6-9中任意一项所述的纳米晶，其中，所述Z为选自 由氨基、羟基、羰基、羧基、腈、异氰酸酯和卤素基团组成的组中的官能团。
11、 根据权利要求10所述的纳米晶，其中，所述Z含有2-50个主链碳 原子。
12、 根据权利要求ll所述的纳米晶，其中，所述Z还含有酰胺或酯键。
13、 根据权利要求1-12中任意一项所述的纳米晶，其中，所述封闭剂 为选自由以卜—化合物组成的组中的化合物<formula>complex formula see original document page 4</formula>HS-(CH2)n-COOH， n=6-ll，<formula>complex formula see original document page 5</formula>和<formula>complex formula see original document page 5</formula>
14、根据权利要求4所述的纳米晶，其中，所述封闭剂的偶合基团含有可聚合不饱和碳-碳键。
15、根据权利要求14所述的纳米晶，其中，所述封闭剂选自由w-硫羟基封端的甲基丙烯酸甲酯、2-丁烯硫醇、阁-2-丁烯-1 -硫醇、硫代醋酸S-(E)-2-丁烯酯、硫代醋酸S-3-甲基丁烯酯、2-喹啉甲硫醇和硫代醋酸S-2-喹啉甲酯组成的组中。
16、根据权利要求1-13中任意--项所述的纳米晶，其中，所述聚合物具有式(III):<formula>complex formula see original document page 5</formula>其中，J为对所述封闭剂的至少一个偶合基团具有反应性的偶合部分，且m为至少l的整数。
17、 根据权利要求1-13中任意一项所述的纳米晶，其中，所述聚合物含有至少两个对所述封闭剂的至少一个偶合基团具有反应性的偶合部分。
18、 根据权利要求17所述的纳米晶，其中，所述聚合物具有式(IV):<formula>complex formula see original document page 6</formula>其中，J和K是偶合部分，所述J和K相同或不同，且 m和n各为至少1的整数。
19、 根据权利要求1-13中任意一项所述的纳米晶，其中，所述聚合物含有至少三个对所述封闭剂的至少一个偶合基团具有反应性的偶合部分。
20、 根据权利要求19所述的纳米晶，其中，所述聚合物具有式(V):<formula>complex formula see original document page 6</formula>其中，J、 K和L是偶合部分，所述J、 K和L相同或不同，且m、 n和p各为至少1的整数。
21、根据权利要求16-20中任意一项所述的纳米晶，其中，所述偶合部分J、 K和L屮的至少一个含有使所述水溶性壳具有水溶性的亲水基。
22、 根据权利要求17-21中任意一项所述的纳米晶，其中，所述聚合物 还含有至少一个具有使水溶性壳具有水溶性的亲水基的部分。
23、 根据权利要求17-22中任意一项所述的纳米晶，其中，所述偶合部 分J、 K和L各含有选自氨基、羟基、羰基、羧基、腈、异氰酸酯和卤素基 团中的官能团。
24、 根据权利要求23所述的纳米晶，其中，所述聚合物的偶合部分是 同官能性的。
25、 根据权利要求24所述的纳米晶，其中，所述聚合物选自由聚胺、 聚羧酸和聚乙烯醇组成的组中。
26、 根据权利要求18所述的纳米晶，其中，所述聚合物含有二嵌段共 聚物。
27、 根据权利要求26所述的纳米晶，其中，所述二嵌段共聚物选自由 聚(丙烯酸-b-甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯-b-丙烯酸钠)、聚(甲基丙 烯酸叔丁酯-b-环氧乙烷)、聚(甲基丙烯酸甲酯-b-甲基丙烯酸钠)和聚(甲基丙 烯酸甲酯-b-N,N-二甲基丙烯酰胺)组成的组中。
28、 根据权利要求14或15所述的纳米晶，其中，所述聚合物包括聚乙 炔、聚丙烯酸和聚氮丙啶。
29、 根据权利要求1-28中任意一项所述的纳米晶，其中，所述聚合物 的分子量为约2000至约750000。
30、 根据权利要求2-29中任意一项所述的纳米晶，其中，所述纳米晶 为核-壳纳米晶。
31、 根据权利要求30所述的纳米晶，其中，所述金属选自由Zn、 Cd、 Hg、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Ag和Au组成的组中。
32、 根据权利要求30或31所述的纳米晶，其中，所述元素A选自由 S、 Se和Te组成的组中。
33、 根据权利要求32所述的纳米晶，其中，所述纳米晶为选自由CdS、 CdSe、 MgTe、 CdTe、 ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 HgS、 HgSe和HgTe组成的组中 的核壳纳米晶。
34、 根据权利要求2-33中任意一项所述的纳米晶，其中，所述纳米晶 含有具有Ml^M2xA组成的均质三元合金，其中，a) 当A表示元素周期系的第VI主族的元素时，M1和M2独立地选自 PSE的第IIb-VIB、 IIIB-VB或IVB副族，II主族或III主族的元素，或者b) 当A表示PSE的第V主族的元素时，Ml和M2都选自PSE的第III 主族的元素，该均质三元合金通过包括以下步骤的方法获得i)通过以适合于产生纳米晶的形式将含有元素Ml的反应混合物加 热至合适的温度Tl，在此温度下以适合产生纳米晶的形式添加元素A，在 适合形成二元纳米晶M1A的温度下将反应混合物加热足够的时间，然后使反应混合物冷却，来形成所述二元纳米晶M1A，以及ii)不沉淀或分离所形成的二元纳米晶M1A，再加热该反应混合物 至合适的温度T2，以适合于产生纳米晶的形式在此温度下向反应混合物中 添加足够量的元素M2，然后在适合于形成所述三元纳米晶Ml^M2xA的温 度下将反应混合物加热足够的时间，接着使反应混合物冷却至室温并分离该 三元纳米晶Ml^M2xA。
35、 根据权利要求34所述的纳米晶，其中，0.001<x<0.999。
36、 根据权利耍求34或35所述的纳米晶，其中，0.01<x<0.99。
37、 根据权利要求34-36中任意一项所述的纳米晶，其中，0.5<x<0.95。
38、 根据权利要求34-37中任意-一项所述的纳米晶，其中，所述元素 Ml和M2独立地选自由Zn、 Cd、 Hg、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Ag和Au组成的组中。
39、 根据权利要求34-38中任意一项所述的纳米晶，其中，所述元素A 选自由S、 Se和Te组成的组中。
40、 根据权利要求28或39所述的纳米晶，其中，所述纳米晶具有 ZnxCd^Se或Zr^Cd^S的组成。
41、 根据前述权利要求中任意一项所述的纳米晶，其中，该纳米晶还含 有对被轭合到所述聚合物壳的第二层的给定分析物具有结合亲合性的分子。
42、 根据权利要求41所述的纳米晶，其中，对分析物具有结合亲合性 的分子是蛋白质、肽、具冇免疫半抗原特征的化合物、核酸、碳水化合物或 有机分子。
43、 根据权利要求41所述的纳米晶，其中，所述纳米晶通过共价链接 剂被轭合到对分析物具有结合亲合性的分子上。
44、 前述权利要求中任意一项所述的纳米晶用于检测分析物的用途。
45、 一种制备水溶性纳米晶的方法，该方法包括 提供纳米晶核，该纳米晶核含有选自元素周期系的第Ib副族、IIb副族、IVb副族、Vb副族、VIb副族、VIIb副族、VIIIb副族、II主族、III主族或 IV主族元素中的至少--种金属Ml ，使所述纳米晶核与封闭剂反应，由此将所述封闭剂附着到纳米晶核的表 面并形成包围所述纳米晶核的第一层，以及，将所述封闭剂与聚合物偶合，所述聚合物具有至少一个对所述封闭剂的 至少一个偶合基团具有反应性的偶合部分，由此形成共价偶合到所述第一层 的第二层并完成包围所述纳米晶核的水溶性壳的形成。
46、 一种制备水溶性纳米晶的方法，该方法包括 提供纳米晶核，该纳米晶核含有选自由元素周期系的第IIB-VIB副族、IIIB-VB副族或IVB副族、U主族或III主族元素组成的组中的至少一种金属 Ml，以及选自元素周期系的第V主族或VI主族的元素中的至少--种元素A， 使所述纳米晶核与封闭剂反应，由此将所述封闭剂附着到纳米晶核的表 面并形成包围所述纳米晶核的第--层， 以及，将所述封闭剂与聚合物偶合，所述聚合物具有至少一个对所述封闭剂的 至少一个偶合基团具有反应性的偶合部分，由此形成共价偶合到所述第一层 的第二层并完成包围所述纳米晶核的水溶性壳的形成。
47、 根据权利要求45或46所述的方法，其中，所述封闭剂为亲水性的。
48、 根据权利要求45或46所述的方法，其中，所述封闭剂为疏水性的。
49、 根据权利要求45-48中任意一项所述的方法，其中，存在于所述封 闭剂中的各偶合基团含有选自氨基、羟基、羰基、羧基、腈、异氰酸酯和卤 素基团中的官能团。
50、 根据权利要求45-49中任意一项所述的方法，其屮，所述封闭剂具 有式(I):<formula>complex formula see original document page 11</formula>其中，X为选自S、 N、 P或OP的端基， Ra为含有至少2个主链碳原子的部分， Y选自N、 C、 -000或-(^20國，z为含有极性官能团的部分，k为O或l，n为0-3的整数， n'为0-2的整数，其屮，选择n'是为了满足Y的化合价的需要，以及 m为0-2的整数。
51、根据权利要求45-50中任意--项所述的方法，其中，所述封闭剂为 选自由以下化合物组成的组中的化合物
52、根据权利要求45-51中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括 在将所述封闭剂偶合到所述聚合物前，将所述封闭剂的偶合基团活化的步
53、 根据权利要求52所述的方法，其中，所述活化步骤包括将含有封 闭剂的第一层的所述纳米晶与偶合剂反应。
54、 根据权利要求53所述的方法，其中，所述偶合剂选自由1-乙基-3-[3-二甲基氨丙基]碳二亚胺、磺基-N-羟基琥珀酰亚胺、N,N'-二环己基碳二亚胺、 N,N'-二环己基碳二亚胺、N-(3-二甲基氨丙基)-N'-乙基碳二亚胺和N-羟基琥 珀酰亚胺组成的组中。
55、 根据权利要求53或54所述的方法，其中，将所述封闭剂与聚合物 偶合包括将所述聚合物和偶合剂一起添加到含有包括所述第一层的纳米晶 的溶液中。
56、 根据权利要求45-55中任意项所述的方法，其中，所述偶合是在 水性缓冲溶液中进行的。
57、 根据权利要求56所述的方法，其中，所述水性缓冲溶液包括磷酸 盐或铵缓冲溶液。
58、 根据权利要求45-57中任意一项所述的方法，其中，所述偶合是在 极性有机溶剂中进行的。
59、 根据权利要求58所述的方法，其中，所述有机溶剂选自由吡啶、 DMF和氯仿组成的组中。
60、 根据权利要求45-59中任意一项所述的方法，其中，所述聚合物具有式(III):<formula>complex formula see original document page 14</formula>其屮，J为对所述封闭剂的至少一个偶合基团具有反应性的偶合部分，且m为至少l的整数。
61、根据权利要求45-59中任意一项所述的方法，其中，所述聚合物具 有式(IV): <sequence>complex sequence see original document page 14</sequence>其中，J和K是偶合部分，所述J和K相同或不同，且m和n各为至少1的整数。
62、根据权利要求45-59中任意-项所述的方法，其屮，所述聚合物具有式(V):<formula>complex formula see original document page 15</formula>其中，J、 K和L是偶合部分，所述J、 K和L相同或不同，且 m、 n和p各为至少l的整数。
63、根据权利要求45-62中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括 将第二层中所含的所述聚合物与适合于使存在于所述第二层屮的水溶性基团暴露的试剂反应。
全文摘要
公开了一种水溶性纳米晶，该纳米晶包括纳米晶核，该纳米晶核含有选自元素周期系(PSE)第II主族、VIIA副族、VIIIA副族、IB副族、IIB副族、III主族或IV主族元素中的至少一种金属M1，选自PSE第V主族或VI主族中的至少一种元素A，附着到纳米晶核的表面的封闭剂，以及与所述封闭剂共价偶合以在纳米晶核上形成水溶性聚合物壳的水溶性聚合物。还公开了含有这种纳米晶的组合物及这种纳米晶的用途。
文档编号G01N33/58GK101203761SQ200580050192
公开日2008年6月18日 申请日期2005年5月4日 优先权日2005年5月4日
发明者王夫轲, 韩明勇 申请人:新加坡科技研究局