银掺杂硒化锌量子点、其制备方法及应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种水溶性银掺杂硒化锌量子点，以及其制备方法。本发明采用水相合成，通过成核掺杂在水溶液中将银掺杂到硒化锌量子点中，简便、可控、快速、重现性好。由此制备得到的量子点不含镉、铟等重金属元素，对生物体无毒，并且具有覆盖900-1300nm的近红外发射波长，在分子生物学、细胞生物学、医学诊断学，特别是生物医学活体成像研究方面具有极大的应用前景。
【专利说明】银掺杂砸化锌量子点、其制备方法及应用
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及半导体纳米材料领域，具体涉及一种量子点的制备方法，由此得到的水溶性近红外量子点，及其应用。
【【背景技术】】
[0002]与传统的有机荧光试剂相比，量子点具有许多优异的光谱性能，在生物学、医学领域显示出了广阔的应用前景。尤其是近年来发展起来的近红外荧光量子点，由于对组织具有强的穿透力，特别适合于体内非侵入性可视化成像。
[0003]对于量子点在生物体内的应用，特别是例如活体成像研究来讲，有两个较为重要的指标:其一，不产生细胞毒性，不破坏正常细胞；其二，具有能够覆盖700-2500nm之间的光谱范围。相比较700nm以下波长的可见光而言，该波长范围的近红外光具有更好的组织和血液穿透能力，而且其穿透能力随着波长的增加而增大。
[0004]然而，现有的近红外荧光成像主要集中在700_900nm之间，组织穿透深度仅为l-2cm，将发射波长延长到900-1300nm之间将会极大提高其组织穿透性，实现更深层次的活体成像。
[0005]含镉量子点因其解离或存在于表面的镉离子，而具有显著的细胞毒性，限制了其在活体成像中的应用。目前，主要以含镉量子点为主的量子点发射波长主要在500nm到900nm之间，而且通常都采用了危险而昂贵的金属有机化合物，极大限制了其在活体成像中的应用。虽然现在已有发 散波长为1200nm左右的硫化银量子点，但是合成过程复杂。
[0006]目前用于合成量子点的方法主要包括金属有机合成法与水相合成法。金属有机合成获得的量子点稳定性、表面修饰性较好，但水溶性差、制备复杂、成本较高，限制了其应用范围。王强斌等(专利申请号:201110142093.8)采用高温有机方法制备了硫化银量子点，由于采用高温油相方法，所得的量子点为油溶性，需要进一步修饰才能应用于生物体系；钟海政等(申请号:200810101428.X)采用油相法合成了铜铟硫三元量子点，虽然没有含镉元素，但是铟本身也具有一定放射性。
[0007]相比之下，水相合成方法具有究低成本、操作简单、反应条件温和、容易调控等优点。庞代文等(申请号:200510019940.6)采用水相法实现了超小粒径低毒性的硒化银近红外量子点的合成，但是发射波长未超过900纳米；苏星光等(申请号:200810033005.9)采用水相法合成了发射黄色可见光的锰掺杂的硒化锌量子点，这种量子点虽然无毒，但是可调节波长有限，不利于活体成像研究。
[0008]因此，还需要一种能够兼顾无毒和近红外发射波长的水溶性量子点。
【
【发明内容】
】
[0009]本发明要解决的技术问题在于:克服现有技术的缺陷，提供一种无毒且能覆盖近红外发射波长的量子点，以及其制备方法。
[0010]本发明一方面提供一种用于制备水溶性银掺杂硒化锌量子点的方法，包括以下步骤:
[0011]前体A溶液的制备:将锌盐、硒盐、巯基小分子化合物溶于水中，调节pH为8-12，添加还原剂，反应得到前体A溶液，其中锌盐、硒盐、巯基小分子化合物、还原剂的摩尔比为(1-5):1:(8-10):(4-10)；
[0012]前体B溶液的制备:将银盐溶于水中，得到前体B溶液；
[0013]量子点溶液的制备:将前体A溶液与前体B溶液混合，其中银盐与硒盐的摩尔比为(10-400):1，于90-100°C反应5_90分钟，得到水溶性银掺杂硒化锌量子点的溶液。
[0014]本发明的方法还可以包括用IOKDa的超滤管超滤，以除去杂质的提纯步骤。
[0015]所述锌盐可以为硝酸锌、硫酸锌、醋酸锌、亚硒酸锌、柠檬酸锌、溴化锌、碘化锌、磷酸锌、草酸锌，或它们的混合物。
[0016]所述硒盐可以为亚硒酸钠、硒酸钠、硒脲、亚硒酸铜、亚硒酸锌，或它们的混合物。
[0017]所述巯基小分子化合物可以为硫代甘油、巯基乙酸、巯基丙酸、硫辛酸、谷胱甘肽、半胱氨酸、乙酰半胱氨酸、巯基乙胺，或它们的混合物。
[0018]所述还原剂可以为硼氢化钠、硼氢化钾、硼氢化锂、四甲基硼氢化铵、四丁基氰基硼氢化铵、水合肼，或它们的混合物。
[0019]所述银盐可以为硝酸银、二乙基二硫代氨基甲酸银、乙酸银、乙酰丙酮银、柠檬酸银、氯酸银、碳酸银、磷酸银、高氯酸银，或它们的混合物。
[0020]本发明另一方面提供根据本发明的方制备得到的水溶性银掺杂硒化锌量子点，所述量子点具有在900-1300nm波长范围内5_8%的量子产率；以及10_15nm的粒径。
[0021]本发明再一方面提供该水溶性银掺杂硒化锌量子点在生物医学活体成像中的应用。
[0022]本发明的有益效果在于:采用水相合成、成核掺杂的方法制备银掺杂硒化锌量子点，制备方法简便、反应条件可控、时间短且重现性好。制备得到的量子点不含镉、铟等重金属元素，对生物体无毒；并且具有覆盖900-1300nm的近红外发射波长，在分子生物学、细胞生物学、医学诊断学，特别是生物医学活体成像研究方面具有极大的应用前景。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0023]图1为根据本发明实施例1制备得到的量子点的透射电镜照片。
[0024]图2为根据本发明实施例1制备得到的量子点的EDX元素分析结果。
[0025]图3为根据本发明实施例1制备得到的量子点的吸收光谱。
[0026]图4为根据本发明实施例1制备得到的量子点的发射光谱。
[0027]图5为根据本发明实施例2制备得到的量子点的发射光谱。
[0028]图6为根据本发明实施例3制备得到的量子点的发射光谱。
[0029]图7为根据本发明实施例4制备得到的量子点的发射光谱。
[0030]图8为根据本发明实施例5制备得到的量子点的发射光谱。
【【具体实施方式】】
[0031]本发明利用硒盐、锌盐、银盐等无机金属的水溶性盐为原料，使用巯基小分子作为表面配体，在水相合成方法中，通过成核掺杂，来制备水溶性的银掺杂硒化锌量子点。[0032]本发明的方法包括以下步骤:首先制备前体A溶液和前体B溶液。
[0033]前体A溶液为硒化锌前体溶液，使用锌盐、硒盐来制备。具体地,将锌盐、硒盐、巯基小分子化合物溶于水中，调节PH为8-12，添加还原剂，反应得到前体A溶液。
[0034]锌盐和硒盐均可以为任何可溶于水的盐类。例如，锌盐可以是硝酸锌、硫酸锌、醋酸锌、亚硒酸锌、柠檬酸锌、溴化锌、碘化锌、磷酸锌、草酸锌等等，或是它们的混合物。硒盐可以为亚硒酸钠、硒酸钠、硒脲、亚硒酸铜、亚硒酸锌等等，或是它们的混合物。
[0035]锌盐与硒盐摩尔比可以为(1-5):1，保证锌的量大于硒可以使得到的量子点具有比较高的发光效率。
[0036]巯基小分子在水溶液中起到表面配体的作用，用来稳定Zn离子，以避免在碱性pH(例如pH>9)时出现白色沉淀。巯基小分子可以是例如:硫代甘油、巯基乙酸、巯基丙酸、硫辛酸、谷胱甘肽、半胱氨酸、乙酰半胱氨酸、巯基乙胺等等，或是它们的混合物。
[0037]巯基小分子化合物与硒的摩尔比可以为(8-10):1，过量的巯基小分子化合物可以用来稳定生成的量子点，并抑制量子点表面的巯基小分子被空气和溶液中的氧气氧化。
[0038]调节反应溶液的pH为8-12，是为提供碱性环境以利于反应进行。可以使用强碱溶液，如NaOH、KOH等的溶液来调节反应溶液的pH。
[0039]还原剂用来将硒盐(亚硒酸盐、硒酸盐等)还原成能够与锌离子结合的阴离子状态。还原剂可以选用硼氢化钠、硼氢化钾、硼氢化锂、四甲基硼氢化铵、四丁基氰基硼氢化铵、水合肼等等，或是它们的混合物。
[0040]由于阴离子状态的硒很容易被空气和溶液中的氧氧化，因此需要加入过量的还原剂，以保证反应体系为还原性体系。例如，本发明的方法中，还原剂与硒的摩尔比可以为(4-10):1。
[0041]前体B溶液的制备:将银盐溶于水中，即得到前体B溶液。
[0042]银盐可以为硝酸银、二乙基二硫代氨基甲酸银、乙酸银、乙酰丙酮银、柠檬酸银、氯酸银、碳酸银、磷酸银、高氯酸银等等，或是它们的混合物。
[0043]将前体A溶液与前体B溶液混合反应，即得到水溶性银掺杂硒化锌量子点的溶液。
[0044]由于本发明是使用成核掺杂的方式，因此反应中，需要银盐过量。银盐与硒盐的摩尔比可以为(10-400):1。
[0045]反应可以在90-100°C进行5-90分钟，该反应条件较为温和、快速。而且，本发明的方法中，各原料溶液的浓度对制备方法影响不大，只是不同前体浓度的溶液得到的量子点浓度不同，反应易于控制。
[0046]得到的溶液可以进一步提纯处理，以去除溶液中的其他离子杂质。例如可以使用IOKDa (购自密理博公司)的超滤管超滤，或是其他提纯方式。
[0047]经测试可知，本发明的方法制备得到的水溶性银掺杂硒化锌量子点的发射光谱覆盖900-1300nm的近红外光区域，量子产率高于5%，通常为5_8% ;银掺杂率在3%左右；具有10-15nm的粒径，粒径均一，单分散性好；可大量重复制备。
[0048]此外，由于本发明的量子点为水溶性，且是由对生物体无毒的元素组成，消除了传统量子点中因使用重金属元素而带来的毒性，可作为荧光标记物广泛应用于细胞、组织成像，在分子生物学、细胞生物学、医学诊断学，特别是生物医学活体成像研究方面具有极大的应用前景。[0049]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0050]实施例
[0051]尽管本发明实施例中示例性地使用硝酸锌、亚硒酸钠、硝酸银作为原料，来制备量子点。本领域技术人员应理解，对于本发明的方法而言，由于采用水相合成，因此在实施本发明时，对于原料锌盐、硒盐、银盐而言，只需为水溶性的盐类，如上文所列出对那些，而无需限定具体为哪种盐。
[0052]针对还原剂，实施例中示例性地使用了硼氢化钠，然而本领域技术人员也应理解，在实施本发明时，也可以使用其他的还原剂，例如上文所列出的那些，只要能够起到将硒盐还原为硒的阴离子形式的效果即可。
[0053]原料与试剂:
[0054]硝酸锌(Zn(NO3)2.6H20, Mw297.49);硫酸锌(ZnSO4.7H20, Mw287.56);亚硒酸锌(ZnSeO3, Mwl92.35)；
[0055]亚硒酸钠(Na2SeO3,Mwl72.94);硒脲(NH2CSeNH2, Mwl23.02)；
[0056]硼氢化钠(NaBH4,Mw37.87);硼氢化钾(KBH4，Mw53.94)；
[0057]硝酸银(AgNO3,Mwl69.87);醋酸银(CH3COOAg, Mwl66.91);磷酸银(Ag3PO4,Mw418.58)；
[0058]硫代甘油(C3H8O2S ,Mwl08.2);巯基乙酸(C2H4O2S, Mw92.12);谷胱甘肽(CltlH17N3O6S,Mw307.32)。以上原料和试剂均购自Sigma-Aldrich公司。
[0059]实施例1:
[0060]前体A:称取硝酸锌0.15g (0.5mmol),硫代甘油0.3g (2.7mmol),亚硒酸钠0.04g(0.23mmol)，溶解于100mL超纯水中，调节溶液pH值到10，加入硼氢化钠0.08g(2.1mmol),
反应30分钟后,备用。
[0061]前体B:称取硝酸银0.17g (lmmol),溶解于IOml超纯水中，0.lmol/L备用。
[0062]银掺杂硒化锌量子点:取Iml前体A，加入0.4ml的前体B，放置在恒温金属浴内，设置合成条件为100°c加热10分钟，然后降温到室温。
[0063]最后用IOKDa的超滤管除去多余的离子，即得到本发明所需要的水溶性银掺杂硒化锌量子点溶液。
[0064]实施例2:
[0065]前体A:称取硝酸锌0.15g (0.5mmol),巯基乙酸0.1g (Immol),亚硒酸钠0.02g(0.12mmol),溶解于100mL超纯水中，调节溶液pH值到10,加入硼氢化钠0.004g (lmmol),
反应30分钟后,备用。
[0066]前体B:称取硝酸银3.4g (20mmol)，溶解于IOml超纯水中，2mol/L备用。
[0067]银掺杂硒化锌量子点:取Iml前体A，加入0.2ml的前体B，放置在恒温金属浴内，设置合成条件为100°c加热90分钟，然后降温到室温。
[0068]最后用IOKDa的超滤管除去多余的离子。即得到本发明所需要的水溶性银掺杂硒化锌量子点溶液。
[0069]实施例3:
[0070]前体A:称取硝酸锌0.15g (0.5mmol),谷胱甘肽0.6g (2mmol),亚硒酸钠0.04g(0.23mmol),溶解于IOml超纯水中，调节溶液pH值到8,加入硼氢化钠0.04g (lmmol),反应90分钟后，备用。
[0071]前体B:称取硝酸银1.7g (IOmmol )，溶解于IOml超纯水中，lmol/L备用。
[0072]银掺杂硒化锌量子点:取Iml前体储备液A，加入0.1ml的前体储备液B，放置在恒温金属浴内，设置合成条件为90°C加热15分钟，然后降温到室温。
[0073]最后用IOKDa的超滤管除去多余的离子。即得到本发明所需要的水溶性银掺杂硒化锌量子点溶液。
[0074]实施例4:
[0075]前体A:称取硫酸锌 0.14g (0.5mmol),谷胱甘肽 0.6g (2mmol),硒脲 0.03g(0.23mmol),溶解于IOml超纯水中，调节溶液pH值到12,加入硼氢化钾0.05g (lmmol),反应90分钟后，备用，Zn与Se的摩尔比为50:20。
[0076]前体B:称取醋酸银1.7g (IOmmol )，溶解于IOml超纯水中，lmol/L备用。
[0077]银掺杂硒化锌量子点:取Iml前体储备液A，加入0.1ml的前体储备液B，放置在恒温金属浴内，设置合成条件为90°C加热5分钟，然后降温到室温。
[0078]最后用IOKDa的超滤管除去多余的离子。即得到本发明所需要的水溶性银掺杂硒化锌量子点溶液。
[0079]实施例5: [0080]前体A:称取亚硒酸锌0.096g (0.5mmol),谷胱甘肽0.6g (2mmol),溶解于IOml超纯水中，调节溶液pH值到10，加入硼氢化钾0.05g( lmmol)，反应90分钟后，备用。该实施例中Zn与Se的摩尔比为1:1。
[0081]前体B:称取磷酸银0.42g (lmmol)，溶解于IOml超纯水中，0.lmol/L备用。
[0082]银掺杂硒化锌量子点:取Iml前体储备液A，加入0.1ml的前体储备液B，放置在恒温金属浴内，设置合成条件为90°C加热90分钟，然后降温到室温。
[0083]最后用IOKDa的超滤管除去多余的离子。即得到本发明所需要的水溶性银掺杂硒化锌量子点溶液。
[0084]测试表征:
[0085]图1所示为实施例1制备得到的水溶性银掺杂硒化锌量子点的透射电镜照片。从图中可见，本发明制备得到的量子点粒径在10-15nm，粒径较为均一。
[0086]图2为实施例1的量子点的EDX元素分析结果。可以看到该样品中含有Zn、Ag、Se 。
[0087]本发明人进一步通过ICP-AES元素分析测定量子点中Ag的掺杂比例。具体地，将水溶性银掺杂硒化锌量子点用硝酸溶解，然后用ICP-AES分析测定得到Zn和Ag的比例为
4.3:0.14，通过计算可以得到Ag的掺杂比例约为3%。
[0088]图3为实施例1的量子点的吸收光谱。可以看到该样品在400nm到900nm有广泛的吸收，而且吸光度随着波长的减小而增加。
[0089]图4至图8分别为根据实施例1至5制备得到的水溶性银掺杂硒化锌量子点的发射光谱。可以看到五个量子点样品均在900nm到1300nm之间具有明显的荧光发散光谱，发光强度分别达到5000单位、4000单位、2500单位、5000单位和4500单位。这一方面说明本发明的量子点具有覆盖900-1300nm近红外区的发射波长，另一方面也说明本发明的制备方法具有良好的重现性。[0090]本发明人通过将现有的近红外荧光染料吲哚菁绿(ICG)作为参照，对比根据本发明实施例制备得到的水溶性银掺杂硒化锌量子点，确定本发明的量子点具有大于5%的量子产率，五个实施例得到的量子点的量子产率在5-8%的范围。
[0091]以上所述本发明的【具体实施方式】，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内 。
【权利要求】
1.一种用于制备水溶性银掺杂硒化锌量子点的方法，包括以下步骤: 前体A溶液的制备:将锌盐、硒盐、巯基小分子化合物溶于水中，调节pH为8-12，添加还原剂，反应得到前体A溶液，其中锌盐、硒盐、巯基小分子化合物、还原剂的摩尔比为(1-5):1:(8-10):(4-10)； 前体B溶液的制备:将银盐溶于水中，得到前体B溶液； 量子点溶液的制备:将前体A溶液与前体B溶液混合，其中银盐与硒盐的摩尔比为(10-400):1，于90-100°C反应5_90分钟，得到水溶性银掺杂硒化锌量子点的溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括用IOKDa的超滤管超滤，以除去杂质的提纯步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述锌盐为硝酸锌、硫酸锌、醋酸锌、亚硒酸锌、柠檬酸锌、溴化锌、碘化锌、磷酸锌、草酸锌，或它们的混合物。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述硒盐为亚硒酸钠、硒酸钠、硒脲、亚硒酸铜、亚硒酸锌，或它们的混合物。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述巯基小分子化合物为硫代甘油、巯基乙酸、巯基丙酸、硫辛酸、谷胱甘肽、半胱氨酸、乙酰半胱氨酸、巯基乙胺，或它们的混合物。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述还原剂为硼氢化钠、硼氢化钾、硼氢化锂、四甲基硼氢化铵、四丁基氰基硼氢化铵、水合肼，或它们的混合物。
7.根据权 利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述银盐为硝酸银、二乙基二硫代氨基甲酸银、乙酸银、乙酰丙酮银、柠檬酸银、氯酸银、碳酸银、磷酸银、高氯酸银，或它们的混合物。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法制备得到的水溶性银掺杂硒化锌量子点，其特征在于，所述量子点具有在900-1300nm波长范围内5_8%的量子产率。
9.根据权利要求8所述的水溶性银掺杂硒化锌量子点，其特征在于，所述量子点的粒径为 10-15nm。
10.权利要求8所述的水溶性银掺杂硒化锌量子点在生物医学活体成像中的应用。
【文档编号】C09K11/88GK103881723SQ201210558813
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2012年12月20日
【发明者】蔡林涛, 张鹏飞, 贾静, 盛宗海, 高笃阳, 胡德红, 龚萍 申请人:深圳先进技术研究院