一种用于磁共振和荧光成像量子点及其制备方法与流程

本发明属于半导体纳米材料制备和医用材料技术领域，具体涉及一种用于磁共振成像的荧光量子点及其制备方法。

背景技术：

核磁共振成像是利用核磁共振原理，根据能量在物质内部结构环境不同导致衰减程度不同，通过梯度磁场检测产生的电磁波，从而对物体原子核的位置与种类进行判断，绘制出物体的结构图像。医学上，将这种技术用于人体内部结构的成像，是一种革命性的医学诊断工具，可以提供很好的基于软组织对比度的解剖信息和非侵入式实时检测模式的功能信息。合适的核磁共振成像造影剂可以改变人体组织周围部分水分子的弛豫时间，从而提高mri检验的灵敏度和准确率。

量子点的荧光特性在生物探针、活性成像方面有重要应用，而钆离子具有7个不成对电子，是一种顺磁性非常强的金属离子，能明显的缩短其t1驰豫时间，从而影响核磁共振信号强度，表现出增强的信号。将钆离子掺杂量子点，从而实现磁共振成像的功能。

核磁共振造影剂主要通过静脉注射，从而要求造影剂有微毒或无毒。稀土元素gd的配合物是主流造影剂的组成成分，但是大量的gd元素对人体有一定危害。如何高效利用gd元素来获得稳定的造影剂材料是合成的挑战性课题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，将gd元素与无重金属成分的荧光量子点进行复合，提供一种具有简单便捷、绿色环保的合成方法，制备可作为磁共振成像的造影剂原料与荧光标记检测的量子点材料。

本发明的技术问题通过以下技术方案解决：

一种用于磁共振和荧光成像量子点，其特征在于，是gd元素掺杂的zncufes3量子点，掺杂量为gd与zn元素的摩尔比为1:10～100；所述的量子点的粒度为4.5～8纳米；表面配体为油胺、油酸和巯醇。

作为优选，gd与zn元素的摩尔比为1:10；所述的量子点的粒度为5.5纳米。

一种用于磁共振和荧光成像量子点的制备方法，首先将醋酸铜、醋酸锌、氯化铁、氯化钆和油酸，真空处理后加入十二烷基硫醇，升温至150～210℃，注入硫的油胺溶液，反应5分钟制得gd元素掺杂的zn-cu-fes3量子点，最后加入丙酮或者乙醇致量子点沉淀，进而分散到氯仿或己烷溶剂中，得到提纯的用于磁共振和荧光成像的量子点gd@zn-cu-fes3；所述的醋酸铜、醋酸锌和氯化铁的用量按摩尔比为1∶1∶1，氯化钆的用量按照所含的gd元素与所述的醋酸锌中所含的zn元素按摩尔比为1∶10～100，硫的用量符合化学计量比，所述的油酸与十二烷基硫醇作为配体用量均符合计量比。

所述的硫的油胺溶液的浓度优选1mmol/ml，所述的十八稀的用量优选每毫摩尔zn元素使用50ml。

进一步的，本发明可以通过控制热注入温度调控制备的量子点的尺寸，具体地，在体系升温到150℃时注入硫的油胺溶液，最终得到粒子尺寸为4.5nm的gd@zn-cu-fes3量子点；180℃时注入硫的油胺溶液，最终得到粒子尺寸为5.5nm的gd@zn-cu-fes3量子点；210℃时注入硫的油胺溶液，最终得到粒子尺寸为8.0nm的gd@zn-cu-fes3量子点。

本发明通过高温热注入方法合成gd@zn-cu-fes3量子点。通过控制反应温度获得不同尺寸的量子点，实现荧光峰位调节，通过调控gdcl3的投料量获得了不同掺杂浓度的gd@zn-c-ufes3量子点的制备。gd@zn-cu-fes3量子点可以作为核磁共振成像的造影剂，掺杂浓度与弛豫时间相关，合成方法简单快捷，且该量子点生物毒性低、化学稳定性高。

本发明的量子点为不含重金属的绿色量子点，制备的量子点尺寸均一，通过调控量子点的尺寸，其光学发光波长为620到775纳米。综上所述，本发明有以下优点：

1、获得的量子点可以作核磁共振成像造影剂材料，也具备范围较广的荧光可调性质。

2、与现有的核磁共振造影剂相比，本发明具有良好的细胞相容性，可以对生物体在体无损非侵入分析和检测，并且材料结构和化学性质稳定。

3、gd的掺杂量可通过简单的投料比调控。

4、量子点尺寸均一。

附图说明:

图1是实施例1在150℃温度下制备的粒度为4.5nm的gd@zn-cu-fes3量子点的透射电镜照片。

图2是实施例2在180℃温度下制备的粒度为5.5nm的gd@zn-cu-fes3量子点的透射电镜照片。

图3是实施例3在210℃温度下制备的粒度为8.0nm的gd@zn-cu-fes3量子点的透射电镜照片。

图4是实施例1～3制备的不同尺寸的量子点的x射线粉末衍射分析结果。自下至上分别对应量子点的粒度为4.5nm、5.5nm、8.0nm，分别对应反应温度为150℃、180℃和210℃。

图5是实施例1～3在不同温度下制备的不同尺寸的gd@zn-cu-fes3量子点的吸收光谱。自下至上3对曲线对应的量子点的粒度分别为4.5nm、5.5nm、8.0nm，分别对应反应温度为150℃、180℃和210℃。

图6是实施例1～3在不同温度下制备的不同尺寸的gd@zn-cu-fes3量子点的荧光光谱。自左至右3对曲线对应的量子点的粒度分别为4.5nm、5.5nm、8.0nm，分别对应反应温度为150℃、180℃和210℃。

图7是用本发明的产物作为造影剂体外核磁共振成像(t1加权像)，图中从左至右依次对应掺杂比(gd/zn)为0、1:100、1:50和1:10的gd@zn-cu-fes3量子点溶液作为造影剂。

具体实施方式：

实施例1：

首先将5ml十八烯、0.1mmol醋酸铜、0.1mmol醋酸锌、0.1mmol氯化铁和0.01mmol氯化钆、1mmol油酸加入反应瓶，100℃真空处理后，加入1mmol十二烷基硫醇，随后溶液升温至150℃，将0.3mmol单质硫溶解在0.3ml油胺中并迅速注入上述反应溶液中并保持5分钟，制得gd:zn为1:10的粒子尺寸为4.5nm的gd@zn-cu-fes3量子点。产物的透射电镜照片如图1所示，x射线粉末衍射分析结果如图4所示(下)。

实施例2：

首先将5ml十八烯、0.1mmol醋酸铜、0.1mmol醋酸锌、0.1mmol氯化铁和0.002mmol氯化钆、1mmol油酸加入反应瓶，100℃真空处理后，加入1mmol十二烷基硫醇，随后溶液升温至180℃，0.3mmol单质硫溶解在0.3ml油胺中并迅速注入上述反应溶液中并保持5分钟，制得gd:zn为1:50的粒子尺寸为5.5nm的gd@zn-cu-fes3量子点。产物的透射电镜照片如图2所示，x射线粉末衍射分析结果如图4所示(中)。

实施例3：

首先将5ml十八烯、0.1mmol醋酸铜、0.1mmol醋酸锌、0.1mmol氯化铁和0.001mmol氯化钆、1mmol油酸加入反应瓶，100℃真空处理后，加入1mmol十二烷基硫醇，随后溶液升温至210℃，0.3mmol单质硫溶解在0.3ml油胺中并迅速注入到上述反应溶液中并保持5分钟，制得gd:zn为1:100的尺寸为8.0nm的gd@zn-cu-fes3量子点。产物的透射电镜照片如图3所示，x射线粉末衍射分析结果如图4所示(上)。

对实施例1～3制备的产物的吸收光谱和荧光光谱测试结果分别见图5和图6。

实施例4：

首先将50ml十八烯、1mmol醋酸铜、1mmol醋酸锌、1mmol氯化铁和0.02mmol氯化钆、10mmol油酸加入反应瓶，100℃真空处理后，加入10mmol十二烷基硫醇，随后溶液升温至180℃，3mmol单质硫溶解在3ml油胺中并迅速注入到上述反应溶液中并保持5分钟，制得gd:zn为1:50的尺寸为5.5nm的gd@zn-cu-fes3量子点。当投料等比例扩大10倍后，依然能够制备相同的产物。

在上述条件的基础上，将氯化钆的投料量由0.02mmol改为0.01mmol和0.1mmol，则分别制得gd:zn为1:100和1:10的尺寸均为5.5nm的gd@zn-cu-fes3量子点。对3种不同投料比制备的产物进行元素分析，结果如表1所示。

表1不同gd/zn投料比制备的产物的元素分析结果

实施例5：

对实施例3制备的量子点进行近红外荧光染料ir-125标定，具体步骤如下：

取实施例3制备的gd@zncufes3量子点(发射峰为775nm)溶于20℃的正己烷溶液中，浓度稀释到使吸收光谱中602nm处的吸光度值为0.13，将荧光染料ir-125溶解在20℃的甲醇中，吸收光谱在602nm处相交，吸光度值为0.13；然后对于稀释好的两溶液以602nm波长激发，分别得到荧光光谱，计算得gd@zn-cu-fes3量子点与染料的积分面积比值为7.32，gd@zn-cu-fes3量子点的荧光量子效率计算公式为

φx＝φs(nx/ns)²(as/ax)(fx/fs)

其中φ为荧光量子效率，n表示溶剂在测试温度下的折光率，a为溶液在激发波长位置的吸光度值，f为荧光光谱的积分面积，每个参数的下标x表示待测试的gd@zn-cu-fes3量子点，下标s表示标准物质荧光染料ir-125。

将结果代入荧光量子效率计算公式进行计算，两溶液在激发波长715nm处的吸光度值as和ax均为0.13；甲醇在20℃的折光率ns为1.44，正己烷在20℃的折光率nx为1.388；测定得到的积分面积比值fx/fs为7.32，荧光染料ir-125在甲醇中的荧光量子效率φs为4％。经计算，制得的gd@zn-cu-fes3量子点荧光量子效率为29％，显示出本发明制备的量子点材料具有很高的荧光量子效率。

实施例6：

取等量的投料gd元素比例依次为0、1:100、1:50和1:10的且粒度均为5.5nm的gd@zn-cu-fes3量子点溶液，使各样品中gd元素的浓度分别为0mm、0.01mm，0.02mm和0.1mm，对其进行核磁共振造影测试，结果如图7所示。随gd掺杂浓度的增加，信号明显增强。