含有疏水夹层的量子点纳米颗粒及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种含有疏水夹层的量子点纳米颗粒及其制备方法。由内到外依次由核、疏水夹层和壳层组成，所述核为量子点纳米颗粒或磁性量子点纳米颗粒；所述疏水夹层为致密的疏水结构，包含三部分：量子点纳米颗粒或磁性量子点纳米颗粒原有的表面配基分子、含有饱和脂肪链的离子型表面活性剂和含有饱和脂肪链的硅前体试剂；所述壳层为二氧化硅壳层；所述核的粒径大于3nm，小于10nm；所述壳层厚度为0.6-0.7nm。本发明首次制备了高量子产率的水溶性量子点，其疏水夹层可以有效阻碍环境中不利于荧光发射的因素，从而得到高荧光量子产率的量子点或磁性量子点纳米颗粒。
【专利说明】含有疏水夹层的量子点纳米颗粒及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种量子点纳米颗粒，特别是涉及一种含有疏水夹层的高荧光量子产率量子点纳米颗粒及其制备方法。
【背景技术】
[0002]量子点(quantum dots, QDs)又被称为半导体纳米晶体(Semiconductornanocrystals),是一种由II一VI族或者III一V族元素组成的,并具有非常优越光学性质(宽激发谱，窄发射谱，可调节的发射光谱，不易被光漂白)的纳米材料。常见的量子点可分为:
[0003]I)双元素量子点
[0004]I1-VI 族:
[0005]CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS,
[0006]SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, HgS, HgSe
[0007]III—V族:
[0008]InAs, GaAs, InP
[0009]2)合金型量子点:
[0010]CdSeS, CdSeTe 等
[0011]3)掺杂型量子点:
[0012]Mn doped ZnS, Mn doped CdS 等
[0013]磁量子点(magnetic quantum dots, MQDs)是一种新型的整合量子点与磁性纳米颗粒的复合材料，它既可以在激发光的照射下发射荧光；同时具有超顺磁性便于进行核磁共振成像和药物的磁靶向治疗，具有巨大的应用价值。
[0014]水溶性量子点的制备:高性能的量子点一般在有机相中合成，即金属有机化合物在具有配位性质的有机溶剂中生长纳米晶体，因此制备的量子点纳米颗粒表面存在疏水的配基如油酸和三正辛基氧化膦。这种疏水性量子点不易于生命科学的应用，因此需要对其进行表面修饰，赋予其亲水表面。常见的表面修饰方法包括下列三种:
[0015]I)配体替换法:
[0016]常用含巯基的试剂可以替换量子点表面的油酸和三正辛基氧化膦，如巯基乙醇，巯基乙酸等
[0017]2 )嵌段聚合物包裹法:
[0018]常用两亲的高分子材料将量子点包裹于其疏水区中，亲水区暴露在表面，如十八烯马来酸酐的聚合物
[0019]3) 二氧化硅包层
[0020] 上述方法的存在技术难题，其中最要的是采用上述策略会破坏量子点的发光效率:在配基替换法中，新的配基破坏了原有的表面结构导致荧光量子效率的降低，同样的问题也存在于二氧化硅包层中。虽然嵌段聚合物包裹法未破坏量子点的表面，但其疏松的结构难以阻挡环境中的淬灭因素如金属离子和氧气等。经过上述三种传统方法制备的水溶性量子点的荧光量子效率会有明显的降低。因此制备高量子产率，光学稳定性好，尺度小的适用于生物体系的量子点仍是一个难题。
【发明内容】
[0021]本发明要解决的技术问题是提供一种高量子产率，光学稳定性好，尺度小的适用于生物体系的含有疏水夹层的量子点纳米颗粒。
[0022]为达上述目的，本发明含有疏水夹层的高荧光量子产率量子点纳米颗粒，由内到外依次由核、疏水夹层和壳层组成，所述核为量子点纳米颗粒或磁性量子点纳米颗粒；所述疏水夹层为致密的疏水结构，包含三部分:量子点纳米颗粒或磁性量子点纳米颗粒原有的表面配基分子、含有饱和脂肪链的离子型表面活性剂和含有饱和脂肪链的硅前体试剂；所述壳层为二氧化娃壳层；所述核的粒径大于3nm,小于IOnm ;所述壳层厚度为0.6-0.7nm。
[0023]本发明的纳米颗粒，所述核为量子点纳米颗粒，该量子点纳米颗粒为下列九种量子点中的任意一种:CdS, CdSe, CdTe, CdSeS, CdTeS, CdSe/ZnSe/ZnS, CdS/ZnS, CdSeS/ZnS, CdTeS/ZnS 量子点，其中优选 CdSe/ZnSe/ZnS, CdS/ZnS, CdSeS/ZnS ；
[0024]所述核为磁性量子点纳米颗粒，该磁性量子点纳米颗粒为核壳型磁性量子点纳米颗粒，由内核和外延生长的壳层形成，所述内核为磁性纳米颗粒，如Fe、Co、CoO、Fe304、Fe203、FePt、CoPt 等，优选Fe304、Fe203、FePt。外延生长的壳层为 CdSe、CdS、CdSe、CdSe、CdSe、CdSeS 等。本发明优选磁性量子点为 Fe304/CdSe、FePt/CdS、FePt/CdSe、CoPt/CdSe、Co/CdSe、Fe203/CdSeS ，其中更优选Fe203/CdSeS。制备核壳型磁性量子点纳米颗粒的方法，包括以下步骤:(I)以铁或钴的化合物为原料，以脂肪酸和/或脂肪胺为表面活性剂，采用热分解或化学还原的方法得到磁性纳米颗粒；(2)将磁性纳米颗粒溶于高沸点溶剂中并在惰性气体的保护下加热到100-400°C，得到溶液A ;(3)将镉的化合物以及S、Se、Te、Zn中任意两种元素的溶液先后注入到步骤(2)中得到的溶液A中使其反应，控制温度在100-400°C，得到磁性量子点纳米颗粒混合物B ; (4)除去未反应物、杂质和反应溶剂，得到磁性量子点纳米颗粒。
[0025]本发明的纳米颗粒，所述表面配基分子为油酸和三正辛基氧化膦分子；所述含有饱和脂肪链的离子型表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵或十八烷基三甲基溴化铵，优选十六烷基三甲基溴化铵；所述含有饱和脂肪链的硅前体试剂为正辛基三甲氧基硅烷。
[0026]本发明的纳米颗粒，其疏水夹层的几何结构堪称完美匹配，所加入的含有饱和脂肪链的离子型表面活性剂和含有饱和脂肪链的硅前体试剂可以很完美的填补原有配基油酸和三正辛基氧化膦间的几何空间，形成致密的疏水结构。几何结构完美匹配的疏水夹层不增加纳米颗粒的尺寸。所述的高荧光量子产率是指经过包壳后的量子产率高于原有疏水性量子点或磁性量子点，其荧光量子产率大于87%，小于99% ;光致发光谱的半峰宽大于34nm,小于 39nm。
[0027]以上几何结构完美匹配疏水夹层的构建及优化由以下实验得出I)使用Gaussian03半经验算法PM3进行通过理论计算，分别计算表面配基与不同脂肪链长的离子型表面活性剂的匹配程度2)对使用不同脂肪链长的离子型表面活性剂构建的量子点的光学性质和胶体稳定性进行比较。两者得到一致的结论:十六烷基三甲基溴化铵与表面油酸分子完美匹配，可以有效降低表面配基的能量。使用匹配最佳的十六烷基三甲基溴化铵和正辛基三甲氧基硅烷构建的疏水夹层可以令纳米颗粒其量子产率和胶体稳定性最优。
[0028]本发明还涉及制备上述纳米颗粒的方法，包括以下步骤:
[0029]I)将权利要求1-3中任一所述的核量子点纳米颗粒或核磁性量子点纳米颗粒溶于有机溶剂中得到溶液A，将溶液A浓缩后加入含有饱和脂肪链的离子型表面活性剂的水溶液，超声至清亮得到溶液B ；
[0030]2)在所述的B溶液中加入含有饱和脂肪链的硅前体试剂，反应30-60分钟；
[0031]3)在步骤2)反应后的溶液中，加入硅交联试剂R1-Si (OR2)3反应24-48小时，其中 R1 为(CH2) nX，X 为-NH2, -SH, -PO3, -PO3-CH3, n=3_6，R2 为 H，CH3 或 C2H5,反应结束后离心除杂，收集沉淀用水清洗，即得含有疏水夹层的高荧光量子产率量子点纳米颗粒。
[0032]优选地，本发明制备上述纳米颗粒的方法，基于Img的核量子点纳米颗粒或核磁性量子点纳米颗粒，离子型表面活性剂的用量为20ml，硅前体试剂的用量为10微升，硅交联试剂的用量为10微升。
[0033]本发明的方法，其中所述步骤I)的有机溶剂为下述有机溶剂中的至少一种:二氯甲烷，三氯甲烷，正己烷，环己烷，其中优选三氯甲烷；溶液A的浓度为0.01—0.5mg/ml，优选 0.05mg/ml。
[0034]本发明的方法，其中所述步骤I)浓缩溶液A的方法为旋转蒸发法，温度为37—60°C，优选 40°C，转速为 50— 200rpm，优选 150rpm ；
[0035]本发明的方法，其中所述饱和脂肪链的离子型表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，其水溶液的浓度为0.92— 46mM，优选为4.6mM。
[0036]本发明的方法，其中所述含有饱和脂肪链的硅前体试剂为正辛基三甲氧基硅烷。
[0037]本发明的方法，其中优选所述步骤2)的反应温度为15_45°C，较优选为25_37°C ；所述步骤3)的反应温度为15-45°C，较优选为25-37°C。
[0038]本发明通过同时使用芘探针和DPH探针，从荧光信号上印证了疏水夹层的存在，并得到结论:表面几何结构完美匹配的疏水夹层可以为量子点发光核心提供一个非极性的稳定发光环境。
[0039]本发明通过荧光寿命进一步夯实了含有几何结构完美匹配疏水夹层的高荧光量子产率纳米颗粒的发光机理；实验证明几何结构完美匹配疏水夹层的存在减少了环境对发光核心的影响，大幅抑制非辐射衰减途径。同时还发现辐射衰减速率包层后提高了近一倍，这可能归功于离子型表面活性剂在外层形成的球型电场。
[0040]本发明首次制备了高量子产率(接近100%)的水溶性量子点。其几何结构完美匹配疏水夹层可以有效阻碍环境中的重金属离子和氧分子对量子表面结构的破坏，从而提高量子点的荧光稳定性。即 其疏水夹层可以有效阻碍环境中不利于荧光发射的因素，从而得到高突光量子产率的量子点纳米颗粒或磁性量子点纳米颗粒。
[0041]本发明制备的含有几何结构完美匹配疏水夹层的高荧光量子产率纳米颗粒具有均一的小尺度，表面带较强的正电性(30-40mV)，疏水夹层的外侧0.6-0.7nm的二氧化硅壳层，赋予其优异的生物相容性和胶体稳定性。表面暴露的官能团可与生物分子偶联制备纳米荧光探针，为其生物学应用奠定了基础。[0042]下面结合附图对本发明的含有疏水夹层的高荧光量子产率纳米颗粒及其制备方法作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图la、图1b为实施例1制备的含有几何结构完美匹配疏水夹层的高荧光量子产率CdSeS/ZnS量子点在自然光和365nm紫外光照射下的照片，图1a为自然光照射下的照片，图1b为365nm紫外光照射下的照片；
[0044]图2为未经包层的CdSeS/ZnS量子点和实施例1制备的包层CdSeS/ZnS量子点的光致发光谱和吸收谱，其中I代表未经包层的CdSeS/ZnS量子点的谱线，2代表包层CdSeS/ZnS量子点的谱线；
[0045]图3为含有几何结构完美匹配疏水夹层的高荧光量子产率纳米颗粒的合成路线；
[0046]图4a为未经包层的疏水性CdSeS/ZnS量子点(上)和含有疏水夹层的高荧光量子产率CdSeS/ZnS量子点(下)的原子力显微镜图片；
[0047]图4b为未经包层的疏水性CdSeS/ZnS量子点(上)和含有疏水夹层的高荧光量子产率CdSeS/ZnS量子点(下)的粒径分布统计图；
[0048]图5为未经包层的疏水性CdSeS/ZnS量子点和含有疏水夹层的高荧光量子产率CdSeS/ZnS量子点的荧光寿命。
【具体实施方式】
[0049]以下是实施例及其试验数据等，但本发明的内容并不局限于这些实施例的范围。
[0050]实施例1含有疏水夹层的高荧光量子产率CdSeS/ZnS ( λ max545nm)量子点的制备[0051 ] 1、CdSeS/ZnS ( λ max545nm)量子点的合成
[0052]将256.8mg Cd0(2mmol), 2.5ml 油酸(OA)和 20ml 三正辛基胺(TOA)置于三口瓶中，在氩气的保护中加热至300°C，得到无色溶液。待温度稳定在300°C时，将S(3.0mL, 64.14mgmL—1)与Se (1.0mL, 15.79mg mL—1)的TOP混合溶液迅速加入Cd0/0A/T0A中，剧烈搅拌反应I分钟。将温度降至240°C，将提前配置的ZnO (ZnO:40.7mg in1.0mLOA)和S (16.0mgin1.0mL TOP)的储备液混合并迅速注入，反应I分钟。将温度降至室温，倒入乙醇中，并用乙醇清洗三遍，干燥得到CdSeS/ZnS ( λ max545nm)量子点。
[0053]2、含有疏水夹层的高荧光量子产率CdSeS/ZnS量子点的制备
[0054]1)称取上述制备的CdSeS/ZnSL Img溶于22ml的氯仿中，得到溶液A ;
[0055]2)将溶液A置于40°C下，以150rpm的转速减压蒸馏将溶液浓缩至10微升；
[0056]3)加入22ml十六烷基三甲基溴化铵水溶液(4.6mM)，在40°C水浴中以60W的超声功率超声IOmin得溶液B ；
[0057]4)将溶液B置于30°C水域中，加入11微升正辛基三甲氧基硅烷(0CTM0)，搅拌30分钟；继续滴加11微升3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APS)，继续搅拌反应24小时。反应结束后,将步骤4)的溶液放置于超滤管中(Amicon Ultra-15, 100, 000MWC0, Millipore Co)离心5000g5min除杂。收集沉淀用水洗三遍，得到含有几何结构完美匹配疏水夹层的高荧光量子产率CdSeS/ZnS量子点。
[0058]合成路线如图3所示:左上为未包层的疏水性量子点或磁量子点，表面配基为油酸(长)和三正辛基氧化膦(短)，配基间较疏松存在大量的几何空间。通过加入十六烷基三甲基溴化铵(红色)和正辛基三甲氧基硅烷(黑色)可以有效填补表面配基间的几何空间形成几何结构完美匹配的疏水夹层，最后用二氧化硅壳层修饰表面，得到含有几何结构完美匹配疏水夹层的高荧光量子产率纳米颗粒(左下)。
[0059]图la、图1b为实施例1制备的含有几何结构完美匹配疏水夹层的高荧光量子产率CdSeS/ZnS量子点在自然光和365nm紫外光照射下的照片，图1a为自然光照射下的照片，图1b为365nm紫外光照射下的照片；由图1a至图1b可知,包层后量子点水溶液(0.01mg/ml)澄清透亮，在365nm的紫外光照射下仍能发射出很强的荧光。图2为包层前后的光致发光谱和吸收谱，包层后的量子点保持了包层前量子点的光谱特性，发射谱均匀对称(半峰宽=35nm)，吸收光谱未见抬高。包层前后的尺寸变化有原子力显微镜得出，如图4a至图4b所示，包层前量子点的粒径为3.22±0.49nm,包层后粒径为4.54±0.58nm。包层前后的突光量子产率以FITC作参照物(量子产率=93%)，分别测量量子点激发和吸收可得其量子产率:包层前:44%包层后94%。图5为包层前后量子点的荧光寿命，表1为其数据分析，可见几何结构完美匹配的疏水夹层可以大大抑制非辐射衰减速率，并增加辐射衰减速率从而提高量子点的突光量子效率。
[0060]表1包层前后量子点的突光寿命数据分析
【权利要求】
1.一种含有疏水夹层的高荧光量子产率量子点纳米颗粒，由内到外依次由核、疏水夹层和壳层组成，所述核为量子点纳米颗粒或磁性量子点纳米颗粒；所述疏水夹层为致密的疏水结构，包含三部分:量子点纳米颗粒或磁性量子点纳米颗粒原有的表面配基分子、含有饱和脂肪链的离子型表面活性剂和含有饱和脂肪链的硅前体试剂；所述壳层为二氧化硅壳层；所述核的粒径大于3nm,小于IOnm ;所述壳层厚度为0.6-0.7nm。
2.根据权利要求1所述的纳米颗粒，其特征在于:所述的核量子点纳米颗粒为下列九种量子点中的任意一种:CdS, CdSe, CdTe, CdSeS, CdTeS, CdSe/ZnSe/ZnS, CdS/ZnS, CdSeS/ZnS, CdTeS/ZnS，其中优选 CdSe/ZnSe/ZnS, CdS/ZnS, CdSeS/ZnS ;所述核磁性量子点纳米颗粒包括 Fe304/CdSe、FePt/CdS、FePt/CdSe、CoPt/CdSe、Co/CdSe、Fe203/CdSeS，其中优选Fe203/CdSeS。
3.根据权利要求1所述的纳米颗粒，其特征在于:所述表面配基分子为油酸和三正辛基氧化膦分子；所述含有饱和脂肪链的离子型表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵或十八烷基三甲基溴化铵，优选十六烷基三甲基溴化铵；所述含有饱和脂肪链的硅前体试剂为正辛基三甲氧基硅烷。
4.根据权利要求1-3任一项所述的纳米颗粒，其特征在于:其荧光量子产率大于87%，小于99% ;光致发光谱的半峰宽大于34nm，小于39nm。
5.制备权利要求1-3任 一项所述的纳米颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将权利要求1-3中任一所述的核量子点纳米颗粒或核磁性量子点纳米颗粒溶于有机溶剂中得到溶液A，将溶液A浓缩后加入含有饱和脂肪链的离子型表面活性剂的水溶液，超声至清亮得到溶液B ； 2)在所述的B溶液中加入含有饱和脂肪链的硅前体试剂，反应30-60分钟； 3)在步骤2)反应后的溶液中，加入硅交联试剂R1-Si(OR2)3反应24-48小时，其中R1为(CH2) nX，X 为-NH2, -SH, -PO3, -PO3-CH3, n=3_6，R2 为 H，CH3 或 C2H5,反应结束后离心除杂，收集沉淀用水清洗，即得含有疏水夹层的高荧光量子产率量子点纳米颗粒。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于:所述步骤I)的有机溶剂为下述有机溶剂中的至少一种:二氯甲烷，三氯甲烷，正己烷，环己烷，其中优选三氯甲烷；溶液A的浓度为0.01一0.5mg/ml,优选 0.05mg/ml。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于:所述步骤I)浓缩溶液A的方法为旋转蒸发法，温度为37— 60°C，优选40°C，转速为50— 200rpm，优选150rpm ；
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于:所述饱和脂肪链的离子型表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，其水溶液的浓度为0.92— 46mM，优选为4.6mM。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于:所述含有饱和脂肪链的硅前体试剂为正羊基二甲氧基硅烷。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于:所述步骤2)的反应温度为15-45°C，优选为25-37°C ;所述步骤3)的反应温度为15-45°C，优选为25_37°C。
【文档编号】B82Y20/00GK103965911SQ201310048740
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年2月6日 优先权日:2013年2月6日
【发明者】沙印林, 罗聃 申请人:北京大学