一种基于纳米管的荧光标记载体及其制备方法与流程

本发明涉及荧光标记载体的制备方法，尤其涉及一种基于纳米管的荧光标记载体的制备方法。

背景技术：

荧光标记技术起源于20世纪40年代，最早用于标记抗体以检测相应的抗原。随着科学技术的进步和生物医学、材料科学等领域的发展，面向细胞尺度或分子、原子尺度的靶向检测和靶向治疗已成为医学、生物学、化学和材料学等多个学科和领域的研究目标之一，药物、试剂等的可标记、无损运载是精准医疗、精准检测等得以实现的关键性问题。传统荧光标记所采用的方法主要是利用具有荧光特性或结合后能够产生荧光特性的化学试剂进行标记，如荧光素类染料、罗丹明类染料、菁染料、绿色荧光蛋白等。随着半导体技术的发展，具有纳米级尺寸的量子点逐渐被应用于荧光标记。1998年Chan和Nie及Bruchez等首次成功用量子点标记了HeLa细胞和3T3成纤维细胞，标志着量子点在生物学领域的应用开始起步。但传统的量子点荧光标记方法不能避免被标记物在输运过程中的损伤、残留或扩散，致使其他非检测或治疗对象受到影响，从而给检测分析带来干扰。区别于传统标记物(如量子点)被包裹在内的方式，一种被标记物置于标记物内的结构(如纳米管)，能够有效克服上述问题，实现针对目标的靶向检测或治疗。半导体纳米管的中空结构能够为生物蛋白、药物分子或其他无机材料提供良好的输运载体，同时，半导体纳米管稳定的物理和化学性质可以确保所承载物质的无损运输，并且通过在纳米管中耦合量子点或量子阱可以实现高效率的荧光发射。利用半导体纳米管实现兼具标记和运输功能的荧光标记载体的可控制备，能够有效推动相关研究领域的发展。

现有纳米管主要通过化学合成方法获得，纳米管的尺寸(直径、长度和管壁厚度)难以精确调控。此外，由于材料和结构的限制，现有纳米管材料存在不发光、发光效率低或者发光波长不可调等技术瓶颈。以上技术难点使得针对特定波长和特定尺寸的纳米管制备难以实现。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于纳米管的荧光标记载体及其制备方法，能够制备出基于纳米管的荧光标记载体，通过对纳米管的直径、管壁、长度和耦合量子结构的调节实现具有高效荧光发射功能的基于纳米管的荧光标记载体的可控制备。利用生物、化学或物理方法将待运载物置入纳米管内，即可实现对特定物质的运载。

本发明的一个目的在于提供一种基于纳米管的荧光标记载体。

本发明的基于纳米管的荧光标记载体包括：纳米管内壁、量子结构和纳米管外壁；其中，在生长衬底上直立生长纳米线；在纳米线的外侧生长纳米管内壁，纳米管内壁包裹纳米线的侧壁和顶端，呈桶形；在纳米管内壁的顶端生长量子结构；量子结构的发光波段与检测波段一致；在纳米管内壁的侧壁以及量子结构的表面生长纳米管外壁，纳米管外壁包裹纳米管内壁的侧壁及其上的量子结构，呈桶形；纳米线、纳米管内壁、量子结构和纳米管外壁形成核-壳结构；核-壳结构从生长衬底上转移至耐高温衬底上，在固定温度下进行高温退火处理，核-壳结构内部的纳米线分解，得到包括纳米管内壁、量子结构和纳米管外壁的纳米管结构；量子结构作为荧光标记部分位于桶形的纳米管内壁和纳米管外壁的顶端之间，形成三维量子限制，在检测过程中实现高效率的辐射复合发光。

纳米线的材料为II-VI族或III-V族的二元或三元合金，纳米线的直径为10～100nm，高度为0.1～5μm。

纳米管外壁和纳米管内壁采用相同的材料，其分解温度高于纳米线的分解温度，各自的厚度为0.2～10nm，纳米管内壁和纳米管外壁共同构成纳米管壁。分解温度是指材料中原子间的化学键开始断裂时的温度。

量子结构作为荧光标记部分位于纳米管内壁和纳米管外壁的顶端之间，形成良好的三维量子限制，使得在高温退火过程对量子结构不造成影响，并且可以实现量子结构的合金有序排列，在检测过程中能够实现高效率的辐射复合发光；量子结构的形式为单量子阱或多量子阱，或者为单量子点或多量子点；量子结构的发光波长在200～2000nm范围内可调节。

高温退火的固定温度大于纳米线的分解温度同时小于纳米管壁的分解温度，确保纳米线被完全分解，而纳米管壁不被破坏；量子结构的分解温度与高温退火的固定温度没有直接关系，在退火过程中量子结构不会被破坏。

本发明的另一个目的在于提供一种基于纳米管的荧光标记载体的制备方法。

本发明的基于纳米管的荧光标记载体的制备方法，包括以下步骤：

1)提供生长衬底，生长衬底具有适合纳米线直立生长的晶面；

2)根据运载物的性质，设置纳米管结构的参数，纳米管结构的参数包括纳米管结构的内径、长度、纳米管内壁和纳米管外壁的厚度；

3)在生长衬底上直立生长纳米线，通过控制生长源的束流比和生长时间，控制纳米线的直径和高度；

4)在纳米线外生长纳米管内壁，通过控制生长源的束流比和生长时间，控制纳米管内壁的厚度，纳米管内壁包裹纳米线的侧壁和顶端；

5)根据检测波段，设计发光波长与检测波段一致的量子结构，在纳米管内壁的顶端生长量子结构；

6)在纳米管内壁的侧壁以及量子结构的表面生长纳米管外壁，通过控制生长源的束流比和生长时间，控制纳米管外壁的厚度，纳米管外壁包裹纳米管内壁的侧壁及其上的量子结构，形成核-壳结构；

7)将核-壳结构从生长衬底上转移至耐高温衬底上；

8)在固定温度下进行高温退火处理，核-壳结构内部的纳米线分解，得到包括纳米管内壁、纳米管外壁和量子结构的纳米管结构；

9)对纳米管结构进行清洁处理，得到洁净的纳米管结构；

10)将纳米管结构分散至溶液中，采用离心法，提取尺寸均匀的纳米管结构；

11)将运载物置入纳米管结构内，实现基于纳米管结构的对运载物可荧光标记的输运。

其中，在步骤1)中，生长衬底的表面能够实现II-VI族或III-V族的二元或三元合金材料的直立生长，纳米线的生长方向沿生长衬底表面的法线方向。

在步骤2)中，针对运载物尺寸大小、组成形式等特点，设计纳米管结构的参数，包括纳米管结构的内径、长度、纳米管内壁和纳米管外壁的厚度。

在步骤3)中，纳米线的生长方式采用选区生长，或者采用自组织生长。选区生长是在生长衬底的一部分上生长纳米线。自组织生长是在生长衬底上自组织成核后开始纳米线的生长。纳米线的材料采用II-VI族或III-V族的二元或三元合金。生长纳米线的方式采用分子束外延MBE、金属有机物化学气相沉积MOCVD、化学气相沉积CVD或脉冲激光沉积PLD等。根据步骤2)中设计的参数，选择II族与VI族或者III族与V族生长源的束流比及生长时间，从而控制纳米线的直径(10～100nm)和高度(0.1～5μm)。

在步骤4)中，纳米管内壁材料的分解温度大于纳米线材料的分解温度，采用II-VI族或III-V族的三元或二元合金，根据步骤2)中设计的纳米管内壁的厚度，选择II族与VI族或者III族与V族生长源的束流比及生长时间，从而控制纳米管内壁的厚度(0.2～10nm)。

在步骤5)中，根据所采用的检测波段，设计量子结构，使得量子结构的发光波长与检测波段一致。量子结构采用的材料与纳米线、纳米管内壁和纳米管外壁属于同一材料体系。量子结构的形式为单量子阱或多量子阱，或者为单量子点或多量子点。

在步骤6)中，纳米管外壁与纳米管内壁采用相同的材料，根据步骤2)中设计的纳米管外壁厚度，选择与步骤4)中相同的生长源的束流比，控制生长时间，从而控制纳米管外壁的厚度(0.2～10nm)，纳米线、纳米管内壁、量子结构和纳米管外壁形成核-壳结构。

在步骤7)中，将核-壳结构从生长衬底上移开，分散在耐高温衬底的表面。耐高温衬底的表面需洁净，避免核-壳结构受到污染。核-壳结构的分散方式采用溶液法，即先将核-壳结构超声分散至溶液中再转移到耐高温衬底上；或者采用物理法，即直接将核-壳结构通过剥离等方法直接分散到耐高温衬底上。

在步骤8)中，退火的固定温度要求高于纳米线的分解温度，同时低于纳米管内壁和纳米管外壁的分解温度。退火环境采用真空、空气、氮气或惰性气体等，根据材料特性可以调节。

在步骤9)中，利用氢气等离子体去除退火过程中引入的杂质，获得洁净的纳米管结构。

在步骤10)中，溶液一般为不具腐蚀性的易挥发液体，如酒精、异丙醇等。根据纳米管结构的具体尺寸(长度和外径)，选择离心速率，去除上述处理过程中破损的纳米管结构，获得尺寸均匀的纳米管结构。

在步骤11)中，运载物置入纳米管结构的方法包括：溶液法、沉积法、虹吸法等，具体方法需根据运载物的特点选择，最终实现将运载物置入纳米管结构内，而不破坏运载物和纳米管结构。

本发明的优点：

(1)本发明根据拟运载物的特点设计纳米管结构的尺寸，包括纳米管的直径、长度和管壁厚度，通过控制生长条件进行精确调控纳米管结构的尺寸；

(2)固定温度退火过程，保证核-壳结构中的纳米线完全分解，并不破坏限制于纳米管内壁和纳米管外壁之间的量子结构，同时，能够进一步提高量子结构中的合金有序性，确保量子结构的高效率辐射复合；

(3)纳米管的荧光标记部分采用半导体量子结构，具有荧光强度高，持续时间长，光化学性质稳定，不易发生光漂白；并且吸收系数大，荧光发射峰窄，无波长拖尾，可辨识度高；

(4)纳米管结构既可实现管内的运载物的荧光标记运载，还能进行传统的包裹式或结合式荧光标记运载。

附图说明

图1为根据本发明的基于纳米管的荧光标记载体制备方法得到的在生长衬底上的核-壳结构的示意图；

图2为根据本发明的基于纳米管的荧光标记载体制备方法将核-壳结构转移到耐高温衬底上的的示意图，其中，(a)为退火处理前的示意图，(b)为退火处理后的示意图；

图3为根据本发明的基于纳米管的荧光标记载体制备方法得到的荧光标记载体的实验测试结果图，其中，(a)为退火处理前的核-壳结构的扫描电子显微镜图，(b)为退火处理后的得到的纳米管结构的扫描电子显微镜图，(c)为退火处理后得到的纳米管结构的透射电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例

如图1所示，本实施例的基于纳米管的荧光标记载体包括：纳米管内壁31、量子结构4和纳米管外壁32，纳米管内壁31和纳米管外壁32共同构成纳米管壁3；其中，在生长衬底1上直立生长纳米线2；在纳米线外生长纳米管内壁31包裹纳米线2的侧壁和顶端；在纳米管内壁31的顶端生长量子结构4；在纳米管内壁31的侧壁以及量子结构4的顶端生长纳米管外壁32，纳米管外壁32包裹纳米管内壁31的侧壁以及量子结构4的顶端，形成核-壳结构。

如图2所示，核-壳结构从生长衬底1转移至耐高温衬底6上，经过高温退火处理，使核-壳结构内部的纳米线2分解，得到由纳米管壁3和量子结构4共同构成的纳米管结构5。

本实施例中，制备AlN基纳米管结构，生长衬底采用Si(111)面；纳米管外壁的材料采用AlN，量子阱结构为单量子阱GaN，纳米管内壁的材料采用AlN，纳米线的材料采用GaN；核-壳结构采用分子束外延MBE技术在Si(111)面上生长；生长过程在超高真空腔室中进行，高纯(7N)金属源通过K-Cell源炉产生；氮源采用射频等离子体氮源。

本实施例的基于纳米管的荧光标记载体的制备方法，包括以下步骤：

1)提供生长衬底，生长衬底1具有适合纳米线直立生长的晶面：

GaN在Si(111)面上可以实现纳米线的直立生长，纳米线沿方向生长，选择Si(111)作为纳米线的生长衬底1。

2)根据运载物的性质，设置纳米管的结构参数，包括纳米管的内径、长度、内壁和外壁厚度：

本实施例中拟运载物为金属Al，设置纳米管的内径为50nm、长度为750nm、内壁和外壁厚度均为1nm。

3)在生长衬底上直立生长纳米线，通过控制生长源的束流比和生长时间，控制纳米线的直径和高度：

利用分子束外延MBE方法在Si(111)的生长衬底1上自组装生长直立的GaN的纳米线2，所用的生长源为金属镓(Ga)源和等离子体氮(N)源，选择Ga/N源的束流比为1/5，生长时间为100min，纳米线的直径为50nm，高度为700nm。

4)在纳米线外生长纳米管内壁，通过控制生长源的束流比和生长时间，控制纳米管内壁的厚度，纳米管内壁包裹纳米线的侧壁和顶端：

真空下GaN的分解温度为850℃，AlN的分解温度为1040℃，因此，在GaN的纳米线2的外壁和顶端生长AlN纳米管内壁31，所用的生长源为金属铝(Al)源和等离子体氮(N)源，选择Al/N源的束流比为1/20，生长时间为10min，AlN纳米管内壁31厚度为1nm。

5)根据检测波段，设计发光波长与检测波段一致量子结构，在纳米管内壁的顶端生长量子结构：

本实施例采用的检测波段为紫外波段(200-400nm)，设计量子结构4为GaN/AlN单量子阱，其发光波长在280nm。

6)在纳米管内壁的侧壁以及量子结构的表面生长纳米管外壁，通过控制生长源的束流比和生长时间，控制纳米管外壁的厚度，纳米管外壁包裹纳米管内壁的侧壁及其上的量子结构，形成核-壳结构：

在AlN的纳米管内壁31的侧壁以及量子结构4的表面生长AlN的纳米管外壁32，所用的生长源为金属铝(Al)源和等离子体氮(N)源，选择Al/N源的束流比为1/20，生长时间为10min，AlN的纳米管外壁32厚度为1nm，GaN纳米线2、AlN的纳米管内壁31、量子结构4和纳米管外壁32形成核-壳结构。

7)将核-壳结构从衬底1上移出，并分散至洁净的Si(111)的耐高温衬底6表面，如图2(a)所示。

8)在固定温度下进行高温退火处理，核-壳结构内部的纳米线分解，得到包括纳米管内壁、纳米管外壁和量子结构的纳米管结构：

在真空环境中，900℃(850℃<900℃<1040℃)进行退火处理30min，使核-壳结构内部的纳米线2分解，获得在顶端包含有AlN/GaN/AlN单量子阱的纳米管结构5，如图2(b)所示。图3(a)和(b)分别为本实施例中纳米管结构5退火前和退火后的扫描电镜测试结果，图3(c)为退火处理后获得的纳米管结构5的透射电镜测试结果。

9)利用氢气等离子体对纳米管结构进行处理，获得洁净的纳米管结构：

采用1.2sccm/400W的氢气等离子体，对纳米管结构5进行表面清洁处理5min，去除退火处理过程中纳米管结构5中存在的杂质等。

10)将纳米管结构分散至溶液中，采用离心法，提取具有均匀尺寸的纳米管结构：

将经过步骤5)处理后的纳米管结构5分散至异丙醇溶液中，采用离心机进行处理，去除退火和清洁处理过程中破损的纳米管结构，最终获得直径为50nm、长度为750nm、管壁厚度为2nm的纳米管结构5，光致发光测试证实顶端AlN/GaN/AlN单量子阱荧光标记结构的发光波长为280nm，从而制备出荧光标记载体。

11)将运载物置入纳米管结构内，即可实现基于纳米管结构的对运载物可荧光标记的输运：

将步骤6)中获得的纳米管结构5分散至Si(111)衬底上，利用分子束外延MBE技术沉积金属Al液滴，然后利用虹吸效应将Al金属注入到纳米管结构5的内部；之后将注有金属Al的纳米管结构5再次分散至异丙醇溶液中，采用266nm的激光激发，发现280nm的发光，并确定其位置。即利用纳米管结构5实现了对金属Al的荧光标记运载。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。