專利名稱：一種可降低有機相合成發(fā)光量子點生物毒性的水溶性轉換方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可降低有機相合成發(fā)光量子點生物毒性的水溶性轉換方法，尤其 是涉及一種在有機相合成的半導體量子點表面覆蓋具有生物適合官能團的水溶的Si02納 米膜的轉換方法。
背景技術：
發(fā)光的半導體納米晶，也稱作量子點，由于其特有的光學、電學性質，其在生物及 醫(yī)藥領域顯示出重要應用。發(fā)光半導體量子點具有寬的激發(fā)帶、窄的發(fā)光譜，通過改變量子 點的直徑，用單一的激發(fā)波長可得到連續(xù)可調的從可見到近紅外的發(fā)光，并且量子點顯示 出很好的光穩(wěn)定性及高的抗光褪色性?？紤]到量子點的應用，半導體量子點必須具有高單 色性(窄的粒度分布)和高熒光量子效率。為此，大部分半導體量子點的制備通常采用效 果更好的有機溶液法合成(此法制備的量子點通常具有憎水的表面)，特別是低生物毒性 的CdSe/ZnS量子點。然而，針對半導體量子點的生物應用，除去上述兩個特點外，還需具備 以下幾個特點首先，半導體量子點必須具有水溶性(親水性)的表面，而且具有適合的表 面官能團，鑒于這一點，必須對親油性量子點進行表面改性；其次，由于小的粒度有利于提 高檢測的敏感性，因此量子點必須保持小的液體動力學直徑；再次，考慮到生物安全性，量 子點必須具有盡可能低的生物毒性，比如CdSe量子點上的ZnS殼的重要作用之一就是阻 擋Cd離子釋放，減小生物毒性。針對以上問題，目前的主要解決方法有一是直接在量子點 表面進行配體交換，這樣可以得到小的液體動力學直徑，但因為是無機材料，生物適應性不 好，而且生物毒性沒有降低；其次，也有采用聚合物進行此類表面改性的報道，此法可使量 子點生物適應性提高，但同樣不能解決減低生物毒性的問題，并且此法導致量子點液體動 力學直徑變大(在5nm的量子點上包覆后，文獻中顯示的最小直徑是15nm)；此外，近年來 有文獻報道Si02層可以顯著降低重金屬離子的逸出，降低生物毒性，但根據目前的研究狀 況，Si02包覆及改性后的顆粒尺寸通常大于lOnm。因此，在量子點表面覆蓋動力學半徑小 且可以降低量子點生物毒性的功能化納米層成為目前新的研究熱點之一。本發(fā)明所述的材 料及制備方法對于量子點在醫(yī)藥、生物探測、光電轉換等領域的應用具有重要意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明為了克服上述不足，提供了一種可降低有機相合成發(fā)光量子點生物毒性的 水溶性轉換方法，該方法可得到具有小液體動力學直徑、水溶性、生物適合性、低Cd離子釋 放量等特點的量子點。本發(fā)明是通過以下措施來實現(xiàn)的本方法的思路是將不含官能團的硅烷試劑與量子點在有機溶劑中反應，使量子點 表面改性，然后將量子點分散到含有親水性官能團的水相溶液中，使量子點表面包覆上一 層Si02外殼，并在Si02外殼上修飾親水性官能團，通過親水性官能團可使量子點連接到生物分子上，使Si02外殼具有功能化，提高了量子點的應用價值，且加上功能化Si02外殼后的 量子點液體動力學直徑< 10nm。量子點的表面改性及水溶性轉換流程見圖1。本發(fā)明的具體技術方案為—種可降低有機相合成發(fā)光半導體量子點生物毒性的水溶性轉換方法，包括以下 步驟(1)量子點的表面硅烷化改性將量子點分散到有機溶劑中，然后加入不含官能 團的硅烷試劑，攪拌反應使硅烷試劑與量子點表面的配體進行交換；量子點在有機溶劑中 的濃度為0. 03 1. Omg/mL ；(2)制備水相溶液A.把乙醇、氨水和水混合攪拌；B.將帶有巰基、氨基、羧基或聚乙二醇基的硅烷試劑加入到步驟A所得的溶液中 攪拌得水相溶液；(3)Si02外殼的形成及量子點的水溶性轉換把步驟(1)制得的溶液和步驟(2)制 得的水相溶液混合在一起，攪拌反應使量子點轉到水相中，然后將反應后的反應液離心分 離，取下層沉淀物分散到純水中，即得水溶性的、包覆有功能化Si02外殼的、生物毒性低的、 直徑彡10nm的量子點。上述水溶性轉換方法中，不含官能團的硅烷試劑有機溶劑乙醇氨水水的 體積比為 1X1CT3 4X1CT3 0.5 7 5 30 0. 5 3 1 3。上述水溶性轉換方法中，步驟(1)中，所述不含官能團的硅烷試劑為正硅酸乙酯、 正硅酸甲酯、正硅酸丙酯，所述有機溶劑為甲苯、正己烷、氯仿或三辛基膦(TOP)。上述水溶性轉換方法中，步驟⑴中不含官能團的硅烷試劑與量子點的反應時間 為2 10小時；步驟(2)A中攪拌時間為3 6分鐘；步驟(3)中反應時間為2 6小時。上述水溶性轉換方法中，步驟B中，硅烷試劑可以為帶有巰基的硅烷試劑，這時， 帶有巰基的硅烷試劑與水的體積比為0.2X10_3 4X10_3 1 3，所述帶有巰基的硅烷 試劑為三甲基巰丙基硅烷或三乙基巰丙基硅烷，攪拌5 24小時得水相溶液。上述水溶性轉換方法中，步驟B中，硅烷試劑可以為帶有氨基的硅烷試劑，這時， 帶有氨基的硅烷試劑與水的體積比為0.2X10_3 4X10_3 1 3，所述帶有氨基的硅烷 試劑為三甲基氨丙基硅烷或三乙基氨丙基硅烷，攪拌10 50分鐘得水相溶液。上述水溶性轉換方法中，步驟B中，硅烷試劑可以為帶有羧基的硅烷試劑，這時， 帶有羧基的硅烷試劑與水的體積比為0.2X10_3 3X10_3 1 3，所述帶有羧基的硅烷 試劑為羧乙基硅三醇鈉鹽或2-(carboxymethylthio)ethyltrimethylsilane，攪拌5 60 分鐘得水相溶液。上述水溶性轉換方法中，步驟B中，硅烷試劑可以為帶有聚乙二醇基的硅烷試劑， 這時，帶有聚乙二醇基的硅烷試劑與水的體積比為0. 5X10_3 3X10_3 1 3，所述帶 有聚乙二酉享基的娃燒試劑為 2-[methoxy (polyethyleneoxy)propyl]-trimethoxy-silane、 2-[methoxy(polyethyleneoxy)propyl]heptamethyltrisi loxane 或 2_[methoxy (polyethyleneoxy)propyl]_trichlorosilane,攪拌 5 30 分鐘得水相溶液。上述水溶性轉換方法中，所用氨水的質量濃度為25%，所得量子點Si02外殼的厚 度為0. 5 lnm。
上述羧乙基硅三醇鈉鹽，英文命名為carboxyethylsilanetriol sodium ；2- (carboxymethylthio) ethyltrimethylsilane, 化學 式為 C7H1602SSi ； 2-[methoxy(polyethyleneoxy)propyl]-trimethoxy-silane,中文命名為 2~[甲氧 基(聚乙烯氧代)丙基]三甲氧基硅烷；2-[methoxy (polyethyleneoxy) propyl] heptamethyltrisiloxane,中文命名2_甲基_3_羥丙基甲基(硅氧烷與聚硅氧烷)； 2- [methoxy (polyethyleneoxy) propyl] -trichlorosi lane,化學式 CH30 (C2H40) 6_9C3H6Cl3Si, 這些硅烷試劑可在市場上買到，廠商可選美國的Gelest Inc.公司。本發(fā)明的水溶性轉換方法的優(yōu)選方案為(1)量子點的表面硅烷化改性把1 4 ii L的不含官能團的硅烷試劑與0. 5 7mL 含有有機相合成量子點的有機溶劑混合，攪拌2 10小時，得溶液1 ；所述量子點在有機溶 劑中的濃度為0. 03 1. 0mg/mL ；(2)制備水相溶液A.把5 30mL乙醇、0. 5 3mL 25wt %的氨水、1 3mL水混合并攪拌3 6分 鐘制得溶液2 ；B.采用下述①、②、③、④四種步驟中的一種配制水相溶液⑤把0. 2 4 ii L的帶有巰基的硅烷試劑加入到溶液2中，攪拌5 24小時，制得 溶液3 ；⑥把0. 2 4 ii L的帶有氨基的硅烷試劑加入到溶液2中，攪拌10 50分鐘，制 得溶液4 ；⑦把0. 2 3 y L的帶有羧基的硅烷試劑加入到溶液2中，攪拌5 60分鐘，制得 溶液5 ；⑧把0. 5 3 ii L帶有聚乙二醇基的硅烷試劑加入到溶液2中，攪拌5 30分鐘， 得溶液6 ；(3) Si02外殼的形成及量子點的水溶性轉換把步驟(1)制得的溶液1和步驟(2) 制得的溶液3、4、5、6其中的任一種混合，攪拌2 6小時使量子點轉到水相中，然后將反應 后的反應液離心分離，取下層沉淀物分散到純水中，即得水溶性的、包覆有功能化Si02外殼 的、生物毒性低的、直徑彡10nm的量子點。本發(fā)明的水溶性轉換方法是在有機相合成的半導體量子點的基礎上進行的，有機 相合成的半導體量子點粒徑為1. 5 8nm，量子點選自未摻雜的單一組份的量子點和核殼 結構的量子點中的一種，所述未摻雜的單一組份的量子點為CdSe、InP、CdTe或ZnSe，所 述核殼結構的量子點為 CdSe/ZnS、CdSe/CdS、CdTe/CdS、CdTe/ZnS、InP/ZnS、ZnSe/ZnS 或 CdSe/CdS/ZnS;半導體量子點的表面配體(即制備過程中所用的穩(wěn)定劑)為三辛基氧化膦 或有機胺，有機胺為癸胺、十六烷基胺、二辛基胺等。首先需要制得有機相合成的半導體量 子點，制備方法在相關文獻中已經報道，本領域技術人員可根據文獻中記載的有機相合成 方法合成一系列發(fā)光的半導體量子點，(詳見文獻J. Phys. Chem. C，2010，114，6205-6215， J. Phys. Chem. C，2008，112，6775-6780，J. Phys. Chem. B，2001，105,8861-8871, J. Am. Chem. Soc.，2005，127，7480-7488 ;J. Am. Chem. Soc, 2009，131，2948-2958)，不再贅述，然后采用本 發(fā)明的水溶性轉換方法將這些有機相合成的半導體量子點轉入到水相中形成一種生物適 合的、具有小的液體動力學直徑的量子點，并且，包覆在半導體量子點上的Si02層可以減少量子點在溶液里的Cd離子釋放，因此本發(fā)明可得到一種可降低有機相合成發(fā)光半導體量 子點生物毒性的水溶性轉換方法。本發(fā)明所得的水溶性量子點的核的形貌為球形、短棒狀、紡錘狀、三角狀或四面體 狀，液體動力學直徑為2. 5 10nm，外層Si02有效降低了 Cd離子的釋放量，解決了量子點 生物毒性高、尺寸大的問題，Si02外殼上的官能團使量子點具有功能化，可以連接到生物分 子上。此外，處理后的量子點水溶性好，生物適應性好，具有高的熒光量子效率，具有寬的激 發(fā)帶、窄的發(fā)光譜、可調的發(fā)光顏色?；诎l(fā)光量子點所具有的特殊性能，由本發(fā)明的水溶 性轉換方法所得的量子點在醫(yī)藥、生物領域將會產生很高的應用價值，例如，生物探針、DNA 傳感器等(見文獻 Nano Lett，2007，7，761-765，Nano Lett，2007，7，1741-1748)。此外，這 些發(fā)光量子點還可用于太陽能電池及其它光電轉換裝置。


圖1為量子點的表面改性及水溶性轉換示意圖；圖2為實施例1中有機相合成的CdSe/ZnS量子點轉入水相后的吸收及發(fā)射光譜；圖3為實施例1中有機相合成的CdSe/ZnS量子點轉入水相后的粒度分布，即液體 動力學直徑分布；圖4為實施例1中CdSe/ZnS量子點轉入水相前后熒光壽命的變化，其中實線為擬
合曲線。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明進行進一步闡述，下述說明僅是示例性的，并不對 本發(fā)明進行限制。對有機相合成半導體核殼量子點的水溶性轉換方法實施例11. 1采用有機法合成CdSe量子點(詳見文獻J. Phys. Chem. C，2010，114， 6205-6215)首先，將氧化鎘500mg、二辛基胺2g、壬酸2g在三頸瓶中混合，在100攝氏度保 持真空15分鐘，再在氮氣保護下加熱到200攝氏度使氧化鎘溶解，之后降低到120攝氏度， 把10g硒的三辛基膦(TOP)溶液(硒的質量濃度為10%)快速注入，為控制發(fā)光顏色，生長 的時間為10分鐘，之后經過分離、洗滌，最后分散到甲苯溶液里。1.2 在 CdSe 量子點表面包覆 ZnS 殼(詳見文獻 J. Phys. Chem. C，2010，114， 6205-6215)新制備的CdSe量子點甲苯溶液4mL (量子點濃度0. 01mg/mL)、二辛基胺2g，與 0.05g 二甲基鋅(溶解到2mL三辛基膦(TOP)中)混合，之后加熱到60攝氏度，把10g硫的 三辛基膦(TOP)溶液(硫的質量濃度為10% )快速注入，為控制發(fā)光顏色，生長時間為0. 5 小時。生長完畢，先用甲醇洗除未反應的液體反應物，再用甲苯萃取，得到含有平均粒徑為 5. lnm的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液。1. 3將新合成的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液0. 5mL (量子點濃度0. 5mg/mL)稀釋 到2mL甲苯中，加入正硅酸乙酯2 ii L，攪拌3小時，得到溶液A ;1 y L三甲基巰丙基硅烷加 入到含有20mL乙醇、2mL質量濃度為25%的氨水、2mL水的混合液里攪拌10小時，得到溶液 B ；把溶液A和B混合攪拌3小時后，在22000rpm速度下離心分離20分鐘后，把沉淀物分散
7到水里，即制得水溶性的、表面具有巰基的、Si02包覆的量子點。圖2顯示CdSe/ZnS量子點 轉入水相后的吸收及發(fā)射光譜，與轉換前相比，轉入水相后熒光量子效率沒有降低(熒光 效率50%)；圖3顯示量子點轉入水相后的粒度分布，即動力學直徑分布，由圖可見，轉入水 相后的量子點平均粒徑為6. 5nm (CdSe/ZnS量子點在有機相中的平均粒徑為5. lnm)，直徑 增加1.4nm。ICP分析表明在相同的量子點濃度下，CdSe/ZnS量子點、聚合物薄層(例如， 聚乙二醇)包覆及Si02包覆的量子點，其自由Cd離子的釋放量分別為33、28、5ppb，這說明 該Si02層可以減少量子點在溶液中的Cd離子釋放，降低生物毒性。圖4顯示轉入水相前 后的熒光壽命改變，轉入水相后量子點的熒光壽命由轉入前的19ns延長為22ns。這些包覆 后的量子點可以通過巰基與Str印avidin聯(lián)接，之后可以通過維生素分子連接到生物分子 上，比如，抗體、DNA等，從而用于探針及免疫學檢測。實施例22. 1除量子點生長時間為20分鐘外，其余步驟及參數同實施例1. 1。2.2 在 CdSe 量子點表面包覆 ZnS 殼(詳見文獻 J. Phys. Chem. C，2010，114， 6205-6215)新制備的CdSe量子點甲苯溶液4mL (量子點濃度0. 01mg/mL)、二辛基胺2g，與 0.07g 二甲基鋅(溶解到2. 2mL三辛基膦(TOP)中)混合，之后加熱到60攝氏度，把10g硫 的TOP溶液(硫的質量濃度為10% )快速注入，為控制發(fā)光顏色，生長時間為0. 8小時，生 長完畢，先用甲醇洗除未反應的液體反應物，離心分離，再用甲苯萃取，得到含有平均粒徑 為7. lnm的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液。2. 3將新合成的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液0. 5mL (量子點濃度0. 5mg/mL)稀釋 到2mL甲苯中，加入正硅酸丙酯3 ii L，攪拌3小時，得到溶液A ； 1 y L三乙基巰丙基硅烷加 入到含有25mL乙醇、2mL質量濃度為25%的氨水、2mL水的混合液里攪拌5小時，得到溶液 B ；把溶液A和B混合攪拌3小時，之后在22000rpm的轉速下離心分離20分鐘，再把沉淀物 分散到水里，得到水溶性的、表面具有巰基的、Si02包覆的量子點，轉入水相后的量子點的 平均粒徑為9. Onm。實施例33. 1 CdSe/ZnS核殼量子點的制備方法同上實施例1. 1和1. 2。3. 2將新合成的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液0. 5mL (量子點濃度0. 5mg/mL)稀釋 到2mL甲苯中，加入正硅酸甲酯2 ii L，攪拌3小時，得到溶液A ;1 y L三甲基氨丙基硅烷加 入到含有25ml乙醇、2mL質量濃度為25%的氨水、lmL水的混合液里攪拌10分鐘，得到溶液 B ；把溶液A和B混合攪拌2小時，之后在22000rpm速度下離心分離20分鐘，再把沉淀物分 散到水里，得到水溶性的、表面具有氨基修飾的、Si02包覆的CdSe/ZnS量子點。該量子點可 以通過鏈接分子與生物分子上的羧基連接，用于生物標識。實施例44. 1 CdSe/ZnS核殼量子點的制備方法同上實施例1. 1和1. 2。4. 2將新合成的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液0. 5mL (量子點濃度lmg/mL)稀釋到 0. 5mL甲苯中，加入正硅酸乙酯2 ii L，攪拌5小時，得到溶液A ；0. 2 y L三乙基氨丙基硅烷加 入到含有5ml乙醇、3mL質量濃度為25%的氨水、lmL水的混合液里攪拌50分鐘，得到溶液 B ；把溶液A和B混合攪拌6小時，之后在22000rpm速度下離心分離20分鐘，再把沉淀物分 散到水里，得到水溶性的、表面具有氨基修飾的、Si02包覆的CdSe/ZnS量子點。該量子點可以通過鏈接分子與生物分子上的羧基連接，用于生物標識。實施例55. 1 CdSe/ZnS核殼量子點的制備方法同上實施例1. 1和1. 2。5. 2將新合成的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液0. 5mL (量子點濃度0. 5mg/mL)稀 釋到2mL甲苯中，加入正硅酸乙酯2 y L，攪拌3小時，得到溶液A ； 1 y L羧乙基硅三醇鈉鹽 (carboxyethylsilanetriol sodium)力口入至lj含有 25mL 乙醇、1. 5mL 質量濃度為 25% 的氛 水、1. 5mL水的混合液里攪拌10分鐘，得到溶液B ；把溶液A和B混合攪拌3小時，之后在 22000rpm速度下離心分離20分鐘，再把沉淀物分散到水里，得到水溶性的、表面具有羧基 修飾的、Si02包覆的CdSe/ZnS量子點。該量子點可以通過鏈接分子與生物分子上的氨基連 接，用于生物標識。實施例66. 1 CdSe/ZnS核殼量子點的制備方法同上實施例1. 1和1. 2。6. 2將新合成的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液0. 5mL (量子點濃度0. 5mg/mL)稀釋 到2mL甲苯中，加入正硅酸乙酯2iiL，攪拌3小時，得到溶液A;liiL 2_[甲氧基(聚乙烯 氧代)丙基]三甲氧基娃燒(2-[methoxy (polyethyleneoxy) propyl] -trimethoxy-silane) 加入到含有20mL乙醇、lmL質量濃度為25%的氨水、1. 5mL水的混合液里攪拌10分鐘，得到 溶液B ；把溶液A和B混合攪拌3小時，反應后經離心取下層沉淀物，將沉淀物分散到水里， 即得到水溶性的、表面具有PEG基修飾的、Si02包覆的CdSe/ZnS量子點。該量子點可以通 過鏈接分子與生物分子上的氨基連接，用于生物標識。實施例77. 1 CdSe/ZnS核殼量子點的制備方法同上實施例2. 1和2. 2。7. 2將新合成的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液0. 5mL (量子點濃度0. 8mg/mL)稀釋 到3mL甲苯中，加入正硅酸乙酯2 ii L，攪拌3小時，得到溶液A ;4 y L三甲基巰丙基硅烷加 入到含有25mL乙醇、lmL質量濃度為25%的氨水、2mL水的混合液里攪拌8小時，得到溶液 B ；把溶液A和B混合攪拌4小時，反應后離心將沉淀物分散到水里，即制得水溶性的、表面 具有巰基的、Si02包覆的量子點。實施例88. 1 CdSe/ZnS核殼量子點的制備方法同上實施例2. 1和2. 2。8. 2將新合成的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液0. 5mL (量子點濃度lmg/mL)稀釋到 3mL甲苯中，加入正硅酸乙酯4 ii L，攪拌3小時，得到溶液A ； 1. 5 y L三甲基巰丙基硅烷加入 到含有30mL乙醇、0. 5mL質量濃度為25%的氨水、3mL水的混合液里攪拌24小時，得到溶液 B ；把溶液A和B混合攪拌4小時，反應后離心將沉淀物分散到水里，即制得水溶性的、表面 具有巰基的、Si02包覆的量子點。實施例99. 1 CdSe/ZnS核殼量子點的制備方法同上實施例2. 1和2. 2。9. 2將新合成的CdSe/ZnS量子點的甲苯溶液0. 5mL (量子點濃度0. 3mg/mL)稀釋 到3mL甲苯中，加入正硅酸乙酯1 y L，攪拌2. 5小時，得到溶液A ;0. 5 y L三甲基巰丙基硅 烷加入到含有20mL乙醇、lmL質量濃度為25%的氨水、2mL水的混合液里攪拌6小時，得到 溶液B ；把溶液A和B混合攪拌3. 5小時，反應后離心將沉淀物分散到水里，即制得水溶性
9的、表面具有巰基的、Si02包覆的量子點。實施例1010. 1有機相合成的CdTe量子點，采用已知的方法合成(詳見文獻J. Phys. Chem. C，2010，114,6205-6215)首先，將氧化鎘500mg，二辛基胺2g，壬酸2g在三頸瓶中混合，在 100攝氏度保持真空15分鐘，在氮氣保護下加熱到200攝氏度使氧化鎘溶解，之后降低到 130攝氏度，把10g碲的TOP溶液(碲的質量濃度為12% )快速注入，為控制發(fā)光顏色，生長 時間為1小時，經洗滌、離心分離之后分散到甲苯溶液里。10. 2在CdTe量子點表面包覆ZnS 殼新制備的CdTe量子點甲苯溶液4mL (量子點濃度0. 01mg/mL)、二辛基胺2g，與0. 05g 二 甲基鋅(溶解到2mL三辛基膦(TOP)中)混合，之后加熱到60攝氏度，把10g硫的TOP溶液 (硫的質量濃度為10% )快速注入，為控制發(fā)光顏色，生長時間為0. 5小時。生長完畢，先 用甲醇洗除未反應的液體反應物，再用甲苯萃取，得到含有平均直徑為6. Onm的CdTe/ZnS 量子點的甲苯溶液。10. 3除三甲基巰丙基硅烷的加入量為3 u L夕卜，其它同實施例1. 3，制得水溶性 的、巰基功能化的、Si02包覆的CdTe/ZnS量子點。實施例1111. 1除CdTe量子點回流生長時間為0. 5小時及CdTe量子點最終分散到TOP溶 液里外，CdTe量子點的合成步驟及參數同實施例10. 1。11.2在CdTe量子點表面包覆CdS殼首先，將CdO 0. 06g、三辛基氧化膦 (T0P0)3g、磷酸正十八酯(0DPA)0. 28g、HPA(hexylphosphonic acid) 0. 29g 在三頸瓶中 150 度脫氣1小時，再在N2氣氛下加熱到350攝氏度，之后冷卻到300攝氏度，直到微紅色的CdO 完全溶解，之后注入1.5g TOP，待溫度再升高到350度后，快速注入由S的TOP溶液(0. 120g S與1. 5g TOP混合)和新制備的CdTe的TOP溶液(206 u L，量子點濃度412 y M)，反應6分 鐘，得到CdTe/CdS核殼量子點。11.3將新合成的CdTe/CdS量子點的甲苯溶液0.5mL(量子點濃度0.5mg/ mL)稀釋到2mL甲苯中，加入正硅酸乙酯2 ii L，攪拌10小時，得到溶液A ;3 y L C7H1602SSi (2-(carboxymethylthio)ethyltrimethylsilane)力口入至lj含有 25mL 乙醇、1. 5mL 質量濃度為25%的氨水、1. 5mL水的混合液里攪拌10分鐘，得到溶液B ；把溶液A和B混合 攪拌3小時，反應后離心將沉淀物分散到水里，得到水溶性的、表面具有羧基修飾的、
覆的CdTe/CdS量子點。該量子點可以通過鏈接分子與生物分子上的氨基連接，用于生物標 識。實施例1212. 1有機相合成的CdSe量子點，采用已知的方法合成(詳見文獻J. Am. Chem. Soc，2009，131，2948-2958)。首先，將氧化鎘(CdO)0. 06g、T0P0 3g、0DPA 0. 28g，在三頸瓶 中150度脫氣1小時，再在N2氣氛保護下加熱到370攝氏度，之后冷卻到300攝氏度直到 溶液由微紅色變?yōu)闊o色，快速注入Se的TOP溶液(58mg Se與360mg TOP混合)，反應30秒 后，降至室溫，加入甲醇，離心分離，然后再分散到TOP中，得到CdSe量子點TOP溶液。12. 2有機相合成的CdSe/CdS棒狀核殼量子點除將實施例11. 2中的CdTe的TOP 溶液更換為CdSe的TOP溶液外，其余步驟及參數同實施例11. 2。12.3除羧乙基硅三醇鈉鹽(carboxyethylsilanetriol sodium)的加入量為0. 2ii L外，其它同實施例5. 2，制得水溶的、羧基功能化的、Si02包覆的CdSe/CdS核殼棒狀 量子點。重新分散到超純水中的量子點熒光效率可達60%。實施例1313. 1有機相合成的InP量子點，采用已知的方法合成(詳見文獻J. Phys. Chem. C， 2008，112,6775-6780)。將 0. lmmol 的醋酸銦、0. 3mmol 肉豆蔻酸(myristic acid)、5g 十八 烯(ODE，1-octadecene)在三頸瓶中混合，氬氣條件下加熱到120攝氏度直到溶液澄清，用 真空脫氣方法交換三次氬氣，加熱到290攝氏度時，將氘代3-氨基-5-嗎啉-4-甲基-惡 唑-2-啉酮(tris(trimethylsilyl)phosphine，P(TMS)3)的 ODE 溶液(0. 05mmol 與 2g ODE 混合)被迅速注入，之后溫度降低到260度，生長并得到InP量子點。13. 2在InP量子點表面包覆ZnS殼將0. 07g肉豆蔻酸、6g十八烯與上面實施例 13. 1制備的InP量子點溶液在三頸瓶中混合，真空脫氣1小時，再加熱到100攝氏度并保 持15分鐘，隨后在180攝氏度下將醋酸鋅的TOP溶液和硫的ODE溶液分別注入，之后升高 到220攝氏度，保持45分鐘，得到InP/ZnS量子點。13.3除三甲基氨丙基硅烷的加入量為4 iiL外，其它同實施例3. 2，制得水溶的、 表面具有氨基修飾的、Si02包覆的InP/ZnS量子點。實施例1414. 1有機相合成的ZnSe量子點，采用已知的方法合成(詳見文獻J. Phys. Chem. B，2004，108，17119-17123)首先，將5mmol的氧化鋅(ZnO)在300攝氏度氬氣保護下溶解 在由25mmol十二烷酸(lauric acid)和8mmol十六胺組成的混合液中，將Se的TOP溶液 (5mmol Se與6.5mmol TOP混合)注入，并將體系溫度控制在280攝氏度，為控制發(fā)光顏色， 生長時間為20分鐘，利用熱的甲醇對量子點進行洗滌。14. 2在ZnSe量子點表面包覆ZnS殼首先將0. 3mmol的ZnO在300攝氏度下溶 解在由1. 5mmol十二烷酸(lauric acid)和0. 48mmol十六胺組成的混合液中，然后將體系 溫度降到80攝氏度。將此溶液連同硫的TOP溶液(0. 3mmol硫與2. 2mmol TOP混合)在 180攝氏度的條件下一同注入到新制備的ZnSe量子點的十二烷酸/十六胺溶液(7mL，量子 點濃度lmg/mL)中，控制注入速度為0. lml/min，并最終得到ZnSe/ZnS核殼量子點。14. 3 除力卩入 0.5iiL CH30 (C2H40) 6_9C3H6Cl3Si (2-[methoxy (polyethyleneoxy) propyl]-trichlorosilane)帶聚乙二醇基的硅烷試劑外，其它同實施例6. 2，制得水溶性 的、PEG功能化的、Si02包覆的ZnSe/ZnS量子點。實施例1515. 1 CdSe/CdS/ZnS量子點的制備采用已知的方法合成(詳見文獻J. Am. Chem. Soc，2009，131，2948-2958)。有機相合成的CdSe/CdS棒狀核殼量子點的方法同上實施例 12. 1和12. 2，將三辛基氧化膦(T0P0)在三頸瓶中120攝氏度下真空脫氣30分鐘，然后冷卻 到80攝氏度，加入100mg的CdSe/CdS棒狀核殼量子點(重新分散到2mL的氯仿中)，真空 處理20分鐘，再在氮氣氣氛下加熱到160攝氏度，之后加入二乙基鋅、雙(三甲基硫化硅) ((TMS)2S)的三丁基膦(TBP)溶液，每分鐘注入0. lmL，反應2小時，得到棒狀的CdSe/CdS/ ZnS量子點。15. 2量子點的水相轉換方法同上實施例3. 2，制得水溶的、表面具有氨基修飾的、 Si02包覆的CdSe/CdS/ZnS量子點。重新分散到超純水中的量子點的熒光量子效率可達75%。對未摻雜單一組份有機相合成半導體量子點的水溶性轉換實施例1616. 1有機相合成的CdTe量子點的制備方法同實施例10. 1。16. 2除將0. 5ml甲苯溶液(量子點濃度0. 5mg/ml)稀釋在7ml甲苯中外，其它同 實施例1. 3，制得水溶的、巰基功能化的、Si02包覆的CdTe量子點。實施例1717. 1有機相合成的ZnSe量子點，采用已知的方法合成(詳見文獻J. Phys. Chem. C，2010，114,6205-6215)。17. 2除量子點在甲苯溶液中的濃度為0. 5mg/ml外，其它同實施例1. 3，制得水溶 的、巰基功能化的、Si02包覆的ZnSe量子點。實施例1818. 1有機相合成的InP量子點的制備同實施例13. 1。18. 2除量子點在甲苯溶液中的濃度為0. 8mg/ml外，其它同實施例1. 3，制得水溶 的、巰基功能化的、Si02包覆的InP量子點。實施例1919. 1 CdSe量子點的合成同實施例1. 1。19.2 CdSe量子點的水相轉換方法除帶有聚二乙醇基硅烷試劑為3iiL 二 甲基-3-羥丙基甲基(硅氧烷與聚硅氧烷)(2- [methoxy (polyethyleneoxy) propyl] heptamethyltrisiloxane)外，其它步驟同實施例6. 2，并最終得到水溶性的、表面具有PEG 基修飾的、Si02包覆的CdSe量子點。
權利要求
一種可降低有機相合成發(fā)光量子點生物毒性的水溶性轉換方法，其特征是包括以下步驟(1)量子點的表面硅烷化改性將量子點分散在有機溶劑中，然后加入不含官能團的硅烷試劑，攪拌反應使硅烷試劑與量子點表面的配體進行交換；量子點在有機溶劑中的濃度為0.03～1.0mg/mL；(2)制備水相溶液A.把乙醇、氨水和水混合攪拌；B.將帶有巰基、氨基、羧基或聚乙二醇基的硅烷試劑加入到步驟A所得的溶液中攪拌得水相溶液；(3)SiO2外殼的形成及量子點的水溶性轉換把步驟(1)制得的溶液和步驟(2)制得的水相溶液混合、攪拌，通過溶膠-凝膠反應使量子點轉到水相中，然后將反應后的反應液離心分離，取下層沉淀物分散到純水中，即得水溶性的、包覆有功能化SiO2外殼的、生物毒性低的量子點。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是不含官能團的硅烷試劑有機溶劑乙 醇氨水水的體積比為1 χ 1(Γ3 4Χ 1(Γ3 0. 5 7 5 30 0. 5 3 1 3。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟(1)中，所述不含官能團的硅烷試劑為 正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯，所述有機溶劑為甲苯、正己烷、氯仿或三辛基膦；所 述量子點選自未摻雜的單一組份的量子點和核殼結構的量子點中的一種，所述未摻雜的單 一組份的量子點為CdSe、InP、CdTe或ZnSe，所述核殼結構的量子點為CdSe/ZnS、CdSe/CdS、 CdTe/CdS、CdTe/ZnS、InP/ZnS、ZnSe/ZnS 或 CdSe/CdS/ZnS。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟(1)中不含官能團的硅烷試劑與量子 點的反應時間為2 10小時；步驟(2)A中攪拌時間為3 6分鐘；步驟(3)中反應時間為 2 6小時。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的方法，其特征是步驟B中，硅烷試劑為帶有巰基的 硅烷試劑，帶有巰基的硅烷試劑與水的體積比為0.2X10_3 4X10_3 1 3，所述帶有巰 基的硅烷試劑為三甲基巰丙基硅烷或三乙基巰丙基硅烷，攪拌5 24小時得水相溶液。
6.根據權利要求1、2、3或4所述的方法，其特征是步驟B中，硅烷試劑為帶有氨基的 硅烷試劑，帶有氨基的硅烷試劑與水的體積比為0.2X10_3 4X10_3 1 3，所述帶有氨 基的硅烷試劑為三甲基氨丙基硅烷或三乙基氨丙基硅烷，攪拌10 50分鐘得水相溶液。
7.根據權利要求1、2、3或4所述的方法，其特征是步驟B中，硅烷試劑為帶有羧基的 硅烷試劑，帶有羧基的硅烷試劑與水的體積比為0.2X10_3 3X10_3 1 3，所述帶有羧 基的硅烷試劑為羧乙基硅三醇鈉鹽或2-(carboxymethylthio)ethyltrimethylsilane，攪 拌5 60分鐘得水相溶液。
8.根據權利要求1、2、3或4所述的方法，其特征是步驟B中，硅烷試劑為帶有 聚乙二醇基的硅烷試劑，帶有聚乙二醇基的硅烷試劑與水的體積比為0. 5 X 10_3 3X IO"3 1 3，所述帶有聚乙二醇基的硅烷試劑為2-[methoxy(polyethyleneoxy) propyl]-trimethoxy-silane>2-[methoxy(polyethyleneoxy)propyl] heptamethyltrisiIoxane 或 2-[methoxy(polyethyleneoxy)propyl]-trichlorosilane, 攪拌5 30分鐘得水相溶液。
9.根據權利要求1、2、3或4所述的方法，其特征是步驟(2)中，氨水的質量濃度為 25%，步驟(3)中量子點SiO2外殼的厚度為0.5 lnm，所得量子點的液體動力學直徑小于 等于10nm。
10.根據權利要求1或2所述的方法，其特征是具體包括以下步驟(1)量子點的表面硅烷化改性把1 4μL的不含官能團的硅烷試劑與0. 5 7mL含 有有機相合成量子點的有機溶劑混合，攪拌2 10小時，得溶液1 ；所述量子點在有機溶劑 中的濃度為0. 03 1. Omg/mL ；(2)制備水相溶液A.把5 30mL乙醇、0.5 3mL 25wt%的氨水、1 3mL水混合并攪拌3 6分鐘制 得溶液2 ；B.采用下述①、②、③、④四種步驟中的一種配制水相溶液①把0.2 4 μ L的帶有巰基的硅烷試劑加入到溶液2中，攪拌5 24小時，制得溶液3 ；②把0.2 4μ L的帶有氨基的硅烷試劑加入到溶液2中，攪拌10 50分鐘，制得溶 液4 ；③把0.2 3 μ L的帶有羧基的硅烷試劑加入到溶液2中，攪拌5 60分鐘，制得溶液5 ；④把0.5 3 μ L帶有聚乙二醇基的硅烷試劑加入到溶液2中，攪拌5 30分鐘，得溶 液6 ；(3)SiO2外殼的形成及量子點的水溶性轉換把步驟(1)制得的溶液1和步驟(2)制得 的溶液3、4、5、6其中的任一種混合，攪拌2 6小時使量子點轉到水相中，然后將反應后的 反應液離心分離，取下層沉淀物分散到純水中，即得水溶性的、包覆有功能化SiO2外殼的、 生物毒性低的、直徑小于等于IOnm的量子點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可降低有機相合成發(fā)光半導體量子點生物毒性的水溶性轉換方法，包括以下步驟將量子點分散在有機溶劑中，然后加入不含官能團的硅烷試劑，使硅烷試劑與量子點表面的配體進行交換，量子點在有機溶劑中的濃度為0.03～1.0mg/mL；制備含有親水性官能團的水相溶液；將量子點有機溶液與水相溶液混合，攪拌反應使量子點轉到水相中；利用本發(fā)明的轉換方法可得水溶性的、包覆有功能化SiO2外殼的、生物毒性低的、直徑≤10nm的量子點，并且量子點具有生物適應性好，具有高的熒光量子效率，具有寬的激發(fā)帶、窄的發(fā)光譜、可調的發(fā)光顏色等特點。
文檔編號C09K11/02GK101851498SQ20101019449
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月8日 優(yōu)先權日2010年6月8日
發(fā)明者張愛玉, 曹永強, 楊萍, 程新 申請人:濟南大學