发光金属氧化物膜的制作方法

专利名称：发光金属氧化物膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光膜相关的物品和方法。
背景技术：
半导体纳米晶体或量子点是高发射(highly emissive)材料，其可 用于多种用途。已经显示出一些半导体纳米晶体(例如含镉和含铅的纳 米晶体)表现出可控的发射和窄带宽，使得它们可用于光学设备和诊断， 例如生物学标记中的荧光探针。但是，由于这些半导体纳米晶体的固有 毒性，使得它们的广泛应用受到了限制。尽管可使用低固有毒性的发光 纳米颗粒作为替代，但是其中许多都表现出光稳定性差以及水溶液中溶 解度有限。例如，通过长时间暴露于阳光，发光纳米颗粒在水溶液中可 形成大的聚集体。另外， 一旦发光纳米颗粒干燥并长时间保存，它们可 变得在溶液中不溶，使得它们在许多用途中不适用。
因此，需要改进的方法。

发明内容
本发明提供了形成发光金属氧化物纳米颗粒薄膜的方法，其包括形 成层，所述层包含衬底表面上的发光金属氧化物纳米颗粒层；以及在不 超过150t:的温度下加热所述衬底，其持续时间足以使发光金属氧化物 纳米颗粒层退火至所述表面，其中，在加热之前，所述发光金属氧化物 纳米颗粒层在一组特定的激发条件下具有第一发射，通过加热，所述发 光金属氧化物纳米颗粒层在所述组的特定激发条件下具有第二发射，其 强度是所述第一发射的强度的至少80%。
本发明还提供了结合分析物的方法，其包括使发光金属氧化物纳米 颗粒层暴露于怀疑含有分析物的样品，如果所述分析物存在，通过所述 分析物和所述发光金属氧化物纳米颗粒层之间的相互作用使得所述分 析物能相对于所述发光金属氧化物纳米颗粒层被固定。
在另一个方面中，本发明涉及用于测定靶标分析物的物品，其包含衬底和形成并粘附在所述衬底表面的层，所述层包含发光金属氧化物纳 米颗粒，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒包含选用于优先结合所述靶 标分析物的结合伴侣。
本发明的另一个方面涉及荧光共振能量转移供体，其包含发光金属 氧化物纳米颗粒，所述纳米颗粒包含选用于优先结合所述靶标分析物的 结合伴侣，其中所述发光金属氧化纳米颗粒是荧光共振能量转移供体， 所述分析物是荧光共振能量转移受体。
附图简要i兌明
图l以示意图表示根据本发明的一个实施方案的发光金属氧化物层的制 造。
图2显示在水中超声处理两分钟后(a)退火的和(b)未退火的ZnO 纳米颗粒层的吸收光谱。
图3显示在不同温度下退火后ZnO纳米颗粒层发光强度的百分率。
图4显示ZnO纳米颗粒膜的AFM图，所述膜旋涂自(a) ZnO纳米颗 粒的水溶液和(b) ZnO纳米颗粒的甲醇溶液。
图5显示(a) ZnO纳米颗粒溶液和(b) ZnO膜的动力学发光测量。
图6显示(a)存在和(b)不存在lmM邻苯二甲醛的硼酸盐緩冲液时 ZnO膜的发光强度的百分率，以及(c)存在和(d)不存在lmM邻苯 二曱醛水溶液时的发光强度的百分率。所述膜在UV光(Xmax=365纳米) 下暴露20分钟。
图7显示(a)在345纳米激发的ZnO膜，(b)在545纳米激发的四甲 基罗丹明琥珀酰亚胺酯染料，以及(c)在345纳米激发的四曱基罗丹 明琥珀酰亚胺酯染料接枝的ZnO膜，的吸收光谱(虚线)和发射光镨 (实线)。
图8A以示意图显示ZnO层的生物素官能化。
图8B以示意图显示用于荧光共振能量转移(FRET)的四甲基罗丹明 取代生物素/亲和素/生物素-ZnO结构的随后组装。图9以示意图显示发光ZnO层和通过生物素-亲和素-生物素组件与ZnO 层结合的四甲基罗丹明染料之间发生FRET。


图10显示以下的发射光镨(a )在345纳米激发的生物素接枝ZnO膜， (b )在345纳米激发的生物素/亲和素/四甲基罗丹明取代生物素组装物 接枝的ZnO膜，(c)在545纳米激发的生物素/亲和素/四甲基罗丹明取 代生物素组装物接枝的ZnO膜，(d)在545纳米激发的四甲基罗丹明 取代生物素的水溶液，和(e)在345纳米激发的四曱基罗丹明取代生 物素的水溶液。
具体实施例方式
本发明涉及发光膜相关的物品和方法，它们可用于多种用途。本发 明的发光膜可包含金属氧化物纳米颗粒层，并且在一些情况下可与分析 物相互作用产生可检测信号，由此可测定分析物的存在和/或量。在一 些实施方案中，所述发光膜和所述分析物之间可发生荧光共振能量转移 (fluorescence resonance energy transfer, FRET )， 如下文更完整所讨 论。这些物品和方法可用于，例如生物学测定或用作生物学传感器。
由于其发射特性和低毒性，发光金属氧化物颗粒(例如ZnO)可用 于，例如生物学测定和装置。但是，许多发光金属氧化物颗粒在溶液中 不稳定，限制了它们的应用。例如，在水溶液中，通过长时间暴露于阳 光， 一些发光金属氧化物颗粒形成大的聚集体，并且在低浓度下可以是 不稳定的。 一种提高发光金属氧化物稳定性的方法包括将它们掺入固相 膜中。但是，现有的形成金属氧化物膜的典型方法包括在高温下 (500-700n )煅烧，所产生膜的发光明显减弱。本发明提供了在一些 情况下提高发光金属氧化物纳米颗粒的稳定性的物品和方法，并将它们 应用于多种用途。本发明的某些实施方案包括膜的制备和应用，所述膜 包含高发射的发光金属氧化物纳米颗粒(例如ZnO和其它发光金属氧 化物纳米颗粒)、纳米晶体等的层。
本发明的一个方面提供了形成稳定的发光金属氧化物纳米颗粒膜 (例如层)的方法。在一个实施方案中，所述方法包括在衬底表面上形 成包含发光金属氧化物纳米颗粒的层。所述层可通过从发光金属氧化物 纳米颗粒溶液或悬液中沉积而形成，所述沉积通过例如旋涂法 (spin-casting )、滴铸法(drop-casting )或其它沉积技术，然后其可緩慢干燥，然后退火。本发明的一个方面包括认识到所述干燥步骤可影响 所述发光金属氧化物纳米颗粒层的均匀性。在一些实施方案中，通过在
约401C干燥所述旋涂膜获得均匀的膜。在一些实施方案中，所述旋涂膜 在室温下緩慢干燥。之后，可在相对温和但足以将所述发光金属氧化物 纳米颗粒层退火至所述表面的温度下将所述干燥膜加热一段合适的时 间。本文所使用的术语"退火"指加热衬底和所述衬底上形成的层，以 稳定所述层使得它粘附于所述衬底，即使是通过浸入溶液和/或在溶液 中超声也是如此。在一些情况下，经过退火，所述发光金属氧化物纳米 颗粒层与所述表面形成共价键。
在一些实施方案中，退火过程中可在不超过150t:的温度下加热所
述衬底。在另一些实施方案中，在不超过1401C、不超过130"C、不超 过1201C或不超过IIO"C的温度下加热所述膜。同样，可将所述膜加热 足够长的时间以在衬底表面形成稳定的(例如退火的)层，而不减损所 述层的光学特性。在一个实施方案中，所述膜可退火约IO分钟。退火 步骤的温度和时间都可影响所得膜的特性，例如膜的均匀性和发光性 (例如荧光、磷光等)。受益于本公开，本领域技术人员不需要过多实 验就能够针对金属氧化物选择退火温度和时间的组合，以产生良好膜而 金属氧化物的发光没有任何或太大的损失。
本发明的优选发光金属氧化物纳米颗粒膜通过退火是牢固(robust) 和光稳定的。在一些实施方案中，所述发光金属氧化物纳米颗粒层通过 退火基本上保持了它的发光特性。例如，在暴露于本发明的退火条件(在 一定温度下加热一段时间，使之足以使所述膜相对于所述衬底退火)之 前，发光金属氧化物纳米颗粒层在一组特定激发条件下可具有第一发 射。通过暴露于这些条件，所述发光金属氧化物纳米颗粒层在相同组的 特定激发条件下可具有第二发射，其中所述第二发射的强度在至少一个 发射波长处是第一发射的至少80%。"发射波长"指对象材料在退火前 后均发射的波长，其可在测定等中用作信号功能。在另一个实施方案中， 第二发射的强度是第 一发射的至少卯％ 。所述膜基本上保留大部分发光 特性可能是由于相对低的退火温度。如图3所示，在本发明一个比较性 研究中，退火膜的发光强度随退火温度的增加而降低。当膜被加热到500 TC时，此样品中存在超过98%的发光损失。在一些实施方案中，本发明
的发光金属氧化物纳米颗粒层可在不超过iiox:的温度下退火，以保持
退火之前所述(如旋涂的)层的发光强度的至少卯％。在一些实施方案中，所述发光金属氧化物膜或层具有很好的均匀 性。也就是说，所述发光金属氧化物纳米颗粒可均勻分布于所述层中以 及整个所述衬底的表面上，而不是形成聚集体。同样的，在一些情况下，
通过退火所述膜可以耐受溶蚀(dissolution),这是由于在例如所述金属 氧化物纳米颗粒的羟基和所述衬底(例如玻璃衬底)的表面基团(例如 硅醇基团)之间形成共价键。在一些情况下，所述发光金属氧化物纳米 颗粒层可在室温(约)和/或接近室温(即约4匸至约25t:)下长 时间(例如一周、 一个月、三个月或甚至6个月或一年)保存，而在至 少一个发射波长上没有明显的发光损失(例如损失小于1%、 2%、 5%、 10%、 15%或20%)。在另一些实施方案中，即使保存于至少30X:、 35 t:、 401C或45X:的温度下，本发明的退火膜如上文所述也是稳定的。
在图1所示的一个示例性实施方案中，可以从ZnO纳米颗粒溶液 制备发光ZnO膜。包含其表面用胺基团官能化的硅烷涂层的发光颗粒 10的溶液(例如水溶液)可以沉积(例如旋涂法、滴铸法等)在衬底 20上，以形成物品30，在40r下干燥，然后在110匸下退火以形成ZnO 膜40。所述ZnO膜非常均匀、牢固且光稳定。相比于对应的发光ZnO 纳米颗粒溶液，所述ZnO膜显示出更好的光稳定性和相似的反应性。
本发明还提供了包含衬底和形成并附着于所述衬底表面的发光金 属氧化物纳米颗粒层的物品，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒包含多 个官能团。在一些情况下，所述官能团可存在于所述发光金属氧化物纳 米颗粒层的表面并且可赋予所述表面特定的性质。也就是说，所述官能 团可以包括这种功能，当其存在于所述层的表面时能够赋予所述表面特 定性质，例如对特定实体的亲和性。在一些实施方案中，所述官能团可 作为结合伴侣起作用，并且可与分析物形成键(例如共价键、离子键、 氢键或配价键等)。得益于本公开，本领域技术人员不需要过多的实验 就能够选择这样的官能团。合适官能团的实例包括但不限于，-OH、 -CONH-、 -CONHCO-、 -NH2、画NH國、-COOH、 -COOR、 -CSNH國、-N02 -、 ■S02-、 -RCOR國、-RCSR画、-RSR、 -ROR-、 -P043、 -OS032、 -COO 、 -SOO 、 -RSOR画、-CONR2、 -CH3、 -P03H 、 -2-咪哇、-N(CH3)2、 -NR2、 ■P03H2、國CN、國(CF2)n画CF3(其中n=l-20，包括两端点，优选1-8、 3-6 或4-5)、烯烃等。在一些实施方案中，所述结合伴侣可选自胺、羧酸、 磷酸盐/酯、羟基和硫醇。在某些实施方案中，所述发光金属氧化物纳 米颗粒层包含存在于其表面的胺，在另一些实施方案中，所述发光金属氧化物纳米颗粒层包含存在于其表面的羧酸。
在一些实施方案中，所述官能团可另外被结合伴侣官能化，所述结 合伴侣选用于优先结合靶标分析物，所述结合是通过例如两个生物分子 之间的结合或形成键。所述结合伴侣可以是螯合基团、亲和标签(例如 生物素/亲和素或生物素/链亲和素结合对等中的成员)、抗体、肽或蛋白 质序列、核酸序列或者选择性结合多种生物、生化或其它化学物质的部 分。在一个实施方案中，所述结合伴侣可包括亲和素。
本发明的另 一个方面涉及结合分析物的方法。可以使本发明的发光 金属氧化物纳米颗粒层暴露于怀疑含有分析物的样品，如果所述分析物
粒层之间的相互作用而相对于所述发光金属氧化物纳米颗粒层被固定。 如本文所述，所述分析物可通过两个生物分子之间的结合或者在一些情 况下通过形成键与所述发光金属氧化物纳米颗粒层相互作用。
本文所使用的"结合"可包括任何疏水的、非特异性或特异性相互 作用，"两个生物分子之间的结合"指表现相互亲和性或结合能力(通 常是特异性或非特异性结合或相互作用)的相应生物分子对之间的相互 作用。在一些实例中，所述发光金属氧化物纳米颗粒层和所述荧光团的 相互作用可通过特异性相互作用来促进，例如蛋白质/碳水化合物相互 作用，配体/受体相互作用，或者其它一些生物结合伴侣。术语"结合 伴侣"指可以与特定分子结合的分子。术语"特异性相互作用"是本领 域中所使用的普通含义，即分子对之间的相互作用，其中相对于其它不 相似的分子，所述分子彼此之间具有更高的识别或亲和性。生物素/亲 和素和生物素/链亲和素是特异性相互作用的实例。
发光金属氧化物纳米颗粒层优先结合分析物的能力可有利于许多 用途。例如，在一个实施方案中，本发明提供了在所述发光金属氧化物
纳米颗粒和荧光团之间荧光共振能量转移(FRET)的方法。术语"荧 光共振能量转移"或"FRET"是本领域已知的，其指来自受激状态的 物质(即FRET供体)的激发能量向受体物质(即FRET受体)的转移， 其中观察到来自受体物质的发射。所述发光金属氧化物纳米颗粒层可以 相互作用从而可以发生FRET。所述相互作用可包括所述发光金属氧化 物纳米颗粒层与分析物的相互作用，其中所述分析物是荧光团。在一些 实例中，所述分析物可包含荧光团。例如，所述分析物可通过键或结合相互作用与荧光团相连，或者可以与所述荧光团相结合。在此所使用的 "分析物"应理解为包含与所述分析物相结合的荧光团。
本发明可提供以下方法，其中本文所述物品可经历与分析物的
FRET,使得所述分析物促进能量供体和能量受体之间的能量转移。例 如，所述包含荧光团的分析物(所述分析物可以自身是荧光团和/或所 述分析物可与荧光团相连或者相固定)可暴露于发光金属氧化物纳米颗 粒层，其中所述发光金属氧化物层是FRET供体，而所述荧光团是FRET 受体。所述分析物可相对于所述发光金属氧化物纳米颗粒层被固定，使 得所述荧光团位于所述发光金属氧化物纳米颗粒层足够接近的位置，从 而发生FRET，这是本领域技术人员所能理解的。所述发光金属氧化物 层暴露于能量源可形成发光金属氧化物层激发能量，然后其可转移给荧 光团，使得所述荧光团产生发射。可通过发射测定所述分析物(例如观 察到、定量等)。这些方法可使得荧光团的光褪色减少，这是因为所述 荧光团可以不经受电磁辐射的直接激发，这可延长和/或改善荧光团的 性能，所述荧光团例如为小有机分子、荧光染料、绿色荧光蛋白等。在 一些情况下，FRET可导致荧光团发射的放大，从而更可靠地定量荧光 发射。同样，本发明的方法在所述荧光团可能是低浓度的系统中可以是 有利的。
可使用特异性相互作用使所述分析物和所述发光金属氧化物纳米 颗粒层彼此接近，使得所述发光金属氧化物纳米颗粒层(例如所述能量 供体)和与分析物(例如所述能量受体)相结合的荧光团可参与能量转
移。例如，所述发光金属氧化物纳米颗粒层可包含配体，所述分析物可 包含此配体的受体。在一个实施方案中，所述发光金属氧化物纳米颗粒 层包含生物素，所述分析物可包含亲和素或链亲和素。或者，所述发光 金属氧化物纳米颗粒层可包含生物素-亲和素复合物，所述分析物可包 含生物素。在另一个实施例中，所述发光金属氧化物纳米颗粒层可包含 寡核苷酸(DNA和/或RNA)，所述分析物可包含基本上互补的寡核苷 酸。本领域技术人员将能够选择适合特定应用的结合伴侣对。
在一些实施方案中，中间结合物可促进所述发光金属氧化物纳米颗 粒层和所述分析物彼此接近到足够促进FRET的距离。例如，所述中间 结合物可特异性地结合所述发光金属氧化物纳米颗粒层和所述分析物。 所述中间结合物，所述发光金属氧化物纳米颗粒层和所述分析物可以任何顺序相互作用，只要使所述发色团彼此接近。例如，所述发光金属氧 化物纳米颗粒层和所述中间结合物可首先相互作用，然后所述分析物可 与所述发光金属氧化物纳米颗粒层和所述中间结合物其中之一相互作
用或与其两者皆相互作用；所述发光金属氧化物纳米颗粒层和所述分析 物可首先相互作用，然后所述发光金属氧化物纳米颗粒层和所述分析物 其中之一或两者皆与分析物相互作用；所述分析物，所述发光金属氧化 物纳米颗粒层和所述分析物可同时相互作用；等等。在一个具体实施方 案中，所述发光金属氧化物纳米颗粒层和所述分析物均包含生物素，所 述中间结合物包含亲和素，如图8所示。所述发光金属氧化物纳米颗粒 层和/或所述分析物与所述中间结合物的相互作用可导致具有一定阈值 水平的发射，当所述中间结合物不存在时所述发光金属氧化物纳米颗粒 层和/或所述分析物不产生处于或高于所述发光阈值水平的发射。
在另一个方面，本发明提供了包含发光金属氧化物纳米颗粒的 FRET供体，所述纳米颗粒包含选用于优先结合分析物的结合伴侣，其 中FRET可发生于所述发光金属氧化物纳米颗粒和所述分析物之间，如 本文所述。施加所述发光金属氧化物纳米颗粒层的激发波长处的电磁能 量可产生发光金属氧化物纳米颗粒激发能量，然后其可转移到所述荧光 团，使得所述荧光团产生发射。可对所述发光金属氧化物纳米颗粒以及 所述荧光团进行选择以促进高效的FRET。例如，所述发光金属氧化物 纳米颗粒可具有与所述荧光团吸收光镨重叠的发射光谱。
在一些情况下，所述荧光团可以是有机、荧光染料，其中在所述发
FRET，导致来自所述染料的发射峰。图9以示意图显示本发明的一个 示例性实施方案，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒层的激发导致来自 所结合的罗丹明染料的发射峰。荧光染料的实例包括但不限于荧光素、 罗丹明B、得克萨斯红TMX、磺基罗丹明、钙黄绿素(calceiii)等。
发光金属氧化物纳米颗粒层用作FRET供体在多种应用中可以是有 利的，因为所述层可用作有效的捕光工具，以产生可检测信号。结果， 包括本发明物品和方法的装置(例如传感器)和测定对给定分析物可以 是高度灵敏且具有选择性的。例如，由来自发光金属氧化物纳米颗粒层 的FRET产生的有机染料的发射强度可以显著高于所述有机染料直接 激发而产生的相同有机染料的发射强度。这在例如具有低浓度分析物的系统中可以是有利的。由于来自所述发光金属氧化物纳米颗粒层的
FRET而导致发射强度的放大对于在生物测定中测定分析物、生物分子 的荧光标记、生物分子及其他化学物的感测和定量等等可以是特别有用 的。
所述发光金属氧化物纳米颗粒层还可以用于测定分析物(例如化学 或生物学分析物)的装置(例如传感器)和方法，其中所述分析物可以 相对于所述发光金属氧化物纳米颗粒层被固定，FRET可以在所述层和 所述分析物之间发生，如本文所述。本文所使用的术语"测定" 一般指 对物质或信号的分析(例如定量或定性分析)和/或检测是否存在所述 物质或信号。"测定，，还可以指对两个或多个物质或信号之间相互作用 的分析(例如定量或定性分析)和/或检测是否存在相互作用。本发明 可提供用于测定样品中生物学实体的物品和方法，例如测定样品中生物 学实体的存在、类型、量等等。所述样品可取自任意合适来源，其中生 物学实体的存在有待测定，例如它们来自食物、水、植物、动物、体液 (例如淋巴液、唾液、血液、尿、乳和乳腺分泌物等)、组织样品、环 境样品(例如空气、水、土壤、植物、动物等)等等的。在一个实施方 案中，所述生物学实体是病原体。
例如，本发明在一个实施方案中提供了一种方法，其包括使发光金 属氧化物纳米颗粒层暴露于怀疑含有包含荧光团的分析物的样品，其中 所述发光金属氧化物纳米颗粒层是能量供体，所述荧光团是能量受体， 如本文所述。假如所述分析物存在，可以通过测定来自所述荧光团的发 射来测定所述分析物，如本文所述。
图8显示了一个示例性实施方案，其中发光金属氧化物纳米颗粒层 包含存在于所述层表面的生物素结合伴侣(图8A)。所述发光金属氧化 物纳米颗粒层暴露于亲和素和带荧光标签的生物素，使得所述亲和素和 带荧光标签的生物素通过所述亲和素和生物素部分之间的相互作用与 所述层相结合(图8B)。如图9中所示，在所述发光金属氧化物纳米颗 粒层的激发波长处施加电磁能量可产生发光金属氧化物纳米颗粒激发 能量，然后其可转移到所述荧光标签，导致大部分的发射产生自所述荧 光标签而不是所述发光金属氧化物纳米颗粒层。此发射的产生可标志着 样品中分析物的存在和/或分析物的量。
本发明的多个实施方案提供了从能量供体到能量受体的能量转移。在一些实施方案中，所述发光金属氧化物纳米颗粒层可以是能量供体， 荧光团可以是能量受体。作为替代，在另一些实施方案中，可选择所述 发光金属氧化物纳米颗粒层作为能量供体，荧光团可以是能量受体。本 领域普通技术人员能够选择合适的材料用作能量供体和/或受体。
例如，FRET机制中的能量受体或供体可根据吸收和/或发射的波长 进行选择。能量可以通过F6rster转移、Dexter机制或F6rster转移与 Dexter机制的组合从能量供体转移到能量受体。在F6rster转移是能量 供体与能量受体之间能量转移机制的情况下，能量转移的程度可随着能 量供体发射光谱和能量受体吸收光谱之间重叠的量而变化。在能量转移 通过Dexter机制发生的情况下，能量转移的量可以基本上与能量供体 和受体之间的光镨重叠无关。本文所使用的"光镨重叠"是其在本领域 中的通常含义，即，当两个光谱被标准化并且叠加时，同时存在于两条 曲线之下的面积(即，如通过积分所确定)。
在涉及FRET的另一组实施方案中，第一发色团(例如能量供体) 可具有第一发射寿命，第二发色团(例如能量受体)可具有所述第一发 射寿命至少约5倍的第二发射寿命，在一些情况下，所述第一发射寿命 的至少约10倍，至少约15倍，至少约20倍，至少约25倍，至少约35 倍，至少约50倍，至少约75倍，至少约100倍，至少约125倍，至少 约150倍，至少约200倍，至少约250倍，至少约350倍，至少约500 倍，等等。
在另一组实施方案中，所述第二发色团可增强所述第一发色团的发 射，例如，在一些情况下，至少约5倍，至少约10倍，至少约30倍， 至少约100倍，至少约300倍，至少约1000倍，至少约3000倍，至少 约10000倍或更多。
在一些情况下，所述分析物存在时FRET可产生新的阈值发射，其 中所述新的阈值发射与分析物不存在时的发光具有最小的重叠。在一组 实施方案中，所述新的阈值发射可具有波长高于主非阈值发射至少约 100纳米的峰最大值，即所述能量供体和所述能量受体可具有相差至少 约IOO纳米的最大发射波长。在另一些情况下，所述新的阈值发射可具 有波长高于主非阈值发射至少约150纳米的峰最大值。在又一些实施方 案中，所述新的阈值发射可具有波长高于主非阈值发射至少约200纳米、 约250纳米、约300纳米或更高的峰最大值。所述发光金属氧化物纳米颗粒层可通过本领域已知的任何适宜方
法形成，其包括溶剂浇铸(solvent casting)技术，例如旋涂、滴铸或 緩慢蒸发。可改变退火步骤的温度和持续时间以适应特定应用。在一些 实施方案中，可改变所述退火温度和持续时间以优化某些性质，例如对 所述衬底的粘附以及所述层的光学特性。例如，可选择所述温度和时间 使得足以将所述层粘附到所述衬底的表面，在一些情况下，是通过形成 共价键完成的。这可以通过测试进行评价，所述测试是通过将经退火的
底上还是从其上脱离。相似地，可在数个温度和/或时间间隔下观察所 述层的发光，以测定所述光学特性是否可能开始减弱，以及在什么温度 和/或时间间隔下可以开始减弱。
可使用已知方法将官能团和/或结合伴侣附着于发光金属氧化物纳 米颗粒。为了使所述发光金属氧化物纳米颗粒表面官能化，在一些情况 下所述纳米颗粒可以在受控量的碱存在下首先与官能化的硅烷反应，使 得所述官能化硅烷基本上经历仅仅一个水解反应，从而与所述纳米颗粒 形成共价键。可通过改变反应系统中的温度和碱的量对硅烷缀合的程度 和速率进行控制。然后分离自第一步骤的中间体可悬于溶剂中，在其中 它接着与过量碱反应以完成官能化硅烷部分的颗粒内硅烷化。
可使用多种类型硅烷进行硅烷缀合，包括在一端具有三甲氧基甲硅 烷基、甲氧基甲硅烷基或者硅醇基团的硅烷，其可在碱性介质中水解以 形成围绕于所述纳米颗粒的二氧化硅壳。所述硅烷还可包含有机官能 团，例如磷酸根和膦酸根基团、胺基、硫醇基团、羰基(例如羧酸等)、 CVC2o烷基、d-C2。烯烃、CrC2。炔烃、叠氮基团、环氧基团或者其它 本文所述的官能团。可以使用本领域已知的技术，将这些官能团在硅烷 缀合到所述纳米颗粒之前或之后结合到官能化的硅烷。同样，所述官能 团可以存在于所述发光金属氧化物纳米颗粒和发光金属氧化物纳米颗 粒层的表面。
如本文所述，所述发光金属氧化物纳米颗粒还可包含选用于优选结 合乾标分析物的结合伴侣。所述结合伴侣可包含能够在介质(例如溶液) 中结合另一个生物或化学分子的生物或化学分子。例如，所述结合伴侣 可以能够通过发生于生物分子对(包括蛋白质、核酸、糖蛋白、碳水化 合物、激素等)之间的相互作用来生物学结合分析物。具体实例包括抗体/肽对、抗体/抗原对、抗体片段/抗原对、抗体/抗原片段对、抗体片段 /抗原片段对、抗体/半抗原对、酶/底物对、酶/抑制剂对、酶/辅因子对、 蛋白质/底物对、核酸/核酸对、蛋白质/核酸对、肽/肽对、蛋白质/蛋白
质对、小分子/蛋白质对、谷胱甘肽/GST对、抗GFP/GFP融合蛋白对、 Myc/Max对、麦芽糖/麦芽糖结合蛋白对、碳7JC化合物/蛋白质对、碳水 化合物衍生物/蛋白质对、金属结合标签/金属/螯合物、肽标签/金属离子 -金属螯合物对、肽/NTA对、凝集素/碳水化合物对、受体/激素对、受 体/效应子对、互补核酸/核酸对、配体/细胞表面受体对、病毒/配体对、 蛋白A/抗体对、蛋白G/抗体对、蛋白L/抗体对、Fc受体/抗体对、生 物素/亲和素对、生物素/链亲和素对、药物/乾标对、锌指/核酸对、小分 子/肽对、小分子/蛋白对、小分子/耙标对、碳水化合物/蛋白对(例如麦 芽糖/MBP(麦芽糖结合蛋白))、小分子/靶标对或者金属离子/螯合剂对。
可使用本领域已知的方法合成本发明的发光金属氧化物纳米颗粒， 所述方法包括描述于Jana et al., Chem. Mater. 2004， 16, 3931-3935; Meulenkamp et al" J. Phys. Chem. B 1998, 102, 5566; Abdullah et al" Adv. Func. Mater. 2003， 13， 800中的方法，其每个通过引用并入本文。 术语"纳米颗粒"可以指具有不超过l微米最大截面尺寸的颗粒。纳米 颗粒可以由例如无机或有机、聚合物、陶瓷、半导体、金属、非金属、 晶体(例如"纳米晶体")、无定形或其组合。通常，纳米颗粒在任何方 向的截面小于250纳米，更常见的在任何方向的截面小于100纳米，优 选在任何方向的截面小于50纳米。在一些实施方案中，所述纳米颗粒 可以有约2至约50纳米的直径。在一些实施方案中，所述纳米颗粒可 以有约2至约20纳米的直径。在另一些实施方案中，所述纳米颗粒可 以有约2至约3纳米的直径。
可以在本发明中使用的金属氧化物可以是组1-17 ( Group 1-17 )金 属的氧化物。合适的金属氧化物纳米颗粒的实例包括但不限于氧化锌、 氧化铁、氧化锰、氧化镍和氧化铬。在一个具体实施方案中，所述发光 金属氧化物纳米颗粒包括ZnO纳米颗粒。本领域技术人员能够选择合 适的金属氧化物以适应特定应用。
可使用多种筛选测试来确定用于本发明的金属氧化物的合适选择。 例如，在一些情况下，可以根据金属氧化物粘附村底(例如玻璃衬底) 的能力选择所述金属氧化物。在一些情况下，在其表面包含游离羟基基团的金属氧化物纳米颗粒层可以通过在所述层和所述衬底之间形成共 价键粘附到玻璃衬底。在一些情况下，可以选择所述金属氧化物使得所
述金属氧化物的纳米颗粒可以在相对温和的温度下(例如不超过150"C ) 退火并粘附到衬底。 一种筛选测试可包括如本文所述在衬底上形成金属 氧化物纳米颗粒层以及退火所述衬底。然后，可将经退火的膜浸入溶液 和/或在溶液中超声以确定所述膜是保持粘附在所述衬底上还是从其上 脱离。
另一种筛选方法可包括对所述金属氧化物发光能力以及通过退火 基本上保留所述发光能力的评价。可以在衬底上形成金属氧化物纳米颗 粒层，可测量它的光学特性(例如吸收、发射等)。通过退火，可测定 所述层的光学特性，然后与退火之前测得的光学特性进行比较。在一些 情况下，通过退火保留至少80%或至少卯％发光的金属氧化物纳米颗 粒可以理想地用于本发明。
还可能希望的是将基本上无毒的金属氧化物(例如ZnO )应用于某 些用途(例如生物分子相关的用途)。可以根据与生物分子(例如细胞、 蛋白质等)相互作用并且对所述生物分子没有或尽可能少破坏和/或损 伤的能力来选择所述金属氧化物。 一种简单的筛选测试可包括向含有生 物分子(例如细胞培养基等)的样品添加金属氧化物纳米颗粒，观察所 述生物分子对所述金属氧化物纳米颗粒的反应。
在一组实施方案中，所述发光金属氧化物纳米颗粒层可以与分析物 (即通过与所述发光金属氧化物纳米颗粒层相互作用而能够发出辐射 的分子或其它结构)相互作用。术语"分析物"可以指待分析的任何化 学、生化或生物实体(例如分子)。在一些情况下，本发明的发光金属 氧化物纳米颗粒层可以对所述分析物有高特异性，例如，可以是化学、 生物学或者爆炸物(explosives)传感器。所述分析物可以是或者可以 包含发色团或荧光团。例如，所述分析物可以是市售分析物，例如但不 限于荧光素、罗丹明B、得克萨斯红TMX、磺基罗丹明、钙黄绿素等。 在某些实施方案中，所述分析物自身可包含发光金属氧化物纳米颗粒 层。在一些实例中，如本文所指定的，可通过中间连接物促进所述分析 物和所述发光金属氧化物纳米颗粒层之间的相互作用。在一些实例中， 所述分析物和所述发光金属氧化物纳米颗粒层的相互作用还可改变所 述发光金属氧化物纳米颗粒层的发射。在一些实例中，所述发光金属氧化物纳米颗粒层和所述分析物可通过能量交换机制相互作用，所述机制
例如为Dexter或F6rster能量转移机制。
在一些实例中，可选择所述分析物使得所述分析物的发射与所述发 光金属氧化物纳米颗粒层的发射不具有高度的光谱重叠，如下文进一步 讨论的。因此，在本发明的多个实施方案中，可选择所述分析物以降低 杂散光(背景)发射，这可能导致灵敏度增加以及更灵敏的传感器。
在一些实例中，分析物可以相对于本发明的物品而被固定。本文所 使用的"相对于另一成分而被固定，，的一种成分是或者固定于所述另一 成分或者间接地固定于所述另 一成分，所述间接固定是例如通过与所述 另一成分共同固定于第三成分来实现的，或者是与所述另一成分平移式 (translationally )结合。例如，如果分析物固定于附着至所述层的结合 伴侣，固定于中间结合物(所述附着至所述层的结合伴侣也固定于该中 间结合物)，等等，那么分析物相对于发光金属氧化物纳米颗粒层被固 定。在一些实施方案中，所述分析物包含能够与所述发光金属氧化物纳 米颗粒层至少一部分相互作用的部分。例如，所述部分可如上所述通过 形成键(例如共价键)或通过结合(例如生物结合)与所述层相互作用。
实施例
一;^i^^.除非另外指出，所有化学物购自商业来源(AlfaAesar， Gelest， Lancaster和Sigma-Aldrich ),其不经进一步纯化即使用。四甲 基罗丹明染料及其衍生物购自Invitrogen;样品的吸收光谱在室温下用 Agilent 8453 UV-Vis光谱仪获得。在室温下用Jobin Yvon Horiba Fluorolog发光光镨仪测量发光光镨。用Vecco Multimode原子力显微 镜拍摄AFM显微照片。在Laurell WS-400B隱6NPP-LITE旋涂仪上进行 旋涂。
实施例1
如图l举例所示，通过在玻璃衬底上旋涂带末端胺的金属氧化物纳 米颗粒的水溶液并退火以形成发光膜，从而形成发光金属氧化物纳米颗 粒层。
临4吏用前，胺官能化的ZnO (NH2-ZnO)纳米颗粒(~30毫克) 溶解于10亳升去离子水，并用0.21微米膜针头式滤器过滤。用UV-可见光光镨仪在330纳米处定量NH2-ZnO纳米颗粒溶液的浓度。用Disco DAD3350自动切割锯将Pyrex玻璃衬底切成期望尺寸，使用前，依次 在NaOH溶液、HC1溶液和去离子水中进行超声清洗。由于贮备溶液的 高粘度，使用低的旋转速度。对于2厘米x2厘米衬底，将680微升的 NH2-ZnO保存溶液(0.3毫克/毫升)滴在所述玻璃衬底上，所述衬底以 240 rpm旋转10分钟。对于1厘米x l厘米衬底，120微升的NH2-ZnO 保存溶液(0.3亳克/毫升)滴在所述玻璃衬底上，所述衬底以500 rpm 旋转10分钟。
当所述涂层在4or;下緩慢干燥直至所有溶剂蒸发时，获得均匀的
膜。当所述膜在室温下干燥时，它们显示出环形样式。在高于401C的温 度下干燥导致膜发光强度降低，这可能是由于晶格畸变。但是，所述 NH2-ZnO膜通过在水中超声2分钟可以重新溶解。为了提高所述 NH2-ZnO膜和所述玻璃衬底之间的粘附，带涂层的衬底在110"C下退火 10分钟。图1B显示所述NHrZnO膜在退火后变得对溶解具有抗性， 这可能是由于在所述ZnO纳米颗粒的未封端-OH基团和所述玻璃衬 底的表面硅醇基团之间形成了共价键。
实施例2
在此比较实施例中，显示出温和的退火温度在制备均匀发光膜中的 重要性。如图3中所示，当所述膜加热到500X:时，丧失了超过98%的 发光(例如淬灭)。当所述退火温度降低到110*€时，保留了所述膜至少 90%的发光强度。其它细节与实施例1中所述一致或类似。
实施例3
对如实施例1中所述制备的发光金属氧化物纳米颗粒膜的表面官能 化、均匀度、光学特性和稳定性进行评价。
向所述NH2-ZnO膜添加荧光胺(其迅速与伯胺基反应)显示所述 荧光胺结合到所述膜，其表明所述膜表面上存在NH2基团。
获得所述膜的原子力显微分析(AFM)图像。如图4A所示，用 NH2-ZnO水性(例如水)溶液旋涂的膜具有良好的均匀性。相反，用 NH2-ZnO纳米颗粒甲醇溶液旋涂的膜在玻璃衬底上产生纳米颗粒的聚 集体，其具有少于25%的NH2-ZnO覆盖率(图4B )。图2显示在水中超声2分钟之后(a )退火的和(b )未退火的ZnO 纳米颗粒层的吸收光镨。与溶液中的NH2-ZnO纳米颗粒类似，所述退 火的NH2-ZnO膜显示在UV区有宽吸收，其在350纳米以上迅速降低 (图2A)。和所述溶液的545纳米相比，所述膜的发射峰值稍微迁移到 537纳米。未退火的ZnO纳米颗粒层在超声后显示出基本上没有吸收光 谱，其表明所述纳米颗粒不再粘附于所述衬底的表面(图2B)。
在溶液中，观察到所述NH2-ZnO纳米颗粒在长时间暴露于阳光后 形成聚集体，通过暴露于UV光所述溶液的发光强度降低20%(图5A )。 相反，NH2-ZnO膜显示了经UV照射后的坚固性。当在345纳米连续 激发所述膜10分钟，545纳米处的发光强度增加至少20% (图5B)。 发光的增加可能是由于ZnO在连续照射下的晶格完善。所述NHrZnO 膜在4t:露天保存3个月之后，保留了最初膜至少60%的发光。
实施例4
对分析物影响如实施例1中所述制备的NH2-ZnO纳米颗粒层的某 些发光特性的能力进行评价。本发明的发光金属氧化物纳米颗粒可包含 发光核心(例如ZnO)和保护性外层(例如硅烷层)，其可以是所述纳 米颗粒表面的致密结构。所述外层可包含具有末端胺基的烷基或杂烷基 链，其可以可逆地与醛反应形成亚胺。所述外层的存在，在例如通过暴 露于电磁辐射(例如UV光)，可为所述发光核心提供化学和光化学稳 定性。发光金属氧化物纳米颗粒层暴露于醛取代的分析物可导致在发光 金属氧化物纳米颗粒层和所述醛取代分析物之间通过形成亚胺而形成 共价键，使得所述外层从纳米颗粒的表面分散开。也就是说，所述链被 延长，使得亚胺部分与所述表面分离的程度增加。在一些实例中，这可 能是由于外层与纳米颗粒表面亲合力的改变。在一些实例中，所述外层 可变得分散，例如，通过烷基或杂烷基链的延长，这是由于结合到所述 外层的分析物的尺寸所导致。例如，所述分析物可以是空间体积大的分 析物，例如蛋白质或其它一些生物学分析物，这可以阻止形成致密包装 的外层。通过暴露于电磁辐射(例如UV、可见光、IR等)，所述外层 的致密包装结构的分解可导致丧失光稳定性以及发生光漂白，从而指示 所述分析物的存在或者量。
在一个实施方案中，所述NH2-ZnO膜暴露于邻苯二甲醛的硼酸盐 緩冲液或水溶液(图6 )。所述NH2-ZnO膜被放置在6孔板或24孔板中。添加1 mM邻苯二甲醛的水溶液或10 mM硼酸盐緩冲液到每个孔 之后，使所述板暴露于来自平板透射仪(Wealtec )的UV光(Xmax=365 纳米，50 W) 2分钟，获得发射光镨。
在醛取代分析物不存在的情况下，观察到硼酸盐緩冲液中所述 NH2-ZnO膜的发光强度明显高于水溶液中(分别为图6B和图6D )，其 表明该緩冲液的存在稳定化了所述NHrZnO纳米颗粒。在邻苯二甲醛 存在时，UV照射2分钟后所述NH2-ZnO膜发光强度降低。图6显示 在存在(图6A)和不存在(图6B)硼酸盐緩冲液中的lmM邻苯二甲 醛时，ZnO膜发光强度的百分比。醛存在时，所述膜的发光强度降低约 50%。也测量了存在(图6C)和不存在(图6D) 1 mM邻苯二甲醛水 溶液时ZnO膜的发光强度百分比。在醛存在时所述膜的发光强度略微 降低。这可能是由于所述醛和所述NH2-ZnO膜的表面胺基反应形成亚 胺，随后分散开所述NH2-ZnO纳米颗粒的保护性外层，这可使得所述 NH2-ZnO纳米颗粒更易发生光漂白。
实施例5
通过将FRET受体(例如有机荧光染料)直接连接到所述NH2-ZnO 膜，对如实施例1中所述制备的NH2-ZnO膜用作FRET供体的潜力进 行评价。
用琥珀酰亚胺酯活化的四甲基罗丹明(tetramethylrhodamine ， TMR)染料处理NH2-ZnO膜。图7A显示在345纳米激发的NH2-ZnO 膜的吸收光镨(虚线)和发射光镨(实线)。图7B显示在545纳米激发 的TMR琥珀酰亚胺酯染料的吸收光谱(虚线)和发射光谱(实线)。 选择TMR是因为NH2-ZnO膜发射光镨和TMR染料吸收光谱之间的宽 重叠光镨。
添加荧光胺以证实基本上所有的氨基都被TMR分子官能化。由于 表面NH2基团的低浓度，观察不到来自接枝TMR基团的吸收(图7C)。 但是，如图7C中所示，直接激发所述ZnO膜(345纳米)导致在580 纳米处的发射峰，其是来自于TMR染料的发射，而不是与所述ZnO膜 相关的预期发生于537纳米处的发射峰。这些观察表明激发能量从所述 发光ZnO膜转移到接枝在它表面的TMR染料。实施例6
对如实施例1中所述制备的发光的胺官能化ZnO ( NH2-ZnO )膜进 一步官能化以用于生物测定。用可选择性结合靶标分析物的生物结合伴 倡对NH2-ZnO膜进行官能化。在此实施例中，用生物素部分对所述 NH2-ZnO膜进行官能化，所述部分可选择性结合亲和素部分或者，作 为替代，结合亲和素-生物素组装体。如图8A中所示，用N-羟基琥珀 酰亚胺-生物素(NHS-生物素)官能化NH2-ZnO膜的表面，其是通过 如所述在4"C下将所述膜浸入含0.01亳克/亳升NHS-生物素的10 mM 硼酸盐緩沖液中6小时进行的。然后从所述溶液中取出所述膜，用去离 子水冲洗两次。重复所述过程三次以提供生物素官能化的膜(生物素 -ZnO膜)。由于NHS-生物素半衰期短，所以所述浸入重复三次，每次 浸入都使用新鲜制备的NHS-生物素溶液以增加生物素官能化的程度。 添加荧光胺以评价生物素官能化的程度，通过观察所述膜的发光强度， 测得70%的氨基转化成生物素。作为对照实验，ZnO膜被浸入到没有 NHS-生物素的硼酸盐緩冲液中，将其发光强度与生物素化ZnO膜的发 光强度进行比较。发现所述生物素化ZnO膜的发光强度比未官能化的 ZnO膜低50%。
实施例7
然后将生物素-ZnO膜(实施例6)用作生物传感器，使用荧光共振 能量转移(FRET )作为从所述生物素-ZnO膜(FRET供体)向有机荧 光染料(FRET受体)的信号转导的机制。
图8B示意了用于荧光共振能量转移(FRET)的TMR取代生物素 /亲和素/生物素-ZnO膜结构的随后组装。首先将生物素-ZnO膜浸入亲 和素溶液，然后接着浸入带TMR标签生物素的溶液，以形成期望的组 件。图10A显示在所述ZnO膜的激发波长(345纳米)激发的、不带 有结合TMR染料的生物素-ZnO膜的发射光镨。图IOB中显示，TMR-生物素/亲和素/生物素-ZnO膜结构组件的发射光镨显示当在345纳米激 发时来自所述ZnO膜的发光减弱，而来自TMR染料的发光增强。这表 明，在所述ZnO层和结合在所述ZnO层上的四甲基罗丹明染料之间通 过生物素-亲和素-生物素组件发生了 FRET，如图9中所示。
另夕卜，由于来自所述ZnO膜的FRET导致的所述TMR染料的发射强度明显大于经545纳米直接激发的TMR染料的发光强度(图IOC )， 这表明了所述ZnO膜的光捕捉能力。相反，经545纳米激发所述染料 的(图10E)溶液中所述TMR-生物素分子的发射强度比经345纳米激 发(图10D )的发光强度高约60%。这可表明发光ZnO膜作为用于FRET 的强大光捕捉工具的能力。
尽管本文中描述并举例说明了本发明的多个实施方案，本领域技术
人员容易想到用于实施本文所述功能和/或获得所述结果或优点的多种 其它方法和结构，每种这样的变化、修饰和改进包括在本发明的范围之 中。更普遍的，本领域技术人员容易理解本文所述的所有参数、材料、 反应条件和构造旨在举例说明，实际的参数、材料、反应条件和构造将 取决于使用本发明教导的具体应用。本领域技术人员仅仅使用不超出常 规实验的手段即可了解、或者能够确定本文所述本发明具体实施方案的 等同方案。因此，应理解，前述实施方案仅仅作为举例，在所附权利要 求及其等同的范围内，本发明可以按照与具体描述所不同的进行实施。 本发明涉及本文所述的每一个独立的特征、系统、材料和/或方法。另 外，只要这些特征、系统、材料和/或方法不互相冲突，任何两种或多 种这些特征、系统、材料和/或方法的组合包括在本发明的范围内。
权利要求书(以及上文的说明书)中，所有表示包含的短语，例如 "包含"、"包括"、"含有"、"带有"、"具有"、"包含"、"由…形成"、"由… 制成"、"涉及"等应理解为开放式的，即意为"包括但不限于"，因此， 其包含其后所列的项目及其等同物以及另外的项目。只有"由……组成" 和"基本上由……组成"的短语应分别理解为封闭或半封闭式的。除非 有清楚指明，本文说明书和权利要求书中未加数词的项目应理解为"至 少一个"。
本文说明书和权利要求书中所使用的短语"和/或"应理解为所连接 元素的"任一或两者"，即一些情况下共同存在所连接元素，而另一些 情况下分别存在所连接元素。除了通过"和/或"措辞所具体指出的元 素之外，可任选地存在另外的元素，而不论与所具体指出的元素是否相 关。因此，作为非限制性实例，"A和/或B"可以指，在一个实施例中， 仅仅A(任选地包含B以外的元素)；在另一个实施方案中，仅仅B(任 选地包含A以外的元素)；在又一个实施方案中，A和B(任选地包含 另外的元素)；等等。本文说明书和权利要求书中所使用的，"或"应解释为与上述所定义的"和/或"相同的含义。例如，当分隔列表中的项 目时，"或"或者"和/或"应解释为包含性的，即包含多个元素或元素
列表的至少一个但也包含多于一个，任选地，还包含其它的未列出项目。
只有清楚的表明相反含义的术语，例如"仅仅一个"或"恰好一个"指 包含多个元素或元素列表的恰好一个。 一般地，当与排他性术语(例如 "任一"，"之一"，"仅仅之一"，或"恰好之一") 一起使用时，本文所
使用的术语"或"应仅仅解释为表示排他性的替代选择(即"一个或另
一个，但不是两者同时")。
如本文说明书和权利要求书中所使用的，除非另有指明，涉及一个 或多个元素的列表时短语"至少一个"应理解为指选自任意一个或多个 列表中元素的至少 一个元素，但是不必需包含元素列表中具体列出的每 个元素的至少一个，并且不排除元素列表中元素的任意组合。此定义也 允许，可任选地存在除了短语"至少一个"所指的元素列表中具体指出 的元素之外的元素，而不论其与具体指出的元素是否相关。因此，作为
非限制性实施例，"A和B的至少一个"(或者，等同地，"A或B的至 少一个"，或者，"A和/或B的至少一个")可以指，在一个实施方案中， 至少一个(任选地包括多于一个)A，而不存在B (任选地包括B之外 的元素)；在另一个实施方案中，指至少一个(任选地包括多于一个)B， 而不存在A (任选地包括A之外的元素)；在另一个实施方案中，指至 少一个(任选地包括多于一个)A和至少一个(任选地包括多于一个) B，任选地还包含其它元素；等等。
本文所引用的所有参考文献，包括专利和专利申请公开，通过引用并 入本文。如果本说明书和通过引用并入和/或引用的文献包含相冲突的内 容、和/或术语应用不一致、和/或所并7W引用的文献使用或定义的术语不 同于它们在本说明书的使用或定义，则以本说明书为准。
权利要求
1. 一种形成发光金属氧化物纳米颗粒薄膜的方法，其包括在衬底表面上形成层，所述层包含发光金属氧化物纳米颗粒层；和在不超过150℃的温度下加热所述衬底，其持续时间足以使发光金属氧化物纳米颗粒层退火至所述表面，其中，在加热之前，所述发光金属氧化物纳米颗粒层在一组特定的激发条件下具有第一发射，通过加热，所述发光金属氧化物纳米颗粒层在所述组的特定激发条件下具有第二发射，其强度是所述第一发射的强度的至少80％。
2. 权利要求l的方法，其中，在加热之前，所述发光金属氧化物 纳米颗粒层在一组特定的激发条件下具有第一发射，通过加热，所述发 光金属氧化物纳米颗粒层在所述组的特定激发条件下具有第二发射，其 强度是所述第一发射的强度的至少卯％。
3. 权利要求l的方法，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒层包含 ZnO纳米颗粒。
4. 权利要求l的方法，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒层包含 选用于优先结合靶标分析物的结合伴侣。
5. 权利要求l的方法，其中所述靶标分析物是生物或化学分析物。
6. 权利要求l的方法，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒层包含 选用于优先结合靶标分析物的结合伴侣。
7. 权利要求l的方法，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒层包含 选自胺、羧酸、磷酸盐/酯、羟基和硫醇的官能团。
8. 权利要求l的方法，其中所述官能团是胺。
9. 权利要求l的方法，其中所述官能团是羧酸。
10. 权利要求l的方法，其中所述形成包括从包含发光金属氧化物 纳米颗粒的溶液旋涂或滴铸所述层。
11. 权利要求l的方法，其中所述形成包括从包含发光金属氧化物 纳米颗粒的溶液旋涂所述层。
12. 权利要求l的方法，其包括在不超过130匸的温度下加热所述 衬底，其持续时间足以使发光金属氧化物纳米颗粒层退火至所述表面。
13.权利要求i的方法，其包括在不超过iiox:的温度下加热所述 衬底，其持续时间足以使发光金属氧化物纳米颗粒层退火至所述表面。
14. 权利要求l的方法，其中，通过加热，所述发光金属氧化物纳米颗粒层与所述表面形成共价键。
15. —种结合分析物的方法，其包括使发光金属氧化物纳米颗粒层暴露于怀疑含有分析物的样品，如果 所述分析物存在，通过所述分析物和所述发光金属氧化物纳米颗粒层之层被固定。
16. 权利要求15的方法，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒层包含 ZnO纳米颗粒。
17. 权利要求15的方法，其中所述分析物和所述发光金属氧化物纳 米颗粒层之间的相互作用包括两种生物分子之间的结合。
18. 权利要求15的方法，其中所述分析物和所述发光金属氧化物纳 米颗粒层之间的相互作用包括形成共价键。
19. 权利要求15的方法，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒层包含 选用于优先结合靶标分析物的结合伴侣。
20. 权利要求15的方法，其中所述结合伴侣选自胺、羧酸、磷酸盐/酯羟基和硫醇。
21. 权利要求20的方法,
22. 权利要求20的方法:
23. 权利要求15的物 品
24. 权利要求15的方法,
25. 权利要求15的方法,
26. 权利要求25的方法:
27. 权利要求25的方法:其中所述结合伴侣是胺。其中所述结合伴侣是羧酸。其中所述结合伴侣包含生物分子。其中所述结合伴侣包含生物素。其中所述分析物包含荧光团。其中所述荧光团包含荧光染料。-品其还包括使所述发光金属氧化物纳米颗粒层暴露于怀疑含有分析物的样， 其中所述发光金属氧化物纳米颗粒层是荧光共振能量转移供体，所述荧 光团是荧光共振能量转移受体；使所述发光金属氧化物纳米颗粒层暴露于能量源，以形成发光金属氧化物纳米颗粒激发能量；如果存在所述分析物，则允许所述激发能量转移给所述荧光团，造 成自所述荧光团的发射；和通过测定所述发射来测定所述分析物。
28. —种用于测定靶标分析物的物品，其包含衬底和形成于并粘附在所述衬底表面的层，所述层包含发光金属氧 化物纳米颗粒，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒包含选用于优先结合 所述靶标分析物的结合伴侣。
29. 权利要求28的物品，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒包含 ZnO。
30. 权利要求28的物品，其中所述结合伴侣选自胺、羧酸、磷酸盐 /酯、幾基和硫醇。
31.权利要求30的物品，其中所述结合伴侣是胺。
32.权利要求30的物品，其中所述结合伴侣是羧酸。
33.权利要求28的物品，其中所述结合伴侣包含生物分子。
34.权利要求28的物品，其中所述结合伴侣包含生物素。
35.权利要求28的物品，其中所述靶标分析物是生物或化学分析
36.权利要求28的物品，其中所述靶标分析物包含荧光团。
37.权利要求28的物品，其中所述荧光团包含荧光染料。
38. 权利要求28的物品，其中所述发光金属氧化物纳米颗粒通过共 价键粘附于所述衬底的表面。
39. 权利要求28的物品，其中所述靶标分析物通过两种生物分子之 间的结合连接到所述发光金属氧化物纳米颗粒层。
40. 权利要求28的物品，其中所述靶标分析物通过形成键连接到所 述发光金属氧化物纳米颗粒层。
41. 权利要求40的物品，其中所述键是共价键、离子键、氩键或配 价键。
42. —种荧光共振能量转移供体，其包含发光金属氧化物纳米颗粒，所述纳米颗粒包含选用于优先结合分析 物的结合伴侣，其中所述发光金属氧化纳米颗粒是荧光共振能量转移供 体，所述分析物是荧光共振能量转移受体。
43. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其还包含衬底和形成并 粘附于所述衬底表面上的层，所述层包含所述发光金属氧化物纳米颗 粒。
44. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其中所述发光金属氧化 物纳米颗丰立包含ZnO。
45. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其中所述结合伴侣选自 胺、羧酸、磷酸盐/酯、羟基和硫醇。
46. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其中所述结合伴侣是胺。
47. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其中所述结合伴侣是羧酸。
48. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其中所述结合伴侣包含 生物分子。
49. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其中所述结合伴侣包含生物素o
50. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其中所述靶标分析物是 生物或化学分析物。
51. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其中所述靶标分析物包 含荧光团。
52. 权利要求D7的荧光共振能量转移供体，其中所述荧光团包含 荧光染料。
53. 权利要求42的荧光共振能量转移供体，其中所述发光金属氧化 物纳米颗粒通过共价键粘附于所述衬底的表面。
54.权利要，4曰2的荧光共振，量转移供体，其中所述耙标，，物通
55.权利要求42的荧光共振能量转移供体,其中所述靶标分析物通过形成键连接到所述发光金属氧化物纳米颗粒层。
56.权利要求55的荧光共振能量转移供体，其中所述键是共价键、 离子键、氢鍵或配价键。
全文摘要
本发明涉及发光膜相关的物品和方法，它们可用于多种用途。本发明的发光膜可包含金属氧化物纳米颗粒层，在一些情况下其可与分析物相互作用以产生可检测信号，由此可测定分析物的存在和/或量。在一些实施方案中，发光膜和分析物之间可发生荧光共振能量转移(FRET)。这些物品和方法可用于例如生物测定或传感器中。
文档编号C09K11/77GK101416056SQ200680052564
公开日2009年4月22日 申请日期2006年1月20日 优先权日2005年12月19日
发明者埃姆里尔·穆罕默德·阿利, 尤啸华, 应仪如 申请人:新加坡科技研究局