专利名称：非水溶性核－壳纳米晶的水相转移方法
技术领域：
本发明属于纳米材料和纳米技术领域，涉及生物技术，具体说是采用—锅法将用于荧光免疫检测的CdSe纳米晶用ZnSe表面包覆，制备成非水溶性CdSe/ZnSe核-壳纳米晶，再采用成膜法，通过硅表面活性剂的包覆、缩聚形成一种水溶性的胶束的相转移方法。
背景技术：
量子点又称为半导体纳米晶，是一种由II-VI族和III-V族元素组成的稳定的纳米晶粒。目前研究较多的是CdS、CdSe、CdTe、ZnS等。近年来，半导体量子点由于其独特的性质越来越受到人们的重视。
量于点最有前途的应用领域是在生物体系中作为荧光探针，作为生物体系的发光标记物与传统的有机染料荧光探针相比，量子点具有显著的尺寸效应，它吸收带宽，发射峰窄，单一种类的纳米半导体材料就可以依靠尺寸变化产生一个发光波长不同的、颜色分明的标记物家族，这是染料分子根本无法实现的。一般量子点的荧光寿命大约是有机染料的20倍，持久的稳定性可以让研究人员更长时间地观测细胞和组织，并毫无困难地进行界面修饰连接。量于点最大的好处是有丰富的颜色。使用不同大小(具有不同色彩)的纳米晶体来标记不同的生物分子，使用单一光源就可以使不同的颗粒能够被即时监控。量子点特殊的光学性质使得它在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景。
与本发明相近的现有技术可以参见Nano Lett.Vol.2 No.11 2002 P1299-1302刊载的论文，题目是Luminescent CdSe Quantum Dot Doped Stabilized Micelles。论文介绍的CdSe纳米晶(量子点)的水相转移方法是为了制备量子点掺杂胶束，将1mlCdSe与含有表面活性剂的氯仿混合，这个混合物被逐滴加入到10ml水中，在75℃温度下磁力搅拌，蒸馏除去氯仿，最终浓度为15mM以确保胶束形成，CdSe量子点装入到疏水区域形成胶束，胶束的PH值调到9，Si端基水解形成SiO2层在胶束表面。论文正文并没有涉及CdSe纳米晶的制作方法，但在参考文献中给出了CdSe纳米晶的制作方法的文章，即，参考文献6“Qu，L.；Peng，X.J.Am.Chem.Soc.2002，124(9)，2049”。用CdO与硬脂酸反应作为Cd的前驱物，Se粉的三辛基磷溶液为Se的前驱物。在三辛基氧化磷/十六烷基胺(TOPO/HAD)混合溶剂中合成CdSe核纳米晶。
背景技术：
制作的水溶性量子点掺杂胶束，使用的是没有经过宽带隙包覆的CdSe纳米晶；在制作水溶性胶束时滴加CdSe与含有表面活性剂的氯仿-水混合体系混合，因此在形成胶束前CdSe纳米晶就与水作用，很容易造成对配体的破坏，即在经历配体置换的过程中，破坏了量子点的表面结构，降低了量子点产率和稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，为克服背景技术的不足，增加荧光量子点的稳定性，采用一锅法合成CdSe/ZnSe核-壳纳米晶、采用成膜法实现水相转移，达到工艺简单、条件温和、稳定性高、产率高的目的。
本发明在高温无水无氧条件下，以有机配体作为反应环境，合成高荧光特性的CdSe/ZnSe核-壳结构半导体纳米晶，再选用一种一端带有硅氧烷基团的表面活性剂，利用疏水作用形成胶束，将量子点包覆在里面，然后再进行表面硅醇缩聚，形成一种稳定，无色，表面可修饰的水溶性胶束，尺寸在100～200纳米。
为了提高CdSe稳定性，减少它的表面缺陷，提高荧光量子产率，采用在CdSe表面生长ZnSe壳。具体过程如下。
本发明合成CdSe/ZnSe核-壳结构半导体纳米晶过程是首先将CdO与硬脂酸混合搅拌并加热，生成硬脂酸镉，再将温度降至室温，将三辛基氧化磷(TOPO)和十六烷基胺(HDA)加入到上述反应容器中，混合升温到300～320℃，向反应容器中注入Se的三辛基磷(TOP)溶液，并在40～90秒时间内降温至180～220℃，制得CdSe纳米晶；Se和CdO的摩尔比为3∶1～10∶1。在CdSe纳米晶的生长完成之后，直接向体系中注入硬脂酸锌-甲苯溶液，制得CdSe/ZnSe核-壳结构纳米晶。
硬脂酸锌作为非常好的锌源，使壳生长温度降到180-220℃。由于体系中存在过量Se，并吸附在CdSe表面，当硬脂酸锌注入后，Zn离子将直接与Se结合形成具有ZnSe壳层结构为CdSe/ZnSe-TOPO脂溶性CdSe荧光纳米晶，ZnSe层抑制了无辐射发射，提高了CdSe晶体的荧光效率。
在加入硬脂酸锌-甲苯溶液之后，为了减少纳米晶的晶格缺陷，可以进行退火处理。在100～150℃下退火0.5～1.5小时。
为实现本发明的水相转移的目的，获得生物相溶性的荧光材料，需要将脂溶性的荧光纳米晶由有机相转移到水相。本发明从三个方面来考虑相转移问题，首先，合成更加稳定量子产率更高的CdSe/ZnSe壳-层结构纳米晶作为荧光标记材料，其次，相转移过程不能破坏表面的配体，如果配体被破坏，或者被取代那么稳定性和发光性质都会受到影响。最后，所用相转移材料应该是稳定性高、吸光系数低、不会引起荧光淬灭、表面容易修饰、环境友好的材料。
硅氧烷表面活性剂对荧光纳米晶的包覆可以实现相转移，并使其具有生物相溶性。水溶性胶束的发光性质由纳米晶的性质决定。本发明利用表面活性剂形成胶束，形成水包油的微乳液，嵌入量子点，然后加热蒸出氯仿，加入氨水进行缩聚反应，形成包覆CdSe/ZnSe量子点的水溶性胶束。
具体方法步骤如下以CdSe/ZnSe纳米晶、氨水(可以使用浓度为25％的氨水)和硅氧烷表面活性剂C18H37-N+(Me)2CH2CH2CH2-Si(OMe)3Cl-(DTPAC，购自Fluka)为原料，以氯仿(可以是分析纯的氯仿)和高纯水为溶剂，经过混料、分散成膜、水包油的微乳液的形成、缩聚反应工艺过程制得包覆CdSe/ZnSe量子点的水溶性胶束。
所说的混料是将CdSe/ZnSe纳米晶溶在氯仿溶剂中，浓度0.5～3mg/ml。将硅氧烷表面活性剂DTPAC溶在氯仿溶剂中，浓度20～100mg/ml。两者混合在一起。按质量比，硅氧烷表面活性剂DTPAC/量子点为10～50。
所说的分散成膜是将混料的氯仿溶液混匀后加入容器中，水浴加温至60～70℃同时吹氮气，蒸出氯仿，摇匀成膜。
所说的形成水包油的微乳液是，在制备好膜的容器中加入氯仿溶液体积5～50倍的高纯水超声溶解，保持温度60～70℃蒸出剩余氯仿，形成水包油型微乳液。
所说的缩聚反应是，按每毫克DTPAC加入氨水0.2～1微升，常温下反应8～24小时后，将产物过滤，得到稳定的荧光复合水溶性胶束。
在分散成膜时，可以在容器内加入填料以增大成膜面积，所说的填料可以是小玻璃球或小瓷珠。成膜的厚度最好小于20微米。
本发明的CdSe/ZnSe量子点的制备，由于采用—锅法以硬脂酸锌作锌源，不仅使工艺简单，条件温和，而且ZnSe层有效抑制了无辐射发射，提高了CdSe晶体的量子产率，提高了荧光标记物的光化学稳定性。水相转移方法是通过硅表面活性剂包覆、缩聚形成一种水溶性胶束的方法，使产品具有生物相溶性，包覆率高，产率高；由于成膜中加氮气保护，可防止CdSe/ZnSe量子点及配体氧化；由于对配体破坏得很少，所以稳定性高，发光效率高。
具体实施例方式
实施例1 制备CdSe/ZnSe核壳结构的纳米晶选取99.9％的CdO0.0128g，Se粉0.079g，硬脂酸0.015g。在140-150℃之间，CdO与硬脂酸在反应容器中反应生成硬脂酸镉，再将反应器降至室温，并在室温的条件下向反应容器中加入2gTOPO、2gHDA，然后将反应容器的温度升至310℃，在此温度下向体系中注入TOP-Se，Se是过量的，Se与CdO摩尔比10∶1。注入之后迅速降温，在40～90秒内降温至200℃。不同降温时间可以得到不同尺寸的纳米晶，即得到了尺寸从3～6纳米的纳米晶，晶体的荧光颜色随着时间的加长逐渐红移，即从绿色逐渐变为红色。在合成所需尺寸的CdSe纳米晶的基础上，向体系中直接注入硬脂酸锌甲苯溶液，Zn与CdSe表面上过量的Se结合生成CdSe/ZnSe核壳结构。
Se与CdO摩尔比也可以是4∶1或7∶1，不同的比例，只是对CdSe生长的快慢稍有影响。摩尔比大些，易于对生成CdSe核的反应的控制。TOPO与HDA摩尔比可以是1∶1或1∶2。TOP-Se浓度为0.01～0.04g/ml。TOPO与Se比例为20∶1～50∶1。
过量的Se在形成ZnSe壳时被使用，即，直接注入硬脂酸锌甲苯溶液，一锅生成CdSe/ZnSe核壳结构。
在注入硬脂酸锌-甲苯溶液中，Zn用量可以选择按摩尔比例Zn∶CdO＝0.7∶1～15∶1，比例的大小影响量子产率，在此范围内比例大则量子产率高，在上述比例范围ZnSe壳层在0.5～4层。壳层再多将影响发光效率。
总之，不同的Se与CdO摩尔比、Zn∶CdO摩尔比均可制得粒径不同、包覆厚度不同的CdSe/ZnSe核壳结构的纳米晶。
实施例2 制备复合荧光纳米晶水溶性胶束首先，将2mgCdSe/ZnSe量子点溶在1ml氯仿中，作为原料。取硅氧烷表面活性剂DTPAC 40mg溶在1ml氯仿溶剂中。将原料和DTPAC的氯仿溶液加入容器中吹氮加温至60～70℃，蒸出多余的氯仿，摇匀成膜。取10毫升高纯水加热至70℃，蒸出多余的氯仿，形成水包油型微乳液。
所形成的水包油型微乳液，是硅氧烷表面活性剂水解，亲水的硅羟基在外面，长链的烷基在里面。
最后，加入20微升氨水，常温下反应12小时，硅氧烷表面活性剂缩聚，表面由硅氧键形成网状结构。硅羟基在外面，形成一种稳定的荧光复合水溶性胶束。将产物过滤，除掉没有包覆到胶束里的物质，得到稳定的荧光复合水溶性胶束。
实施例3 制备复合荧光纳米晶水溶性胶束在实施例2的基础上，只要硅氧烷表面活性剂DTPAC的氯仿溶剂浓度在5～20mg范围，加入高纯水是氯仿体积5～50倍，按实施例2的工艺过程都能制得稳定的荧光复合水溶性胶束。
缩聚反应中，按每毫克DTPAC加入氨水0.2～1微升，常温下反应8～24小时，均能实现制得稳定的荧光复合水溶性胶束的效果。
权利要求
1.一种非水溶性核-壳纳米晶的水相转移方法，先合成CdSe纳米晶，将硬脂酸镉、三辛基氧化磷和十六烷基胺，经混合升温到300～320℃，注入Se的三辛基磷溶液；水相转移的方法是以CdSe/ZnSe纳米晶、氨水和硅氧烷表面活性剂为原料，以氯仿和高纯水为溶剂，经过混料、水包油的微乳液的形成、缩聚反应工艺过程制得包覆CdSe/ZnSe量子点的水溶性胶束；其特征在于，所说的合成CdSe纳米晶，是Se和CdO的摩尔比为3∶1～10∶1；在注入Se的三辛基磷溶液后，在40～90秒时间内降温至180～220℃，制得CdSe纳米晶；再直接向体系中注入硬脂酸锌-甲苯溶液，制得CdSe/ZnSe核-壳结构纳米晶；在水相转移的方法中，所说的硅氧烷表面活性剂是C18H37-N+(Me)2CH2CH2CH2-Si(OMe)3Cl-；在混料之后进行分散成膜，所说的分散成膜是将混料的氯仿溶液混匀后加入容器中，水浴加温至60～70℃同时吹氮气，蒸出氯仿，摇匀成膜。
2.按照权利要求1所述的非水溶性核-壳纳米晶的水相转移方法，其特征在于，所说的注入硬脂酸锌-甲苯溶液中，Zn用量按摩尔比例为Zn∶CdO＝0.7∶1～15∶1。
3.按照权利要求1或2所述的非水溶性核-壳纳米晶的水相转移方法，其特征在于，在合成CdSe/ZnSe核-壳结构半导体纳米晶过程中，所说的混料是将CdSe/ZnSe纳米晶溶在氯仿溶剂中，浓度1～3mg/ml；将硅氧烷表面活性剂溶在氯仿溶剂中，浓度0.5～2mg/ml；按质量比，硅氧烷表面活性剂/量子点为2～0.5。
全文摘要
本发明的非水溶性核－壳纳米晶的水相转移方法属纳米技术领域。合成CdSe/ZnSe纳米晶过程是，将硬脂酸镉、TOPO和HDA混合升温，注入过量Se的TOP溶液在40～90秒时间内降温至200℃，制得CdSe纳米晶，再直接向体系中注入硬脂酸锌－甲苯溶液。水相转移的方法是经过混料、分散成膜、水包油的微乳液的形成、缩聚反应过程制得包覆CdSe/ZnSe量子点的水溶性胶束；硅氧烷表面活性剂是C
文档编号B01J13/00GK1631505SQ20041001121
公开日2005年6月29日 申请日期2004年11月10日 优先权日2004年11月10日
发明者吕强, 白玉白, 单桂晔, 杨文胜 申请人:吉林大学