近紅外水溶性CdSe_xTe_1-x合金量子點及其製法和用途的製作方法

2023-05-14 06:30:26 1

專利名稱：近紅外水溶性CdSexTe1-x合金量子點及其製法和用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及近紅外發光的水溶性合金量子點及其製法和用途。
技術背景量子點(Quantum Dots,簡稱QDs)，又稱為半導體納米微晶體(semiconductor nanocrystals)，是一種由II-VI族或III-V族元素組成的納米顆粒。其顆粒尺寸一般介於 1 10nm之間，由於電子和空穴被量子限域，連續的能帶結構變成具有分子特性的分立 能級結構，受激後可發射螢光。它是一種具有寬激發光譜、對稱且窄的發射光譜、螢光 可調、螢光效率高和光穩定性好等優良光譜特徵的納米材料。在生命科學、分析科學、 材料科學、免疫生物學和臨床檢驗學等傳統及新興領域中具有廣闊的應用前景[參見(a) J. Yuan, W. Guo and E. Wang，爿"a/, G/zem., 2008, 80， 1141-1145. (b)Y. Zheng, S. Gao and J. Y. Ying, yWv. MWer, 2007， 19, 376-380. (c) B. M. Lingerfelt, H. Mattoussi, E. R. Goldman,,J. M. Mauro and G. P. Anderson, ^"a/. Oze肌，2003, 75， 4043-4049. (d) X. Michalet, F. F. Pinaud， L. A. Bentolila, J. M. Tsay, S. Doose, J. J. Li, G. Sundares叫A. M. Wu, S. S. Gambhir, S. Weiss， Sc/e"ce, 2005， 307, 538-544. (e) A. C. S. Samia, X. Chen, and C. Burda, J^w. CTzem. 5bc.,2003, 125, 15736-15737.]。然而目前被經常使用的量子點大多數還是在 高溫條件下通過金屬有機化合物在具有配位性質的有機溶劑環境中製備，所製得的量子 點往往需要再通過表面修飾、改性及聚合物包被等步驟來改進其生物相容性[參見(f)B. Dubertret, P. Skourides, D. J. Norris, V. Noireaux， A. H. Brivanlou， A. Libchaber, Sde"ce, 2002， 298， 1759-1762. (g) S. T. Selvan， T. T. Tan， J. Y. Ying，爿dv. 2005， 17，1620-1625. (h) X. Gao, Y. Cui， R. M. Levenson， L. W. K. Chung, S. Nie, 5/ofec/mo/.， 2004,22,969-976.]，而且其發光範圍大多在可見區。從生物學角度來講，紅光具有很高 的生物穿透性，並且大多數生物物質在近紅外區(650 870 nm)有較低的消光係數， 因此具有近紅外發光特性的水溶性量子點更適用於生物分析。雖然目前有關文獻已經報 道合金型量子點顯示非線性光學性質，發射波長高於單獨的量子點，處於近紅外區，具 有很高的生物穿透性，可以作為生物體內組織標記材料[參見(i) R. E. Bailey, S. M. Nie, /. j附.CAem. Soc., 2003， 125， 7100-7106. (j) X. Zhong， M. Han， Z. Dong， T. J. White, and W. Knoll, ^m. C&附.Soc., 2003, 125, 8589-8594]。雖然目前有一篇文獻報導能在水相中經48小時後合成硒化鎘-碲化鎘合金量子點[參見(k) N. Piven, A. S. Susha, M. Doblinger, and A. L, Rogach，/ i5/^. Ozew. C, 2008， 112, 15253-15259]，但是所合成的量子點僅在 560 610 nm處有微弱的螢光，螢光效率為2~4%。然而在水相中一步合成高性能的近紅 外發光水溶性CdSexTe"合金量子點還未見報導。發明內容本發明的目的是提供一種新的水相中合成高螢光性能的近紅外發光合金量子點，以 及作為螢光探針用於對細胞的標記。 本發明的技術方案如下一種近紅外水溶性合金量子點，它是具有分子式CdSexTei.x,其中x為0. 05 0. 5, 且具有最大發射波長為570 810nm和螢光效率在5~53%的合金量子點。一種製備上述近紅外水溶性合金量子點的方法，它包括下列步驟步驟l.將2.0 mL超純水和反應體系經高純氮氣脫氧保護，然後加入0.0319 g碲粉 (Te)和0.0190g硼氫化鈉(NaBH4)，每隔一定時間攪拌一次，讓反應在室溫下進行，反 應2.5小時後可看到有白色的沉澱生成，取上清液即碲氫化鈉(NaHTe)備用，步驟2.經高純氮氣脫氧保護的2.0 mL超純水中加入0.0099 g硒粉(Se)和0.0095 g NaBH4，每隔一定時間攪拌一次，讓反應在室溫下進行，反應15分鐘後得到無色澄清 溶液，即硒氫化鈉(NaHSe)，備用，步驟3.經高純氮氣脫氧保護的195 mL 1.25 mM的CdCl2溶液中加入0.0727 g L-半胱 氨酸(cysteine)作為穩定劑，超聲IO min以促使半胱氨酸溶解並使體系脫氧，在一定的攪 拌速度下，用5。/。的NaOH溶液調節其pH值至11.5 11.6，然後室溫下用高純氮氣將該溶液 在密閉體系中脫氧30min， 一直保持高純氮氣保護，然後開始加熱回流，步驟4.當溶液沸騰5 min後，在一定的攪拌速度下慢慢加入l mL步驟l中新鮮製備的 NaHTe，繼續加熱回流，步驟5.當步驟4反應進行30min、溶液呈淡橙紅色時，慢慢加入0.1 2mL步驟2中新 鮮製備的NaHSe，繼續加熱回流，回流一定時間後，停止加熱，並在高純氮氣保護下立 即冷卻，可得到螢光發射波長在570 810 nm的CdSexTe^合金量子點，它以納米級的微 粒均勻地分散在溶液中。上述的近紅外水溶性合金量子點的製法，在得到CdSexTe^合金量子點水溶液後可增加以下步驟步驟6.在步驟5製得的量子點溶液中加入等體積的異丙醇，靜置沉降，以除去溶液 中多餘的未反應物質，所得的沉澱進行真空乾燥，即得近紅外水溶性合金量子點粉末。 所得的合金量子點粉末能再次以納米級的微粒均勻地分散在溶液中。本發明的CdSexTe^合金量子點經原子力顯微鏡(AFM)和透射電子顯微鏡(TEM)表 徵，結果表明所製備的合金量子點的顆粒大小在5 7nm (見圖1A和1B)。而且隨著回流 時間的增加其螢光發射峰位置紅移，通過螢光光譜儀進行光學檢測表明量子點的最大熒 光發射波成在570 810nm之間可調(螢光光譜圖見圖2)，在相同的合成時間下(即回流 3小時)隨著Se含量的不斷增加量子點的螢光峰位置也發生紅移(變化關係見圖3)。所 合成的合金量子點溶液在自然光下呈無色或淡黃色，在紫外燈下可看到明顯的螢光，不 同的發射波長下具有不同的螢光效率，如波長在570nm時可達30n/。，波長在655 nm時可 達53%，而波長在810nm時為5e/。。所合成的硒化鎘一碲化鎘合金量子點可應用於生物標 記及檢測分析。可對白血病細胞HL-60的標記成像(螢光成像圖見圖4)。本發明提供了一種硒化鎘一碲化鎘合金量子點及其合成方法，該合成方法具有方 便、快捷、重現性好等優點。所製得的量子點在水中具有很好的分散性，可長期穩定存 在，且具有優良的近紅外螢光性質，可應用於生物標記及檢測分析。


圖l為本發明的合金量子點的透射電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)表徵 結果；圖2為本發明的04860.216.8合金量子點不同合成時間的螢光光譜圖變化，a為1 min， b為30min， c為1 h， d為3h， e為6h， f為13.4h， g為26.5 h;圖3為本發明中的合金量子點的組成與相同合成時間下的發射峰位置關係； 圖4採用本發明中的合金量子點對白血病細胞HL-60的標記的在螢光倒置顯微鏡 下成像的照片，其中(A)為在自然光下；(B)為在紫外光下。
具體實施方式
實施例1. CdSexTe^量子點的製備在室溫下由0.0319 gTe粉和0.0190 gNaBH4與2 mL經氮氣除氧的超純水反應製備NaHTe。然後立即取此lmL新製備的NaHTe加人到在高純氮氣保護下已沸騰的195 mL 濃度為1.25mM的CdCl2溶液中(pH=11.5，含有0.0727 g L-cysteine)，在95。C下攪拌 回流30 min，然後再加人O.l mL由0.0099 g Se粉和0.0095 g NaBH4反應而新製得的 NaHSe，繼續在95r下攪拌回流，1 h後立即停止加熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻。在所製得的量子點溶液中加入等體積的異丙醇，靜置沉降，將此過程中所得沉澱分 散在少量超純水中，這樣重複操作3次以除去溶液中多餘的未反應物質。最後所得的沉 澱進行真空乾燥，即得近紅外水溶性合金量子點。取少量粉狀固體量子點分散在一定體積水中，測定其螢光光譜的最大發射波長在 617 nm，螢光效率為39%。經分析其組成為CdSe,Teo.95，命名為CdSeao5Tea95617。實施例2. CdSexTeh量子點的製備將"1 h後立即停止加熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻"改為"3 h後立即停止加 熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻"，製備的其他條件同實施例1，得到形貌與性質類似於 實施例1的合金量子點。測定結果為其螢光光譜的最大發射波長在655 nm，螢光效率為50%。經分析其組 成為CdSeo.05Te0.95，命名為CdSe0.05Tea95655。實施例3. CdSeJ^.x量子點的製備將"1 h後立即停止加熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻"改為"5 h後立即停止加 熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻"，製備的其他條件同實施例1，得到形貌與性質類^l於 實施例l的合金量子點。測定結果為其螢光光譜的最大發射波長在687 nm，螢光效率為29%。經分析其組 成為CdSeo.05Teo.95，命名為CdSe0.05Te0.95687。實施例4. CdSeJ^-量子點的製備將"然後再加人0.1 mL由0.0099 g Se粉和0.0095 gNaBH4反應而製得的NaHSe" 改為"然後再加人0.5 mL由0.0099 g Se粉和0.0095 g NaBH4反應而製得的NaHSe"， 製備的其他條件同實施例1，得到形貌與性質類似於實施例1的合金量子點。測定結果為其螢光光譜的最大發射波長在655 nm，螢光效率為53%。經分析其組 成為CdSeo.2Teo.8，命名為CdSea2Teo.8655 。實施例5. CdSexTe^量子點的製備在室溫下由0.0319 g Te粉和O.Ol卯gNaBH4與2 mL經氮氣除氧的超純水反應製備 NaHTe。然後立即取此lmL新製備的NaHTe加人到在高純氮氣保護下已沸騰的195 mL 濃度為1.25mM的CdCl2溶液中(pH=11.5，含有0.0727 g L-cysteine)，在95。C下攪拌 回流30 min，然後再加人0.5 mL由0.0099 g Se粉和0.0095 g NaBH4反應而新製得的 NaHSe，繼續在95"C下攪拌回流，lmin後立即停止加熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻。在所製得的量子點溶液中加入等體積的異丙醇，靜置沉降，將此過程中所得沉澱分 散在少量超純水中，這樣重複操作3次以除去溶液中多餘的未反應物質。最後所得的沉 澱進行真空乾燥，即得近紅外水溶性合金量子點。取少量粉狀固體量子點分散在一定體積水中，測定其螢光光譜的最大發射波長在 570 nm，螢光效率為30%。經分析其組成為CdSeo.2Teo.8，命名為CdSeo.2Tea8570。實施例6. CdSexTeh量子點的製備在室溫下由0.0319 g Te粉和0.0190 g NaBH4與2 mL經氮氣除氧的超純水反應製備 NaHTe。然後立即取此lmL新製備的NaHTe加人到在高純氮氣保護下已沸騰的195 mL 濃度為1.25 mM的CdCl2溶液中(pH=11.5，含有0.0727 g L-cysteine)，在95"下攪拌 回流30 min，然後再加人0.5 mL由0.0099 g Se粉和0.0095 g NaBKU反應而新製得的 NaHSe，繼續在95'C下攪拌回流，26.5h後立即停止加熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻。在所製得的量子點溶液中加入等體積的異丙醇，靜置沉降，將此過程中所得沉澱分 散在少量超純水中，這樣重複操作3次以除去溶液中多餘的未反應物質。最後所得的沉 澱進行真空乾燥，即得近紅外水溶性合金量子點。取少量粉狀固體量子點分散在一定體積水中，測定其螢光光譜的最大發射波長在 810nm，螢光效率為5%。經分析其組成為CdSeo.2Tea8，命名為CdSeo.2Tea8570。實施例7. CdSexTe"x量子點的製備在室溫下由0.0319 g Te粉和0.0190 g NaBH4與2 mL經氮氣除氧的超純水反應製備 NaHTe。然後立即取此lmL新製備的NaHTe加人到在高純氮氣保護下已沸騰的195 mL 濃度為1.25mM的CdCl2溶液中(pH=11.5，含有0.0727 g L-cysteine)，在95。C下攪拌 回流30 min,然後再加人2 mL由0.0099 g Se粉和0.0095 g NaBH4反應而新製得的NaHSe，繼續在95'C下攪拌回流，3h後立即停止加熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻。 在所製得的量子點溶液中加入等體積的異丙醇，靜置沉降，將此過程中所得沉澱分散在少量超純水中，這樣重複操作3次以除去溶液中多餘的未反應物質。最後所得的沉澱進行真空乾燥，即得近紅外水溶性合金量子點。取少量粉狀固體量子點分散在一定體積水中，測定其螢光光譜的最大發射波長在720 nm，螢光效率為10%。經分析其組成為CdSea5Tea5，命名為CdSeo.5Tea5720。實施例8. CdSexTe^量子點的製備將"然後再加人0.1 mL由0.0099 g Se粉和0.0095 g NaBH4反應而製得的NaHSe" 改為"然後再加人0.5 mL由0.0099 g Se粉和0.0095 gNaBH4反應而製得的NaHSe"， 將"1 h後立即停止加熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻"改為"3 h後立即停止加熱並 在高純氮氣保護下迅速冷卻"，製備的其他條件同實施例1，得到形貌與性質類似於實施 例1的合金量子點。測定結果為其螢光光譜的最大發射波長在686 nm，螢光效率為41%。經分析其組 成為CdSeo.2Tea8，命名為CdSeo.2Teo.8686。實施例9. CdSexTe^量子點的製備將"然後再加人0.1 mL由0.0099 g Se粉和0.0095 g NaBH4反應而製得的NaHSe" 改為"然後再加人lmL由0.0099 gSe粉和0.0095 gNaBH4反應而製得的NaHSe"，將 "1 h後立即停止加熱並在高純氮氣保護下迅速冷卻"改為"5 h後立即停止加熱並在 高純氮氣保護下迅速冷卻"，製備的其他條件同實施例1，得到形貌與性質類似於實施例 1的合金量子點。測定結果為其螢光光譜的最大發射波長在735nm,螢光效率為20%。。經分析其組 成為CdSea33Tea67，命名為CdSeo.33Teo.67735。實施例10. CdSexTeLx量子點用於白血病細胞HL-60的標記成像 取實施例4中所製得的發射波長在655 nm的合金量子點溶液，不經沉降，直接用 5000 CMW的超濾離心管離心15分鐘除去未反應完全的氯化鎘和半胱氨酸等，然後用 10mMpH7.4磷酸緩衝溶液(PBS)洗三次。然後把純化後的量子點溶於PBS (pH 7.4， 10 mM),使其濃度調整到0.1 mM。取培育好的HL-60細胞，在2000 r轉速下離心4 min,取下層細胞溶液並加入0.4 mL培養液，然後再加入0.05 mL的量子點溶液，放入培育箱 中繼續培育細胞，IO小時後取出，2000r離心4min，用10 mM pH 7.4 PBS溶液洗三次， 然後取下層細胞溶液於載玻片上，觀測細胞在螢光倒置顯微鏡下成像(見圖4)。
權利要求
1.一種近紅外水溶性合金量子點，其特徵是它具有分子式CdSexTe1-x，其中x為0.05～0.5，且具有最大發射波長為570～810nm和螢光效率在5～53％的合金量子點。
2. —種製備權利要求1所述的近紅外水溶性合金量子點的方法，其特徵是它包括下 列步驟步驟l.將2.0mL超純水和反應體系經高純氮氣脫氧保護，然後加入0.0319g碲粉和 0.0190 g硼氫化鈉，每隔一定時間攪拌一次，讓反應在室溫下進行，反應2.5小時後可看 到有白色的沉澱生成，取上清液即碲氫化鈉備用，步驟2.經高純氮氣脫氧保護的2.0 mL超純水中加入0.0099 g硒粉和0.0095 g NaBH4，每隔一定時間攪拌一次，讓反應在室溫下進行，反應15分鐘後得到無色澄清溶 液，即硒氫化鈉，備用，步驟3.經高純氮氣脫氧保護的195 mL 1.25 mM的CdCl2溶液中加入0.0727 g L-半胱 氨酸作為穩定劑，超聲10tnin以促使半胱氨酸溶解並使體系脫氧，在一定的攪拌速度下， 用5。/。的NaOH溶液調節其pH值至11.5~11.6，然後室溫下用高純氮氣將該溶液在密閉體系 中脫氧30min， 一直保持高純氮氣保護，然後開始加熱回流，步驟4.當溶液沸騰5 min後，在一定的攪拌速度下慢慢加入l mL步驟l中新鮮製備的 NaHTe，繼續加熱回流，步驟5.當步驟4反應進行30min、溶液呈淡橙紅色時，慢慢加入0.1~2 mL步驟2中新 鮮製備的NaHSe，繼續加熱回流，回流一定時間後，停止加熱，並在高純氮氣保護下立 即冷卻，可得到螢光發射波長在570 810 nm的CdSexTe^合金量子點。
3. 根據權利要求2所述的近紅外水溶性合金量子點的製法，其特徵是在得到CdSexTeLx合金量子點水溶液後增加以下步驟步驟6.在步驟5製得的量子點溶液中加入等體積的異丙醇，靜置沉降，以除去溶液中多餘的未反應物質，所得的沉澱進行真空乾燥，即得近紅外水溶性合金量子點固體。
4. 根據權利要求1所述的近紅外水溶性合金量子點在生物標記及檢測分析中的應用。
全文摘要
一種近紅外水溶性合金量子點，它是具有分子式CdSexTe1-x，其中x為0.05～0.5，且具有最大發射波長為570～810nm和螢光效率在5～53％的量子點。本發明的CdSexTe1-x合金量子點經原子力顯微鏡(AFM)和透射電子顯微鏡(TEM)表徵，結果表明所製備的合金量子點的顆粒大小在5～7nm，可應用於生物標記及檢測分析。本發明公開了其製法。
文檔編號C01B19/00GK101402863SQ20081023449
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月20日 優先權日2008年11月20日
發明者朱俊傑, 梁國熙 申請人:南京大學