量子點-瓊脂糖複合微球及其製備方法
2023-10-07 05:27:29
專利名稱：量子點-瓊脂糖複合微球及其製備方法
技術領域：
本發明主要涉及到量子點複合物微球，具體涉及量子點-瓊脂糖複合微球及其製備方法。
背景技術：
量子點(Quantum Dots, QDs)又可稱為半導體納米晶體(Semicondutor Nanocrystal )，是一種由II-VI族或III-V族元素組成的、尺寸為Inm 20nm的納米晶體。 量子點具有摩爾吸光係數大、激發波長寬且連續、發射波長窄且對稱、斯託克斯位移大、螢光壽命長、不易光漂白等優良性質，並且其螢光光譜隨量子點的尺寸形狀而改變，因此，量子點廣泛應用於生物標記、發光二極體、雷射、太陽能電池等光電子器件以及信息存儲等領域。瓊脂糖是由β-D-批喃半乳糖和α-L-吡喃半乳糖基為結構單位的多糖聚合物，具有多孔結構、生物相容性好的凝膠體系，廣泛應用於親和層析和免疫分析。將量子點和凝膠體系雜合構建量子點的凝膠複合物可以充分發揮二者的優勢，有望應用於螢光標記、免疫分析、 催化等領域。一般的量子點複合微球，基於物理包埋或者共價交聯方法，將量子點包被進入凝膠微球中，從而獲得量子點複合微球。前者比如Gong等基於氫鍵相互作用，將水溶性量子點包被進入N-異丙基丙烯醯胺水凝膠中，發展了溫度敏感的量子點聚合物微球 (Incorporating Fluorescent CdTe Nanocrystals into a Hydrogel via Hydrogen Bonding: Toward Fluorescent Microspheres with Temperature-Responsive Properties, Yanjun Gong, Mingyuan Gaoj Dayang Wang, and Helmuth M hwald, Chem. Mater. , 2005，17 (10)，洲48 -洲53)，Kimng釆用氫鍵相互作用，發展了量子點的 pH 口向應的凝膠聚合物微球(Fabrication of Multicolor-Encoded Microspheres by Tagging Semiconductor Nanocrystals to Hydrogel Spheres, Min Kuangj Dayang Wang, Haobo Baoj Mingyuan Gaoj Helmuch M hwaldl, and Ming Jiang, Adv. Mater.，2005， 17 (3)，267 - 270),這種方法操作簡單，但是物理包埋大多基於非共價作用，不能有效將量子點固定於凝膠微球上，獲得的量子點複合微球化學性質不夠穩定，容易發生顆粒的洩露；後者，比如Salcher在聚合物凝膠表面修飾氨基和巰基，基於氨基、巰基對於量子點的配位結合作用，將量子點固定在凝膠微球中(CdSe/CdS nanoparticles immobilized on pNIPAm—based microspheres Andrea Salcher, Marija S. Nikolic, Santiago Casado, Marisela Velez, Horst Weller and Beatriz H. Juarez, J. Mater. Chem. , 2010, 20, 1367-1374)，這種方法雖然可以有效地使量子點固定於凝膠微球上，但量子點不能濃縮大量進入凝膠微球，包被量不大，而且需要聚合物凝膠的特殊修飾。因此，現有的量子點複合微球，量子點的濃度比較低(包被量小)，而且有些化學性質不穩定，容易發生量子點洩露。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種量子點濃度高(包被量大)、化學性質穩定的量子點-瓊脂糖複合微球，並且相應提供一種包被量大、無需對聚合物凝膠進行特殊修飾的量子點-瓊脂糖複合微球的製備方法。為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案
一種量子點-瓊脂糖複合微球，所述複合微球是以蜂窩狀的瓊脂糖凝膠微球為基體， 所述基體的孔隙中填充有改性量子點，所述孔隙的內壁上附著有一層聚乙烯亞胺，所述聚乙烯亞胺中的胺基通過醛基與所述改性量子點上的胺基交聯成一體。作為對上述技術方案的進一步改進，所述改性量子點為巰基乙胺改性後的量子點ο上述的量子點-瓊脂糖複合微球中，所述量子點優選為CdSe、CdTe, CdSe/ZnS, InP.Au中的一種或者多種。上述的量子點-瓊脂糖複合微球中，平均單個所述的瓊脂糖凝膠微球填充上的改性量子點顆粒數為IO7 109。上述的量子點-瓊脂糖複合微球中，所述瓊脂糖凝膠微球的粒徑優選為200nm Imm0本發明的原理為量子點採用巰基乙胺進行表面修飾，基於量子點表面氨基和瓊脂糖的羥基的NH-O氫鍵作用，量子點包被進入瓊脂糖微球中；聚乙烯亞胺基於NH-O氫鍵作用，進入瓊脂糖微球中，在交聯劑乙二醛的作用下，基於氨基與醛基的席夫鹼反應，量子點與聚乙烯亞胺相互交聯，從而量子點被共價固定在瓊脂糖微球中。如圖1所示，為本發明的原理示意圖，第一步量子點基於氨基與羥基的氫鍵作用嵌入微球中；第二步聚乙烯亞胺作填充介質，乙二醛為交聯劑，進行量子點的交聯與固定。作為一個總的發明構思，本發明還相應提供一種上述量子點-瓊脂糖複合微球的製備方法，包括以下工藝步驟
(1)製備混合溶液將改性量子點溶液加入至瓊脂糖凝膠微球中，振蕩混合，得到混合溶液；
(2)添加填充介質然後將填充介質聚乙烯亞胺溶液加入至所述步驟(1)得到的混合溶液中，振蕩培育，離心，去除上清，收集離心產物；
(3)添加交聯劑再將交聯劑乙二醛溶液或者戊二醛加入至所述步驟(2)得到的離心產物中，振蕩培育，離心，去除上清，得到量子點-瓊脂糖複合微球。上述技術方案中，所述的聚乙烯亞胺與瓊脂糖凝膠微球的質量配比優選為(40 100) 1 ；所述的乙二醛與聚乙烯亞胺的質量配比優選為(0.5 10) 1。上述技術方案中，所述步驟(1)中，優選的工藝參數振蕩速度為500rpm 1500rpm，混合時間為4h 10h，所述改性量子點溶液的濃度為1(ΤΜ 10_5Μ。上述技術方案中，所述步驟(2)中，優選的工藝參數振蕩培育的速度及時間分別為500rpm 1500rpm和4h 10h，離心工藝的速度及時間分別為IOOrpm 500rpm和 0. 5min 5min，所述填充介質聚乙烯亞胺溶液的pH為6. 0 8. 0，濃度為lmg/mL 20mg/
mLo上述技術方案中，所述步驟(3)中，優選的工藝參數振蕩培育的速度及時間分別為500rpm 1500rpm和Ih 5h，離心工藝的速度及時間分別為IOOrpm 500rpm和 0. 5min 5min，所述交聯劑乙二醛溶液的體積濃度為0. 5% 5. 0%。
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與現有技術相比，本發明的優點在於本發明的量子點-瓊脂糖複合微球，首先， 量子點基於物理包埋，與瓊脂糖凝膠的氫鍵作用，量子點被極大的濃縮並包被入瓊脂糖凝膠微球中，平均每個瓊脂糖微球包被量子點可達101° ；其次，以聚乙烯亞胺作為交聯基質， 聚乙烯亞胺中的胺基通過醛基與經過巰基乙胺改性的量子點上的胺基交聯成一體，實現了量子點的共價固定，具有穩定的化學性質，可避免量子點的洩露；最後，採用瓊脂糖作為包被凝膠微球，成本低廉。本發明的量子點-瓊脂糖複合微球的製備方法，操作簡單，便於推廣和應用，同時採用已經製備的瓊脂糖微球中嵌入量子點不會對瓊脂糖凝膠本身分子結構產生影響，而且因採用巰基乙胺對量子點進行改性，從而不需要採用聚合物凝膠進行特殊修飾。
圖1為本發明的原理示意圖。圖2為本發明實施例1製得的Cdk/ZnS量子點-瓊脂糖微球的光學成像圖，其中，A圖中的(1)為螢光成像圖(螢光為紅色)，A圖中的(2)為明場光學成像圖；B圖為Z軸掃描螢光成像圖(螢光為紅色)。圖3為本發明實施例1的洩露考察對比實驗螢光成像圖，其中，C圖為對照樣(未進行聚乙烯亞胺和乙二醛化學交聯的量子點-瓊脂糖微球)清洗前和清洗後的螢光成像(螢光為紅色);D圖為實施例1製得的量子點-瓊脂糖複合微球清洗前和清洗後的螢光成像(螢光為紅色)。圖4為本發明實施例1的洩露考察對比實驗螢光定量數據圖。圖5為本發明實施例2製得的五種不同顏色(不同摩爾比的兩種螢光發射波長為 543nm和602nm的CdTe量子點組合而成)的CdTe量子點-瓊脂糖複合微球的螢光成像圖， 其中，E為綠色，摩爾比為4 0;F為淺綠色，摩爾比為4 0. 5 ;G為黃色，摩爾比為4 1 ； H為橙色，摩爾比為2 1;1為紅色，摩爾比為0 1。圖6為本發明實施例2製得的五種不同顏色(不同摩爾比的兩種螢光發射波長為 543nm和602nm的CdTe量子點組合而成)的CdTe量子點-瓊脂糖複合微球的螢光發射光譜圖，其中，E為綠色，摩爾比為4 0;F為淺綠色，摩爾比為4 0.5 ;G為黃色，摩爾比為 4 1;H為橙色，摩爾比為2 1;1為紅色，摩爾比為0 1。
具體實施例方式下面結合具體實施例及附圖對本發明作進一步的說明。實施例1
一種本發明的量子點-瓊脂糖複合微球，以蜂窩狀的瓊脂糖凝膠微球(平均粒徑為 35 mm)為基體，基體的孔隙中填充有經巰基乙胺改性後的Cdk/ZnS量子點(即巰基乙胺-CdSe/ZnS量子點)，基體孔隙的內壁上附著有一層聚乙烯亞胺，聚乙烯亞胺中的胺基通過醛基與巰基乙胺-CdSe/ZnS量子點上的胺基交聯成一體，平均單個瓊脂糖凝膠微球填充上的巰基乙胺-CdSe/ZnS量子點顆粒數為6. OX 107。本實施例的量子點-瓊脂糖複合微球具體是通過工藝步驟製備得到
(1)製備混合溶液準備IOmL螢光發射波長為602nm、濃度為1(Γ6Μ的巰基乙胺-CdSe/ZnS量子點溶液，將其加入到平均粒徑為35mm的瓊脂糖凝膠微球中(總凝膠質量為0. 3 mg, 含微球數目108)，在1500rpm的振蕩速度下培育4h，得到混合溶液；
(2)添加填充介質將2mLpH為7. 0、濃度為10mg/mL的聚乙烯亞胺溶液(作為填充介質)加入到上述步驟(1)得到的混合溶液中，1500rpm的振蕩速度下繼續培育4h，經500 rpm 速度離心0. 5min,去除上清，收集離心產物；
(3)添加交聯劑再將2mL濃度為1. 0%的乙二醛溶液(作為交聯劑)加入到上述步驟 (2)得到的離心產物中，1500rpm的振蕩速度下培育2h，經500rpm速度離心0. 5min，去除上清，得到巰基乙胺-CdSe/ZnS量子點-瓊脂糖複合微球。取IOmL上述方法製得的量子點_瓊脂糖複合微球懸浮液置於螢光顯微鏡上觀察， 如圖2所示，由圖2中的A圖可以看出微球發出明亮的紅色螢光，表明瓊脂糖凝膠微球包被了大量的螢光量子點；由圖2中的B圖可以看出，量子點比較均勻的分布在瓊脂糖凝膠微球中。再對上述方法製得的量子點-瓊脂糖複合微球進行洩露考察對比實驗，將上述量子點-瓊脂糖凝膠反覆採用IOmL 二次水清洗，然後採用螢光分光光度計進行螢光測定，並且採用未進行聚乙烯亞胺-乙二醛交聯的量子點-瓊脂糖微球進行對照。結果如圖3及圖 4所示，未進行聚乙烯亞胺-乙二醛交聯的量子點-瓊脂糖微球經過七次洗滌，螢光降低到初始的5%(參見圖3中的C圖)，而進行聚乙烯亞胺-乙二醛交聯的量子點-瓊脂糖微球僅降低14% (參見圖3中的D圖)，這表明，經過聚乙烯亞胺-乙二醛交聯，量子點大多被共價交聯並束縛在瓊脂糖凝膠微球中。由以上可見，本發明的量子點-瓊脂糖複合微球的化學性質穩定，量子點濃度高 (包被量大)。實施例2
一組(五種)本發明的量子點-瓊脂糖複合微球，均以蜂窩狀的瓊脂糖凝膠微球(平均粒徑為35mm)為基體，基體的孔隙中填充有經巰基乙胺改性後的CdTe量子點，每種量子點分別由不同摩爾比例(4 0、4 0.5,4 1、2 1、0 1，不同的摩爾比例組合，表現為不同顏色的量子點)的兩種螢光發射波長為M3nm和602nm的CdTe量子點組合而成，每種基體的內壁上均附著有一層聚乙烯亞胺，聚乙烯亞胺中的胺基通過醛基與巰基乙胺-CdTe量子點上的胺基交聯成一體，平均單個瓊脂糖凝膠微球填充上的巰基乙胺-CdTe量子點顆粒數為 1. OXlO8O製備該實施例的五種巰基乙胺-CdTe量子點-瓊脂糖複合微球的方法，具體工藝步驟如下
(1)製備混合溶液準備兩種螢光發射波長為M3nm和602nm的巰基乙胺-CdTe量子點溶液，按照不同的摩爾比(4 0、4 0.5,4 1、2 1、0 1 )，分成五組，(每組總濃度控制為10_6 M，總容積控制為5ml)，再準備五組平均粒徑為35mm的瓊脂糖凝膠微球中(總凝膠質量為0. 15mg，含微球數目5. OX 107)，將不同摩爾比的多色量子點溶液分別加入至五組瓊脂糖凝膠微球中，分別在1500rpm的振蕩速度下培育4h，得到五組混合溶液。(2)添加填充介質將2mLpH為7. 0，濃度為％ig/mL的聚乙烯亞胺溶液(作為填充介質)分成五組，分別加入到上述步驟(1)得到的五組混合溶液中，分別在1500rpm的振蕩速度下繼續培育4h，經500rpm速度離心0. 5min,去除上清，收集五組離心產物；(3)添加交聯劑再將0. 75mL濃度為1. 0%的乙二醛溶液(作為交聯劑)分成五組，分別加入到上述步驟(2)得到的五組離心產物中，分別在1500rpm的振蕩速度下培育2h，經 500rpm速度離心0. 5min,去除上清，得到五種CdTe量子點-瓊脂糖複合微球。
將經上述方法製得的五種不同顏色的CdTe量子點-瓊脂糖複合微球懸浮液置於螢光顯微鏡上觀察，得到如圖5及圖6所示的不同顏色(E為綠色，摩爾比為4 0;F為淺綠色，摩爾比為4 0. 5 ;G為黃色，摩爾比為4 1;H為橙色，摩爾比為2 1 ;1為紅色， 摩爾比為0 1)的CdTe量子點-瓊脂糖複合微球的螢光成像和螢光光譜。結果顯示，採用不同顏色(不同摩爾比)的CdTe量子點進行瓊脂糖微球包被，可以得到從綠色到紅色的不同顏色的CdTe量子點-瓊脂糖凝膠編碼微球，從而表明，瓊脂糖凝膠微球中包被了大量的量子點，進而說明本發明的量子點-瓊脂糖複合微球的量子點的濃度非常高。
權利要求
1.一種量子點-瓊脂糖複合微球，所述複合微球是以蜂窩狀的瓊脂糖凝膠微球為基體，所述基體的孔隙中填充有改性量子點，其特徵在於所述孔隙的內壁上附著有一層聚乙烯亞胺，所述聚乙烯亞胺中的胺基通過醛基與所述改性量子點上的胺基交聯成一體。
2.根據權利要求1所述的量子點-瓊脂糖複合微球，其特徵在於所述改性量子點為巰基乙胺改性後的量子點。
3.根據權利要求2所述的量子點-瓊脂糖複合微球，其特徵在於所述量子點為Cdk、 CdTe、CdSe/aiS、InP.Au 中的一種或者多種。
4.根據權利要求1或2或3所述的量子點-瓊脂糖複合微球，其特徵在於平均單個所述的瓊脂糖凝膠微球填充上的改性量子點顆粒數為IO7 109。
5.根據權利要求4所述的量子點-瓊脂糖複合微球，其特徵在於所述瓊脂糖凝膠微球的平均粒徑為200 nm 1 mm。
6.一種如權利要求1至5任一項所述的量子點-瓊脂糖複合微球的製備方法，其特徵在於，所述製備方法包括以下工藝步驟(1)製備混合溶液將改性量子點溶液加入至瓊脂糖凝膠微球中，振蕩混合，得到混合溶液；(2)添加填充介質然後將填充介質聚乙烯亞胺溶液加入至所述步驟(1)得到的混合溶液中，振蕩培育，離心，去除上清，收集離心產物；(3)添加交聯劑再將交聯劑乙二醛溶液或者戊二醛加入至所述步驟(2)得到的離心產物中，振蕩培育，離心，去除上清，得到量子點-瓊脂糖複合微球。
7.根據權利要求6所述的量子點-瓊脂糖複合微球的製備方法，其特徵在於所述的聚乙烯亞胺與瓊脂糖凝膠微球的質量配比為(40 100) 1 ；所述的乙二醛與聚乙烯亞胺的質量配比為(0. 5 10) 1。
8.根據權利要求6或7所述的量子點-瓊脂糖複合微球的製備方法，其特徵在於所述步驟(1)中，振蕩速度為500rpm 1500rpm，混合時間為4h 10h，所述改性量子點溶液的濃度為10" M IO-5M0
9.根據權利要求6或7所述的量子點-瓊脂糖複合微球的製備方法，其特徵在於所述步驟(2)中，振蕩培育的速度及時間分別為500rpm 1500rpm和4h 10h，離心工藝的速度及時間分別為IOOrpm 500rpm和0. 5 min 5min，所述填充介質聚乙烯亞胺溶液的 pH 為 6. 0 8. 0，濃度為 1 mg/mL 20mg/mLo
10.根據權利要求6或7所述的量子點-瓊脂糖複合微球的製備方法，其特徵在於所述步驟(3)中，振蕩培育的速度及時間分別為500rpm 1500rpm和lh 證，離心工藝的速度及時間分別為IOOrpm 500rpm和0. 5min 5min，所述交聯劑乙二醛溶液的體積濃度為 0. 5% 5. 0%。
全文摘要
本發明公開了一種量子點-瓊脂糖複合微球，該複合微球是以蜂窩狀的瓊脂糖凝膠微球為基體，基體的孔隙中填充有改性量子點，孔隙的內壁上附著有一層聚乙烯亞胺，聚乙烯亞胺中的胺基通過醛基與改性量子點上的胺基交聯成一體；本發明的複合微球量子點濃度高(包被量大)、化學性質穩定，可避免量子點的洩露；本發明還相應公開了一種該量子點-瓊脂糖複合微球的製備方法，包括製備混合溶液、添加填充介質和添加交聯劑等工藝步驟；該製備方法操作簡單，便於推廣和應用，且無需採用聚合物凝膠進行特殊修飾。
文檔編號C09K11/88GK102250619SQ20111013293
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月20日 優先權日2011年5月20日
發明者劉劍波, 王柯敏, 羊小海, 翦立新 申請人:湖南大學