專利名稱：CdSe/SiO₂量子點復合熒光納米粒子的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種量子點熒光納米粒子的制備方法，特別是一種CdSe/Si02量子點 復合熒光納米粒子的制備方法。
背景技術：
電子束輻射法是一種技術特點鮮明的方法。它是利用高能的電子束在很短的反應 時間內進行化學合成，由于通過控制反應條件可以創造純還原性或純氧化性氣氛，反應過 程無需特定的還原劑或氧化劑，反應產物純度非常高。長期以來，電子束輻照技術大量用于 高分子的聚合、交聯及接枝改性，食品和醫療用品的殺毒滅菌等方面的研究，但用于制備無 機材料的報導不多。 量子點(QDs)以其獨特的光學、電學特性引起人們的極大關注。以CdSe為代表 的量子點具有優異的、隨尺寸可調的發光性質，在激光、發光二極管、太陽能電池、熒光標記 等領域有著十分廣泛的應用前景。但是量子點也有其自身的缺點，首先在無有機溶劑保護 的情況下不穩定，易被氧化，因而量子點通常都在有機溶劑中避光保存；其次，量子點表面 仍有大量缺陷，影響了其光量子產率，通常有機溶劑包裹的量子點其光量子產率常溫下在 10% 20%之間，低溫下光量子產率會增大但不利于實際應用；此外，由于量子點半導體材 料通常都含有有毒的重金屬元素(如鎘、鎵等)，對生物體可能會產生毒害。
在單一量子點納米晶體表面包裹一層Si02制成量子點復合納米粒子使量子點在 諸如生物標記領域的應用邁出了一大步。由于Si(^層對生物體無毒副作用，能有效避免生 物有機體與劇毒的量子點材料直接接觸，并能保護量子點不被氧化，大大增強了量子點的 穩定性，并提高其光量子產率，同時在Si02層表面進一步修飾功能化基團比直接在量子點 表面做修飾要容易得多，此外，Si(^具有化學惰性和光學透明性等。因此，將量子點表面包 裹一層Si02制成復合納米粒子既能克服量子點本身的缺陷，又增加了新的功能。

發明內容
本發明的目的在于提供一種CdSe/Si02量子點復合熒光納米粒子的制備方法，該 方法首先采用絡合劑EDTA作穩定劑，Se鹽(Na2Se03)為Se源與Cd (Ac) 2在高能量電子束輻 照下直接在水溶液中反應合成發射藍光的CdSe量子點。接著使用油包水微乳液法，首次采 用一種硅烷化試劑APTMS，通過APTMS與TEOS的共水解作用，制備了表面直接帶氨基活性基 團的二氧化硅包覆CdSe量子點的復合型熒光納米粒子。
電子束輻照法合成CdSe量子點的機理如下
CcT+EDTA = Cd (EDTA)2+
H20 e叫，H30+， H ' H2, OH' H202 OH+CH3CH (OH) CH3 — H20+ (CH3) 2 (OH) C
Se032—+ean—— Se+ean—— Se2—
[Cd(EDTA)]2++Se2—— CdSe I +EDTA Cd2+與EDTA反應，形成穩定的鰲合物[Cd(EDTA) ]2+，防止Cd2+與Na2Se03反應生成 CdSe03沉淀。水在電子束輻照下分解產生一定數量的水合電子eaq—， H ， H2， OH ， 11202，其 中eaq—和H 為還原性基團，OH 為氧化性自由基，加入異丙醇可以消除氧化性OH 自由 基。水合電子e^—標準電極電勢為-2. 77V，是一種非常活潑的強還原劑，在堿性溶液中水合 電子eaq—首先還原Se032—離子生成Se，然后將Se繼續還原為Se2—。 [Cd(EDTA)]2+與Se2—作 用生成CdSe納米晶。 根據上述機理，本發明采用如下技術方案 —種CdSe/Si02量子點復合熒光納米粒子的制備方法，其特征在于該方法的具體 步驟為 a. CdSe量子點的制備將可溶性鎘鹽與穩定劑EDTA按1 : (1 4)的質量比溶 于去離子水中，攪拌至完全溶解；再加入N Se03和異丙醇，Na2Se03和異丙醇的摩爾比為 1 : (15 20) ，iNa2Se03和可溶性鎘鹽的質量比為1 : (1. 5 1. 7);充分攪拌后得到 無色透明溶液，調節該溶液的pH值至9 ;密封后，用電子加速器輻照，劑量為200KGy，至出現 橙黃色溶膠；將該溶膠濃縮后，加入異丙醇至出現沉淀，離心分離，再用異丙醇洗滌得到純 的CdSe量子點，真空中8(TC烘干； b. dSe/Si02量子點復合熒光納米粒子的制備將環己烷、TritonX-100、正己醇按 (4 5) : 1 : 1的體積比混和形成混合液，緩慢滴加去離子水，混合液與去離子水的體積 比為(60 50) : l，攪拌形成清澈透明的微乳液；將步驟a所得CdSe量子點，溶于超純水 中，超聲分散后，將該CdSe量子點水溶液加入上述微乳液中，充分攪拌混勻，并控制CdSe量 子點與微乳液的質量比為l : (8 10)，依次加入正硅酸乙酯和氨水，正硅酸乙酯和氨水的 體積比為5 : (3 l)，且CdSe量子點與正硅酸乙酯的質量比為(1.5 1.8) : 1 ;室溫 避光磁力攪拌反應24h，加入一定量3-氨基丙基三甲氧基硅烷，其與正硅酸乙酯的體積比 為1 : (1 2)，繼續攪拌反應24小時，反應完全后加入丙酮破乳，再用無水乙醇和超純水 交替離心、洗滌，烘干，即得到純的CdSe/Si02量子點復合熒光納米粒子。
本發明首先以EDTA為穩定劑，采用電子束輻照法在水溶液中室溫合成CdSe量 子點，然后采用油包水微乳液法，利用3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)與正硅酸乙酯 (TEOS)的共水解作用，制備了表面帶氨基的二氧化硅包覆CdSe量子點的核殼型熒光納米 粒子。通過透射電子顯微鏡(TEM)，熒光光譜、紫外-可見光譜及光穩定性實驗等手段對該 物質進行表征，結果表明所制得納米顆粒呈規則球形，粒徑為200士8nm，具有良好的單分散 性與光穩定性，不易發生熒光分子泄露。同時該量子點復合納米粒子對單個小鼠神經干細 胞的熒光成像，結果表明該量子點復合納米粒子可被小鼠神經干細胞有效攝入，在細胞內 檢測到較強的熒光信號并得到清澈的熒光成像圖。


圖1為本發明的CdSe/Si02量子點復合熒光納米粒子的紫外_可見光譜圖。
圖2為本發明的CdSe/Si02量子點復合熒光納米粒子的熒光光譜圖。
圖3為本發明的CdSe/Si02量子點復合熒光納米粒子的高倍透射電子顯微鏡掃描 圖，其中(a)為形成的水溶膠，(b)為納米粒子。
4
圖4為本發明的CdSe/Si02:
圖5為本發明的CdSe/Si02 外-可見光譜圖。 圖6為本發明的CdSe/Si02 30min后的激光共聚焦掃描顯微鏡圖,
t子點復合熒光納米粒子的光穩定性實驗結果圖。
i子點復合熒光納米粒子的表面氨基基團分析的紫
t子點復合熒光納米粒子小鼠神經干細胞共培育
具體實施例方式
試劑與儀器APTMS和表面活性劑TritonX-100等均為分析純，購于Sigma公司； 二水乙酸鎘(Cd(Ac)2 21120)、亞硒酸鈉(Na2SeO》、乙二胺四乙酸(C1QH16N208， EDTA)、異丙醇 (C具0)、水合茚三酮((^604)、氫氧化鈉(NaOH)均從上海國藥集團化學試劑有限公司購買， 均為分析純；小鼠神經干細胞由上海大學生命科學學院提供。所用水均為去離子超純水。
2MeV 10mA GJ-2型電子加速器(上海先鋒電機廠)，FV1000激光共聚焦掃描顯 微鏡(日本Olympus公司)；JEM-2010F高分辯透射電子顯微鏡(日本Shimadzu公司)； JSM-2010F型透射電子顯微鏡(日本JEOL公司)；F_7000型熒光分光光度計(日本Hitachi 公司)；U-3010型紫外-可見分光光度計(日本Hitachi公司)；CR21GI1高速離心機(日 本Hitachi公司)。1. CdSe量子點的制備稱取0. 533g Cd(Ac)2溶于50mL的去離子水中， 加入2. 292g EDTA作為穩定劑，攪拌使其溶解，加入0. 345g Na2Se03和3mL異丙醇，充分攪 拌后得到無色透明溶液，用lmol/L NaOH水溶液將該溶液的pH值調節至9。將上述溶液裝 入塑封密封袋，用電子加速器輻照，劑量為200KGy，輻照3min后出現橙黃色溶膠。將該溶膠 用旋轉蒸發儀蒸發掉1/2的溶劑，向其中加入異丙醇，不斷攪拌至出現沉淀，然后用高速離 心機(15000r/min)高速離心10分鐘分離出沉淀，再用異丙醇洗滌兩次得到純的CdSe量子 點，真空中8(TC烘干。 2CdSe/Si02量子點復合熒光納米粒子的制備實驗所用的玻璃容器反應前用 5% HF溶液清洗，再用去離子水清洗，以除去玻璃容器可能帶來的成核位點。將環己烷、 TritonX-100、下己醇按7. 5mL : 1. 8mL : 1. 6mL的體積比混和，磁力攪拌30min，緩慢滴加 250 ii L水，攪拌30min，形成清澈透明的微乳液。稱取lmg CdSe量子點，溶于lmL超純水 中，超聲分散后取150iU lmg/mL該CdSe量子點水溶液加入上述微乳液中，充分攪拌混勻， 依次加入100iiL正硅酸乙酯和60iiL 25%氨水，室溫避光磁力攪拌反應2處，加入100 y L APTMS，繼續攪拌反應24h，反應完全后加入少量丙酮破乳，再用無水乙醇和超純水交替離 心、洗滌數次，洗掉殘留的表面活性劑等雜質，得到純的CdSe/Si02熒光復合微球，最后將納 米粒子在真空中8(TC烘干。 3. CdSe/Si02納米粒子的紫外光譜分析將lmgCdSe量子點和lmg CdSe/Si02納米 粒子分別溶于2mL超純水中，分別測量其紫外-可見光譜。如圖1所示，CdSe量子點水溶 膠在450nm處出現明顯的特征激子吸收峰，而量子點二氧化硅熒光微球在此處的特征吸收 峰不明顯，這可能是由于二氧化硅微球的漫散射所造成的。 4. CdSe/Si02納米粒子熒光光譜將lmgCdSe量子點和lmg CdSe/Si02納米粒子 分別溶于2mL超純水中，分別測量其熒光光譜，結果如圖2所示。激發波長為350nm，量子 點及CdSe/Si02納米粒子的熒光發射光譜圖相似。但CdSe/Si02納米粒子的最大發射峰位 (423nm)較CdSe量子點(428nm)有5nm的藍移，發射譜線也有約100nm的展寬。這一現象可能是由于CdSe量子點表面配體進行交換反應時引起的退化過程造成的。CdSe量子點 表面的羥基與TEOS水解產生的硅酸根發生配體交換會導致整個納米晶的激子帶隙較大展 寬，同時引起量子產率的下降，從而表現為發射譜線的藍移和展寬。 5. CdSe量子點及CdSe/Si02納米粒子的形貌表征將制備的CdSe量子點樣品重 新分散到水中，得到橙黃色溶膠進行高倍透射電子顯微鏡(HRTEM)測試，如圖3a所示。從 圖可以看出，所制備的CdSe納米晶為球形，晶體結構完善，粒徑約2 3nm。將所得的CdSe/ Si02納米顆粒充分分散到乙醇相中，用移液器吸取少許滴加到銅網上，室溫放置自然干燥 后用透射電子顯微鏡對其進行掃描，觀察其形貌，結果如圖3b所示。由圖可看出所制備的 納米粒子呈規則球型，大小比較均勻且分散性好，平均粒徑為200±8nm。
6. CdSe/Si02納米粒子的光穩定性實驗將lmg的CdSe量子點和lmg的CdSe/Si02 納米粒子分別溶于pH值7. 8的0. 05mol/L Tris-HCl緩沖溶液中，以100W的氙燈作為激發 光源分別對兩種溶液進行照射，樣品距氙燈的距離為5cm，每隔10分鐘測量一次它們在最 大發射波長處的熒光強度，共測試70分鐘。實驗結果如圖4所示，發現氙燈照射70min后， CdSe量子點水溶液的熒光強度下降超過50%，而CdSe/Si02納米粒子的熒光強度下降小于 5%，表明CdSe/Si02納米粒子具有良好的光穩定性。由此可見，將CdSe量子點用二氧化硅 包覆形成核殼型納米粒子后，由于二氧化硅殼層的保護作用，有效地減少外界光源對CdSe 量子點的光漂白作用，使其光穩定性顯著提高。 7. CdSe/Si02納米粒子的表面氨基基團分析采用水合茚三酮法考察量子點熒光 納米顆粒表面是否帶有氨基。取lmg CdSe/Si02納米粒子溶于2ml超純水中，加入100 y L 0. lmol/L NaOH和80iiL 10mg/mL水合茚三酮水溶液，80。C水浴加熱5min，冷卻至室溫后 利用紫外_可見分光光度計測量其吸收光譜，與表面未修飾氨基的量子點熒光納米顆粒及 APTMS做對照試驗。 水合茚三酮能與氨基化合物作用，生成一種在570nm左右有吸收的藍紫色物質，
反應原理為
apt, ,t她eproctes 利用此機理可鑒定氨基的存在。本發明比較了表面修飾與未修飾氨基的CdSe/ Si(^納米粒子以及APTMS。兩種納米粒子的制備方法相同，但在制備表面未修飾氨基的 CdSe/Si02納米粒子時不加入APTMS。實驗結果如圖5所示，由圖可見APTMS和表面接了氨 基的CdSe/Si02納米粒子與水合茚三酮反應后都生成了一種在568nm有吸收峰的物質，而 表面未修飾氨基的納米粒子則無吸收峰，結果表明所制備的CdSe/Si02納米粒子表面氨基 的存在。 8.小鼠神經干細胞的培養與細胞熒光成像將小鼠神經干細胞懸浮液接種到培 養瓶中，放入二氧化碳培養箱中培養過夜(5% C02，37°C )。然后用0. Olmol/L PBS(pH7. 4) 洗三次。將lOOii Llmg/mL經高溫消毒的CdSe/Si02納米粒子懸浮液加入到含lmL培養
6液的小鼠神經干細胞的培養瓶中，放入二氧化碳培養箱中培育30min(5X C02，37°C )，用 0. Olmol/L PBS(pH7. 4)洗滌3次，最后在FVIOOO激光共聚焦掃描顯微鏡下觀察細胞的熒光 成像。圖6為CdSe/Si02納米粒子與小鼠神經干細胞共培育30min后的激光共聚焦掃描顯 微鏡圖片，可看到CdSe/Si02納米粒子可被小鼠神經干細胞有效攝入，同時納米粒子在細胞 內檢測到較強熒光信號和熒光成像圖。結果表明該CdSe/Si02納米粒子是一種良好的熒光 探針，可應用于生物標記及細胞成像等。
權利要求
一種CdSe/SiO2量子點復合熒光納米粒子的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為a.CdSe量子點的制備將可溶性鎘鹽與穩定劑EDTA按1∶(1～4)的質量比溶于去離子水中，攪拌至完全溶解；再加入Na2SeO3和異丙醇，Na2SeO3和異丙醇的摩爾比為1∶(15～20)，且Na2SeO3和可溶性鎘鹽的質量比為1∶(1.5～1.7)；充分攪拌后得到無色透明溶液，調節該溶液的pH值至9；密封后，用電子加速器輻照，劑量為200KGy，至出現橙黃色溶膠；將該溶膠濃縮后，加入異丙醇至出現沉淀，離心分離，再用異丙醇洗滌得到純的CdSe量子點，真空中80℃烘干；b.dSe/SiO2量子點復合熒光納米粒子的制備將環己烷、TritonX-100、正己醇按(4～5)∶1∶1的體積比混和形成混合液，緩慢滴加去離子水，混合液與去離子水的體積比為(60～50)∶1，攪拌形成清澈透明的微乳液；將步驟a所得CdSe量子點，溶于超純水中，超聲分散后，將該CdSe量子點水溶液加入上述微乳液中，充分攪拌混勻，并控制CdSe量子點與微乳液的質量比為1∶(8～10)，依次加入正硅酸乙酯和氨水，正硅酸乙酯和氨水的體積比為5∶(3～1)，且CdSe量子點與正硅酸乙酯的質量比為(1.5～1.8)∶1；室溫避光磁力攪拌反應24h，加入一定量3-氨基丙基三甲氧基硅烷，其與正硅酸乙酯的體積比為1∶(1～2)，繼續攪拌反應24小時，反應完全后加入丙酮破乳，再用無水乙醇和超純水交替離心、洗滌，烘干，即得到純的CdSe/SiO2量子點復合熒光納米粒子。
全文摘要
本發明涉及一種CdSe/SiO2量子點復合熒光納米粒子的制備方法。本發明以EDTA為穩定劑，采用電子束輻照法在水溶液中室溫合成CdSe量子點，然后采用油包水微乳液法，利用3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)與正硅酸乙酯(TEOS)的共水解作用，制備了表面帶氨基的二氧化硅包覆CdSe量子點的核殼型熒光納米粒子。所制得納米顆粒呈規則球形，粒徑為200±8nm，具有良好的單分散性與光穩定性，不易發生熒光分子泄露。該量子點復合納米粒子可被小鼠神經干細胞有效攝入，在細胞內檢測到較強的熒光信號并得到清澈的熒光成像圖。
文檔編號C09K11/88GK101724402SQ200910199579
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月26日 優先權日2009年11月26日
發明者劉斌虎, 吳明紅, 尹東光, 張樂, 張禮, 李劍, 謝春娟 申請人:上海大學