СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МИКРОСФЕР, СОДЕРЖАЩИХ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ
METHOD OF PRODUCING POLYMER MICROSPHERES CONTAINING QUANTUM DOTS

Изобретение относится к области высокомолекулярных соединений, содержащих квантовые точки, а именно к способу получения полимерных микросфер, содержащих квантовые точки.
Полимерные микросферы широко используются в качестве калибровочных эталонов в электронной и оптической микроскопии, светорассеивании, при счете аэрозольных частиц и малоугловой рефракции рентгеновских лучей, для определения размеров пор фильтров и биологических мембран, в качестве модельных коллоидных систем для изучения их реологии, стабильности, седиментации и т.д., а также в качестве носителей биолигандов при создании диагностических тест-систем. При этом полимерные микросферы должны характеризоваться узким распределением по размерам и быть агрегативно устойчивыми в процессе синтеза, при хранении и в физиологических растворах [1-3].
Кроме того, полимерные микросферы могут содержать визуализурующие метки, в частности квантовые точки, которые определяют их применение в различных видах анализа с визуальной или инструментальной детекцией результатов биоспецифических реакций [4-6].
Квантовые точки (КТ) представляют собой полупроводниковые флуоресцентные нанокристаллы, размеры которых, как правило, находятся в диапазоне от 1 до 10 нм и состоят из атомов элементов, находящихся в II-VI (например, CdSe) или II-V (например, InP) группах периодической таблицы Д.И. Менделеева. Квантовые точки обладают фотостабильностью и высоким квантовым выходом и широко применяются в современных методах флуоресцентной визуализации и оптической диагностики, в частности для флуоресцентного анализа биологических образцов, исследования иммунохимических реакций, диагностики различных вирусных и инфекционных заболеваний и заболеваний сердечно-сосудистой системы, например, исследования кровеносного русла, состояния сосудов и капилляров [7-9].
Из уровня техники известны различные способы получения полимерных микросфер, содержащих квантовые точки, направленные на включение квантовых точек либо в объем полимерных микросфер, либо на локализацию на их поверхности. Такие способы основаны на: 1) набухании полимерных микросфер в растворителе и введении квантовых точек; 2) послойном осаждении квантовых точек на поверхность микросфер; 3) электростатическом взаимодействии; 4) непосредственном ковалентном присоединении квантовых точек; 5) включении квантовых точек в процессе синтеза полимерных микросфер. [10]
Из уровня техники известен способ включения квантовых точек в полистирольные микросферы в процессе эмульсионной полимеризации стирола [11]. Однако полученные полимерные микросферы характеризовались широким распределением по размерам и низкой интенсивностью флуоресценции.
Введение квантовых точек на стадии синтеза полимерных микросфер снижает их агрегативную устойчивость при хранении, что усложняет процесс их получения с заданным комплексом свойств. Кроме того, такой подход является трудоемким и малоэффективным.
Из уровня техники известен способ включения квантовых точек в полиакролеиновые микросферы и сополимерные (акролеин/стирол) микросферы путем их набухания в смеси растворителей пропанол-2/ хлороформ, содержащей квантовые точки [12].
В качестве недостатков указанного способа можно отметить невысокую агрегативную устойчивость полимерных микросфер и невозможность введения квантовых точек в полимерных микросферы в контролируемом количестве.
Также известен способ получения функционализированных сополимерных (акролеин/стирол) микросфер, заключающийся в обработке их поочередно положительно заряженным полиэлектролитом, затем отрицательно заряженным полиэлектролитом, что приводит к формированию полиэлектролитного комплекса на поверхности микросфер, и после двукратного повторения процедуры последовательного осаждения полиэлектролитного комплекса в один или более слоев вводят квантовые точки [5].
В качестве недостатков указанного способа можно отметить невысокую агрегативную устойчивость полимерных микросфер и невозможность введения квантовых точек в полимерных микросферы в контролируемом количестве.
Настоящее изобретение направлено на разработку эффективного способа получения полимерных микросфер, содержащих квантовые точки в контролируемом количестве, которые характеризуются высокой интенсивностью сигнала, устойчивостью и стабильностью свойств во времени.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение агрегативной устойчивости полимерных микросфер и квантовых точек на всех стадиях, предшествующих иммобилизации их в полимерные микросферы, и в увеличении процента квантовых точек, иммобилизованных в полимерные микросферы.
2
4
Технический результат достигается тем, что готовят раствор квантовых точек в органическом растворителе, содержащем катионактивный ПАВ, представляющий собой соль четвертичного аммониевого основания, в количестве 1-2% мас., таким образом, что концентрация квантовых точек в растворе составляет 0,1-1,0 г/л, к раствору добавляют полимерные микросферы при соотношении полимер:раствор квантовых точек, равном 1:1, полученную смесь подвергают ультразвуковой обработке, затем выдерживают в течение 2-6 часов при комнатной температуре и диспергируют в С-С-алифатическом спирте, содержащем катионактивный ПАВ, представляющий собой соль четвертичного аммониевого основания, взятый в количестве 1-2% мас., выдерживают в течение 5-15 минут, затем центрифугируют для выделения образовавшегося осадка, состоящего из полимерных микросфер, содержащих квантовые точки.
2
4
В процессе осуществления изобретения в качестве растворителя можно использовать хлороформ, дихлорэтан стирол, толуол или метилметакрилат, в качестве С-С-алифатического спирта - этанол, в качестве катионактивного ПАВ - алкилдиметилэтилбензиламмоний хлорид.
При осуществлении заявленного способа использовали квантовые точки марки QD-Light - поставляются Центром высоких технологий ФГУП «НИИПА» (http://www.nanotech-dubna.ru) в толуольном либо хлороформном растворе концентрацией 1 г/л.
Необходимой концентрации квантовых точек в растворе (0,1-1,0 г/л) добиваются разбавлением исходного раствора квантовых точек.
При осаждении на полимерную поверхность квантовые точки ведут себя одинаково вне зависимости от того, в каком растворителе они диспергированы: в толуоле, хлороформе или их смеси. Их устойчивость и способность к самоагрегации определяется исключительно степенью стабилизации и отсутствием резкого перехода от неполярной среды к полярной.
Пример 1
К 0,5 г толуольного раствора квантовых точек (концентрация квантовых точек 0,1 г/л), содержащего 0,01 г (2% мас.) алкилдиметилэтилбензиламмоний хлорида (катионактивный ПАВ, представляющий собой соль четвертичного аммониевого основания), добавляли 0,5 г полистирольных микросфер диаметром 0,2 мкм. Полученную смесь обрабатывали ультразвуком в течение 5 минут, затем выдерживали в течение 3 часов при комнатной температуре. Окончание набухания полимерных микросфер наблюдали визуально. Затем смесь диспергировали в этаноле, содержащем 2% мас. алкилдиметилэтилбензиламмоний хлорида, выдерживали в течение 10 минут, затем центрифугировали для выделения образовавшегося осадка, состоящего из полимерных микросфер, содержащих квантовые точки.
Пример 2
К 1,0 г толуольного раствора квантовых точек (концентрация квантовых точек 0,2 г/л), содержащего 0,01 г (1% мас.) алкилдиметилэтилбензиламмоний хлорида (катионактивный ПАВ, представляющий собой соль четвертичного аммониевого основания), добавляли 1,0 г полиметилметакрилатных микросфер диаметром 1 мкм. Полученную смесь обрабатывали ультразвуком в течение 10 минут, затем выдерживали в течение 4 часов при комнатной температуре. Окончание набухания полимерных микросфер наблюдали визуально. Затем смесь диспергировали в изопропаноле, содержащем 2% мас. алкилдиметилэтилбензиламмоний хлорида, выдерживали в течение 15 минут, затем центрифугировали для выделения образовавшегося осадка, состоящего из полимерных микросфер, содержащих квантовые точки.
Пример 3
К 1,5 г толуольного раствора квантовых точек (концентрация квантовых точек 0,5 г/л), содержащего 0,03 г (2% мас.) алкилдиметилэтилбензиламмоний хлорида (катионактивный ПАВ, представляющий собой соль четвертичного аммониевого основания), добавляли 1,5 г полистирольных микросфер диаметром 6,0 мкм. Полученную смесь обрабатывали ультразвуком в течение 15 минут, затем выдерживали в течение 5 часов при комнатной температуре. Окончание набухания полимерных микросфер наблюдали визуально. Затем смесь диспергировали в этаноле, содержащем 2% мас. алкилдиметилэтилбензиламмоний хлорида, выдерживали в течение 15 минут, затем центрифугировали для выделения образовавшегося осадка, состоящего из полимерных микросфер, содержащих квантовые точки.
После осаждения квантовых точек процедура набухания-осаждения может повторяться многократно для достижения необходимой концентрации квантовых точек на поверхности. Чем меньше концентрация квантовых точек в исходном растворе, тем большее количество стадий осаждения необходимо провести. Это увеличивает время получения продукта, но позволяет добиться равномерного распределения квантовых точек на поверхности микросферы.
Процент включения квантовых точек определяли по сравнению интенсивностей флуоресценций суспензии полимерных микросфер с квантовыми точками на поверхности и остаточных квантовых точек в супернатанте. Для этих исследований использовался спектрометр. Доля иммобилизованных квантовых точек составляла от 70% до 90%.
С помощью микроскопа марки «Levenhuk D670T» было визуально установлено, что полученные полимерные микросферы с иммобилизованными на их поверхности квантовыми точками устойчивы к агрегации. На фиг. 1 показана флуоресценция полимерных микросфер, содержащих квантовые точки, полученных по примеру 3.
Разработанный способ позволяет использовать полимерные микросферы требуемого размера в соответствии с областью применения получаемого продукта. Отличительной особенностью заявленного способа является то, что могут использоваться полимерные микросферы с различным диаметром частиц в интервале от 0,1 до 10,0 мкм с узким распределением частиц по размерам, полученные, например, способами, описанными в уровне техники [13-16].
Источники информации
1. Волкова Е.В. / Создание диагностических тест-систем с использованием полимерных микросфер / Автореф. дис. на соиск. учен, степ. канд. хим. наук / М. - 2014.
2. Грицкова И.А. и др. Биотест-системы на основе полимерных микросфер // Вестник МИТХТ / 2006, Т. 2, С. 5-21.
3. P. Tallury, K. Payton, S. Santra. / Silica-based multimodal / multifunctional nanoparticles for bioimaging and biosensing applications / Nanomedicine, 2008, Vol. 3, P. 579-592.
4. Сизова C.B. / Получение биоаналитических реагентов на основе полимерно-капсулированных полупроводниковых (CdSe)ZnS нанокристаллов / Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. хим. Наук / М. - 2009.
5. Патент РФ №2532559.
6. Синтез опалоподобных структур на основе монодисперсных люминофор-содержащих полимерных частиц / Сборник трудов Всероссийской молодежной конференции «Опалоподобные структуры», Санкт-Петербург - 2012, С. 15-19.
7. Здобнова Т.А. и др. / Квантовые точки для молекулярной диагностики опухолей / ACTA NATURAE, 2011, Т. 3, №1 (8), С. 30-50.
8. Ralph A Tripp et al. / Bioconjugated nanoparticle detection of respiratory syncytial virus infection / International Journal of Nanomedicine, 2007, Vol. 2, N3, P. 117-124.
9. Byron Ballou et al. / Imaging Vasculature and Lymphatic Flow in Mice Using Quantum Dots / Methods in Molecular Biology, 2009, Vol. 574, P. 63-74.
10. Олейников В.A. / Полупроводниковые флуоресцентные нанокристаллы (квантовые точки) в белковых биочипах (обзорная статья) / Биоорганическая химия, 2011, Т. 37, №2, С. 171-189.
11. Yang X et al. / Encapsulation of quantum nanodots in polystyrene and silica micro-nanoparticles / Langmuir, 2004, Vol. 20, P. 6071-6073.
12. Генералова A.H. и др. / Синтез субмикронных сополимерных (акролеин/стирол) микросфер, содержащих флуоресцентные полупроводниковые CdSe/ZnS нанокристаллы / Российские нанотехнологии, 2007, Т. 2, №7-8, С. 144-154.
13. Патент РФ №2459834.
14. Грицкова И.А. и др. / Разработка полимерных микросфер для иммунофлуоресцентного анализа / Биотехнология, 2012, №4, С. 74-80.
15. Чадаев П.Н. / Полимерные микросферы в качестве антистатических компонентов защитных слоев фотографических материалов / Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. хим. наук / М. - 2011.
16. Злыднева Л.Ю. / Гетерофазная полимеризация виниловых мономеров в присутствии кремнийорганических ПАВ различной природы / Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. хим. наук / М. - 2013.