Способ получения квантовых точек сульфида серебра в органической оболочке
METHOD FOR OBTAINING QUANTUM DOTS OF SILVER SULFIDE IN AN ORGANIC SHELL

Изобретение относится к способам получения наночастиц сульфида серебра и может быть использовано в биологии и медицине в качестве флуоресцентных меток. Сульфид серебра является перспективным материалом для распознавания биологических объектов и применения в медицинской диагностике и биотехнологии.
Известен способ получения квантовых точек сульфида серебра для визуализации клеток и визуализации биологических тканей, в котором получение гидрофобных квантовых точек сульфида серебра осуществляют проведением реакции источника серебра, выбранный из нитрата серебра, диэтилдитиокарбамата серебра, дигидрокарбилдитиофосфата серебра, со стехиометрическим или избыточным количеством меркаптосодержащего гидрофильного реагента в полярном органическом растворителе для обеспечения присоединения гидрофильных групп к поверхности квантовых точек с получением гидрофильных квантовых точек сульфида серебра, причем гидрофильный реагент выбран из меркаптоуксусной кислоты, меркаптопропионовой кислоты, цистеина, цистеамина, тиоктовой кислоты и меркаптоацетата аммония или любых их комбинаций, при нагревании до температуры, лежащей в диапазоне от 80°C до 350°C, в замкнутом пространстве до тех пор, пока не пройдет достаточная реакция; и естественное охлаждение смешанной реакционной системы до комнатной температуры, последующее добавление полярного растворителя, центрифугирование и промывание с получением гидрофобных квантовых точек сульфида серебра затем квантовые точки сульфида серебра реагируют с меркаптосодержащим гидрофильным реагентом в полярном органическом растворителе при температуре, лежащей в диапазоне от 2°C до 80°C, в течение 3 или более часов (патент RU 2576052; МПК C09K 11/58, C09K 11/56, G01N 21/64, B82B 3/00, B82Y 40/00; 2016 год).
Однако процесс получения осуществляют в две стадии. Причем на первой стадии необходимо нагревание до температуры 80-350°C в условиях темноты и замкнутого пространства, либо инертной атмосферы, кроме того необходимо присутствие поверхностно-активных веществ. На второй стадии необходимо использование полярного органического растворителя (этанол, метанол, ацетон и т.д.), который является токсичным и требует дальнейших операций по отмыванию продукта и диспергированию в нетоксичной среде. Таким образом, известный способ, требующий нескольких этапов, сложного оборудования, специальных условий и дополнительных реагентов, является сложным, затратным и трудоемким.
Известен способ получения квантовых точек халькогенида серебра, включающий взаимодействие водорастворимой соли серебра и водорастворимого источника халькогенида в водной среде в присутствии материалов для получения оболочки при комнатной температуре при рН в диапазоне от 5-11 в инертной атмосфере, перемешивание смеси и последующую промывку, при этом одним из материалов для оболочки выбран полиэтиленимин, а другим является малая молекула, выбранная из группы малых молекул, включающих тиолаты, карбоксилаты и амины (патент EP 319194527; МПК C09K11/02, C09K11/58, C09K11/88, A61K49/00, C01B19/00, C01G5/00; 2018 год).
Однако недостатками способа являются необходимость проведение процесса в инертной атмосфере, а также сложный, многокомпонентный состав оболочки. Сложный состав оболочки, включающий как макро, так и малые молекулы, усложняет поликонденсацию, приводит к случайному, хаотичному закреплению молекул на поверхности частиц халькогенида серебра, что снижает интенсивность излучения.
Известен способ получения наночастиц сульфида серебра в лигандной оболочке, состоящей из цитратных групп, включающий получение исходного водного раствора нитрата серебра и сульфида натрия, к исходному раствору добавляют 0,01-10 % раствор цитрата натрия, затем проводят выдержку в течение от 0,1 до 50 часов при температуре 20-35°С (патент RU 2603666; МПК C01G 5/00, C01G 1/12, C01B 17/20, B82B 3/00, B82Y 5/00, C09K 11/56, C09K 11/58; 2016 год).
Однако при использовании квантовых точек сульфида серебра в органической оболочке в биоанализе для визуализации или медицине для транспортировки капсул с лекарством к точкам воздействия параметром, определяющим механизм проникновения наночастиц, является средний размер стабилизированных наночастиц непосредственно в растворе, в частности толщина органической оболочки. Толщина органической оболочки квантовых точек сульфида серебра, полученных известным способом, может быть измерена только методом просвечивающей электронной микроскопии. Однако данный метод является локальным, позволяет судить об объектах на сеточке, попавших под сфокусированный электронный пучок. Метод не позволяет получить данные о среднем значении толщины оболочки, характеризующей материал и, значит, не позволяет заранее определить эффективность его использования.
2
2
2
2
3
3
6
5
7
3
2
2
,
Известен способ получения прозрачных стабильных коллоидных растворов с твердой дисперсной фазой AgS (нано-AgS), полученных химическим осаждением в тяжелой воде DO. В качестве исходных растворов использовали растворы сульфида натрия NaS, нитрата серебра AgNO и цитрат натрия NaCHO ≡ NaCit в тяжелой воде с одинаковой концентрацией 50 ммоль/л. Синтез проводили при комнатной температуре в темноте. Цитрат натрия при синтезе играет роль стабилизатора, предотвращающего рост наночастиц. Известный способ позволяет оценить средний размер наночастиц AgS в органической оболочке методом динамического рассеяния света и электронной микроскопии (Садовников С.И. «Синтез коллоидных растворов сульфида серебра в тяжелой воде DO», журнал Неорганическая химия 2020, том 65, № 10, с. 1434-1440).
о
Однако при использовании для визуализации квантовых точек сульфида серебра в цитратной оболочке, полученных известным способом, наблюдается снижение интенсивности свечения в течение срока хранения за счет восстановления части серебра до Ag, частицы которого располагаются на поверхности квантовых точек. Наличие серебра в коллоидных растворах подтверждается появлением в спектре поглощения полосы, связанной с расходованием падающей энергии на возбуждение коллективных колебаний поверхностных плазмонов в наночастицах серебра. Так, в спектре поглощения коллоидных наночастиц сульфида серебра, хранящихся на свету, уже через несколько дней появляется и с течением временем (через неделю) возрастает полоса плазмоного поглощения серебра (фиг. 1), что свидетельствует о формировании металлического серебра на поверхности наночастиц сульфида серебра, как следствие, снижение эффективности излучения.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения квантовых точек сульфида серебра в органической оболочке, обеспечивающий стабильную интенсивность свечения за счет неизменного химического состава полученного материала в течение всего срока хранения в обычных условиях.
2
Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения квантовых точек сульфида серебра в органической оболочке, включающем обработку смеси нитрата серебра и сульфида натрия в дейтерированной воде в присутствии органического стабилизатора, в котором в качестве органического стабилизатора используют 3-меркаптопропил-триметоксисилан (МПС) при мольном соотношении (в пересчете на AgS) сульфида серебра и МПС, равном 1:0,25÷0,5, а обработку осуществляют ультразвуковым излучением с частотой 18-20 кГц смеси раствора нитрата серебра с концентрацией 0,625÷2,5 мМ и сульфида натрия с концентрацией 0,3125÷1,25 мМ в течение 15-20 секунд, а затем после добавления в раствор 0,6%-ного раствора 3-меркаптопропил-триметоксисилана в этиловом спирте еще в течение 2-3 минут, после чего к раствору добавляют дейтерированную воду при соотношении (объем), равном полученный раствор : дейтрированная вода = 1:1,2 и обрабатывают ультразвуковым излучением в течение 2-3 минут.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения квантовых точек сульфида серебра в органической оболочке, в котором в качестве органического стабилизатора используют 3-меркаптопропил-триметоксисилан (МПС) при определенном мольном соотношении к сульфиду серебра, а обработку смеси исходных компонентов осуществляют ультразвуковым излучением.
2
Квантовые точки сульфида серебра в органической оболочке являются перспективным материалом для использования в качестве фотолюминесцентных меток для биодиагностики и для адресной доставки in vitro и in vivo. Важным параметром, определяющим механизм проникновения квантовых точек к целям визуализации и капсул с лекарством к точкам воздействия, является размер стабилизированных частиц непосредственно в растворе. Получение коллоидного раствора квантовых точек сульфида серебра в дейтрированной воде позволяет измерить средний размер полученных стабилизированных частиц, в частности толщину органической оболочки методом малоуглового рассеяния нейтронов, что не может быть достигнуто при применении других методов исследования. Однако при получении коллоидного раствора с использованием дейтрированной воды существенным фактором становится соединение, используемое в качестве оболочки наночастиц сульфида серебра, поскольку оболочка должна стабилизировать состав ядра (сульфида серебра), предотвращая его химические изменения, тем самым обеспечивая стабильную интенсивность излучения в течение всего срока хранения, то есть возможность эффективного использования материала в любой момент в течение срока его хранения. В ходе исследований авторами было установлено, что использование 3-меркаптопропил-триметоксисилана в качестве органической оболочки обеспечивает стабильный химический состав, предотвращает восстановление сульфида серебра до серебра, появления на поверхности наночастиц восстановленного серебра в течение всего срока хранения (см. фиг.2). Тем самым удается избежать снижения эффективности люминесценции за счет расходования энергии на экситон-плазмонное взаимодействие в системе наночастиц. При этом существенным является соотношение сульфида серебра и 3-меркаптопропил-триметоксисилана. Так, в случае уменьшения соотношения менее чем 1:0,25, полученные наночастицы ядро-оболочка имеют гидродинамический диаметр ~ 60 нм и сохраняют коллоидную стабильность не более 3 часов. При увеличении соотношения более чем 1:0,5, полученные наночастицы ядро-оболочка имеют гидродинамический диаметр 900-1100 нм и выпадают в осадок через час после получения коллоидного раствора. Существенным для достижения положительного эффекта является использование ультразвуковой обработки, которая позволяет значительно интенсифицировать процесс и улучшить качество коллоидных растворов за счет создания монодисперсной и однородной по составу среды с узким интервалом разброса размера частиц, что способствует стабильности раствора во времени (см. фиг.2). Авторами предлагается добавление к раствору исходных компонентов дейтрированной (тяжелой) воды, с учетом различий в кинетике реакций в тяжелой воде и обычной воде, которые обусловлены большей прочностью связи D-О, чем H-О. Кроме этого, в протонном растворе обменные протоны, такие как протоны в гидроксильной или аминогруппе, обмениваются протонами с растворителем. Если DO является растворителем, дейтроны будут включены в эти положения. При изменении изотопного состава молекул происходят изменения параметров химических реакций, в которых участвуют эти молекулы. Таким образом, в молекулах МПС может происходить замена водорода на дейтерий, что обеспечивает влияет на скорость и эффективность протекания реакций гидролиза и поликонденсации и приводит к образованию равномерной оболочки. В то время как в обычной воде эти процессы протекают быстро и неравномерно.
На фиг. 1 представлены оптические спектры поглощения коллоидного раствора наночастиц сульфида серебра в цитратной оболочке после получения (1), через день (2) и через неделю (3) хранения на свету.
2
На фиг 2 изображены спектры поглощения после непосредственного получения предлагаемого коллоидного раствора при мольном соотношении AgS: 3-меркаптопропил-триметоксисилана= 1:0,5 и через неделю его хранения на свету (пример 1).
На фиг. 3 изображено распределение частиц по размерам в зависимости от условий получения (пример 1).
На фиг. 4 приведено изображение наночастиц сульфида серебра из коллоидного раствора, полученное на просвечивающем электронном микроскопе (пример 1).
3
2
2
2
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Готовят водный раствор нитрата серебра AgNO с концентрацией 0.625-2.5 мМ и сульфида натрия NaS с концентрацией 0,3125-2,5 мМ. Мольное соотношение концентраций исходных компонентов следующее: нитрат серебра : сульфид натрия = 2:1. Далее раствор гомогенизируют под воздействием ультразвукового излучения с частотой 20 кГц (Bandelin SONOPULS HD 2070) в течение 20-30 секунд. Затем к полученному раствору добавляют 0,6%-ный раствор 3-меркаптопропил-триметоксисилана (МПС) в этиловом спирте при мольном соотношении (в пересчете на AgS) AgS:MПС=1:0,25-0,5 и подвергают ультразвуковому воздействию с частотой 20 кГц в течение 2-3 мин. Затем к раствору добавляют дейтерированную воду при объемном соотношении раствор исходных компонентов: дейтрированная вода = 1:1,2 и обрабатывают ультразвуковым излучение в течение 2-3 минут. Получаемые наночастицы ядро-оболочка в растворе имеют гидродинамический диаметр ~30-40 нм и сохраняют неизменный состав в течение всего срока хранения и, как следствие, стабильную интенсивность люминесценции.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
3
2
2
Пример 1. Готовят водный раствор 5 мл (2,5 мМ) нитрата серебра AgNO и водный раствор 5 мл (1,25 мМ) сульфида натрия NaS. Соотношение концентраций исходных компонентов следующее: нитрат серебра : сульфид натрия = 2:1. Далее к раствору нитрата серебра добавляют раствор сульфида натрия и гомогенизируют под воздействием ультразвукового излучения с частотой 20 кГц в гомогенизаторе марки Bandelin SONOPULS HD 2070 в течение 30 с. Затем к полученному раствору добавляют 50 мкл 0,6%-ного раствора МПС в этиловом спирте, что соответствует мольному соотношению AgS:MPS=1:0,25. Подвергают ультразвуковому перемешиванию в течение 2 мин. После этого к полученному раствору добавляют 12 мл дейтерированной воды, при объемном соотношении 1:1,2, и подвергают ультразвуковому перемешиванию в течение 2 мин. Получаемые наночастицы ядро-оболочка в растворе имеют гидродинамический диаметр 30 нм (см. фиг. 3) и сохраняют неизменный химический состав и коллоидную стабильность в течение недели. После получения раствора и через неделю в спектре поглощения не наблюдается изменений, полоса, связанная с наночастицами серебра не обнаруживается (см. фиг.2).
3
2
2
Пример 2. Готовят водный раствор 10 мл (1,25 мМ) нитрата серебра AgNO и водный раствор 10 мл (0,625 мМ) сульфида натрия NaS. Соотношение концентраций исходных компонентов следующее: "нитрат серебра : сульфид натрия = 2:1. Далее к раствору нитрата серебра добавляют раствор сульфида натрия и раствор гомогенизируют под воздействием ультразвукового излучения с частотой 20 кГц в гомогенизаторе марки Bandelin SONOPULS HD 2070 в течение 20 с. Затем к полученному раствору добавляют 100 мкл 0,6%-ного раствора МПС в этиловом спирте, что соответствует мольному соотношению AgS:MPS=1:0,5. Подвергают ультразвуковому перемешиванию в течение 2 мин. После этого к полученному раствору добавляют 24 мл дейтерированной воды при объемном соотношении 1:1,2, и обрабатывают ультразвуковым излучение в течение 2-3 минут. Получаемые наночастицы ядро-оболочка в растворе имеют гидродинамический диаметр 30 нм, сохраняют неизменный химический состав и коллоидную стабильность в течение недели. При этом после получения раствора и через неделю в спектре поглощения не наблюдается изменений, полоса, связанная с наночастицами серебра не обнаруживается.
Таким образом, авторами предлагается способ получения квантовых точек сульфида серебра в оболочке из 3-меркаптопропил-триметоксисилана, обеспечивающий неизменный химический состав и коллоидную стабильность полученного продукта в течение всего срока хранения, что, в свою очередь, обусловливает стабильную интенсивность излучения.