СПОСОБ КОЛЛОИДНОГО СИНТЕЗА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ НАНОЧАСТИЦ СВЕРХМАЛОГО РАЗМЕРА СТРУКТУРЫ ЯДРО/ОБОЛОЧКА
METHOD OF COLLOID SYNTHESIS OF ULTRA-SMALL PHOTOLUMINESCENT NANOPARTICLES OF THE CORE / SHELL STRUCTURE

Изобретение относится к области коллоидной химии и нанотехнологии, в частности к способу коллоидного синтеза фотолюминесцентных полупроводниковых наночастиц структуры ядро/оболочка. Предлагаемый способ направлен на получение фотолюминесцентных наночастиц, или как их еще называют - квантовых точек (КТ), сверхмалого размера, применимых в создании современных биомедицинских изделий диагностического, профилактического или лечебного характера.
Известен способ коллоидного синтеза наночастиц структуры ядро/оболочка на основе методики инжекционного синтеза [1], когда для синтеза ядер в горячий раствор предшественника первого компонента ядра добавляют предшественник второго компонента для роста ядер, а затем вводят предшественники для роста оболочки. К недостаткам упомянутого выше способа стоит отнести невозможность получения квантовых точек сверхмалого размера, а также низкую воспроизводимость и гомогенность свойств, получаемых КТ, из-за отсутствия стадии промежуточной очистки ядер от избыточного количества непрореагировавших предшественников и образовавшихся побочных продуктов реакции.
В качестве прототипа выбран способ создания монодисперсных наночастиц структуры ядро/оболочка [2]. В описанном способе ядра квантовых точек получают методом инжекционного синтеза, т.е. инжекцией компонентов, необходимых для роста ядер наночастиц, в реакционную смесь, в среде неполярного органического растворителя - 1-октадецене. При этом перед наращиванием эпитаксиальной оболочки проводят очистку ядер наночастиц методом диспергирования-коагуляции или экстракции. Данный способ позволяет получать наночастицы с диаметром ядра 3,2-3,8 нм. Недостатками данного способа являются невозможность получения наночастиц сверхмалого размера в силу быстрого перехода ядер на поздние стадии роста, соответствующие большим физическим размерам, вследствие выбранного температурного режима, а также невозможность получения высокогомогенных по размеру и оптическим свойствам наночастиц в силу используемой технологии очистки ядер, не позволяющей эффективно разделять наночастицы малого размера.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении квантовых точек сверхмалого размера, диаметром до 2 нм, с воспроизводимыми высокогомогенными оптическими свойствами и физическими размерами для целей их последующего применения в современных прецизионных биомедицинских диагностических, профилактических и лечебных систем на основе фотолюминесцентных наночастиц.
Технический результат достигается тем, что в способе коллоидного синтеза фотолюминесцентных наночастиц сверхмалого размера структуры ядро/оболочка, включающем синтез ядер фотолюминесцентных наночастиц путем инжекции компонент ядра в среду органических растворителей, очистку ядер из реакционной смеси и последующее наращивание эпитаксиальной оболочки фотолюминесцентных наночастиц в среде органических растворителей, проводят сверхбыструю, не более чем за 5 секунд, остановку реакции синтеза ядер наночастиц на ранних стадиях роста, а перед наращиванием эпитаксиальной оболочки наночастиц проводят очистку ядер наночастиц эксклюзионной хроматографией.
Разделение стадий синтеза ядер наночастиц и наращивания эпитаксиальной оболочки наночастиц путем очистки ядер эксклюзионной хроматографией обеспечивает протекание контролируемой реакции роста наночастиц структуры ядро/оболочка. Именно применение эксклюзионной хроматографии позволяет максимально эффективно разделять наночастицы сверхмалого размера от других компонентов реакции, что позволяет на стадии наращивания эпитаксиальной оболочки наночастиц свести к минимуму образование случайных комплексов из непрореагировавших предшественников и побочных продуктов реакции синтеза ядер наночастиц, нарушающих воспроизводимость и гомогенность параметров синтезируемых наночастиц. Сверхмалый размер наночастиц достигается благодаря практически моментальной, не более чем за 5 секунд, остановке реакции синтеза ядер наночастиц на ранних стадиях роста за счет сверхбыстрого охлаждения реакционной смеси.
Возможен частный случай, в котором в качестве растворителя для синтеза ядер наночастиц и наращивания оболочки используют неполярные углеводороды с высокой температурой кипения, такие как парафины, алкены, алкины, первичные алкиламины, вторичные алкиламины, третичные алкиламины, фосфины, фосфиноксиды или их смеси.
Во втором частном случае в состав ядра наночастиц включают два или более компонента.
В другом частном случае в качестве первого компонента ядра наночастиц используют соединения на основе металлов, например кадмия, цинка, свинца, олова, меди, серебра, индия, сурьмы, галлия.
Возможен частный случай, в котором в качестве второго компонента ядра наночастиц используют соединения на основе неметаллов, например селена, серы, теллура, фосфора, мышьяка.
Существует частный случай, при котором сверхбыструю остановку реакции синтеза ядер наночастиц производят путем инжектирования холодного неполярного или малополярного растворителя в реакционную смесь.
В другом частном случае сверхбыструю остановку реакции синтеза ядер наночастиц производят путем переноса горячего раствора реакционной смеси в жидкий азот.
Возможен частный случай, когда очистку ядер наночастиц проводят путем эксклюзионной хроматографии в комбинации с методами диспергирования-коагуляции.
Также существует частный случай, когда при наращивания эпитаксиальной оболочки наночастиц используют соединения класса металлов, соединения класса неметаллов и их комбинации.
Возможен частный случай, в котором при наращивании эпитаксиальной оболочки наночастиц соединения класса металлов и неметаллов вводят одновременно.
Возможен другой частный случай, в котором при наращивании эпитаксиальной оболочки наночастиц соединения класса металлов и неметаллов вводят поочередно в любой последовательности.
Пример конкретной реализации предлагаемого способа раскрывается на синтезе фотолюминесцентных наночастиц сверхмалого размера с составом ядра - CdSe и оболочки - ZnS. Синтез КТ состоит из последовательного выполнения следующих процедур: подготовка предшественников кадмия и селена; синтез ядер квантовых точек состава CdSe; выделение и очистка ядер квантовых точек состава CdSe методами диспергирования-коагуляции и эксклюзионной хроматографии; наращивание эпитаксиальной оболочки наночастиц; выделение наночастиц структуры ядро/оболочка.
Предшественник селена готовят в форме триоктилфосфин-селена путем растворения порошка селена в избытке триоктилфосфина в инертной атмосфере. Для обеспечения минимальной дисперсии диаметра ядер CdSe необходимо использовать раствор селена, охлажденный до комнатной температуры. Предшественник кадмия готовят в форме соли н-гексадецилфосфоновой кислоты в присутствии третичного амина и 1-октадецена в качестве растворителя.
После дегазации реакционную колбу, содержащую предшественник кадмия, заполняют инертным газом, а затем производят разогрев до 240°С и выдерживают 60 минут для достижения равновесия реакционной смеси. Синтез ядер CdSe квантовых точек проводят в высококипящем неполярном растворителе 1-октадецен. Производят инжектирование предшественника селена в реакционную смесь и по истечении 30 секунд убирают нагрев и производят сверхбыстрое охлаждение реакционно смеси путем переноса содержимого реакционной колбы в раствор жидкого азота. Это приводит к практически моментальной остановке реакции и замерзанию всех компонентов реакционной смеси.
После разморозки осадка в реакционную смесь добавляют двукратный объем растворителя, вызывающего коагуляцию ядер КТ. В качестве коагулянта используется изопропиловый спирт.Образование крупных хлопьев свидетельствует о полной агрегации квантовых точек. После этого раствор центрифугируют. Для полного удаления непрореагировавших предшественников применяют двухстадийную процедуру очистки. На первом этапе производят двукратную очистку раствора ядер в толуоле в присутствии олеиламина и боргидрида натрия, при интенсивном механическом перемешивании, с последующей коагуляцией ядер CdSe метанолом и центрифугированием. На втором этапе очистки производят удаление оставшихся адсорбированных на поверхности примесей методом эксклюзионной хроматографии с использованием неподвижного носителя - гранул из неполярного пористого полистирола.
На очищенные ядра CdSe, растворенные в смеси 1-октодецена и олеиламина в соотношении 1:1, наращивают эпитаксиальную оболочку из ZnS толщиной в три монослоя. Исходя из данных о количестве ядер, их точном размере, полученных на основе положения максимума первого экситона спектра поглощения, при проведении эксклюзионной хроматографии производят расчет необходимых количеств цинка и серы для нанесения оболочки [3] методом последовательной ионной адсорбции и реакции [4], позволяющим получать многослойные оболочки, в том числе из различных комбинаций материалов. Предшественник цинка получают в форме соли капроновой кислоты в растворе 1-октадецена при растворении оксида цинка в кислоте при температуре 200°С. Серу получают в форме раствора тиомочевины в диметиловом эфире триэтиленгликоля при ультразвуковом облучении раствора при комнатной температуре. Затем проводят введение компонент с цинком и серой из расчета на 1 мкмоль ядер CdSe диаметром 1,5 нм необходимо ввести 96 мкмоль каждого предшественника для первого монослоя оболочки, 170 мкмоль - для второго монослоя оболочки и 264 мкмоль - для третьего монослоя оболочки, в последовательности металл (реакционный компонент с цинком) → неметалл (реакционный компонент с серой) → металл → неметалл → металл → неметалл, при температуре 190°С и выдерживают 5 минут.
По завершении последней стадии наращивания оболочки смесь дополнительно выдерживают при температуре 190°С в течение 20 минут, затем медленно охлаждают и производят выделение КТ типа ядро/оболочка состава CdSe/ZnS методом диспергирования-коагуляции.
Предложенный способ позволяет получать наночастицы состава ядро/оболочка сверхмалого размера, обладающие высокой гомогенностью оптических свойств и физических размеров, причем применение описанных процедур синтеза и стадий очистки позволяет получать воспроизводимые по своим параметрам наночастицы, что необходимо для промышленного серийного выпуска биомедицинских продуктов, например детекторных систем на основе суспензионных микрочипов или нанозондов для трекинга внутриклеточных процессов, в которых наночастицы выступают в качестве флуоресцентных меток.
Источники информации
1. Kookheon Char, Seong Hoon Lee, Wan Ki BAE, Hyuck Hur. Quantum dots having composition gradient shell structure and manufacturing method thereof. Патент США US 8847201 B2.
2. Xiaogang Peng, Jianqing Li, David Battaglia, Y. Andrew Wang, Yunjun Wang. Monodisperse core/shell and other complex structured nanocrystals and methods of preparing the same. Патент США US 8900481 B2.
3. Jasieniak J. et al. Re-examination of the Size-Dependent Absorption Properties of CdSe Quantum Dots // The Journal of Physical Chemistry C. American Chemical Society, 2009. Vol. 113, №45. P. 19468-19474.
4. Li J.J. et al. Large-scale synthesis of nearly monodisperse CdSe/CdS core/shell nanocrystals using air-stable reagents via successive ion layer adsorption and reaction. // Journal of the American Chemical Society. American Chemical Society, 2003. Vol. 125, №41. P. 12567-12575.