СПОСОБ ГИДРОФИЛИЗАЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
METHOD FOR HYDROPHILIZATION OF QUANTUM DOTS

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к гидрофилизации полупроводниковых коллоидных квантовых точек, покрытых оболочкой сульфида цинка, меркаптосоединениями, растворимыми в толуоле и имеющими полярные функциональные группы. Модифицированные меркаптосоединениями квантовые точки могут быть использованы в качестве материалов для разработки биосенсоров, аналитических и диагностических систем, биометок.
Квантовые точки, применяемые в качестве материалов для биосенсоров, аналитических, диагностических систем и биометок должны обладать высоким квантовым выходом и фотостабильностью, коллоидной стабильностью в водной среде, а также иметь функциональные группы на поверхности. Квантовый выход – показатель эффективности преобразования фотонного излучения. Наилучшими значениями квантового выхода и фотостабильности характеризуются квантовые точки, получаемые методом высокотемпературного металлоорганического синтеза. В качестве внешнего слоя часто применяют сульфид цинка, поскольку он обладает наибольшей шириной запрещенной зоны среди бинарных полупроводниковых материалов и эффективно локализует электронные переходы в ядре наночастицы. Однако такие квантовые точки нуждаются в процедуре гидрофилизации для сохранения коллоидной стабильности в водных средах.
Одним из наиболее простых и распространенных методов гидрофилизации квантовых точек является метод лигандного обмена, при котором исходные гидрофобные лиганды (триоктилфосфин, триоктилфосфиноксид, жирные карбоновые кислоты или алифатические амины) замещают на полярные молекулы, обладающие высоким сродством к поверхности квантовой точки, например меркаптоспирты, меркаптокислоты и их производные.
Известен способ гидрофилизации квантовых точек состава CdSe/ZnS (см, Ariffin N. et al. Synthesis and surface modification of biocompatible water soluble core-shell quantum dots //Advanced Materials Research. – Trans Tech Publications Ltd, 2014. – Т. 879. – С. 184–190.), заключающийся в осаждении исходного коллоида центрифугированием (3000 об/мин) с этанолом, диспергировании осадка в толуоле, добавлении в коллоидный раствор квантовых точек избытка меркаптосоединения (L-гистидин, тиогликолевая, меркаптопропионовая, меркаптоянтарная и меркаптоундекановая кислота) и обработке ультразвуком в течение 30 мин. После обработки ультразвуком смесь оставляли на ночь при комнатной температуре. Затем смесь центрифугировали при 5000 об/мин в течение 5 мин и промывали этанолом. Супернатант удаляли и сушили под вакуумом в эксикаторе в течение одного часа. Полученный продукт повторно диспергировали в фосфатно-солевом буферном растворе (pH 7).
Недостатком способа является частичная агрегация полученных наночастиц на стадии диспергирования в конечном растворителе, приводящая к снижению выхода продукта.
Известен также способ гидрофилизации квантовых точек состава CdSe/ZnS (см, Clapp A. R., Goldman E. R., Mattoussi H. Capping of CdSe–ZnS quantum dots with DHLA and subsequent conjugation with proteins //Nature protocols. – 2006. – Т. 1. – №. 3. – С. 1258–1266), заключающийся в диспергировании квантовых точек в толуоле с добавлением 0,3–1 мл свежеприготовленной дигидролипоевой кислоты. Смесь нагревают до 60–80 ℃ и перемешивают в течение 30–120 минут, затем разбавляют смесь 3–5 мл диметилформамида или метанола. В реакционную смесь медленно вводят избыток трет-бутоксида калия (депротонирующий агент). Продукт осаждают центрифугированием и растворяют в буферном растворе с pH 12–13. Затем коллоид квантовых точек фильтруют на целлюлозной мембране.
Недостатком данного способа является частичная агрегация наночастиц при замещении лигандов на стадии инкубации, что приводит к снижению выхода продукта за счет частичной потери люминесцентного материала при очистке.
Известен способ гидрофилизации, не требующий депротонирующего агента и основанный на ультразвуковой инкубации квантовых точек с меркаптосоединениями (Kim H. et al. In situ ligand exchange of thiol-capped CuInS2/ZnS quantum dots at growth stage without affecting luminescent characteristics //Journal of colloid and interface science. – 2011. – Т. 363. – №. 2. – С. 703–706.). Способ заключается в диспергировании исходных квантовых точек состава CuInS/ZnS в смеси хлороформа и этанола в соотношении 1:1. Затем коллоидный раствор инкубировали при обработке ультразвуком в течение 3 ч в присутствии 100 мг 11-меркапто-1-ундеканола. Продукт отделяли центрифугированием и диспергировали в этаноле.
Недостатком данного метода является невозможность применения полученных наночастиц в биологических и живых системах без замены растворителя.
Наиболее близким к заявляемому является способ гидрофилизации квантовых точек состава CdSe/ZnS (см. Algar W. R., Krull U. J. Luminescence and stability of aqueous thioalkyl acid capped CdSe/ZnS quantum dots correlated to ligand ionization //ChemPhysChem. – 2007. – Т. 8. – №. 4. – С. 561–568), заключающийся в разбавлении коллоида квантовых точек состава CdSe/ZnS в хлороформе с десятикратным молярным избытком меркаптоуксусной кислоты и достаточным количеством N,N-диизопропилэтиламина (депротонирующий агент). Смесь обрабатывали ультразвуком в течение 1–2 мин и нагревали в атмосфере аргона в течение 6–10 ч при 62℃. Затем смесь центрифугировали, осадок трижды промывали хлороформом. Каждая промывка заключалась в этапах смешивания, центрифугирования и удаления надосадочной жидкости. После сушки на воздухе осадок растворяли в трис-борат-ЭДТА буферном растворе. Затем повторно осаждали наночастицы центрифугированием с добавлением этанола и диспергировали в необходимом объема буферного раствора.
Описанный способ является длительным, многостадийным и требует дополнительной очистки получаемых наночастиц от избытка депротонирующего агента, поскольку N,N-диизопропилэтиламин является высокотоксичным соединением.
Технической проблемой изобретения является разработка способа гидрофилизации квантовых точек меркаптосоединениями с использованием ультразвуковой инкубации и депротонирующего агента, не требующего дополнительной стадии очистки от избытка депротонирующего агента и позволяющего увеличить выход продукта.
Технический результат настоящего изобретения заключается в высокоэффективной гидрофилизации квантовых точек, покрытых оболочкой сульфида цинка, обладающих коллоидной стабильностью в водной среде более 6 месяцев и имеющих функциональные группы на поверхности, с минимальными потерями люминесцентного материала.
Технический результат достигается тем, что в способе гидрофилизации квантовых точек, заключающемуся в осаждении гидрофобных квантовых точек, первом центрифугировании в присутствии этанола с выделением осадка, растворении осадка в неполярном растворителе с добавлением меркаптосоединения, обработке ультразвуком, втором центрифугировании, сушке, диспергировании осадка, согласно изобретению, после первого центрифугирования проводят сушку осадка в атмосфере аргона, после диспергирования проводят десятикратное разбавление водой и осуществляют обработку ультразвуком в течение 20-30 минут, добавление меркаптосоединения осуществляют в количестве (15-20):1 по массе меркаптосоединения к осадку, обработку ультразвуком проводят в течение 20-30 минут, диспергирование проводят в водном растворе гидроксида натрия с концентрацией 0,1 моль/л при соотношении (120-150):1 по массе водного раствора гидроксида натрия к осадку.
В качестве меркаптосоединений используют дигидролипоевую или тиогликолевую или меркаптопропионовую кислоту или 2-меркаптоэтанол или их смеси.
В качестве неполярного растворителя используют либо толуол, либо хлороформ.
Способ поясняется иллюстрациями.
На фиг.1 представлены спектры поглощения квантовых точек состава CdZnSeS/ZnS до и после гидрофилизации тиогликолевой кислотой. Оптическая плотность исходного коллоида квантовых точек на длине волны 365 нм соответствовала 0,123, а гидрофилизированных квантовых точек – 0,118.
На фиг.2 представлены спектры поглощения квантовых точек состава CdZnSeS/ZnS до и после гидрофилизации смесью дигидролипоевой кислоты и 2-меркаптоэтанола. Оптическая плотность исходного коллоида квантовых точек на длине волны 365 нм соответствовала 0,124, а гидрофилизированных квантовых точек – 0,121.
На фиг.3 представлены спектры поглощения квантовых точек состава CdSe/ZnS до и после гидрофилизации меркаптопропионовой кислотой. Оптическая плотность исходного коллоида квантовых точек на длине волны 365 нм соответствовала 0,232, а гидрофилизированных квантовых точек – 0,221.
В предлагаемом способе используют ультразвуковую обработку на стадии инкубации и обработки полученного коллоида, что позволяет проводить полное замещение лигандов на всей поверхности наночастиц и получать гидрофильные квантовые точки с высоким периодом коллоидной стабильности, а также сократить суммарное время, затрачиваемое на гидрофилизацию. В качестве депротонирующего агента применяют гидроксид натрия в незначительном избытке, что позволяет исключить дополнительную стадию очистки, поскольку после прохождения реакции депротонирующий агент переходит в нетоксичную ионную форму, а его количество минимально влияет на результирующий pH коллоида. Применяемые меркаптосоединения (дигидролипоевая, тиогликолевая, меркаптопропионовая кислоты и 2-меркаптоэтанол) обеспечивают коллоидную стабильность квантовых точек в водной среде и имеют в составе функциональные группы. Эффективность гидрофилизации и полноту замещения лигандов фиксировали по изменению оптической плотности гидрофилизированных квантовых точек относительно исходного коллоида на длине волны 365 нм. Период коллоидной стабильности определяли путем периодического центрифугирования (раз в 5–7 дней) коллоида гидрофилизированных квантовых точек при относительном ускорении ротора центрифуги 1000 g в течение 5 мин. Точкой потери коллоидной стабильности считали момент выпадения визуально детектируемого осадка при центрифугировании в описанных условиях.
Способ осуществляется следующим образом.
Берут исходных коллоид квантовых точек, добавляют этанол, осаждают центрифугированием при 5000 об/мин в течение 5–10 мин, конечной точкой процесса считают момент исчезновения визуально детектируемой люминесценции при облучении супернатанта светом с длиной волны 365–405 нм. Супернатант сливают, осадок сушат в атмосфере аргона до исчезновения запаха органического растворителя (в течение 10–30 мин) при комнатной температуре, затем осадок растворяют в 1 мл толуола, добавляют 0,1-0,2 мкмоль индивидуального меркаптосоединения или их смеси в соотношении (15-20):1 по массе меркаптосоединения к осадку квантовых точек. Реакционную смесь обрабатывают низкочастотным ультразвуком в течение 20–30 минут, затем центрифугируют при относительном ускорении центрифуги 5000 g 10 мин. Полученный осадок сушат в атмосфере аргона или в вакууме в течение 10-30 мин и диспергируют в 50-100 мкл 0,1 М гидроксида натрия в соотношении (120-150):1 по массе водного раствора гидроксида натрия к осадку, затем разбавляют в 10 раз бидистиллированной водой и проводят ультразвуковую обработку в течение 30 мин.
Для определения величины потерь измеряли спектры поглощения исходных и гидрофилизированных квантовых точек. Для достижения соответствия концентраций и возможности корректного сопоставления величин оптической плотности измерение исходного коллоида квантовых точек осуществляли при разбавлении, соответствующему разбавлению гидрофилизированный квантовых точек, обусловленному заявляемым способом.
Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера концентрация вещества в растворе связана с оптической плотностью формулой
А
l
с
ε
где  – оптическая плотность,  – длина оптического пути,  – концентрация вещества,  – молярный коэффициент поглощения, который определяется природой вещества и длиной волны поглощаемого излучения. Поскольку квантовые точки имеют комплексный нестехиометрический состав, расчет молярного коэффициента поглощения (а следовательно, и истинной молярной концентрации в растворе) невозможен. Учитывая, что оптическая плотность и концентрация связаны линейно – изменение концентрации квантовых точек в растворе соответствует изменению оптической плотности, если такое изменение выражено в долях или процентах. Таким образом, относительная потеря люминесцентного материала – это процентное изменение содержания квантовых точек в растворе, рассчитанное на основании изменения оптической плотности раствора на фиксированной длине волны.
Выбор длины волны 365 нм обоснован тем, что данная длина волны является характеристичной длиной волны поглощения множества люминофоров, в т. ч. всех типов квантовых точек, упомянутых в заявляемом способе.
Пример 1.
Для гидрофилизации квантовых точек состава CdZnSeS/ZnS тиогликолевой кислотой производили следующую последовательность операций. К 50 мкл исходного коллоида квантовых точек в толуоле добавляют 100 мкл этанола, осаждают наночастицы центрифугированием при относительном ускорении центрифуги 5000 g 5 мин. Надосадочную жидкость сливают и сушат осадок в токе аргона в течение 30 минут, затем растворяют осадок в 1 мл толуола и добавляют 10 мкл тиогликолевой кислоты. Реакционную смесь обрабатывают низкочастотным ультразвуком (40 кГц) в течение 30 минут, затем центрифугируют при относительном ускорении центрифуги 5000 g 10 мин. Полученный осадок сушат и растворяют в 100 мкл 0,1 М гидроксида натрия, затем разбавляют в 10 раз бидистиллированной водой и проводят ультразвуковую обработку 30 мин. В результате получали гидрофильные квантовые точки с периодом коллоидной стабильности 10 месяцев. На фиг.1 представлены спектры поглощения квантовых точек до и после гидрофилизации. Оптическая плотность исходного коллоида квантовых точек на длине волны 365 нм соответствовала 0,123, а гидрофилизированных квантовых точек – 0,118.
Таким образом, относительные потери люминесцентного материала при гидрофилизации не превышали 4%. Описанные параметры соответствуют заявленному техническому результату.
Пример 2.
Для гидрофилизации квантовых точек состава CdZnSeS/ZnS смесью дигидролипоевой кислоты и 2-меркаптоэтанола производили следующую последовательность операций. К 50 мкл исходного коллоида квантовых точек в толуоле добавляют 100 мкл этанола, осаждают наночастицы центрифугированием при относительном ускорении центрифуги 5000 g 5 мин. Надосадочную жидкость сливают и сушат осадок в токе аргона в течение 30 минут, затем растворяют осадок в 1 мл свежеприготовленного толуольного экстракта, содержащего 0,05 мкмоль дигидролипоевой кислоты, добавляют 7 мкл 2-меркаптоэтанола. Реакционную смесь обрабатывают низкочастотным ультразвуком (40 кГц) в течение 30 минут, затем центрифугируют при относительном ускорении центрифуги 5000 g 10 мин. Полученный осадок сушат и растворяют в 100 мкл 0,1 М гидроксида натрия, затем разбавляют в 10 раз бидистиллированной водой и проводят ультразвуковую обработку 30 мин. В результате получали гидрофильные квантовые точки с периодом коллоидной стабильности 8 месяцев. На фиг.2 представлены спектры поглощения квантовых точек до и после гидрофилизации. Оптическая плотность исходного коллоида квантовых точек на длине волны 365 нм соответствовала 0,124, а гидрофилизированных квантовых точек – 0,121, таким образом относительные потери люминесцентного материала при гидрофилизации не превышали 2%. Описанные параметры соответствуют заявленному техническому результату.
Пример 3.
Для гидрофилизации квантовых точек состава CdSe/ZnS меркаптопропионовой кислотой производили следующую последовательность операций. К 30 мкл исходного коллоида квантовых точек в толуоле добавляют 100 мкл этанола, осаждают наночастицы центрифугированием при относительном ускорении центрифуги 5000 g 5 мин. Надосадочную жидкость сливают и сушат осадок в токе аргона в течение 30 минут, затем растворяют осадок в 1 мл толуола и добавляют 13 мкл меркаптопропионовой кислоты. Реакционную смесь обрабатывают низкочастотным ультразвуком (40 кГц) в течение 30 минут, затем центрифугируют при относительном ускорении центрифуги 5000 g 10 мин. Полученный осадок сушат и растворяют в 100 мкл 0,1 М гидроксида натрия, затем разбавляют в 10 раз фосфатно-солевым буферным раствором и проводят ультразвуковую обработку 30 мин. В результате получали гидрофильные квантовые точки с периодом коллоидной стабильности 7 месяцев. На фиг.3 представлены спектры поглощения квантовых точек до и после гидрофилизации. Оптическая плотность исходного коллоида квантовых точек на длине волны 365 нм соответствовала 0,232, а гидрофилизированных квантовых точек – 0,221, таким образом относительные потери люминесцентного материала при гидрофилизации не превышали 5%. Описанные параметры соответствуют заявленному техническому результату.
В известных технических решениях (аналогах) упоминается визуально детектируемая агрегация наночастиц при гидрофилизации. Учитывая физический размер квантовых точек (2–10 нм) и то, что визуально детектируемые частицы имеют размер более 1000 нм, можно сделать вывод о том, что потеря люминесцентного материала при обнаружении визуально детектируемой агрегации составляет порядка 25% и более, тогда как рассчитанная относительная потеря люминесцентного материала заявляемым способом не превышает 5%.
Экспериментально установлено, что недостаток меркаптосоединения при гидрофилизации приводит к значительному снижению периода коллоидной стабильности из-за неполной замены исходных лигандов. Избыток меркаптосоединения без дополнительной стадии очистки также приводит к снижению периода коллоидной стабильности. Это обусловлено склонностью меркаптосоединений к образованию димеров между молекулами в растворе и на поверхности квантовых точек. Процесс димеризации сопровождается отщеплением молекул меркаптосоединения с поверхности квантовых точек, что приводит к потере коллоидной стабильности.
Также экспериментально установлено, что недостаток гидроксида натрия на стадии диспергирования осадка препятствует полному переходу квантовых точек в водный коллоид из-за недостаточного депротонирования лигандов. Избыток гидроксида натрия вызывает разрушение внешней оболочки квантовых точек, что приводит к частичной потере как коллоидной стабильности, так и люминесцентных свойств. Данный эффект обусловлен амфотерными свойствами материала оболочки квантовых точек – сульфида цинка.