Способ коллоидного синтеза квантовых точек структуры ядро/многослойная оболочка

Использование: для коллоидного синтеза фотолюминесцентных полупроводниковых наночастиц (квантовых точек) структуры ядро/многослойная оболочка. Сущность изобретения заключается в том, что способ коллоидного синтеза квантовых точек структуры ядро/многослойная оболочка включает следующие этапы: первый этап приготовления прекурсоров, включающий приготовление прекурсоров халькогенов и металлов II и VI групп для синтеза ядер квантовых точек и наращивания оболочки; второй этап синтеза ядер квантовых точек, включающий нагрев прекурсора металла до 240-280°С, впрыск прекурсора халькогена, снижение температуры до 210-230°С, инкубацию в течение 3-5 минут, а также последующее снижение температуры до 55-65°С; на третьем этапе проходит очистка синтезированных ядер квантовых точек, включающая добавление к реакционной смеси с синтезированными ядрами квантовых точек осадителя в объеме, равном исходному объему реакционной смеси, центрифугирование и растворение ядер квантовых точек в неполярном растворителя, и последующее проведение гель-фильтрации полученных ядер квантовых точек в неполярном растворителе, а также подсчет количества синтезированных ядер квантовых точек; четвертый этап модификации поверхностных лигандов ядер квантовых точек, включающий добавление к полученному раствору 1000-кратного избытка, по отношению к количеству ядер квантовых точек, олеиламина и боргидрида натрия, последующее осаждение квантовых точек добавлением осадителя в объеме, равном объему раствора с ядрами квантовых точек, центрифугирование полученной смеси, и добавление к полученному осадку с ядрами квантовых точек 1000-кратного избытка, по отношению к количеству ядер квантовых точек, олеиламина и боргидрида натрия, а также неполярного растворителя для полного растворения осадка ядер квантовых точек, затем проводят фильтрацию полученного раствора и к фильтрату добавляют осадитель до момента полной коагуляции квантовых точек, последующее центрифугирование полученной смеси, растворение осадка ядер квантовых точек в неполярном растворителе, и фильтрацию полученного раствора ядер квантовых точек в колбу с органическим растворителем и последующую отгонку неполярного растворителя при 50-70°С; на пятом этапе наращивают многослойную оболочку, для чего очищенные ядра квантовых точек переносят в трехгорлую колбу, с помощью которой обеспечивают вакуумирование реакционной смеси, подачу инертного газа и внесение прекурсоров, после чего проводят добавление к раствору очищенных ядер квантовых точек олеиламина, в количестве не менее 1000-кратного избытка по отношению к количеству ядер квантовых точек, вакуумирование данной смеси и ее нагрев до 90-100°С в течение 18-22 минут, с продувкой инертным газом и последующее охлаждение до 50-60°С, наращивание первого слоя оболочки, включающее добавление стабилизирующего агента, нагрев до 100-120°С в течение 8-12 минут, внесение заданного количества атомов прекурсора металла, нагрев до 165-175°С, выдерживание реакционной смеси при данной температуре 8-12 минут, охлаждение смеси до 100-120°С, добавление заданного количества атомов прекурсора халькогена, последующий разогрев до 165-175°С, выдерживание реакционной смеси при данной температуре 8-12 минут, охлаждение реакционной смеси до 100-120°С, а наращивание второго, третьего и последующих слоев по процедуре, аналогичной наращиванию первого слоя оболочки, при этом после завершения наращивания последнего слоя оболочки смесь дополнительно выдерживают 8-12 минут при 165-175°С и охлаждают до 55-65°С в токе инертного газа; шестой этап модификации поверхностных лигандов оболочки квантовых точек, включающий добавление к синтезированным квантовым точкам осадителя, до момента полной коагуляции квантовых точек, центрифугирование и полное растворение осадка квантовых точек в смеси органического растворителя, соли первичного амина и алкилкарбоновой кислоты, предварительно прогретой до полного растворения компонентов, последующую инкубацию квантовых точек в данном растворе в течение 10-14 часов, фильтрацию, и добавление стабилизирующего агента, после чего проводят удаление органического растворителя. Технический результат: обеспечение возможности получения высокостабильных квантовых точек (КТ) с высокой эффективностью флуоресценции, и подготовки их поверхности для связывания биологических распознающих молекул, для их последующего использования в создании высокочувствительных биомедицинских диагностических тест-систем. 10 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области коллоидной химии и нанотехнологии, в частности к способу коллоидного синтеза фотолюминесцентных полупроводниковых наночастиц (квантовых точек) структуры ядро/многослойная оболочка. Предлагаемый способ направлен на получение высокостабильных квантовых точек (КТ) с высокой эффективностью флуоресценции, и подготовки их поверхности для связывания биологических распознающих молекул, для их последующего использования в создании высокочувствительных биомедицинских диагностических тест-систем.

Известен способ синтеза КТ с высокой люминесценцией, описанный в патенте [US 20070295266 A1]. Известный способ включает синтез ядра КТ, включая приготовление раствора прекурсора металла, последующее охлаждение данного раствора, добавление поверхностно-активных веществ (триоктилфосфин оксид, гексадециламин и других), нагрев, добавление прекурсора халкогена и охлаждение раствора после завершения синтеза ядра КТ, а также последующее наращивание оболочки КТ добавлением прекурсора металла при повышении и понижении температуры реакционной смеси. Также предусмотрен этап замены лигандов на поверхности синтезированных КТ. К недостаткам данного метода стоит отнести отсутствие этапа очистки продуктов реакции от исходных компонент на всех этапах синтеза, так как несмотря на подбор количеств и условий реакций на практике невозможно добиться полного израсходования исходных компонент и как результат на последующих реакциях синтеза будут образовываться неспецифические продукты реакций, или эффективность целевых реакций будет снижена.

Известен способ синтеза КТ структуры ядро/оболочка CuInS₂/ZnS и ядро/многослойная оболочка CuInS₂/CdS/ZnS, описанный в [CN 103242831 А]. Известный способ включает смешивание прекурсоров меди и индия, их растворение в прекурсоре серы при температуре до 120°С, последующий нагрев до 220°С и инкубацию в течение 10-25 минут, для получения ядер состава CuInS₂ необходимого размера. После этого проводится очистка путем центрифугирования с добавлением этанола и хлороформа. Затем на полученные ядра КТ в растворе октадекана, разогретого до 230°С, наращивают оболочку путем прикапывания прекурсоров цинка и серы в течение 20-30 минут, после чего продолжают инкубирование еще 30 минут для роста оболочки, а затем раствор с полученными CuInS₂/ZnS КТ охлаждается до комнатной температуры. После чего проводят очистку полученных КТ. Для синтеза CuInS₂/CdS/ZnS КТ смешивание прекурсоров меди и индия, их растворение в прекурсоре серы при температуре до 120°С, последующий нагрев до 220°С и инкубацию в течение 10-25 минут, для получения ядер состава CuInS₂ необходимого размера. Затем раствор с полученными CuInS₂ КТ охлаждают до 210°С и наращивают оболочку путем капельного добавления прекурсоров кадмия и серы в течение 20-30 минут, а потом проводят очистку CuInS₂/CdS КТ. Затем на полученные КТ в растворе октадекана, разогретого до 230°С, наращивают вторую оболочку путем капельного добавления прекурсоров цинка и серы в течение 20-30 минут, а затем раствор с полученными CuInS₂/CdS/ZnS КТ охлаждается до комнатной температуры. После чего проводят очистку полученных КТ. К недостаткам данного способа стоит отнести, во-первых, отсутствие процедуры замены поверхностных лигандов, для повышения стабильности синтезированных КТ, а во-вторых, широкий разброс размеров КТ при одновременном смешивании и нагреве соответствующих прекурсоров.

Одним из аналогов предлагаемого нами способа, является способ синтеза КТ структуры/ядро, описанный в патенте [CN 1403379 A], описывающий синтез КТ состава CdSe/CdS, CdSe/ZnS и других КТ из элементов II и VI группы, обладающих структурой ядро/оболочка. Процедура синтеза включает следующие этапы: приготовление прекурсора селена в оксиде триоктилфосфина и серы в три-н-октил и диоктил амине, приготовление прекурсора кадмия в реакторе заполненным инертным газом, при высокой температуре для полного растворения оксида кадмия, добавлении три-н-гексадециламина и оксид октилфосфина и разогреве смеси до 310-330°С. Затем добавляли прекурсор селена и опускали температуру до 260-300 градусов и выдерживали 3-10 минут, после чего проводили охлаждение до 220-180°С. Прекурсор для наращивания оболочки (кадмий или цинк) растворялся в триоктилфосфин оксиде и гексадециламине при температуре 180-220°С не менее 30 минут в дегазированном реакторе, после чего он одновременно с подготовленным прекурсором серы добавлялся к синтезированным на предыдущем этапе ядрам КТ, температура смеси снижалась до 90-120°С и поддерживалась от часа до полутора. Затем смесь охлаждалась до комнатной температуры и проводилась очистка КТ от компонентов реакции путем добавления хлороформа, метанола и центрифугирования. К недостаткам описанного способа стоит отнести отсутствие стадий очистки между этапами синтеза ядра и наращивания оболочки, что приводит к образованию побочных продуктов реакций, а также нарушению гомогенности синтеза КТ. Кроме того, не предусмотрена процедура замены поверхностных лигандов КТ для повышения их стабильности в биологических жидкостях, квантовой эффективности и увеличения эффективности конъюгирования с биологическими распознающими молекулами.

Технический результат, предлагаемого изобретения, заключается в создании способа получения квантовых точек, на поверхность ядра которых эпитаксиально наращена многослойная оболочка, обладающих квантовым выходом флуоресценции не менее 90%, сохраняющих свои люминесцентные свойства в течение не менее одного года, сохраняющих свою стабильность в биологических средах не менее 6 месяцев, с распределением оптических свойств и физических размеров в диапазоне отклонений не более 10%, на поверхности оболочки которых иммобилизованы лиганды, позволяющие эффективно связывать биологические распознающие молекулы и экранировать ядро КТ от внешних воздействий, для целей их последующего применения в составе современных высокочувствительных биомедицинских диагностических тест-систем.

Технический результат достигается тем, что предлагается способ коллоидного синтеза квантовых точек структуры ядро/многослойная оболочка, включающий следующие этапы: первый этап приготовления прекурсоров, включающий приготовление прекурсоров халькогенов и металлов II и VI групп для синтеза ядер квантовых точек и наращивания оболочки; второй этап синтеза ядер квантовых точек, включающий нагрев прекурсора металла до 240-280°С, впрыск прекурсора халькогена, снижение температуру до 210-230°С, инкубацию в течение 3-5 минут, а также последующее снижение температуры до 55-65°С; на третьем этапе проходит очистка синтезированных ядер квантовых точек, включающая добавление к реакционной смеси с синтезированными ядрами квантовых точек осадителя в объеме равном исходному объему реакционной смеси, центрифугирование и растворение ядер квантовых точек в неполярном растворителя, и последующее проведение гель-фильтрации полученных ядер квантовых точек в неполярном растворителе, а также подсчет количества синтезированных ядер квантовых точек; четвертый этап модификации поверхностных лигандов ядер квантовых точек, включающий добавление к полученному раствору 1000-и кратный избыток, по отношению к количеству ядер квантовых точек, олеиламина и боргидрида натрия, последующее осаждение квантовых точек добавлением осадителя в объеме равном объему раствора с ядрами квантовых точек, центрифугирование полученной смеси, и добавление к полученному осадку с ядрами квантовых точек 1000-и кратного избытка, по отношению к количеству ядер квантовых точек, олеиламина и боргидрида натрия, а также неполярного растворителя для полного растворения осадка ядер квантовых точек, затем проводят фильтрацию полученного раствора и к фильтрату добавляют осадитель до момента полной коагуляции квантовых точек, последующее центрифугирование полученной смеси, растворение осадка ядер квантовых точек в неполярном растворителе, и фильтрацию полученного раствора ядер квантовых точек в колбу с органическим растворителем и последующую отгонку неполярного растворителя при 50-70°С; на пятом этапе наращивают многослойную оболочку, для чего очищенные ядра квантовых точек переносят в трехгорлую колбу, с помощью которой обеспечивают вакуумирование реакционной смеси, подачу инертного газа и внесение прекурсоров, после чего проводят добавление к раствору очищенных ядер квантовых точек олеиламина, в количестве не менее 1000-и кратного избытка по отношению к количеству ядер квантовых точек, вакуумирование данной смеси и ее нагрев до 90-100°С в течение 18-22 минут, с продувкой инертным газом и последующее охлаждение до 50-60°С, наращивание первого слоя оболочки, включающее добавление стабилизирующего агента, нагрев до 100-120°С в течение 8-12 минут, внесение заданного количества атомов прекурсора металла, нагрев до 165-175°С, выдерживание реакционной смеси при данной температуре 8-12 минут, охлаждение смеси до 100-120°С, добавление заданного количества атомов прекурсора халькогена, последующий разогрев до 165-175°С выдерживание реакционной смеси при данной температуре 8-12 минут, охлаждение реакционной смесь до 100-120°С, а наращивание второго, третьего и последующих слоев по процедуре аналогичной наращиванию первого слоя оболочки, при этом после завершения наращивания последнего слоя оболочки смесь дополнительно выдерживают 8-12 минут при 165-175°С и охлаждают до 55-65°С в токе инертного газа; шестой этап модификации поверхностных лигандов оболочки квантовых точек, включающий добавление к синтезированным квантовым точкам осадителя, до момента полной коагуляции квантовых точек, центрифугирование и полное растворение осадка квантовых точек в смеси органического растворителя, соли первичного амина и алкилкарбоновой кислоты, предварительно прогретой до полного растворения компонентов, последующую инкубацию квантовых точек в данном растворе в течение 10-14 часов, фильтрацию, и добавление стабилизирующего агента, после чего проводят удаление органического растворителя.

Синтез ядер КТ методом горячего впрыска позволяет синтезировать КТ наиболее гомогенные по своим свойствам, что достигается благодаря последовательному введению прекурсоров элементов. При температуре впрыска 240-280°С наблюдается высокая скорость реакции образования новых ядер КТ, при этом при снижении температуры до 215-230°С скорость образования новых ядер КТ значительно снижается, но идет процесс увеличения размера ядер КТ, при правильном балансе между температурой впрыска прекурсоров и роста удается добиться малого разброса размера ядер КТ. Кроме того, стоит отметить, что температура роста является одним из наиболее важных параметров, требующих оптимизации, так как при низких температурах скорость реакции замедляется, что приводит к появлению поверхностных дефектов, а при слишком высокой температуре возможно разложение или перекристаллизация ядер КТ, что также нарушает гомогенность полученных КТ и их оптические свойства. При этом выбор прекурсоров и соответствующих органических растворителей должен обеспечивать инертность побочных компонентов, чтобы не нарушать структуру и оптические свойства растущих КТ, а также простоту очистки синтезированных ядер КТ от компонентов реакции. Очистка реакционной смеси после синтеза ядер КТ, позволяет устранить неизрасходованные примеси прекурсоров из реакционной смеси, что позволяет на этапе наращивания эпитаксиальной оболочки минимизировать образование побочных продуктов реакции, каждый раз проводить синтез в одинаковых условиях и получать более гомогенные, воспроизводимые по своим параметрам КТ. При этом применение гель-фильтрации является эффективным, технологически простым способом очистки ядер КТ, как с точки зрения временных затрат, качества очистки, так и возможности дальнейшего масштабирования процесса. При этом последующий шаг по замене поверхностных лигандов на поверхности ядра КТ перед наращиванием эпитаксиальной оболочки необходим для обеспечения равномерности роста оболочки, так как процесс роста оболочки включает стадии адсорбции прекурсоров на поверхности ядра и реакции между ними с образованием материала оболочки, а лиганды, присутствующие на поверхности ядер КТ после синтеза могут препятствовать эффективному связыванию прекурсоров, что в результате будет приводить к снижению стабильности и оптических свойств КТ. Молекулы олеиламина обладают меньшим сродством к поверхности КТ, что облегчает адсорбцию прекурсоров, а боргидрид натрия приводит к интенсивному восстановлению анионов, что облегчает замену исходных лигандов на олеиламин. Добавление стабилизирующего агента на этапе роста оболочки позволяет защитить поверхность КТ от образования поверхностных дефектов, что позволяет повысить величину квантового выхода флуоресценции. Нанесение оболочки из заранее рассчитанного количества прекурсоров позволяет проводить более точный контроль параметров роста эпитаксиальной оболочки, так как оптимальная концентрация прекурсоров оболочки снижает вероятность роста новых ядер КТ и других побочных продуктов, а также позволяет, контролировать максимальную толщину наращиваемой оболочки, не только с помощью времени остановки реакции, но и по исчерпанию всех исходных прекурсоров. Разработанная процедура замены поверхностных лигандов КТ позволяет добиться большей стабильности КТ в водных растворах. Как уже было сказано ранее, молекулы олеиламина обладают большей подвижностью и меньшим сродством к поверхности КТ, что ухудшает коллоидную стабильность КТ покрытых олеиламином. Так замена на конечной стадии синтеза КТ олеиламина на соли первичного амина и алкилкарбоновой кислоты, например, соль пальмитат гексадециламмония позволяет улучшить стабильность КТ при их хранении в форме раствора на свету. Кроме того, это позволяет получать КТ, поверхность которых затем легко поддается дальнейшей иммобилизации на ней биологических распознающих молекул для применения в составе биологических тест-систем.

Существует частный случай, в котором в качестве прекурсоров халькогенов при синтезе ядра и оболочки квантовых точек используют прекурсоры S, Se, Те.

Также существует частный случай, когда в качестве прекурсоров металлов при синтезе ядра и оболочки квантовых точек используют прекурсоры Zn, Cd.

Возможен частный случай, когда в качестве осадителя используют метилацетат.

Кроме того, возможен частный случай, где в качестве неполярного растворителя используют толуол.

В другом частном случае в качестве полярного растворителя используют метанол.

Существует частный случай, в котором в качестве инертного газа используют аргон.

Также существует частный случай, когда в качестве стабилизирующего агента используют триоктилфосфин или его производные.

Возможен частный случай, где в качестве органического растворителя используют н-гексан.

Возможен частный случай, когда в качестве соли первичного амина и алкилкарбоновой кислоты используют н-гексадециламин и пальмитиновую кислоту.

Также существует частный случай, когда на этапе наращивания любого слоя оболочки количество атомов металла и халькогена, в каждом слое оболочки квантовых точек рассчитывают путем построения структурных моделей квантовых точек с использованием их кристаллографических параметров, а количество прекурсоров халькогена и металла для синтеза каждого слоя оболочки определяется исходя из стехиометрии прекурсора и количества ядер квантовых точек в растворе.

Пример конкретной реализации предлагаемого способа раскрывается на синтезе КТ размером 2,3 нм структуры ядро/многослойная оболочка, состава CdSe/ZnS/CdS/ZnS и включает следующие этапы:

(1) Приготовление прекурсоров халькогенов и металлов

1.1 Приготовление 0,64 М раствора прекурсора цинка.

В кругл о донную колбу на 100 мл помещают магнитный мешальник, 32 ммоль оксида цинка и 40 мл 1-октадецена (ОДЕ). При перемешивании на скорости 500 об/мин в колбу добавляют 65,6 ммоль 2-этилгексановой кислоты (2-ЭГК, 2,05-кратный избыток относительно внесенного оксида цинка). Далее через колбу начинают пропускать аргон со скоростью 1,5 мл/мин., и через 5 минут начинают медленный нагрев смеси со скоростью 5°С /мин до конечной температуры 160°С. При достижении температуры в 60°С начинается растворение оксида цинка, при этом раствор постепенно становится прозрачным. После полного растворения оксида цинка раствор выдерживают при 160°С в течение часа. Далее раствор охлаждают до комнатной температуры и полностью переносят в мерную колбу на 50 мл, после чего доводят объем раствора до метки. Полученный раствор переносят в герметичный сосуд и оставляют на хранение.

1.2 Приготовление 0,64 М раствора прекурсора кадмия.

В кругл о донную колбу на 100 мл помещают магнитный мешальник, 32 ммоль оксида кадмия и 40 мл 1-октадецена (ОДЕ). При перемешивании на скорости 500 об/мин в колбу добавляют 65,6 ммоль 2-этилгексановой кислоты (2-ЭГК, 2,05-кратный избыток относительно внесенного оксида кадмия). Далее через колбу начинают пропускать аргон со скоростью 1,5 мл/мин., и через 5 минут начинают нагрев смеси со скоростью 10°С /мин. до конечной температуры 250°С. При достижении температуры в 150°С начинается медленное растворение оксида кадмия, при этом раствор постепенно становится прозрачным со слабой желтой окраской. После полного растворения оксида кадмия раствор выдерживают при 250°С в течение часа. Далее раствор охлаждают до комнатной температуры и полностью переносят в мерную колбу на 50 мл, после чего доводят объем раствора до метки. Полученный раствор переносят в герметичный сосуд и оставляют на хранение.

1.3 Приготовление 0,84 М раствора тиомочевины.

В мерную колбу на 50 мл помещают магнитный мешальник, 42 ммоль тиомочевины и 45 мл триглима. Раствор при перемешивании на скорости 1000 об/мин. нагревают до 45°С (не более) и продолжают перемешивание до полного растворения тиомочевины. После полного растворения тиомочевины объем раствора доводят до метки, после чего полученный раствор переносят в герметичный сосуд и оставляют на хранение.

(2) Синтез ядер CdSe диаметром 2,3 нм.

2.1 Приготовление раствора прекурсора кадмия.

В трехгорлую колбу на 25 мл помещают 1 ммоль CdO, 2 мл ОДЕ и 2,5 ммоль 2-ЭГК. В колбу помещают магнитный мешальник, а в горла колбы помещают плотные ватные тампоны, после чего через одно из горл посредством гибкой силиконовой трубки и иглы от шприца длиной 5 см в течение 5 минут подают аргон для вытеснения из колбы кислорода. Далее, в токе аргона дно колбы начинают нагревать потоком горячего воздуха (550°С) с помощью промышленного фена, при этом периодически производя встряхивание колбы для смывания оксида кадмия со стен колбы. После полного растворения оксида с образованием слабо окрашенного в желтый цвет раствора, колбу охлаждают в токе аргона до температуры менее 100°С. После охлаждения колбы отключают ток аргона, удаляют ватные тампоны и в колбу помещают дополнительные 6 мл ОДЕ, 2 мл триоктиламина (ТОА) и 0,5 ммоль н-гексадецилфосфоновой кислоты (ГДФК). Запускают магнитную мешалку на скорости 500 об/мин, продувают систему аргоном в течение 5 минут, после чего начинают вакуумирование до остаточного давления не более 20 мбар. Непосредственно после начала вакуумирования начинают нагрев раствора до 125°С, и по достижении этой температуры систему выдерживают под вакуумом в течение 25 минут для удаления остатков воды. На 5-й, 10 и 20 минуте вакуумирования систему дополнительно продувают аргоном для более эффективного удаления воды. После завершения вакуумирования в систему подают постоянный поток аргона со скоростью 1,5 мл/мин и начинают плавный нагрев раствора до температуры 220°С со скоростью 100°С /час. Во время нагрева раствора производят приготовление прекурсора селена для произведения впрыска.

2.2 Приготовление раствора прекурсора селена для впрыска.

В пробирку объемом 20 мл диаметром 2 см помещают 2 ммоль селена в форме порошка, 0,5 мл ОДЕ и стеклянную пипетку Пастера с длинным хвостиком. Пробирку герметично запечатывают полимерной пленкой, после чего через пипетку начинают подавать аргон избегая пенообразования. После образования устойчивой взвеси селена в ОДЕ с помощью шприца, оборудованного длинной стальной иглой, к взвеси добавляют 2 мл триоктилфосфина (ТОФ). После добавления ТОФ начинается его экзотермическая реакция с селеном с образованием раствора триоктилфосфин селенида (ТОФ-Se). В случае, если не весь селен вступает в реакцию сразу, производят дополнительный нагрев раствора до температуры 150°С с помощью промышленного фена до полного растворения селена. По завершению этого процесса раствор прекурсора охлаждают до комнатной температуры под слабым потоком аргона, и далее раствор хранят в таком виде до момента произведения впрыска. Перед впрыском прекурсор селена собирают в пластиковый шприц, снабженный стальной иглой диаметром не менее 2 мм.

2.3 Получение ядер CdSe по методу горячего впрыска.

Перед осуществлением впрыска прекурсора селена в прекурсор кадмия, последний быстро разогревают до температуры впрыска и устанавливают скорость перемешивания 1000 об/мин. Для получения ядер CdSe используют значение температуры впрыска 240°С. Перед впрыском прекурсор селена собирают в шприц, предварительно продув его аргоном из пробирки. Далее иглой шприца прокалывают силиконовую септу и резким движением впрыскивают раствор ТОФ-Se в раствор кадмия. В этот же момент запускают таймер для отсчета времени реакции. Сразу после впрыска необходимо проследить, чтобы перемешивание раствора не остановилось из-за попадания струи прекурсора в магнитный мешальник. Далее температуру раствора снижают до 220°С и выдерживают это значение до окончания реакции. Контроль за течением реакции осуществляют путем снятия спектров оптического поглощения и фотолюминесценции (ФЛ) каждую минуту. Для разбавления образцов используют н-гексан. Реакцию останавливают приблизительно на 5-й минуте, или по достижению положения максимумом экситонного поглощения интервала в 480-490 нм, что соответствует размеру нанокристаллов 2,3 нм. При точном соблюдении всех шагов реакция рост ядер CdSe автоматически останавливается на этой стадии.

По завершению реакции колбу охлаждают потоком холодного воздуха, не останавливая перемешивание и подачу аргона. После охлаждения раствора до 60°С установку для синтеза разбирают, и полученный раствор переносят в центрифужный стакан на 80 мл для выделения ядер CdSe из маточного раствора. Если объем раствора превышает 20 мл, его разделяют на порции равного объема и производят выделение нанокристаллов из каждой порции по отдельности, после чего очищенные ядра объединяют.

(3) Очистка синтезированных ядер CdSe.

К раствору ядер CdSe, помещенных в центрифужный стакан, постепенно добавляют тонкой струей метилацетат. При добавлении к раствору ядер метилацетата в объеме, приблизительно равным исходному объему раствора ядер, начинается их медленная флоккуляция, сопровождаемая обратимым помутнением раствора. Далее добавление метилацетата осуществляют порционно, приостанавливая добавление при заметном помутнении раствора. Эту процедуру повторяют до полного коагулирования раствора и образования прозрачного супернатанта. Далее производят ценрифугирование взвеси ядер CdSe на скорости 5000 об/мин. (~2000 g) в течение 5 минут. Прозрачный супернатант удаляют, а компактированные ядра CdSe растворяют в 5 мл толуола. При необходимости также производят периодическую обработку раствора ультразвуком.

Далее в пластиковый шприц системы объемом 20 мл помещают слой предварительно промытой и прокаленной стекловаты высотой 1,5 см. Шприц оснащают фильтром PET с диаметром пор 0,45 мкм, устанавливают его на штатив и промывают его 20 мл толуола. Далее в шприц помещают взвесь носителя для гель-фильтрации Bio-Beads SX-1, предварительно выдержанного в избытке толуола, до образования плотного слоя высотой 1,5 см, после чего дополнительно промывают носитель порцией толуола в 25 мл. После прохождения всей порции толуола через шприц в него аккуратно вносят концентрированный раствор ядер КТ CdSe в толуоле, после чего начинается процесс их гель-фильтрации. В момент, когда мениск раствора ядер CdSe доходит до верхней поверхности носителя, на его поверхность осторожно добавляют дополнительную порцию толуола для продолжения процесса фильтрации.

(4) Замена поверхностных лигандов ядер КТ.

После прохождения всего раствора ядер CdSe через систему гель-фильтрации раствор ядер переносят в стакан для центрифугирования, и к нему добавляют 2 мл олеиламина (ОЛА) и магнитный мешальник длиной 1 см. После перемешивания раствора в течение 1 минуты к нему добавляют 100 мг боргидрида натрия. Далее производят перемешивание раствора на скорости 800 об/мин. в течение 15 минут. По окончании перемешивания к раствору добавляют одной порцией эквивалентное по объему количество метанола, что вызывает быструю коагуляцию ядер CdSe.

Полученную взвесь центрифугируют на скорости 5000 об/мин. (~2000 g) в течение 5 минут. Далее удаляют супернатант, и к компактированным ядрам CdSe добавляют 2 мл ОЛА. Далее к взвеси КТ CdSe в ОЛА добавляют 10 мл толуола, добиваются полного растворения нанокристаллов, после чего в раствор добавляют 100 мг NaBH₄. Далее производят перемешивание раствора на скорости 800 об/мин. в течение 15 минут. По окончанию перемешивания раствор ядер CdSe, в котором присутствует взвесь остатков NaBH₄ и продуктов его разложения, фильтруют через стеклянный фильтр пористостью 25 мкм при атмосферном давлении. Остатки ядер CdSe смывают с фильтра небольшим количеством толуола. Далее к фильтрату добавляют порционно метилацетат до полного выделения ядер из раствора. Полученную взвесь центрифугируют на скорости 5000 об/мин. (~2000 g) в течение 5 минут, после чего удаляют супернатант, а компактированные ядра CdSe растворяют в 5 мл толуола. Этот раствор пропускают через шприцевой PTFE фильтр с диаметром 0,22 мкм в колбу для роторно-вакуумного испарителя на 100 мл, в которую предварительно помещают 12 мл ОДЕ. Далее из этой колбы производят отгонку толуола при 60°С с дополнительной просушкой раствора в течение 10 минут при остаточном давлении 50 мбар.

(5) Нанесение многослойной оболочки на ядра CdSe.

5.1 Подготовка к нанесению оболочки.

Раствор ядер CdSe в 12 мл ОДЕ, полученный по завершению удаления толуола, переносят стеклянной мерной пипеткой в трехгорлую колбу на 100 мл, при этом фиксируют объем раствора для последующих количественных расчетов. К раствору ядер добавляют 12 мл свежего ОЛА, после чего собирают установку, аналогичную, используемой на этапе синтеза ядер КТ. Далее через систему пропускают аргон в течение 5 минут, после чего начинают вакуумирование до давления не более 20 мбар. После начала вакуумирования начинают осторожный нагрев раствора ядер CdSe до температуры не более 95°С. Вакуумирование осуществляют в течение 20 минут, продувая систему аргоном на 5-й, 10-й и 15-й минутах. После вакуумирования систему охлаждают в токе аргона до температуры 55°С, и изолируют от лабораторного освещения с помощью алюминиевой фольги. Из раствора отбирают аликвоту объемом 40 мкл, из которой методом спектрофотометрии определяют количество ядер CdSe в реакционном растворе. Далее осуществляют расчеты количества прекурсоров, необходимых для нанесения многослойных оболочек на ядра CdSe исходя из результатов построения точных структурных моделей КТ. В результате аппроксимации полученной модели для ядер КТ размером около 2,3 нм количество прекурсоров металла и халькогена рассчитывается как:

N_ат = k₁-k₂ × (i+6)+k₃ × (i+6)²,

где k₁=1,15038, k₂=1,4359, k₃=1,3194.

5.2 Нанесение многослойных оболочек.

Перед нанесением многослойной оболочки на ядра CdSe в реакционную среду вводят 1 мл ТОФ, выдерживают раствор при перемешивании на скорости 1000 об/мин. и температуре 100°С в течение 10 минут. Далее регистрируют спектры поглощения и ФЛ ядер и измеряют значение квантового выхода ФЛ.

Далее при температуре 110°С в раствор с помощью автоматической пипетки вносят первую порцию прекурсора цинка согласно ранее проведенного расчета. После этого производится резкий разогрев раствора до 175°С, и реакционная смесь выдерживается при этой температуре в течение 10 минут. Далее раствор охлаждают до температуры 110°С, после чего производят внесение рассчитанной порции прекурсора серы для первого слоя. Далее раствор разогревают до 175°С, и выдерживают в течение 10 минут.

При температуре 110°С в раствор с помощью автоматической пипетки вносят вторую порцию прекурсора кадмия согласно ранее проведенного расчета. После этого производится резкий разогрев раствора до 165°С, и реакционная смесь выдерживается при этой температуре в течение 10 минут. Далее раствор охлаждают до температуры 110°С, после чего производят внесение ТОФ в количестве эквимолярном количеству вносимого на этом шаге роста оболочки прекурсора серы, а затем рассчитанной порции прекурсора серы для первого слоя. Далее раствор разогревают до 165°С, и выдерживают в течение 10 минут.

При температуре 110°С в раствор с помощью автоматической пипетки вносят вторую порцию прекурсора цинка согласно ранее проведенного расчета. После этого производится резкий разогрев раствора до 175°С, и реакционная смесь выдерживается при этой температуре в течение 10 минут. Далее раствор охлаждают до температуры 110°С, после чего производят внесение ТОФ в количестве эквимолярном количеству вносимого на этом шаге роста оболочки прекурсора серы, а затем рассчитанной порции прекурсора серы для первого слоя. Далее раствор разогревают до 175°С, и выдерживают в течение 20 минут. Охлаждают до 60°С при медленном перемешивании в токе аргона.

(6) Модификация поверхностных лигандов CdSe/ZnS/CdS/ZnS КТ.

Раствор КТ переносят в центрифужные стаканы, разделив весь объем на 2 порции равного объема. Далее к каждому из растворов добавляют метилацетат до полной коагуляции нанокристаллов. По завершению отделения взвеси нанокристаллов от прозрачного супернатанта, растворы центрифугируют на скорости 5000 об/мин. (~2000 g) в течение 5 минут. Супернатант удаляют, а компактизированные КТ CdSe/ZnS/CdS/ZnS растворяют в заранее приготовленной смеси следующего состава. В 40 мл н-гексана помещают 1,5 ммоль н-гексадециламина (ГДА) и производят его растворение на магнитной мешалке. К прозрачному раствору ГДА добавляют 1 ммоль пальмитиновой кислоты (ПК) и дожидаются момента образования взвеси молочного цвета. Далее полученную смесь нагревают на водяной бане (60°С) до образования прозрачного раствора, и данный горячий раствор добавляют к компактизированным КТ CdSe/ZnS/CdS/ZnS. При нагреве на водяной бане производят растворение КТ, после чего раствор снимают с водяной бани и оставляют в закрытом сосуде на 12 часов. За это время происходит замена поверхностных лиагндов КТ на соль пальмитат гексадециламмония (ГДА-ПК), при этом избыток соли отделяется от раствора КТ в форме осадка белого цвета. Далее полученный раствор фильтруют через шприцевой фильтр PTFE с диаметром пор 0,22 мкм; в полученный фильтрат добавляют 600 мг триоктилфосфин оксида, производят его растворение, и полученный раствор переносят в колбу для роторного испарителя для удаления н-гексана. По завершению этой процедуры КТ CdSe/ZnS/CdS/ZnS имеют форму малоподвижной жидкости, которую собирают в пластиковую пробирку с плотной крышкой.

Предложенный способ позволяет получать квантовые точки структуры ядро/многослойная оболочка, обладающие высокой гомогенностью оптических свойств и физических размеров, причем применение описанных процедур синтеза, стадий очистки и модификации поверхностных лигандов, позволяет получать воспроизводимые по своим параметрам КТ, обладающих квантовым выходом флуоресценции не менее 90%, сохраняющих свои люминесцентные свойства в течение не менее одного года, сохраняющих свою стабильность в биологических средах не менее 6 месяцев, с распределением оптических свойств и физических размеров в диапазоне отклонений не более 10%, что актуально для промышленного серийного выпуска биомедицинских и диагностических продуктов, в которых КТ выступают в качестве флуоресцентных меток.

Источники информации

1. Jin-Kyu Lee, Jae-il Kim. Method for Synthesizing Semiconductor Quantom Dots. Патент US 20070295266 A1;

2. Gu Xiaoxu, Li Yang. Preparation method of CuInS₂/ZnS core-shell structure quantum dot and CuInS₂/CdS/ZnS core-shell structure quantum dot. Патент CN 103242831 A;

3. Pang Dewen, Xie Haiyan, Hou Anxin. Preporation of CdSe/CdS or CdSe/ZnS core-shell quantum dot. Патент CN 1403379 A;

4. Jasieniak J. et al. Re-examination of the Size-Dependent Absorption Properties of CdSe Quantum Dots. // J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (45), pp 19468-19474.

1. Способ коллоидного синтеза квантовых точек структуры ядро/многослойная оболочка, включающий следующие этапы: первый этап приготовления прекурсоров, включающий приготовление прекурсоров халькогенов и металлов II и VI групп для синтеза ядер квантовых точек и наращивания оболочки; второй этап синтеза ядер квантовых точек, включающий нагрев прекурсора металла до 240-280°С, впрыск прекурсора халькогена, снижение температуры до 210-230°С, инкубацию в течение 3-5 минут, а также последующее снижение температуры до 55-65°С; на третьем этапе проходит очистка синтезированных ядер квантовых точек, включающая добавление к реакционной смеси с синтезированными ядрами квантовых точек осадителя в объеме, равном исходному объему реакционной смеси, центрифугирование и растворение ядер квантовых точек в неполярном растворителя, и последующее проведение гель-фильтрации полученных ядер квантовых точек в неполярном растворителе, а также подсчет количества синтезированных ядер квантовых точек; четвертый этап модификации поверхностных лигандов ядер квантовых точек, включающий добавление к полученному раствору 1000-кратный избыток, по отношению к количеству ядер квантовых точек, олеиламина и боргидрида натрия, последующее осаждение квантовых точек добавлением осадителя в объеме, равном объему раствора с ядрами квантовых точек, центрифугирование полученной смеси, и добавление к полученному осадку с ядрами квантовых точек 1000-кратного избытка, по отношению к количеству ядер квантовых точек, олеиламина и боргидрида натрия, а также неполярного растворителя для полного растворения осадка ядер квантовых точек, затем проводят фильтрацию полученного раствора и к фильтрату добавляют осадитель до момента полной коагуляции квантовых точек, последующее центрифугирование полученной смеси, растворение осадка ядер квантовых точек в неполярном растворителе, и фильтрацию полученного раствора ядер квантовых точек в колбу с органическим растворителем и последующую отгонку неполярного растворителя при 50-70°С; на пятом этапе наращивают многослойную оболочку, для чего очищенные ядра квантовых точек переносят в трехгорлую колбу, с помощью которой обеспечивают вакуумирование реакционной смеси, подачу инертного газа и внесение прекурсоров, после чего проводят добавление к раствору очищенных ядер квантовых точек олеиламина, в количестве не менее 1000-кратного избытка по отношению к количеству ядер квантовых точек, вакуумирование данной смеси и ее нагрев до 90-100°С в течение 18-22 минут, с продувкой инертным газом и последующее охлаждение до 50-60°С, наращивание первого слоя оболочки, включающее добавление стабилизирующего агента, нагрев до 100-120°С в течение 8-12 минут, внесение заданного количества атомов прекурсора металла, нагрев до 165-175°С, выдерживание реакционной смеси при данной температуре 8-12 минут, охлаждение смеси до 100-120°С, добавление заданного количества атомов прекурсора халькогена, последующий разогрев до 165-175°С, выдерживание реакционной смеси при данной температуре 8-12 минут, охлаждение реакционной смеси до 100-120°С, а наращивание второго, третьего и последующих слоев по процедуре, аналогичной наращиванию первого слоя оболочки, при этом после завершения наращивания последнего слоя оболочки смесь дополнительно выдерживают 8-12 минут при 165-175°С и охлаждают до 55-65°С в токе инертного газа; шестой этап модификации поверхностных лигандов оболочки квантовых точек, включающий добавление к синтезированным квантовым точкам осадителя, до момента полной коагуляции квантовых точек, центрифугирование и полное растворение осадка квантовых точек в смеси органического растворителя, соли первичного амина и алкилкарбоновой кислоты, предварительно прогретой до полного растворения компонентов, последующую инкубацию квантовых точек в данном растворе в течение 10-14 часов, фильтрацию, и добавление стабилизирующего агента, после чего проводят удаление органического растворителя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве прекурсоров халькогенов при синтезе ядра и оболочки квантовых точек используют прекурсоры S, Se, Те.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве прекурсоров металлов при синтезе ядра и оболочки квантовых точек используют прекурсоры Zn, Cd.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве осадителя используют метилацетат.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве неполярного растворителя используют толуол.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полярного растворителя используют метанол.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве стабилизирующего агента используют триоктилфосфин или его производные.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют н-гексан.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соли первичного амина и алкилкарбоновой кислоты используют н-гексадециламин и пальмитиновую кислоту.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе наращивания любого слоя оболочки количество атомов металла и халькогена в каждом слое оболочки квантовых точек рассчитывают путем построения структурных моделей квантовых точек с использованием их кристаллографических параметров, а количество прекурсоров халькогена и металла для синтеза каждого слоя оболочки определяется исходя из стехиометрии прекурсора и количества ядер квантовых точек в растворе.