一种水相量子点微球及其制备方法

技术领域

本申请属于荧光微球的技术领域，具体的，涉及一种水相量子点微球及其制备方法。

背景技术

量子点又称半导体纳米晶体，粒径在1-20nm之间。量子点具有量子效率高、光化学稳定性高、不易光解以及宽激发、窄发射、高色纯度、发光颜色可通过控制量子点大小进行调节等优良的光学特性，广泛应用于发光显示器、光伏器件、生物领域。但是，量子点本身具有不耐水和氧的缺点，因此，现有技术在量子点的表面包覆一层惰性壳层，该惰性壳层对量子点起到保护的作用。二氧化硅无毒、生物相容性好、二氧化硅表面的硅羟基能够与硅烷等偶联剂反应，易于与含有巯基、羧基、氨基的功能性基团结合，应用于生物等领域。

现有技术量子点包覆二氧化硅，采用硅源物质(正硅酸乙酯、正硅酸甲酯等)在碱性/乙醇条件下，硅源物质发生水解缩合反应，在量子点表面形成包覆量子点的二氧化硅壳层。合成的量子点通常为油溶性，自带油酸、油胺、硫醇等基团，在硅源物质水解缩合过程中，现有技术加入乳化剂/表面活性剂形成水包油微液滴，但是硅源水解后的物质具有较强的极性，难进入含有量子点的内相溶剂中。或者先将量子点转为水相，在硅源物质水解缩合过程中，加入乳化剂/表面活性剂形成油包水的微液滴。但是，乳化剂/表面活性剂需要根据量子点成分、硅源成分以及反应条件等进行实验筛选，乳化剂选的不好，量子点在二氧化硅球的外面，而不是包覆在二氧化硅球内部，或者某些乳化剂还会使得量子点猝灭；同时，还存在一个通常在文献中不提及或者一笔带过，但是在实际生产过程中棘手的技术问题：水解缩合反应后，还需要进行破乳操作，才能获得二氧化硅包覆量子点的微球，但是沉淀分离、有机溶剂、离心等破乳操作方法，其破乳效果都不太好，降低该量子点微球的质量和产量。并且，在硅源物质水解缩合过程中，会加入碱性物质或/和乙醇，乙醇会对量子点造成不良影响，造成荧光淬灭。

有鉴于此，本申请提供一种水相量子点微球及其制备方法，直接在水相中进行硅源物质的水解缩合反应，二氧化硅包覆量子点的步骤简单，不需要使用乳化剂，也不需要破乳步骤；并且，量子点微球之间分散性好、不团聚。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种水相量子点微球及其制备方法，直接在水相中进行硅源物质的水解缩合反应，二氧化硅包覆量子点的步骤简单，不需要使用乳化剂，也不需要破乳步骤；并且，二氧化硅成功包覆单个量子点，量子点微球之间分散性好、不团聚。

本申请的第一方面，提供一种水相量子点微球的制备方法，包括步骤：

S1，将油溶性量子点进行配体修饰，使得量子点转为水相，获得水相量子点；

S2，将水相量子点和硅源物质加入水中混合均匀，水解缩合反应形成包覆量子点的二氧化硅壳层，获得量子点微球。

在一些实施方式中，在步骤S1中，所述油溶性量子点含有亲油基团，所述亲油基团为合成量子点自带的亲油基团。所述亲油基团包括油酸、油胺。

在一些实施方式中，所述配体包含亲水基团，所述亲水基团包含：羧基、磷酸基、氨基、亚氨基、季铵基、酰胺基、羟基、醛基中的至少一种。

进一步的，所述配体为氨基酸、吐温、醋酸甲羟孕酮。

在一些实施方式中，加入所述油溶性量子点与所述配体的质量比为1：(0.5-50)。

优选的，加入所述油溶性量子点与所述配体的质量比为1：(0.5-10)。

在一些实施方式中，所述配体取代油溶性量子点的亲油基团而与量子点结合，或者所述配体与油溶性量子点表面的金属螯合而与量子点结合。优选的，所述配体取代油溶性量子点的亲油基团而与量子点结合。

在一些实施方式中，在步骤S2中，所述硅源物质包括：硅酸酯、含氧硅烷、氨基硅烷、巯基硅烷中的一种。优选的，所述硅源物质为巯基硅烷。

在一些实施方式中，水解缩合反应形成包覆单个量子点的二氧化硅壳层，获得量子点微球。

进一步的，加入所述水相量子点与所述硅源物质的质量比为1：(1-4)。

进一步的，所述单个量子点微球的二氧化硅壳层的厚度为1–4.5nm。

在一些实施方式中，步骤S2，将水相量子点和硅源物质加入水中混合均匀，加入催化剂，水解缩合反应形成包覆量子点的二氧化硅壳层，获得量子点微球。

在一些实施方式中，在步骤S2中，包括步骤：

S21，将水相量子点和硅源物质加入水中，超声0.5-2h，超声功率为70–80W，将水相量子点和硅源物质混合均匀；

S22，在S21中加入催化剂，反应12-14h。

在一些实施方式中，所述油溶性量子点的粒径为7–20nm。优选的，所述油溶性量子点的粒径为10–15nm。

在一些实施方式中，所述制备方法还包括步骤S3，将量子点微球与功能配体连接，形成功能基团修饰的量子点微球。

进一步的，所述量子点微球表面含有硅氧键，所述功能配体包含硅氧键和功能基团。

进一步的，所述功能基团包括：水溶性功能基团和偶联功能基团，水溶性功能基团使量子点微球具有良好的水溶性，偶联功能基团使量子点微球能够连接生物分子。

本申请的第二方面，提供一种水相量子点微球，所述水相量子点微球采用前述制备方法获得。

在一些实施方式中，所述水相量子点包括单个量子点和包覆所述单个量子点的二氧化硅壳层，所述二氧化硅壳层的厚度为1–4.5nm。

本申请的第三方面，所述水相量子点微球在生物医药中的应用，所述生物医药包括：药物负载、生物探针、生物标记、疾病诊断、示踪剂、固相芯片、液相芯片、免疫层析、拉曼散射。

本申请的水相量子点微球及其制备方法，与现有技术相比，至少具有以下优点：

(1)本申请直接在水相中进行硅源物质的水解缩合反应，步骤简单，不需要使用乳化剂，也不需要破乳步骤，不需要添加碱性物质或者乙醇。本申请先将油溶性量子点转水相，然后直接与硅源物质在水溶液中形成包覆量子点的二氧化硅壳层。本申请中，由于将量子点转为水相，形成水相量子点；在步骤S2包覆二氧化硅壳层的过程中，虽然硅源物质为非极性，但是硅源水解后的成分极性强，溶于水，而水相量子点与之极性相近，不会产生斥力，从而形成包覆水相量子点的二氧化硅壳层。

(2)通过控制油溶性量子点与氨基酸配体的质量比，以及水相量子点与巯基硅烷的质量比，使得二氧化硅成功包覆单个量子点。并且，量子点微球中都只含有单个量子点，量子点微球之间粒径均匀。

(3)通过控制水相量子点与巯基硅烷的质量比，还能够控制包覆单个量子点的二氧化硅壳层的厚度，在一定的厚度范围内，单个量子点微球之间分散性好、不团聚。

(4)在上述的基础上，优选巯基硅烷，由于巯基硅烷含有巯基，巯基能够与量子点上的金属螯合结合，使得二氧化硅壳层更容易、更好的包覆水相量子点。

附图说明

结合以下附图一起阅读时，将会更加充分地描述本申请内容的上述和其他特征。可以理解，这些附图仅描绘了本申请内容的若干实施方式，因此不应认为是对本申请内容范围的限定。通过采用附图，本申请内容将会得到更加明确和详细地说明。

图1为本申请实施例1的量子点微球的电镜图。

图2为本申请实施例2的量子点微球的电镜图。

图3为本申请实施例3的量子点微球的电镜图。

图4为本申请实施例4的量子点微球的电镜图。

图5为本申请实施例6的量子点微球的电镜图。

具体实施方式

描述以下实施例以辅助对本申请的理解，实施例不是也不应当以任何方式解释为限制本申请的保护范围。

如本文中表述例如“的至少一种(个)”当在要素列表之前或之后时修饰整个要素列表而不修饰列表的单独要素。如果未另外定义，说明书中的所有术语(包括技术和科学术语)可如本领域技术人员通常理解的那样定义。常用字典中定义的术语应被解释为与它们在相关领域的背景和本公开内容中的含义一致，并且不可以理想方式或者过宽地解释，除非清楚地定义。此外，除非明确地相反描述，措辞“包括”和措辞“包含”当用于本说明书中时表明存在所陈述的特征、区域、整体、步骤、操作、要素、和/或组分，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、要素、组分、和/或其集合。因此，以上措辞将被理解为意味着包括所陈述的要素，但不排除任何其它要素。

本申请的第一方面，提供一种水相量子点微球的制备方法，包括步骤：

S1，将油溶性量子点进行配体修饰，使得量子点转为水相，获得水相量子点；

S2，将水相量子点和硅源物质加入水中混合均匀，水解缩合反应形成包覆量子点的二氧化硅壳层，获得量子点微球。

在一些实施方式中，在步骤S1中，所述油溶性量子点含有亲油基团，所述亲油基团为合成量子点自带的亲油基团。所述亲油基团包括油酸、油胺。

优选的，所述亲油基团为油酸、或/和油胺。并非所有油溶性量子点都能够使用配体氨基酸转水相成功。当亲油基团为油酸、或/和油胺时，氨基酸的氨基能够取代它们而与量子点结合，使得量子点转水相(即具有亲水性)。若亲油基团为硫醇，因其巯基与量子点表面的金属(如Zn)配位较稳定，氨基酸的氨基不能取代硫醇而与量子点结合，该油溶性量子点则转水相失败。

量子点包含IIB-VIA族、IIIA-VA族、IVA-VIA族、IVA族、IB-IIIA-VIA族、VIII-VIA族、钙钛矿材料以及碳量子点中的至少一种。例如，II-VI族化合物可包括：CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnO、HgS、HgSe、HgTe、MgSe、MgS、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、HgZnTe、MgZnSe、MgZnS、HgZnTeS、CdZnSeS、CdZnSeTe、CdZnSTe、CdHgSeS、CdHgSeTe、CdHgSTe、HgZnSeS、HgZnSeTe、HgZnSTe或其组合。III-V族化合物可包括：GaN、GaP、GaAs、GaSb、AlN、AlP、AlAs、AlSb、InN、InP、InAs、InSb、GaNP、GaNAs、GaNSb、GaPAs、GaPSb、AlNP、AlNAs、AlNSb、AlPAs、AlPSb、InNP、InNAs、InNSb、InPAs、InPSb、InZnP、GaAlNP、GaAlNAs、GaAlNSb、GaAlPAs、GaAlPSb、GaInNP、GaInNAs、GaInNSb、GaInPAs、GaInPSb、InAlNP、InAlNAs、InAlNSb、InAlPAs、InAlPSb或其组合。钙钛矿量子点包括有机钙钛矿量子点和/或无机钙钛矿量子点。量子点包括具有均质或基本上均质的组成的纳米晶体，例如核，以及异质的纳米晶体，比如包括核与在包围核的一个或多个壳的核/壳型量子点。壳定义为包围核的材料，并且可以包括一个或多个壳层。

“配体”是指能够与量子点进行弱或强相互作用(例如通过共价相互作用、离子相互作用、范德华相互作用或通过与量子点的外表面的任何其他分子相互作用)的任何分子或离子。

在一些实施方式中，所述配体包含亲水基团，所述亲水基团包含：羧基、磷酸基、氨基、亚氨基、季铵基、酰胺基、羟基、醛基中的至少一种。

优选的，所述配体为氨基酸、吐温、醋酸甲羟孕酮。现有具有强极性的配体均适用。其中，氨基酸修饰后的水相量子点，除了具有强极性，在配体修饰过程中，还具有反应快速以及安全的特点。

所述氨基酸包括：组氨酸、谷氨酸、赖氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、谷氨酰胺、色氨酸、丙氨酸、精氨酸、或天冬氨酸中的一种。优选的，所述氨基酸选自组氨酸、谷氨酸、赖氨酸。

在一些实施方式中，加入所述油溶性量子点与所述配体的质量比为1：(0.5-50)。优选的，加入所述油溶性量子点与所述配体的质量比为1：(0.5-10)。

本申请人发现，当加入所述油溶性量子点与所述配体的质量比为1：(≥0.5)时，才能油溶性量子点转水相成功，后续才能二氧化硅壳层包覆量子点成功。而配体的质量太多，部分配体无法与量子点结合，造成配体的浪费。

在一些实施方式中，所述配体取代油溶性量子点的亲油基团而与量子点结合，或者所述配体与油溶性量子点表面的金属螯合而与量子点结合。优选的，所述配体取代油溶性量子点的亲油基团而与量子点结合。当亲油基团为油酸、或/和油胺时，氨基酸的氨基能够取代它们而与量子点结合。

本申请中，由于将量子点转为水相，形成水相量子点。在步骤S2包覆二氧化硅壳层的过程中，虽然硅源物质为非极性，但是硅源水解后的成分极性强，溶于水，而水相量子点与之极性相近，不会产生斥力，从而形成包覆水相量子点的二氧化硅壳层。因此，本申请水相量子点微球的制备方法中，不需要使用乳化剂，那么，在微球合成完成后，也不需要进行破乳的操作步骤。

在一些实施方式中，在步骤S2中，所述硅源物质包括：硅酸酯、含氧硅烷、氨基硅烷、巯基硅烷中的一种。优选的，硅源物质为巯基硅烷。

巯基硅烷含有巯基，巯基能够与量子点上的金属螯合结合，使得二氧化硅壳层更容易、更好的包覆水相量子点。

硅源物质包括：正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丁酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷、巯丙基三甲基硅烷、3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧硅烷。

在一些实施方式中，水解缩合反应形成包覆单个量子点的二氧化硅壳层，获得量子点微球。

在一些实施方式中，加入所述水相量子点与所述硅源物质的质量比为1：(1-4)。

若硅源物质的质量低于水相量子点质量的1倍，二氧化硅包壳失败，硅源物质的含量不足以完全包覆水相量子点。水解缩合反应时，随着硅源物质加入的质量增加，同一反应条件下，形成量子点微球的粒径增大(二氧化硅壳层厚度增大)。但是，当硅源物质的质量高于水相量子点质量的4倍，二氧化硅壳层会一次包覆多个量子点。

进一步的，所述单个量子点微球的二氧化硅壳层的厚度为1–4.5nm。

水解缩合反应时，在加入所述水相量子点与所述硅源物质的质量比为1：(1-4)时，二氧化硅壳层包覆单个量子点。同时，水相量子点与所述硅源物质的质量比，也会导致包覆单个量子点的二氧化硅壳层厚度不同。当加入所述水相量子点与所述硅源物质的质量比为1：(1-4)，二氧化硅壳层的厚度为1–4.5nm。当二氧化硅壳层的厚度为1–4.5nm时，量子点微球之间分散性好、不团聚。

在一些实施方式中，步骤S2，将水相量子点和硅源物质加入水中混合均匀，加入催化剂，水解缩合反应形成包覆量子点的二氧化硅壳层，获得量子点微球。

在一些实施方式中，在步骤S2中，包括步骤：

S21，将水相量子点和硅源物质加入水中，超声0.5-2h，超声功率为70–80W，将水相量子点和硅源物质混合均匀；

S22，在S21中加入催化剂，反应12–14h。

在一些实施方式中，所述催化剂包括：氨水、三乙胺、三辛氨中的一种。

在一些实施方式中，所述油溶性量子点的粒径为7–20nm。优选的，所述油溶性量子点的粒径为10–15nm。

本申请人发现，本申请二氧化硅包覆单个量子点的技术方案中，原始油相量子点的粒径越小越难实现包覆，例如粒径≤6nm。当原始油相量子点的粒径相对大一些时比较容易包覆，因此优选油溶性量子点的粒径为10–15nm。

在一些实施方式中，所述制备方法还包括步骤S3，将量子点微球与功能配体连接，形成功能基团修饰的量子点微球。

进一步的，所述量子点微球表面含有硅氧键，所述功能配体包含硅氧键和功能基团。

进一步的，所述功能基团包括：水溶性功能基团和偶联功能基团，水溶性功能基团使量子点微球具有良好的水溶性，偶联功能基团使量子点微球能够连接生物分子。

在一些实施方式中，所述水溶性功能基团包括：羧基、磷酸基、氨基、亚氨基、季铵基、酰胺基、羟基、醛基中的至少一种。所述偶联功能基团包括：氨基、环氧基、叠氮基、醛基。

本申请的第二方面，提供一种水相量子点微球，所述水相量子点微球采用前述制备方法获得。

在一些实施方式中，所述水相量子点包括单个量子点和包覆所述单个量子点的二氧化硅壳层，所述二氧化硅壳层的厚度为1–4.5nm。

本申请的第三方面，所述水相量子点微球在生物医药中的应用，所述生物医药包括：药物负载、生物探针、生物标记、疾病诊断、示踪剂、固相芯片、液相芯片、免疫层析、拉曼散射。

以下将结合具体实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明，但本发明不限于以下实施例，实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的条件为本行业中的常规条件。

实施例1：

步骤S1:油溶性量子点转水相。

配置量子点溶液：取10mg的CdSe量子点(直径13nm，自带油酸、油胺)，溶于500ul氯仿中。配置组氨酸溶液：将50mg组氨酸溶于300ul水里，滴加100ul 2M的NaOH后溶解，加入200ul乙醇。将量子点溶液加入到组氨酸溶液中，涡旋混合器震荡1min使两相充分混合，离心，沉淀加500ul丙酮洗涤，获得水相量子点。

步骤S2：合成单个量子点微球。

将步骤S1的水相量子点溶于水，使得其浓度为10mg/ml，取100ul即0.1ml(内含1mg水相量子点)，溶于3ml水中。加入1mg巯丙基三甲基硅烷，超声1h，功率70W；加入10ul催化剂氨水，反应12h。形成二氧化硅壳层包覆单个量子点，获得量子点微球。

实施例1制备得到的量子点微球，采用TEM投射电镜，测量其量子点微球的直径为15nm，二氧化硅壳层厚度为1nm。实施例1制备得到的量子点微球，采用场发射透射电子显微镜(TEM)，拍摄其电镜图，如图1所示。从图1可以看出，其量子点微球的壳层包覆单个量子点，并且量子点微球的分散性好。

实施例2:

实施例2与实施例1的步骤大体相同，区别在于：在步骤S2中，将实施例1中的加入1mg巯丙基三甲基硅烷，更换为加入1.5mg四乙氧基硅烷。

实施例2制备得到的量子点微球，采用TEM投射电镜，测量量子点微球的直径为16nm，二氧化硅壳层厚度为1.5nm。实施例2制备得到的量子点微球，采用场发射透射电子显微镜(TEM)，拍摄其电镜图，如图2所示。从图2可以看出，其量子点微球的壳层包覆单个量子点，并且量子点微球的分散性好。

实施例3：

实施例3与实施例1的步骤大体相同，区别在于：在步骤S2中，将实施例1中的加入1mg巯丙基三甲基硅烷，更换为加入2.5mg巯丙基三甲基硅烷。

实施例3制备得到的量子点微球，采用TEM投射电镜，测量量子点微球的直径为20nm，二氧化硅壳层厚度为3.5nm。实施例3制备得到的量子点微球，采用场发射透射电子显微镜(TEM)，拍摄其电镜图，如图3所示。从图3可以看出，其量子点微球的壳层包覆单个量子点，并且量子点微球的分散性好。

实施例4：

实施例4与实施例1的步骤大体相同，区别在于：在步骤S2中，将实施例1中的加入1mg巯丙基三甲基硅烷，更换为加入4mg巯丙基三甲基硅烷。

实施例4制备得到的量子点微球，采用TEM投射电镜，测量量子点微球的直径为22nm，二氧化硅壳层厚度为4.5nm。实施例4制备得到的量子点微球，采用场发射透射电子显微镜(TEM)，拍摄其电镜图，如图4所示。从图4可以看出，其量子点微球的壳层包覆单个量子点，并且量子点微球的分散性好。

实施例5：

实施例5与实施例1的步骤大体相同，区别在于：在步骤S2中，将实施例1中的加入1mg巯丙基三甲基硅烷，更换为加入0.5mg巯丙基三甲基硅烷。

水相量子点包覆二氧化硅失败，水相量子点上只包覆了极少量的二氧化硅，并且没有将水相量子点完全包覆。即当硅源物质的质量低于水相量子点质量的1倍，二氧化硅包壳失败，硅源物质的含量不足以完全包覆水相量子点。

实施例6：

实施例6与实施例1的步骤大体相同，区别在于：在步骤S2中，将实施例1中的加入1mg巯丙基三甲基硅烷，更换为加入5mg巯丙基三甲基硅烷。

实施例6制备得到的量子点微球，采用场发射透射电子显微镜(TEM)，拍摄其电镜图，如图5所示。从图5中可以看出，有的量子点微球为二氧化硅壳层内包覆单个量子点，有的量子点微球为二氧化硅壳层内包覆多个量子点。即当硅源物质的质量高于水相量子点质量的4倍，二氧化硅壳层会一次包覆多个量子点。

尽管本申请已公开了多个方面和实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。本申请公开的多个方面和实施方式仅用于举例说明，其并非旨在限制本申请，本申请的实际保护范围以权利要求为准。