CN101871127A - 一种尺寸可控合成MSe(M=Cd,Pb)纳米晶体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尺寸可控合成MSe(M＝Cd，Pb)纳米晶体的方法，该方法通过调控体系的pH值，在细胞外模拟出生物体内谷胱甘肽还原酶以及辅酶II催化亚硒酸钠(Na₂SeO₃)还原过程的最佳条件，得到低价态的Se，在惰性气氛下与谷胱甘肽配位的M²⁺([M-(GS)₂]²⁺)进行反应，即可在水相的条件下得到单分散性好，颗粒大小均一且具有荧光性质的MSe(M＝Cd，Pb)纳米晶体。本方法可以通过调控Se前体和M前体的比例来控制产物的尺寸大小。本发明方法简便，能重复性大量制备，并且不使用易燃易爆有毒的金属有机化合物，安全性好，可更广泛地应用于化学和材料科学领域。

Description

一种尺寸可控合成MSe(M=Cd，Pb)纳米晶体的方法

技术领域

本发明涉及一种通过调控生化反应来可控合成MSe(M＝Cd，Pb)纳米晶体的制备方法，属于生物、化学及材料科学领域。

背景技术

近年来，II-VI族量子点在检测、分离、诊断、示踪、成像等生物医学领域获得广泛应用。如何在绿色温和的条件下得到纳米材料的同时，控制好纳米材料的形貌和性能是该领域备受关注的焦点。通常实际应用需要的量子点，制备方法中通常都采用了极其危险且昂贵的金属有机化合物原料或复杂、难以控制的操作方法。

1989年Steigerwald报道了将Cd(CH₃)₂和(TMS)₂E(TMS为三甲基甲硅烷基；E＝S，Se，Te)在不同溶剂中混合制备CdE的方法，反应经历了脱烷基硅的过程。在此之后，Murray[43]报道了一种用有机金属试剂在热的氧化三正辛基膦(TOPO)溶剂中裂解制备高质量、单分散(±5％)II-VI QDs的方法，其中重点研究了CdSe QDs的合成。，由于Cd(CH₃)₂、Zn(CH₃)₂等金属有机物剧毒、不稳定、易爆炸，因此，用它们作原料极其危险，需要的设备条件苛刻。

在此之后，Peng等报道了用CdO代替Cd(CH₃)₂，采用己基膦酸(HPA)或十四烷基膦酸(TDPA)/TOPO二组分溶剂合成II-VI型QDs的方法。实验结果表明，用CdO作镉前体，可以重复性地单罐合成高质量纳米粒子，如CdSe，CdTe，CdS等。而且，由于Cd-HPA/TDPA复合物相对较高的稳定性，采用这种方法，最初的成核作用可以推迟倒数百秒以后，这就使得它在实际操作中有几点重要优点：例如注射温度可以降低，合成的重复性好；最初的成核作用可以延长；并且CdO既不自燃，也不易爆炸，因此，可以大量地使用反应原料，这就使得工业规模的合成成为可能。

金属化合物/元素有机物路线中的另一种方法是利用单一的金属-E键(E＝S，Se等)已经存在的前体作反应物。Trindade和O’Brien发，在TOP中热分解[CdE₂CNR1R₂]₂，特别是空气稳定的不对称基取代物可以有效地进行II-VI型QDs的制备。，但是，由于前体均需自己合成，所以要得到产物量子点，需要多步合成程序，比较麻烦。

如何实现纳米材料的可控性一直是材料合成过程中的难题。在生物标记中，纳米材料所必需的性质取决于材料的组成，尺寸，形状，结晶度以及结构。如果能够实现对以上这些参数的控制，即实现纳米材料的可控性，就能够随心所欲地控制材料的特性，从而得到各种理想的材料。目前研究较多的是使用热力学的方法即经典结晶理论来控制材料的结晶过程。这种基于Gibbs-Thompson公式的经典结晶理论模型被大量文献广泛引用，但是越来越多的人发现这种经典的结晶理论与实际结果有一些较大的出入，在纳米尺度尤甚。因此，有必要寻找更适合的方法来解决这一难题。

生物体以及生物体内的各种高效专一的生化反应则是实现生物标记材料可控性的很好的平台。生物化学反应是指涉及到生物分子的与生命活动有关的化学反应。在各种生化反应过程中，细胞成分和生物分子都遵循指导所有物质化学反应的原理，生物分子参与的生化反应过程和生命活动最终都可以用这些化学原理来解释。因此可以针对生化反应特点，根据由多个生化反应所构成的反应途径或通路以及所涉及反应的热力学、动力学等不同的原理进行设计，从而有目的的对其加以调节和控制，甚至对多个不同反应途径进行调控，实现所期望的、原本不可能发生的反应，从而达到对材料的特性的控制。

上述各种金属化合物/元素有机物路线的方法中，虽然已经可以用CdO、Cd(Ac)₂等无机化合物制备出高质量的裸量子点，但是通常所使用的II-VI族量子点的制备基本上仍然要用Cd(CH₃)₂、Zn(CH₃)₂等有机金属化合物作原料，并且都需要较为苛刻的反应条件，所以如果能够将这些方法进行改进，选择价格低廉、性质稳定的原料，在相对绿色、安全、温和的条件下可控地制备所需的纳米材料，无疑将具有重要意义。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种在绿色温和的条件下尺寸可控地合成MSe(M＝Cd，Pb)纳米晶体的方法。

本发明方法是通过调控生物体内谷胱甘肽还原酶以及辅酶II催化亚硒酸钠(Na₂SeO₃)还原过程生化反应来可控合成MSe(M＝Cd，Pb)纳米晶体。具体步骤如下：

1)[M(SG)₂]²⁺的制备：在惰性氛围下，将氯化镉(CdCl₂)或者醋酸铅(Pb(Ac)₂)溶液加入到新鲜制备的谷胱甘肽(GSH)溶液中，得溶液A；

2)-Se⁺的制备：在惰性氛围下，将GSH、Na₂SeO₃、辅酶II(NADPH)以及谷胱甘肽还原酶(GR)在pH6.8-7.6的BR溶液(Britton-Robinson缓冲溶液)中混合，得溶液B；

3)将溶液A升温至80-95℃，将新鲜制备的溶液B加入到溶液A中，80-95℃反应10-15min，冷却至室温，即得到纳米晶体；

其中步骤3)可通过调节混合的[M(SG)₂]²⁺与-Se⁺的摩尔比，来调节纳米晶体的大小。尤其是在固定[M(SG)²]²⁺(M＝Cd，Pb)与-Se⁺的溶度积的条件下，通过调节混合的[M(SG)²]²⁺与-Se⁺的摩尔比，可以得到特定大小的纳米晶体。优选，溶液A与溶液B可以按照[M(SG)²]²⁺与-Se⁺的摩尔比1∶1～5混合。

其中，步骤1)中氯化镉或者醋酸铅与谷胱甘肽反应的摩尔比是1∶2，在实际操作时可以按照摩尔比1∶2～3添加。还原型谷胱甘肽(GSH)溶液可以通过将GSH溶解在除氧的碱性溶液里，以保持其还原型。例如在本发明实施例中将谷胱甘肽溶于0.1M的NaOH溶液中。

其中，步骤2)中谷胱甘肽、Na₂SeO₃和辅酶II的摩尔比为4∶1∶4。谷胱甘肽还原酶按照每摩尔底物加入10U。

优选步骤2)中谷胱甘肽、Na₂SeO₃、辅酶II以及谷胱甘肽还原酶在pH7.2的BR溶液中混合。

其中所述步骤3)优选的反应温度为90℃，反应时间为10min。

本发明提供的方法合成条件温和，方法简便、操作性强，未使用像Cd(CH₃)₂、Zn(CH₃)、TOPO等有毒性的有机金属化合物或有机试剂，合成过程及产物对环境污染小，无需使用合成前体，合成过程稳定、不易爆炸，对设备的要求不苛刻，有助于推动纳米颗粒(含量子点)的工业化合成。

附图说明

图1、本发明所制备CdSe纳米晶的透射电镜照片。

图2、本发明制备的CdSe量子点的X射线衍射图。

图3、本发明制备的CdSe量子点的紫外吸收光谱图(图A)以及荧光发射光谱图(图B)。

图4、本发明制备的不同粒径大小的PbSe纳米立方。A)[Pb(SG)₂]²⁺∶-Se⁺＝1∶1；颗粒大小为：长：26.95±0.39nm，宽：24.8±0.29nm；B)[Pb(SG)₂]²⁺∶-Se⁺＝1∶2.5，颗粒大小为：长：21.47±0.32nm，宽：19.4±0.3nm；C)[Pb(SG)₂]²⁺∶-Se⁺＝1∶5，颗粒大小为：长：13.71±0.21nm，宽：12.43±0.23nm。

图5、本发明制备的PbSe纳米立方的X射线衍射图。

图6、本发明制备的PbSe纳米立方的X射线能谱图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实例1CdSe量子点的制备：

本例以CdSe量子点的制备，来说明本发明的制备方法。

1、[Cd(SG)₂]²⁺的制备

将5.5×10^-5mol谷胱甘肽(GSH)溶于11mL除过氧的0.1M的NaOH溶液中，在惰性氛围下，加入2.2×10^-5mol氯化镉(CdCl₂)溶液。

2、-Se⁺的制备：

在室温及惰性氛围下，在接近生理条件的pH7.2的BR溶液中，依次将8.8×10^-5mol GSH、2.2×10^-5mol Na₂SeO₃、8.8×10^-5mol辅酶II(NADPH)以及谷胱甘肽还原酶(GR)在3mL的pH7.2的BR溶液中混合。

3、量子点生成

将步骤(1)的溶液升温至90℃后，将新鲜制备的步骤(2)中的溶液快速加入(1)中，在90℃反应30min，冷却至室温，即可得到所需的CdSe量子点。

在固定[Cd(SG)₂]²⁺与-Se⁺的溶度积的条件下，仅改变上述步骤中[Cd(SG)₂]²⁺与-Se⁺的摩尔比(摩尔比分别为1∶1；1∶2.5；1∶5)，即可得到不同发射波长的CdSe量子点(图3)，实现对CdSe量子点的尺寸的控制。

实例2PbSe纳米立方的制备：

1、[Pb(SG)₂]²⁺的制备：

将5.5×10^-6mol谷胱甘肽(GSH)溶于11mL除过氧的0.1M的NaOH溶液中，在惰性氛围下，加入2.2×10^-6mol醋酸铅(Pb(Ac)₂)溶液。

2、-Se⁺的制备：

在室温及惰性氛围下，在接近生理条件的pH7.2的BR溶液中，依次将8.8×10^-6mol GSH、2.2×10^-6mol Na₂SeO₃、8.8×10^-6mol辅酶II(NADPH)以及谷胱甘肽还原酶(GR)在3mL的pH7.2的BR溶液中混合。

3、晶体生成

将步骤(1)的溶液升温至90℃后，将新鲜制备的步骤(2)中的溶液快速加入(1)中，在90℃反应10min，冷却至室温，即可得到所需的PbSe纳米立方。

在固定[Pb(SG)₂]²⁺与-Se⁺的溶度积的条件下，仅改变上述步骤中[Pb(SG)₂]²⁺与-Se⁺的摩尔比(摩尔比分别为1∶1；1∶2.5；1∶5)，即可得到不同大小的PbSe纳米立方(图4)，实现对PbSe纳米立方尺寸的控制。

实例3PbSe纳米立方的制备：

1、[Pb(SG)₂]²⁺的制备：

将5.5×10^-6mol谷胱甘肽(GSH)溶于11mL除过氧的0.1M的NaOH溶液中，在惰性氛围下，加入2.2×10^-6mol醋酸铅(Pb(Ac)₂)溶液。

2、-Se⁺的制备：

在室温及惰性氛围下，在接近生理条件的pH6.8的BR溶液中，依次将8.8×10^-6mol GSH、2.2×10^-6mol Na₂SeO₃、8.8×10^-6mol辅酶II(NADPH)以及谷胱甘肽还原酶(GR)(按每摩尔底物加入10U)在3mL的pH6.8的BR溶液中混合。

3、晶体生成

将步骤(1)的溶液升温至80℃后，将新鲜制备的步骤(2)中的溶液快速加入(1)中，在80℃反应15min，冷却至室温，即可得到所需的PbSe纳米立方。

在固定[Pb(SG)₂]²⁺与-Se⁺的溶度积的条件下，仅改变上述步骤中[Pb(SG)₂]²⁺与-Se⁺的摩尔比(摩尔比分别为1∶1；1∶2.5；1∶5)，即可得到不同大小的PbSe纳米立方，实现对PbSe纳米立方尺寸的控制。

实例4PbSe纳米立方的制备：

1、[Pb(SG)₂]²⁺的制备：

将4.4×10^-6mol谷胱甘肽(GSH)溶于11mL除过氧的0.1M的NaOH溶液中，在惰性氛围下，加入2.2×10^-6mol醋酸铅(Pb(Ac)₂)溶液。

2、-Se⁺的制备：

在室温及惰性氛围下，在pH7.6的BR溶液中，依次将8.8×10^-6mol GSH、2.2×10^-6mol Na₂SeO₃、8.8×10^-6mol辅酶II(NADPH)以及谷胱甘肽还原酶(GR)(按每摩尔底物加入10U)在3mL的pH7.6的BR溶液中混合。

3、晶体生成

将步骤(1)的溶液升温至95℃后，将新鲜制备的步骤(2)中的溶液快速加入(1)中，在95℃反应10min，冷却至室温，即得到所需的PbSe纳米立方。

在固定[Pb(SG)₂]²⁺与-Se⁺的溶度积的条件下，仅改变上述步骤中[Pb(SG)₂]²⁺与-Se⁺的摩尔比(摩尔比分别为1∶1；1∶2.5；1∶5)，即可得到不同大小的PbSe纳米立方，实现对PbSe纳米立方尺寸的控制。

Claims (8)

1.一种尺寸可控合成MSe纳米晶体的方法，所述M为Cd或Pb，该方法包括步骤：

1)[M(SG)₂]²⁺的制备：在惰性氛围下，将氯化镉或者醋酸铅溶液加入到新鲜制备的谷胱甘肽溶液中，得溶液A；

2)-Se⁺的制备：在惰性氛围下，将谷胱甘肽、Na₂SeO₃、辅酶II以及谷胱甘肽还原酶在pH6.8～7.6的BR溶液中混合，得溶液B；

3)将溶液A升温至80-95℃，将新鲜制备的溶液B加入到溶液A中，80-95℃反应10-15min，冷却至室温，即得到纳米晶体；

其中步骤3)通过调节混合的[M(SG)₂]²⁺与-Se⁺的摩尔比，来调节纳米晶体的大小。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中氯化镉或者醋酸铅与谷胱甘肽的摩尔比为1∶2～3。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中谷胱甘肽、Na₂SeO₃和辅酶II的摩尔比为4∶1∶4。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中谷胱甘肽还原酶按照每摩尔底物加入10U。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中谷胱甘肽、Na₂SeO₃、辅酶II以及谷胱甘肽还原酶在pH7.2的BR溶液中混合。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)的反应温度为90℃，反应时间为10min。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中步骤3)在固定[M(SG)₂]²⁺与-Se⁺的溶度积的条件下，通过调节混合的[M(SG)₂]²⁺与-Se⁺的摩尔比，来调节纳米晶体的大小。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中溶液A与溶液B按照[M(SG)₂]²⁺与-Se⁺的摩尔比1∶1～5混合。

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