СПОСОБ КОЛЛОИДНОГО СИНТЕЗА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ НАНОЧАСТИЦ СВЕРХМАЛОГО РАЗМЕРА СТРУКТУРЫ ЯДРО/ОБОЛОЧКА Российский патент 2018 года по МПК B82B3/00 

Описание патента на изобретение RU2645838C1

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.

Похожие патенты RU2645838C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ КОЛЛОИДНОГО СИНТЕЗА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СТРУКТУРЫ ЯДРО/МНОГОСЛОЙНАЯ ОБОЛОЧКА 2018
  • Самохвалов Павел Сергеевич
  • Линьков Павел Алексеевич
RU2692929C1
СПОСОБ СИНТЕЗА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК 2008
  • Новичков Роман Владимирович
  • Вакштейн Максим Сергеевич
  • Нодова Екатерина Леонидовна
  • Маняшин Алексей Олегович
  • Тараскина Ирина Ивановна
RU2381304C1
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ, СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК И СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК 2009
  • Смит Эндрю
  • Най Шумин
  • Кайрдольф Брэд А.
RU2497746C2
СПОСОБ МАРКИРОВКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ТОПЛИВ С ПОМОЩЬЮ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК 2022
  • Сагдеев Дмитрий Олегович
  • Шамилов Радик Рашитович
  • Галяметдинов Юрий Генадьевич
RU2780550C1
Состав для внедрения квантовых точек в полимерные матрицы чувствительных элементов люминесцентного сенсора для анализа биологических водных и водно-спиртовых сред и способ его изготовления 2018
  • Павлов Сергей Алексеевич
  • Павлов Алексей Сергеевич
  • Максимова Елена Юрьевна
  • Зеленская Александра Дмитриевна
  • Павлов Александр Валерьевич
  • Алексеенко Антон Владимирович
RU2741939C1
СПОСОБ КОЛЛОИДНОГО СИНТЕЗА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК БИНАРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 2021
  • Гавриков Максим Владимирович
  • Жуков Николай Дмитриевич
  • Лазарев Сергей Александрович
  • Смирнова Татьяна Дмитриевна
  • Цветкова Ольга Юрьевна
  • Штыков Сергей Николаевич
RU2774829C1
Способ получения коллоидных квантовых точек для применения в медицинской диагностике 2022
  • Попова Анна Анатольевна
  • Андреев Евгений Валерьевич
  • Рудных Сергей Константинович
  • Новикова Сагила Аладдиновна
  • Грибова Елена Дмитриевна
  • Гладышев Павел Павлович
  • Сергеев Сергей Николаевич
  • Сидоров Евгений Александрович
RU2809097C1
Способ синтеза наночастиц полупроводников 2015
  • Журавлев Олег Евгеньевич
  • Пресняков Илья Андреевич
RU2607405C2
Флуоресцентная многоцелевая наноразмерная метка и конъюгаты на её основе 2021
  • Кузнецов Денис Бахтиерович
  • Дежуров Сергей Валерьевич
RU2777648C1
СПОСОБ ГИДРОФИЛИЗАЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК 2021
  • Дрозд Даниил Дмитриевич
  • Строкин Павел Дмитриевич
  • Горячева Ольга Алексеевна
  • Горячева Ирина Юрьевна
  • Мошков Александр Сергеевич
RU2786239C1

Реферат патента 2018 года СПОСОБ КОЛЛОИДНОГО СИНТЕЗА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ НАНОЧАСТИЦ СВЕРХМАЛОГО РАЗМЕРА СТРУКТУРЫ ЯДРО/ОБОЛОЧКА

Использование: для получения фотолюминесцентных наночастиц, или квантовых точек (КТ), сверхмалого размера. Сущность изобретения заключается в том, что в способе коллоидного синтеза фотолюминесцентных наночастиц сверхмалого размера структуры ядро/оболочка, включающем синтез ядер фотолюминесцентных наночастиц путем инжекции компонентов 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. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении квантовых точек сверхмалого размера, диаметром до 2 нм, с воспроизводимыми высокогомогенными оптическими свойствами и физическими размерами. 10 з.п. ф-лы.

Формула изобретения RU 2 645 838 C1

1. Способ коллоидного синтеза фотолюминесцентных наночастиц сверхмалого размера структуры ядро/оболочка, включающий синтез ядер фотолюминесцентных наночастиц путем инжекции компонентов ядра в среду органических растворителей, очистку ядер из реакционной смеси и последующее наращивание эпитаксиальной оболочки фотолюминесцентных наночастиц в среде органических растворителей, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что 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.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в состав ядра наночастиц включают два или более компонента.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве первого компонента ядра наночастиц используют соединения на основе металлов, например кадмия, цинка, свинца, олова, меди, серебра, индия, сурьмы, галлия.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве второго компонента ядра наночастиц используют соединения на основе неметаллов, например селена, серы, теллура, фосфора, мышьяка.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сверхбыструю остановку реакции синтеза ядер наночастиц производят путем инжектирования холодного неполярного или малополярного растворителя в реакционную смесь.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сверхбыструю остановку реакции синтеза ядер наночастиц производят путем переноса горячего раствора реакционной смеси в жидкий азот.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что очистку ядер наночастиц проводят путем эксклюзионной хроматографии в комбинации с методами диспергирования-коагуляции.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при наращивании эпитаксиальной оболочки наночастиц используют соединения класса металлов, соединения класса неметаллов и их комбинации.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что при наращивании эпитаксиальной оболочки наночастиц соединения класса металлов и неметаллов вводят одновременно.

11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что при наращивании эпитаксиальной оболочки наночастиц соединения класса металлов и неметаллов вводят поочередно в любой последовательности.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2645838C1

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ С ЯДРОМ И ОБОЛОЧКОЙ 2004
  • Мейер Кристиане
  • Хаазе Маркус
RU2346022C2
US 8900481 B2, 02.12.2014
US 20120205598 A1, 16.08.2012
US 7713624 B2, 11.05.2010
Jessica Annette Sammons, SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF CdSxSe1-x/ZnS ALLOY CORE/SHELL NANOCRYSTALS: PHOTOLUMINESCENCE QUANTUM YIELD IMPROVEMENT WITH INFLUENCE OF COMPOSITION, MASTER OF SCIENCE in Chemistry, Nashville, Tennessee, August, 2009.

RU 2 645 838 C1

Авторы

Самохвалов Павел Сергеевич

Линьков Павел Алексеевич

Даты

2018-02-28Публикация

2016-12-27Подача