一种含有高级脂肪酸的量子点复合微球及其制备方法

一种含有高级脂肪酸的量子点复合微球及其制备方法

本申请为申请号2015109809637、申请日2015年12月22日、发明名称“一种含有高 级脂肪酸的量子点复合微球及其制备方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种量子点，更具体地说，涉及一种含有高级脂肪酸的量子点复合微 球及其制备方法。

背景技术

当材料尺寸减少到纳米量级时，由于其纳米效应，材料将产生许多新颖而独特的 优于传统材料的各种功能特性，在微电子、生物工程、化工、医学等领域具有广泛的应用价 值。

近几年，以过渡金属为激活离子的纳米发光材料，由于其优异的光学特性，如吸收 波长宽且连续，荧光发射峰可调谐，荧光寿命长等，在发光器件、荧光成像、太阳能电池、荧 光检测和生物标记等领域表现出广阔的应用前景。然而当量子点用于发光器件或荧光检测 时，在25-100℃范围内，量子点吸收峰波长和光政发光光谱波长发生的红移一般均小于 10nm。再者，虽然发光强度与温度具有一定的线性关系，但随温度变化，其发光强度非常小， 在低于热猝灭温度下，较小的温度变化不会引起发光强度大幅增强或减弱。因此，现有技术 不能制备出温度敏感性非常高的量子点。

发明内容

为了克服现有技术中的不足之处，本发明提供了一种温度敏感性非常高的含有高 级脂肪酸的量子点复合微球。

本发明提供的一种含有高级脂肪酸的量子点复合微球，其特征在于，其包括量子 点和二氧化硅纳米微球，所述量子点自组装在所述二氧化硅纳米微球的表面，所述二氧化 硅纳米微球包括壳层和内核，所述壳层为SiO₂，所述内核为高级脂肪酸。

所述量子点为巯基羧酸修饰的量子点；所述二氧化硅纳米微球的表面经过三氨基 硅烷和聚合氯化铝改性处理，其中，三氨基硅烷的化学式为H₂N-CH₂-CH₂-NH-CH₂-CH₂-NH- (CH₂)₃-Si-(OCH₃)₃。

在所述量子点复合微球中，所述SiO₂与所述高级脂肪酸的重量比例为(0.2～1.2) ∶1。在所述二氧化硅纳米微球的表面自组装有1-20层所述量子点。

所述量子点复合微球的平均粒径为55nm～600nm，优选为65nm～500nm。所述二氧 化硅纳米微球的平均粒径为50nm～600nm，优选为60nm～500nm。

所述量子点为CdTe、CdSe、InP、InAs、CdSe/CdS、CdSe/ZnS、CdSe/ZnSe、CdTe/ZnS、 CdHgTe/ZnS、HgTe/HgCdS量子点中的一种或几种。

所述高级脂肪酸为C₉～C₁₈的高级脂肪酸，优选为癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、 软脂酸、珠光酯酸、硬脂酸、油酸、亚油酸中的一种或多种。

本发明还提供的上述含有高级脂肪酸的量子点复合微球的制备方法，该方法包括 如下步骤：

(1)将高级脂肪酸和表面活性剂加入到乙醇水溶液中，然后加热使高级脂肪酸熔 融并搅拌均匀，制得含有高级脂肪酸的乳化液，然后在所述乳化液中加入正硅酸乙酯，加入 碱溶液调节pH至9～12，然后进行水解反应，搅拌、陈化、过滤、洗涤、干燥后，即得到二氧化 硅包覆高级脂肪酸的二氧化硅纳米微球；

(2)将所述二氧化硅纳米微球浸泡在到量子点的水溶液中，然后过滤，洗涤和干 燥，即可制得量子点复合微球。

在(1)步骤中，所述高级脂肪酸、表面活性剂和乙醇水溶液重量比例为10∶(0.1～ 3.0)∶(20～100)，所述乙醇水溶液中乙醇与水的重量比为(1～5)∶1；所述高级脂肪酸与正 硅酸乙酯重量比例为10∶(5～40)。

所述表面活性剂为聚乙二醇、蔗糖酯、聚山梨酯、十八烷基苯磺酸、十二烷基硫酸 钠、十四烷基硫酸钠、十六烷基硫酸钠中的一种或多种，优选为十二烷基硫酸钠和/或十四 烷基硫酸钠。

在(2)步骤中，所述量子点的水溶液为巯基羧酸修饰的量子点的水溶液。所述浸泡 的时间为5min～240min。

在将所述二氧化硅纳米微球加入到量子点的水溶液之前，用聚合氯化铝溶液和三 氨基硅烷溶液改性处理二氧化硅纳米微球，具体步骤如下：将所述二氧化硅纳米微球入到 聚合氯化铝的溶液中，然后过滤和干燥，然后再加入到三氨基硅烷溶液中，搅拌、过滤和干 燥。其中，聚合氯化铝溶液的浓度0.20wt％～0.01wt％，所述三氨基硅烷溶液为含有 0.5wt％～2.0wt％三氨基硅烷的乙醇溶液。聚合氯化铝溶液和三氨基硅烷溶液的用量浸没 二氧化硅化纳米微球即可，但不限制于此。二氧化硅纳米微球与三氨基硅烷溶液质量比例 可以为1∶(5～20)。二氧化硅纳米微球与聚合氯化铝溶液质量比例可以为1∶(5～20)。

所述量子点的水溶液为巯基羧酸修饰的水溶性量子点，其制备方法如下：将碲粉 和硼氢化钠与水混合，将惰性气氛环境和恒温条件进行反应，制得量子点前驱液；将氯化镉 溶解在水中，然后依次加入疏基羧酸和氢氧化钠溶液，得到混合液，将整个混合液移至高压 釜内衬里，通氮除氧，然后将所述量子点前驱液加入到所述混合液中，在高压釜进行水热反 应，得到所述巯基羧酸修饰的水溶性量子点。所述碲粉、硼氢化钠、氯化镉与巯基羧酸的摩 尔比例为1∶(20～60)∶(15～45)∶(6～15)。巯基羧酸优选为巯基乙酸、2-巯基丙酸和3-巯基 丙酸。

与现有技术相比，本发明的具有如下优点：

(1)本发明的量子点复合微球，本发明的量子点不但能够保持一般量子点发光效 率高、光化学稳定性等优异性质，而且发光强度还具有特定的温度敏感值，可用于对特定的 温度进行关联。具体表现为：当环境温度升高高级脂肪酸的相变温度时，量子点复合微球内 的高级脂肪酸发生相变，由不透光的固态变成透明的液态，这样二氧化硅纳米微球的透光 性大幅增加，其光政发光光谱的强度(发光强度)会发生大幅增加；当环境温度低于高级脂 肪酸的相变温度时，由透明的液态变成不透光的固态，这样二氧化硅纳米微球的透光性大 幅降低，其光政发光光谱的强度(发光强度)会发生大幅下降。因此，量子点复合在相变温度 点附近具有非常强的温度敏感性。

当本发明的量子点复合微球应用于荧光检测时，可通过在线实时监测整体体系中 荧光发生异常变化的地方，可以监测出温度敏感值附近的温度微小变化。当用于量子点的 器件时，可以通过调节温度值，来调控量子点发光强度的大幅改变。

本发明的量子点复合微球适用于与高级脂肪酸的相变温度点的接近的样品监测， 由于不同高级脂肪酸具有很多不同相变温度值，可以通过选择不同相变温度的高级脂肪 酸，来改变量子点复合微球中高级脂肪酸的温度敏感值，从而可实现不同样品的实时监测。

(2)本发明在量子点复合微球的制备过程中，在含有表面活性剂的高级脂肪酸乳 化液中，正硅酸乙酯在碱性环境中进行水解时，二氧化硅在乳化液滴的表面生长，得到的二 氧化硅纳米微球具有外形规整、表面光滑度比较高和表面硅羟基非常多的SiO₂壳层，然后 SiO₂壳层再经聚合氯化铝和三氨基硅烷溶液处理，从而改性二氧化硅表面电荷，并且在三 氨基硅烷的多氨基与疏基羧酸结合形成三维的多位点按枝，这样在表面电荷和多位点接枝 的双重作用下，量子点非常牢固地组装在二氧化纳米微球的表面，可有效地防止量子点表 面巯基类配体的脱落，量子点本具有非常好的时间稳定性，以及在一定酸、碱、氧化环境中 酸、碱稳定性和抗氧化稳定性，与此同时还保持了量子点良好的生物兼容性，从而大大提高 了量子点在具体应用中的稳定性。

(3)本发明的量子点复合微球，可以用于在量子点在发光器件、荧光成像、太阳能 电池、荧光检测和生物标记等方面。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明含有高级脂肪酸的量子点复合微球的制备 过程，但不应认为本发明仅局限于以下的实施例中，其中wt％为质量分数。

巯基羧酸修饰的量子点溶液的制备方法采用本领域常规使用的制备方法。本发明 将含有量子点阳离子的金属盐(阳离子例如可以为Zn²⁺、Cd²⁺或Hg²⁺)与疏基羧酸络合生成阳 离子前躯体，再与阴离子前躯体(阴离子例如可以为S^2-、Se^2-或Te^2-)加热回流使得量子点成 核并生长，从而制得巯基羧酸修饰的量子点溶液。加热回流的温度为60～90℃，时间为3～ 12h。例如，巯基羧酸修饰的碲化镉、硒化镉量子点溶液的制备方法可以参考CN102786037A， 巯基羧酸修饰的硫化锌量子点溶液的制备方法可以参考CN103242829A。量子点还可以由巯 基羧酸修饰的硫化镉、硒化锌或碲化锌溶液自装而成。本发明下述的各实施例详述巯基羧 酸修饰的碲化镉的制备方法。

实施例1

(1)取100g相变温度为52～54℃的肉豆蔻酸和20g十二烷基硫酸钠加入到700g乙 醇水溶液中，其中无水乙醇与水的质量比为4∶1。在60℃水浴中加热，待肉豆蔻酸熔融后机 械搅拌30分钟，得到分散均匀的乳化液；在上述乳化液中滴加80g正硅酸乙酯，加入NaOH溶 液调节pH至10，继续恒温搅拌3小时，室温下陈化、过滤、洗涤、干燥后即得二氧化硅纳米微 球。通过扫描电子显微镜照片表征可知：二氧化硅纳米微球粒径为80nm～110nm，粒径分布 均匀，而且二氧化硅纳米微球的形状比较规整，表面光滑。

(2)称取2mg碲粉和24mg硼氢化钠，移至带瓶塞的小瓶当中，通氮气5min，盖好瓶 塞。注射器抽取高纯水2mL，注射到小瓶中，然后再排出瓶内反应产生的气体。将整个小瓶装 置放入水浴锅中，反应温度为32℃，2h后取出，制备得紫新鲜的前驱液。

100mg氯化镉加入100mL水中，玻璃棒搅拌至氯化镉颗粒完全溶解，加入巯基乙酸 (TGA)再将整个液体移至高压釜内衬里，通氮除氧30min，得到混合液。

密封好除过氧的氯化镉溶液，注射器抽取1mL新鲜制备好的前驱液并快速移至到 氯化镉溶液中(碲粉、硼氢化钠、氯化镉和巯基乙酸的摩尔比例为1∶41∶33∶9)，加入氢氧化 钠溶液将PH调节至10，盖好盖，组装好高压釜，80℃水热反应12h，得到巯基乙酸修饰的量子 点水溶液。

(3)将10g二氧化硅纳米微球加入到100mL聚合氯化铝溶液中，聚合氯化铝溶液的 浓度0.05wt％，搅拌10min后，进行过滤和干燥，然后再将二氧化硅纳米微球加入到100mL三 氨基硅烷溶液，该溶液的溶剂无水乙醇，三氨基硅烷溶液的浓度为0.5wt％，三氨基硅烷的 化学式为H₂N-CH₂-CH₂-NH-CH₂-CH₂-NH-(CH₂)₃-Si-(OCH₃)₃，在20℃搅拌30min，然后再过滤、 洗涤和干燥得到改性的二氧化硅纳米微球。

(4)将10g改性的二氧化硅纳米微球浸泡上述巯基乙酸修饰的量子点水溶液中，于 室温下反应15min，过滤、用水洗涤、干燥，即得复合量子点微球。

(5)将10g复合量子点微球加入到20mL磷酸盐缓冲混合溶液(pH值为6.8)中，采用 荧光分光光度计检测不同温度下的混合溶液体系，量子点的激发波长400nm，荧光分光光度 计入射和出射狭缝光谱通带均为5nm的条件下，测定体系的荧光光谱，得到相对荧光强度。

表1

30℃ 40℃ 50℃ 56℃ 60℃ 65℃

相对荧光强度(a.u.) 205 203 214 825 836 835

实施例2

(1)取100g相变温度为62～63℃的棕榈酸和20g十四烷基硫酸钠加入到500g乙醇 水溶液中，其中无水乙醇与水的质量比为4∶1。在70℃水浴中加热，待棕榈酸熔融后机械搅 拌30分钟，得到分散均匀的乳化液；在上述乳化液中滴加160g正硅酸乙酯，加入NaOH溶液调 节PH至10，继续恒温搅拌4小时，室温下陈化、过滤、洗涤、干燥后即得二氧化硅纳米微球。通 过扫描电子显微镜照片表征可知：二氧化硅纳米微球粒径为80nm～120nm，粒径分布均匀， 而且二氧化硅纳米微球的形状比较规整，表面光滑。

(2)称取2mg硒粉和24mg硼氢化钠，移至带瓶塞的小瓶当中，通氮气5min，盖好瓶 塞。注射器抽取高纯水2mL，注射到小瓶中，然后再排出瓶内反应产生的气体。将整个小瓶装 置放入水浴锅中，反应温度为32℃，2h后取出，制备得紫包新鲜的前驱液。

100mg氯化镉加入100mL水中，玻璃棒搅拌至氯化镉颗粒完全溶解，加入巯基乙酸 (TGA)再将整个液体移至高压釜内衬里，通氮除氧30min，得到混合液。

密封好除过氧的氯化镉溶液，注射器抽取1mL新鲜制备好的前驱液并快速移至到 氯化镉溶液中(硒粉、硼氢化钠、氯化镉和巯基乙酸的摩尔比例为1∶41∶33∶9)，加入氢氧化 钠溶液将PH调节至10，盖好盖，组装好高压釜，80℃水热反应12h，得到巯基乙酸修饰的量子 点水溶液。

(3)将10g二氧化硅纳米微球浸泡上述巯基乙酸修饰的量子点水溶液中，于室温下 反应15min，过滤、用水洗涤、干燥，即得复合量子点微球。

(4)10g复合量子点微球加入到20mL磷酸盐缓冲混合溶液(pH值为6.8)中，采用荧 光分光光度计检测不同温度下的混合溶液体系，量子点的激发波长为540nm。荧光分光光度 计入射和出射狭缝光谱通带均为5nm的条件下，测定体系的荧光光谱，得到最大相对荧光强 度。

表2

40℃ 50℃ 60℃ 65℃ 68℃ 72℃

相对荧光强度(a.u.) 98 95 207 622 640 638

实施例3

(1)取100g相变温度为43～45℃的月桂酸和30g十八烷基苯磺酸加入到900g乙醇 水溶液中，其中无水乙醇与水的质量比为3∶1。在50℃水浴中加热，待月桂酸熔融后机械搅 拌30分钟，得到分散均匀的乳化液；在上述乳化液中滴加240g正硅酸乙酯，加入NaOH溶液调 节PH至10，继续恒温搅拌4小时，室温下陈化、过滤、洗涤、干燥后即得二氧化硅纳米微球。二 氧化硅纳米微球粒径为80nm～140nm，分布较为均匀。

(2)称取2mg硒粉和24mg硼氢化钠，移至带瓶塞的小瓶当中，通氮气5min，盖好瓶 塞。注射器抽取高纯水2mL，注射到小瓶中，然后再排出瓶内反应产生的气体。将整个小瓶装 置放入水浴锅中，反应温度为32℃，2h后取出，制备得紫包新鲜的前驱液。

100mg硝酸锌加入100mL水中，玻璃棒搅拌至硝酸锌颗粒完全溶解，加入巯基乙酸 (TGA)再将整个液体移至高压釜内衬里，通氮除氧30min，得到混合液。

密封好除过氧的硝酸锌溶液，注射器抽取1mL新鲜制备好的前驱液并快速移至到 硝酸锌溶液中(硒粉、硼氢化钠、硝酸锌和巯基乙酸的摩尔比例为1∶41∶33∶9)，加入氢氧化 钠溶液将PH调节至10，盖好盖，组装好高压釜，80℃水热反应12h，得到巯基乙酸修饰的量子 点水溶液。

(3)将10g二氧化硅纳米微球加入到100mL聚合氯化铝溶液中，聚合氯化铝溶液的 浓度0.08wt％，搅拌10min后，进行过滤和干燥，然后再将二氧化硅纳米微球加入到100mL三 氨基硅烷溶液，该溶液的溶剂无水乙醇，三氨基硅烷溶液的浓度为1wt％，三氨基硅烷的化 学为H₂N-CH₂-CH₂-NH-CH₂-CH₂-NH-(CH₂)₃-Si-(OCH₃)₃)，在20℃搅拌30min，过滤、洗涤和干燥 得到改性的二氧化硅纳米微球。

(4)将改性的10g二氧化硅纳米微球加入上述巯基乙酸修饰的量子点水溶液中，搅 拌分散，于室温下反应15min，过滤、用水洗涤、干燥，即得复合量子点微球。

(5)10g复合量子点微球加入到20mL磷酸盐缓冲混合溶液(pH值为6.8)中，采用荧 光分光光度计检测不同温度下的混合溶液体系，量子点的激发波长为470nm。荧光分光光度 计入射和出射狭缝光谱通带均为5nm的条件下，测定体系的荧光光谱，得到最大相对荧光强 度。

表3

25℃ 35℃ 41℃ 46℃ 50℃ 55℃

相对荧光强度(a.u.) 149 142 163 704 724 719

对比例1

(1)取20g十二烷基硫酸钠加入到700g乙醇水溶液中，其中无水乙醇与水的质量比 为4∶1。在50℃水浴中加热，机械搅拌30分钟，然后再滴加80g正硅酸乙酯，加入NaOH溶液调 节PH至10，继续恒温搅拌3小时，室温下陈化、过滤、洗涤、干燥后即得二氧化硅纳米微球。通 过扫描电子显微镜照片表征可知：二氧化硅纳米微球粒径为80nm～110nm。

(2)称取2mg碲粉和24mg硼氢化钠，移至带瓶塞的小瓶当中，通氮气5min，盖好瓶 塞。注射器抽取高纯水2mL，注射到小瓶中，然后再排出瓶内反应产生的气体。将整个小瓶装 置放入水浴锅中，反应温度为32℃，2h后取出，制备得紫包新鲜的前驱液。

100mg氯化镉加入100mL水中，玻璃棒搅拌至氯化镉颗粒完全溶解，加入巯基乙酸 (TGA)再将整个液体移至高压釜内衬里，通氮除氧30min，得到混合液。

密封好除过氧的氯化镉溶液，注射器抽取1mL新鲜制备好的前驱液并快速移至到 氯化镉溶液中(碲粉、硼氢化钠、氯化镉和巯基乙酸的摩尔比例为1∶41∶33∶9)，加入氢氧化 钠溶液将PH调节至10，盖好盖，组装好高压釜，80℃水热反应12h，得到巯基乙酸修饰的量子 点水溶液。

(3)将10g二氧化硅纳米微球加入巯基乙酸修饰的量子点水溶液中，搅拌分散，于 室温下反应15min，过滤、用水洗涤、干燥，即得复合量子点微球。

(4)10g复合量子点微球加入到20mL磷酸盐缓冲混合溶液(pH值为6.8)中，采用荧 光分光光度计检测不同温度下的混合溶液体系，量子点的激发波长400nm，荧光分光光度计 入射和出射狭缝光谱通带均为5nm的条件下，测定体系的荧光光谱，得到相对荧光强度。

表4

30℃ 40℃ 50℃ 56℃ 60℃ 65℃

相对荧光强度(a.u.) 990 987 975 970 969 967

通过表1-3的数据可知：各实施例的复合量子点微球的环境温度一旦略高于高级 脂肪酸的相变温度，量子点复合微球内的高级脂肪酸已经发生相变，由不透光的固态变成 透明的液态，这样量子点复合微球的透光性大幅增加，其光政发光光谱的强度(发光强度) 会发生大幅增加，这样量子点复合在相变温度点附件具有非常强的温度敏感性。而对比例1 的复合量子点微球的环境温度在升高过程，荧光强度变化非常小，在荧光噪产的影响下，不 利于仪器进行监测，温度敏感性差。

测试例1

取实施例1-3和对比例1的复合量子点微球，然后采用本领域常用的旋涂成膜技术 分别在导电玻璃上成膜，从而制得不同的荧光薄膜传感材料。荧光薄膜传感材料的重复使 用测试含有0.5μg/L铜离子溶液。结果表明：实施例1-3的荧光薄膜传感复合材料使用10次 后，荧光可以恢复到原来的95％以上，没有出现量子点脱落问题；而对比例1的荧光薄膜传 感复合材料，在使用5次后，荧光下降到原来的90％，使用7次后荧光下降到80％以下，并出 现量子点脱落现象，在使用10次后，出现严重脱落问题，不能再继续使用。