CN102239108A

CN102239108A - 用于官能化或交联纳米粒子表面上的配体的组合物和方法

Info

Publication number: CN102239108A
Application number: CN2009801486495A
Authority: CN
Inventors: E.塔尔斯基; W.黄; J.古德温; W.赵
Original assignee: Life Technologies Corp
Current assignee: Life Technologies Corp
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-11-09
Also published as: WO2010040074A2; WO2010040074A3; US20110226995A1; EP2342162A2; EP2342162A4

Abstract

本发明提供了改性/官能化的新方法，其包括通过使用自由基加成反应交联纳米粒子上的表面涂层中的配体或其他涂层中的分子，从而将反应性基团加至纳米粒子的配体/分子上。实例包括使用官能化的二苯甲酮，所述官能化的二苯甲酮可通过光化学引发的自由基加成结合或交联至纳米晶的表面涂层中的配体。

Description

用于官能化或交联纳米粒子表面上的配体的组合物和方法

交叉引用

本申请要求2008年10月3日提交的美国临时申请序号61/102,666的优先权，其以全文引用方式并入本文。

技术领域

本申请部分涉及纳米粒子和操控纳米粒子的方法。在一些实施例中，本申请提供了新的纳米粒子及其组合物。在一些实施例中，本申请提供了用表面配体和任选的另外的涂层改性纳米粒子的方法。在一些实施例中，本申请提供了用表面涂层和另外的涂层改性纳米粒子的方法。在一些实施例中，本申请提供了交联纳米粒子表面涂层中的配体的方法。在一些实施例中，本申请提供了制备具有交联的配体的稳定化纳米粒子的方法，其中交联通过包括自由基反应的方法实现。在一些实施例中，本申请提供了有效地官能化和/或交联络合至纳米晶的配体的方法。在一些实施例中，本申请提供了交联纳米粒子表面上的疏水性、亲水性和/或两亲性涂层、改性纳米粒子表面的性质，和/或提供官能团（使用该官能团将纳米粒子结合至另一部分）的方法。在一些实施例中，本申请也提供了将纳米粒子的配体涂层上的另外的涂层中的分子（包括聚合物，如两亲性聚合物）官能化的方法。在一些实施例中，本申请提供了将存在于纳米粒子表面上的另外的涂层中的分子彼此交联和/或将所述分子交联至纳米粒子表面涂层上的配体的方法。本申请还提供了稳定的官能化的纳米粒子及其组合物。本申请的稳定的官能化的纳米粒子和/或包含其的组合物可用于例如许多检测和生物鉴定中。

背景技术

纳米粒子对于在多种实验方案中检测、跟踪和观察单个分子和微观生物结构是日益重要的。它们提供易于用于定位或跟踪其他部分的可观察信号。许多纳米粒子的应用涉及它们在水性环境中的使用。然而，制备纳米粒子的常规方法可制得不适于在水性介质中使用的疏水性纳米粒子。

当纳米粒子在它们的表面上具有疏水配体层时，纳米粒子为疏水性的。需要改性纳米粒子表面上的疏水性配体的溶剂暴露层以使得纳米粒子为亲水性，并同时保持其作为标记的合意的性质的方法。即使亲水性或两亲性配体存在于纳米粒子表面上，改性纳米粒子的亲水性性质（例如增加纳米粒子表面涂层的亲水性）的方法也是合意的。此外，需要稳定化纳米粒子表面上的一个或多个分子涂层的方法。

发明内容

本申请部分涉及将纳米粒子表面上的涂层官能化的方法。在一些实施例中，将纳米粒子表面上的涂层官能化的方法包括自由基加成反应。

在一些实施例中，将纳米粒子表面上的配体官能化的方法包括将能够产生自由基物种的官能团引入至纳米粒子表面上的配体上。在一些实施例中，本申请提供了交联纳米粒子表面上的配体和其他涂层的方法。在一些实施例中，本申请提供了制备具有交联的配体的稳定化纳米粒子的方法，其中交联通过包括自由基反应的方法实现。在一些实施例中，本申请提供了有效地官能化和/或交联络合至纳米晶或纳米粒子的配体和其他涂层的方法。在一些实施例中，本申请提供了交联纳米粒子表面上的疏水性、亲水性和/或两亲性涂层、改性纳米粒子的性质，和/或提供官能团（使用该官能团将纳米粒子结合至另一部分）的方法。本申请还提供了稳定的官能化的纳米粒子及其组合物。本申请的稳定的官能化的纳米粒子和/或包含其的组合物可用于例如许多检测和生物鉴定中。

本申请还提供了稳定的官能化的纳米粒子。本申请的稳定的官能化的纳米粒子和/或其组合物可用于许多检测和生物鉴定中。本申请的组合物和方法可用于制备具有交联的配体和其他涂层的稳定化的纳米粒子，其中交联通过包括自由基反应的方法实现。本公开的新方法能够有效地官能化或交联络合至纳米晶或纳米粒子的配体，且也可用于交联其他疏水性或亲水性涂层、改性纳米粒子的性质，或提供官能团（使用该官能团将纳米粒子结合至另一部分）。

本文提供了交联适于涂布纳米晶表面的分子化合物以改变纳米晶-配体络合物的化学稳定性和光稳定性的方法。所述方法也提供了改性和稳定化纳米粒子的表面结构和性质的方式，并提供了包含由交联分子涂布的纳米晶的新的组合物。本公开的方法可应用于亲水性、疏水性和两亲性纳米晶涂层，并适于交联已络合至纳米晶的分子。

在一方面，本文提供了交联存在于纳米晶的无机表面上的配体的方法。本公开的方法通常适用于许多类型的配体，并优于常规交联方法，这是因为许多原因，例如，因为它们可应用于在表面上不具有官能化配体或具有过少的官能化配体而不能通过常规方法和试剂有效交联的纳米晶，或者因为它们提供了在其他官能团的存在下交联的化学选择性。本文公开的方法也可与交联纳米晶表面上的配体的已知方法结合使用以增加交联这种配体的多用性和有效性。

在一些方面，本申请提供了通过交联纳米晶表面上的配体而稳定化配体涂布的纳米粒子的方法。所述方法涉及自由基加成反应以将官能团引入纳米晶表面上的配体，或提供交联。所述纳米粒子可为由配体层涂布的纳米晶（通常为核/壳半导体纳米晶）。所述配体可为疏水性或亲水性或它们的混合物。它们可包含一种或多种烷基，所述烷基可为直链、支链、环状或它们的组合，且这些烷基可包含1至40个碳原子/配体。合适的配体包括包含至少一个官能团的有机化合物，所述官能团选自膦、氧化膦、膦酸、次膦酸、羧酸酯、胺、硫醇、硫代羧酸酯、二硫代氨基甲酸酯和咪唑，所述官能团的每一个均适于配位至一些类型的纳米晶的表面。任选地，所述配体可包含多个这些官能团。

用于公开的方法和组合物的某些实施例的合适的自由基加成反应包括适用于存在于感兴趣的纳米晶上的官能团，并在纳米晶表面上的配体的原子上（例如结合至碳原子）引入新的官能团或反应性基团的那些。所述新的官能团或反应性基团可为，例如，卤化物、胺、羟基、烷氧基或经由自由基加成机理加至配体上的其他基团。合适的自由基加成反应的具体实例在本文公开。通过自由基加成反应引入的官能团可用于交联纳米晶上的配体。

本文所述的交联方法一般在两个步骤中实现，且这种方法通常使用自由基反应作为两个步骤之一。所述自由基反应可为第一步，其中自由基反应可通过任何合适的方式引发；在一些实施例中，其被光化学引发。

在一些方面，本公开提供了一种具有取代的二苯甲酮加合物的纳米粒子组合物，所述取代的二苯甲酮加合物可用于交联纳米晶表面上的两个或多个配体。所述取代的二苯甲酮加合物可为取代的二苯甲酮的羰自由基光化学结合至纳米晶表面上的第一配体的产物。所述第一配体可为结合至纳米晶无机表面的任意有机基团或分子。

一旦结合至纳米晶表面上，所述取代的二苯甲酮加合物可参与二苯甲酮上的取代基与纳米晶表面上的不同配体或第二配体之间的另外的共价键形成反应。因此所述取代的二苯甲酮可连接至存在于纳米晶表面上的两个或多个不同的配体，从而将配体连结或交联在一起。

多个取代的二苯甲酮加合物可在纳米晶表面上形成，从而导致纳米晶表面配体的有效和广泛交联。这些交联的配体使得纳米晶更稳定，并保护纳米晶免于化学降解和免于失去其发光或荧光性质。

此外，所述取代的二苯甲酮加合物在纳米晶表面上提供了反应性取代基团，由此将纳米晶官能化，因此使得纳米晶更水溶性或可用于结合至生物分子或其他部分。

通过自由基加成结合所述取代的二苯甲酮的纳米晶表面上的配体可为具有结合至纳米晶无机表面上的一个或多个纳米晶结合基团，并具有至少一个包含一个或多个C-H键的烷基部分的有机分子。所述烷基部分可为直链、支链或环状，或它们的组合。所述烷基部分可来自例如作为表面配体的三正辛基氧化膦（TOPO）、三正辛基膦（TOP）、十四烷基膦酸（TDPA）或油酸。

在一些实施例中，取代的二苯甲酮可提供多组分纳米粒子表面的有效交联。例如，Adams等人的美国专利No. 6,649,138描述了具有两亲性层/涂层的纳米粒子，所述两亲性层/涂层由在有机表面涂层/层上涂布的一种或多种两亲性聚合物（AMP）形成，所述有机表面涂层/层包含直接配位至纳米晶无机表面的表面配体。有机表面配体层可来自例如在纳米晶合成中所用的TOPO、TOP、TDPA或油酸。AMP为低分散性聚丙烯酸基聚合物，一些其羧酸被转化为酰胺以及由中链至长链烷基取代。在多组分纳米晶表面中，AMP分子可涂布表面配体烷基。AMP的一些羧酸在外部朝水粒子表面上提供水溶性，而稳定化内部疏水区域由AMP的中链或长链烷基形成，所述AMP的中链或长链烷基经由疏水-疏水相互作用而与属于在纳米晶表面上存在的配体的烷基相互作用。在这些实施例中，取代的二苯甲酮加合物可由表面涂层的配体的烷基形成，且取代的二苯甲酮的反应性取代基可与AMP的羧酸基团交联，由此将AMP层牢固连接至纳米晶的表面配体层。例如，取代的二苯甲酮的反应性氨基可与AMP的羧酸基团交联。在一些实施例中，取代的二苯甲酮加合物可由AMP涂层中的AMP分子的部分形成，且取代的二苯甲酮的反应性/光反应性取代基可被交联至另一AMP、表面配位配体或上述两者。例如，取代的二苯甲酮的反应性氨基可与另一AMP的羧酸基团交联。

在一些实施例中，本文提供了通过交联纳米晶表面上的配体而稳定化配体涂布的纳米粒子的组合物和方法，或者通过提供化学键（共价键）而稳定化具有包含配体的表面涂层和包含聚合物分子（所述聚合物分子被连接至表面配体）的另外的涂层的纳米粒子的组合物和方法，其中所述化学键将聚合物分子连接至纳米晶上的配体或将聚合物分子彼此连接。在一些实施例中，自由基加成反应使用双官能化合物以通过由照射引发的自由基反应（光引发反应）与配体形成一个键，且所述双官能化合物通过非自由基反应与配体或另一聚合物分子形成另一个键。所述两个反应可将配体彼此连接，它们可将聚合物连接至配体，或它们可将两个聚合物连接在一起。这些方法涉及自由基加成反应以通过交联纳米晶上的配体，或通过将聚合物连接至纳米晶上的配体而改性和稳定化配体涂布的纳米晶。所述方法也可用于通过将聚合物分子连接至纳米晶表面上的配体而将其他聚合物分子连接至纳米晶。所述方法也可用于将与纳米晶上的配体缔合的聚合物分子连接在一起以形成与纳米晶配体稳定缔合或络合的交联的聚合物分子层，由此形成包含聚合物分子的稳定化的纳米粒子。

本文所用的聚合物可具有两个或更多个类型的反应性基团，其中一种为光反应性的，并在照射时与纳米粒子或纳米晶表面上的涂层中存在的C-H键发生自由基加成。聚合物的第二类反应性官能团可为亲水性的和/或参与纳米粒子表面的溶解、共轭或衍生。所述聚合物可为线性的、分支的、多分支的或树状的；合适的聚合物分子在本文进一步描述。所述聚合物可为两亲性的，具有在其结构的一些部分中取代的多个疏水性光反应性基团和在其结构的其他部分中取代的多个亲水性反应性官能团。稳定化涂布的纳米粒子的方法包括光反应性聚合物自组装至涂布的纳米粒子表面上，以及组装的纳米粒子的光解。用于这种方法的合适的光反应性聚合物的一个例子为具有结合至其上的一个或多个取代的二苯甲酮的AMP。例如，可通过在氨基二苯甲酮的氨基和AMP的羧基之间形成酰胺键而将AMP共价键合至一个或多个氨基二苯甲酮。当这种光反应性聚合物与纳米晶上的配体缔合时，二苯甲酮部分与纳米晶上的配体的烷基的光化学反应可用于将AMP分子连接至配体（并任选地将AMP分子连接至相邻的AMP分子），从而提供稳定化的纳米粒子。

参照本文的某些实施例，并进一步考虑本文包括的实例，根据如下更详细的描述，本公开的其他方面和优点将是明显的。应了解本文所用的术语仅为了描述具体实施例的目的，而不旨在为限制性的。

附图说明

为了进一步理解本文公开的实施例的性质和优点，参考与附图相关的如下详细描述，其中：

图1显示了氨基二苯甲酮（或氨烷基二苯甲酮）1-1如何通过非自由基反应（例如偶联反应以形成酰胺/肽键）而共价键合至在纳米粒子1-3上的具有羧基的已有官能化配体，从而得到新的配体，其中氨基二苯甲酮或氨烷基二苯甲酮连接至所述新的配体。所述新的配体可被光解以交联至具有烷基的另一配体（并由此得到纳米粒子1-7）。图1也表明了氨基二苯甲酮（或氨烷基二苯甲酮）1-1如何通过自由基反应而用于官能化纳米晶1-3上的具有烷基的配体。二苯甲酮加合物1-6上的官能化的配体（具有氨基）可进一步交联至另一配体，由此利用不同的途径形成纳米粒子1-7。例如，当其他配体具有羧基时，酰胺/肽键形成反应（非自由基反应）可用于交联。氨基至羧基的反应也可称为氨基的酰化。阴影球表示纳米晶或纳米粒子，源自阴影球的线表示连接至纳米晶或纳米粒子的配体或配体部分。延伸自纳米晶或纳米粒子的直线不旨在表示明确的化学键，而仅表示配体的非特定部分。l、m和n的每一个可为例如0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。R可为例如H、NH₂、CH₂NH₂或COOH。

图2显示了在纳米粒子2-1（其可通过得到纳米粒子1-6的图1所述的将配体官能化的方法形成）上的具有氨基二苯甲酮加合物的配体如何通过使用交联剂（例如三(羟甲基)膦（THP））而交联至也具有氨基的另一配体，并由此生成纳米粒子2-3[也显示了中间纳米粒子2-2]。应注意在其他配体上的氨基可为由另一氨基二苯甲酮加合物提供的氨基。若图1的纳米粒子1-1具有两种配体，每一种具有烷基，则图1所述的将配体官能化的方法（以形成纳米粒子1-6上的官能化配体）可用于将所述两种配体官能化，并由此提供每一种都具有氨基二苯甲酮加合物的两种配体。l、m和n的每一个可为例如0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。

图3显示了将具有烷基的配体官能化的其他方式。使用NBS溴化提供了在配体上的烷基上的溴基团。溴基团可发生进一步的化学改性，如被转化为叠氮基或氨基。图3也显示了通过使用烷基化（例如使用胱氨酸交联两个配体，每一个配体具有溴基团）、环加成（例如使用具有两个-C≡CH（炔基官能团）的化合物交联两个配体，每一个配体具有叠氮基），或其他已知反应（例如使用THP交联两个配体，每一个配体具有氨基）交联两个官能化的配体的其他方式。m1、n1、m2和n2的每一个可为例如0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。

图4显示了当暴露于UV光时，由核/壳CdSe/ZnS纳米晶QDOT^TM 655和聚丙烯酸制得的交联的涂布的纳米粒子的量子产率，其中一些羧酸基团已与辛胺和4-氨基二苯甲酮偶联。光解的纳米粒子的量子产率在UV下暴露约20至40分钟时显著增加。

图5图示了由可光活化的交联剂衍生化的两亲性聚合物（AMP）（例如一个或多个双官能分子连接至AMP）如何在利用与直接结合至无机表面的疏水性配体的疏水-疏水相互作用的方法中涂布纳米粒子表面，并接着光解，从而导致可光活化交联剂的光活化和在纳米粒子表面上的数种可能的稳定交联类型的形成。由于附近去H目标的高的有效浓度以及光生反应性部分与在水中趋于更经常发生的非生产性活动隔绝，由自组装过程造成的在疏水性区域内的双官能交联剂的可光活化基团的固定导致有效的交联。

具体实施方式

本文公开的实施例可参考如下详细描述和实例而更易于理解。应了解所用的术语仅为了描述具体实施例的目的，而不旨在为限制性的。

除非另外定义，所有技术和科学术语与公开的实施例所属领域中的普通技术人员所通常理解的具有相同的含义。

本文所用的“一”或“一种”意指“至少一种”或“一种或多种”。

本文所用的“约”意指数值为近似的，小的变化不会显著影响所公开的实施例的实施。当使用数值限制时，除非上下文另外指出，“约”意指数值可变化±10%并保持在所公开的实施例的范围内。

术语“烯基”在本文用于意指具有2-20个碳原子的直链或支链基团，除非链长另外限定，其中在链中的两个碳原子之间存在至少一个双键，其包括但不限于乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、2-甲基-1-丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基等。优选地，烯基链长度为2至8个碳原子，最优选长度为2至4个碳原子。

本文所用的术语“烷基”本身或作为另一基团的部分指具有至多20个碳的直链或支链基团，除非链长另外限定，其例如甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、仲丁基、叔丁基、异丁基、戊基、己基、异己基、庚基、4,4-二甲基戊基、辛基、2,2,4-三甲基戊基、壬基或癸基。

术语“炔基”在本文用于意指具有2-20个碳原子的直链或支链基团，除非链长另外限定，其中在链中的两个碳原子之间存在至少一个三键，其包括但不限于乙炔基、1-丙炔基、2-丙炔基等。优选地，炔基链长度为2至8个碳原子，最优选长度为2至4个碳原子。

在存在烯基或炔基部分作为取代基的本文的所有实例中，不饱和键（即乙烯基（vinyl）或乙烯基（ethenyl）键）优选不直接结合至氮、氧或硫部分。

术语“烷氧基”或“烷基氧基”指连接至氧原子的任意上述烷基。典型的例子为甲氧基、乙氧基、异丙氧基、仲丁氧基和叔丁氧基。

本文所用的术语“芳烷基”或“芳基烷基”本身或作为另一基团的部分指具有芳基取代基的如上所述的C_1-6烷基，如苄基、苯乙基或2-萘甲基。

本文所用的术语“芳基”本身或作为另一基团的部分指在环部分中含有6至12个碳，优选在环部分含有6-10个碳的单环或双环芳香基团。典型的例子包括苯基、联苯基、萘基或四氢萘基。

本文所用的术语“结合”或“可操作地结合”可互换地指两个或更多个分子的组合之间的共价键或非共价缔合的形成，所述共价键或非共价缔合具有足够的稳定性以在本文所述的检测体系和本领域已知的与此相关的标准条件中使用。所述结合可包括但不限于共价键、离子键、氢键或范德华相互作用的一种或多种。

本文所用的术语“涂层”指不是无机部分的纳米粒子的部分，其不包括也可能存在的与纳米粒子缔合以直接与检测和生物鉴定相关的任意生物源货物（cargo）部分。在一些实例中，涂层可包含经由共价键或配位共价键直接结合至无机核或壳的小分子配体。在其他实例中，涂层可包含利用与配体的疏水:疏水相互作用而与纳米粒子稳定缔合的两亲性聚合物，所述配体本身经由共价键或配位共价键直接结合至无机核或壳。在一些实例中，涂层可包含一类或多类小分子配体和通过任意上述方式与纳米晶缔合的一类或多类两亲性聚合物的组合。

本文所用的术语“羧烷基”指任意上述烷基，其中所述烷基的一个或多个氢被一个或多个羧酸部分取代。

“纳米晶核”应理解为意指未涂敷壳的纳米晶，通常其为半导体纳米晶。纳米晶核可具有均匀组成或者其组成可随纳米晶内的深度变化。许多类型的纳米晶是已知的，且制备纳米晶核以及将壳涂敷至纳米晶核的方法是本领域已知的。本文所述的壳形成方法适用于在纳米晶核上制备壳。为了区分所公开的实施例中所用的纳米晶以及在壳形成步骤中非故意形成的纳米晶，将引入反应混合物中的纳米晶称为初级纳米晶，而无论其为纳米晶核或是核/壳纳米晶。在两种情况中，本文公开的方法在初级纳米晶表面上生成新壳。

在权利要求书和说明书中所用的词语“包含”（以及任意形式的包含）、“具有”（以及任意形式的具有）、“包括”（以及任意形式的包括）或“含有”（以及任意形式的含有）为包括端点的或开放式的，且不排除另外的、未指出的要素或方法步骤。

本文所用的术语“环烷基”本身或作为另一基团的部分指含有3至9个碳原子的环烷基。典型的例子为环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环庚基、环辛基和环壬基。

本文所用的术语“环烷基烷基”或“环烷基(烷基)”本身或作为另一基团的部分指结合至烷基的环烷基。典型的例子为2-环戊基乙基、环己基甲基、环戊基甲基、3-环己基正丙基和5-环丁基正戊基。

本文所用的术语“环烯基”本身或作为另一基团的部分指含有3至9个碳原子和1至3个碳-碳双键的环烯基。典型的例子包括环丙烯基、环丁烯基、环戊烯基、环己烯基、环己二烯基、环庚烯基、环庚二烯基、环辛烯基、环辛二烯基、环辛三烯基、环壬烯基和环壬二烯基。

本文所用的术语“二烷基胺”或“二烷基氨基”本身或作为另一基团的部分指基团NH₂，其中两个氢已经被烷基代替，如上所定义。

本文所用的术语“卤代烷基”指任意上述烷基，其中所述烷基的一个或多个氢被一个或多个卤素部分取代。典型的例子包括氟甲基、二氟甲基、三氟甲基、三氯乙基、三氟乙基、氟丙基和溴丁基。

本文所用的术语“卤素”或“卤代”本身或作为另一基团的部分指氯、溴、氟或碘。

术语“杂环”可指“杂芳基”。本文所用的“杂芳基”指具有5至14个环原子的基团；在环状阵列中共享6、10或14个π电子；并含有碳原子和1、2、3或4个氧、氮或硫杂原子（其中杂芳基的例子为：噻吩基、苯并[b]噻吩基、萘并[2,3-b]噻吩基、噻蒽、呋喃基、吡喃基、异苯并呋喃基、苯并

唑基、苯并吡喃基、呫吨基、吩

噻、2H-吡咯基、吡咯基、咪唑基、吡唑基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、吲哚嗪基、异吲哚基、3H-吲哚基、吲哚基、吲唑基、嘌呤基、4H-喹嗪基、异喹啉基、喹啉基、酞嗪基、萘啶基、喹唑啉基、噌啉基、蝶啶基、4αH-咔唑基、咔唑基、β-咔啉基、菲啶基、吖啶基、萘嵌间二氮杂苯基、邻二氮菲基、吩嗪基、异噻唑基、吩噻嗪基、异

唑基、呋咱基、吩嗪基和四唑基）。

本文所用的术语“杂芳基烷基”或“杂芳烷基”均指结合至烷基的杂芳基。典型的例子包括2-(3-吡啶基)乙基、3-(2-呋喃基)正丙基、3-(3-噻吩基)正丙基和4-(1-异喹啉基)正丁基。

术语“杂原子”在本文用于意指氧原子（“O”）、硫原子（“S”）或氮原子（“N”）。可认识到当杂原子为氮时，其可形成NR^aR^b部分，其中R^a和R^b彼此独立地为氢或C₁至C₈烷基，或者与它们结合的氮一起形成饱和或不饱和5元、6元或7元环。

术语“杂环”也可指“杂环烷基”或“杂环”。本文所用的“杂环烷基”或“杂环”可指任意饱和或部分不饱和的杂环。“杂环”本身或作为另一基团的部分可指具有选自碳原子和1、2、3或4个氧、氮或硫杂原子的5至14个环原子的饱和或部分饱和的环体系。典型的饱和的例子包括吡咯烷基、咪唑烷基、吡唑烷基、四氢呋喃基、四氢吡喃基、哌啶基、哌嗪基、奎宁环基、吗啉基和二氧杂环己基。典型的部分不饱和的例子包括吡咯啉基、咪唑啉基、吡唑啉基、二氢吡啶基、四氢吡啶基和二氢吡喃基。这些体系的任一可稠合至苯环。当取代基为氧杂（即=O）时，则原子上的2个氢被代替。当芳香部分被氧杂基团取代时，芳香环被相应的部分不饱和的环代替。例如，被氧杂取代的吡啶基团导致吡啶酮。

术语“羟基”和“氢氧基”可互换使用以指基团-OH。

本文所用的术语“羟烷基”指任意上述烷基，其中所述烷基的一个或多个氢被一个或多个羟基部分取代。

术语“无机表面”指无机纳米晶核或覆盖纳米晶核的无机壳的外部无机边界。本文定义的“配体”和“涂层”指存在的或可涂敷至无机表面上的另外的修饰（modifications）。

本文所用的术语“配体”指经由直接共价键或配位共价键化学结合至纳米晶核或纳米晶的壳的无机表面的分子物种。

本文所用的术语“发光”和“荧光”具有一个和相同的含义。本文所用的术语“发光”和“荧光”具有一个和相同的含义。

本文所用的术语“单烷基胺”或“单烷基氨基”本身或作为另一基团的部分指基团NH₂，其中一个氢被烷基代替，如上所定义。

本文所用的“单分散”指粒子群体（例如胶体体系），其中粒子具有基本上相同的尺寸和形状。为了本公开的目的，“单分散”粒子群体意指至少约60%的粒子，优选约75%至约90%的粒子落入指定的粒子尺寸范围内。单分散粒子群体的直径偏差小于10% rms（均方根），优选偏差小于5% rms。

本文所用的“纳米晶”可指由通常具有有序结晶结构的无机物质制得的具有至少一个在纳米尺寸范围内的主要尺寸的纳米粒子。通常，纳米晶可具有至少一个约1至1000 nm的主要尺寸。其可指具有结晶核的纳米晶（核纳米晶）或指核/壳纳米晶。通常，纳米晶具有1至100 nm，在一些实施例中约1至50 nm之间的核直径。

本文所用的“纳米粒子”指任意纳米晶（如核或核/壳纳米晶），其可任选地进一步具有配体或可在纳米晶表面上的其他材料的表面涂层。纳米粒子也可包括核/壳纳米晶，以及具有例如TDPA、OPA、TOP、TOPO或其他材料的层（通过常规溶剂化不会将所述层从表面去除）的核纳米晶或核/壳纳米晶。纳米粒子可在其表面上具有可被进一步交联的配体层；纳米粒子可具有改变粒子性质（例如在水或其他溶剂中增加或减少的溶解度）的其他或另外的涂层（除了配体涂层外）。在表面上的这种层/涂层包含于术语“纳米粒子”。

“任选的”或“任选地”可用于意指随后描述的结构、事件或情况可能或不可发生，且描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。

当未明确限定时，表述“任选取代的”指被一种或多种取代基任选取代的基团，所述取代基独立地选自：羟基、硝基、三氟甲基、卤素、C_1-6烷基、C_1-6卤代烷基、C_1-6烷氧基、C_1-6亚烷基二氧基、C_1-6氨烷基、C_1-6羟烷基、C_2-4烯基、C_2-4炔基、C_6-10芳基、苯氧基、苄氧基、5-10元杂芳基、C_1-6氨基烷氧基、氨基、单(C_1-4)烷基氨基、二(C_1-4)烷基氨基、C_2-6烷基羰基氨基、C_2-6烷氧基羰基氨基、C_2-6烷氧基羰基、C_2-6烷氧基羰基烷基、羧基、C_2-6羟基烷氧基、(C_1-6)烷氧基(C_2-6)烷氧基、单(C_1-4)烷基氨基(C_2-6)烷氧基、二(C_1-4)烷基氨基(C_2-6)烷氧基C_2-10单(羧基烷基)氨基、双(C_2-10羧基烷基)氨基、C_2-6羧基烷氧基、C_2-6羧基烷基、羧基烷基氨基、胍基烷基、羟基胍基烷基、氰基、三氟甲氧基、全氟乙氧基、氨基羰基氨基、单(C_1-4)烷基氨基羰基氨基、二(C_1-4)烷基氨基羰基氨基、N-(C_1-4)烷基-N-氨基羰基-氨基, N-(C_1-4)烷基-N-单(C_1-4)烷基氨基羰基-氨基或N-(C_1-4)烷基-N-二(C_1-4)烷基氨基羰基-氨基。

本文所用的“表面层”或“表面涂层”指与纳米晶配位缔合的分子层，或者在一些情况中，与位于纳米晶无机表面上的直接配位的疏水性配体疏水性缔合的另外的朝水外部聚合物涂层，任意或所有表面层可如本文所述进一步交联或改性。例如，使用本领域技术人员已知的条件，可将表面层改性以去保护或脱去存在于配体上的官能团。本文所用的配体指配位至纳米晶的无机表面的分子。纳米粒子可具有改性粒子的溶解性质的其他或另外的涂层，其有时在本文称为“涂布层”或“覆盖层”或“涂层”。表面层/涂层（或纳米粒子的配体层上的外部涂层，如果存在）也可被可操作地结合至货物分子，例如抗体、多核苷酸或其他生物分子。

本领域已知的任意官能团可在各个实施例中用作官能团。因此，可制得具有多种表面官能团的纳米粒子。例如，在一些实施例中，官能团可为卤素、氨基、羟基，或取代的烷氧基、酰基，或二苯甲酮部分。在一些实施例中，官能团可用于增加纳米粒子的亲水性。官能团可也为可用于将官能化配体交联至在相同纳米粒子上的其他部分的基团（例如，通过本文提供的方法形成的两个官能化配体可被交联，或通过本文提供的方法形成的官能化配体可被交联至另一已存在的官能化配体）。在一些实施例中，官能团为可用于与另一部分反应的反应性官能团。

在一些实施例中，纳米粒子包含纳米晶和配位至纳米晶的无机表面的表面涂层（如分子配体）。在一些实施例中，表面涂层的配体连接至纳米晶。在一些实施例中，纳米粒子包含纳米晶、配位至纳米晶的无机表面的配体的表面涂层（如有机小分子表面涂层），和连接至表面配体涂层的聚合物分子的另外的涂层。在这种实施例中，在另外的聚合物涂层中的聚合物通过例如疏水-疏水相互作用连接至纳米晶表面层。

用于实施例中的纳米晶一般为亮荧光纳米晶，且由它们制得的纳米粒子通常也是亮的，例如具有至少约10%，有时至少20%，有时至少30%，有时至少40%，有时至少50%或更高的量子产率。在一些实施例中，纳米晶可具有配体表面层以保护它们在使用过程中或在储存时免于降解，因此通过实施例的方法制得的分离的纳米晶可在纳米晶的壳的外部上具有配体表面层。

本文所用的“量子点”通常指由在本体时为半导体或绝缘材料的材料制得的纳米晶粒子，其具有在近紫外（UV）至远红外（IR）范围内可调节的光物理性质。

本文所用的术语“水溶性”意指物质在水性基（aqueous-based）溶液中，如在水中或者水基（water-based）溶液或缓冲溶液（包括本领域技术人员已知的用于生物或分子检测体系中的那些）中可溶或可悬浮。在属于用于描述单独溶剂化的小分子的意义上，尽管水溶性纳米粒子并非真正“溶解”，它们在与它们的外表面层可相容的溶剂中溶剂化和悬浮，因此易于分散于水中的纳米粒子被认为是水溶性的或水分散性的。因此术语水分散性也可用于描述该性质。水溶性或水分散性纳米粒子也可被认为是亲水性的，因为其表面与水可相容并具有水溶性。

本文所用的术语“疏水性纳米粒子”可指易于分散于或溶解于例如己烷、甲苯等的水不溶混溶剂中的纳米粒子。这种纳米粒子一般不易于分散于水中。

纳米粒子可以不同复杂度的形状进行合成，如球形、棒状、盘状、三角形、纳米环、纳米壳、四针状、纳米线等。这些几何的每一种具有不同的性质：粒子的表面电荷的空间分布、入射光波的极性的取向依赖性和电场的空间范围。在一些实施例中，纳米晶体大概为球形。

在一些实施例中，纳米粒子可为核/壳纳米晶，其具有由半导体壳覆盖的纳米晶核。可使壳的厚度适合于提供所需的粒子性质。壳的厚度可影响荧光波长、量子产率、荧光稳定性和其他光物理特性。

纳米晶核和壳可由已知形成半导体纳米晶的任何合适的金属和非金属原子制成。用于核和/或壳的合适的半导体材料包括但不限于包括第2-16、12-16、13-15和14族元素基半导体的那些，如ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、HgS、HgSe、HgTe、MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb、AlS、AlP、AlSb、PbS、PbSe、Ge和Si及其三元和四元混合物。通常，核/壳纳米晶的核和壳由不同的半导体材料组成，这意味着核/壳的核的二元半导体材料的至少一个原子类型不同于核/壳纳米晶的壳中的原子类型。

纳米晶可特征在于它们的发射光的百分比量子产率。例如，量子产率可大于约10%，大于约20%，大于约30%，大于约40%，大于约50%，大于约60%，大于约70%，大于约80%，大于约90%，以及这些值的任意两个之间的范围。量子产率通常大于约30%，优选大于50%或大于70%。

纳米晶可具有任何合适的尺寸，通常，将其尺寸设定为在电磁谱的UV-可见光部分提供荧光发射，因为该范围便于用于在相关介质中监测生物和生化活动。尺寸和荧光发射波长之间的关系是公知的，因此制备发射较短波长的纳米粒子需要选择在小尺寸下提供合适波长的特定材料，如设计得特别小的作为核/壳纳米晶的核的ZnTe。在常见的实施例中，本文所述的纳米晶的直径为约1 nm至约100 nm，有时直径为约1至约50 nm，有时直径为约1至约25 nm。对于基本上不为球形，例如棒状的纳米晶，其最小尺寸可为约1至约100 nm，或约1 nm至约50 nm或1 nm至约25 nm。

通常，纳米晶为直径或最大尺寸为约1 nm至约100 nm，或为约2 nm至约50 nm，在某些实施例中为约2 nm至约20 nm或约2 nm至约10 nm的半导体粒子。更特别的尺寸范围包括约0.5 nm至约5 nm，约1 nm至约50 nm，约1 nm至约20 nm。特别的尺寸粒子包括约0.1 nm，约0.5 nm，约1 nm，约2 nm，约3 nm，约4 nm，约5 nm，约6 nm，约7 nm，约 8 nm，约9 nm，约10 nm，约11 nm，约12 nm，约13 nm，约14 nm，约15 nm，约16 nm，约17 nm，约18 nm，约19 nm，约20 nm，约25 nm，约30 nm, 约35 nm，约40 nm，约45 nm，约50 nm，以及这些值的任意两个之间的范围。

在一些实施例中，纳米晶核的直径小于约10 nm，或小于约7 nm，或小于约5 nm。这些纳米晶的小尺寸在许多应用中是有利的，特别是由于一些实施例的纳米晶对于它们的尺寸而言出乎意料地亮。

典型的纳米粒子的单色制剂具有优选基本上相同尺寸和形状的纳米晶。纳米晶通常被认为形状为球形或接近球形，但其实际上可呈现许多形状，例如，纳米晶的形状可为非球形。例如，对于更红的颜色，纳米晶的形状可变为扁圆球形。优选的是至少约60%，至少约70%，至少约80%，至少约90%，至少约95%，且理想地约100%的粒子具有相同的尺寸和形状。尺寸偏差可作为直径的均方根（“rms”）测得，其为小于约30% rms，优选小于约20% rms，更优选小于约10% rms。尺寸偏差可小于约10% rms，小于约9% rms，小于约8% rms，小于约7% rms，小于约6% rms，小于约5% rms，或在这些值的任意两个之间的范围内变化。这种粒子的集合有时称作“单分散”。本领域普通技术人员将了解纳米晶的特定尺寸，如半导体纳米晶的特定尺寸实际上作为粒子尺寸分布获得。

公知的是半导体纳米晶的颜色（发射光）可通过改变纳米晶的尺寸和组成而得以“调节”。纳米晶优选吸收宽频谱的波长，并发射窄波长范围的光。激发波长和发射波长通常是不同的且不重叠。单分散群体的纳米粒子可特征在于它们产生具有相对较窄的波长带的荧光发射。发射宽度（FWHM）的例子包括小于约200 nm，小于约175 nm，小于约150 nm，小于约125 nm，小于约100 nm，小于约75 nm，小于约60 nm，小于约50 nm，小于约40 nm，小于约30 nm，小于约20 nm，和小于约10 nm。在发射带的半高宽（FWHM）处，发射带的宽度优选小于约50 nm，更优选小于约20 nm。发射光优选具有发射波长强度的对称分布。发射最大值一般在约200 nm至约2,000 nm的任意波长处。发射最大值的例子包括约200 nm，约400 nm，约600 nm，约800 nm，约1,000 nm，约1,200 nm，约1,400 nm，约1,600 nm，约1,800 nm，约2,000 nm，和在这些值的任意两个之间的范围内变化。在一些实施例中，绿色是合意的，因此选择绿色区域内的波长。

在本文的一些实施例中，由于荧光纳米晶核的存在，纳米粒子常常为发荧光的。纳米粒子通常特征在于在可见光谱中的荧光发射最大值，且一些实施例的单分散纳米晶群体的荧光通常特征在于当照射时，所述群体发射峰值发射在约470 nm至约620 nm光谱范围内的光。

本文提供的纳米粒子一般是亮的且稳定的，提供大于约20%，或大于约30%，或大于约50%，或大于约70%的量子产率。

一些实施例的单分散群体的纳米粒子可特征在于它们产生具有相对较窄的波长带的荧光发射。在一些实施例中，单分散粒子群体的特征在于当照射时，所述群体发射带宽小于约60 nm FWHM，或小于约50 nm FWHM，或小于约40 nm FWHM，或小于约30 nm FWHM，或小于约25 nm FWHM的光。

在一些实施例中，纳米粒子可包括核/壳纳米晶，其具有由半导体壳覆盖的纳米晶核。可使壳的厚度适合于提供所需的粒子性质。壳的厚度以已知的方式系统地影响荧光波长，并对量子产率、荧光稳定性和其他光物理特性具有显著影响。

在一些实施例中，在本文所述的配体改性之前，可通过将外涂层或壳加至半导体纳米晶体核而改性半导体纳米晶核，从而提高其光发射的效率和稳定性。可优选具有壳，因为半导体纳米晶表面的缺陷会产生电子或空穴阱（其损害半导体纳米晶核的电学和光学性质），或引起其他非辐射能量损失机制（其消散吸收光子的能量或影响光发射的波长），从而导致发射带的加宽。在半导体纳米晶核表面的无机绝缘层可在核-壳界面提供化学势的突跃，其大大减少或消除了充当电子和空穴阱的低能态。这导致发光过程中的更高效率。

用于壳的合适材料包括具有比半导体纳米晶核更高的带隙能量的半导体材料。除了具有比半导体纳米晶核更大的带隙能量之外，用于壳的合适材料应相对于核半导体纳米晶具有良好的导电和价带偏移。因此，其相比于核半导体纳米晶，导带有利地能量更高且价带有利地能量更低。对于在可见光发射能量（例如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、ZnTe、GaP、GaAs）或在近IR发射能量（例如InP、InAs、InSb、PbS、PbSe）的半导体纳米晶核，可使用带隙能量在紫外区域内的材料。示例性的材料包括ZnS、GaN，和硫属化镁，例如MgS、MgSe和MgTe。对于在近IR发射光的半导体纳米晶核，也可使用带隙能量在可见光区域内的材料，如CdS或CdSe。涂布的半导体纳米晶的制备可见于如下文献：例如，Dabbousi等人的(1997) J. Phys. Chem. B 101:9463、Hines等人的(1996) J. Phys. Chem. 100: 468-471、Peng等人的(1997) J. Am. Chem. Soc. 119:7019-7029和Kuno等人的(1997) J. Phys. Chem. 106:9869。本领域中也应了解特定纳米晶核的实际发射波长取决于核的尺寸以及其组成，因此如上分类为近似的，且取决于核的尺寸和形状，描述为在可见光或近IR发射的纳米晶核可实际上在更长或更短波长处发射。

在一些实施例中，存在于纳米晶核上的壳层的金属原子选自Cd、Zn、Ga和Mg。在这些半导体壳层中的第二元素可选自S、Se、Te、P、As、N和Sb。在一些实施例中，半导体纳米晶为核/壳纳米晶，且核包含选自Zn、Cd、In、Gd和Pb的金属原子。一些优选的纳米晶核包括CdS、CdSe、InP、CdTe、ZnSe和ZnTe；一些优选的壳材料包括ZnS、ZnSe、CdS和CdSe。

纳米晶可具有任何合适的尺寸，通常，将其尺寸设定为在电磁谱的UV-可见光部分提供荧光发射，因为该范围便于用于在相关介质中监测生物和生化活动。尺寸和荧光发射波长之间的关系是公知的，因此制备发射较短波长的纳米粒子需要选择在小尺寸下提供合适波长的材料，如设计得特别小的作为核/壳纳米晶的核的InP。通常感兴趣的纳米晶直径为约1 nm至约100 nm，或约1至约50 nm，或约1至约40 nm，或约1至约25 nm。对于基本上不为球形，例如棒状的纳米晶，其最大尺寸可为约1至约100 nm，或约1 nm至约50 nm或1 nm至约40 nm，或约1 nm至约20 nm。

半导体纳米晶可使用本领域已知的技术制得。这些方法通常制得在其表面上具有疏水性配体（如三辛基膦（TOP）或三辛基氧化膦（TOPO））涂层的纳米晶，所述疏水性配体涂层有助于保护和稳定纳米晶免于快速降解。由于纳米晶表面具有许多用于这种配体的结合位点，典型的方法导致纳米晶的暴露表面的涂层（其在外表面具有烷基层），并生成具有疏水性（即与水不相容）表面的纳米晶。

在一些实施例中，待改性的纳米粒子包含纳米晶和配位至纳米晶的无机表面的小分子配体的表面涂层。在一些实施例中，待改性的纳米粒子包含纳米晶、配位至纳米晶的无机表面的小分子配体的表面涂层（即表面涂层为有机配体涂层），和在所述配体涂层上的另外的聚合物涂层（如两亲性聚合物）。

将在纳米粒子的表面涂层中的配体或其他涂层中的其他分子官能化

在一方面，本文提供了通过自由基反应将纳米粒子的表面涂层中的一个或多个配体官能化的方法，或者将纳米粒子的另一涂层中的一个或多个分子官能化的方法。由此形成的官能化配体（或其他涂层分子）具有一种或多种官能团。因此，本文所用的将配体（或涂层分子）官能化指通过引入一种或多种官能团改性配体（或涂层分子）。在一些实施例中，待官能化的配体（或涂层分子）包含脂族基团（例如烷基）。

在一些实施例中，待官能化的配体在半导体纳米晶上的表面涂层中。在纳米晶上的配体涂层可为本领域技术人员已知的任何合适的有机涂层，例如，三正辛基氧化膦（TOPO）、三正辛基膦（TOP）、十四烷基膦酸（TDPA）、十八烷基膦酸（OPA）、癸胺、二辛胺或油酸涂层。在另一实例中，纳米晶的表面涂层可包括二肽配体涂层。

待官能化的表面分子可为任何合适的有机化合物，该有机化合物配位至纳米晶足够牢固，使得当纳米晶分散于可相容的溶剂中时该有机化合物保持在纳米晶上。待改性（或官能化）的纳米粒子的表面配体的一些例子包括膦、氧化膦、膦酸酯、羧酸酯、胺、咪唑、硫醇（thiol）、硫醇（mercaptan）、磺酸酯、磷酸酯和硒酸酯的衍生物，上述的每一个含有一个或多个烃基。烃基通常为烷基或烯基，每个配体的每个烃基具有1-40或1-24个碳原子。膦、氧化膦和胺可各自具有1-3个这种烃基/配体，而膦酸酯和羧酸酯具有1个烃基/配体。在一些实施例中，在最初纳米粒子上的表面配体选自TOP、TOPO、TDPA、OPA、癸胺、二辛胺、油酸、具有更长或更短烷基链作为它们的烃基的任意这些的类似物和同系物，其中每个烷基链的长度为约4至约20个碳原子，或约6至约20个碳原子。

在一些实施例中，表面涂层的配体直接络合至纳米晶。例如，络合至纳米晶的配体为配位至纳米晶的膦酸或膦或氧化膦或羧酸酯或硫醇或咪唑连接基团。在一些实施例中，表面配体通过连接基团（例如OPA的膦酸基团）配位至纳米晶表面。在一些实施例中，络合至纳米晶的配体包含C₁-C₄₀脂族烃基或C₄-C₂₀脂族烃基。例如，当络合至纳米晶的配体具有配位至纳米晶的膦酸或膦或氧化膦或羧酸酯或硫醇或咪唑连接基团时，配体还包含至少一个C₄-C₂₀烷基，例如，未取代的C₄-C₂₀烷基链。

两亲性聚合物（AMP）的一些例子可见于美国专利No. 6,649,138，其以全文引用的方式并入本文。聚合物涂层也可为两亲性的，具有多个疏水性域/区域（例如烷基侧链）或多个亲水性域/区域[例如包含亲水性基团或极性基团（例如羧酸酯基团）的侧链，其可提供/增加水溶性]。在一些实施例中，聚合物可为两亲性聚合物（AMP）。聚合物可具有任何链结构，例如，其可为直链或支链、多分支或树状，且聚合物可为均聚物或共聚物。在Adams等人的例子中，疏水性纳米粒子具有包含分子的另外的层/涂层，所述分子具有疏水性域加上极性基团。所述疏水性域通过与存在于纳米晶上的有机配体基团的疏水-疏水相互作用而与纳米粒子的疏水性表面缔合，留下极性基团暴露于溶剂。所述极性基团则使得整个组合物为水溶性或水分散性。描述于Adams等人专利中的优选的另外的层/涂层为两亲性聚合物（AMP），其包含中链和/或长链烷基以提供疏水性域，以及羧酸基团以提供水溶性。因此，一些实施例也提供一种将存在于纳米晶的表面配体上的涂层中的分子（如两亲性聚合物）官能化的方法。本文所述的将配体官能化的方法可用于将作为纳米粒子的外部涂层而存在的其他涂层分子（例如两亲性聚合物）官能化。

自由基反应

在一些实施例中，待官能化的纳米晶的表面上的配体[或存在于纳米粒子的表面配体涂层上的涂层中的分子（如两亲性聚合物）]包含具有至少一个C-H键的脂族烃基。合适的烃脂族基团可为例如C₁-C₄₀、C₂-C₄₀、C₄-C₄₀或C₄-C₂₀脂族烃基，例如C₄-C₂₀烷基或未取代的C₄-C₂₀烷基链。在这种实施例中，本文提供的将纳米粒子的表面涂层中的配体（或存在于配体表面涂层上的涂层中的分子）官能化的方法包括通过自由基反应使配体或其他涂层分子的脂族烃基与能够形成自由基（包括双自由基）的试剂（自由基形成试剂）反应。自由基形成试剂能够从脂族基团（例如烷基）去除氢原子，由此将配体或其他涂层分子官能化（即官能化的配体或分子包含通过自由基反应引入的官能团）。所述官能团可直接或通过另一部分结合至脂族烃基（例如烷基）。

合适的自由基形成试剂的一些例子包括能够从配体或其他涂层分子的脂族基团（例如烷基）去除氢原子的酶或抗体酶，例如细胞色素p450或类似的氧化酶。其他合适的自由基形成试剂包括，例如，烷基二嗪，如二乙基二嗪和偶氮二异丁腈（AIBN）。合适的试剂的一些另外的例子包括取代的二苯甲酮（例如4-氨基二苯甲酮、4-苯甲酰苯甲酸、4,4′-二氨基二苯甲酮、3,3′,4,4′-二苯甲酮四羧酸、2′,3,4-二苯甲酮三羧酸和5,5'-羰基-双-偏苯三酸）、双酰基氧化膦、取代的过氧化物或取代的过氧化苯甲酰。合适的自由基形成试剂的另外的例子包括卤化试剂，如卤素（例如溴或氯）或其他溴化或氯化试剂[例如NBS、NCS和三溴化物盐（例如苯基三甲基溴化铵）]。在一些实施例中，当照射时试剂形成自由基或双自由基。

其他合适的自由基形成试剂包括能够形成过氧化物自由基的那些，例如，取代的过氧化苯甲酰、二叔丁基过氧化物或简单的酮（如丙酮或甲基乙基酮（MEK））的过氧化物，这些试剂可用烷氧基、酰氧基或羟基代替配体的烷基的氢原子。取代的过氧化苯甲酰，例如，可包含在取代的苯甲酰基被引入纳米晶上的配体或其他涂层部分之后用于交联配体的官能团。类似地，通过自由基反应引入的官能化的烷氧基或羟基可以以已知的化学转换用于交联配体。

在一些实施例中，能够形成自由基（包括双自由基）的试剂在照射时或在加热时形成自由基。在一些实施例中，能够形成自由基（包括双自由基）的试剂在照射时形成自由基。

在一些实施例中，能够形成自由基的试剂为通过自由基反应的卤化试剂，如NBS。反应可生成能够从配体的烷基抽去氢原子的自由基（如卤素自由基），并将卤素原子加至烷基，从而形成卤代基团。

在一些实施例中，在自由基反应中使用的能够形成自由基（包括双自由基）的试剂可称为自由基加成化合物。本文所用的“自由基加成化合物”为包含能够产生自由基物种的官能团的化合物。自由基加成化合物可在照射时（即为可光活化的）或在加热时（即可热活化的）产生自由基物种（包括双自由基物种）。在一些实施例中，自由基加成化合物具有光反应性官能团。

在一些实施例中，自由基加成化合物通过自由基加成与配体或其他涂层分子反应，由此形成官能化配体。因此官能化配体或其他分子包含得自自由基加成化合物与配体的自由基反应的部分，所述部分称为自由基加成部分。

在一些实施例中，能够形成自由基（包括双自由基）的试剂，例如自由基加成化合物，为双官能化合物。双官能化合物为包含能够产生自由基物种（包括双自由基物种）的第一官能团和能够通过非自由基机理形成共价化学键的第二官能团的化合物。第一官能团可在照射时（即为光反应性的）或在加热时（即为热反应性的）产生自由基物种（包括双自由基物种）。第一官能团可为，例如，取代的二苯甲酮的羰基、二嗪、叠氮或过氧化物连接（如在取代的过氧化苯甲酰中）。第二官能团可为，例如，反应性卤素、氨基、羟基、羧基、腈、硫醇，或如异硫氰酸酯、烯烃、炔烃、乙烯基、叠氮、琥珀酰亚胺、马来酰亚胺等的基团。与这种基团形成共价键的方法是本领域已知的。

如图1所示，在照射/光解时，取代的二苯甲酮1-1（具有氨基）形成双自由基激发物种1-2，该双自由基激发物种从纳米粒子1-3的表面上的配体的烷基抽去氢原子，从而生成在纳米粒子1-4上的烷基自由基和羰自由基1-5。然后该羰自由基1-5可与纳米粒子1-4上的配体的烷基自由基形成键，由此通过将取代的二苯甲酮（具有氨基）结合至配体而将配体官能化。氨基（作为官能团）通过包含苯基的部分加至配体。由于自由基加成而结合至配体的得自取代的二苯甲酮的部分在本文称为取代的二苯甲酮的反应加合物。

如图3所示，NBS可用于溴化纳米粒子3-1的表面上的配体的烷基，由此将配体官能化[溴原子/溴（作为官能团）经由自由基反应加至配体的烷基]。

在一些实施例中，引入表面涂层中的官能化配体（或在配体涂层上的涂层中的官能化分子）的官能团直接结合至待官能化的配体/分子的脂族基团（例如烷基）。在一些实施例中，引入官能化配体/分子的官能团通过至少一个介入的碳-碳键（例如连接至图1的纳米粒子1-6的官能化配体的氨基与烷基之间的键）结合至待官能化的配体/分子的脂族基团（例如烷基）。

在纳米粒子的表面涂层中的某些配体可为小有机分子（例如TOPO）。在一些实施例中，纳米粒子在配体涂层上具有另外的涂层，且该另外的涂层包含分子，如聚合物（例如两亲性聚合物）。例如，描述于Adams等人专利中的优选的另外的层/涂层具有两亲性聚合物（AMP），其包含中链至长链烷基以提供疏水性域，以及羧酸基团以提供水溶性。在照射时，取代的二苯甲酮（例如4-氨基二苯甲酮）可结合至描述于Adams等人专利的优选的另外的层/涂层中的AMP的烷基（类似于用于形成纳米粒子1-6上的官能化配体的图1所述的反应）。

使用本文所述的自由基反应将官能团引入官能化配体/涂层分子可导致官能团结合位置的低选择性，这是由于自由基物种的高反应性。也有可能一些配体/涂层分子被官能化而其他不被官能化。被官能化的配体/涂层分子可将新的官能团加至它们的有机或烃部分上的任意点，从而生成改性配体/分子的混合物。

在一些实施例中，具有加入的官能团的官能化配体/涂层分子为区域异构体，这意味着它们的官能团的结合位置不同。在一些实施例中，配体/涂层分子由于具有不同的官能团而彼此不同。

在一些实施例中，在官能化配体/涂层分子上的官能团可为卤素，或取代的烷氧基、酰基或二苯甲酮部分。官能团可用于增加纳米粒子的亲水性。官能团可进行化学改性以提供其他的官能团。官能团还可用于将官能化配体/涂层分子交联至也连接至相同纳米粒子上的其他部分（例如，通过本文提供的方法形成的两个官能化配体可被交联，或通过本文提供的方法形成的官能化配体可被交联至另一已存在的官能化配体）。

在一些实施例中，官能化配体/涂层分子包含取代的二苯甲酮的反应加合物。在取代的二苯甲酮加合物上的取代基可为任何所需的取代基，在一些实施例中，取代基可由于它们在交联配体/分子中的有效性而得以选择。在其他实施例中，至少一个取代基是由于其在提高纳米粒子的水分散性的有效性而得以选择。在一些实施例中，取代基是由于它们作为将纳米粒子连接至其他化合物或结构（如抗体或酶，如本领域广泛实施的）的结合点的有效性而得以选择。本文所用的化合物的反应加合物指得自化合物与另一化学实体的反应的化学部分。例如，当4-氨基二苯甲酮与羧酸缩合时，4-氨基二苯甲酮的反应加合物为通过酰胺键结合至配体/涂层分子的部分。在另一实施例中，当4-氨基二苯甲酮在自由基条件下与烷基化合物反应时，4-氨基二苯甲酮的反应加合物含有通过烷基化合物的碳原子结合至烷基化合物的部分。

在一些实施例中，至少一个官能化配体共价结合至与相同纳米粒子连接的另一配体。例如，官能化配体可包含取代的烷氧基、酰基或二苯甲酮部分，其中在取代部分上的取代基在其结合至官能化配体之前或之后通过共价键连接至与相同纳米粒子连接的另一配体。在一个这种实施例中，官能化配体包含取代的二苯甲酮的反应加合物。然后，取代的二苯甲酮的加合物的取代基用于与配位至相同纳米晶的另一配体形成共价键。在一些实施例中，与另一配体的共价键通过两个配体（均为二苯甲酮加合物）上的取代基之间的交联反应而形成。合适的交联反应是本领域已知的，并在本文描述。

在一些实施例中，通过本文的方法形成的官能化配体具有新引入的官能团，该官能团可发生消除反应，由此将与官能团结合的烷基转化为烯基。例如，被羟基取代的烷基可发生消除反应而得到烯基。在这种实施例中，在发生消除反应时，加至烷基的官能团形成烯基。

官能团的化学改性

官能化配体/涂层分子的官能团可进行进一步的化学改性（即官能化配体/涂层分子可进行进一步的化学改性）。例如，氨基可与羧酸基团反应形成酰胺/肽键（即酰化）。参见，例如图1。在另一实例中，在本领域技术人员已知的反应条件下，溴基团可被改性为羟基、烷氧基或氨基。在又一实例中，溴基团可被改性为叠氮基团，叠氮基团可进一步被改性为氨基。参见，例如图1。

如图2所示，连接至纳米粒子2-1的配体上的二苯甲酮反应加合物（具有氨基）可进行进一步的化学改性。其可与三(羟甲基)膦（THP）或本领域公知的其他合适的多官能交联剂之一反应以形成连接至纳米粒子2-2的不同的官能化配体，该官能化配体具有一个或多个新官能团（与膦缔合的另外两个羟甲基）。

官能化配体/涂层分子上的官能团的进一步的化学改性可用于将官能化配体/涂层分子结合至另一部分。在一些实施例中，其他部分与相同的纳米粒子连接。在一些实施例中，其他部分可为与相同纳米粒子连接的另一配体的一部分或相同官能化配体的另一部分。例如，当官能化配体包含TOPO的官能化烷基链时，一个官能化TOPO烷基链上的官能团可结合至相同配体的另一烷基链或与相同纳米粒子连接的另一TOPO配体（其可也被官能化）。

在一些实施例中，在官能化配体/涂层分子上的官能团的进一步的化学改性提供了可用于交联的不同的官能团。在一些实施例中，在表面配体上的官能团的进一步的化学改性可用于将配体交联至另一表面配体。如图3所示，溴可被转化为叠氮基团，该叠氮基团可用于通过环加成反应的交联反应中。对于另一实例，叠氮基团可被转化为氨基，该氨基可用于与如THP或THPP的交联剂（交联试剂）的交联反应中。

官能化配体/涂层分子上的官能团的进一步的化学改性可包括将其连接至表面涂层中的另一配体或在相同纳米粒子的配体涂层上存在的涂层中的另一分子。在一些实施例中，进一步的化学改性包括将不直接与纳米晶表面缔合的分子（如经由与直接络合至纳米晶无机表面的配体的疏水相互作用而缔合的AMP聚合物）的官能团（例如新引入的官能团）连接至表面涂层中的另一配体或在相同纳米粒子的配体涂层上的涂层中存在的另一分子。用于这种连接至或交联至新官能团的合适的方法是本领域已知的，这些方法的一些在本文讨论。

通过非自由基反应用双官能分子改性纳米粒子上的已有的官能化配体/分子

在某些实施例中，可通过非自由基反应结合至双官能分子而将在纳米粒子的表面涂层中的已有官能化配体，或在配体涂层上的涂层中的分子（具有一个或多个官能团）化学改性（或衍生化）。

使配体或分子与双官能化合物（如包含光反应性官能团的化合物）反应可提供作为结合至配体的双官能化合物的反应加合物的部分，该部分可为这种双官能化合物的自由基加成产物（如取代的二苯甲酮、取代的过氧化物、取代的过氧化苯甲酰，或类似的官能化的自由基形成反应物种），从而与配体/涂层分子的碳原子形成共价键，或者该部分可为双官能化合物的官能团（如氨基、羟基、羰基、腈或硫醇）与纳米粒子上的配体/涂层分子上的可相容官能团通过非自由基反应的反应产物。在后者情况中，光反应性官能团保持于官能化配体/分子中，可进行包括光化学交联的进一步的化学改性。

合适的双官能化合物包含反应性官能团，该反应性官能团能够通过非自由基机理与官能化配体或其他涂层分子的已有官能团形成键。本领域技术人员可考虑表面分子的已有官能团而选择合适的双官能化合物。例如，若已有官能化配体包含羧基，则可选择氨基二苯甲酮或氨烷基二苯甲酮。在一些实施例中，除了能够与官能化配体或其他涂层分子的已有官能团形成键的官能团之外，合适的双官能化合物还包含一种或多种官能团。由于通过非自由基反应机理结合至双官能化合物，改性的官能化配体或其他分子包含能够产生自由基物种（包括双自由基物种）的官能团。已有官能化配体或其他分子的已有官能团可通过本文提供的方法或通过其他方法引入。

如图1所示，取代的二苯甲酮1-1（具有氨基）可通过非自由基反应机理与纳米粒子1-3上的已有官能化配体（具有羧基作为已有官能团）反应，由此提供纳米粒子1-8上的改性的官能化配体。改性的官能配体具有二苯甲酮的酮基团作为能够产生自由基物种的官能团。

纳米粒子上的官能化涂层或分子可为具有一种或多种官能团的聚合物。这种聚合物（例如具有一个或多个羧基的AMP）的改性可通过将AMP共价键合至一个或多个氨基二苯甲酮而进行，从而提供光反应性聚合物，如图5所示，其中所述共价键是在氨基二苯甲酮的氨基与AMP的羧基之间通过非自由基缩合反应形成酰胺键。当这种光反应性聚合物与也连接至相同纳米晶的其他配体（具有烷基）缔合时，二苯甲酮部分与纳米粒子上的其他配体的烷基的光化学反应可用于将AMP连接至其他配体（并任选地也将AMP分子连接至相邻AMP分子），例如如图5所示。由于这种光反应性聚合物还可包含具有烷基的侧链（例如，一些羧酸基团可与辛胺形成酰胺），二苯甲酮加合物的光化学反应可将其连接至相同AMP上的具有烷基的另一侧链或相邻AMP分子，例如如图5所示。

在一些实施例中，通过本文提供的方法（经由自由基反应或非自由基反应）形成的官能化配体/涂层分子或改性的官能化配体/涂层分子可包含极性官能团。在一些实施例中，官能化配体或改性的官能化配体包含卤原子、羟基、烷氧基或氮原子。包含氮原子的官能团的例子包括氨基、烷基氨基（例如甲基氨基）、二烷基氨基（例如二甲基氨基）、吡咯烷基、哌啶基、1H-1,2,3-三唑-1-基、1H-咪唑-1基等。在一些实施例中，官能化配体或改性的官能化配体包含卤原子、羟基、烷氧基或氨基。

制备纳米粒子的连接、交联和加成方法

在一些实施例中，本文提供的方法使用自由基加成反应以将纳米粒子配体或纳米粒子的表面配体涂层上的涂层中的分子官能化，以提高其溶解度，或制备其以用于通过连接或交联连接至其他部分。在一些实施例中，本文提供的方法使用自由基加成反应将纳米粒子配体，例如，交联至另一纳米粒子配体。

在一方面，本文提供了制备包含半导体纳米晶和在含配体的纳米晶上的表面涂层的改性的纳米粒子，并将自由基加成化合物结合至表面涂层的配体的方法，其中所述自由基加成化合物具有一个或多个反应性取代基。

通过所述方法形成的改性的纳米粒子具有通过结合自由基加成化合物而形成的官能化的纳米粒子配体。在一些实施例中，自由基加成化合物通过自由基反应而结合至配体。在一些实施例中，自由基加成化合物通过非自由基反应而结合至配体。

本文所用的“自由基加成化合物”为包含能够产生自由基物种的官能团的化合物。自由基加成化合物（或其能够产生自由基物种的官能团）在照射时（即为光反应性的）或在暴露于热时（极为热反应性的）产生自由基物种（包括双自由基物种），并由此变得适于进行自由基反应。在一些实施例中，自由基加成化合物具有光反应性官能团。

双官能化合物为自由基加成化合物，且其可为具有光反应性官能团加上一种或多种另外的官能团的化合物，所述光反应性官能团可用于通过自由基反应与配体（或分子）的碳原子形成键，所述另外的官能团能够用于非自由基反应以与纳米晶上的配体（或分子）形成键。遵从非自由基反应的一种或多种另外的官能团的例子包括胺基、羧酸酯、羟基、硫醇等。以混合匹配的方式将这些类型的基团彼此连接的方法是本领域已知的。

当双官能化合物用作自由基加成化合物时，所述方法还可包括在将双官能化合物连接至配体/分子之后，将该双官能化合物结合至另一部分。

在一些实施例中，其他部分为表面涂层的第二配体。在一些实施例中，其他部分为覆盖纳米粒子的表面配体层的涂层中的另一分子。

在双官能化合物用作自由基加成化合物的一些实施例中，一个反应可为自由基反应，另一个为非自由基反应。两个键形成反应可以以任一顺序进行。在一些实施例中，将双官能化合物结合至配体的反应为自由基反应，将双官能化合物结合至第二配体的反应为非自由基反应。使用非自由基反应将双官能化合物结合至第二配体的步骤可涉及在双官能化合物的官能团和第二配体上的官能团之间的反应。制备这种连接的方法是本领域公知的。在一些实施例中，第二配体上的官能团可由如上所述已加至第二配体的另一双官能分子提供。

使纳米粒子上的配体与包含光反应性官能团的双官能化合物反应可提供“自由基加成部分”，其可为与配体的碳原子形成共价键的这种双官能化合物的自由基加成产物（如取代的二苯甲酮、取代的过氧化物、取代的过氧化苯甲酰或类似的官能化的自由基形成反应物种），或者其可为双官能化合物的官能团（如胺基、羟基、羧基、腈或硫醇）与纳米粒子上的配体上的可相容官能团的反应产物。在后者情况中，光反应性官能团保持于官能化配体中，可进行包括光化学交联的进一步的化学改性。

在另一方面，一些实施例提供交联纳米粒子的配体的方法，该方法包括提供包含半导体纳米晶和含配体的表面涂层的纳米粒子，通过自由基加成反应将表面涂层配体官能化以形成具有自由基加成部分的官能化表面涂层配体，将官能化表面涂层配体交联至纳米粒子涂层的不同的表面涂层配体。在一些实施例中，所述交联包括引入交联剂，该交联剂可与官能化表面涂层配体上的自由基加成部分反应。

在一些实施例中，本文提供的交联方法提供了稳定化的纳米粒子。本文所用的“稳定化”意指经处理的纳米粒子在至少一个稳定性测量中显示提高的性能，其包括在特定缓冲液或溶剂中具有较高的量子产率；在光解过程中更好地保持量子产率（更好的耐光褪色性）；更好的胶体稳定性，或从溶液沉淀或絮凝的较小趋势或在溶液中形成聚集体或微聚集体的较小趋势；以及提高的耐稀释变暗性，或配体从纳米晶无机表面离解的减小趋势，所述稀释变暗为可在低浓度（例如约100 nM纳米粒子浓度以下）下发生的亮度损失（量子产率的减小），其不同于光褪色。本文所述的配体交联反应提高了通过这些方法处理的纳米粒子的稳定性。

一些实施例提供了包含如下的纳米粒子：（1）半导体纳米晶和（2）包含第一配体的涂层，该第一配体包含至少一个烷基碳原子和结合至配体的烷基碳原子的自由基加成部分。在一些实施例中，自由基加成部分可进行进一步的化学改性，例如，被转化为包含官能团的另一部分以增加亲水性。在一些实施例中，自由基加成部分具有一种或多种反应性或光反应性基团，该基团可用于将自由基加成部分共价键合至纳米晶上的第二配体。自由基加成部分为通过自由基加成反应引入配体的部分。

本文所用的“自由基加成部分”为自由基加成化合物（如取代的二苯甲酮、取代的过氧化物、取代的过氧化苯甲酰或类似的官能化自由基形成反应物种）与配体（或涂层中的分子）的碳原子的反应产物。其可为自由基化合物通过自由基加成反应的反应产物。当自由基加成化合物为双官能化物时，由其形成的自由基加成部分可为这种双官能化合物的自由基加成产物，或其可为双官能化合物的官能团（如胺基、羟基、羧基、腈或硫醇）与纳米粒子上的配体上的可相容官能团的反应产物。在后者情况中，光反应性官能团保持于官能化配体中，可进行包括光化学交联的进一步的化学改性。

合适的自由基加成反应的例子包括但不限于，例如使用卤素（例如溴或氯）或卤化试剂（例如，如NBS或NCS的溴化或氯化试剂），和三溴化物盐（例如苯基三甲基三溴化铵）的自由基卤化反应。这些反应可产生卤素自由基，该卤素自由基可从配体的烷基抽去氢原子，并用另一卤素原子（卤化物或卤素基团）代替氢原子。配体上的卤素基团可进行进一步的化学改性，例如被转化为氨基、羟基或烷氧基，从而提高亲水性或化学选择性。在一些实施例中，卤化物基团可随后用于多种加成反应以提高水溶性，或交联配体以增加稳定性，或将纳米粒子结合至另一部分。这种加成反应的例子包括但不限于使用强亲核试剂（如硫醇或叠氮阴离子）的亲核取代反应。例如，如丁烷-1,4-二硫酚（交联剂）的二硫酚可用于交联两个配体分子，其中每个配体分子被改性而含有卤化物基团。叠氮阴离子也可用于取代卤化物，从而提供包含叠氮基团的配体，该叠氮基团转而可用于通过使纳米粒子与例如1,5-己二炔（交联剂）接触而交联配体。己二炔的末端乙炔可与两个叠氮基团发生环加成反应，从而提供交联。这些和其他示例性的官能化和交联步骤在图3中描述。本领域已知的用于该目的的许多同双官能交联剂和异双官能交联剂可购自例如Thermo Scientific Pierce Protein Research Products (Rockford, IL or Molecular Biosciences, Inc. (Boulder, CO)。

其他合适的自由基甲醇反应可使用通过例如如下试剂形成的过氧化物自由基：取代的过氧化苯甲酰、二叔丁基过氧化物或简单的酮（如丙酮或甲基乙基酮（MEK）），这些试剂可用烷氧基、酰氧基或羟基代替配体的烷基的氢原子。取代的过氧化苯甲酰，例如，可包含在取代的苯甲酰基被引入纳米晶上的配体之后用于交联配体的官能团。类似地，通过自由基反应引入的官能化的烷氧基或羟基可以以已知的化学转换用于交联配体。用于实施例中的其他合适的自由基产生物种包括，例如，烷基二嗪，如二乙基二嗪和偶氮二异丁腈（AIBN）。用于将官能团引入至烷基上的其他合适的自由基反应使用，例如，细胞色素p450或类似的氧化酶，或类似于酶羟基化反应的Gif反应条件，或催化或酶脱氢，从而将碳-碳双键引入至纳米晶上的配体。

在一些实施例中，将官能团引入配体的步骤之后为将新引入的官能团交联至具有另一新引入的官能团（该官能团可与第一个官能团相同或不同）的另一配体的步骤。或者，可将新引入的官能团连接至位于纳米粒子表面上的配体上已存在的另一官能团。或者，可将新引入的官能团连接至不直接与纳米晶表面缔合的另一分子，如与直接络合至纳米晶表面的配体疏水缔合的AMP聚合物。用于这种连接至或交联至新官能团的合适的方法是本领域已知的，这些方法的一些在本文讨论。

待使用的交联化合物的量可基于待交联的纳米粒子的数目和待交联的涂层的相对厚度进行估计。

在一些实施例中，取代的二苯甲酮可用于官能化和/或交流纳米晶配体。用于本公开的组合物和方法的取代的二苯甲酮可具有可参与交联的一种或多种取代基。二苯甲酮的合适的取代基包括但不限于胺基、羟基、卤素、CN、硫醇、羧基、杂环基、杂芳基、烯基、炔基、甲酰基、酯、酮或其他酰基。取代的二苯甲酮的例子包括4-氨基二苯甲酮、4-苯甲酰苯甲酸、4,4’-二氨基二苯甲酮、3,3′,4,4′-二苯甲酮四羧酸、2′,3,4-二苯甲酮三羧酸和5,5'-羰基-双-偏苯三酸。可用于本公开的方法中的其他取代的二苯甲酮包括氨基甲基二苯甲酮、二氨基甲基二苯甲酮和二氨基二苯甲酮。任何合适的光反应性胺可代替取代的二苯甲酮使用，任何光反应性二、三或多胺化合物也一样。

用于交联的取代的二苯甲酮可使用光解（以从溶液中的二苯甲酮产生羰自由基物种）通过光化学加成而结合至纳米粒子的配体。这在图1中描述，图1显示在照射二苯甲酮1-1时形成的双自由基激发物种1-2，并说明了其如何从烷基抽去氢原子而生成羰自由基1-5和烷基自由基1-4。羰自由基随后可与其遇到的分子的烷基自由基形成键。

配体涂布的纳米晶的配体通常为溶剂暴露的。因此，在配体涂布的纳米晶的存在下取代的二苯甲酮的光解可导致二苯甲酮的一些羰自由基与纳米晶上的含有C-H键的配体反应或者结合至纳米晶上的含有C-H键的配体。例如，图1显示了取代的二苯甲酮自由基加成至与纳米粒子1-3连接的纳米粒子配体的形式，这可在纳米粒子1-6上生成包含二苯甲酮加合物的配体，其中二苯甲酮的羰基碳共价键合至纳米粒子配体的碳。所述的将二苯甲酮羰基光化学连接至配体而不使用配体的官能团可称为接枝，这允许将一个或多个官能团引入至配体的烷基上而无需配体最初具有任何反应性官能团。自由基加成反应可用于官能化和/或交联多个含烃配体。

在接枝步骤完成之后，交联可需要另外的步骤以将二苯甲酮加合物的胺基或其他反应性取代基连接至附近配体上的官能团（FG），如氨基或羧基。该交联步骤可以多种方式完成，例如，使用THP连接两个或更多个氨基（如图2）；或使用肽/酰胺键形成试剂并使用将氨基连接至羧基的缩合反应，如图1中的从纳米粒子1-4形成纳米粒子1-6的步骤。

可用于与纳米粒子配体形成加合物（即形成自由基加成部分）的自由基加成试剂的例子包括取代的烷基、取代的苯甲酰基和取代的二苯甲酮，这些可形成能够从非官能化的烷基抽去氢原子的自由基以引发非官能化的烷基的官能化。在一些实施例中，除了能够产生自由基物种的官能团之外，自由基加成试剂还可包含一个或多个反应性取代基。在一些实施例中，在与配体的自由基反应之后，这些试剂上的反应性取代基可进行进一步的化学改性（包括将配体交联至另一配体）。这些试剂的反应性取代基的例子包括但不限于胺基、卤素、羟基、腈、硫醇、羧基、杂环基、杂芳基和被至少一个胺基、卤素、羟基、腈、巯基、羧基、杂环基或杂芳基取代的烷基，一旦形成加合物，所述反应性取代基可用于交联至待与纳米粒子连接的其他配体或其他分子。在一些实施例中，通过自由基反应加入的基团的至少一个取代基足够极性以提高水溶性。然而，这并不是必须的，因为反应性取代基或官能团可被改性以引入其他基团而提高水溶性，而且因为纳米晶可用于不需要水溶性的应用中。在一些实施例中，用于本文提供的方法的取代的二苯甲酮上的反应性取代基包括胺基、羧酸酯和卤素（如Cl和Br）。

烷基或苯甲酰基上的取代基可在任意位置，且二苯甲酮上的取代基可在任一个苯环或两个苯环上的任意位置。任选地，二苯甲酮的苯甲酰基或一个苯环可具有两个取代基，或每个苯环可具有一个取代基，或每个苯环可具有超过一个取代基。在一些实施例中，取代基在一个或两个苯环的3位或4位（间位或对位），因为这些位置将取代基置于离与配体形成键的反应性中心更远。

在一些实施例中，至少一个取代基存在于两个苯环之一的4-位。取代的二苯甲酮上的取代基的一些优选的实施例包括3-氨基、4-氨基、3,3’-二氨基和4,4’-二氨基。这些氨基可为未取代的，或它们可被烷基，或更通常地被酰基取代。在一些实施例中，在光活化形成羰基之前，一个氨基经由羰基（酰胺连接体）连接至纳米粒子上的配体，然后如图1所示与纳米晶上的不同配体形成共价键，从而导致配体的交联。

方法还可包括使用取代的二苯甲酮基团、烷基或苯甲酰基上的取代基与纳米晶表面上的配体上的官能团，或与其他部分反应的另外的步骤。在一些实施例中，该另外的步骤用于将结合至纳米晶上的第一配体的一个二苯甲酮部分、烷基或苯甲酰连接至结合至纳米晶上的第二配体的另一取代基团，第二取代基团上的取代基充当官能团且在第二配体上，由此将它们连接在一起而提供第一和第二配体的交联。在这种实施例中，通过两个官能化配体在取代的二苯甲酮基团、烷基或苯甲酰基上的各自的取代基连接所述两个官能化配体，从而实现交联。因此，在这种实施例中，不使用由最初纳米晶配体提供的任何官能团而实现交联，因为当多个取代基团（烷基、苯甲酰基、二苯甲酮）被结合（接枝）至纳米晶上的配体上时，这些取代基团提供了可通过使用连接试剂或连接步骤而彼此连接的官能团。

所述另外的步骤可在上述用于将取代的二苯甲酮接枝至纳米晶配体上的光解步骤之前或之后进行。在一些实施例中，在纳米粒子和二苯甲酮之间形成任何其他连接之前，首先完成将二苯甲酮接枝至配体上而形成二苯甲酮-配体加合物的光解步骤。在其他实施例中，首先通过非自由基反应机理使用二苯甲酮上的取代基和配体上的官能团将二苯甲酮连接至配体；然后进行二苯甲酮光化学自由基反应步骤，从而形成已通过二苯甲酮上的取代基连接至纳米粒子上的另一配体的二苯甲酮-配体加合物。该另外的步骤可使用多种不同的取代基，前提是取代基与可将二苯甲酮基团与纳米晶上的另一配体连接的交联反应可相容。胺是为此目的的优选的取代基，且4-氨基二苯甲酮为用于这些方法的优选的取代的二苯甲酮。在其中在上述光解步骤之前进行另外的步骤的一些实施例中，光解步骤形成已通过二苯甲酮上的取代基连接至纳米粒子上的另一配体的二苯甲酮-配体加合物，由此交联两个配体。在这种实施例中，交联步骤是任选的。

另外的步骤可需要使用另外的交联试剂（或连接/偶联试剂）。选择另外的交联试剂以与二苯甲酮上的取代基或配体上所用的其他基团相匹配，并能够将该基团或取代基连接至纳米晶上的另一配体上的官能团。例如，若纳米晶上的第一配体为胺基，通过将取代的二苯甲酮与相同纳米粒子上的第二配体连接而形成的二苯甲酮-配体加合物可通过使用合适的试剂而被进一步连接至第一配体的胺基。图1提供了一个实例，其中二苯甲酮-配体加合物通过如下步骤形成：将取代的二苯甲酮光化学接枝至纳米粒子上的一个配体，然后通过在取代的二苯甲酮加合物上的取代基和第二配体之间形成共价键而进行交联。

可用于交联的取代基的例子包括羧基、胺基、卤素、羟基、酰基（甲酰基或酯）、N-羟基琥珀酰亚胺基氧基羰基（羧基的NHS酯）、叠氮基团、N-马来酰亚胺基团和异硫氰酸酯基团。图3描述了一些交联实例。

可用于交联的取代基的例子可见于R. P. Haugland的Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals, (Molecular Probes, Eugene 2001)，和Thomas M. Bauer的A Guide to Fluorescent Probes and Labeling Technologies (Invitrogen, Carlsbad 2005)。

可用于交联的取代基和连接体的例子在Greg T. Hermanson的Bioconjugate Techniques (1996)中给出。

作为另外的交联步骤的一个实例，若取代的二苯甲酮上的取代基为胺，则取代的二苯甲酮与纳米晶上的另一配体的加合物可被交联至其他配体上的胺。其他的胺可作为其他配体上的官能团提供，或其可由另一胺取代的二苯甲酮-配体加合物（涉及纳米晶上的另一配体）提供。然后交联步骤可使用用于交联两个胺基的任何合适的方法或试剂，例如，THP可用作交联试剂。

交联方法是本领域已知的。例如，可使用如碳化二亚胺（CDI）的酰胺键形成试剂将两个胺基与二羧酸（例如戊二酸）连接。当THP或THPP用于交联时，交联反应也可包括进一步促进在交联步骤中引入的膦连接体之间的交联的合适的二胺（例如乙二胺，或式H₂N-(CH₂)_x-NH₂的基团，其中x为2-6）。

在另一实例中，纳米晶的不同配体上的两个胺基可使用三(羟甲基)膦（THP）或三(羟甲基)丙酸膦（THPP）连接。使用THP的示例性的交联反应在图2中描述，该反应起始于二苯甲酮加合物2-1（其可通过与图1所述的由1-4和1-5形成1-6的方法类似的方法形成），使用相邻配体上的氨基官能团（FG）。这些试剂不仅交联两个胺，还引入新的极性基团膦（或膦加上羟甲基），这可提高纳米粒子的亲水性和水溶性。因此本文所述的某些方法可用于将胺基或其他官能团加至纳米晶上的配体，可包括交联所述配体的随后步骤。

在一些实施例中使用的其他合适的自由基产生物种包括，例如，取代的烷基二嗪，如二乙基二嗪和偶氮二异丁腈（AIBN）。

每个取代基团（取代的有机过氧化物，如取代的过氧化苯甲酰等）可被相同的取代基（其可作为取代的二苯甲酮上的取代基存在）取代，可使用这些过氧化物反应物与纳米晶上的配体的加合物通过用于交联本文所述的取代的二苯甲酮加合物的相同类型的反应来交联配体。

在一方面，本公开提供了一种纳米粒子，其包含半导体纳米晶和含有多个通过配位基团（例如膦酸基团）配位至纳米晶无机壳表面的配体的涂层，其中每个配体包含不直接配位至纳米晶无机表面的（新的或加入的）官能团，其中所述配体彼此不相同。使用本文所述的自由基反应将官能团引入配体上可导致官能团结合位置的低选择性（因此发生无规或准无规插入），这是由于自由基物种的高反应性。也有可能一些配体被官能化而其他不被官能化。被官能化的配体可将新的官能团加至它们的有机或烃部分上的任意物理上可及的点，从而生成改性配体/分子的混合物。

在一些实施例中，具有加入的官能团的配体因此为区域异构体，这意味着它们的官能团的结合位置不同。在其他实施例中，配体由于具有不同的官能团而彼此不同。

在一些实施例中，在配体上的官能团为卤素，或取代的烷氧基、酰基或二苯甲酮部分。官能团可用于增加纳米粒子的亲水性。官能团可进行化学改性以提供其他的官能团。官能团通常为可用于交联纳米晶或纳米粒子上的配体的基团。

在一些实施例中，官能团为取代的二苯甲酮部分，因此具有官能团的配体为取代的二苯甲酮加合物。在取代的二苯甲酮部分上的取代基可为任何所需的取代基，在一些实施例中取代基可由于它们在交联配体中的有效性而得以选择。在其他实施例中，至少一个取代基是由于其在提高纳米粒子的水分散性的有效性而得以选择。在一些实施例中，取代基是由于它们作为将纳米粒子连接至其他化合物或结构（如抗体或酶，如本领域广泛实施的）的结合点的有效性而得以选择。

在一些实施例中，至少一个官能化配体共价结合至相同纳米粒子上的另一配体。例如，官能化配体可包含取代的烷氧基、酰基或二苯甲酮部分，其中在取代基团上的取代基在其结合至官能化配体之前或之后通过共价键连接至纳米粒子上的另一配体。在一个这种实施例中，官能团为取代的二苯甲酮部分。其共价结合至纳米晶上的第一配体，然后其取代基用于与配位至相同纳米晶的另一配体形成共价键。在一些实施例中，与另一配体的共价键通过两个配体（均为二苯甲酮加合物）上的取代基之间的交联反应而形成。合适的交联反应是本领域已知的，并在本文描述。

改性或稳定化纳米粒子、新型纳米粒子及其组合物的方法

在本文提供的另一方面中，制备改性或稳定化的纳米粒子的方法可包括：提供包含半导体纳米晶和含有配位至纳米晶的配体的表面涂层的纳米粒子，使用自由基反应以将另外的基团结合至纳米晶涂层的第一配体以形成官能化配体，以及使用所述官能化配体上的官能团与第二配体或第二配体上的官能团形成键。

本文所用的“稳定化”意指经处理的纳米粒子在至少一个稳定性测量中显示提高的性能，其包括在特定缓冲液或溶剂中具有较高的量子产率；在光解过程中更好地保持量子产率（更好的耐光褪色性）；更好的胶体稳定性，或从溶液沉淀或絮凝的较小趋势或在溶液中形成聚集体或微聚集体的较小趋势；以及提高的耐稀释变暗性，或配体从纳米晶无机表面离解的减小趋势，所述稀释变暗为可在低浓度（例如约100 nM纳米粒子浓度以下）下发生的亮度损失（量子产率的减小），其不同于光褪色。本文所述的配体交联反应提高了通过这些方法处理的纳米粒子的稳定性。

配体可为本文所述的任何合适的配体。在一些实施例中，配体包含1-40或2-40个碳原子和至少一个纳米晶结合基团（如膦酸酯、亚膦酸酯、羧基、胺基、硫醇、咪唑、膦或氧化膦）。官能化配体包含至少一个可通过自由基反应引入至配体上的官能团，如酰基、烷氧基或二苯甲酮部分，所述基团的每一个可为取代的。官能化配体包含选自H、C、N、O、S、P、Si和卤素的2-100个原子，并包含除了纳米晶结合基团之外的一个或多个官能团。在一些实施例中，配体可包括含有天然存在的α-氨基酸（如20个必需氨基酸）的二肽或三肽。

交联步骤在均直接结合至单个纳米晶的第一配体和第二配体之间形成共价键。所述第一和第二配体可包含至少一个具有至多40个碳原子，通常6-24个碳原子的支化或非支化的烷基链。

在这些实施例的一些中，官能化配体上的另外的基团为取代的二苯甲酮部分，且在二苯甲酮上的取代基选自氨基、羟基、卤素、腈、巯基、羧基、杂环、杂芳基和C1-C10烷基，其中杂环、杂芳基和烷基可被一个或多个氨基、羟基、卤素、腈、巯基或羧基取代。在一些实施例中，取代的二苯甲酮部分上的至少一个取代基为水增溶或极性取代基。

在一些实施例中，取代的二苯甲酮部分衍生自氨基二苯甲酮或卤代苯；适于这些方法的具体例子包括衍生自4-氨基二苯甲酮或4-卤代二苯甲酮的二苯甲酮部分。在一些实施例中，将取代的二苯甲酮结合至纳米晶涂层的第一配体的步骤包括在纳米晶上的第一配体的存在下照射取代的二苯甲酮，由此该取代的二苯甲酮与第一配体反应以形成取代的二苯甲酮加合物。

在取代的二苯甲酮部分上的取代基和第二配体上的官能团之间形成键的步骤可在将另外的基团置于第一配体上之前或之后进行。这可使用与纳米粒子可相容并与提供用于交联的官能团可相容的任何合适的反应完成。在一些实施例中，该步骤使用酰胺键形成试剂，许多酰胺键形成试剂是本领域公知的，例如碳化二亚胺、羰基二咪唑等。在一些实施例中，使用羟甲基膦化合物（THP、THPP）用于在取代的二苯甲酮部分上的取代基和第二配体之间形成键的步骤。

在本文提供的另一方面中，制备改性或稳定化的纳米粒子的方法可包括：提供包含半导体纳米晶和含有配位至纳米晶的配体的表面涂层，使用非自由基反应以将双官能分子结合至纳米晶表面涂层的第一配体以形成改性配体，以及使用所述改性配体上的官能团与第二配体或第二配体上的官能团形成键。

因此，非自由基反应提供被自由基产生物种衍生化的聚合物，如两亲性聚合物取代的二苯甲酮，从而生成能够与直接结合至纳米晶表面的小分子配体反应的自由基加成产物。

在本文提供的另一方面中，制备改性/稳定化的纳米粒子的方法可包括：提供包含半导体纳米晶、在纳米晶上的包含配体的表面涂层和覆盖表面配体涂层的包含两亲性聚合物的聚合物涂层（如AMP涂层）的纳米粒子，以及将双官能化合物结合至聚合物涂层（如AMP涂层中的第一两亲性聚合物）中的第一聚合物分子，由此形成聚合物涂层中的第一改性聚合物分子（如AMP涂层中的第一改性两亲性聚合物）。

在一些实施例中，所述AMP涂层含有烷基胺取代的聚丙烯酸，如称为AMP基团的那些，其可通过与纳米晶的无机表面上的配体的疏水相互作用而稳定结合至纳米晶。

在一些实施例中，双官能化合物为光反应性的。在一些实施例中，双官能化合物为取代的二苯甲酮，例如4-氨基二苯甲酮、4-苯甲酰苯甲酸、4,4’-二氨基二苯甲酮、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸、2',3,4-二苯甲酮三羧酸或5,5'-羰基-双-偏苯三酸。在一些实施例中，双官能化合物为氨基二苯甲酮，如4-氨基二苯甲酮或4,4’-二氨基二苯甲酮。

在一些实施例中，将双官能化合物结合至第一两亲性聚合物是通过自由基机理，其中第一两亲性聚合物包含至少一个C-H键。例如，4-氨基二苯甲酮在照射时可被结合至第一两亲性聚合物的主链或烷基侧链。

在一些实施例中，将双官能化合物结合至第一两亲性聚合物是通过非自由基机理，其中第一两亲性聚合物包含能够通过非自由基机理与双官能化合物形成共价键的官能团。例如，其中第一两亲性聚合物具有羧基，该羧基可通过非自由基反应（例如，在酰胺键形成偶联试剂的存在下）连接至4-氨基二苯甲酮或4,4’-二氨基二苯甲酮分子。

在双官能化合物结合至第一两亲性聚合物之后，第一改性两亲性聚合物可具有一个或多个适用于连接至其他部分（包括交联）的反应性或光反应性官能团。例如，当4-氨基二苯甲酮分子在照射下结合至第一两亲性聚合物时，（4-氨基二苯甲酮加合物的）氨基可用于连接至其他部分（包括交联）。再例如，当4-氨基二苯甲酮分子通过非自由基反应结合至具有羧基的第一两亲性聚合物时，光反应性官能团（即4-氨基二苯甲酮加合物的羰基）得以保留并可用于通过自由基机理连接至其他部分（包括交联）。

在一些实施例中，第一改性两亲性聚合物被进一步交联至也与纳米粒子（直接或间接）连接的另一部分。在一些实例中，第一改性两亲性聚合物交联至一个或多个相邻AMP分子。在一些实例中，第一改性两亲性聚合物交联至表面涂层中的一个或多个配体。在一些实例中，第一改性两亲性聚合物交联至一个或多个相邻AMP分子。在一些实施例中，第一改性两亲性聚合物通过非自由基机理交联至也与纳米粒子（直接或间接）连接的另一部分。在这种实施例中，第一改性两亲性聚合物包含能够通过非自由基机理与其他部分形成共价键的官能团。在其他实施例中，第一改性两亲性聚合物通过自由基机理交联至也与纳米粒子（直接或间接）连接的另一部分。在这种实施例中，其他部分包含至少一个C-H键。在一些实施例中，第一改性两亲性聚合物通过使用合适的交联试剂（如THP或THPP）（在合适的交联试剂的存在下）交联至也与纳米粒子（直接或间接）连接的另一部分。

在另一方面，本文提供了通过上述官能化和/交联纳米晶上的配体的方法制得的纳米粒子。

在另一方面，本文提供了一种纳米粒子，其包含半导体纳米晶和在半导体纳米晶上的包含配体的表面涂层，其中在表面涂层中的配体包含自由基加成部分，且其中自由基加成部分具有一种或多种官能团。在一些实施例中，包含自由基加成部分的配体被例如交联至在表面涂层中的另一配体。

在一些实施例中，包含自由基加成部分的配体包含烷基，自由基加成部分结合至烷基的碳原子，且自由基加成部分具有一个或多个反应性或光反应性基团。在一些其他实施例中，自由基加成部分通过非光反应性的官能团结合至配体，且自由基加成部分具有一个或多个光反应性基团。在一些实施例中，自由基加成部分包含选自取代的二苯甲酮、取代的烷氧基、取代的酰基、重氮酯、芳基叠氮化物和二氮丙啶的双官能化合物的反应加合物。在一些另外的实施例中，自由基加成部分包含作为取代的二苯甲酮的双官能化合物的反应加合物。在一些实施例中，取代的二苯甲酮具有选自氨基、羟基、卤素、腈、巯基、羧基、杂环、杂芳基和烷基的一个或多个反应性取代基，其中烷基被选自氨基、羟基、卤素、腈、巯基、羧基、杂环和杂芳基的一个或多个反应性取代基取代。在一些实施例中，取代的二苯甲酮选自4-氨基二苯甲酮、4-苯甲酰苯甲酸、4,4’-二氨基二苯甲酮、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸、2',3,4-二苯甲酮三羧酸和5,5'-羰基-双-偏苯三酸。当自由基加成部分为双官能分子的反应加合物时，该加合物可通过自由基反应机理或非自由基反应机理结合至配体。双官能分子的反应加合物上的一个或多个反应性或光反应性中心可用于进一步的交联。在一些实施例中，取代的二苯甲酮加合物通过非光反应性的官能团（例如，4-氨基二苯甲酮的氨基）结合至配体，且其具有一个光反应性基团/加合物。在其他实施例中，取代的二苯甲酮加合物通过光反应性酮基结合至配体，且其具有一个非光活性的反应性基团（例如，4-氨基二苯甲酮的氨基）。在一些实施例中，包含自由基加成部分的配体交联至另一部分（如表面涂层中的另一配体）。

在另一方面，本文提供了一种纳米粒子，其包含半导体纳米晶、在半导体纳米晶上的包含配体的表面涂层，和在表面配体涂层上的包含两亲性聚合物的AMP涂层，其中在AMP涂层中的两亲性聚合物包含自由基加成部分，且其中自由基加成部分具有一个或多个官能团。在一些实施例中，包含自由基加成部分的两亲性聚合物被交联至例如表面涂层中的配体、AMP涂层中的另一两亲性聚合物或上述两者。参见，例如图5。

在一些实施例中，包含自由基加成部分的两亲性聚合物包含烷基，自由基加成部分结合至烷基的碳原子，且自由基加成部分具有一个或多个反应性或光反应性基团。在一些其他实施例中，自由基加成部分通过非光反应性的官能团结合至两亲性聚合物，且自由基加成部分具有一个或多个光反应性基团。在一些实施例中，自由基加成部分包含选自取代的二苯甲酮、取代的烷氧基、取代的酰基、重氮酯、芳基叠氮化物和二氮丙啶的双官能化合物的反应加合物。在一些另外的实施例中，自由基加成部分包含作为取代的二苯甲酮的双官能化合物的反应加合物。在一些实施例中，取代的二苯甲酮具有选自氨基、羟基、卤素、腈、巯基、羧基、杂环、杂芳基和烷基的一个或多个反应性取代基，其中烷基被选自氨基、羟基、卤素、腈、巯基、羧基、杂环和杂芳基的一个或多个反应性取代基取代。在一些实施例中，取代的二苯甲酮选自4-氨基二苯甲酮、4-苯甲酰苯甲酸、4,4’-二氨基二苯甲酮、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸、2',3,4-二苯甲酮三羧酸和5,5'-羰基-双-偏苯三酸。当自由基加成部分为双官能分子的反应加合物时，该加合物可通过自由基反应机理或非自由基反应机理结合至配体。双官能分子的反应加合物上的一个或多个反应性或光反应性中心可用于进一步的交联。在一些实施例中，取代的二苯甲酮加合物通过非光反应性的官能团（例如，4-氨基二苯甲酮的氨基）结合至两亲性聚合物，且其具有一个光活性基团。在其他实施例中，取代的二苯甲酮加合物通过光反应性羰基结合至两亲性聚合物，且其具有一个非光活性的反应性基团（例如，4-氨基二苯甲酮的氨基）。

在另一方面，本文提供了一种纳米粒子，其包含具有酰基氨基二苯甲酮作为取代基的配体。酰基氨基二苯甲酮为氨基二苯甲酮和配体上的羧酸之间的反应产物，该反应可在配体结合至纳米晶之前或之后发生。在一个实施例中，酰基氨基二苯甲酮在氨基二苯甲酮（如4-氨基二苯甲酮）和纳米晶上的配体（如二肽配体）上的羧酸酯基团之间形成。

在另一方面，本文提供了一种纳米粒子，其包含半导体纳米晶、在半导体纳米晶上的包含配体的表面涂层，和在表面配体涂层上的AMP涂层，其中AMP涂层包含两亲性聚合物，且其中AMP涂层中的两亲性聚合物具有酰基氨基二苯甲酮作为取代基。在这种实施例中，两亲性聚合物通过两亲性聚合物的疏水域与直接结合至纳米晶无机表面的疏水性配体的相互作用而稳定结合至纳米晶。

在另一方面，本文提供了在二苯甲酮部分形成羰自由基的条件下，通过照射具有被至少一个酰基氨基二苯甲酮取代的配体的纳米粒子而交联纳米晶表面上的配体的方法，所述羰自由基交联配体和纳米晶表面上的另一配体。

在另一方面，本文提供了一种稳定化的纳米粒子，其包含具有取代的二苯甲酮加合物的第一配体。该配体可直接配位至纳米晶的壳表面，并可包含总共具有至多40个碳原子/配体的支化或非支化的烷基链。在一些实施例中，第一配体为可直接在纳米晶表面上的取代的聚丙烯酸。在一些实施例中，第一配体为直接结合至纳米晶的无机表面和直接与纳米晶表面接触的取代的聚丙烯酸。

为了所公开的方法和组合物的目的，取代的二苯甲酮加合物可在二苯甲酮的苯环上被选自氨基、羟基、卤素、腈、巯基、羧基、杂环、杂芳基和烷基的一个或多个取代基取代，所述烷基被一个或多个如下基团取代：氨基、羟基、卤素、腈、巯基、羧基、杂环和杂芳基。在一些实施例中，取代的二苯甲酮部分上的至少一个取代基为水增溶基团。在一些实施例中，取代的二苯甲酮加合物自氨基二苯甲酮或卤代二苯甲酮（如包含4-氨基的二苯甲酮）形成。

在所述方法和组合物的另一方面，取代的二苯甲酮用于交联纳米晶配体。它们提供了制备纳米晶的桥联配体的方法，其包括使用自由基反应将反应物基团加至与纳米晶结合的第一配体，以及使用该反应物基团与纳米晶上的第二配体形成共价键。桥联配体包含两个纳米晶结合基团（例如膦酸酯、羧酸酯、膦、氧化膦、胺），一个来自结合在一起的两个配体的每一个，以及两个有机基团，因为每个纳米晶结合基团具有至少一个有机基团。两个有机基团通过使用本文所述的自由基化学所引入的官能团而连接在一起。桥联配体增加了纳米粒子的稳定性。

用于交联的取代的二苯甲酮可使用光解（以从溶液中的二苯甲酮产生羰自由基物种）光化学结合至纳米晶的配体。羰自由基通常插入其遇见的任意含烃分子的C-H键，因此在配体涂布的纳米晶的存在下光解取代的二苯甲酮导致一些羰自由基与纳米晶上的配体反应并结合至纳米晶上的配体，因为配体是溶剂暴露的。参见图1。这生成二苯甲酮加合物，其中二苯甲酮的反应性酮碳共价键合至配体的碳。所述将二苯甲酮羰基光化学连接至配体而不使用配体的官能团在本文称为接枝，并可用于官能化和交联几乎任何配体。为了方便，接枝的基团称为二苯甲酮部分或二苯甲酮加合物，即使当其结合至配体时其实际上为二苯甲醇。

或者，二苯甲酮可通过非自由基反应（如通过二苯甲酮上的胺与配体上的羧酸酯之间或二苯甲酮上的羧酸酯和配体上的胺之间的酰胺键形成反应）结合至配体；交联可在共价结合二苯甲酮之后通过照射纳米粒子而实现。

稳定化纳米粒子的方法包括通过任何合适的方法将光反应性聚合物自组装至疏水性纳米晶上，所述方法包括，例如，Wu等人的Nat. Biotechnol. 21:41-46 (2003)中描述的方法。适合用于本公开的交联方法中的半导体纳米晶和纳米粒子的例子包括，例如，美国专利Nos. 6,322,901、6,607,829、6,861,155、7,125,605、7,374,824和7,390,568中公开的那些，所述文献以全文引用的方式并入本文。在特别的实施例中，适合用于本公开的交联方法中的纳米晶为被疏水性配体涂布的核/壳纳米晶，所述疏水性配体例如三辛基氧化膦（TOPO）、十四烷基膦酸（TDPA）、三辛基膦（TOP）或这种配体的混合物。这些或其他疏水性配体可具有一个或多个中链或长链烷基，该烷基具有6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22或更多个碳原子。各种实施例的光反应性聚合物可为亲水性或疏水性的，且聚合物可含有一种或多种类型的光反应性基团。可在聚合物上使用的光反应性基团的例子包括取代的二苯甲酮、重氮酯、芳基叠氮化物和二氮丙啶。在一些实施例中，可使用如4-氨基二苯甲酮的取代的二苯甲酮，其中氨基用于将二苯甲酮结合至聚合物。

在某些实施例中，适合用于本公开的交联方法中的纳米晶具有两亲性层。例如，亲水性纳米粒子描述于Adams等人的美国专利No. 6,649,138中，其以全文引用的方式并入本文。在Adams等人的例子中，疏水性纳米粒子（在表面配体涂层上）具有包含分子的另外的层/涂层，所述分子具有疏水性域加上极性基团。疏水性域通过疏水-疏水相互作用与纳米粒子的疏水性表面缔合，留下极性基团暴露于溶剂。所述极性基团则使得整个组合物为水溶性。描述于Adams等人专利中的优选的另外的层为两亲性聚合物（AMP），其包含中链至长链烷基提供疏水性域，以及羧酸酯基团以提供水溶性。

这些含AMP的组合物可得益于交联，如同许多其他纳米晶上的涂层一样：交联趋于使得整个组合物更稳定。对于依赖于疏水-疏水相互作用以稳定粒子上的各种涂层的这些组合物，本文提供的交联方法也可用于将纳米晶表面上的配体（例如，如TOPO、TOP、TDPA、油酸等的配体）连接至AMP分子。参见，例如图5。

所公开的方法可用于将涂布的纳米粒子上的AMP聚合物基团或者彼此交联，或者交联至纳米粒子的其他配体。例如，若通过本文所述的自由基反应引入的官能团（例如取代的二苯甲酮）在其上具有胺基，则胺可被连接至AMP的羧酸酯。参见，例如图5。

例如，在将取代的二苯甲酮连接至AMP的羧酸酯之前或之后，在取代的二苯甲酮与AMP-涂布的纳米晶接触的同时照射该取代的二苯甲酮，可导致其插入可及的C-H键。若在将取代的二苯甲酮光化学接枝至配体之前该取代的二苯甲酮已连接至AMP配体，则结果是取代的二苯甲酮的两个结合点结合至两个不同的配体，从而将配体连接在一起。所述连接可将两个AMP分子连接在一起而提供纳米粒子表面涂层的交联；或者其可将AMP分子连接至纳米晶表面上的配体，从而更好地将AMP固定在纳米晶的配体涂层上。参见，例如图5。

在一些实施例中，适合用于本公开的交联方法中的纳米粒子为QDOT™纳米晶（Invitrogen）。QDOT™纳米晶为包含核、壳和涂层的纳米级原子簇。核由半导体材料（例如与硒或碲混合的镉）的数百至数千个原子组成。半导体壳（例如硫化锌）包围并稳定核，从而提高材料的光学性质和物理性质，有机配体层与壳配位，从而形成围绕核/壳纳米粒子的有机层。两亲性聚合物涂层则包住所述核和壳，从而提供水溶性表面，该水溶性表面可进行不同的改性而产生满足特定检验需要的QDOT™纳米晶。两亲性涂层可用官能化的聚乙二醇（PEG）外涂层进行共价改性。PEG表面可减少流式细胞术和成像检验中的非特异性结合，由此提高信噪比并提供细胞群和细胞形态的更清晰的分辨率。QDOT™第一和第二抗体共轭物（conjugate）、QDOT™链霉抗生物素共轭物、QTRACKER™非靶向量子点和QDOT ITK™氨基(PEG)量子点，以及在QDOT™抗体共轭物试剂盒（Invitrogen）中提供的反应性纳米晶利用该PEG化学。

适合用于本公开的交联方法中的半导体纳米晶和纳米粒子的例子包括例如在美国专利公布Nos. 2006/0202167、2006/0001119和2007/0289491中公开的那些。

在一些实施例中，适合用于本公开的方法中的纳米粒子为一种水稳定性的半导体纳米晶络合物，其具有III-V半导体纳米晶核的半导体纳米晶组合物、包含分子（所述分子具有对半导体纳米晶组合物具有亲合力的部分和对疏水性溶剂具有亲合力的部分）的表面层/涂层，和具有疏水性部分（该疏水性部分用于与表面配体层相互作用）和亲水性部分的水稳定化层/涂层。纳米粒子的发光量子产率可为至少25%。纳米晶组合物或纳米粒子也可具有覆盖无机核的壳。壳可包含本体能带间隙大于半导体纳米晶核的半导体材料。无机层可表现为使半导体纳米晶核的外表面钝化，以及防止或减小半导体纳米晶核与壳之间的晶格失配。

在一些实施例中，稳定的半导体纳米晶络合物可包含半导体纳米晶核III-V半导体材料。半导体纳米晶核可具有外表面，且半导体纳米晶络合物可具有在半导体纳米晶核的外表面上形成的金属层，包含半导体材料的壳涂布在该金属层上。半导体纳米晶核可具有涂布在阴离子层上的第二金属层。

在一些实施例中，半导体纳米晶核可为InP或InGaP。半导体纳米晶核/壳可为InP/ZnS。

适合用于本公开的交联方法中的半导体纳米晶和纳米粒子的例子包括，例如，美国专利Nos. 6,955,855、7,198,847、7,205,048、7,214,428和7,368,086中公开的那些，所述文献以全文引用的方式并入本文。

在一些实施例中的方法可用于具有亲水性表面配体（如二肽或三肽）的纳米粒子或纳米晶。在一些实施例中，纳米粒子为具有亲水性配体（如二肽）的表面层的纳米晶，该亲水性配体包含硫醇或咪唑，由此牢固结合至纳米晶表面。二肽的例子包括具有至少一个半胱氨酸或至少一个组氨酸残基的那些。

在一些实施例中，适合用于本公开的交联方法中的纳米粒子为具有涂层材料的官能化的荧光核/壳纳米晶，其中所述涂层材料基于组氨酸。荧光纳米晶可被至少一种材料涂布。涂层材料包含化学化合物或配体，该化学化合物或配体具有带共轭电子的官能团或部分以及将高的发光效率和溶解性赋予水性溶液中的涂布的荧光纳米晶的部分。涂层材料提供了官能化的荧光纳米晶组合物，该组合物为水溶性的、化学稳定的，且在光激发下以大于10%，优选大于50%的量子产率发光。涂层材料也可包含化学化合物或配体，该化学化合物或配体具有结合靶向分子和细胞的部分以及交联涂层的部分。在适于反应形成覆盖层的试剂的存在下，涂层中的化合物可在荧光纳米晶上形成覆盖层，其中涂层化合物可操作地结合至覆盖层。

在一些实施例中，官能化的荧光纳米晶被由芳香杂环化合物或配体组成的材料涂布，所述芳香杂环化合物或配体具有将溶解性赋予水性溶液中的涂布的荧光纳米晶的官能团或部分。涂层材料提供了官能化的荧光纳米晶组合物，该组合物为水溶性的、化学稳定的，且在激发下以高效率以大于10%，优选大于50%的量子产率发光。取决于包含涂布荧光纳米晶的材料的配体，在一些实施例中，官能化的荧光纳米晶可溶于其他液体，例如，水和异丙醇的混合物或表面张力为约80 dynes/cm以下，优选为约30-72 dynes/cm的液体。涂层材料也可包含化学化合物或配体，该化学化合物或配体包括异氰酸酯、烷基氰基丙烯酸酯或烷基膦，它们具有结合至靶向分子和细胞的部分以及根据本公开的方法交联涂层的部分。在合适的试剂（例如ZnSO₄和Na₂S）的存在下，涂层中的化合物可在荧光纳米晶上形成覆盖层，其中涂层化合物可操作地结合至覆盖层。

在一些实施例中，荧光纳米晶组合物为被含咪唑的化合物涂布的核荧光纳米晶，所述含咪唑的化合物与含羟基烷基膦的化合物交联并与无机半导体覆盖层络合（例如通过加合物形成）。

在一些实施例中，适合用于本公开的方法中的纳米晶为具有含咪唑的覆盖层的荧光纳米晶，其中所述覆盖层包含膦交联化合物。官能化的荧光纳米晶或纳米粒子可避免使用有机溶剂或基于巯基的化合物作为涂层或连接剂（例如为了钝化）和/或作为覆盖（capping）化合物。包含与膦交联化合物交联的含咪唑的化合物的涂层也可稳定纳米晶的外表面。纳米晶可被官能化为水溶性，以及被官能化为含有一种或多种反应性官能团，其中分子探针可以可操作地结合至所述反应性官能团。

在一些实施例中，适合用于本公开的方法中的纳米粒子被金属阳离子涂布，所述金属阳离子优选能够形成半导体材料，优选具有高能带间隙，可操作地结合至单独的含咪唑的化合物或与含羟基烷基膦的化合物交联的含咪唑的化合物，其中所述涂层在核/壳纳米晶的无机表面上均匀沉积。荧光纳米晶可被单独的含咪唑的化合物或与膦基交联化合物交联的含咪唑的化合物涂布，从而生成官能化的荧光纳米晶。在一些实施例中，在核/壳纳米晶的无机表面上沉积包含单独的含咪唑的化合物或包含含咪唑的化合物及含烷基膦的化合物的涂层。官能化的荧光纳米晶可包括涂层的化学或物理交联以进一步促进官能化的荧光纳米晶的涂层的稳定，所述涂层具有含咪唑的化合物，或者具有含咪唑的化合物及含烷基膦的化合物。

交联可通过使用本文所述的方法和试剂实现。

交联可通过使用本领域已知的其他方法和试剂（包括甲醛、戊二醛、丙烯醛、1,6-己烷-双-乙烯砜等）实现。

共轭物和性质

纳米粒子共轭物可通过将纳米粒子连接至另一部分而形成。所述其他部分可为特异性识别、结合至或改性另一化合物或结构的亲合力分子，如抗体、受体或酶。借助亲合力分子的纳米粒子共轭物可用于检测，例如，生物和化学化合物的存在和/或含量、生物体系中的相互作用、生物过程、生物过程中的改变，或生物化合物的结构的改变。当亲合力分子连接至半导体纳米粒子时，亲合力分子可与充当结合对的第二成员的生物目标相互作用，从而检测生物过程或反应，或者改变生物分子或过程。亲合力分子和生物目标的相互作用可涉及特异性结合，并可涉及共价相互作用、非共价相互作用、疏水性相互作用、亲水性相互作用、静电相互作用、范德华相互作用、磁性相互作用或其他相互作用。

与纳米粒子缔合的亲合力分子可为天然存在的或化学合成的，并可选择以具有所需的物理、化学或生物性质。这种性质包括与例如信号分子、原核细胞或真核细胞、病毒、亚细胞器和任何其他生物化合物或生理结构（如肿瘤）共价和非共价缔合。其他性质包括能够影响生物过程、细胞循环、血凝固、细胞死亡、转录、转译、信号转导、DNA损坏或裂解、自由基的产生、清除自由基的能力，改变生物化合物的结构的能力，交联，蛋白酶剪切和自由基损坏。

在一些实施例中，可利用FRET将纳米粒子结合至检测的分子或物种。在一些实施例中，在纳米粒子的FRET反应中的FRET效率在一些实施例中可为至少25%、至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%、至少90%或更高直至100%。

FRET指Förster共振能量转移，其为各种基于荧光的测量技术的基础，并能够检测两个适当标记的分子或物种的接近性。在FRET中，供体标记非辐射地将能量转移至第二受体标记。受体可为荧光团，其可随后发出光子。选择供体-受体对使得供体的发射光谱与受体的激发光谱之间存在重叠。在一些应用中，受体可为暗的或非发射猝灭剂。

FRET效率十分依赖于供体-受体距离r（以1/r⁶形式）。FRET效率为50%时的距离命名为R₀，也称为Förster距离。对于每个供体-受体组合，R₀是独特的，并可为5至10 nm。在生物应用中，FRET可提供开关型信号，表明供体和受体在彼此的R₀以内。影响FRET效率的另外的因素包括供体的量子产率、受体的消光系数，和供体与受体之间的光谱重叠程度。FRET效率和信号检测描述于D. W. Piston和G. J. Kremers, Trends Biochem. Sci. 32:407 (2007)中。纳米晶已用于生物体系中的FRET检测。参见，例如，Willard等人，2001, Nano. Lett. 1:469；Patolsky F等人，2003, J. Am. Chem. Soc. 125:13918；Medintz I.L.等人，2003, Nat. Mater. 2:630；Zhang C.Y.等人，2005, Nat. Matter. 4:826。由于纳米晶的发射可进行尺寸调节以提高与受体或猝灭剂的光谱重叠，纳米晶是有利的。纳米晶通常具有高量子产率，且相比于其他FRET供体而言较不受到光漂白的影响。

实施例的描述

各种实施例涉及制备官能化纳米粒子的方法，其包括如下步骤：在第一试剂的至少一个官能团上产生自由基物种，以及通过自由基反应使所述第一试剂的至少一个官能团上的自由基物种与含脂族链的表面配体的至少一个碳反应以在含脂族链的表面配体和第一试剂之间形成共价键，从而制得官能化的表面配体。在一些实施例中，所述第一试剂可包括选自羰基、二嗪、叠氮和过氧化物的至少一个官能团，在其他实施例中，第一试剂可包括选自烷基二嗪、重氮酯、芳基叠氮化物、二氮丙啶、取代的或未取代的二苯甲酮、酰基氧化膦、取代的或未取代的过氧化物和取代的或未取代的过氧化苯甲酰的自由基形成试剂。在某些实施例中，第一试剂的至少一个官能团可包括光反应性官能团，且产生自由基物种可包括照射所述第一试剂。在某些实施例中，第一试剂的至少一个官能团可包括热反应性官能团，且产生自由基物种可包括加热所述第一试剂。在特别的实施例中，在第一试剂的至少一个官能团上产生自由基物种可包括在第一试剂的至少一个官能团上产生双自由基，在一些实施例中，第一试剂的至少一个官能团上的双自由基从结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的烷基抽去氢，从而在脂族的至少一个碳上产生烷基自由基。

在其他实施例中，第一试剂可包含能够在无自由基反应下形成共价键的至少一个第二官能团，在一些这种实施例中，所述至少一个第二官能团可为卤素、氨基、羟基、烷氧基、羧基、腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺或马来酰亚胺。在特别的实施例中，所述至少一个第二官能团可将水分散性赋予纳米粒子。在一些实施例中，所述方法可包括通过使所述至少一个第二官能团与在第二官能化的配体上的至少一个官能团反应而将所述官能化的配体交联至第二官能化的配体，从而制得交联的官能化纳米粒子。在某些实施例中，所述第一试剂可为取代的二苯甲酮或氨基二苯甲酮，在特别的实施例中，所述第一试剂为4-氨基二苯甲酮、4-苯甲酰苯甲酸、4,4'-二氨基二苯甲酮、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸、2',3,4-二苯甲酮三羧酸、5,5'-羰基-双-偏苯三酸和4-氨基二苯甲酮或4,4'-二氨基二苯甲酮。

在一些实施例中，所述方法可包括使官能化的配体与具有一个或多个官能团的至少一个第二试剂反应，在特别的实施例中，这种方法可包括使所述至少一个第二试剂的一个或多个官能团的至少一个与第二官能化的配体上的官能团反应以制得交联的官能化纳米粒子的步骤。在一些实施例中，所述至少一个第二试剂可为二羧酸、戊二酸、碳化二亚胺（CDI）、二胺、乙二胺、具有式H₂N-(CH₂)_x-NH₂的试剂，其中x为2-6、三(羟甲基)膦（THP）或三(羟甲基)丙酸膦（THPP）。

某些实施例的方法可包括在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生烷基自由基，在一些实施例中，结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体至少包含C₁-C₄₀脂族烃，且纳米粒子结合中心选自膦酸、膦、氧化膦、羧酸酯、硫醇和咪唑。

一些实施例涉及制备官能化纳米粒子的方法，该方法包括如下步骤：在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生卤素自由基以形成至少一个卤化配体，以及在所述卤化配体的卤素自由基和至少一个第一试剂的官能团之间进行亲核取代以制得官能化纳米粒子。在一些实施例中，在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生卤素自由基的步骤进一步包括：将具有含脂族链的表面配体涂层的纳米粒子与卤化试剂组合，以及卤化结合至所述纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳。在这种实施例中，所述卤化试剂可为N-溴代琥珀酰亚胺（NBS）和N-氯代琥珀酰亚胺（NCS）、三溴化物盐、苯基三甲基三溴化铵及其组合。在其他实施例中，至少一个第一试剂的官能团可为硫醇、叠氮及其组合。在其他实施例中，所述方法还可包括使用包含两个或更多个能够进行亲核取代的官能团的至少一个第一试剂交联至少两个卤化配体。在一些实施例中，所述至少一个第一试剂可为胱氨酸。在其他实施例中，所述至少一个第一试剂可包含将水溶性赋予纳米粒子的至少一个第二官能团。在一些实施例中，所述至少一个第二官能团可为氨基、羟基、烷氧基、羧基、腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺和马来酰亚胺。

其他实施例包括制备官能化纳米粒子的方法，该方法包括如下步骤：在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生卤素自由基以形成至少一个卤化配体，以及用官能团代替卤化配体的卤素自由基以制得官能化配体。在一些实施例中，在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生卤素自由基的步骤可包括：将具有含脂族链的表面配体涂层的纳米粒子与卤化试剂组合，以及卤化结合至所述纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳。在这种实施例中，所述卤化试剂可为N-溴代琥珀酰亚胺（NBS）和N-氯代琥珀酰亚胺（NCS）、三溴化物盐、苯基三甲基三溴化铵及其组合。在一些实施例中，官能化配体的官能团可为叠氮和硫醇。在特别的实施例中，所述方法可包括将叠氮官能团转化为氨基官能团。在一些实施例中，所述方法还可包括使官能化配体与至少一个第一试剂反应，所述第一试剂具有能够与官能化配体的氨基官能团反应的至少一个官能团。在其他实施例中，所述方法还可包括使第二官能化配体与至少一个第一试剂反应，由此交联至少两个结合至纳米粒子的具有氨基官能团的官能化配体。在这种实施例中，所述至少一个第一试剂可为二羧酸、戊二酸、碳化二亚胺（CDI）、三(羟甲基)膦（THP）和三(羟甲基)丙酸膦（THPP）。在其他实施例中，官能化配体的官能团可为叠氮且至少一个第一试剂可为一个或多个炔烃。在一些这种实施例中，所述至少一个第一试剂可为式HC≡(CH₂)_tC≡CH的化合物，其中t为1、2、3、4或5。在其他实施例中，所述方法还可包括使第二官能化配体与至少一个第一试剂反应，由此交联至少两个结合至纳米粒子的具有叠氮官能团的官能化配体。

其他实施例涉及制备官能化纳米粒子的方法，该方法包括如下步骤：将具有含脂族链的配体涂层的一个或多个纳米粒子与两亲性聚合物组合以生成混合物，所述两亲性聚合物具有一个或多个能够形成自由基物种的官能团，在两亲性聚合物的一个或多个官能团上产生自由基物种，以及通过自由基反应使两亲性聚合物的一个或多个官能团上的自由基物种与含脂族链的配体的至少一个碳反应而在含脂族链的配体和两亲性聚合物之间形成共价键，由此将所述两亲性聚合物交联至所述纳米粒子。在一些实施例中，所述方法还可包括在结合至纳米粒子的含脂族链的配体的至少一个碳上产生烷基自由基。在其他实施例中，所述两亲性聚合物可为取代的聚丙烯酸。在其他实施例中，所述两亲性聚合物可包含至少一个官能团，如羰基、二嗪、叠氮、过氧化物及其组合。在特别的实施例中，所述两亲性聚合物可包括选自烷基二嗪、重氮酯、芳基叠氮化物、二氮丙啶、取代的或未取代的二苯甲酮、酰基氧化膦、取代的或未取代的过氧化物和取代的或未取代的过氧化苯甲酰的自由基形成试剂。在一些实施例中，两亲性聚合物的至少一个官能团可包括结合至氨基二苯甲酮或4-氨基二苯甲酮的聚丙烯酸的羧酸基团。在某些实施例中，两亲性聚合物的至少一个官能团可为光反应性官能团，且产生自由基物种可包括照射所述混合物。在其他实施例中，两亲性聚合物的至少一个官能团可为热反应性官能团，且产生自由基物种可包括加热所述混合物。在一些实施例中，在两亲性聚合物的至少一个官能团上产生自由基物种可包括在所述两亲性聚合物的至少一个官能团上产生双自由基。在其他实施例中，所述方法可包括将两亲性聚合物通过相互作用而连接至结合至纳米粒子的含脂族链的配体，所述相互作用包括但不限于氢键、两亲性聚合物的多个官能团的一个或多个与连接至结合至纳米粒子的多个含脂族链的配体的官能团之间的共价键、结合至纳米粒子的含脂族链的配体的烷基上的自由基形成官能团与两亲性聚合物之间的共价键，和它们的组合。在某些实施例中，所述方法还可包括将所述两亲性聚合物交联至一个或多个其他两亲性聚合物。

其他实施例涉及通过包括如下步骤的方法制得的官能化纳米粒子：在第一试剂的至少一个第一官能团上产生自由基物种，其中所述第一试剂还包含选自腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺和马来酰亚胺的至少一个第二官能团，以及通过两者之间的自由基反应，使所述第一试剂的至少一个官能团上的自由基物种与含脂族链的表面配体的至少一个碳反应，从而在所述含脂族链的表面配体和所述第一试剂之间形成共价键以制得官能化的表面配体。在一些实施例中，所述方法还可包括在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生烷基自由基。在其他实施例中，所述至少一个第一试剂的至少一个第二官能团将水溶性赋予纳米粒子。

其他实施例涉及通过包括如下步骤的方法制得的官能化纳米粒子：在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生卤素自由基以形成至少一个卤化配体，以及用选自腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺和马来酰亚胺的官能团代替卤化配体的卤素自由基，从而制得官能化配体。在一些实施例中，代替卤素自由基的官能团将水溶性赋予纳米粒子。

另外的实施例涉及通过包括如下步骤的方法制得的官能化纳米粒子：在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生卤素自由基以形成至少一个卤化配体，以及在所述卤化配体的卤素自由基和至少一个第一试剂的官能团之间进行亲核取代以制得官能化纳米粒子，其中所述第一试剂还包含选自腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺和马来酰亚胺的至少一个第二官能团。在一些实施例中，所述至少一个第一试剂的至少一个第二官能团将水溶性赋予纳米粒子。

实例

提供如下实例以说明但不限制本文公开的实施例。

实例1

用4-氨基二苯甲酮将辛基氧化膦涂布的纳米粒子官能化和THPP交联

将根据美国专利No. 6,322,901的实例1制得的无表面交换的三辛基氧化膦涂布的CdSe纳米晶加入至4-氨基二苯甲酮在己烷或四氯化碳中的溶液，并搅拌直至分散。在环境温度下将溶液暴露于充足的紫外照射以产生4-氨基二苯甲酮自由基。通过蒸发将所得溶液浓缩至数毫升，然后沉淀并分离纳米晶。

将纳米晶分散于氯仿中，在美国专利No. 7,198,847中描述的条件下使用三(羟甲基)膦丙酸（THPP）进行交联，其包括在室温下用1.2毫升THPP处理在约100毫升氯仿中的约1-3毫克纳米晶样品1小时，然后加入100毫升1M腐胺，并搅拌另一小时。然后再重复THPP和腐胺的添加3次以促进二苯甲酮加合物配体的广泛交联。分离交联的纳米粒子，相对于非交联的纳米粒子，其显示提高的稳定性。

实例2

用4-氨基二苯甲酮将TOPO/TOP涂布的纳米粒子官能化：

将根据美国专利No. 6,649,138的实例1-2制得的AMP-涂布的TOPO/TOP涂布的CdSe/ZnS核/壳纳米晶分散于4-氨基二苯甲酮在氯仿或四氯化碳中的溶液中。在环境温度下将溶液暴露于充足的紫外照射以产生4-氨基二苯甲酮自由基。通过蒸发将所得溶液浓缩至数毫升，然后沉淀并分离纳米晶。

实例3

用4-氨基二苯甲酮将组氨酸配体涂布的纳米粒子官能化：

将根据美国专利No. 6,955,855的实例1制得的含组氨酸的分子-涂布的CdSe/ZnS核/壳纳米晶分散于4-氨基二苯甲酮在氯仿中的溶液中。在环境温度下将溶液暴露于充足的紫外照射以产生4-氨基二苯甲酮自由基。通过蒸发将所得溶液浓缩至数毫升，然后沉淀并分离纳米晶。

实例4

用4,4’-二氨基二苯甲酮官能化和交联AMP涂布的纳米粒子：

将具有AMP涂层的纳米晶分散于含有4,4’-二氨基二苯甲酮的硼缓冲溶剂中，并在搅拌下暴露于UV光1小时。分离涂布的交联的纳米晶。

实例5

共价结合的两亲性聚合物涂布的纳米粒子的制备

通过使用1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亚胺（EDC）将聚丙烯酸的一部分羧酸基团与辛胺和4-氨基二苯甲酮偶联而制得可光交联的两亲性AMP聚合物。通过将AMP聚合物与核/壳CdSe/ZnS纳米晶（该纳米晶为用于制备QDOT^TM 655的类型）组装而制得聚合物涂布的水溶性纳米粒子。

将聚合物涂布的水溶性纳米粒子暴露于紫外（UV）照射。图4显示了在暴露于UV光时纳米粒子的量子产率。光解的纳米粒子的量子产率在UV下暴露约20至40分钟时显著增加。光解的纳米粒子的提高的量子产率在储存3星期之后得以保持。

实例6

用4-氨基二苯甲酮和THP官能化和交联辛基氧化膦涂布的纳米粒子：

使用含组氨酸的二肽的混合物将根据美国专利No. 6,322,901的实例1制得的无表面交换的三辛基氧化膦涂布的CdSe纳米晶分散于水中。在将4-氨基二苯甲酮光化学连接至纳米粒子表面之后，将溶于DMSO的三(羟甲基)膦（THP）的溶液加入至该混合物。在纯化之前，溶液在室温下搅拌至少12小时。

根据之前的描述，除了本文描述的那些之外的实施例的各种改变对于本领域技术人员而言是显而易见的。这种改变也旨在落入权利要求书的范围内。本申请中引用的每个引文均以全文引用的方式并入本文。

Claims

1.一种制备官能化纳米粒子的方法，其包括：

在第一试剂的至少一个官能团上产生自由基物种；以及

通过自由基反应，使所述第一试剂的至少一个官能团上的自由基物种与含脂族链的表面配体的至少一个碳反应以在所述含脂族链的表面配体和所述第一试剂之间形成共价键，从而制得官能化的表面配体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一试剂包含选自羰基、二嗪、叠氮和过氧化物的至少一个官能团。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一试剂包括选自烷基二嗪、重氮酯、芳基叠氮化物、二氮丙啶、取代的或未取代的二苯甲酮、酰基氧化膦、取代的或未取代的过氧化物和取代的或未取代的过氧化苯甲酰的自由基形成试剂。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一试剂的至少一个官能团包括光反应性官能团，且产生自由基物种包括照射所述第一试剂。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一试剂的至少一个官能团包括热反应性官能团，且产生自由基物种包括加热所述第一试剂。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在第一试剂的至少一个官能团上产生自由基物种包括在所述第一试剂的至少一个官能团上产生双自由基。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一试剂的至少一个官能团上的双自由基从结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的烷基抽去氢，从而在脂族的至少一个碳上产生烷基自由基。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一试剂包含能够在无自由基反应下形成共价键的至少一个第二官能团。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个第二官能团选自卤素、氨基、羟基、烷氧基、羧基、腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺和马来酰亚胺。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个第二官能团将水分散性赋予所述纳米粒子。

11.根据权利要求8所述的方法，其还包括通过使所述至少一个第二官能团与在第二官能化的配体上的至少一个官能团反应而将所述官能化的配体交联至第二官能化的配体，从而制得交联的官能化纳米粒子。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一试剂为取代的二苯甲酮或氨基二苯甲酮。

13.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一试剂选自4-氨基二苯甲酮、4-苯甲酰苯甲酸、4,4'-二氨基二苯甲酮、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸、2',3,4-二苯甲酮三羧酸、5,5'-羰基-双-偏苯三酸和4-氨基二苯甲酮或4,4'-二氨基二苯甲酮。

14.根据权利要求8所述的方法，其还包括使所述官能化的配体与具有一个或多个官能团的至少一个第二试剂反应。

15.根据权利要求14所述的方法，其还包括使所述至少一个第二试剂的一个或多个官能团的至少一个与第二官能化的配体上的官能团反应，从而制得交联的官能化纳米粒子。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一个第二试剂选自二羧酸、戊二酸、碳化二亚胺（CDI）、二胺、乙二胺、具有式H2N-(CH2)x-NH2的试剂，其中x为2-6、三(羟甲基)膦（THP）和三(羟甲基)丙酸膦（THPP）。

17.根据权利要求1所述的方法，其还包括在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生烷基自由基。

18.根据权利要求1所述的方法，其中结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体至少包含C1-C40脂族烃，且纳米粒子结合中心选自膦酸、膦、氧化膦、羧酸酯、硫醇和咪唑。

19.一种制备官能化纳米粒子的方法，其包括:

在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生卤素自由基以形成至少一个卤化配体；以及

在所述卤化配体的卤素自由基和至少一个第一试剂的官能团之间进行亲核取代以制得官能化纳米粒子。

20.根据权利要求19所述的方法，其中在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生卤素自由基的步骤还包括：

将具有含脂族链的表面配体涂层的纳米粒子与卤化试剂组合；以及

卤化结合至所述纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述卤化试剂选自N-溴代琥珀酰亚胺（NBS）和N-氯代琥珀酰亚胺（NCS）、三溴化物盐、苯基三甲基三溴化铵及其组合。

22.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一个第一试剂的官能团选自硫醇、叠氮及其组合。

23.根据权利要求19所述的方法，其还包括使用包含两个或更多个能够进行亲核取代的官能团的至少一个第一试剂交联至少两个卤化配体。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述至少一个第一试剂为胱氨酸。

25.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一个第一试剂还包含将水溶性赋予纳米粒子的至少一个第二官能团。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述至少一个第二官能团选自氨基、羟基、烷氧基、羧基、腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺和马来酰亚胺。

27.一种制备官能化纳米粒子的方法，其包括:

用官能团代替卤化配体的卤素自由基以制得官能化配体。

28.根据权利要求27所述的方法，其中在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生卤素自由基的步骤还包括：

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述卤化试剂选自N-溴代琥珀酰亚胺（NBS）和N-氯代琥珀酰亚胺（NCS）、三溴化物盐、苯基三甲基三溴化铵及其组合。

30.根据权利要求27所述的方法，其中所述官能化配体的官能团选自叠氮和硫醇。

31.根据权利要求30所述的方法，其还包括将叠氮官能团转化至氨基官能团。

32.根据权利要求31所述的方法，其还包括使官能化配体与至少一个第一试剂反应，所述第一试剂具有能够与官能化配体的氨基官能团反应的至少一个官能团。

33.根据权利要求32所述的方法，其还包括使第二官能化配体与至少一个第一试剂反应，由此交联至少两个结合至纳米粒子的具有氨基官能团的官能化配体。

34.根据权利要求32所述的方法，其中所述至少一个第一试剂选自二羧酸、戊二酸、碳化二亚胺（CDI）、三(羟甲基)膦（THP）和三(羟甲基)丙酸膦（THPP）。

35.根据权利要求32所述的方法，其中所述官能化配体的官能团为叠氮且所述至少一个第一试剂包含一个或多个炔基。

36.根据权利要求35所述的方法，其中所述至少一个第一试剂为式HC≡(CH₂)_tC≡CH的化合物，其中t为1、2、3、4或5。

37.根据权利要求36所述的方法，其还包括使第二官能化配体与至少一个第一试剂反应，由此交联至少两个结合至纳米粒子的具有叠氮官能团的官能化配体。

38.一种制备官能化纳米粒子的方法，其包括：

将具有含脂族链的配体涂层的一个或多个纳米粒子与两亲性聚合物组合以生成混合物，所述两亲性聚合物具有一个或多个能够形成自由基物种的官能团；

在两亲性聚合物的一个或多个官能团上产生自由基物种；以及

通过自由基反应使两亲性聚合物的一个或多个官能团上的自由基物种与含脂族链的配体的至少一个碳反应而在含脂族链的配体和两亲性聚合物之间形成共价键，由此将所述两亲性聚合物交联至所述纳米粒子。

39.根据权利要求38所述的方法，其还包括在结合至纳米粒子的含脂族链的配体的至少一个碳上产生烷基自由基。

40.根据权利要求38所述的方法，其中所述两亲性聚合物为取代的聚丙烯酸。

41.根据权利要求38所述的方法，其中所述两亲性聚合物包含选自羰基、二嗪、叠氮、过氧化物及其组合的至少一个官能团。

42.根据权利要求38所述的方法，其中所述两亲性聚合物包括选自烷基二嗪、重氮酯、芳基叠氮化物、二氮丙啶、取代的或未取代的二苯甲酮、酰基氧化膦、取代的或未取代的过氧化物和取代的或未取代的过氧化苯甲酰的自由基形成试剂。

43.根据权利要求38所述的方法，其中所述两亲性聚合物的至少一个官能团包括结合至氨基二苯甲酮或4-氨基二苯甲酮的聚丙烯酸的羧酸基团。

44.根据权利要求38所述的方法，其中所述两亲性聚合物的至少一个官能团包括光反应性官能团，且产生自由基物种包括照射所述混合物。

45.根据权利要求38所述的方法，其中所述两亲性聚合物的至少一个官能团包括热反应性官能团，且产生自由基物种包括加热所述混合物。

46.根据权利要求38所述的方法，其中在两亲性聚合物的至少一个官能团上产生自由基物种包括在所述两亲性聚合物的至少一个官能团上产生双自由基。

47.根据权利要求38所述的方法，其还包括将两亲性聚合物通过选自如下的相互作用而连接至结合至纳米粒子的含脂族链的配体：氢键、两亲性聚合物的多个官能团的一个或多个与连接至结合至纳米粒子的多个含脂族链的配体的官能团之间的共价键、结合至纳米粒子的含脂族链的配体的烷基上的自由基形成官能团与两亲性聚合物之间的共价键，和它们的组合。

48.根据权利要求38所述的方法，其还包括将所述两亲性聚合物交联至一个或多个其他两亲性聚合物。

49.一种通过包括如下步骤的方法制得的官能化纳米粒子：

在第一试剂的至少一个第一官能团上产生自由基物种，其中所述第一试剂还包含选自腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺和马来酰亚胺的至少一个第二官能团；

通过两者之间的自由基反应，使所述第一试剂的至少一个官能团上的自由基物种与含脂族链的表面配体的至少一个碳反应，从而在所述含脂族链的表面配体和所述第一试剂之间形成共价键以制得官能化的表面配体。

50.根据权利要求49所述的官能化纳米粒子，其中所述方法还包括在结合至纳米粒子的含脂族链的表面配体的至少一个碳上产生烷基自由基。

51.根据权利要求49所述的官能化纳米粒子，其中所述至少一个第一试剂的至少一个第二官能团将水溶性赋予纳米粒子。

52.通过包括如下步骤的方法制得的官能化纳米粒子：

用选自腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺和马来酰亚胺的官能团代替卤化配体的卤素自由基，从而制得官能化配体。

53.根据权利要求52所述的官能化纳米粒子，其中所述代替卤素自由基的官能团将水溶性赋予纳米粒子。

54.一种通过包括如下步骤的方法制得的官能化纳米粒子：

在所述卤化配体的卤素自由基和至少一个第一试剂的官能团之间进行亲核取代以制得官能化纳米粒子；

其中所述第一试剂还包含选自腈、硫醇、烯烃、炔烃、叠氮、琥珀酰亚胺和马来酰亚胺的至少一个第二官能团。

55.根据权利要求54所述的官能化纳米粒子，其中所述至少一个第一试剂的至少一个第二官能团将水溶性赋予纳米粒子。