CN116004220B - 沉淀聚合法制备量子点微球的方法、量子点微球及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了沉淀聚合法制备量子点微球的方法、量子点微球及应用，涉及量子点技术领域。先控制体系中量子点和单体浓度，使量子点上的配体间聚合，量子点团聚，形成量子点团簇，量子点团簇可继续由团簇表面的量子点配体稳定分散在良溶剂中。在量子点成核期结束后，进行单体聚合，控制其浓度始终保持在临界成核浓度以下，聚合生成的齐聚物逐渐在量子点团簇上吸附、生长，形成量子点微球。通过将成核和生长过程分开，在制备量子点微球时可以直接合成量子点分布均一、负载均一的量子点微球。

Description

沉淀聚合法制备量子点微球的方法、量子点微球及应用

技术领域

本发明涉及量子点技术领域，具体而言，涉及沉淀聚合法制备量子点微球的方法、量子点微球及应用。

背景技术

量子点具有荧光发射波长可调、光致发光量子产率(PLQY)高、荧光稳定性好的优势，在定量检测蛋白、核酸、细胞等生物标志物检测上备受青睐。然而量子点的粒径小，表面能高，单独使用时易团聚，导致测试结果异常，限制了其应用场景。

将多个量子点装载在一个微球中，形成量子点荧光微球，能给量子点提供保护性的壳层，提供带电偶联基团，其表面电位的相互排斥作用能有效避免微球团聚。量子点与单体共聚，是制备粒径均一的量子点荧光微球的常用方法，但往往需要通过复杂的分离纯化，才能得到量子点分布均一的微球，难以一步合成量子点分布均一、负载均一的量子点微球。

量子点通过与单体共聚的形式，制备粒径均一微球的过程中被包埋，常见如悬浮聚合、乳液聚合等，这些方法能保证量子点在使用环境中不泄露，但是这些方法的连续相都是水，高PLQY的油相量子点在其中不能单分散存在，难以保证量子点微球的荧光均一性，影响在精确定量检测上的应用。

沉淀聚合法是将所有物料都溶解在良溶剂中，精密调控合成单分散微球的合成方法。但是将量子点直接分散在良溶剂中，形成准均相体系，量子点会影响单体成核，形成大量团聚物，仍然难以保证量子点微球的荧光均一性。

因此，如何在制备量子点微球时，实现量子点微球荧光的均一性是亟待解决的问题。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供沉淀聚合法制备量子点微球的方法、量子点微球及应用，旨在显著提高量子点微球的均一性，使量子点分布和负载更加均一。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种沉淀聚合法制备量子点微球的方法，包括：

将量子点、引发剂和单体在良溶剂中混合得到成核反应液，将成核反应液进行量子点成核反应；其中，单体在成核反应液中的体积分数小于0.4％；

在量子点成核反应后，向体系中加入由单体、引发剂和交联剂形成的混合溶液进行聚合反应，通过控制混合溶液的加入速率，以控制过程中单体的浓度在临界成核浓度以下。

在可选的实施方式中，先将量子点和良溶剂混合，升温至80℃-95℃，通氮除氧后得到量子点分散液；

将引发剂、单体和良溶剂混合溶解得到单体溶液，将量子点分散液和单体溶液混合得到成核反应液，在80℃-95℃的条件下反应1h-4h；

优选地，将单体溶液注射至量子点分散液中。

在可选的实施方式中，量子点是表面含有乙烯基配体的量子点，每100毫升量子点分散液对应量子点的质量为0.3g-1g，量子点分散液和单体溶液的体积比为200:1.0-2.0；

优选地，量子点表面的乙烯基配体选自烯酸类及其衍生物、丙烯酸酯及其衍生物和甲基丙烯酸酯及其衍生物中的至少一种；

更优选地，量子点表面的乙烯基配体选自正辛烯酸、正壬烯酸、正癸烯酸、丙烯酸磷酸酯、丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸丙二纯酯和甲基丙烯酸丁二醇酯中的至少一种。

在可选的实施方式中，良溶剂选自溶解度参数在21-25的非配位惰性溶剂；

优选地，良溶剂选自四氯乙烷、吡啶、环己醇、正丁醇、异丁醇、正丙醇、乙腈和二甲基甲酰胺中的至少一种。

在可选的实施方式中，单体溶液中的单体是有且只含有一个乙烯基的化合物或其衍生物；

优选地，单体选自苯乙烯、氯苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯和丙烯酸中的至少一种；

优选地，在制备单体溶液时，控制单体和良溶剂的体积比为1:1-10；

优选地，引发剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈和偶氮异丁氰基甲酰胺中的至少一种；每100mL毫升成核反应液对应引发剂的含量为0.001g-0.01g。

在可选的实施方式中，量子点成核反应后反应釜中反应液的体积与混合溶液的体积比为30-50:1，将混合溶液滴加至反应液后，在60℃-80℃的条件下继续反应2h-5h；

优选地，控制混合溶液的滴加时间为40min-70min；

更优选地，混合溶液的滴加速率为0.05mL/min-0.15mL/min。

在可选的实施方式中，混合溶液的制备过程中，单体和交联剂的体积比为2.3-19:1，设单体和交联剂的总体积为V，100mL的V对应引发剂的含量为0.1g-1g。

在可选的实施方式中，交联剂选自至少含有两个乙烯基的化合物；

优选地，交联剂选自二乙烯苯、烯丙基醚、二烯丙基丙二酸二乙酯、二烯丙基二硫、乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丙二醇二丙烯酸酯、1,3-丙二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丁二醇二丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯和1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯中的至少一种。

第二方面，本发明提供一种量子点微球，通过前述实施方式中任一项的制备方法制备而得。

第三方面，本发明提供前述实施方式的量子点微球在定量检测中的应用。

本发明具有以下有益效果：先控制体系中量子点和单体浓度，使量子点上的配体间聚合，量子点团聚，形成量子点团簇，量子点团簇可继续由团簇表面的量子点配体稳定分散在良溶剂中。在量子点成核期结束后，进行单体聚合，控制其浓度始终保持在临界成核浓度以下，聚合生成的齐聚物逐渐在量子点团簇上吸附、生长，形成量子点微球。通过将成核和生长过程分开，在制备量子点微球时可以直接合成量子点分布均一、负载均一的量子点微球。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1制备得到的量子荧光微球的电镜图；

图2为实施例2制备得到的量子荧光微球的电镜图；

图3为实施例1、对比例2的荧光发射图；

图4为实施例1、对比例3的荧光发射图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明实施例提供一种沉淀聚合法制备量子点微球的方法，包括以下步骤：

S1、量子点成核

将量子点、引发剂和单体在良溶剂中混合得到成核反应液，将成核反应液进行量子点成核反应；其中，单体在成核反应液中的体积分数小于0.4％，通过对单体的用量进行严格控制，以有效避免单体自发成核。

在实际操作过程中，先将量子点和良溶剂混合，升温至80℃-95℃，通氮除氧后得到量子点分散液，备用；将引发剂、单体和良溶剂混合溶解得到单体溶液，将量子点分散液和单体溶液混合得到成核反应液，在80℃-95℃的条件下反应1h-4h，以使量子点上的配体基团充分反应。

具体地，反应温度可以为80℃、83℃、85℃、87℃、90℃、92℃、95℃等，反应时间可以为1h、2h、3h、4h等，也可以为以上相邻取值之间的任意值。

在一些实施例中，可以将单体溶液注射至量子点分散液中，借助注射器，可以将单体溶液一次性注入量子点分散液中。

在一些实施例中，量子点表面的乙烯基配体选自烯酸类及其衍生物、丙烯酸酯及其衍生物和甲基丙烯酸酯及其衍生物中的至少一种；优选地，量子点表面的乙烯基配体选自正辛烯酸、正壬烯酸、正癸烯酸、丙烯酸磷酸酯、丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸丙二纯酯和甲基丙烯酸丁二醇酯中的至少一种，可以为以上任意一种或几种。

在一些实施例中，良溶剂选自溶解度参数(可通过结构基团的摩尔吸引常数和分子量计算)在21-25的非配位惰性溶剂，如四氯乙烷、吡啶、环己醇、正丁醇、异丁醇、正丙醇、乙腈和二甲基甲酰胺等，可以为以上任意一种或几种。以上溶解度参数的计算是常规的计算方法，可根据结构基团的摩尔吸引常数计算，公式如下：

式中，ρ为相对密度，Fi为摩尔吸引常数，M0为分子的分子量，详可见《高分子物理》化学工业出版社，第四版，82-86页。

在一些实施例中，单体溶液中的单体是有且只含有一个乙烯基的化合物或其衍生物；优选地，单体选自苯乙烯、氯苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯和丙烯酸中的至少一种，可以为以上任意一种或几种。

引发剂的种类不限，在一些实施例中，引发剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈和偶氮异丁氰基甲酰胺中的至少一种，可以为以上任意一种或几种。

为了更好地控制量子点成核，使得到的量子点团簇更加均一，发明人对各原料的用量进行了精确控制：每100毫升量子点分散液对应量子点的质量为0.3g-1g，量子点分散液和单体溶液的体积比为200:1.0-2.0；控制单体和良溶剂的体积比为1:1-10，每100mL毫升成核反应液对应引发剂的含量为0.01g-0.1g。

具体地，每100毫升量子点分散液对应量子点的质量可以为0.3g、0.5g、0.7g、1.0g等，量子点的浓度不宜过大，否则会导致成核期难以控制，会形成肉眼可见的团聚。

具体地，量子点分散液和单体溶液的体积比可以为200:1.0、200:1.5、200:2.0等，也可以为以上相邻取值之间的任意值。

具体地，制备单体溶液时，单体和良溶剂的体积比可以为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10等，单体的浓度不宜过大，使注入后的浓度小于0.4％(v/v)，避免出现自发成核。

具体地，每100mL毫升成核反应液对应引发剂的含量可以为0.01g、0.03g、0.05g、0.07g、0.10g等，引发剂分解的自由基有强氧化性，过多引发剂会导致量子点表面形成氧化缺陷，影响荧光性能，故引发剂浓度需控制在0.01％-0.1％(m/V)。

S2、单体聚合

在量子点成核反应后，向体系中加入由单体、引发剂和交联剂形成的混合溶液进行聚合反应，通过控制混合溶液的加入速率，以控制过程中单体、交联剂总浓度始终在临界成核浓度以下。临界成核浓度可以根据经验控制，在实际操作时若没有相关经验，则可以控制滴加速率足够慢，缓慢滴加即可。

在实际操作过程中，量子点成核反应后反应釜中反应液的体积与混合溶液的体积比为30-50:1，将混合溶液滴加至反应液后，在60℃-80℃的条件下继续反应2h-5h，混合溶液的量较少，控制其缓慢加入，以保证单体、交联剂总浓度始终在临界成核浓度以下，防止单体二次成核，聚合生成的齐聚物逐渐在量子点团簇上吸附、生长，形成量子点微球。在反应完成之后，通过离心、置换溶剂，即得到所述量子点荧光微球。

具体地，量子点成核反应后反应釜中反应液的体积与混合溶液的体积比可以为30:1、35:1、40:1、45:1、50:1等；控制混合溶液的滴加时间为40min-70min，以保证单体、交联剂总浓度始终在临界成核浓度以下，具体可以为40min、50min、60min、70min等。具体地，混合溶液的滴加速率可以为0.05mL/min-0.15mL/min，如可以为0.05mL/min、0.10mL/min、0.15mL/min等。

为进一步控制单体的聚合反应，得到均一的量子点微球，发明人对各原料的用量进行了优化：混合溶液的制备过程中，单体和交联剂的体积比为2.3-19:1，设单体和交联剂的总体积为V，100mL的V对应引发剂的含量为0.1g-1g。

具体地，单体和交联剂的体积比可以为2.3:1、2.5:1、3.0:1、5.0:1、7.0:1、9.0:1、13.0:1、15.0:1、17.0:1、19.0:1等。100mL的V对应引发剂的含量可以为0.1g、0.3g、0.5g、0.7g、1.0g等。交联剂比例过高，临界成核浓度降低，单体/交联剂容易自成核；交联剂比例过低，生成的齐聚物分子量小难以吸附在量子点簇上，得到的产品缺少功能聚合物壳层，无法分散在水溶液中。

在一些实施例中，交联剂选自至少含有两个乙烯基的化合物；优选地，交联剂选自二乙烯苯、烯丙基醚、二烯丙基丙二酸二乙酯、二烯丙基二硫、乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丙二醇二丙烯酸酯、1,3-丙二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丁二醇二丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯和1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯中的至少一种，可以为以上任意一种或几种。

需要说明的是，本发明实施例所提供的制备方法，在成核阶段，含乙烯基配体的量子点分散在良溶剂中，在引发剂的作用下成核，再滴加单体/交联剂-引发剂混合溶液，该混合溶液能在良溶剂中溶解，在准均相条件下，用沉淀聚合法制备量子点荧光微球。

本发明实施例提供一种量子点微球，通过上述制备方法制备而得，通过在准均相体系中，分开成核和生长步骤，能得到粒径均一、量子点负载量均一的量子点荧光微球，可以在定量检测中得到应用，有利于进一步提高检测精确度。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种沉淀聚合法制备量子点微球的方法，包括以下步骤：

(1)将2.0g量子点(ZnCdSe量子点，下同)分散在200mL四氯乙烷中，在反应器中升温至90℃，持续搅拌、通氮除氧备用。

(2)将0.02g偶氮二异丁腈用0.8mL苯乙烯和0.8mL四氯乙烷溶解，注射至反应器中，在90℃的条件下反应3h。

(3)将0.05g偶氮二异丁腈，用3mL苯乙烯、0.5mL丙烯酸、1.5mL二乙烯基苯溶解，以0.1mL/min的速度滴加至步骤(2)得到的体系中，滴加完毕后70℃的条件下继续反应3h，通过离心收集，再用纯水分散，重复两次。

测试实施例1中制备得到的量子点荧光微球的电镜图，如图1所示。可以看出，制备得到的量子点荧光微球均匀分布，粒径均一，量子点负载量均一。

实施例2

本实施例提供一种沉淀聚合法制备量子点微球的方法，包括以下步骤：

(1)将2.0g量子点分散在200mL吡啶中，在反应器中升温至90℃，持续搅拌、通氮除氧备用。

(2)将0.002g偶氮二异丁腈用0.1mL苯乙烯和1.0mL四氯乙烷溶解，注射至反应器中，在90℃的条件下反应3h。

(3)将0.005g偶氮二异丁腈，用4.25mL苯乙烯、0.5mL丙烯酸、0.25mL二乙烯基苯溶解，以0.1mL/min的速度滴加至步骤(2)得到的体系中，滴加完毕后70℃的条件下继续反应3h，通过离心收集，再用纯水分散，重复两次。

测试实施例1中制备得到的量子点荧光微球的电镜图，如图2所示。可以看出，制备得到的量子点荧光微球均匀分布，粒径均一，量子点负载量均一。

对比例1

本对比例提供一种沉淀聚合法制备量子点微球的方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(2)注入至反应器中后不进行反应，直接滴加步骤(3)中的溶液。具体如下：

(1)将2.0g量子点分散在200mL四氯乙烷中，在反应器中升温至90℃，持续搅拌、通氮除氧备用。

(2)将0.02g偶氮二异丁腈用0.8mL苯乙烯和0.8mL四氯乙烷溶解，注射至反应器中。

(3)将0.05g偶氮二异丁腈，用3mL苯乙烯、0.5mL丙烯酸、1.5mL二乙烯基苯溶解，以0.1mL/min的速度滴加至步骤(2)混合后的体系中，滴加完毕后70℃的条件下继续反应3h，通过离心收集，再用纯水分散，重复两次。

对比例2

本对比例提供一种沉淀聚合法制备量子点微球的方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(1)量子点的用量增加至5g。

对比例3

本对比例提供一种沉淀聚合法制备量子点微球的方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(2)引发剂的用量增加至0.2g。

试验例

实施例1、对比例2的荧光发射图如图3所示，实线为实施例1，量子点团簇粒径均一，有且只有一个粒径峰；虚线为对比例2，量子点量过多，量子点形成不可控团聚，粒径不均一，有两个宽粒径峰。

实施例1、对比例3的荧光发射图如图4所示，实线为实施例1，虚线为对比例3，成核阶段过高引发剂直接导致量子点表面形成氧化缺陷，导致荧光强度明显降低。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种沉淀聚合法制备量子点微球的方法，其特征在于，包括：

将量子点、引发剂和单体在良溶剂中混合得到成核反应液，将成核反应液进行量子点成核反应；其中，所述单体在所述成核反应液中的体积分数小于0.4%；

在量子点成核反应后，向体系中加入由所述单体、引发剂和交联剂形成的混合溶液进行聚合反应，通过控制所述混合溶液的加入速率，以控制过程中单体的浓度在临界成核浓度以下；

先将所述量子点和所述良溶剂混合，升温至80℃-95℃，通氮除氧后得到量子点分散液；

将所述引发剂、所述单体和所述良溶剂混合溶解得到单体溶液，将所述量子点分散液和所述单体溶液混合得到所述成核反应液，在80℃-95℃的条件下反应1h-4h；

所述量子点是表面含有乙烯基配体的量子点，每100毫升所述量子点分散液对应量子点的质量为0.3g-1g，所述量子点分散液和所述单体溶液的体积比为200:1.0-2.0；

所述引发剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈和偶氮异丁氰基甲酰胺中的至少一种；每100mL毫升所述成核反应液对应所述引发剂的含量为0.001g-0.01g；

所述量子点表面的乙烯基配体选自烯酸类、丙烯酸酯及其衍生物和甲基丙烯酸酯及其衍生物中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述单体溶液注射至所述量子点分散液中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子点表面的乙烯基配体选自正辛烯酸、正壬烯酸、正癸烯酸、丙烯酸磷酸酯、丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸丙二醇酯和甲基丙烯酸丁二醇酯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述良溶剂选自溶解度参数在21-25的非配位惰性溶剂。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述良溶剂选自四氯乙烷、吡啶、环己醇、正丁醇、异丁醇、正丙醇、乙腈和二甲基甲酰胺中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单体溶液中的单体是有且只含有一个乙烯基的化合物。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述单体选自苯乙烯、氯苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯和丙烯酸中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在制备所述单体溶液时，控制所述单体和所述良溶剂的体积比为1:1-10。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，量子点成核反应后反应釜中反应液的体积与所述混合溶液的体积比为30-50:1，将所述混合溶液滴加至反应液后，在60℃-80℃的条件下继续反应2h-5h。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，控制所述混合溶液的滴加时间为40min-70min。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述混合溶液的滴加速率为0.05mL/min-0.15mL/min。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述混合溶液的制备过程中，所述单体和所述交联剂的体积比为2.3-19:1，设所述单体和所述交联剂的总体积为V，100mL的V对应所述引发剂的含量为0.1g-1g。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述交联剂选自至少含有两个乙烯基的化合物。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述交联剂选自二乙烯苯、烯丙基醚、二烯丙基丙二酸二乙酯、二烯丙基二硫、乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丙二醇二丙烯酸酯、1,3-丙二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丁二醇二丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯和1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯中的至少一种。

15.一种量子点微球，其特征在于，通过权利要求1-14中任一项所述的制备方法制备而得。