Способ получения коллоидных квантовых точек селенида цинка в оболочке хитозана

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно нано-технологии интерактивного взаимодействия, датчиков или приведения в действие, например, квантовых точек в качестве био-маркеров.

Известен коллоидный способ (Аналог 1) получения квантовых точек сульфида цинка, покрытых хитозаном (F.P. Ramanery, А.Р. Mansur, H.S. Mansur One-step colloidal synthesis of biocompatible water-soluble ZnS quantum dot/chitosan nanoconjugates / Ramanery et al. Nanoscale Research Letters, 8:512 (2013)), который заключается во взаимодействии хлорида цинка с сульфидом натрия в растворе хитозана в присутствии соляной кислоты и гидроксида натрия при комнатной температуре в течение 24 часов. Раствор хитозана получали путем растворения порошка хитозана в водном растворе уксусной кислоты. Недостатками этого способа является большая продолжительность по времени и невысокий выход получаемых квантовых точек.

Известен способ синтеза (Аналог 2) квантовых точек селенида цинка (Uzma В. Memon, U. Chatterjee, M.N. Gandhi Synthesis of ZnSe quantum dots with stoichiometric ratio difference and study of its optoelectronic property /Procedia materials Science, 5 (2014), 1027-1033), заключающийся во взаимодействии безводного ацетата цинка с металлическим элементарным селеном в присутствии этиленгликоля и гидразин гидрата. Его недостатками является использование токсичных сред для проведения синтеза, высоких температур и продолжительного времени, поэтому способ неэкологичен, энергозатратен и долог по времени.

Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявленному изобретению является низкотемпературный водный способ (Прототип) получения полупроводниковых квантовых точек на основе ZnCdS, покрытых оболочкой карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) (Alexandra А.Р. Mansur, Fernanda G. de Car-valho, Rafael L. Mansur Carboxymethylcellulose/ZnCdS fluorescent quantum dot nanoconjugates for cancer cell bioimaging / International Journal of Biological Macromolecules, 96 (2017), 675-686). Способ заключается во взаимодействии хлорида цинка и шестиводного перхлората кадмия с девятиводным сульфидом натрия в среде водного раствора КМЦ при постоянном перемешивании в течение 10 минут при комнатной температуре. К недостаткам прототипа относятся использование в качестве покрывающего агента КМЦ, являющейся полисахаридом, довольно медленно растворяющимся в воде и обладающим невысокими защитными свойствами по отношению к кристаллическим частицам в коллоидных растворах, что препятствует простоте получения квантовых точек в полимерной оболочке, а также получению устойчивых во времени коллоидных растворов квантовых точек.

Целью настоящего изобретения является разработка технически простого, экономичного, нетоксичного, низкотемпературного, водного способа получения квантовых точек селенида цинка, покрытых оболочкой хитозана, которые возможно использовать в качестве биологических маркеров. Наличие оболочки хитозана на поверхности селенида цинка обеспечивает лучшее взаимодействие квантовых точек с биологическими объектами. В отличие от прототипа, использующего в качестве покрывающего агента КМЦ, в заявляемом изобретении применяется хитозан, обладающий лучшими защитными свойствами по отношению к коллоидным частицам, чем КМЦ, что обеспечивает лучшую стабилизацию частиц в коллоидных растворах. А также положительным отличием от прототипа является отсутствие в процессе синтеза дорогостоящего, сложного оборудования.

Сущность способа получения коллоидных квантовых точек селенида цинка в оболочке хитозана заключается во взаимодействии ионов цинка, распределенных в водном растворе хитозана, используемого в качестве покрывающего агента, в кислой среде, создаваемой раствором уксусной кислоты, с селенид-ионами, образующимися из раствора селеносульфата натрия, при комнатной температуре и постоянном перемешивании в течение одного часа.

В качестве источника ионов Se^2- использовали водный раствор селеносульфата натрия, приготовленный по способу, заключающемуся в том, что 2,36 г порошка сухого элементарного селена при постоянном перемешивании и нагревании до 80°С растворяли в водном растворе натрия сернистокислого, предварительно приготовленного из 9,48 г безводного Na₂SO₃ и 120 мл деионизованной воды. Водный раствор селеносульфата натрия в качестве источника ионов селена был выбран из соображений наименьшей токсичности данного вещества.

В качестве источника ионов Zn²⁺ использовали соль хлорида цинка, как нетоксичное, хорошо растворяющееся в воде соединение цинка (II), подходящее для проведения синтеза в водной среде при комнатной температуре.

Хитозан выступал в качестве стабилизирующего агента, адсорбирующегося на поверхности коллоидных частиц.

Осуществление изобретения достигается следующим образом. В раствор хитозана, полученный смешением 0,5 г сухого порошка хитозана и 50 мл 2%-ной уксусной кислоты, при комнатной температуре и постоянном перемешивании вводят 8,0 мл 0,008 М водного раствора хлорида цинка, затем добавляют 1,5 мл 0,1 М водного раствора аммиака. После чего по каплям при постоянном энергичном перемешивании медленно прибавляют к полученному раствору 0,12 мл 0,25 М раствора селеносульфата натрия. Синтез продолжается в течение одного часа при комнатной температуре. Бесцветный раствор постепенно становится светло-оранжевым и прозрачным, что свидетельствует об образовании колло-идного раствора селенида цинка.

Масса хлорида цинка и объем приливаемого селеносульфата были найдены в результате предварительной работы по подбору оптимального соотношения содержания ионов цинка и селенид-ионов и анализа спектров поглощения получаемых образцов. Объем и концентрация аммиака были выбраны так, чтобы обеспечить щелочную реакцию среды, в которой проходит взаимодействие ионов цинка с селенид-ионами.

Синтез наночастиц селенида цинка в оболочке хитозана проходил согласно следующим химическим реакциям:

Растворенные в воде молекулы хитозана во время синтеза осуществляют концентрирование ионов цинка: ионы металла замещают подвижные ионы водорода в NH₃⁺ группах протонированного полимера, образуя с хитозаном комплексное соединение CHI-NH₂Zn²⁺. Затем, после введения в раствор ионов селена, на основе хитозановой матрицы происходит зарождение центров кристаллизации и рост полупроводниковых частиц селенида цинка. В конечном итоге полимерные молекулы хитозана обволакивают образовавшиеся нанокристаллы, формируя на их поверхности естественную защитную оболочку.

Адсорбция молекул хитозана на поверхности образующихся наночастиц впоследствии обеспечивает их хорошую растворимость в водных средах, что позволяет использовать их в качестве флуорофоров внутри живых организмов.

Полученные наночастицы селенида цинка, покрытого оболочкой хитозана, исследованы на атомно-силовом микроскопе «SOLVER NEXT» для изучения морфологии и примерной оценки размеров частиц. На фиг. 1 представлено изображение поверхности осажденных на стеклянной подложке частиц селенида цинка в оболочке хитозана, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. АСМ-изображение имеет размер 200×200 нм. На топографии АСМ-изображения высота рельефа отражается в тональности красно-оранжевого цвета: чем выше, тем светлее, поэтому положению наночастиц соответствуют светлые области на более темном фоне. Как видно из фиг 1, высота наночастиц не превышает 10 нм (на области слева резкий подъем высоты рельефа объясняется откликом прибора на внешние случайные "шумы").

Наличие на поверхности частиц адсорбированного хитозана доказывается ИК-спектром образца квантовых точек селенида цинка, покрытых хитозаном (фиг. 2), снятых на ИК-спектрометре «Инфралюм FT-801» в диапазоне от 500 до 4000 см^-1. На фиг 2 показан ИК-спектр синтезированных квантовых точек селенида цинка, покрытых хитозаном. Характерные полосы поглощения в областях 3538,2 см^-1 и 1653,5 см^-1 относятся к колебаниям аминогруппы. При этом широкая полоса при 3538,2 см^-1 является областью перекрывания колебаний NH₂-группы с колебаниями свободного гидроксила и колебаниями водородных связей . Сильная полоса в области 1157-1029,7 см^-1, расщепленная на три компонента относится к валентным симметричным и валентным асимметричным колебаниям группы С-О-С. Средняя полоса в области 1653,5-1597,3 см^-1, расщепленная на два компонента относится к деформационным колебаниям NH₃⁺-группы. Колебание в области 895,48 см^-1 является деформационным колебанием C₁-H в β-сахарах.

Таким образом, в результате ИК-спектроскопического исследования доказано присутствие на поверхности наночастиц селенида цинка молекул хитозана.

Спектр поглощения (фиг. 3) водного раствора квантовых точек селенида цинка, покрытых оболочкой хитозана, сняты на УФ-спектрометре Agilent Technologies Сагу 60 UV-Vis. По данному спектру определена ширина запрещенной зоны полупроводниковых квантовых точек и по формуле 7 рассчитан средний диаметр частиц.

где Eg - энергия запрещенной зоны объемного селенида цинка; Е - энергия запрещенной зоны квантовых точек селенида цинка, рассчитанная по формуле Е=hc/λ, где λ - это длина волны поглощения квантовых точек (рис. 3); h - постоянная Планка; m^* - эффективная масса экситона в селениде цинка, равная 1,21⋅10^-31 кг.

Максимум поглощения приходится на длину волны 345 нм, что соответствует ширине запрещенной зоны 3,5 эВ, таким образом средний диаметр квантовых точек составляет 7,3 нм.

Максимум поглощения при 345 нм соответствует ширине запрещенной зоны 3,5 эВ. Объемный материал селенида цинка поглощает при 460 нм (2,7 эВ). Таким образом, у квантовых точек селенида цинка, по сравнению с объемным образцом, наблюдается сдвиг максимума поглощения в область более коротких волн и уширение запрещенной зоны. Наблюдаемый сдвиг может быть объяснен наличием состояния сильного конфайнмента в малых по размеру частицах вещества, а это является доказательством того, что полученные наночастицы селенида цинка являются именно квантовыми точками.

Рассчитан средний объем квантовой точки V по формуле (8). Для квантовых точек ZnSe, полученных представленным способом и имеющих средний радиус r=3,65 нм, он оказался равен 2,04⋅10^-25 м³.

Средняя масса одной квантовой точки, рассчитанная по формуле (9), составила 1,08⋅10^-18 г.

где m - средняя масса квантовой точки, г; ρ - плотность селенида цинка, равная 5,27⋅10⁶ г/м³; r - средний радиус квантовой точки селенида цинка, равный 3,65 нм.

Тогда число двухатомных ZnSe-единиц в одной квантовой точке среднего радиуса в 3,65 нм, согласно формуле (10), составит 4515 штук.

где N - число двухатомный ZnSe-единиц в одной квантовой точке; ρ - плотность селенида цинка, равная 5,27⋅10⁶ г/м³; r - средний радиус квантовой точки селенида цинка, равный 3,65 нм; N_A - число Авогадро, равное 6,02⋅10²³ моль^-1; M_ZnSe - молярная масса селенида цинка, равная 144 г/моль.

Таким образом, все проведенные исследования подтверждают то, что полученное вещество является селенидом цинка в оболочке хитозана, адсорбированной на его поверхности. Доказан нанометровый размер полученных частиц, их сферическая форма, а также тот факт, что эти наночастицы являются именно квантовыми точками. Показано, что даже без применения повышенных температур и агрессивных органических сред в процессе синтеза может быть получен селенид цинка нанометрового масштаба.