Модификация поверхности наночастиц меркаптокислотами с различной длиной углеводородного радикала

Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

Кафедра химии, геохимии и космохимии

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

по органической химии

 

 

на тему:

 

 

«Модификация поверхности наночастиц  меркаптокислотами с различной длиной углеводородного радикала»

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка III курса группы 3171

Алампиева Елена Витальевна

 

Научный руководитель:

доцент, к.х.н. Вакштейн М.С.

 

Консультант:

профессор, д.х.н. Гладышев П.П.,

 

 

 

 

 

 

Дубна, 2008.

«Модификация поверхности наночастиц  меркаптокислотами с различной длиной углеводородного радикала»

Алампиева Елена

3 курс, группа 3171

Кафедра химии, геохимии и космохимии

Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

Аннотация.

Работа посвящена изучению влияния длины углеводородного радикала органических лигандов, закрепленных на поверхности наночастиц, на устойчивость золя данных частиц в водной среде. В работе был проведен анализ двух методик гидрофилизации поверхности квантовых точек – с использованием меркаптоундекановой и меркаптоуксусной кислот. Исследование показало, что длинноцепочечные меркаптокарбоновые кислоты обеспечивают большую стабильность наночастиц в водной среде.

Работа была выполнена в Центре Высоких Технологий ФГУП «Научно-исследовательский институт прикладной акустики» под руководством доцента, к.х.н. Вакштейна М.С. в 2008 году.

 

 

«Nanoparticles` surface modification: using mercaptoacids with different hydrocarbon radicals` length»

Alampieva Elena

3rd-year student, group 3171

Chair of Chemistry, Geochemistry and Cosmochemistry

State University of Nature, Society and Man «Dubna»

Abstract.

The work is devoted to the investigation of the influence of hydrocarbon «skeleton» length on the stability of colloidal particles in water phase. In the present paper we have undertaken a comparative analysis of two methods of conversion of quantum dots into water – with the usage of mercaptoundecanoic and mercaptoacetic acids. On the basis of the fulfilled investigation it is possible to make a conclusion about the advantages of mercaptoundecanoic acid over mercaptoacetic acid.

The work was performed at the Center of High Technologies of Research Institute of Applied Acoustics under scientific supervision of the Head of the Nanocomposite materials laboratory, PhD in Chemistry M.S. Wakstein in 2008.

 

Содержание

 

1. Введение 4
2. Литературный обзор 5
3. Экспериментальная часть 17
4. Обсуждение результатов 20
5. Выводы 24
6. Список литературы 25

 

Введение

В настоящее время все большее значение приобретает использование квантовых точек в биологии и медицине. Однако синтезируемые нанокристаллы покрыты слоем гидрофобных лигандов и растворимы только в органических растворителях (хлороформ, толуол, гептан и т.п.). Их использование в биологических средах требует изменения свойств поверхности, формирования на поверхности частиц гидрофильных групп, через которые к ним могли бы далее присоединяться биологические молекулы.

В литературе описано достаточно много методов гидрофилизации поверхности КТ. Во всех этих методах реализуется 3 основных подхода:

1. Обмен гидрофобных лигандов на гидрофильные.
2. Образование вторичной органической оболочки за счет гидрофобных взаимодействий.
3. Заключение нанокристаллов в полимерную оболочку.

В данной работе был выбран метод гидрофилизации коллоидных КТ с использованием меркаптокислот - один из наиболее простых и легкоосуществимых. Он основан на обмене гидрофобных лигандов, которые находятся на поверхности КТ, на гидрофильные меркаптокислоты. При этом сера соединяется с поверхностью КТ, а гидрофильная карбонильная группа, находящаяся на поверхности КТ, обеспечивает растворимость нанокристаллов в воде.

Далее диспергированные в воду КТ через карбоксильные группы на поверхности «сшиваются» с молекулой белка и могут использоваться в качестве сенсоров и в иммунологических диагностических системах.

 

Литературный обзор

Квантовые точки – что это?

Квантовые точки (КТ) – это кристаллы нанометрового размера, которые обладают особыми физико-химическими свойствами в отличие от объёмных кристаллов. Как правило, квантовые точки представляют собой полупроводниковые соединения элементов II-VI, III-V групп периодической системы, например CdSe, ZnS, HgTe, InP, GaAs.

Флуоресцирующие полупроводниковые нанокристаллы, квантовые точки, обладают уникальными оптическими и химическими характеристиками.

Для спектра поглощения КТ характерно наличие экситонного пика, который возникает за счет поглощения энергии при энергетических переходах внутри нанокристаллов.

Яркость свечения нанокристаллов оказывается настолько высокой, что они оказываются детектируемыми как единичные объекты с помощью рутинного флуоресцентного микроскопа. Квантовые точки разных размеров (диаметров) поглощают свет в широком диапазоне оптического спектра от УФ- до ближней ИК-области, тогда как их спектр испускания крайне узок (ширина спектра на полувысоте составляет 15—30 нм), идеально симметричен, а положение максимума испускания флуоресценции нанокристаллов определяется их диаметром [1].

Кроме того, квантовые точки являются очень фотостабильными, обеспечивая как возможность многократного увеличения мощности возбуждающего излучения, так и длительного (в течение дней или даже недель) отслеживания поведения метки в реальном времени.

Оптические свойства нанокристаллов

Оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов определяются взаимодействием электронов и дырок с их локальным окружением. Квантовые точки поглощают фотоны, если их энергия больше ширины запрещенной зоны. В результате электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. По данным УФ-спектроскопии обнаружено наличие большого числа энергетических уровней квантовых точек. Самый низкий возбужденный уровень соответствует самому длинноволновому пику, называемому экситонным («excitonic» или «band gap» или «quantum-confinement peak»). Мультиплетные состояния находятся на более высоких энергетических уровнях, что обеспечивает возможность возбуждения квантовых точек излучением с более короткой длиной волны. Коэффициент молярной экстинкции нанокристаллов постепенно возрастает с уменьшением длины волны (рис. 1).

 

Рис. 1.Спектры поглощения и флуоресценции сферических CdSe/ZnS нанокристаллов структуры ядро/оболочка. Диаметр CdSe ядер: 2.5 нм (зеленые), 3.3 нм (желтые) и 4.8 нм (красные). На вставке: флуоресценция CdSe/ZnS нанокристаллов разных размеров. Для всех нанокристаллов использован один источник возбуждения ртутная лампа [2].

 

Эта особенность оказывается крайне важной для биологических приложений нанокристаллов, позволяя одновременно возбуждать квантовые точки разных цветов единственным источником возбуждения.

Флуоресценция нанокристаллов является результатом рекомбинации подвижных или связанных носителей заряда. Рекомбинация подвижных носителей дает флуоресценцию, называемую экситонной и имеющую острый пик. Спектр эмиссии единичного кристалла селенида кадмия, покрытого слоем ZnS, имеет ширину 13 нм (ширина на половине высоты) при комнатной температуре [1].

Варьируя размеры и состав полупроводниковых нанокристаллов, удается изменять длину волны их флуоресценции от синей до ИК-области оптического спектра (табл. 1).

Табл. 1. Спектральные свойства материалов квантовых точек [1].

 

 В частности, нанокристаллы CdS и ZnSe флуоресцируют  от УФ до синей области спектра. Нанокристаллы CdSe разных размеров  светятся практически во всем  видимом диапазоне, а нанокристаллы  состава InP или InAs флуоресцируют в  далеком красном и ИК диапазонах. Следует также отметить, что вытянутые квантовые точки (квантовые стержни) дают линейно поляризованное излучение, в то время как флуоресценция сферических CdSe нанокристаллов неполяризована или поляризована по кругу [1].

По сравнению с такими органическими красителями, как родамин 6Ж или флуоресцеин, нанокристаллы из селенида кадмия демонстрируют такой же или несколько меньший квантовый выход при комнатной температуре. Однако этот более низкий квантовый выход компенсируется их более высоким сечением поглощения и существенно меньшим фототушением флуоресценции. Бавенди с соавт. [6, 7] определили, что коэффициент молярной экстинкции CdSe нанокристаллов составляет примерно 105—106 М-1•см-1 и зависит от размера частиц (рис. 2) и длины волны возбуждения (рис. 1).

Рис.  2. Зависимость положения пика эмиссии флуоресценции CdSe/ZnS нанокристаллов коэффициента экстинкции (в длинно-волновом экситонном максимуме поглощения) от диаметра CdSe ядра нанокристалла [2].

 

 Это значение  существенно больше, чем у органических красителей. Таким образом, свечение единичного нанокристалла из CdSe, покрытого оболочкой ZnS, оказывается примерно в 20 раз ярче, чем свечение органических красителей, причем фотостабильность нанокристаллов оказывается в 100—3000 раз выше, чем стабильность органических флуорофоров [1].

 

 

Применение квантовых точек

Перечисленные свойства квантовых точек могут сделать их идеальными флуорофорами в системах сверхчувствительной детекции и диагностики различных заболеваний, требующих параллельной регистрации многих параметров одновременно с целью установления точного диагноза.

Сконъюгированные с биологическими молекулами наночастицы могут использоваться при гибридизации ДНК, в иммунологических диагностических системах и при рецепторном эндоцитозе, а также во флуоресцентных методах селективной визуализации биологических объектов (клеток, тканей и вирусов).

 

 Яркость и  фотостабильность нанокристаллов  позволяет регистрировать и наблюдать  молекулярные движения, обусловленные  действием моторных белков в реальном времени с временным разрешением 300 мкс и пространственным разрешением до 1.5 нм [1]. Нанокристаллы являются также потенциально новым классом флуоресцентных меток при получении изображений живых клеток. Особенно важным оказался факт исключительно высокой фотостабильности нанокристаллов, позволяющий использовать их в конфокальной микроскопии при получении пространственного распределения биологических рецепторов, или отслеживать внутриклеточные процессы в реальном времени в течение долгого периода (часы и даже дни).

 

Другим достоинством нанокристаллов является использование многих цветов для одновременного мечения многих мишеней внутри клеток или на их поверхностях. Более того, будучи покрытыми инертным органическим слоем, нанокристаллы даже менее токсичны, чем органические красители [1].

Многоканальное оптическое кодирование и высокопроизводительный анализ генов и белков с помощью микросфер с включенными в них нанокристаллами разных цветов открывают перспективы параллельной регистрации миллионов белков или последовательностей нуклеиновых кислот.

Методы нанотехнологии, применяемые в биотехнологии, позволяют надеяться на появление в самом ближайшем будущем диагностикумов нового поколения, основанных на полупроводниковых флуоресцентных нанокристаллах и обеспечивающих рекордные чувствительности и быстроту параллельного анализа многих биологических параметров.

История квантовых точек

Уменьшение размера частиц вещества до десятка нанометров и ниже приводит к тому, что свойства вещества начинают определяться не только и не столько его химическим составом, сколько размером. Известно, что уменьшение размера частиц некоторых соединений до нескольких нанометров может изменять цвет, проводимость, механические и другие свойства вещества. Нанометровый диапазон размеров открывает новые подходы к изучению свойств веществ, а возможность программируемой сборки наночастиц в микро- и макрообъекты (методы «bottom-up» — «снизу вверх») является абсолютно новой областью инженерного подхода к созданию малодефектных микроструктур и «микромашин», рассматриваемой как альтернатива традиционному для человечества подходу «top down»— «сверху вниз» (начиная от изготовления каменного топора к методам микролитографии и т.д.). Именно поэтому достижения нанотехнологии названы в США предвестником новой промышленной революции 21 века и одним из основных приоритетов в европейском сообществе.

В 1993 г. Бавенди с соавт. [6] опубликовали метод синтеза высококачественных гомогенных квантовых точек из селенида кадмия, которые могли быть представлены в виде дисперсии наночастиц в органических растворителях и чья поверхность могла быть сделана полярной методами химии поверхности. Эти квантовые точки были слабофлуоресцирующими (квантовый выход 10%). Принципиальный прорыв в технологии последовал после покрытия полупроводникового CdSe ядра квантовой точки несколькими слоями сульфида цинка, что позволило повысить квантовый выход их флуоресценции до величин, сравнимых с органическими флуорофорами, а оптимизация технологии покрытия ядер квантовых точек оболочкой  позволила получать нанокристаллы с квантовым выходом, превышающим 70% при комнатной температуре.

Синтез нанокристаллов

Методы синтеза нанокристаллов из элементов II—VI (CdSe, CdTe, CdS и ZnSe) и III-V (InP и InAs) групп разработаны довольно давно. Однако до 1993 г. нанокристаллы готовили в водных растворах в присутствии стабилизирующих агентов, таких как тиоглицерин или полифосфат. Такой метод давал на выходе низкокачественные нанокристаллы с низким выходом флуоресценции и большим разбросом по размерам (относительный разброс размеров превышал 15%).