一种荧光硅量子点及其制备方法和应用

1.本发明涉及硅量子点技术领域。更具体地，涉及一种荧光硅量子点及其制备方法和应用。


背景技术：

2.光动力治疗(photodynamic therapy，简写为pdt)是近年来新发展出的一种针对恶性肿瘤的高效治疗技术。pdt具有选择性强、副作用小、可重复治疗等特点，是除光热治疗(photothermal therapy，简写为ptt)外的另一种光疗新技术。pdt的基本原理是当光敏剂聚集在肿瘤组织时，使用适当波长的光对其进行照射，光敏剂通过以下两种方式产生活性氧，破坏癌细胞的遗传物质等，进而杀死癌细胞。一种是位于单重激发态的光敏剂通过系间窜越过程，跃迁到三重态，直接将能量传递给氧气，生成单线态氧，该过程为ii型pdt。另一种形式是位于三重态的光敏剂和氧气发生电子转移作用，生成羟基自由基、或超氧阴离子、或过氧化氢等活性氧，该过程为i型pdt[chem.soc.rev.,2016,45,6488-6519.]。此外，带有荧光性质的光敏剂，当进入到肿瘤组织时，可以进行荧光成像。集诊断与治疗一体的光敏剂，是研究人员目前关注的热点，可为癌症精准治疗打下坚实的基础。
[0003]
光动力治疗(pdt)虽然有上述一些优势，但其仍有一些缺陷阻碍了其临床应用。例如，pdt过程中产生的活性氧寿命不到5微秒，扩散距离也不足30nm(angew.chem.2016,128,10101-10105)。此外，癌细胞的细胞膜和细胞质也会对产生的活性氧有所损耗。所以制备既可以在癌细胞荧光成像、产生活性氧的同时，又能靶向亚细胞器的光敏剂，是提高pdt疗效的一个重要方法。在癌细胞的所有亚细胞器中，溶酶体在细胞增殖分化、稳态调控方面起着重要作用，所以制备靶向溶酶体的光敏剂，将大大提高pdt的效率。
[0004]
硅量子点，是近年来受研究人员密切关注的一种硅纳米材料。由于其具有原料丰富、制备简便、电/光学性能优异、生物兼容性好、毒性低，以及表面易修饰等特点，使其在微电子材料、清洁能源、生物医学等领域得到了广泛的应用(chem.rev.2016,116,215-257)。虽然硅量子点在癌症诊疗方面也取得了一系列进展，但能够同时用于靶向溶酶体和光动力诊疗的硅量子点光敏剂还没有报道。


技术实现要素：

[0005]
基于以上事实，本发明的目的在于提供一种荧光硅量子点及其制备方法和应用。该荧光硅量子点的荧光有激发依赖性，且可以靶向癌细胞的溶酶体，在激光照射下可以产生单线态氧，可有效的用于荧光成像介导的光动力治疗中。
[0006]
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0007]
一方面，本发明提供一种荧光硅量子点，所述荧光硅量子点为点状纳米粒子，尺寸在5-10nm之间。
[0008]
进一步地，使用cu-kα辐射，以2θ角度表示的x-射线粉末衍射在约27.8
°
、39.8
°
、58.8
°
处存在特征衍射峰。
[0009]
本发明研究中发现，原料的选择影响着最终制备得到的硅量子点的性能。进一步地，所述荧光硅量子点为通过还原剂还原该还原剂与四氯化硅交联物得到。
[0010]
进一步地，所述还原剂选自二甘醇。
[0011]
进一步地，所述荧光硅量子点为通过二甘醇还原二甘醇-四氯化硅交联物得到。
[0012]
进一步地，所述还原剂与四氯化硅的用量比为(200-400):1，优选为(200-250):1。本发明中，二甘醇与四氯化硅混合后得到交联物，过量的二甘醇进一步作为还原剂还原该交联物，得到所述荧光硅量子点。
[0013]
又一方面，本发明提供如上所述的荧光硅量子点的制备方法，包括如下步骤：
[0014]
将四氯化硅与还原剂混匀，加热进行还原反应，待反应完后，经透析、过滤、冻干，得所述荧光硅量子点。
[0015]
由于四氯化硅需密闭保存，尤其要避免与水接触，故而四氯化硅与还原剂的混合优选为将四氯化硅注射入还原剂中。且所述还原反应优选在油浴环境中进行。采用油浴加热更为方便，反应更均匀，且还原程度易于控制，减小了制备的成本。
[0016]
进一步地，所述混匀的方式为搅拌，搅拌速度优选为600r/min。
[0017]
进一步地，所述还原反应的温度为140-170℃，时间为5-6h。研究发现，若还原反应温度过低，则得到的产物没有荧光效果；若还原反应温度过高，则会发生荧光蓝移。
[0018]
进一步地，所述还原剂为二甘醇。
[0019]
进一步地，所述还原剂与四氯化硅的用量体积比为(200-400)：1。优选地，所述还原剂与四氯化硅的用量体积比为(200-250)：1。此时，制备得到的荧光硅量子点纯度高，不存在杂质。
[0020]
本发明的制备方法中，二甘醇与四氯化硅混匀后得到交联物，过量的二甘醇进一步作为还原剂还原该交联物，得到所述荧光硅量子点。
[0021]
进一步地，所述透析的截留分子量为3000da，时间为24-36h。
[0022]
进一步地，所述过滤用的滤膜孔径为0.4-0.8um。
[0023]
进一步地，所述冻干温度为-50℃～-55℃，时间为24-48h。
[0024]
又一方面，本发明提供如上所述的荧光硅量子点在制备癌细胞溶酶体靶向药物或光动力治疗药物中的应用。
[0025]
该荧光硅量子点的荧光在不同波长激发下有激发依赖性，且可以靶向癌细胞的溶酶体，在激光照射下可以产生单线态氧，可有效的用于荧光成像介导的光动力治疗中。
[0026]
进一步地，所述荧光硅量子点在包括但不限于635nm波长、532nm波长、577nm波长的激光照射下可产生单线态氧。优选为在635nm波长的激光照射下产生单线态氧效果更好。
[0027]
本发明的有益效果如下：
[0028]
本发明提供的荧光硅量子点弥补了能够同时用于靶向溶酶体和光动力诊疗的硅量子点技术领域的空白。该荧光硅量子点的荧光有激发依赖性，并且激光照射后可产生单线态氧。其制备原料储量丰富、简便易得。本发明提供的荧光硅量子点的制备在合成硅量子点过程中，无需人工额外掺杂其他荧光基团就可获得优异的光学性能，同时具有高的生物安全性。且本发明中提供的荧光硅量子点能很好的在靶向癌细胞溶酶体中应用，该荧光硅量子点可作为荧光探针。在激光照射下可产生单重态氧，从而杀灭癌细胞，可作为光诊疗一体化试剂。
附图说明
[0029]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0030]
图1示出示出实施例1制备得到的荧光硅量子点的透射电镜图。
[0031]
图2示出实施例1制备得到的荧光硅量子点xrd谱图。
[0032]
图3示出实施例1制备得到的荧光硅量子点的吸收光谱图。
[0033]
图4示出实施例1制备得到的荧光硅量子点的荧光光谱图。
[0034]
图5示出实施例1制备得到的荧光硅量子点的产生单线态氧的能力，通过降解abda，使其吸收下降。
[0035]
图6示出实施例1制备得到的荧光硅量子点经过和hela细胞孵育不同时间，在激光照射下可产生荧光。
[0036]
图7示出实施例1制备得到的荧光硅量子点的靶向癌细胞溶酶体的能力。
[0037]
图8示出实施例1制备得到的荧光硅量子点的暗毒性以及在激光照射下杀伤hela细胞的能力。
[0038]
图9示出实施例6得到的硅量子点的透射电镜图。
[0039]
图10示出实施例7得到的固体粉末的透射电镜图。
具体实施方式
[0040]
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0041]
实施例1
[0042]
一种荧光硅量子点的制备方法，包括如下步骤：
[0043]
称取40ml二甘醇溶液置于250ml两口烧瓶中，并用橡胶塞封口。使用注射器向瓶中注入200ul四氯化硅溶液，并磁力搅拌，转速为600r/min。随后油浴加热到160℃，反应6h。待溶液冷却后，用半透膜(分子量为3000da)对溶液进行透析24h，以去除未反应完全的二甘醇溶液，得到硅量子点的水溶液。随后使用孔径为0.80um的滤膜对其进行过滤，并使用真空冷冻干燥机干燥24h得到荧光硅量子点固体粉末。
[0044]
图1为实施例1对应的荧光硅量子点的透射电镜图。结果显示，由二甘醇还原四氯化硅制备的荧光硅量子点是均匀分散的点状粒子，尺寸在5-10nm之间。
[0045]
图2为实施例1制备得到的荧光硅量子点的xrd谱图。从图中可知，该荧光硅量子点在27.8
°
,39.8
°
58.8
°
处有街射峰存在，对应干硅的(111)，(200)，(311)晶面，表征结果证明了荧光硅量子点的成功制备。
[0046]
图3为实施例1对应的荧光硅量子点的吸收光谱图。结果显示，由二甘醇还原四氯化硅制备的荧光硅量子点在450-700nm有吸收。
[0047]
图4为实施例1对应的荧光硅量子点在不同波长下的激发光谱图，结果显示，硅量子点的荧光有激发依赖性。
[0048]
实施例2
[0049]
一种荧光硅量子在制备光动力试剂中的应用。
[0050]
将上述实施例1中制备的荧光硅量子点分散在水中，配置成400ug/ml的溶液。取
1ml该溶液放入比色皿中，扣除背景吸收。随后向比色皿中加入1mg/ml的abda溶液60ul，测试其吸收光谱。随后使用0.1w/cm2的635nm激光器对其进行照射，每隔一分钟测试一次吸收光谱。通过判断abda的吸收光谱变化，来判断硅量子点是否能产生单线态氧。
[0051]
图5为实施例1对应的荧光硅量子点利用abda的吸收光谱变化来监测单线态氧，发现在635nm激光照射后吸收光谱逐渐下降，可以产生单线态氧，具备用于癌细胞光动力治疗的潜力。
[0052]
实施例3
[0053]
一种荧光硅量子点在荧光成像方面的应用。将实施例1所制备的荧光硅量子点配置成400ug/ml的溶液，加入hela细胞共聚焦皿中。孵育第3、6、9、12时在共聚焦荧光显微镜下观察材料是否能顺利进入细胞并发出荧光，用于细胞荧光成像。
[0054]
图6为实施例1对应的荧光硅量子点经过和hela细胞孵育3、6、9、12h，成功进入细胞质，在激光照射下荧光强度逐渐升高。说明硅量子点可以用于荧光成像。
[0055]
实施例4
[0056]
一种荧光硅量子点在靶向溶酶体方面的应用。将实施例1所制备的荧光硅量子点配置成400ug/ml的溶液，加入hela细胞共聚焦皿中，孵育9h。随后加入10ul溶酶体靶向红色荧光探针，在共聚焦荧光显微镜下观察荧光重合情况和共定位系数。
[0057]
图7为实施例1对应的荧光硅量子点与溶酶体靶向红色荧光探针的共定位图。硅量子点的绿色荧光和探针的红色荧光能很好的重合，共定位系数达0.92，能很好的靶向溶酶体。
[0058]
实施例5
[0059]
细胞的暗毒性和光毒性实验：
[0060]
将每孔约1*104个hela细胞接种于96孔板中，共6行10列，置于37℃，5％co2环境下培养48h。随后给96孔板更换新的培养基，并加入实施例1中制备得到的荧光硅量子点材料，使每一列孔浓度分别为0、50、100、200、300ug/ml，继续孵育9h。使用0.1w/cm2的635nm激光器对其进行照射，继续孵育15h。之后，用mtt比色法检测细胞的相对活力。
[0061]
图8为实施例1对应的荧光硅量子点对hela细胞的暗毒性和光毒性。荧光硅量子点纳米材料对hela细胞的暗毒性低，光毒性高，在激光照射后产生单线态氧，能够显著抑制癌细胞的增殖。
[0062]
实施例6
[0063]
一种荧光硅量子点的制备方法，包括如下步骤：
[0064]
称取40ml二甘醇溶液置于250ml两口烧瓶中，并用橡胶塞封口。使用注射器向瓶中注入100ul四氯化硅溶液，并磁力搅拌，转速为600r/min。随后油浴加热到160℃，反应6h。待溶液冷却后，用半透膜(分子量为3000da)对溶液进行透析24h，以去除未反应完全的二甘醇溶液，得到硅量子点的水溶液。随后使用孔径为0.80um的滤膜对其进行过滤，并使用真空冷冻干燥机干燥24h得到荧光硅量子点固体粉末。
[0065]
图9为所得材料的透射电镜，观察到制备得到的硅量子点中存在尺寸不均一的杂质。
[0066]
实施例7
[0067]
一种荧光硅量子点的制备方法，包括如下步骤：
[0068]
称取30ml二甘醇溶液置于250ml两口烧瓶中，并用橡胶塞封口。使用注射器向瓶中注入100ul四氯化硅溶液，并磁力搅拌，转速为600r/min。随后油浴加热到160℃，反应6h。待溶液冷却后，用半透膜(分子量为3000da)对溶液进行透析24h，以去除未反应完全的二甘醇溶液，得到硅量子点的水溶液。随后使用孔径为0.80um的滤膜对其进行过滤，并使用真空冷冻干燥机干燥24h得到固体粉末。
[0069]
图10为所得材料的透射电镜，观察到制备得到的材料并不具备量子点的形貌。
[0070]
对比例1
[0071]
一种硅量子点的制备方法，包括如下步骤：
[0072]
称取40ml二甘醇溶液置于250ml两口烧瓶中，并用橡胶塞封口。使用注射器向瓶中注入200ul四氯化硅溶液，并磁力搅拌，转速为600r/min。随后油浴加热到80℃，反应6h。待溶液冷却后，用半透膜(分子量为3000da)对溶液进行透析24h，以去除未反应完全的二甘醇溶液，得到硅量子点的水溶液。随后使用孔径为0.80um的滤膜对其进行过滤，并使用真空冷冻干燥机干燥24h得到硅量子点固体粉末。
[0073]
经用紫外灯照射，该硅量子点没有产生荧光。
[0074]
对比例2
[0075]
一种硅量子点的制备方法，包括如下步骤：
[0076]
称取40ml二甘醇溶液置于250ml两口烧瓶中，并用橡胶塞封口。使用注射器向瓶中注入200ul四氯化硅溶液，并磁力搅拌，转速为600r/min。随后油浴加热到180℃，反应6h。待溶液冷却后，用半透膜(分子量为3000da)对溶液进行透析24h，以去除未反应完全的二甘醇溶液，得到硅量子点的水溶液。随后使用孔径为0.80um的滤膜对其进行过滤，并使用真空冷冻干燥机干燥24h得到硅量子点固体粉末。
[0077]
经检测，该硅量子点荧光蓝移。
[0078]
对比例3
[0079]
一种硅量子点的制备方法，包括如下步骤：
[0080]
称取40ml乙二醇溶液置于250ml两口烧瓶中，并用橡胶塞封口。使用注射器向瓶中注入200ul四氯化硅溶液，并磁力搅拌，转速为600r/min。随后油浴加热到160℃，反应6h。待溶液冷却后，用半透膜(分子量为3000da)对溶液进行透析24h，以去除未反应完全的乙二醇溶液，得到硅量子点的水溶液。随后使用孔径为0.80um的滤膜对其进行过滤，并使用真空冷冻干燥机干燥24h，得到硅纳米棒，而非硅量子点。且该硅纳米棒不能靶向溶酶体。
[0081]
对比例4
[0082]
一种硅量子点的制备方法，包括如下步骤：
[0083]
称取40ml二甘醇溶液置于250ml两口烧瓶中，并用橡胶塞封口。使用注射器向瓶中注入200ulγ-氨丙基三乙氧基硅烷溶液，并磁力搅拌，转速为600r/min。随后油浴加热到160℃，反应6h。待溶液冷却后，用半透膜(分子量为3000da)对溶液进行透析24h，以去除未反应完全的二甘醇溶液，得到硅量子点的水溶液。随后使用孔径为0.80um的滤膜对其进行过滤，并使用真空冷冻干燥机干燥24h得到硅量子点固体粉末。
[0084]
经用紫外灯照射，该硅量子点没有产生荧光。
[0085]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可
以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种荧光硅量子点，其特征在于，所述荧光硅量子点为点状纳米粒子，尺寸在5-10nm之间。2.根据权利要求1所述的荧光硅量子点，其特征在于，使用cu-kα辐射，以2θ角度表示的x-射线粉末衍射在约27.8
°
、39.8
°
、58.8
°
处存在特征衍射峰。3.根据权利要求1所述的荧光硅量子点，其特征在于，所述荧光硅量子点为通过还原剂还原该还原剂与四氯化硅交联物得到。4.根据权利要求3所述的荧光硅量子点，其特征在于，所述还原剂选自二甘醇。5.根据权利要求4所述的荧光硅量子点，其特征在于，所述荧光硅量子点为通过二甘醇还原二甘醇-四氯化硅交联物得到。6.如权利要求1-5任一项所述的荧光硅量子点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将四氯化硅与还原剂混匀，加热进行还原反应，待反应完后，经透析、过滤、冻干，得所述荧光硅量子点。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述还原反应的温度为140-170℃，时间为5-6h。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂与四氯化硅的用量体积比为200-400:1，优选为200-250:1。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述透析的截留分子量为3000da，时间为24-36h；和/或所述过滤用的滤膜孔径为0.4-0.8um；和/或所述冻干温度为-50～-55℃，时间为24-48h。10.如权利要求1-5任一项所述的荧光硅量子点在制备癌细胞溶酶体靶向药物或光动力治疗药物中的应用。

技术总结
本发明公开一种荧光硅量子点，所述荧光硅量子点为点状纳米粒子，尺寸在5-10nm之间。该荧光硅量子点的荧光有激发依赖性，且可以靶向癌细胞的溶酶体，在激光照射下可以产生单线态氧，可有效的用于荧光成像介导的光动力治疗中。本发明还公开了该荧光硅量子点的制备方法和应用。和应用。和应用。


技术研发人员：葛介超 孔琳 刘卫敏 汪鹏飞
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/19