Procedimiento de síntesis de quantum dots de CdSe en solución acuosa.

Procedimiento de síntesis de quantum dots de CdSe en solución acuosa.

La presente invención se refiere a un procedimiento de síntesis de quantum dots de CdSe en medio acuoso a partir de sales de Cd y Se en presencia de un mercaptoácido, de manera que controlando las condiciones de la reacción se obtienen quantum dots con mayor fluorescencia y mayor estabilidad que los obtenidos mediante métodos en medios orgánicos. Asimismo, la presente invención se refiere a los quantum dots obtenibles por este procedimiento que presentan una nanocorteza de un compuesto de Cd que contribuye a las propiedades ventajosas de estas partículas. Estos quantum dots, son idóneos para usar como marcadores fluorescentes en aplicaciones biológicas y biomédicas.

La presente invención se refiere a un procedimiento de síntesis de quantum dots de CdSe en medio acuoso a partir de sales de Cd y Se en presencia de un mercaptoácido, de manera que controlando las condiciones de la reacción se obtienen quantum dots con mayor fluorescencia y mayor estabilidad que los obtenidos mediante métodos en medios orgánicos. Asimismo, la presente invención se refiere a los quantum dots obtenibles por este procedimiento que presentan una nanocorteza de un compuesto de Cd que contribuye a las propiedades ventajosas de estas partículas. Estos quantum dots, son idóneos para usar como marcadores fluorescentes en aplicaciones biológicas y biomédicas.

Por tanto, la invención se podría encuadrar en el campo de los materiales y la nanotecnología.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los Quantum Dots (QDs) son nanopartículas (NPs) semiconductoras caracterizados por tener un diámetro de entre 2 y 10 nm, que recientemente han atraído mucho interés en investigaciones biológicas porque exhiben unas propiedades ópticas y electrónicas únicas basadas en el fuerte confinamiento de los electrones excitados en sus estructuras. Una de sus propiedades extraordinarias es que el tamaño de partícula determina la mayoría de las propiedades de los QDs, principalmente, la longitud de onda de emisión fluorescente, que puede ser alterada manipulando su tamaño [Vinayaka AC, Thakur MS (2010) Anal Bioanal Chem 397:1445–1455].

Durante los últimos años se ha realizado un intenso trabajo dirigido al desarrollo de numerosos procedimientos de síntesis y al uso de QDs fotoluminiscentes para aplicaciones bioquímicas como marcadores en bioanálisis y diagnóstico o como marcadores biocompatibles para estudios de imagen in vivo. La síntesis de nanocristales de CdSe aún permanece como la más ampliamente investigada entre las diferentes NPs semiconductoras, debido principalmente a que el método de síntesis permite un control excepcional sobre el tamaño y la forma de los nanocristales obtenidos.

Los QDs de mayor calidad son preparados normalmente a elevadas temperaturas en disolventes orgánicos, tales como óxido de trioctilfosfina (TOPO) o disolventes coordinantes compuestos de una mezcla de TOPO y trioctilfosfina (TOP) . Las superficies de los QDs preparados en fase orgánica están recubiertas por TOP o TOPO, y forman una capa hidrofóbica que hace que no puedan ser utilizados directamente en biosistemas. Generalmente se ha de reemplazar el recubrimiento del QD utilizando laboriosos métodos de intercambio de ligandos que disminuyen considerablemente el rendimiento cuántico de los QDs. Adicionalmente, se ha descubierto que estos QDs, ya hidrofílicos, no son lo suficientemente estables en solución acuosa después del intercambio de ligandos, por lo que se han desarrollado técnicas de modificación de superficie para aumentar aún más el carácter hidrofílico y la estabilidad de los QDs en solución acuosa. La consecuencia de esta modificación es un aumento significativo, no deseado, del diámetro de los QDs. Otras técnicas de modificación de las superficies de los QDs reportadas son el recubrimiento de los mismos con una concha inorgánica protectora, la modificación de su superficie para alcanzar estabilidad coloidal y la unión directa a moléculas biológicamente activas.

A diferencia de la síntesis orgánica, la síntesis acuosa exhibe una buena reproducibilidad, baja toxicidad, bajo coste y, especialmente, los productos preparados en fase acuosa tienen excelente solubilidad en agua, estabilidad y compatibilidad biológica. Hasta hace poco los QDs preparados en fase acuosa presentaban, por lo general, bajo rendimiento cuántico (QY) de entre un 3 y un 10%, sin embargo, en los últimos años, los métodos para preparar QDs luminiscentes en solución acuosa están siendo incrementados sustancialmente [Suk Young Choi, Jong Pil Shim, Dong Sun Kim, TaeYoung Kim, and Kwang S. Suh (2012) Journal of Nanomaterials Volume 2012, Article ID 519458, doi:10.1155/2012/519458]. Aunque pocos estudios profundizan en las estructuras y el comportamiento químico de los QDs sintetizados en solución acuosa con el fin de optimizar los procesos de bioconjugación.

Por tanto, es de interés encontrar un procedimiento de fácil síntesis de QDs en fase acuosa que permita el control de las variables implicadas en el proceso para modular los tamaños, las estabilidades y los rendimientos cuánticos según requiera su aplicación posterior.

Los inventores han encontrado sorprendentemente un procedimiento de síntesis de QDs de CdSe en fase acuosa homogénea mediante el cual se puede modular fácilmente propiedades como la intensidad de fluorescencia o la estabilidad en el tiempo de estos QDs. De esta forma, se pueden diseñar QDs con unas propiedades adaptadas a la aplicación para la que vayan a emplearse.

Por tanto, en un primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de QDs de CdSe en medio acuoso que comprende las siguientes etapas:

a) Preparación de una disolución acuosa de CdCl2 , preferiblemente anhidro.

b) Adición de una disolución de un mercaptoácido a la disolución obtenida en la etapa a) .

c) Ajuste del pH de la disolución obtenido en el paso (b) mediante la adición de una base.

d) Ajuste de la temperatura de la disolución obtenida en el paso (c) por calentamiento o enfriamiento controlado y posterior burbujeo con un gas inerte.

e) Adición de la disolución de selenosulfato a la disolución obtenida en el paso (d) .

En la presente invención se entiende como mercaptoácido un compuesto que comprende una cadena carbonada, preferiblemente C2-C10, y que contiene al menos un grupo -SH y al menos un grupo -COOH.

En una realización preferida, la concentración de CdCl2 en la disolución preparada en la etapa a) tiene un valor de entre 10-3 y 10-1 M.

En otra realización preferida, el mercaptoácido de la etapa b) se selecciona de la siguiente lista: ácido mercaptoacético, mercaptopropiónico, mercaptosuccínico. En una realización más preferida, el mercaptoácido es ácido mercaptoacético.

En una realización preferida, la concentración de la disolución de mercaptoácido utilizado en la etapa b) tiene un valor de 1 a 2 M.

En otra realización preferida, la adición de la etapa b) se lleva a cabo entre 1 y 6 minutos.

En otra realización preferida, la adición de la etapa b) se realiza a una temperatura de -20ºC a 100ºC. En una realización más preferida, la adición de la etapa b) se realiza a una temperatura de 0ºC a 30ºC.

En una realización preferida, la base utilizada en la etapa c) se selecciona de la lista que comprende hidróxido sódico e hidróxido potásico.

En otra realización preferida, el pH obtenido en la etapa c) varía entre 4, 0 y 7, 0.

En otra realización preferida, la temperatura en la etapa d) tiene un valor de entre de 0ºC a 200ºC. En una realización más preferida, la temperatura en la etapa d) tiene un valor de entre de 0ºC a 30ºC.

En otra realización preferida, el burbujeo con el gas inerte de la etapa d) se lleva a cabo entre 15 y 30 minutos.

En otra realización preferida, el gas inerte de la etapa d) se selecciona de la lista que comprende helio, neón, argón, kriptón, xenón y nitrógeno.

En otra realización preferida, la disolución de selenosulfato de la etapa e) se obtiene a partir de selenio en polvo y sulfito sódico.

En otra realización preferida, la disolución de selenosulfato de la etapa e) se prepara a una temperatura de 20ºC a 200ºC. En una realización más preferida, la disolución de selenosulfato de la etapa e) se prepara a una temperatura de 50ºC a 100ºC.

En otra realización preferida, la preparación de la disolución de selenosulfato de la etapa e) se lleva a cabo entre 1 y 24 horas. En una realización más preferida, la preparación de la disolución de selenosulfato de la etapa e) se lleva a cabo entre 3 y 12 horas.

En otra realización preferida, la concentración de la disolución de selenosulfato de la etapa e) tiene un valor de entre 0, 01 y 1 M.

En otra realización preferida, las concentraciones analíticas finales de los iones [Cd2+] y [Se2-] de las nanopartículas en disolución tienen una relación molar de entre 0, 5 y 20. En una realización más preferida, las concentraciones analíticas finales de los iones [Cd2+] y [Se2-] de las nanopartículas en disolución tienen una relación molar de entre 1 y 10.

En una realización preferida, las concentraciones analíticas finales de los iones [Cd2+] de las nanopartículas en disolución y el mercaptoácido [MA] tienen unas relaciones molares de entre 0, 5 y 5. En... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de obtención de quantum dots de CdSe en medio acuoso que comprende las siguientes

etapas:

a) Preparación de una disolución acuosa de CdCl2.

b) Adición de una disolución de un mercaptoácido a la disolución obtenida en la etapa (a) .

c) Ajuste del pH de la disolución obtenida en la etapa (b) mediante la adición de una base.

d) Ajuste de la temperatura de la disolución obtenida en la etapa (c) por calentamiento o

enfriamiento controlado y posterior burbujeo con un gas inerte.

e) Adición de la disolución de selenosulfato a la disolución obtenida en (d) .

2. Procedimiento, según la reivindicación anterior, donde la concentración de CdCl2 en la disolución obtenida en la etapa a) tiene un valor de entre 10-3 y 10-1 M.

3. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el mercaptoácido de la etapa b) se selecciona de la siguiente lista: ácido mercaptoacético, mercaptopropiónico, mercaptosuccínico,

4. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la concentración de la disolución de mercaptoácido utilizado en la etapa b) tiene un valor de 1 a 2 M.

5. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la adición de la etapa b) se lleva a cabo entre 1 y 6 minutos.

6. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la adición de la etapa b) se realiza a una temperatura de -20ºC a 100ºC.

7. Procedimiento, según la reivindicación anterior, donde la adición de la etapa b) se realiza a una temperatura de 0ºC a 30ºC.

8. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la base utilizada en la etapa c) se selecciona de la lista que comprende hidróxido sódico e hidróxido potásico.

9. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el pH obtenido en la etapa c) varía entre 4, 0 y 7, 0.

10. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la temperatura en la etapa d) tiene un valor de entre 0ºC a 200ºC.

11. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la temperatura en la etapa d) tiene un valor de entre 0ºC a 30ºC.

12. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el burbujeo con el gas inerte de la etapa d) se lleva a cabo entre 15 y 30 minutos.

13. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el gas inerte de la etapa d) se selecciona de la lista que comprende helio, neón, argón, kriptón, xenón y nitrógeno.

14. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la disolución de selenosulfato de la etapa e) se obtiene a partir de selenio en polvo y sulfito sódico.

15. Procedimiento, según la reivindicación anterior, donde la disolución selenosulfato de la etapa e) se prepara a una temperatura de 20ºC a 200ºC.

16. Procedimiento, según la reivindicación anterior, donde la disolución selenosulfato de la etapa e) se prepara a una temperatura de 50ºC a 100ºC.

17. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la preparación de la disolución de selenosulfato de la etapa e) se lleva a cabo entre 1 y 24 horas.

18. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la preparación de la disolución de selenosulfato de la etapa e) se lleva a cabo entre 3 y 12 horas.

19. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la concentración de la disolución de selenosulfato de la etapa e) tiene un valor de entre 0, 01 y 1 M.

20. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la adición de la etapa e) se lleva a cabo en menos de 10 minutos.

21. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las concentraciones analíticas finales de los iones [Cd2+] y [Se2-] de las nanopartículas en disolución tienen unas relaciones molares de entre 0, 5 y 20

22. Procedimiento, según la reivindicación anterior, donde las concentraciones analíticas finales de los iones [Cd2+] y [Se2-] de las nanopartículas en disolución tienen unas relaciones molares de entre 1 y 10.

23. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las concentraciones analíticas finales de los iones [Cd2+] de las nanopartículas en disolución y el mercaptoácido tienen unas relaciones molares de entre 0, 5 y 5.

24. Procedimiento, según la reivindicación anterior, donde las concentraciones analíticas finales de los iones [Cd2+] de las nanopartículas en disolución y el mercaptoácido tienen unas relaciones molares de entre 1 y 2.

25. Quantum dots obtenibles por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprenden agregados de nanocristales de CdSe, caracterizados por tener una nanocorteza que comprende un compuesto de Cd2+ e hidróxido.

26. Quantum dots, según la reivindicación anterior, donde el compuesto de Cd2+ es un complejo hidroxilado de Cd2+ de fórmula general Cd (OH) n2-n, donde 4 n 1.

27. Quantum dots, según cualquiera de las reivindicaciones 25 ó 26, donde el compuesto de Cd2+ es Cd (OH) 2.

28. Quantum dots, según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27, caracterizados por tener un diámetro medio de entre 0, 5 nm y 10 nm.

29. Quantum dots, según la reivindicación anterior, caracterizados por tener un diámetro medio de entre 1 nm y 7 nm.

30. Uso de los QDs, según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 29, para marcaje biológico.

FIGURA 1

rosa pálido Turbidez blanca Incolora y transparente Disolución

+ tiempo

95´´

pH= 11 pH= 10.9 pH= 10.9

Incolora y Turbidez Amarillo color

amarillo transparente grisácea suave FIGURA 2

Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

Longitud de onda / nm

FIGURA 4

Longitud de onda de excitación / 440.0 nm

415.0

390.0

365.0

340.0

Longitud de onda / nm

Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

3.9

3.9

3.9

2.0

2.0

2.0

0.0

0.0

0.0

3.9

3.9

3.9

2.0

2.0

2.0

0.0

0.0 200 600 200 600 200 600

0.0

Longitud de onda / nm

FIGURA 6

50.0

400.0

25.0

200.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 1200.0

1200.0 1000.0

1000.0

800.0

800.0

600.0

600.0

400.0

400.0

200.0

200.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0

Longitud de onda / nm

FIGURA 8 150.0

1200.0

125.0

1000.0

100.0

800.0

75.0

600.0

200 600 200 600 200 600

Longitud de onda / nm

Intensidad (u.a) 600.0

Intensidad (u.a) 600.0

500.0

500.0

400.0

400.0

300.0

300.0

200.0

200.0

100.0

100.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Intensidad (u.a) 1200.0

Intensidad (u.a) 1200.0 1000.0

1000.0

800.0

800.0

600.0

600.0

400.0

400.0

200.0

200.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Intensidad (u.a) 1200.0

Intensidad (u.a) 600.0 1000.0

500.0

800.0

400.0

600.0

300.0

400.0

200.0

200.0

100.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Intensidad (u.a) 1200.0

Intensidad (u.a) 1200.0 1000.0

1000.0

800.0

800.0

600.0

600.0

400.0

400.0

200.0

200.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Longitud de onda / nm

Longitud de onda / nm

FIGURA 12

200.0 600.0 200.0 600.0 200.0 600.0

200.0 600.0 200.0 600.0 200.0 600.0

Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

Intensidad (u.a) 300.0

500.0

250.0

400.0

200.0

300.0

150.0

200.0

100.0

100.0

50.0

0.0

0.0

200 800

200 800 Intensidad (u.a) 1200.0

Intensidad (u.a) 1200.0 1000.0

1000.0

800.0

800.0

600.0

600.0

400.0

400.0

200.0

200.0

0.0

0.0

200 800 200 800 Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

FIGURA 15

Experiencia-A Experiencia-B

A 3.9

A 3.9

2.0

2.0

0.0

0.0

200.0 600.0 200.0 600.0 A 3.9

A 3.9

2.0

2.0

0.0

0.0

200.0 600.0 200.0 600.0

3.9

3.9

A A

2.0

2.0

0.0

0.0

200.0 600.0 200.0 600.0

200.0 600.0 200.0 600.0

200.0 600.0 200.0 600.0

Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

Experiencia-A Experiencia-B

Intensidad (u.a) 600.0

Intensidad (u.a) 300.0

250.0

500.0

200.0

400.0

300.0

150.0

100.0

200.0

50.0

100.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Intensidad (u.a) 300.0

Intensidad (u.a) 300.0

250.0

250.0

200.0

200.0

150.0

150.0

100.0

100.0

50.0

50.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Intensidad (u.a) 600.0

Intensidad (u.a) 1200.0

500.0

1000.0

400.0

800.0

300.0

600.0

200.0

400.0

100.0

200.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Intensidad (u.a) 1200.0

Intensidad (u.a) 1200.0 1000.0

1000.0

800.0

800.0

600.0

600.0

400.0

400.0

200.0

200.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Intensidad (u.a) 1200.0

Intensidad (u.a) 1200.0 1000.0

1000.0

800.0

800.0

600.0

600.0

400.0

400.0

200.0

200.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

Experiencia-A Experiencia-B

Fluorescencia 300.0

Fluorescencia 300.0

250.0

250.0

200.0

200.0

150.0

150.0

100.0

100.0

50.0

50.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

Excitación a 395.2 nm Excitación a 401.6 nm Fluorescencia 300.0

Fluorescencia 300.0

250.0

250.0

200.0

200.0

150.0

150.0

100.0

100.0

50.0

50.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0

Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm Excitación a 406.4 nm Excitación a 406.4 nm

Fluorescencia 1200.0

Fluorescencia 600.0

1000.0

500.0

800.0

400.0

600.0

300.0

400.0

200.0

200.0

100.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0

Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm Excitación a 419.2 nm Excitación a 419.2 nm

Fluorescencia 600.0

Fluorescencia 600.0

500.0

500.0

400.0

400.0

300.0

300.0

200.0

200.0

100.0

100.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0

Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm Excitación a 420.8 nm Excitación a 420.8 nm

200.0 600.0 200.0 600.0

Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

Fluorescencia 1200.0

Fluorescencia 1200.0

1000.0

1000.0

800.0

800.0

600.0

600.0

400.0

400.0

200.0

200.0

0.0

0.0

200.0 800.0 200.0 800.0 Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm Excitación a 430.6 nm Excitación a 433.6 nm

FIGURA 20

200.0 600.0 200.0 600.0 Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

200.0 800.0 200.0 800.0 Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm Excitación a 432.0 nm Excitación a 432.0 nm

FIGURA 21

200.0 600.0 200.0 600.0 200.0 600.0

Longitud de onda / nm Longitud de onda / nmLongitud de onda / nm

200.0 600.0

Longitud de onda / nm

200.0600.0 200.0600.0 200.0600.0 Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm Longitud de onda / nm

FIGURA 22

1200.0

1000.0

800.0

600.0

400.0

200.0

0.0

200.0 800.0

Longitud de onda / nm Excitación a 420.8 nm

1200.0 1000.0

800.0

600.0

400.0

200.0

0.0

200.0 800.0

Longitud de onda / nm Excitación a 425.6 nm

1200.0 1000.0

800.0

600.0

400.0

200.0

0.0

200.0 800.0

Longitud de onda / nm Excitación a 417.6 nm

1200.0 1000.0

800.0

600.0

400.0

200.0

0.0

200.0 800.0

Longitud de onda / nm Excitación a 425.6 nm

1200.0 1000.0

800.0

600.0

400.0

200.0

0.0

200.0 800.0

Longitud de onda / nm Excitación a 425.6 nm

1200.0 1000.0

800.0

600.0

400.0

200.0

0.0

200.0 800.0

Longitud de onda / nm Excitación a 418.6 nm

1200.0 1000.0

800.0

600.0

400.0

200.0

0.0

200.0 800.0

Longitud de onda / nm Excitación a 419.2 nm

FIGURA 23

FIGURA 24