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微流控量子点(QDs)合成

2021-06-09 09:03:54

量子点(Quantum Dots, QDs)作为一种创新材料而出现,在纳米技术和纳米科学领域引起了极大的关注。量子点 5-20 nm 大小的纳米粒子,与具有连续能级的宏观材料不同,量子点的特点是其离散的能级,具有优异的光学性能。量子点表现出高发光和量子产率 (QY)、窄且对称的光激发光以及优异的光稳定性,成为生物医学应用中的理想替代品,可以替代传统的有机染料或荧光探针(如荧光蛋白)。但重金属元素的潜在细胞毒性限制了其在生物学领域的更广泛应用。因此,越来越多的无镉量子点被开发出来,其中钙钛矿量子点和碳量子点受到了极大的关注。

基于微流体系统在反应条件下具有精确的可控性,吸引了研究人员对纳米材料生成的兴趣。与传统的间歇式反应器相比,基于微流控的微反应器在温度、压力和浓度分布等反应条件下表现出精确的可控性。此外,由于微反应器的高密封性能,通常在批量生产中必不可少的惰性气体保护在许多量子点的微流体合成中可以被丢弃。微流体带来的这些变化极大地提高了合成工艺的安全性和效率。此外,将程序控制器或在线检测器连接到微流体设备的范围进一步实现了量子点 的高度自动化和原位研究。

量子点的微流体合成

早在 1983 年,Brus等在水溶液中生产4.5 nm CdS 纳米颗粒。这些纳米尺寸的零维材料表现出明显的量子尺寸效应,表现出光致发光,最终导致了概念的发明,即, 量子点。

虽然金属-非金属化合物传统半导体量子点已经得到很好的研究,但一元和三元量子点(mono and trinary QDs)开始引起人们的注意。由于量子效率高和发射波长可调,量子点在生物光学应用中显示出潜力。与传统的半导体量子点相比,碳量子点和钙钛矿量子点是典型的新型量子点,在生物传感和生物成像方面显示出巨大的潜力。

半导体量子点

半导体量子点通常包括金属和非金属元素,可以被分类为II-VI族,III-V族,IV-VI族,I-III-VI族,IV族,等等。根据组成元素所属的组。图 1显示不同类型的QDs表现出可调的光致发光和发射范围。

II–VI

CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe

III–V

InP, InAs

IV–VI

PbS, PbSe, SnS, SnSe

I–III–VI

CuInS2, CuInSe2

IV

Si, Ge

半导体 NC 类型的发射光谱范围

1、研究最广泛的半导体 NC 类型的发射光谱范围

碳量子点

2004年在碳纳米管的电泳分析中首次发现了具有光致发光的碳量子点。碳量子点不含任何金属元素,具有良好的生物相容性、低毒性和巨大的生物医学应用潜力。因此,它通常被认为是一种令人满意的功能材料,可以替代传统的半导体量子点。许多研究人员将碳点分为石墨烯量子点 (GQDs)、碳量子点(多石墨烯层状 GQDs)、碳纳米点(具有无定形性质的 CDs)和非共轭聚合物点。

CDs的合成路线分为两种:自向下法和自向上法。此外,在自下而上的策略中,替代前体分子允许更绿色和环境友好的 CDs 合成路线。

钙钛矿量子点

“钙钛矿”是指与矿物CaTiO 3具有相同结构形式的一类材料。钙钛矿材料的通式为ABX 3,其中A代表较大的一价阳离子,B代表二价金属阳离子,X代表卤化物阴离子(Cl、Br、I)。具体而言,B 位阳离子与六个 X 位离子呈八面体配位,而 A 位阳离子应适合 BX 6八面体腔。

钙钛矿量子点主要分为两种不同的类型,混合有机-无机钙钛矿(HOIP)和全无机钙钛矿(AIP)。HOIP钙钛矿量子点被开发为光电材料,HOIP 量子点 在空气(氧气和湿气)、高温和紫外线下的稳定性较差。与 HOIP 量子点相比,在 AIP 量子点中,铯取代了有机阳离子,带来了更高的稳定性,从而扩展了它们的应用范围。钛矿量子点在生物医学领域的应用面临的一项挑战是铅的潜在毒性。在 CsPbX 3 QD 中使用毒性较小的锡来代替 Pb 。

量子点微流体合成反应器

如图2所示,微反应器中能够轻松实现稳定和理想的量子点制备环境。 根据微通道反应器中液体的流动方式,微反应器可分为连续层流微反应器、分段流微反应器和液滴微反应器三种类型。

量子点微反应器:连续层流微反应器、分段流动微反应器、基于液滴的微反应

2、微反应器的三个主要类别: (A) 连续层流微反应器,其中不同液体试剂(LR1、LR2……)的单相流被引入系统,经过后续混合模块,例如缠绕微通道和基于分布混合的混合器;(B) 分段流动微反应器,它通常由几个液相流组成,用于引入某些试剂(LR1、LR2……)和一个气相流,以产生用于分离试剂段的“气泡”;(C) 基于液滴的微反应器,可以开发不同的液滴生成策略,包括 T 型接头、Y 型接头、交叉通道以及几种简单设计的组合,例如 Y 型接头和交叉更复杂反应的通道。

连续层流微反应器适用于单相液体流动,并已发展成为生产 QDs 的最广泛使用的策略。连续层流微反应器的特点是其便利的可用性和高度的可控性。在这种情况下,可以使用水浴或油浴轻松准确地控制微管中的反应温度。可混溶的溶剂被泵入反应器,它们的流速或体积可以通过控制进料泵轻松调节。试剂通过在层流和 T 型接头等微观结构中的扩散进行混合。然而,连续层流反应器面临的一项挑战是由于通道狭窄而可能造成堵塞和结垢。Luo课题组设计了微滤膜分散微反应器,实现超快速均匀混合,从而最大限度地减少堵塞。

在分段流动微反应器中经常使用两种不混溶的流动(液-液系统或气-液系统)。新相的加入触发再循环运动,使溶液拉伸和折叠,最终提高流体混合效率。另一方面,连续流在分段流反应器中被切割成单列。每根柱子都是一个离散的封装体积,通常在 fL-nL 范围内,可以被视为一个独立的微反应器。因此,消除了单相流微反应器中轴向流体的返混,并且可以精确控制停留时间。这有助于在所有反应单元中保持恒定的试剂组成。此外,在不同流动的交叉处可以引起强烈的段间隔对流混合,导致成核的快速启动并缩短成核的时间间隔。

基于液滴的微反应器是另一种类型的多相流反应器,通常包括几种试剂的液相流和另一种不混溶的液相流作为产生液滴的载液。类似于分段流动微反应器,液体被分成独立的部分,并且消除了返混。不同之处在于反应混合物没有完全附着在通道壁上。因此,所有产品大部分都被封装在单个液滴的范围内,最终将堵塞和结垢的风险降至最低。液滴生成的一些典型设计包括 T 型接头、Y 型接头、交叉通道流动聚焦,以及这些基础几何形状的组合,用于更复杂的反应。另一个优点是液滴微流体通过在微通道内操作不混溶流在产生和操纵液滴方面显示出极大的便利。通过使用具有不同结构的微流体装置并调节不同的流体动力学曲线(例如流动相和流速),可以生成单个或多个乳液以合成各种 QDs 或将 QDs 封装在微胶囊内以供进一步应用。

其他微通道结构已被用于更深入的研究或更广泛的量子点应用。Abolhasani 等使用振荡分段流作为一种紧凑的微流体装置,可适应胶体纳米材料的溶液相处理的缓慢化学反应。在振荡分段流中,一连串交替的气泡和液体反应室(分段流)最初形成、停止,然后进行一致的来回运动。与连续分段流相比,振荡分段流显着减少了设备空间并消除了与基于连续流的策略相关的停留时间限制。胡等采用微流控芯片装置来生产蛋白质功能化的 CdTe QD。与传统的台式方法合成的功能化量子点相比,微流体生成的量子点具有显着更高的蛋白质功能化效率、光稳定性和胶体稳定性。

量子点振荡分段流动反应系统的示意图

3、振荡分段流动反应系统的示意图,包括装置 1、四个带内置 PID 控制器的数字压力调节器、两个注射泵和出口处的加压储液器。插图 (i) 显示了具有两种混溶液流的连续气液分段流的典型荧光显微照片:透明 (A) 和荧光标记的 (B) 矿物油。插图 (ii) 显示了振荡分段流位置。

CDs的微流体方法通常可以提高合成效率,增加量子产率,并具有实现大规模生产的潜力。

与有机染料和荧光蛋白相比,量子点具有吸收广、发射窄、化学稳定性好和抗光漂白等优点。这些优势使 QDs 适用于荧光传感和成像。降低量子点毒性和增加生物相容性的发展以及表面工程的进步扩大了量子点的适用性,尤其是在生物学领域。量子点在生物检测中的应用研究大多基于传统方法中的量子点,但最近的成果证明,由微流体合成的量子点可以胜任传统的量子点,甚至表现得更好。

微流控技术的实施极大地简化了量子点的制造,并具有整体优异的生成过程可控性,并为其未来的产业化提供了新的机遇。通过调整微反应器中不同的反应参数,不仅可以调节和调节所生成量子点的大小和组成,还可以修改和功能化具有更复杂特征的量子点,以满足下游应用的要求。微反应器提供了均匀的 QD 生成环境,通过简单地调节流速,可以精确控制反应时间、反应物比例和反应过程。此外,数字配体与微反应器相结合,研究和优化量子点的特性。我们相信量子点界更多的研究人员将采用微流体作为合成和分析平台,进一步探索新技术和参数化。为了进一步简化检测流程,提高系统自动化程度,微流控与相关设备的耦合将成为该流程实际应用的有效解决方案。随着低成本和高可靠性微流体装置的发展,量子点有望扩展到临床实践。

量子点的微流体合成在广泛应用于临床实践之前仍面临一些挑战和问题。一方面,量子点的微流体合成处于相对早期的阶段。一些关键的致命问题,如堵塞和相对较低的吞吐量还没有得到完美解决。由于操作微通道的尺寸小,并且随着流速的增加压降增加,当前的最大批量生产速率受到限制并且低于常规方法。另一方面,对量子点应用进行的最广泛研究是基于传统的批量或烧瓶反应,微流体中的量子点并没有表现出超越那些传统方法的整体性能。量子点的微流体合成并不表现出完全的不可替代性,但我们已经看到微流体合成方法有助于量子点的快速合成和有效功能化。此外,量子点的微流体合成可以提供丰富的数据和信息原位帮助研究人员理解和修改产生的量子点。我们期待更多生物、化学、材料等领域的研究人员将应用中的问题统一起来,推动量子点乃至其他纳米材料的最终临床实践。

Microfluidic synthesis of quantum dots and their applications in bio-sensing and bio-imaging

DOI: 10.1039/D0NA00933D


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