一种半导体纳米晶的表面生物相容性修饰方法技术

本发明专利技术公开了一种环境友好、高效清洁、无毒、步骤简单、成本低同时能够保持半导体纳米晶荧光性能的配体置换方法。采用功能化生物相容性配体分子取代半导体纳米晶原表面的疏水性配体分子，得到水溶性(水分散性)及表面生物相容性修饰的半导体纳米晶。该方法克服了现有配体置换后处理步骤繁琐、消耗大量有机溶剂及沉淀剂、得到的水相纳米颗粒稳定性差的缺陷。并且通过改变投料精确控制纳米晶体表面配体的种类和数量，最终获得水中及生理缓冲液中稳定分散、表面可以修饰生物功能性分子的半导体纳米晶。在水溶性半导体纳米晶表面进行化学修饰，使其成为生物功能化纳米晶体，作为纳米探针可用于体内外生物检测和疾病治疗。针可用于体内外生物检测和疾病治疗。

A method of surface biocompatibility modification of semiconductor nanocrystals

【技术实现步骤摘要】
一种半导体纳米晶的表面生物相容性修饰方法


[0001]本专利技术涉及一种对半导体纳米晶材料表面进行配体置换及生物相容性修饰的方法，属于纳米材料表面界面工程


技术介绍

[0002]纳米材料是指在三维空间中至少有一维度处于纳米尺寸范围(1
‑
100nm)的材料，以及以它们为单元而构筑的材料。过去三十年来，纳米材料，尤其是具有尺寸效应和表面效应所赋予的各种特殊物理化学性质(光学、磁学、电学、催化及吸附等)的功能纳米材料，已经被证明在生物、医药等领域有广泛的应用价值，包括体外诊断、活体成像、纳米药物和治疗等。量子点又称为半导体纳米晶，是由II
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VI、II
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V、III
‑
V、IV
‑
VI、I
‑
VI、I
‑
III
‑
VI族等元素组成的纳米颗粒，具有独特的光学性质：(1)尺寸可调的宽带吸收；(2)高摩尔消光系数；(3)尺寸可调的窄带发射；(4)高荧光量子产率；(5)抗光漂白，这些性质使其在活体肿瘤等重大疾病的早期诊断及高通量生物信息分析中具有显著优势。高质量的半导体纳米晶(具有窄的尺寸分布、高荧光量子产率)一般通过化学液相合成方法制备，且多在有机相中完成，以油酸(OA)、油胺(OLA)、十二硫醇(DDT)、三辛基膦(TOP)、三辛基氧膦(TOPO)等做有机分子配体，合成的纳米晶体只能溶于甲苯、环己烷等非极性或弱极性有机溶剂中，然而生物医学应用要求量子点必须能够在生理条件(水，pH～7.4，36
‑
42℃，盐、蛋白质和其他生物分子存在)下稳定分散，故需要对有机相合成的纳米晶体进行二次表面改性。
[0003]目前，已经报道了多种方法来获得水溶性纳米晶体，包括二氧化硅、两亲性聚合物、脂质胶束及可分散性的聚合物的包覆，及配体置换等。在这些策略中，配体置换方法是利用水溶性配体分子置换颗粒表面原始的油溶性配体分子，此方法不仅相对简单，并且在赋予单个颗粒水溶性的同时不会增大水溶性量子点的尺寸。Mattoussi等人利用二氢硫辛酸(DHLA)作为表面配体分子，通过配体置换获得了水溶性的DHLA修饰量子点，并且在较长时间内稳定(Journal of the American Chemical Society,2000,122,12142
‑
12150)。与单齿巯基配体相比，稳定性的增强可归因于DHLA配体末端的双巯基靶向基团提供的双齿螯合效应。然而，由于存在长的疏水链段，DHLA封端的量子点通常在碱性缓冲溶液中稳定，但其局部环境发生改变时，如将量子点分散于弱酸或酸性溶液中会出现颗粒聚集，这是由于量子点纳米晶体的胶体分散性是通过其表面DHLA末端羧酸根离子的静电排斥作用实现的，因而强烈依赖于DHLA末端羧基的脱质子化，一旦羧基末端羧基不能脱质子，水溶性就会丧失。为了提高量子点在水中的稳定性及对生理环境变化的抵抗力，需要设计新的配体。有课题组利用硫辛酸和聚乙二醇的酯化反应，制备生物相容性的DHLA
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PEG配体分子，其中PEG可以促进纳米晶体在水中的分散，所得的DHLA
‑
PEG封端的量子点在相对较宽的pH范围内，可长期稳定分散(Journal of the American Chemical Society,2005,127,3870
‑
3878；Journal of the American Chemical Society,2007,129,13987
‑
13996)。但是上述配体置换过程步骤比较繁琐，通常需要加入有机碱，进而导致荧光效率的下降，并且后处理还需要大量有机溶剂对量子点进行沉淀再分散的多次纯化处理过程，才能获得水溶性量子点。
[0004]综上所述，目前还缺乏一种环境友好、高效清洁、无毒同时能够保持半导体纳米晶荧光性能的配体置换方法，以满足纳米晶体在生物医学应用等领域中的使用要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种环境友好、高效清洁、无毒同时能够保持半导体纳米晶荧光性能的配体置换方法，以克服现有配体置换后处理步骤繁琐、消耗大量有机溶剂、得到的水相纳米颗粒稳定性差等缺陷。
[0006]本专利技术的目的之一是提供一种对半导体纳米晶表面进行配体置换的方法，针对传统配体置换工艺中存在的问题，提出一种环境友好、高效清洁、无毒的纳米晶表面配体置换方法，使其具有条件温和、可批量生产、步骤简单、成本低、清洁无毒等优势，能保持半导体纳米晶的发光性能。
[0007]本专利技术的目的之二是提供一种对半导体纳米晶表面进行水溶性及生物相容性修饰的配体置换方法，通过改变投料精确控制纳米晶体表面配体的种类和数量，最终获得水溶性的、表面生物相容性修饰的半导体纳米晶。
[0008]本专利技术所提供的对半导体纳米晶表面进行配体置换的方法，为：利用功能化生物相容性配体分子取代半导体纳米晶原表面的疏水性配体分子实现半导体纳米晶材料的表面改性，得到水溶性半导体纳米晶。
[0009]上述方法中，示例性半导体纳米晶包含但不限于I
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VI,I
‑
III
‑
VI,I
‑
II
‑
III
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VI,II
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VI,II
‑
III
‑
VI,III
‑
VI,III
‑
V,IV
‑
VI族等半导体，并包含它们的计量或非计量比的任意组成，以及包含但不限于它们任意的合金型、核壳型、异质型、掺杂型等形式的复合结构，其中所述掺杂离子包含但不限于：Cu
+
、Mn
2+
、Fe
2+
、Fe
3+
、Co
3+
、Ni
2+
、Ni
3+
、Cr
3+
、Gd
3+
、Dy
3+
、Yb
3+
、Nb
3+
、Er
3+
、Ho
3+
、Eu
3+
、Tb
3+
、Tm
3+
等。
[0010]上述半导体纳米晶具体可为：Cu
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In
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S、Cu
‑
In
‑
Se、Cu
‑
Al
‑
S、Cu
‑
Al
‑
Se、Cu
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In
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Ga
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S、Cu
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In
‑
Ga
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Se、Cu
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In
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Zn
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S、Cu
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对半导体纳米晶表面进行配体置换的方法，为：利用功能化生物相容性配体分子取代半导体纳米晶原表面的疏水性配体分子实现半导体纳米晶材料的表面改性，得到水溶性半导体纳米晶。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述半导体纳米晶选自以下各项中的一种或多种：I
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VI,I
‑
III
‑
VI,I
‑
II
‑
III
‑
VI,II
‑
VI,II
‑
III
‑
VI,III
‑
VI,III
‑
V,IV
‑
VI族半导体，并包含它们的计量或非计量比的任意组成，以及包含它们任意的合金型、核壳型、异质型、掺杂型形式的复合结构，其中所述掺杂离子为：Cu
+
、Mn
2+
、Fe
2+
、Fe
3+
、Co
3+
、Ni
2+
、Ni
3+
、Cr
3+
、Gd
3+
、Dy
3+
、Yb
3+
、Nb
3+
、Er
3+
、Ho
3+
、Eu
3+
、Tb
3+
、Tm
3+
；所述纳米晶具体可为：Cu
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In
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S、Cu
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In
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Se、Cu
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Al
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S、Cu
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Al
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Se、Cu
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In
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Ga
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S、Cu
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In
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Ga
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Se、Cu
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In
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Zn
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S、Cu
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In
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Zn
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Se、Ag
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In
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S、Ag
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In
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Se、Ag
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In
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S@ZnS、Ag
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In
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Se@ZnS、Ag
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In
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S@ZnSe、Ag
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In
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Se@ZnSe、Cu
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In
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S@ZnS、Cu
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In
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Se@ZnS、Cu
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In
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S@ZnSe、Cu
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In
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Se@ZnSe、Ag
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In
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S@ZnS:Mn、Ag
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In
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Se@ZnS:Mn、Ag
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In
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S@ZnSe:Mn、Ag
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In
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Se@ZnSe:Mn、Cu
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In
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S@ZnS:Mn、Cu
‑
In
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S@ZnSe:Mn、Cu
‑
In
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Se@ZnSe:Mn、Cu
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In
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Se@ZnS:Mn、Cu
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In
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Zn
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S@ZnS、Cu
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In
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Zn
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S@ZnSe、Cu
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In
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Zn
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Se@ZnS、Cu
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In
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Zn
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Se@ZnSe、Ag2S、Ag2Se、InP、InP@ZnS、Cu2‑
x
S(0≤x≤1)、CdTe、CdSe、CdHgTe、CdTe@ZnS、CdSe@ZnS、PbS、PbSe、HgTe、ZnS、ZnSe、ZnGa2O4:Cr、ZnAl2O4:Cr中的任何一种或任意组合。3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：所述功能化生物相容性配体包括以下各项中的一种或多种：聚乙二醇分子及衍生物、水溶性小分子、生物分子、高分子聚合物；其中，所述PEG分子及衍生物选自异端基或同端基官能团取代的PEG衍生物中的一种或多种，PEG的分子量为：500～10000，PEG分子主干结构的一端采用与金属离子具有强配位能力的单齿或多齿功能基团，另一端则选用能够加载生物活性或靶向分子的基团；PEG分子及其衍生物中所述的官能团或功能基团包含以下各项中的一种或多种：巯基、硫辛酸及其衍生物、二氢硫辛酸及其衍生物、羧基、氨基、乙酸基、丙酸基、单磷酸基、双磷酸基、咪唑基、异羟肟酸、多巴胺、聚多巴胺、酰肼、胆固醇、马来酰亚胺、叠氮、甲氧基、羟基、活性酯、亲和素、生物素、叶酸、炔烃、磷脂、荧光染料分子、丙烯酸酯、丙烯酸胺、N羟基琥珀酰亚胺酯、醛基、氨基酸分子、硅烷；其中：1)异端基官能团PEG衍生物具体可为：DHLA
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PEG
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CH3O、DHLA
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PEG
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Maleimide、DHLA
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PEG
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SH、DHLA
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PEG
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COOH、DHLA
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PEG
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NH2、DHLA
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PEG
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N3、DHLA
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PEG
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NHS、DHLA
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PEG
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Biotin、DHLA
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PEG
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DSPE、DHLA
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PEG
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SCM、LA
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PEG
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Maleimide、DHLA
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PEG
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NHS、DHLA
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PEG
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Hydrazide、DHLA
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PEG
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FA、DHLA
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PEG
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ALK、LA
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PEG
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CH3O、DHLA
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PEG
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OH、LA
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PEG
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OH、DHLA
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PEG
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CHO、LA
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PEG
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CHO、LA
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PEG
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Maleimide、LA
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PEG
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SH、LA
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PEG
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COOH、LA
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PEG
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NH2、LA
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PEG
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N3、LA
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PEG
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NHS、LA
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PEG
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Biotin、LA
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PEG
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DSPE、LA
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PEG
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Maleimide、LA
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PEG
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NHS、LA
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PEG
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Hydrazide、LA
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PEG
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FA、LA
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PEG
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ALK、DHLA

【专利技术属性】
技术研发人员：荆莉红，李颖颖，高明远，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：