CN100372599C - 磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法 - Google Patents

磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法。属于材料和生物医学技术领域。本发明以磁性微粒为核，通过高分子或小分子的偶连作用，将量子点连接在磁性微粒表面，形成磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子，当采用高分子作偶连剂时，形成多层高分子与量子点相互交替的壳层，在该核-壳式纳米复合粒子表面进一步修饰一种或多种具有增强粒子稳定性或特异性识别等作用的功能性分子。本发明所制备出磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子，兼具磁性微粒易于分离与靶向定位和量子点的标记示踪、抑菌、防腐、光催化以及表面易于修饰的多重优点。

Description

磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合粒子的制备方法，尤其是一种磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法。属于材料和生物医学技术领域。
背景技术
磁性微粒，尤其是纳米级磁性粒子，由于具有超顺磁性、生物相容性以及可降解性的特点，它的制备和在生物医学领域的应用受到了广泛的关注。为了更方便地将磁性纳米粒子用于细胞分离、核酸分离与纯化、药物筛选、靶向治疗等领域，人们通过了多种方法对磁性纳米粒子进行表面包覆处理，使其表面连接多种反应活性功能基团，包括-OH、-COOH、-NH2、-CN、-SO3H等，制备的磁性微球有聚苯乙烯磁性微球，壳聚糖磁性微球，白蛋白磁性微球等。
生物高分子包覆的磁性微球，由于反应活性基团的存在，这些磁性微球可与多种生物活性分子进行连接。如果在磁性微粒表面包覆的材料不仅具有能方便地与生物分子连接，而且还能赋予更多的功能，如标记示踪、光催化、抑菌、防腐、消毒等功能，则将使磁性微粒的应用前景更加广阔，具有重要的科学研究价值和实际应用价值。
半导体量子点是符合这种要求的材料。量子点是指半导体纳米微晶，主要由II-VI簇或III-IV簇元素组成的纳米粒子。由于晶粒小，其电子和空穴被量子限域，存在不连续的最高被占分子轨道和最低空余轨道能级，能隙变宽，在光的激发下，可以发射荧光，具有传统荧光物质不可比拟的独特的光学性质。量子点优越的荧光特性，使其成为纳米生物技术研究的热点。国际一些著名刊物如Nature均不断报道量子点在生物医学方面的应用研究，应用领域涉及细胞生物学、分子生物学、免疫学、疾病诊断等。此外，当量子点吸收光子后，价带电子因受激发而跃迁到导带，形成导带电子，同时在价带上留下空穴，导带电子和价带上的空穴可分别与量子点周围的水和氧发生反应，生成O2 -和·OH，它们分别是强的还原剂和强氧化剂，具有强的光催化活性，可分解构成细菌微生物的各种成分，干扰蛋白质的合成，能有效地杀灭或抑制微生物的繁殖。由于量子点纳米粒子的尺寸很小，一般只有几个纳米，最大为十几个纳米。这种纳米粒子具有极高的表面活性，当粒度仅为几纳米时，它对周围的物体具有很强的吸附能力。因此，当在磁性微粒表面包覆足够小的量子点纳米粒子时，还能使磁性微粒在修饰生物分子时更加容易。
如果能将磁性微粒与量子点进行复合，则可使复合粒子兼具磁性微粒易于分离与靶向定位和量子点的标记示踪、抑菌、防腐、光催化以及表面易于修饰等多重优点。
国际《自然》(Nature)杂志在2003年第423卷报道了将量子点PbSe与磁性粒子Fe2O3通过胶体化学方法组装成三维超晶格结构，这种三维超晶格复合材料具有潜在的光学性质与磁性。而本发明则是以磁性粒子为核，在核表面包覆或点缀量子点纳米粒子，形成核-壳形的复合粒子，该复合粒子不具备超晶格结构，但它能更好地应用到生物医学和化工等领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法。使所述的这种纳米复合粒子兼具磁性微粒易于分离与靶向定位和量子点的标记示踪、抑菌、防腐、光催化以及表面易于修饰的多重优点，使磁性微粒和量子点在生物医学领域的应用范围更加广阔。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明以磁性微粒为核，通过高分子或小分子的偶连作用，将量子点连接在磁性微粒表面，形成磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子。当采用高分子作偶连剂时，还可以形成多层高分子与量子点相互交替的壳层。在该核-壳式纳米复合粒子表面可进一步修饰一种或多种具有增强粒子稳定性或特异性识别等作用的功能性分子，使其可用于疾病诊断与治疗、药物筛选、药物输送以及抗菌、光催化等领域。所述的磁性微粒是指：四氧化三铁和三氧化二铁中的一种，粒度在1nm-1000nm之间。
以磁性微粒为核，在其表面包覆一层或一层以上量子点材料，形成包覆型的核-壳式纳米复合粒子；或在其表面点缀一层或一层以上量子点材料，形成点缀的核-壳式纳米复合粒子；或通过具有偶联特性的小分子的偶连作用与量子点纳米粒子连接，形成包覆型和点缀型的核-壳式纳米复合粒子。
本发明所述的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子，是以磁性微粒为核，分别采用3种方法将量子点连接在磁性微粒表面，这3种方法是：
方法一：
(1)以磁性微粒为核，在其表面通过化学反应或相异电荷的吸引力作用连接一层高分子，然后通过化学反应或相异电荷的吸引力作用将量子点连接在高分子上，形成一次量子点包覆的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子；或以磁性微粒为核，在其表面通过化学反应或相异电荷的吸引力作用连接一层高分子，然后通过化学反应或相异电荷的吸引力作用将量子点连接在高分子上，形成一次量子点点缀的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子。
(2)在一次量子点包覆或一次量子点点缀的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子表面，通过化学反应或相异电荷的吸引力作用进一步连接一层高分子。
(3)然后再通过化学反应或相异电荷的吸引力作用将量子点连接在高分子上，形成两次量子点包覆或两次量子点点缀的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子；
(4)通过高分子层与量子点层的相互交替连接，形成三次、四次、五次或六次量子点包覆或量子点点缀的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子。
方法2
以磁性微粒为核，通过具有偶联特性的小分子的偶连作用与量子点纳米粒子连接，形成包覆型或点缀型的核-壳式纳米复合粒子。
方法3
以磁性微粒为核，在其表面通过化学反应或相异电荷的吸引力作用连接一层高分子或具有偶联特性的小分子，然后在其周围进行化学合成反应生成量子点纳米粒子。合成方法为：先加入Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、In3+、Cu2+中的一种与连接在磁性微粒的高分子或小分子进行静电吸附或络合，接着加入阴离子S2-、Se2-、Te2-、P3-、As3-中的一种，或者交替加入阳离子和阴离子，反应生成量子点纳米粒子并连接在磁性微粒上。
所述的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法，是指先制备磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子，然后在其表面修饰一种或多种具有增强粒子稳定性或特异性识别等作用的功能性分子。在纳米复合粒子表面修饰具有增强粒子稳定性的分子的时候，亦可在制备该纳米复合粒子的过程中进行。
本发明使用的主要材料为磁性微粒、量子点、高分子和小分子。
所述的功能性分子为高分子，小分子配体，及其组合；所述的磁性微粒是指：四氧化三铁(Fe3O4)和三氧化二铁(Fe2O3)中的一种，粒度在1nm-1000nm之间。所述的量子点是指CdS，ZnS，HgS，GdSe，ZnSe，HgSe，GdTe，ZnTe，ZnO，PbSe，HgTe，CaAs，InP，InAs，InCaAs，CdS/ZnS，CdS/Ag2S，CdS/PbS，CdS/Cd(OH)2,CdS/HgS，CdS/HgS/CdS，ZnS/CdS，ZnS/CdS/ZnS，ZnS/HgS/ZnS/CdS，CdSe/CdS，CdSe/ZnS，CdSe/ZnSe，  CdSe/CuSe，  CdSe/HgTe，  CdSe/HgSe，  CdSe/HgSe/CdSe，  CdTe/HgS，InAs/InP，InAs/CdSe，InAs/ZnSe，MgS，MgSe，MgTe，CaS，CaSe，CaTe，SrS，SrSe，SeTe，BaS，BaSe，BaTe，CdS：Mn，ZnS：Mn，CdS：Cu，ZnS：Cu，CdS：Tb，ZnS：Tb中的一种或任意几种具有不同荧光特征的纳米粒子的组合。
所述的高分子，是指化学合成的高分子、生物技术合成的高分子以及天然高分子中的一种或任意几种的组合，所述的高分子是：聚羟基乙酸，聚乳酸，乳酸-乙醇酸共聚物，聚碳酸酯，聚己内酯，聚原酸酯，聚氰基丙烯酸烷酯，聚胺酯，聚羟基丁酸酯，聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇，聚乙烯醇、聚苯乙烯，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯腈，聚丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚二烯丙基二甲基氯化铵，聚甲醛，聚乙醛，聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸乙酯，聚酰胺，聚氨基酸，聚葡萄糖酸，甲基纤维素，乙基纤维素，羟丙基纤维素，天然橡胶，壳聚糖，葡聚糖，白蛋白，胶原，淀粉，海藻酸钠，明胶，阿拉伯胶，琼脂，配体，抗体。
所述的小分子是指具有-NH2、-COOH、-SO3H、-SH中的一种或几种极性基团的分子和硅烷偶连剂，是指巯基酸，乙二胺，乙二胺四乙酸，硫代乙酰胺，十二烷基磺酸钠，CH2＝CHSi(OC2H5)3，CH2＝CHSi(OCH3)2，CH2＝CHSi(OC2H4OCH3)3,CH2＝C(CH3)COOC3H6Si  (OCH3)3  HSC3H6Si(OCH3)3，H2NC3H6Si(OC2H5)3，H2NC2H4NHC3H6Si(OCH3)3，H2NCONHC3H6Si(OC2H5)3,CH3Si(OC2H5)3,  (CH3)3SiNHSi(CH3)3。
本发明具有实质性特点和显著进步，所制备的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子，可在其表面单独连接一种或多种具有增强粒子稳定性或特异性识别等作用的功能性分子。使其能用于疾病诊断与治疗、药物筛选、药物输送以及抗菌、光催化等领域。
具体实施方式
实施例1
采用化学共沉淀方法先制备平均粒度为150nm的Fe3O4纳米粒子，经过乙醇和去离子水洗涤后，将Fe3O4分散在带正电的聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液中。机械搅拌30min，使聚二烯丙基二甲基氯化铵分子吸附在Fe3O4纳米粒子表面，形成高分子壳层。通过磁分离，洗去未吸附的聚二烯丙基二甲基氯化铵分子。在氮气保护下，将表面包覆聚二烯丙基二甲基氯化铵分子的Fe3O4纳米粒子分散于带负电的量子点CdSe/ZnS溶液中，机械搅拌30min，使CdSe/ZnS纳米粒子吸附在聚二烯丙基二甲基氯化铵分子层上，形成量子点CdSe/ZnS的壳层，通过磁分离，洗去未吸附的CdSe/ZnS纳米粒子，便得到一次量子点CdSe/ZnS包覆的Fe3O4/CdSe/ZnS纳米复合粒子。
将一次量子点CdSe/ZnS包覆的Fe3O4/CdSe/ZnS纳米复合粒子分散到聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液中，通过同样的方法在纳米复合粒子表面再吸附一层聚二烯丙基二甲基氯化铵分子，经过洗涤后，将该纳米复合粒子分散到CdSe/ZnS溶液中，使CdSe/ZnS纳米粒子吸附在聚二烯丙基二甲基氯化铵分子层上，分离洗涤，便得到两次CdSe/ZnS包覆的Fe3O4/CdSe/ZnS纳米复合粒子。
结果表明，在透射电子显微镜下，Fe3O4纳米粒子为球形纳米粒子，当其与量子点复合后，表面有一明显的壳层，而且不光滑。X-射线衍射表明，复合的量子点越多，量子点的特征衍射峰就越强。
实施例2
采用化学共沉淀方法先制备平均粒度为20nm的Fe3O4纳米粒子，经过乙醇和去离子水洗涤后，将Fe3O4分散在无水乙醇与硅烷偶连剂KH550溶液中，于60℃反应2h，通过磁分离，用去离子水洗涤，得到表面连接小分子KH550的Fe3O4纳米粒子。向该Fe3O4纳米粒子水溶液中加入适量戊二醛，并于室温下搅拌反应3h，然后再用磁分离的方法对该Fe3O4纳米粒子进行洗涤。在氮气保护下向量子点CdSe/ZnS纳米粒子溶液中加入适量巯基乙胺，室温下反应3h，然后将未反应的巯基乙胺透析除去。将表面连接巯基乙胺的CdSe/ZnS与表面连接KH550的Fe3O4纳米粒子在水溶液中进行室温混合反应，使CdSe/ZnS连接在Fe3O4表面，通过磁分离将未连接的CdSe/ZnS除去。
在荧光显微镜下，以488nm的激发光对制备的纳米复合粒子进行激发，可见Fe3O4表面有很强的黄色量子点荧光，而单独的Fe3O4则无任何荧光。该复合粒子具有很强的磁性，因为用普通磁铁能将该纳米复合粒子吸引。
实施例3
采用化学共沉淀方法先制备平均粒度为150nm的Fe3O4纳米粒子，经过乙醇和去离子水洗涤后，将Fe3O4分散在聚丙烯酸水溶液中，室温下反应3h，然后通过磁分离，去离子水洗涤。向分离洗涤后的表面包覆聚丙烯酸分子的Fe3O4水溶液中滴加CdCl2溶液，并用NaOH将溶液的pH调至9，室温下搅拌3h。在氮气保护下，向该混合溶液中缓慢滴加Na2S溶液，拌以机械搅拌，反应过夜。然后通过磁分离，将反应液中剩余离子除去，即得到Fe3O4/CdS的纳米复合粒子。将该纳米复合粒子分散于明胶溶液中，结果有较好的稳定性。
与合成前的黑色Fe3O4相比，该纳米复合粒子呈现淡黄色，表明在Fe3O4表面已经包覆了CdS，在透射电子显微镜下观察发现，纳米复合粒子表面不光滑，X-射线进一步证明了复合粒子中存在立方闪锌矿结构的CdS物相。用普通磁铁能将该淡黄色粒子吸引，表明制备的复合粒子具有很强的磁性。
实施例4
按实施例1-2任一方法制备Fe3O4/CdSe/ZnS，将该纳米复合粒子分散于水溶液，在氮气保护下，加入适量巯基乙酸，室温反应2h后，磁分离，除去未反应的巯基乙酸，然后将该纳米复合粒子分散于pH7.4的磷酸盐缓冲液中，加入200mM的[1-Ethyl-3-(3-dimethyl-aminopropyl)carbodiimide]溶液，混合均匀后，加入表皮生长因子(EGF)，于25℃反应2h，用Tris终止反应，接着在4℃条件下用pH7.4的磷酸盐缓冲液中透析，便得到在Fe3O4/CdSe/ZnS表面连接蛋白质EGF的纳米复合粒子。连接EGF的量子点荧光光谱略有蓝移。

Claims (4)

1.一种磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法，其特征在于，以磁性微粒为核，通过高分子或小分子的偶连作用，将量子点连接在磁性微粒表面，形成磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子，当采用高分子作偶连剂时，形成多层高分子与量子点相互交替的壳层，在该核-壳式纳米复合粒子表面进一步修饰一种或多种具有增强粒子稳定性或特异性识别作用的功能性分子，
所述的量子点是指CdS，ZnS，HgS，ZnSe，HgSe，ZnTe，ZnO，PbSe，HgTe，CaAs，InP，InAs，InCaAs，CdS/ZnS，CdS/Ag2S，CdS/PbS，CdS/Cd(OH)2，CdS/HgS，CdS/HgS/CdS，ZnS/CdS，ZnS/CdS/ZnS，ZnS/HgS/ZnS/CdS，CdSe/CdS，CdSe/ZnS，CdSe/ZnSe，CdSe/CuSe，CdSe/HgTe，CdSe/HgSe，CdSe/HgSe/CdSe，CdTe/HgS，InAs/InP，InAs/CdSe，InAs/ZnSe，MgS，MgSe，MgTe，CaS，CaSe，CaTe，SrS，SrSe，SeTe，BaS，BaSe，BaTe，CdS∶Mn，ZnS∶Mn，CdS∶Cu，ZnS∶Cu，CdS∶Tb，ZnS∶Tb中的一种或任意几种具有不同荧光特征的纳米粒子的组合；
所述的磁性微粒是指：四氧化三铁和三氧化二铁中的一种，粒度在1nm-1000nm之间；所述的高分子是指化学合成的高分子、生物技术合成的高分子以及天然高分子中的一种或任意几种的组合；所述的小分子是指具有-NH2、-COOH、-SO3H、-SH中的一种或几种极性基团的分子和硅烷偶连剂。
2.根据权利要求1所述的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法，其特征是，所述的以磁性微粒为核，是在其表面包覆一层或一层以上量子点材料，形成包覆型的核-壳式纳米复合粒子；或在其表面点缀一层或一层以上量子点材料，形成点缀的核-壳式纳米复合粒子；或通过具有偶联特性的小分子的偶连作用与量子点纳米粒子连接，形成包覆型的核-壳式纳米复合粒子；或通过具有偶联特性的小分子的偶连作用与量子点纳米粒子连接，形成点缀型的核-壳式纳米复合粒子。
3.根据权利要求1所述的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法，其特征是，所述的将量子点连接在磁性微粒表面分别用下面一种方法：
方法一：
(1)以磁性微粒为核，在其表面通过化学反应或相异电荷的吸引力作用连接一层高分子，然后通过化学反应或相异电荷的吸引力作用将量子点连接在高分子上，形成一次量子点包覆的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子；或以磁性微粒为核，在其表面通过化学反应或相异电荷的吸引力作用连接一层高分子，然后通过化学反应或相异电荷的吸引力作用将量子点连接在高分子上，形成一次量子点点缀的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子；
(2)在一次量子点包覆或一次量子点点缀的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子表面，通过化学反应或相异电荷的吸引力作用进一步连接一层高分子；
(3)然后再通过化学反应或相异电荷的吸引力作用将量子点连接在高分子上，形成两次量子点包覆或两次量子点点缀的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子；
(4)通过高分子层与量子点层的相互交替连接，形成三次、四次、五次或六次量子点包覆或量子点点缀的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子；
方法二：
以磁性微粒为核，通过具有偶联特性的小分子的偶连作用与量子点纳米粒子连接，形成包覆型或点缀型的核-壳式纳米复合粒子；
方法三：
以磁性微粒为核，在其表面通过化学反应或相异电荷的吸引力作用连接一层高分子或具有偶联特性的小分子，然后在其周围进行化学合成反应生成量子点纳米粒子，合成方法为：先加入Zn2+、Cd2+、Hg2+、pb2+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、In3+、Cu2+中的一种与连接在磁性微粒的高分子或小分子进行静电吸附或络合，接着加入阴离子S2-、Se2-、Te2-、P3-、As3-中的一种，使阴离子与阳离子反应，或者交替加入阳离子和阴离子，反应生成量子点纳米粒子并连接在磁性微粒上。
4.根据权利要求1或者2或者3所述的磁性微粒与量子点的核-壳式纳米复合粒子的制备方法，其特征是，所述的小分子是指巯基酸，乙二胺，乙二胺四乙酸，硫代乙酰胺，十二烷基磺酸钠，CH2＝CHSi(OC2H5)3，CH2＝CHSi(OCH3)2，CH2＝CHSi(OC2H4OCH3)3，CH2＝C(CH3)COOC3H6Si(OCH3)3，HSC3H6Si(OCH3)3，H2NC3H6Si(OC2H5)3，H2NC2H4NHC3H6Si(OCH3)3，H2NCONHC3H6Si(OC2H5)3，CH3Si(OC2H5)3，(CH3)3SiNHSi(CH3)3。
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