CN101050358A - 一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法属发光纳米材料技术领域。有二氧化硅内核的制备、二氧化硅表面功能基团的修饰、染料的共价偶联、间隔二氧化硅层的制备，以及染料层与间隔二氧化硅层的交替生长的工艺过程。本发明中，染料可控掺杂包染料在硅球中分布的可控、染料分子之间距离可控和染料层的发光颜色可控。本发明具有以下优点：避免染料分子在掺杂过程中的聚集，减小自淬灭，提高染料的发光效率；更易于制备荧光编码微球；染料不易从硅球中泄漏，提高了粒子的光稳定性。本发明二氧化硅的表面易于功能化，适用于生物检测、标记和免疫检测等生物领域的应用。

Description

一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法

技术领域

本发明属发光纳米材料技术领域，特别涉及一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法。

背景技术

染料掺杂二氧化硅纳米粒子在各种领域尤其是生物领域的应用日益受到人们的关注，其主要是作为组织细胞或生物分子的标记物用于生物检测。与现有商业化的染料探针相比，染料掺杂二氧化硅纳米粒子具有无法比拟的优势，使其在生物检测中可以提高检测的灵敏度和实现检测的定量化。这主要是因为将染料分子掺杂到二氧化硅纳米粒子中后，可与氧或水等光淬灭剂隔离，从而提高这些发光分子的光化学稳定性和发光效率。同时，二氧化硅由于具有良好的化学稳定性、胶体稳定性和生物相容性，被认为是保护有机发光分子的最理想基质之一。

现在已报道的有机染料掺杂二氧化硅发光纳米粒子一般都由传统的Stber方法或微乳液方法合成(Langmuir，2005，21，4277～4280；Advanced Materials2004，16，173～176)。这些方法都是先把染料分子溶解，然后再在此溶液中用氨水催化正硅酸乙酯制备染料掺杂二氧化硅纳米粒子，由于荧光染料在掺杂过程中会发生聚集并且分布不均匀，所以这些方法无法控制染料的掺杂量及染料在二氧化硅中的位置，降低了发光纳米粒子的发光效率，而且染料分子与二氧化硅之间的结合力不够牢固，使其在使用过程中易发生泄露从而使整个发光粒子的光稳定性下降。另外，当在一个粒子中引入不同数量和颜色的染料来制备编码微球用于多组分生物检测时，由于染料掺杂的可控性较差使得编码工作较难进行。因此，目前已报道的合成有机染料掺杂二氧化硅发光粒子的方法还无法满足其在生物医学领域的应用要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对背景现有染料掺杂二氧化硅纳米粒子制备技术中的缺点，发明了一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法。

本发明的染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法的技术方案是：有二氧化硅内核的制备、二氧化硅表面功能基团的修饰、染料的共价偶联、间隔二氧化硅层的制备和染料层与间隔二氧化硅层的交替生长的工艺过程：

(1)所说的二氧化硅内核的制备，与通常的制备二氧化硅纳米粒子的过程是一样的，即，将正硅酸乙酯(TEOS)溶解在乙醇、氨水和水的混合溶液中，通过TEOS的水解和缩聚制得二氧化硅内核。

(2)所说的二氧化硅表面功能基团的修饰，与通常的二氧化硅表面功能基团的修饰过程是一样的，即，通过硅烷偶联剂的水解和缩合，进行二氧化硅表面的氨基或巯基修饰，或者将具有氨基表面的二氧化硅粒子修饰上羧基功能基团或醛基功能基团。

(3)所说的染料与硅层的共价偶联，是指表面功能基团修饰后的二氧化硅纳米粒子在乙醇溶液中分别与带有异硫氰根、磺酸根、亚磺酰胺基、醛基和羧基的染料分子共价偶联；或与带有氨基、马来酰亚胺基团或重金属离子的染料分子共价偶联；反应液中染料的质量百分含量是0.0006％～0.01％；共价偶联过程是在搅拌条件下，避光反应10～14小时。

(4)所说的间隔二氧化硅层的制备，是指将表面共价偶联染料的二氧化硅纳米粒子溶解在乙醇、氨水和水的混合溶液中加入有机硅源正硅酸乙酯(TEOS)，通过正硅酸乙酯的水解和缩聚表面包覆二氧化硅层；或将表面共价偶联染料的二氧化硅纳米粒子溶解在水中通过无机硅源硅酸钠水解和缩聚制得二氧化硅层；有机硅源包覆中，反应液中正硅酸乙酯的质量百分含量为0.35％～3.0％，氨水的质量百分含量是1.15％～6％，水的质量百分比含量是1.9％～10％，乙醇与水的质量比是50～10∶1，反应温度在20℃～60℃水浴3～12小时；无机硅源包覆中，硅酸钠的质量百分含量是0.02％～0.49％，反应中用阳离子树脂调节硅酸钠溶液的pH值为9～11，反应温度在35℃～45℃水浴12～48小时。

(5)所说的染料层与间隔二氧化硅层的交替生长，是指重复表面功能基团的修饰、染料的共价偶联和间隔二氧化硅层的制备工艺步骤，使染料与二氧化硅层交替生长。

在二氧化硅内核的制备中，反应液中正硅酸乙酯的质量百分含量是2.63％～5.58％，氨水的质量百分含量是1.8％～6％，水的质量百分比含量是0.9％～6％，乙醇与水的质量比是100∶1～6，反应温度是20℃～60℃，反应时间是3～12小时。

在二氧化硅表面功能基团的修饰中，氨基或巯基修饰是将二氧化硅内核粒子溶解在乙醇中，加入带有氨基或巯基的硅烷偶联剂，反应液中硅烷偶联剂的质量百分含量是0.048％～0.29％；羧基功能基团修饰是将制得的氨基表面的二氧化硅粒子与戊二酸酐在二甲基甲酰胺(DMF)中反应，反应液中戊二酸酐的质量百分含量是0.07％～1.76％；醛基功能基团修饰是将氨基表面的二氧化硅粒子溶解在水中，加入戊二醛水溶液反应，反应液中戊二醛的质量百分含量是2.5％～10％。

染料与硅层的共价偶联，是指将氨基修饰后的二氧化硅纳米粒子分别与异硫氰根荧光素、异硫氰根罗丹明、1-芘磺酸钠、丹磺酰氯、1-酸酐萘或3-羧基-7-羟基-N-琥珀酰亚胺香豆素共价偶联；将羧基修饰的二氧化硅纳米粒子与带有氨基的3-碳酰肼-7-二乙基胺香豆素共价偶联；将醛基修饰的二氧化硅纳米粒子与带有氨基的1，5-二胺萘共价偶联；将巯基修饰的二氧化硅纳米粒子与带有马来酰亚胺基团或重金属离子的4-甲基-7-二甲基胺-N-马来酰亚胺香豆素或5-碘代乙酰胺荧光素共价偶联。

在间隔二氧化硅层的制备中，通过有机硅源正硅酸乙酯的水解和缩聚制备的二氧化硅层厚度在10nm～30nm之间；通过无机硅源硅酸钠水解和缩聚制备的二氧化硅层厚度在1nm～10nm。

在染料层与间隔二氧化硅层的交替生长中，不同染料层的染料可以是相同的，也可以是不同的；有机染料在二氧化硅中的质量百分含量是0.10％～1.64％。

本发明中，染料可控掺杂包含三个方面，分别为染料在硅球中分布的可控、染料分子之间距离可控和染料层的发光颜色可控。染料在硅球中分布的可控可通过调节功能基团在硅球中不同的修饰位置，来控制与功能基团偶联的染料的分布；染料分子之间距离可控可通过调节间隔二氧化硅层的厚度来控制染料层之间的距离；染料层的发光颜色可控可通过选择共价偶联的染料的种类来控制。

本发明通过逐层生长的方法在二氧化硅纳米粒子中掺杂不同的有机染料，这种制备方法具有以下几个优点：①本方法可避免染料分子在掺杂过程中的聚集，减小自淬灭，提高染料的发光效率。②利用本方法在二氧化硅纳米粒子中掺杂不同浓度和不同颜色的荧光染料，更易于制备荧光编码微球。③本方法中染料掺杂是通过与二氧化硅表面功能基团的共价偶联来完成的，染料不易从硅球中泄露，提高了粒子的光稳定性。

本发明的一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法简单易行，易于控制，使发光纳米粒子的掺杂量均匀。用本发明的方法制得的染料掺杂二氧化硅纳米粒子的形态为球形，整个发光粒子呈单分散性，粒径在25nm～200nm之间，尺寸均一，光学和胶体稳定性好。二氧化硅的表面易于功能化，适用于生物检测、标记和免疫检测等生物领域的应用。

具体实施方式

实施例1  二氧化硅内核的制备：在250ml三颈瓶中加入100ml乙醇、1ml水、2ml氨水、3ml TEOS，200rpm搅拌，60℃水浴反应3h，即得到粒径为20nm的二氧化硅内核。

实施例2  二氧化硅内核的制备：在250ml三颈瓶中加入100ml乙醇、3ml水、4ml氨水、4ml TEOS，200rpm搅拌，40℃水浴反应6h，即得到粒径为60nm的二氧化硅内核。

实施例3  二氧化硅内核的制备：在250ml三颈瓶中加入100ml乙醇、6ml水、6ml氨水、6ml TEOS，200rpm搅拌，20℃水浴反应12h即得到粒径为100nm的二氧化硅内核。

实施例4  二氧化硅表面氨基功能基团的修饰：将如实施例1中所得到的二氧化硅内核分散在100ml乙醇、2ml水、4ml氨水混合溶液中，加入20ulAPS，搅拌200rpm、40℃水浴反应10h，所得到的粒子离心用水洗三遍，即得到氨基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子。

将二氧化硅内核替换成实施例2或实施例3同样能够得到氨基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子。

实施例5  二氧化硅表面羧基功能基团的修饰：将如实施例4中所得到的氨基化的二氧化硅纳米粒子离心后分散在25ml DMF溶液中。准确称取0.02g戊二酸酐，溶解于5ml DMF溶液中。把粒子溶液与戊二酸酐溶液混合，匀速搅拌室温下反应12h，所得到的粒子离心用DMF洗三遍，即得到羧基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子。将戊二酸酐反应浓度分别替换成0.1g或0.5g，同样能够得到相应不同羧基功能基团密度修饰的二氧化硅纳米粒子。

实施例6  二氧化硅表面醛基功能基团的修饰：将如实施例4中所得到的氨基化的二氧化硅纳米粒子离心后分散在25ml pH7.4的磷酸缓冲溶液中(PBS)中。准确称取0.769g戊二醛溶解于5ml纯水中，将两者溶液混合，匀速搅拌室温下反应2h，所得到的粒子离心用水洗三遍，即得到醛基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子。将戊二醛反应浓度分别替换成2.051g和3.332g，同样能够得到相应不同醛基功能基团密度修饰的二氧化硅纳米粒子。

实施例7  二氧化硅表面巯基功能基团的修饰：将如实施例1中所得到的二氧化硅内核离心后分散在100ml乙醇、2ml水、4ml氨水混合溶液中，加入117ulMPS，搅拌200rpm反应10h，所得到的粒子离心用乙醇洗三遍，即得到巯基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子。

将二氧化硅内核替换成实施例2或实施例3同样能够得到巯基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子。

实施例8  染料与硅层的共价偶联：如实施例4中所得到的氨基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子离心后分散在20ml的乙醇溶液中，加入0.098mg异硫氰根荧光素搅拌，避光室温下反应12h，异硫氰根荧光素即与二氧化硅共价偶联。

将染料分别替换成异硫氰根罗丹明、1-芘磺酸钠、丹磺酰氯、1-酸酐萘、3-羧基-7-羟基-N-琥珀酰亚胺香豆素，相应的染料同样能够与二氧化硅共价偶联。

实施例9  染料与硅层的共价偶联：如实施例5中所得到的羧基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子离心后分散在30ml的乙醇溶液中，加入0.784mg 3-碳酰肼-7-二乙基胺香豆素搅拌，避光室温下反应12h，染料即与二氧化硅共价偶联。

实施例10  染料与硅层的共价偶联：如实施例6中所得到的醛基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子离心后分散在20ml的乙醇溶液中，加入0.196mg 1，5-二胺萘搅拌，避光室温下反应12h，染料即与二氧化硅共价偶联。

实施例11  染料与硅层的共价偶联：如实施例7中所得到的巯基功能基团修饰的二氧化硅纳米粒子离心后分散在30ml的乙醇溶液中，加入1.568mg 4-甲基-7-二甲基胺-N-马来酰亚胺香豆素搅拌，避光室温下反应12h，染料即与二氧化硅共价偶联。

将染料替换成5-碘代乙酰胺荧光素，染料同样能够与二氧化硅共价偶联。

实施例12  有机硅源制备间隔二氧化硅层：如实施例8中所得到的粒子离心用乙醇洗三遍后放入三颈瓶中，再加入50ml乙醇，0.6ml氨水，1ml水和300ul TEOS，60℃水浴反应3h，离心乙醇洗三次即得到厚度约为10nm的间隔二氧化硅层。

染料偶联后的二氧化硅纳米粒子可换成实施例9、实施例10或实施例11所得到的其它粒子，同样能够包覆间隔二氧化硅层。

实施例13  有机硅源制备间隔二氧化硅层：如实施例9中所得到的粒子离心用乙醇洗三遍后放入三颈瓶中，再加入50ml乙醇，1.7ml氨水，3ml水，和850ul TEOS，30℃水浴反应6h，离心乙醇洗三次即得到厚度约为20nm的间隔二氧化硅层。

实施例14  有机硅源制备间隔二氧化硅层：如实施例8中所得到的粒子离心用乙醇洗三遍后放入三颈瓶中，再加入50ml乙醇，3ml氨水，5ml水，和1.6m1 TEOS，20℃水浴反应12h，离心乙醇洗三次即得到厚度约为30nm的间隔二氧化硅层。

实施例15  无机硅源制备间隔二氧化硅层：将实施例8中所得到的染料偶联后的二氧化硅纳米粒子离心用水洗三遍后分散在20ml的水溶液中。准确称取0.05g硅酸钠并溶解于200ml水中，用阳离子树脂调节硅酸钠溶液的pH值为10后，将硅酸钠溶液与粒子溶液混合，40℃水浴、搅拌12h。离心从反应溶液中分离产物，并用高纯水清洗3～5次即得到厚度约为1nm的间隔二氧化硅层。

染料偶联后的二氧化硅纳米粒子可换成实施例9、实施例10或实施例11所得到的其它粒子，同样能够包覆间隔二氧化硅层。

实施例16  无机硅源制备间隔二氧化硅层：将实施例8中所得到的染料偶联后的二氧化硅纳米粒子离心水洗三遍后分散在3ml的水溶液中。准确称取0.3g硅酸钠并溶解于100ml水中，用阳离子树脂调节硅酸钠溶液的pH值为10后，将硅酸钠溶液与粒子溶液混合，40℃水浴、搅拌24h。离心从反应溶液中分离产物，并用高纯水清洗3～5次即得到厚度约为5nm的间隔二氧化硅层。

实施例17  无机硅源制备间隔二氧化硅层：将实施例8中所得到的染料偶联后的二氧化硅纳米粒子离心水洗三遍后分散在3ml的水溶液中。准确称取0.5g硅酸钠并溶解于100ml水中，用阳离子树脂调节硅酸钠溶液的pH值为10后，将硅酸钠溶液与粒子溶液混合，40℃水浴、搅拌48h。离心从反应溶液中分离产物，并用高纯水清洗3～5次即得到厚度约为8nm的间隔二氧化硅层。

实施例18  二氧化硅层与染料层相间重复生长：将实施例15中所得到的单层染料掺杂的二氧化硅纳米粒子按照实施例4、实施例8和实施例15依次包覆，可得到粒径约为25nm的二氧化硅-异硫氰根荧光素-二氧化硅-异硫氰根荧光素-二氧化硅相间重复生长的染料掺杂二氧化硅纳米粒子。

染料层替换成实施例8、实施例9、实施例10或实施例11，二氧化硅层替换成实施例12、实施例13、实施例14实施例15、实施例16或实施例17，同样能够得到二氧化硅层与染料层相间重复生长的染料掺杂二氧化硅纳米粒子。

实施例19  二氧化硅层与染料层相间重复生长：将实施例13中所得到的单层染料掺杂的二氧化硅纳米粒子按照实施例4、实施例8和实施例14依次包覆，可得到粒径约为150nm的二氧化硅-3-碳酰肼-7-二乙基胺香豆素-二氧化硅-异硫氰根罗丹明-二氧化硅相间重复生长的染料掺杂二氧化硅纳米粒子。

实施例20  二氧化硅层与染料层相间重复生长：将实施例14中所得到的单层染料掺杂的二氧化硅纳米粒子按照实施例7、实施例11、实施例14、实施例4、实施例8和实施例14依次包覆，可得到粒径约为195nm的二氧化硅-1-芘磺酸钠-二氧化硅-5-碘代乙酰胺荧光素-二氧化硅-异硫氰根罗丹明-二氧化硅相间重复生长的染料掺杂二氧化硅纳米粒子。

Claims (5)

1、一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法，有二氧化硅内核的制备、二氧化硅表面功能基团的修饰、染料的共价偶联、间隔二氧化硅层的制备和染料层与间隔二氧化硅层的交替生长的工艺过程：

所说的二氧化硅内核的制备，是将正硅酸乙酯溶解在乙醇、氨水和水的混合溶液中，通过正硅酸乙酯的水解和缩聚制得二氧化硅内核；

所说的二氧化硅表面功能基团的修饰，是通过硅烷偶联剂的水解和缩合，进行二氧化硅表面的氨基或巯基修饰，或者将具有氨基表面的二氧化硅粒子修饰上羧基功能基团或醛基功能基团；

所说的染料与硅层的共价偶联，是指表面功能基团修饰后的二氧化硅纳米粒子在乙醇溶液中分别与带有异硫氰根、磺酸根、亚磺酰胺基、醛基和羧基的染料分子共价偶联；或与带有氨基、马来酰亚胺基团或重金属离子的染料分子共价偶联；反应液中染料的质量百分含量是0.0006％～0.01％；共价偶联过程是在搅拌条件下，避光反应10～14小时；

所说的间隔二氧化硅层的制备，是指将表面共价偶联染料的二氧化硅纳米粒子溶解在乙醇、氨水和水的混合溶液中加入有机硅源正硅酸乙酯，通过正硅酸乙酯的水解和缩聚表面包覆二氧化硅层；或将表面共价偶联染料的二氧化硅纳米粒子溶解在水中通过无机硅源硅酸钠水解和缩聚制得二氧化硅层；有机硅源包覆中，反应液中正硅酸乙酯的质量百分含量为0.35％～3.0％，氨水的质量百分含量是1.15％～6％，水的质量百分比含量是1.9％～10％，乙醇与水的质量比是50～10∶1，反应温度在20℃～60℃水浴3～12小时；无机硅源包覆中，硅酸钠的质量百分含量是0.02％～0.49％，反应中用阳离子树脂调节硅酸钠溶液的pH值为9～11，反应温度在35℃～45℃水浴12～48小时；

所说的染料层与间隔二氧化硅层的交替生长，是指重复表面功能基团的修饰、染料的共价偶联和间隔二氧化硅层的制备工艺步骤，使染料与二氧化硅层交替生长。

2、按照权利要求1所述的一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，所说的二氧化硅内核的制备，反应液中正硅酸乙酯的质量百分含量是2.63％～5.58％，氨水的质量百分含量是1.8％～6％，水的质量百分比含量是0.9％～6％，乙醇与水的质量比是100∶1～6，反应温度是20℃～60℃，反应时间是3～12小时。

3、按照权利要求1所述的一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，所说的氨基或巯基修饰，是将二氧化硅内核粒子溶解在乙醇中，加入带有氨基或巯基的硅烷偶联剂，反应液中硅烷偶联剂的质量百分含量是0.048％～0.29％；所说的将具有氨基表面的二氧化硅粒子修饰上羧基功能基团，是将制得的氨基表面的二氧化硅粒子与戊二酸酐在二甲基甲酰胺中反应，反应液中戊二酸酐的质量百分含量是0.07％～1.76％；所说的将具有氨基表面的二氧化硅粒子修饰上醛基功能基团，是将氨基表面的二氧化硅粒子溶解在水中，加入戊二醛水溶液反应，反应液中戊二醛的质量百分含量是2.5％～10％。

4、按照权利要求1所述的一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，所说的染料与硅层的共价偶联，是指将氨基修饰后的二氧化硅纳米粒子分别与异硫氰根荧光素、异硫氰根罗丹明、1-芘磺酸钠、丹磺酰氯、1-酸酐萘或3-羧基-7-羟基-N-琥珀酰亚胺香豆素共价偶联；将羧基修饰的二氧化硅纳米粒子与带有氨基的3-碳酰肼-7-二乙基胺香豆素共价偶联；将醛基修饰的二氧化硅纳米粒子与带有氨基的1，5-二胺萘共价偶联；将巯基修饰的二氧化硅纳米粒子与带有马来酰亚胺基团或重金属离子的4-甲基-7-二甲基胺-N-马来酰亚胺香豆素或5-碘代乙酰胺荧光素共价偶联。

5、按照权利要求1、3或4所述的一种染料可控掺杂二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，所说的染料层与间隔二氧化硅层的交替生长，不同染料层的染料是相同的，或者是不同的；有机染料在二氧化硅中的质量百分含量是0.10％～1.64％。