CN101607316B

CN101607316B - 羟基化树状大分子稳定的金/银纳米粒子的制备方法

Info

Publication number: CN101607316B
Application number: CN2009100535157A
Authority: CN
Inventors: 史向阳; 沈明武
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: CN101607316A

Abstract

本发明涉及一种羟基化树状大分子稳定的金/银纳米粒子的制备方法，包括：(1)用50mL的甲醇溶解树状大分子，滴加环氧试剂，稀释，透析，用水混合剩下的溶液，冷冻干燥；(2)取步骤(1)干燥后固体溶于甲醇或水中，取HAuCl₄甲醇溶液或HAuCl₄水溶液混合，搅拌，溶液变成深红色；或将步骤(1)干燥后固体溶于甲醇或水中，取溶于甲醇/水(v/v＝1∶1)混合溶液中的AgNO₃混合，搅拌，溶液变成深棕色。本发明方法简单，反应条件温和，易于操作，具有产业化实施的前景。

Description

羟基化树状大分子稳定的金/银纳米粒子的制备方法

技术领域

本发明属金/银纳米粒子的制备领域，特别是涉及一种羟基化树状大分子稳定的金/银纳米粒子的制备方法。

背景技术

由于其独特的光学、电子和量子尺寸相关的性能，贵重金属纳米粒子(NPs)，如金(Au)和银(Ag)纳米颗粒在医学领域的应用引起了相当大的科学和技术上的关注，尤其是在生物传感、疾病的诊断、光热疗法以及药物和基因传递领域。在众多的以聚合物辅助合成的金属金/银纳米颗粒的实例中，以树状大分子为模板或稳定剂合成的纳米粒子已经引起大量的关注。这主要是由于这种新型的、高度支化的和单分散的合成性树状大分子的独特结构和性能。树状大分子可定制的表面化学性能，容许研究者轻松地在其表面修饰用于不同生物医学领域的生物功能团。例如，端基为氨基的树状大分子包裹的金纳米颗粒(AuDENPs)可以进一步用染料和靶向配体分子官能化，用于特异性地检测某种癌细胞。一般情况下，以树状大分子为模板或稳定剂功能化金或银纳米颗粒往往涉及两个步骤：1)功能化树状大分子；2)合成金属纳米颗粒。这两个步骤的顺序可以根据与颗粒胶体稳定性和复合物的最终应用有关的技术过程颠倒过来。在某些特殊情况下，颗粒的功能化和合成可通过一个步骤同时实现。

据了解，预先功能化的树状大分子可以用来作为模板来包裹金纳米颗粒或作为稳定剂稳定银纳米颗粒。树状大分子稳定化的金(Au DSNPs)或银纳米(Ag DSNPs)颗粒的合成，通常需要一个缓慢的还原和成核过程。在所有报导中，必需有额外温和的还原剂或物理处理辅助合成金或银纳米颗粒。最近的报导表明，某些聚合物或共聚物可以同时作为还原剂和稳定剂合成金或银纳米颗粒。在某些情况下，可以简单地在室温下混合水溶性共聚物和金氯酸合成金纳米颗粒。这意味着，通过适当的操纵树状大分子表面化学性质，有可能采用非常简单的方法合成金纳米颗粒。

目前羟基化的树状大分子稳定的金/银纳米颗粒简单自发的合成还未见相关报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种羟基化树状大分子稳定的金/银纳米粒子的制备方法，该方法简单，反应条件温和，易于操作，具有产业化实施的前景。

本发明的一种羟基化树状大分子稳定的金/银纳米粒子的制备方法，包括：

(1)用50mL的甲醇溶解干重为2.1～3.1g的树状大分子，然后边搅拌边滴加溶于50mL甲醇溶液的环氧试剂(干重1.9～2.5g，环氧试剂/树状大分子端氨基摩尔比＝2.1∶1～5∶1)，反应24～72小时，蒸发去除甲醇，用10mL-15mL甲醇或水稀释生成物，并经过3-5天甲醇或水透析去除副产品和多余的反应剂，用水混合剩下的溶液，冷冻干燥；反应方程式简图如图9所示；

(2)取步骤(1)干燥后固体溶于甲醇或水中配成0.35mM的溶液，取3mL与3mL的3.5mM HAuCl₄甲醇溶液或3.5mL的3.5mM HAuCl₄水溶液(国药集团化学试剂有限公司，上海)混合，在室温下强力搅拌24-36小时，反应12-24小时，溶液变成深红色，表明自发形成了金纳米粒子；然后用小流量氮气流干燥混合物，再将混合物重新溶于水，并冷冻干燥得到羟基化树状大分子稳定的金纳米粒子(Au DSNPs)；

或将步骤(1)干燥后固体溶于甲醇或水中配成0.199mM的溶液，取3mL与溶于甲醇/水(v/v＝1∶1)混合溶液中的AgNO₃(3mL，1.99mM)混合，在室温下强力搅拌24-36小时，反应12-24小时，溶液变成深棕色，表明自发形成了银纳米粒子；然后用小流量氮气流干燥混合物，再将混合物重新溶于水，并冷冻干燥得到羟基化树状大分子稳定的银纳米粒子(Ag DSNPs)。

所述步骤(1)环氧试剂为环氧丙醇或环氧己烷。

所述步骤(1)树状大分子为第4或第5代聚酰胺-胺型(PAMAM)树状大分子(Dendritech Inc.，Midland，MI，USA)。

本发明使用介质辅助的激光脱附离子化飞行时间(质谱)质谱(MALDI-TOF)、核磁共振谱(NMR)、紫外-可见光分光光度计(UV-Vis)、透射电子显微镜(TEM)测量等方法表征本发明制备的羟基化树状大分子或纳米颗粒，同时用接触角来检验羟基修饰的树状大分子稳定化的金/银纳米颗粒的表面亲水性，具体测试结果如下：

(1)介质辅助的激光脱附离子化飞行时间(质谱)质谱(MALDI-TOF)

通过MALDI-TOF质谱分析，发现环氧己烷修饰的第4代树状大分子(G4.HexylOH)的分子量为17424，和原材料G4.NH₂的分子量(13734)相比，每个树状大分子表面取代了37个环氧己烷。见附图1。

(2)NMR谱

核磁共振氢谱和碳谱结果证实了G4.HexylOH的结构正确，见附图2。

(3)紫外-可见光分光光度计的测试结果

在甲醇溶液合成的{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}和{(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}金纳米颗粒在525nm处都有一个特征吸收峰，这是由于金纳米颗粒自由电子的集体振荡引起的，参见附图3a；环氧丙醇修饰的树状大分子稳定化的纳米颗粒能稳定分散在水中，4℃下保存6个月没有沉淀产生，参见附图3a图；

在甲醇溶液合成的{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}银纳米颗粒在445nm处有一个特征吸收峰，这是由于银纳米颗粒自由电子的集体振荡引起的，参见附图3b；环氧丙醇修饰的树状大分子稳定化的银纳米颗粒能稳定分散在水中，4℃下保存6个月没有沉淀产生，参见附图3b图；

在水溶液中合成的金纳米颗粒具有更直接生物医学用途。令人惊讶的是，我们发现在水溶液中合成的金纳米颗粒中，只有G4.NGlyOH可以合成稳定的金纳米颗粒，参见附图4a；G5.NGlyOH允许合成部分稳定的Au纳米颗粒，4℃下3天后小瓶底部有金纳米颗粒沉淀产生，参见附图4a；同样，G3.NGlyOH树状大分子合成的金纳米颗粒容易沉淀。进一步证实了无论是在甲醇或在水条件下反应，G3.NGlyOH树状大分子不能稳定胶体金纳米颗粒。

在水溶液中合成的{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}金纳米颗粒在530nm处都有一个特征吸收峰，参见附图4a；在600nm处的肩特征吸收峰，可能与非常少量的金纳米颗粒聚集有关，但并没有诱发纳米颗粒的沉淀。与此相反，在水溶液中合成的{(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}金纳米颗粒在580nm处都有一个特征吸收峰，意味着金纳米颗粒在水中发生聚集；见附图4a.

(4)透射电子显微镜测量

在甲醇中合成的{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}和{(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}的TEM图像和粒度分布直方图(参见附图5)，表明形成的{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}和{(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}纳米颗粒相当均匀，大小分别是4.8±0.8nm和7.0±1.7nm。同时也表明金纳米颗粒尺寸大小可通过使用不同代数的羟基环氧丙醇终端修饰的树状大分子来控制。

在水溶液中合成的{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}纳米颗粒相当均匀，大小是16.6±2.8nm，参见附图4b和4c；和在甲醇中合成的{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}(直径＝4.8nm)相比，水溶液中合成的{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}纳米颗粒较大。这可能是由于在水溶液中比在甲醇溶液中，树状大分子G4.NGlyOH与溶液形成了更强大的氢键相互作用，从而显著地放缓了三价Au离子的还原和成核。因此，在G4.NGlyOH树状大分子稳定剂的协助下形成了较大的金纳米颗粒。

在甲醇中合成的{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}的TEM图像和粒度分布直方图(参见附图6a和6b)，表明形成的{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}纳米颗粒相当均匀，大小分别是5.4±1.4nm。{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}的电子衍射图(SAED模式)表明{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}金纳米颗粒高度晶化。(111)、(200)、(220)和(311)环说明{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}金纳米颗粒呈面心立方(FCC)晶体结构(见附图6c)。{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}的EDS谱则证实金元素的存在；见附图6d。

在甲醇中合成的{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}的TEM图像和粒度分布直方图(参见附图7a和7b)，表明形成的{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}纳米颗粒相当均匀，大小分别是7.0±1.7nm。{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}的电子衍射图(SAED模式)表明{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}金纳米颗粒高度晶化。(111)、(200)、(220)和(311)环说明{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}金纳米颗粒里面心立方(FCC)晶体结构(见附图7c)。{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}的EDS谱则证实银元素的存在；见附图7d。

(5)接触角测量

接触角测量证实了{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}金纳米颗粒的疏水性，参见附图8。金纳米颗粒薄膜的接触角大小的顺序为{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}(42.21°)＞{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}(21.91°)＞单晶硅(10.33°)。由于G4.NGlyOH树状大分子内部相对疏水，与亲水性的单晶硅表面相比，{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}薄膜表现出疏水性。对于{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}来说，环氧己烷修饰的G4.NHexylOH树状大分子在三者中疏水性最大。

通过简单地混合环氧丙醇终端羟基化的第5代的树状大分子(G5.NGlyOH)和金氯酸合成羟基化的金纳米颗粒，且不需要额外的还原剂，在室温下即可完成反应。这一初步成绩促使我们通过改变了树状大分子的代数、反应溶剂、树状大分子不同羟基终端或不同的金属纳米颗粒，来进一步探索其详细机理。

通过改变上述变量来控制金属纳米颗粒的尺寸大小、形态或表面亲水性。这一点对于用于不同医学领域所需要的可定制的金属纳米颗粒表面功能化非常重要。

有益效果

(1)本发明方法简单，反应条件温和，易于操作，具有产业化实施的前景；

(2)本发明的羟基化树状大分子稳定的金/银纳米粒子能够长时间地分散在溶液中，没有团聚现象发生，所合成的纳米颗粒的尺寸大小和表面亲水性可控制，使他们具有了应用于各种生物医学领域的前景。

附图说明

图1为本发明制备的环氧己烷修饰的第4代树状大分子(G4.NHexylOH)的MALDI-TOF谱图。图2为本发明制备的环氧己烷修饰的第4代树状大分子(G4.NHexylOH)的核磁共振氢谱图(上图)和核磁共振碳谱图(下图)。

图3为本发明制备的(a){(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}和{(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}纳米颗粒的紫外吸收光谱图；内图为4℃下，储存6个月的相应水溶液(1){(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}和(2){(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}；

(b){(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}和{(Ag⁺)₁₀-G4.NGlyOH}纳米颗粒在甲醇溶液中紫外吸收光谱图；内图为4℃下，储存6个月的{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}水溶液。

图4为本发明制备的(a){(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}和{(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}纳米颗粒的紫外吸收光谱图及4℃下，储存6个月的相应水溶液内图：(1)G3.NGlyOH，(2)G4.NGlyOH，(3)G5.NGlyOH)；(b){(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}TEM图；(c){(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}尺寸分布直方图。

图5为本发明制备的Au纳米颗粒TEM图像：(a){(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}纳米颗粒；(b){(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}尺寸分布直方图；(c){(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}纳米颗粒；(d){(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}尺寸分布直方图。

图6为本发明制备的{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}纳米颗粒的(a)TEM及高分辨率TEM内图；(b)粒度分布直方图；(c)电子衍射图和(d)EDS谱。

图7为本发明制备的{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}纳米颗粒的(a)TEM及高分辨率TEM内图；(b)粒度分布直方图；(c)电子衍射图和(d)EDS谱。

图8.金纳米颗粒薄膜的表面水滴行为图(a)硅片；(b){(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}金纳米颗粒；(c){(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}金纳米颗粒。

图9本发明反应方程式简图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)用50mL的甲醇溶解干重为2.1164g的G4.NH₂。然后边搅拌边滴加溶于50mL甲醇溶液的环氧己烷(2.42g，环氧己烷/树状大分子端氨基摩尔比＝2.5∶1)反应72小时后用旋转蒸发仪去除甲醇。用10mL甲醇稀释生成物，经过3天的甲醇透析(MWCO＝3500透析膜，6次4升)去除副产品和多余的反应剂。用水混合剩下的溶液并冷冻干燥，得到2.65g固体G4.NHexylOH(65.9％)。

(2)室温下，环氧己烷端羟基化的第4代树状大分子甲醇溶液(3mL，0.35mM)与HAuCl₄甲醇溶液(3mL，为3.5mM)混合并强力搅拌24小时。反应12小时后，溶液变成深红色，表明自发形成了金纳米粒子。然后用小流量氮气流干燥混合物，再将混合物重新溶于水并冷冻干燥得到{(Au⁰)₁₀-G4.NHexylOH}。

实施例2

(1)用50mL的甲醇溶解干重为3.0004g的G4.NH₂。然后边搅拌边滴加溶于50mL甲醇溶液的环氧丙醇(1.9g，环氧丙醇/树状大分子端氨基摩尔比＝2.1∶1)反应24小时后用旋转蒸发仪去除甲醇。用水稀释生成物，经过3天的水透析(MWCO＝3500透析膜，6次4升)去除副产品和多余的反应剂。用水混合剩下的溶液并冷冻干燥，得到3.92g固体G4.NGlyOH(92.2％)。

(2)室温下，G4.NGlyOH甲醇溶液(3mL，0.35mM)与HAuCl₄甲醇溶液(3mL，3.5mM)混合并强力搅拌24小时。反应12小时后，溶液变成深红色，表明自发形成了金纳米粒子。然后用小流量氮气流干燥混合物，再将混合物重新溶于水并冷冻干燥得到{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}。

实施例3

(2)室温下，G4.NGlyOH水溶液(3mL，0.35mM)与HAuCl₄水溶液(3mL，3.5mM)混合并强力搅拌24小时。反应12小时后，溶液变成深红色，表明自发形成了金纳米粒子。然后冷冻干燥得到{(Au⁰)₁₀-G4.NGlyOH}。

实施例4

(1)用50mL的甲醇溶解干重为1.3g的G5.NH₂。然后边搅拌边滴加溶于50mL甲醇溶液的环氧丙醇(2.1g，环氧丙醇/树状大分子端氨基摩尔比＝4.4∶1)，反应24小时后用旋转蒸发仪去除甲醇。用水稀释生成物，经过3天的水透析(MWCO＝3500透析膜，6次4升)去除副产品和多余的反应剂。用水混合剩下的溶液并冷冻干燥，得到1.6g固体G5.NGlyOH(93.9％)。

(2)室温下，G5.NGlyOH甲醇溶液(3mL，0.35mM)与HAuCl₄甲醇溶液(3mL，3.5mM)混合并强力搅拌24小时。反应12小时后，溶液变成深红色，表明自发形成了金纳米粒子。然后用小流量氮气流干燥混合物，再将混合物重新溶于水并冷冻干燥得到{(Au⁰)₁₀-G5.NGlyOH}。

实施例5

(2)环氧丙醇端羟基化的第4代树状大分子甲醇溶液(3mL，0.199mM)与溶于甲醇/水(v/v＝1∶1)溶液中的AgNO₃(3mL，1.99mM)混合并强力搅拌24小时。反应12小时后，溶液变成深棕色，表明自发形成了银纳米粒子。然后用小流量氮气流干燥混合物，再将混合物重新溶于水并冷冻干燥得到{(Ag⁰)₁₀-G5.NGlyOH}。

Claims

1.一种羟基化树状大分子稳定的金或银纳米粒子的制备方法，包括：

(1)用50mL的甲醇溶解干重为2.1～3.1g的树状大分子，边搅拌边滴加溶于50mL甲醇溶液的干重为1.9～2.5g的环氧试剂，其中环氧试剂/树状大分子端氨基摩尔比＝2.1∶1～5∶1，反应24～72小时，蒸发去除甲醇，用10mL-15mL甲醇或水稀释生成物，甲醇或水透析，用水混合剩下的溶液，冷冻干燥；所述的环氧试剂为环氧丙醇或环氧己烷；所述的树状大分子为第4或第5代聚酰胺-胺型树状大分子；

(2)取步骤(1)干燥后固体溶于甲醇或水中配成0.35mM的溶液，取3mL所配制的树状大分子溶液与3mL的3.5mM HAuCl₄甲醇溶液或3mL的3.5mM HAuCl₄水溶液混合，在室温下强力搅拌24-36小时，反应12-24小时，溶液变成深红色，用小流量氮气流干燥混合物，再将混合物重新溶于水，并冷冻干燥得到羟基化树状大分子稳定的金纳米粒子；

或将步骤(1)干燥后固体溶于甲醇或水中配成0.199mM的溶液，取3mL所配制的树状大分子溶液与3ml溶于甲醇与水的混合溶液中的AgNO₃混合，在室温下强力搅拌24-36小时，反应12-24小时，溶液变成深棕色，用小流量氮气流干燥混合物，再将混合物重新溶于水，并冷冻干燥得到羟基化树状大分子稳定的银纳米粒子；所述AgNO₃的浓度为1.99mM；所述甲醇与水的体积比为1∶1。