CN101723311A - 磁-光传感器用磁性荧光纳米材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁-光传感器用磁性荧光纳米材料及其制备方法。该材料为基于纳米管或纳米纤维微模板的磁性荧光纳米材料，由带有羧酸官能团的管状、纤维状纳米材料模板，磁性材料，双亲分子材料和量子点材料构成。模板的羧酸官能团螯合Fe2+，Fe3+或Co2+，在碱作用下反应生成的磁性材料Fe2O3、Fe3O4或FeCo生长在模板的表面，双亲分子是一端含有羧基，另一端含有氨基或者巯基的明胶、氨基酸、多肽、端基为羧基的树状聚氨酯，聚酰胺-胺树形分子，它的羧基与模板上的Fe2O3、Fe3O4或FeCo纳米颗粒螯合，氨基或者巯基与量子点结合，通过组装，获得磁性荧光纳米颗粒。该纳米材料具有强的磁性能，高的量子产率和良好的电性能。用于制备磁-光传感器，可提高传感器的精度和灵敏度。

Description

磁-光传感器用磁性荧光纳米材料及其制备方法
技术领域
本发明属于多功能纳米材料领域，具体涉及一种可以用于磁-光传感器的对磁、电、光等信号同时具有响应性能的磁性荧光纳米材料及其制备方法。
背景技术
磁-光传感器由于具有小型化、多功能化与高精度化的特点，近年来受到人们广泛的重视。这种传感器比目前单一信号响应的磁传感器或光传感器具有更高的检测精度与灵敏度。用于磁-光传感器的核心材料必须具备对磁、光信号同时响应的特点。常采用不同功能的纳米结构材料进行可控自组装来获得，也就是说，磁信号响应的磁性纳米颗粒(MNPs)与光信号敏感的量子点(QDots)或贵金属纳米颗粒可控地组装在一起，来制备这种磁性荧光纳米材料，再用于磁-光传感器。
目前对于这一领域的研究主要集中在以下方面：Y Zhang研究组[1]与F Q Tang研究组[2]利用生物分子微球包埋技术，制备了壳聚糖包裹的磁性荧光纳米颗粒；Rosenzweig研究组[3]使用表面活性剂，将γ-Fe2O3粒子通过表面修饰的-SH与CdSe/ZnS连接，制备了γ-Fe2O3/QDs核-壳结构的磁性荧光纳米微球；以SiO2微球为核，T Hyeon研究组[4]和MGBawendi研究组[5]分别制备了MNPs与QDs同为壳层的磁性荧光纳米颗粒；采用层层自组装(layer-by-layer)技术，利用静电相互作用，Y Bai小组与J Li小组共同合作[6]，制备了多层Fe3O4/QDs核壳纳米微球，为磁性纳米粒子与量子点的复合提供了新思路。这些磁性荧光纳米颗粒普遍存在的问题是：MNPs与QDs间存在颗粒、界面相互作用，会造成MNPs淬灭QDs，磁性荧光纳米颗粒的量子产率大幅度降低，如前述的γ-Fe2O3/QDs，其量子产率由QDs的0.61降低到0.18。因此，保证所制备纳米材料强的磁性能和高的量子产率，是材料同时具有磁、光信号响应的关键。
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发明内容
本发明目的旨在提供一种磁性荧光纳米材料及其的制备方法。该方法制备的纳米材料具有强的磁性能，高的量子产率和良好的电性能。这种磁性荧光纳米材料用于制备磁-光传感器，可以提高传感器的精度和灵敏度。
本发明的一种磁性荧光纳米材料，其特征在于，它为基于纳米管或纳米纤维为模板的磁性荧光纳米材料，由带有羧酸官能团的管状、纤维状纳米材料模板，磁性材料，双亲分子材料和量子点材料构成；所述的管状、纤维状纳米材料模板为碳纳米管、聚苯胺纳米纤维或聚丙烯腈纳米纤维；模板上的羧酸官能团螯合Fe2+，Fe3+或Co2+，碱作用下反应生成的磁性材料Fe2O3、Fe3O4或FeCo生长在管状、纤维状纳米材料模板的表面；所述的双亲分子是一端含有羧基，另一端含有氨基或者巯基化合物，双亲分子的羧基与模板上的Fe2O3、Fe3O4或FeCo纳米颗粒螯合，双亲分子的氨基或者巯基与量子点结合；所述的量子点为单质结构量子点，合金结构量子点或核壳结构量子点的任一种；
所述的单质结构量子点为Au或Pt量子点；所述的合金结构量子点是一种由IIB-VIA族或IIIA-VA族元素组成的纳米颗粒，它是ZnO、ZnS、InAs、GaAs、CdSe、CdTe，CdS或HgSe；所述的核壳结构量子点为CdS/Ag2S、CdS/Cd(OH)2、CdS/ZnS、ZnS/CdSe、ZnSe/CdSe、CdS/HgS、CdS/PbS，CdSe/ZnS、CdSe/CdS、CdSe/ZnSe、InP/ZnS、PbSe/PbS，CdTe/CdSe或者CdTe/ZnSe，或多层核壳结构量子点CdS/HgS/CdS和CdSe/CdS/Cd1-xZnxS/ZnS中的任一种。
其中，所述的碳纳米管为酸化的碳纳米管或类流体碳纳米管，所述的类流体碳纳米管是一种除富含极易螯合MNPs的-COOH以外，其表面还定向修饰了一层C18～C50的长链分子，厚度为5.9±0.4nm。
所述的双亲分子化合物选自端基为羧基的树状聚氨酯、聚酰胺-胺树形分子、明胶、氨基酸或多肽，所述的氨基酸是指半胱氨酸、天门冬氨酸、天门冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、赖氨酸或、精氨酸，所述的多肽为分子量介于1800～5000的多肽分子。
本发明的磁性荧光纳米材料的制备方法，其特征在于，采用分别对磁、光、电响应的纳米颗粒进行自组装制备磁-光-电多功能纳米材料的方法，制备步骤包括：
步骤1、磁性荧光纳米颗粒的制备：以乙醇或N-甲基吡咯烷酮为溶剂，在氮气保护下配制Fe2+和Fe3+摩尔比为2～2.5∶1的溶液或者Fe2+和Co2+摩尔比为1～1.5∶1的溶液，得溶液A；将酸化的碳纳米管、类流体碳纳米管、聚苯胺纳米纤维或聚丙烯腈纳米纤维超声分散在乙醇或N-甲基吡咯烷酮溶液中，浓度为10～30g/ml，得溶液B；将溶液A滴加到溶液B中，A与B体积比1～2∶1，氮气保护下搅拌30min～90min，然后于20-70℃下，在摇床上反应24～48h，透析后加入NaOH溶液或氨水溶液，调整PH值至9，在50～90℃下反应1～7h，离心分离，用蒸馏水洗涤不少于3次后，将沉淀溶解在乙醇或N-甲基吡咯烷酮中得到基于模板生长的磁性荧光纳米颗粒的溶液；
步骤2、在步骤1得到的磁性荧光纳米颗粒乙醇溶液或N-甲基吡咯烷酮溶液中，按摩尔比1～5∶1加入明胶或者氨基酸或树枝状聚氨酯或树形聚酰胺水溶液，超声分散12小时以后，在摇床上20～70℃下继续反应12～48小时，得到双亲分子改性的磁性纳米颗粒溶液；
步骤3、将上述单质结构、合金结构、核壳结构或多层结构的量子点溶解在正己烷或者二氯甲烷中，与步骤2得到的磁性纳米颗粒水溶液进行混合，超声分散12h，然后在70℃下旋转蒸发，除去多余的有机溶剂，再加入正己烷或者二氯甲烷清洗3次以上除去残余的量子点，旋转蒸发除去多余的有机溶剂后，得到基于模板生长的磁性荧光纳米材料。
本发明的这种磁性荧光纳米材料量子产率减弱不超过30％、饱和磁化强度超过50emu/g，对荧光信号和磁场可以快速响应，从而大幅度提高磁-光传感器的使用精度和灵敏度。
附图说明
图1是实施例1的类流体碳纳米管/MNPs/QDs饱和磁化强度曲线
具体实施方式
实施例1
配制20ml摩尔浓度为0.1mol/L的FeCl2和40ml摩尔浓度为0.1mol/L的FeCl3乙醇溶液；另取2.0g带有羧酸官能团的类流体碳纳米管，加入40ml无水乙醇中搅拌30min，将所述两种溶液放置于30-50℃摇床中反应24h，透析后加入摩尔浓度为1M氨水17ml，得到磁性纳米颗粒生长在类流体碳纳米管上的复合溶液；按照体积比为2.5∶1向其中加入摩尔浓度为0.1mol/L的明胶或者天门冬氨酸水溶液，反应4h，反复混合吸附，得到包覆双亲分子后的类流体碳纳米管/MNPs纳米材料，将其分散在40ml去离子水中，按照摩尔比1∶1与正己烷中分散的CdS@CdSe核壳量子点进行配体交换，制得类流体碳纳米管/MNPs/QDs纳米颗粒材料。其量子荧光产率为60％-70％，所合成的类流体碳纳米管/mMNPs/QDs量子荧光产率仍然保持在70％-85％，饱和磁化强度为50-60emu/g。所合成的类流体碳纳米管/MNPs/QDs纳米材料的饱和磁化强度曲线如图1所示。
实施例2
配制10ml摩尔浓度为0.1mol/L的FeCl2和20ml摩尔浓度为0.1mol/L的FeCl3无水乙醇溶液；取3g酸化碳纳米管加入40ml无水乙醇中搅拌1h，将两者混合后放置于30-50℃摇床中反应24h，透析后加入摩尔浓度为0.1M的NaOH溶液20ml，继续反应5小时，得到酸化碳纳米管/MNPs纳米粒子的乙醇溶液，按照体积比2.5∶1向其中加入摩尔浓度为0.1mol/L的树枝状聚氨酯水溶液40ml，继续反应4h，得到包覆双亲分子的酸化碳纳米管/MNPs纳米颗粒，将其分散在40ml去离子水中，与二氯甲烷中分散的摩尔浓度为0.1mol/L的Au的纳米颗粒进行配体交换，制得酸化碳纳米管/MNPs/Au纳米颗粒材料。其量子荧光产率介于80％--85％，饱和磁化强度为60-65emu/g。
实施例3
将1.2g聚苯胺溶于40ml N-甲基吡咯烷酮中，加入30ml摩尔浓度为0.1mol/L的α-Fe2O3N-甲基吡咯烷酮分散液中搅拌1h，放置于30-50℃摇床中均匀吸附反应24h，然后离心分离3次，每次离心15min，转速5000rpm。按照体积比2∶1向其中加入摩尔浓度为0.1mol/L的精氨酸水溶液35ml，继续反应4h后，得到包覆双亲分子后的聚苯胺/MNPs纳米颗粒，将其分散在35ml去离子水中，与正己烷中分散的摩尔浓度为0.15mol/L的ZnS@CdSe量子点进行配体交换制得聚苯胺/MNPs/QDs材料。其量子荧光产率介于70％--80％，磁性为50-65emu/g。
实施例4
取4.0g聚丙烯腈纳米纤维溶于40ml N-甲基吡咯烷酮中，另配制10ml摩尔浓度为0.1mol/L的FeCl2和10ml摩尔浓度为0.1mol/L的CoCl2水溶液，将两者混合后放置于30-50℃摇床中反应24h，透析后加入摩尔浓度为0.1M的NaOH溶液20ml，继续反应5小时，得到聚丙烯晴/MNPs纳米颗粒。按照体积比2∶1向其中加入摩尔浓度为0.1mol/L的树状聚氨酯分子35ml于去离子水中继续反应4h，得到包覆双亲分子后的聚丙烯腈/MNPs纳米颗粒，将其分散在35ml去离子水中，与二氯甲烷中分散的摩尔浓度为0.15mol/L的CdSe量子点进行配体交换制得聚丙烯腈/MNPs/QDs材料。其量子荧光产率介于60％--80％，饱和磁化强度为70-95emu/g。
实施例5
取2.5g带有羧酸官能团的聚苯胺溶于40mlN-甲基吡咯烷酮中，另配制20ml摩尔浓度为0.1mol/L的FeCl2和20ml摩尔浓度为0.1mol/L的CoCl2水溶液，将两者混合后放置于30-50℃摇床中反应36h，透析后加入摩尔浓度为0.1M的NaOH溶液40ml，继续反应5小时，得到聚苯胺/MNPs纳米颗粒。按照体积比2∶1向其中加入摩尔浓度为0.1mol/L的氨基酸水溶液35ml，反应12h，得到包覆双亲分子后的聚苯胺/MNPs纳米颗粒的水溶液，取35ml分散有摩尔浓度为0.1mol/L的Pt贵量子点正己烷溶液，进行配体交换制得聚苯胺/MNPs/QD纳米颗粒材料，其量子荧光产率介于80％--85％，饱和磁化强度为70-95emu/g。

Claims (4)

1.一种磁性荧光纳米材料，其特征在于，它为基于纳米管或纳米纤维为模板的磁性荧光纳米材料，由带有羧酸官能团的管状、纤维状纳米材料模板，磁性材料，双亲分子材料和量子点材料构成；所述的管状、纤维状纳米材料模板为碳纳米管、聚苯胺纳米纤维或聚丙烯腈纳米纤维；模板上的羧酸官能团螯合Fe2+，Fe3+或Co2+，碱作用下反应生成的磁性材料Fe2O3、Fe3O4或FeCo生长在管状、纤维状纳米材料模板的表面；所述的双亲分子是一端含有羧基，另一端含有氨基或者巯基化合物，双亲分子的羧基与模板上的Fe2O3、Fe3O4或FeCo纳米颗粒螯合，双亲分子的氨基或者巯基与量子点结合；所述的量子点为单质结构量子点，合金结构量子点或核壳结构量子点的任一种；
所述的单质结构量子点为Au或Pt量子点；所述的合金结构量子点是一种由IIB-VIA族或IIIA-VA族元素组成的纳米颗粒，它是ZnO、ZnS、InAs、GaAs、CdSe、CdTe、CdS或HgSe；所述的核壳结构量子点为CdS/Ag2S、CdS/Cd(OH)2、CdS/ZnS、ZnS/CdSe、ZnSe/CdSe、CdS/HgS、CdS/PbS、CdSe/ZnS、CdSe/CdS、CdSe/ZnSe、InP/ZnS、PbSe/PbS、CdTe/CdSe或者CdTe/ZnSe，或多层核壳结构量子点CdS/HgS/CdS和CdSe/CdS/Cd1-xZnxS/ZnS中的任一种。
2.如权利要求1所述的一种磁性荧光纳米材料，其特征在于，所述的碳纳米管为酸化的碳纳米管或类流体碳纳米管，所述的类流体碳纳米管是一种除富含极易螯合MNPs的-COOH以外，其表面还定向修饰了一层C18～C50的长链分子，厚度为5.9+0.4nm。
3.如权利要求1所述的一种磁性荧光纳米材料，其特征在于，所述的双亲分子化合物选自端基为羧基的树状聚氨酯、聚酰胺-胺树形分子、明胶、氨基酸或多肽，所述的氨基酸是指半胱氨酸、天门冬氨酸、天门冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、赖氨酸或精氨酸，所述的多肽为分子量介于1800～5000的多肽分子。
4.权利要求1所述的磁性荧光纳米材料的制备方法，其特征在于，采用分别对磁、光、电响应的纳米颗粒进行自组装制备磁-光-电多功能纳米材料的方法，制备步骤包括：
步骤1、磁性荧光纳米颗粒的制备：以乙醇或N-甲基吡咯烷酮为溶剂，在氮气保护下配制Fe2+和Fe3+摩尔比为2～2.5∶1的溶液或者Fe2+和Co2+摩尔比为1～1.5∶1的溶液，得溶液A；将酸化的碳纳米管、类流体碳纳米管、聚苯胺纳米纤维或聚丙烯腈纳米纤维超声分散在乙醇或N-甲基吡咯烷酮溶液中，浓度为10～30g/ml，得溶液B；将溶液A滴加到溶液B中，A与B体积比1～2∶1，氮气保护下搅拌30min～90min，然后于20-70℃下，在摇床上反应24～48h，透析后加入NaOH溶液或氨水溶液，调整PH值至9，在50～90℃下反应1～7h，离心分离，用蒸馏水洗涤不少于3次后，将沉淀溶解在乙醇或N-甲基吡咯烷酮中得到基于模板生长的磁性荧光纳米颗粒的溶液；
步骤2、在步骤1得到的磁性荧光纳米颗粒乙醇溶液或N-甲基吡咯烷酮溶液中，按摩尔比1～5∶1加入明胶或者氨基酸或树枝状聚氨酯或树形聚酰胺水溶液，超声分散12小时以后，在摇床上20～70℃下继续反应12～48小时，得到双亲分子改性的磁性纳米颗粒溶液；
步骤3、将单质结构、合金结构、核壳结构或多层结构的量子点溶解在正己烷或者二氯甲烷中，与步骤2得到的磁性纳米颗粒水溶液进行混合，超声分散12h，然后在70℃下旋转蒸发，除去多余的有机溶剂，再加入正己烷或者二氯甲烷清洗3次以上除去残余的量子点，旋转蒸发除去多余的有机溶剂后，得到基于模板生长的磁性荧光纳米材料。
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