CN101775112A - 一种磁性荧光双功能温敏性纳米粒子的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性荧光双功能温敏性纳米粒子的制备方法，(1)采用常规方法制备磁性纳米粒子核，然后对磁性纳米粒子进行包裹一层二氧化硅层；采用氯甲基硅烷偶联剂对二氧化硅进行氯甲基化，然后利用包裹在纳米粒子表面上的苄基氯与咔唑及二硫化碳在氢氧化钾的二甲亚砜溶液中反应，得到表面修饰有RAFT试剂的磁性荧光纳米粒子；(2)以步骤(1)所得磁性荧光纳米粒子、温敏性单体、牺牲RAFT试剂及引发剂组成聚合体系，溶于溶剂中，进行可逆加成断裂链转移活性自由基聚合，分离后得到核壳结构的磁性荧光双功能温敏性纳米粒子；采用在磁性氧化硅纳米粒子表面直接进行RAFT聚合，有利于磁性荧光双功能核壳结构纳米粒子在实际使用过程中保持结构及性能的稳定。

Description

一种磁性荧光双功能温敏性纳米粒子的制备方法

技术领域

本发明涉及一种磁性荧光双功能核壳结构纳米粒子的制备方法，具体涉及一种使用以修饰有荧光基团的磁性纳米二氧化硅杂化粒子为大分子RAFT试剂、通过可逆加成断裂链转移(Reversible addition-fragmentation chain transfer，RAFT)活性自由基聚合方法可控地制备磁性荧光双功能温敏性纳米粒子的方法。

背景技术

具有磁性和荧光双功能纳米粒子在磁共振成像(MRI)、生物标记等生物医用领域有广阔的应用前景。根据不同的磁性/荧光纳米材料的结构，其制备策略可分为以下八种：(1)磁性核被含有荧光物质的二氧化硅壳包裹；(2)荧光物质修饰聚合物包裹的磁性纳米粒子；(3)通过正负电荷的相互作用制备具有磁性核、荧光离子化合物壳的离子聚集体；(4)用荧光标记的双分子类脂包覆磁性纳米粒子；(5)磁性纳米核直接共价键合某种荧光物质；(6)半导体外壳(II-VI)包裹磁性纳米核；(7)磁性纳米粒子修饰荧光量子点；(8)磁性纳米粒子与荧光量子点被混合裹入聚合物或者二氧化硅形成的胶囊中。

聚合物/无机杂化纳米材料由于其许多奇特的性能近年来备受人们的关注。采用聚合物对无机纳米粒子进行表面改性，使聚合物化学键连于无机颗粒表面，可以赋予粒子许多新的特性，如两亲性、生物活性、化学活性、可分散性、吸附性以及有机相容性等。通过接枝聚合物实现对无机微粒的改性，丰富的合成手段让此类材料在药物传输、基因转染等方面成为目前材料科学领域的一类重要的研究课题，并已取得了许多令人瞩目的进展。

聚合物包裹的磁性/荧光纳米粒子目前报道的主要有以下几种：(1)运用LBL技术，通过正负电荷的相互作用把聚电解质与荧光量子点包裹在磁性纳米颗粒上；(2)把磁性纳米粒子和荧光量子点包裹在二氧化硅中，然后表面交联一层聚合物做壳(乳液聚合、蒸馏沉淀聚合)；(3)用带有荧光的聚合物包裹磁性纳米粒子；(4)修饰有荧光性物质的脂质体，葡聚糖，壳聚糖等大分子对磁性粒子进行包裹。但这些聚合物的合成仅采用常规的自由基聚合方法。众所周知，常规自由基聚合的主要缺点是所得聚合物的可设计性差、分子量及分布不可控等；而活性聚合在克服了这些缺点以外，使得精确合成各种拓扑结构的聚合物成为现实。

但是，目前国内外尚未见任何报道通过活性自由基聚合的方法直接把带有荧光性基团的化合物接到磁性纳米粒子表面的报道；而且由于仅仅修饰了荧光基团的纳米磁性粒子在水溶液中使用时不稳定，因此，需要一种稳定的磁性荧光双功能纳米粒子的制备方法。

发明内容

本发明目的是提供一种核壳结构的磁性荧光双功能温敏性纳米粒子的可控制备方法。

为达到上述目的，本发明具体技术方案是，一种磁性荧光双功能温敏性纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用常规方法制备磁性纳米粒子核，然后用

法水解正硅酸四乙酯对磁性纳米粒子进行包裹一层二氧化硅SiO₂层；采用氯甲基硅烷偶联剂对二氧化硅进行氯甲基化，然后利用包裹在纳米粒子表面上的苄基氯与咔唑及二硫化碳在氢氧化钾(KOH)的二甲亚砜(DMSO)溶液中反应，得到表面修饰有RAFT试剂的磁性荧光纳米粒子，其中Z基团为荧光性的咔唑、R基团为带苄基的磁性氧化硅复合纳米粒子；

上述技术方案中，用

法水解正硅酸四乙酯对纳米粒子进行包裹一层二氧化硅SiO₂层的方法为本领域技术人员公知的现有技术，可参见文献：

W.；Fink，A.；Bohn，E.J.Colloid Interface Sci.1968，26，62-69；

上述技术方案中，利用包裹在纳米粒子表面上的苄基氯与咔唑及二硫化碳在氢氧化钾(KOH)的二甲亚砜(DMSO)溶液中反应的方法为本领域技术人员公知的现有技术，可参见文献：Wang，S.M.；Cheng，Z.P.；Zhu，J.；Zhang，Z.B.；Zhu，X.L.Journal of Polymer Science：Part A：Polymer Chemistry 2007，45，5318-5328.

(2)以步骤(1)所得表面修饰有RAFT试剂的磁性荧光纳米粒子、温敏性单体、牺牲RAFT试剂及引发剂组成聚合体系，溶于溶剂中，进行RAFT聚合，离心分离后得到带有荧光末端基的聚合物壳、磁性氧化硅纳米粒子为核的磁性荧光双功能温敏性纳米粒子；

上述技术方案中，步骤(1)中，所述氯甲基硅烷偶联剂为4-氯甲基苯基三甲氧基硅烷；

上述技术方案中，步骤(2)中，所述温敏性单体所有适用于RAFT聚合的单体，选自：N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、丙烯酸-N，N-二甲胺基乙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸甲酯或苯乙烯中的一种；所述牺牲RAFT试剂为N-二硫代咔唑甲酸苄酯(BCBD)；所述引发剂为偶氮二异丁腈；所述溶剂选自：甲醇或异丙醇。

上述技术方案中，步骤(2)中，所述RAFT聚合反应中，既有表面接枝RAFT试剂的磁性纳米粒子，同时溶液中还存在牺牲RAFT试剂，以增加反应的控制性。

优选的技术方案中，步骤(2)中，各物料的比例为，按摩尔比，温敏性单体∶步骤(1)所得表面修饰有RAFT试剂的磁性荧光纳米粒子∶牺牲RAFT试剂∶自由基引发剂＝100～1000∶0.1～1∶1∶0.1～3。

上述技术方案中，RAFT聚合的温度为60-80℃；RAFT聚合的时间至少为12小时，并且可以通过调整反应时间来控制单体的聚合度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.由于本发明首先采用硅源正硅酸四乙酯对磁性纳米粒子核进行包裹保护，避免了磁性纳米粒子在使用过程中团聚的发生，同时大大降低了磁性粒子对荧光的淬灭作用；

2.由于本发明采用在磁性氧化硅纳米粒子表面直接进行活性自由基接枝聚合(RAFT)，所得到的接枝聚合物末端带有荧光基团，且聚合物是通过共价链接在磁性纳米粒子的表面上，有利于磁性荧光双功能核壳结构纳米粒子在实际使用过程中保持结构及性能的稳定；

3.由于本发明采用温敏性N-异丙基丙烯酰胺为单体，得到的聚合物壳层在具有荧光性的同时还保持有温敏性。

4.由于本发明采用RAFT活性自由基聚合法，聚合物的分子量可以很方便地设计，从而可以可控的设计纳米粒子的表面性质，例如水力学半径，亲水性能等，可以根据实际需要很方便地对磁性荧光双功能核壳结构纳米粒子表面性能进行进一步的改性。

5.由于本发明采用生物相容性好的水溶性的N-异丙基丙烯酰胺为单体，合成出的磁性纳米粒子无毒或毒性很小，并可在水性环境中稳定分散。

附图说明

图1、实施例中Fe₃O₄@SiO₂-BCBD(a)和Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM(b)的红外对比图；

图2、实施例中牺牲RAFT试剂(BCBD)存在下，溶液中聚合物分子量及分子量分布与单体总量转化率的关系图；

图3、实施例中Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM嵌段聚合苯乙烯后表面聚合物P(NIPAM)-b-P(Styene)的核磁谱图；

图4、实施例中Fe₃O₄(A)、Fe₃O₄@SiO₂(B)和Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM(C)的透射电镜照片；

图5、实施例中磁性纳米粒子Fe₃O₄(a)，Fe₃O₄@SiO₂(b)和Fe₃O₄@SiO₂(c)的XRD谱图；

图6、实施例中Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM在外磁场影响前(A)后(B)的照片；

图7、实施例中Fe₃O₄(内图)、Fe₃O₄@SiO₂(a)和Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM(b)的磁滞回线图；

图8、实施例中磁性纳米四氧化三铁表面修饰前后的荧光发射谱图；激发波长为294nm，图中曲线分别代表：纯溶剂THF(a)，牺牲RAFT试剂BCBD(b，4×10^-5M)，磁性荧光纳米粒子Fe₃O₄@SiO₂-BCBD(c，0.4mg/mL)，BCBD存在下聚合得到的Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM(d，0.4mg/mL)和没有BCBD参与聚合所得到的Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM(e，0.4mg/mL)；

图9、实施例中磁性荧光双功能温敏性纳米粒子在不同温度下的DLS测试粒径变化图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

1、所用的化学试剂：

四水合氯化亚铁(FeCl₂·4H₂O)，六水合高氯化铁(FeCl₃·6H₂O)，氨水(NH₃，25％)，正硅酸四乙酯(TEOS)，咔唑(99％)，二硫化碳(CS₂)，氢氧化钾(KOH)，甲苯，异丙醇，二甲亚砜(DMSO)，均为分析纯级，国药集团化学试剂有限公司；苯乙烯，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)(97％)TCI公司；偶氮二异丁腈(AIBN)化学纯，上海试剂有限公司；4-氯甲基苯基三甲氧基硅烷，分析纯，(95％)ABCR公司；四氢呋喃(THF)，乙醇，丙酮，分析纯，江苏强盛化工有限公司。

2、测试仪器及条件

凝胶渗透色谱仪：美国沃特斯公司(Waters)1515型GPC；

测定条件：HR1，HR3和HR4三柱串联使用，示差检测器，流动相为N，N-二甲基甲酰胺(1ml/min)，柱温30℃，用聚苯乙烯标样做校正；

傅立叶红外光谱仪：美国赛默飞世尔公司(Thermo Fisher Scientific)Nicolet-6700型；

透射电子显微镜镜：美国FEI公司TecnaiG220型；

核磁共振波谱仪：美国Varian公司Inova-400MHz型；

X射线衍射仪：荷兰帕纳科(PANalytical)公司；

荧光分光光度计：美国珀金埃尔默仪(PerkinElmer)公司LS-50B型；

动态光散射仪：英国马尔文(Malvern)4700型DLS；

实施例一：磁性纳米粒子表面RAFT试剂的固定

采用共沉淀法合成磁性Fe₃O₄纳米粒子，然后用

法水解正硅酸四乙酯对磁性Fe₃O₄纳米粒子进行包裹，形成Fe₃O₄@SiO₂的核壳结构。

取1.0g Fe₃O₄@SiO₂纳米粒子于20mL除水干燥的甲苯中，95℃下加入0.5mL 4-氯甲基苯基三甲氧基硅烷，通氩气20min后回流24h，离心收集。用大量甲苯、丙酮多次超声分散一离心洗涤，氯甲基化的产物Fe₃O₄@SiO₂-Cl于室温下真空干燥，待用。

在溶解有0.13g KOH的DMSO(20mL)溶液中，加入0.39g咔唑，搅拌1h后，缓慢滴加0.2mL C₂S，所得红色溶液室温下搅拌12h后，将上一步氯甲基化产物Fe₃O₄@SiO₂-Cl(0.80g)加入，继续在室温下搅拌两天。离心收集。用体积比为1∶1的乙醇/水的混合溶剂洗两遍，再用丙酮洗2遍。所得修饰有二硫代酯的产物Fe₃O₄@SiO₂-BCBD于室温下真空干燥，待用。

实施例二：N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为单体合成具有磁性荧光双功能的温敏性纳米粒子。

取单体(NIPAM)0.5g，Fe₃O₄@SiO₂-BCBD 100mg(～0.014mmol RAFT)，牺牲RAFT试剂(BCBD)2.7mg，AIBN 0.21mg，异丙醇2.5mL于5ml安培瓶中，置换法通Ar气将体系中氧气排出，密封安培瓶并置于恒定温度(60℃)下的油浴中按预定的时间进行反应(12～70h)；

反应结束后，取出封管，立即用冷水冷却，打开封管，用四氢呋喃溶解稀释然后分散-离心4次，上层清液倒入石油醚中沉淀，所得聚合物进行GPC表征；同时收集得到具有荧光和磁性双功能的温敏性纳米粒子(Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM)。

从图1可以看出，在接枝聚合NIPAM之后，NIPAM的羰基跟甲基吸收峰变得很明显，可以定性的判断出来，表明NIPAM已成功地通过RAFT方法接枝到磁性纳米粒子Fe₃O₄@SiO₂上。由图2可以看出，溶液中的“牺牲”聚合物的分子量(M_n，GPC)随着单体转化率的增长而增长(从13500g/mol到17500g/mol)，分子量分布指数(M_w/M_n)均在1.35以下，说明聚合呈现活性可控增长的特征。为了进一步表征聚合的活性特征，继续以Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM为大分子RAFT试剂，在苯乙烯本体中进行聚合，通过将无机粒子部分(Fe₃O₄@SiO₂)刻蚀掉，得到的接枝聚合物进行核磁表征。从图3的¹H NMR谱图中我们可以分别找到聚(N-异丙基丙烯酰胺)跟聚苯乙烯结构中各种氢的归属，从而可以证明，RAFT法接枝聚合N-异丙基丙烯酰胺后得到的接枝聚合物可以继续引发聚合，仍然具有“活性”，因而可以根据实际需要再接上指定功能的嵌段聚合物。

从图4的透射电镜图中可以看出，Fe₃O₄(A)纳米粒子经过SiO₂包裹后的复合纳米粒子Fe₃O₄@SiO₂(B)尺寸明显变大，并呈现球状(纳米粒子直径～80nm)。在聚合之后，在充分借助超声分散以及大量聚合物良溶剂的充分洗涤后，所得到的粒子外部明显包裹上一层“共价键”连接的聚合物(纳米粒子直径～100nm)。

结合图5a的特征峰位置及信号强弱，根据数据库资料(JCPDS(JointCommittee on Powder Diffraction Standards)No.86-1354)，我们可以断定，所合成的磁性纳米粒子Fe₃O₄为高结晶的立方晶体结构。对磁性粒子进行SiO₂包裹之后，如图5b，Fe₃O₄的特征峰变得很弱，18°-28°属于无定形SiO₂的特征峰，说明合成的SiO₂粒子球里面含有磁性粒子，这一步的包裹是很成功的。进一步修饰(表面接枝聚合)之后，如图5c，依然可以看见较弱的Fe₃O₄特征峰，说明聚合过程对磁源并无破坏。

所得到得磁性和荧光纳米粒子的磁性能还可很直观地从图6中看出。Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM纳米粒子在外磁场作用下被吸附到一起，说明最终合成的有机/无机纳米粒子将“磁性”成功的保留了下来。

图7是对Fe₃O₄、Fe₃O₄@SiO₂(a)和Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM(b)的磁性性能进行的VSM表征，从图中我们可以看出，无论是Fe₃O₄，还是SiO₂包裹、表面接枝聚合之后的纳米粒子都体现出很好的超顺磁性能。

由图8我们可以看出，修饰有咔唑官能团的RAFT纳米粒子，以及无论是否有牺牲RAFT试剂BCBD的参与下进行聚合所得到的纳米粒子，都具有较明显的荧光，并且最大发射波长与小分子RAFT试剂(BCBD)的最大发射波长基本一致，表明通过在磁性纳米粒子表面修饰荧光的RAFT试剂并且用其作为链转移剂参与RAFT聚合，可以成功地制备温敏性的磁性荧光纳米粒子。

从图9我们可以看出，随着温度的升高，纳米粒子Fe₃O₄@SiO₂-PNIPAM在水中的粒径存在一个明显的变小过程(从240nm到145nm)，在35℃以后基本维持在一个尺寸(大约145nm)，这个现象充分说明了N-异丙基丙烯酰胺成功得接枝到了纳米粒子的表面，并由于NIPAM本身的温敏性(大于32℃的情况下，聚合物链段在水中的溶解性变差，从而坍塌收缩)，使得整个粒子的尺寸在一定的温度变化范围内表现出对温度的敏感性。

Claims (5)

1.一种磁性荧光双功能温敏性纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用常规方法制备磁性纳米粒子核，然后用

法水解正硅酸四乙酯对磁性纳米粒子进行包裹一层二氧化硅层；采用氯甲基硅烷偶联剂对二氧化硅进行氯甲基化，然后利用包裹在纳米粒子表面上的苄基氯与咔唑及二硫化碳在氢氧化钾的二甲亚砜溶液中反应，得到表面修饰有RAFT试剂的磁性荧光纳米粒子，其中Z基团为荧光性的咔唑、R基团为带苄基的磁性氧化硅复合纳米粒子；

(2)以步骤(1)所得表面修饰有RAFT试剂的磁性荧光纳米粒子、温敏性单体、牺牲RAFT试剂及引发剂组成聚合体系，溶于溶剂中，进行可逆加成断裂链转移活性自由基聚合，分离后得到带有荧光末端基的聚合物壳、磁性氧化硅纳米粒子为核的磁性荧光双功能温敏性纳米粒子；

步骤(1)中，所述氯甲基硅烷偶联剂为4-氯甲基苯基三甲氧基硅烷；

步骤(2)中，所述温敏性单体为所有适用于RAFT聚合的单体，所述牺牲RAFT试剂为N-二硫代咔唑甲酸苄酯；所述引发剂为偶氮二异丁腈；所述溶剂选自：甲醇或异丙醇。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述温敏性单体选自：N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、丙烯酸-N，N-二甲胺基乙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸甲酯或苯乙烯中的一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，各物料的比例为，按摩尔比，温敏性单体：步骤(1)所得表面修饰有RAFT试剂的磁性荧光纳米粒子∶牺牲RAFT试剂∶自由基引发剂＝100～1000∶0.1～1∶1∶0.1～3。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，聚合的温度为60-80℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，聚合的时间至少为12小时。

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