CN101792514A - 一种核壳结构的磁性荧光双功能纳米粒子的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核壳结构的磁性荧光双功能纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：(1)使用常规方法制备磁性纳米粒子核，然后采用常规方法获得表面氨基化的磁性纳米复合颗粒；采用溴代烷基酰溴与磁性纳米复合颗粒表面的氨基反应，得到修饰了引发剂的磁性纳米粒子；(2)以步骤(1)所得引发剂、荧光单体、催化剂、配体和还原剂组成聚合体系，溶于溶剂中，进行电子活化再生原子转移自由基聚合得到由荧光聚合物构成的外壳，从而得到具有核壳结构的磁性荧光双功能纳米粒子；由于本发明采用荧光单体直接进行活性自由基聚合，所得到的接枝荧光聚合物壳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性能稳定。

Description

一种核壳结构的磁性荧光双功能纳米粒子的制备方法

技术领域

本发明涉及一种核壳结构的磁性荧光双功能纳米粒子的制备方法，具体涉及一种使用AGET ATRP(ATRP using Activators Generated by ElectronTransfer，通过电子转移生成催化剂的原子转移自由基聚合)活性自由基聚合方法可控地制备磁性荧光双功能纳米粒子的方法。

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。

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，一种核壳结构的磁性荧光双功能纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

(1)使用常规方法制备磁性纳米粒子核，然后采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)通过硅烷化反应以化学键的方式结合磁性纳米粒子核，获得表面氨基化的磁性纳米复合颗粒；采用溴代烷基酰溴与磁性纳米复合颗粒表面的氨基反应以酰胺的方式连接，得到修饰了引发剂的磁性纳米粒子；

上述技术方案中，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)通过硅烷化反应以化学键的方式结合磁性纳米粒子核，获得表面氨基化的磁性纳米复合颗粒的方法为现有技术，可参见文献：①冯斌.任志强.屈晶苗.洪若瑜.李洪钟.魏东光.3-氨丙基三乙氧基硅烷表面修饰的磁性Fe₃O₄纳米粒子合成与表征.化工新型材料2008 36(12)；②Yamaura，M.；Camilo，R.L.；Sampaio，L.C.；Macedo，M.A.；Nakamura，M.；Toma，H.E.J.Magn.Magn.Mater.2004，279，210-217；

(2)以步骤(1)所得引发剂、荧光单体、催化剂、配体和还原剂组成聚合体系，溶于溶剂中，进行电子活化再生原子转移自由基聚合(AGET ATRP)得到由荧光聚合物构成的外壳，从而得到具有核壳结构的磁性荧光双功能纳米粒子；

上述技术方案中，步骤(1)中，所述溴代烷基酰溴选自：2-溴代丙酰溴或2-溴代异丁酰溴；溴代烷基酰溴与氨基反应形成酰胺的方法属于本领域技术人员公知的现有技术；步骤(1)所得引发剂为表面上修饰了2-溴代烷基酰胺的磁性纳米粒子；

上述技术方案中，步骤(2)中，所述荧光单体选自：苯乙烯基咔唑或丙烯酸-2-萘酯；所述催化剂选自：六水合高氯化铁FeCl₃·6H₂O或溴化铁FeBr₃中的一种；所述配体选自：三(3，6-二氧庚基)胺(TDA-1)或者三苯基磷(PPh₃)中的一种；所述还原剂选自：维生素C或者葡萄糖中的一种；所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。

优选的技术方案中，步骤(2)中，各物料的比例为，按摩尔比，荧光单体∶引发剂∶催化剂∶配体∶还原剂＝100～1000∶1～10∶1～3∶1～6∶1～6。

上述技术方案中，AGET ATRP聚合的温度为90～120℃；AGET ATRP聚合的时间至少为100分钟，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.由于本发明采用硅源3-氨丙基三乙氧基硅烷对磁性纳米粒子核进行包裹保护；采用荧光单体直接进行活性自由基聚合，所得到的接枝荧光聚合物壳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性能稳定。

2.由于本发明采用AGET ATRP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，例如荧光性能，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。

3.由于本发明采用生物相容性好以及毒性小的铁盐为催化剂，合成出的磁性纳米粒子无毒或毒性很小；

4.由于本发明所采用的AGET ATRP方法可以在空气氛围下进行且所使用的催化剂为高氧化态的三价铁盐在空气氛围下稳定，因而该合成过程操作简单、方便有利于工业化生产。

附图说明

图1、实施例中磁性纳米粒子Fe₃O₄(a)和Fe₃O₄@PVBK的XRD谱图；

图2、实施例二所得Fe₃O₄@PVBK在外磁场影响前(a)后(b)的照片；

图3、实施例中磁性Fe₃O₄纳米粒子表面修饰前后的荧光发射图谱，其中，曲线a代表Fe₃O₄@PVBK(1×10^-3g/ml)；曲线b代表MNPs@Br(1×10^-3g/ml)；曲线c代表DMF溶剂，激发波长为294nm。

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：

对氯甲基苯乙烯(VBC)，分子量为152.62g/mol，90％，Aldrich；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，分子量为73.28g/mol，分析纯，上海强顺化学试剂有限公司；2-溴代异丁酰溴，分子量为229.90g/mol，98％，Aldrich；3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)，分子量为221.37g/mol，97％，Alfa Aesar；咔唑，分子量为167.21g/mol，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；氢氧化钠(NaOH)，分子量为40.00，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；甲苯，分子量为92.14，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；二氯甲烷(DCM)，分子量为84.94，分析纯，常熟市杨园化工有限公司；三乙胺，分子量为101.19g/mol，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇，分子量为46.07g/mol，分析纯，上海强顺化学试剂有限公司；四氢呋喃(THF)，分子量为72.11g/mol，99％，江苏强盛化工有限公司；三氯甲烷，分子量为119.38g/mol，分析纯，常熟市杨园化工有限公司；六水合高氯化铁(FeCl₃.6H₂O)和抗坏血酸(VC)，分析纯，中国医药(集团)上海化学试剂公司；三-(3，6-二氧庚基)胺(TDA-1)，97％，浙江临海新华化工厂；甲醇，分析纯，常熟市杨园化学试剂有限公司。

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，流动相为四氢呋喃(1ml/min)，柱温30℃，用聚苯乙烯标样做校正。

实施例一：制备修饰了ATRP引发剂的磁性纳米粒子

1.91gFe₃O₄磁性纳米粒子(MNPs)用超声(20分钟)的方法分散在50mL除水的甲苯中，使其形成一种均匀分散的悬浮液；

然后加入6mL的APTES(0.025mol)，常温下搅拌12小时，得到APTES修饰的磁性纳米粒子，分别用乙醇和二氯甲烷洗涤4-5次，用磁铁分离，所制备的硅烷化的磁性纳米粒子用于下一步引发剂的修饰；

将上述APTES修饰的磁性纳米粒子分散于50mL的干燥过的二氯甲烷中(DCM)中，向其中加入6mL(0.042mol)的三乙胺，冰水浴至温度降至0℃后，在2小时内向其滴加5mL溴代异丁酰溴(0.039mol)，搅拌12小时。

上述实验过程均在氩气的保护下进行。反应完毕，用乙醇/水混合溶液(v/v，1∶1，pH＝4)洗涤两次，然后再用乙醇/水混合溶液(v/v，1∶1)洗涤两次，最后用乙醚洗涤两次，真空干燥(或者分散于DMF中)，磁性纳米粒子表面接上ATRP引发剂的量为(0.706mmol/g)。

实施例二：以苯乙烯咔唑(VBK)为单体合成具有荧光磁性的纳米粒子

取单体(VBK)200mg(7.1×10^-1mmol)，实施例一所得引发剂10mg(7.1×10^-3mmol)，催化剂(FeCl₃·6H₂O)7mg(2.6×10^-2mmol)，配体(TDA)16.5μL(5.2×10^-2mmol)，DMF2mL，维生素C 9mg(5.1×10^-2mmol)于5mL安培瓶中，在空气氛围下直接封管，将封管后的安瓿瓶置于恒定温度(90℃)下的油浴中按预定的时间进行反应(4～14h)。

反应结束后，取出封管，立即用冷水冷却，打开封管，用四氢呋喃溶解然后离心3～4次，最后用甲醇沉淀，得具有荧光和磁性的纳米粒子Fe₃O₄@PVBK，纳米粒子的平均粒径为130nm。

在磁性纳米粒子上接枝的荧光聚合物的分子量以及分布如表1所示。由表1可见，随着反应时间的延长，聚合物的接枝率以及分子量不断增长。说明可以通过控制AGET ATRP的反应时间来控制接枝聚合物的分子量。

表1.接枝聚合物的接枝率以及分子量与反应时间的关系

序号	反应时间(h)	转化率(％)	接枝率(％)	分子量(g/mol)	分子量分布
						1	4	2.4	49.3	7560	1.82
2	10	7.0	140.0	12340	1.97
						3	14	7.5	149.3	14900	1.81

采用铁盐催化的AGET ATRP方法合成出的磁性荧光双功能核壳结构的纳米粒子采用XRD、外加磁场以及荧光光谱手段进行了表征。由图1可见，磁性Fe₃O₄纳米粒子经聚苯乙烯基咔唑铁修饰后的XRD谱图，符合磁性Fe₃O₄纳米粒子的标准XRD谱图，由此可见采用AGET ATRP法接枝上荧光单体苯乙烯基咔唑(VBK)后不会改变原有的磁性Fe₃O₄纳米粒子的晶形结构，只不过由于磁性纳米粒子表面包覆一层聚合物后其各对应峰的强度有所降低。

纳米粒子的磁性能可以很方面地通过外加磁场的方法加以验证。图2是定性表明经PVBK修饰的Fe₃O₄纳米粒子在外磁场的作用前后的照片，表明经聚合物修饰后Fe₃O₄纳米粒子依然有很强的磁性，完全能在外磁场的作用下定向移动。图3是Fe₃O₄纳米粒子表面修饰前后的荧光发射图谱(激发波长为294nm，浓度均为1×10^-3g/ml)。从图中可以看出，采用该技术方案合成出的磁性荧光双功能纳米粒子除了图2所示的磁性能外还具有很强的荧光性能。

Claims (4)

1.一种核壳结构的磁性荧光双功能纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用常规方法制备磁性纳米粒子核，然后采用3-氨丙基三乙氧基硅烷通过硅烷化反应以化学键的方式结合磁性纳米粒子核，获得表面氨基化的磁性纳米复合颗粒；采用溴代烷基酰溴与磁性纳米复合颗粒表面的氨基反应以酰胺的方式连接，得到修饰了引发剂的磁性纳米粒子；

(2)以步骤(1)所得引发剂、荧光单体、催化剂、配体和还原剂组成聚合体系，溶于溶剂中，进行电子活化再生原子转移自由基聚合得到由荧光聚合物构成的外壳，从而得到具有核壳结构的磁性荧光双功能纳米粒子；

步骤(1)中，所述溴代烷基酰溴选自：2-溴代丙酰溴或2-溴代异丁酰溴；

步骤(2)中，所述荧光单体选自：苯乙烯基咔唑或丙烯酸-2-萘酯；所述催化剂选自：六水合高氯化铁或溴化铁中的一种；所述配体选自：三(3，6-二氧庚基)胺或者三苯基磷中的一种；所述还原剂选自：维生素C或者葡萄糖中的一种。

2.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，荧光单体∶引发剂∶催化剂∶配体∶还原剂＝100～1000∶1～10∶1～3∶1～6∶1～6。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，聚合的温度为90～120℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，聚合的时间至少为100分钟。

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