CN102994071A

CN102994071A - 有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子及制备和应用

Info

Publication number: CN102994071A
Application number: CN2012104844429A
Authority: CN
Inventors: 赵强; 乔卫丽; 黄维; 刘淑娟; 曹运法
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明是一种有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子及制备和应用，该纳米粒子以磁性纳米粒子四氧化三铁为核，有机磷光染料通过硅氧烷的共价连接分布在二氧化硅纳米粒子的介孔结构中与粒子表面上，形成的有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子，粒径在50-100nm，为一种有机磷光染料包覆在二氧化硅内外表面的有机无机杂化结构，介孔的孔径在2-5nm。其中铱配合物由环金属配体、金属中心和含氨基的邻菲咯啉衍生物配体组成。利用上述铱配合物中的氨基连接异氰酸丙基三乙氧基硅氧烷，再通过硅氧烷的水解将铱配合物连接到介孔二氧化硅纳米粒子上。本发明中的磷光磁性介孔二氧化硅纳米粒子具有良好的物理和化学特性。

Description

有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子及制备和应用

技术领域

本发明属于发光磁性纳米材料技术领域。具体涉及以四氧化三铁为核二氧化硅为壳的核壳结构以及磷光铱配合物的有机/无机杂化纳米粒子的制备及其在生物成像中的应用。

背景技术

生物医学成像可以在分子、细胞水平进行疾病的分析和诊断，减少对健康细胞核组织的影响。纳米探针一般使用生物相容性的粒子能够将细胞内环境与有毒的成像剂隔离，成像剂被包覆在基质中可以防止成像剂受到来自细胞内环境的任何可能的干扰，纳米级的尺寸能够降低细胞的物理干扰，并且小尺寸能够提供快速的响应时间，不同的成像剂可以同时包覆于相同的粒子中，使利用比度法进行测量成为可能。所以利用生物相容性的纳米粒子运载合适的成像剂用于细胞成像，同时连接上靶向配体赋予其癌细胞靶向的功能具有重大的意义。

磁性纳米粒子是一类智能型的纳米磁性材料。既具有纳米材料所具有的性质如粒径小、比表面积大、偶联容量高，又具有磁响应性及超顺磁性。磁性纳米粒子由于独有的特性在医药中有着多种用途。其中最独特的特性是磁响应性。利用这一特性磁性纳米粒子用于药物载体、磁性分离和细胞的分选。还由于其可作为对比剂用于磁共振成像、作为热疗介质用于癌症热疗、并且可应用于磁力组织工程而引起研究者的广泛关注。具有独特特性的功能性纳米粒子的这些应用将更一步促进医药生物技术的发展。

在现有的纳米生物成像技术中，荧光染料因其简便与通用性而得到广泛应用。相比有机荧光，具有d⁶、d⁸和d¹⁰电子结构的磷光重金属配合物具有优异的光物理性质，如大的斯托克斯位移可以很容易区分激发和发射峰，能使用可见光进行激发，长的发射寿命有利于使用时间分辨技术有效地与背景荧光信号区分开以提高检测的信噪比和灵敏度等。

然而，大多数的金属配合物磷光成像剂由于疏水性和毒性很难进入细胞，实现成像功能。因此，有必要选择合适的纳米载体，运载金属配合物磷光成像剂，普遍性的实现金属配合物的生物成像功能。介孔纳米二氧化硅以其规则的介孔结构、尺寸可调、容易功能化、显著的生物相容性，以及光学上的透明性越来越多的受到人们的关注，成为一种有效的纳米载体。将金属配合物磷光成像剂通过介孔纳米二氧化硅的运载，有效的弥补了金属配合物磷光成像剂的不足，并将其独特的光学性质用在在细胞和生物体的成像中，因此有机/无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子的研究具有深远的科学意义和应用价值。

鉴于此，本发明的磷光重金属铱配合物与二氧化硅磁性纳米粒子杂化，从而制备出低毒、形貌规则、大小可控的磷光二氧化硅磁性纳米粒子，并探索其在生物成像上的应用，以及在药物载体、磁性分离和细胞的分选等方面的应用前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供磷光铱配合物的有机/无机杂化介孔二氧化硅磁性纳米粒子，给出它们的制备方法，并提出这类配合物在细胞标记、成像中的应用。利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观测纳米粒子的形貌，动态光散射检测其在水溶液中的粒径分布，热重分析测试杂化粒子中有机分子含量，紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱检测杂化纳米粒子的光物理性质。

技术方案：一种有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子，其特征在于以磁性纳米粒子四氧化三铁为核、有机磷光染料通过硅氧烷的共价连接分布在二氧化硅纳米粒子的介孔结构中与粒子表面上，形成的有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子孔径在2-5nm，粒径在50-100nm，为一种有机磷光染料包覆在二氧化硅内外表面的有机无机杂化结构。

该方法包括：1）磷光前躯体的制备；2）磷光前驱体和纳米二氧化硅磁性纳米粒子的杂化，具体如下：

1）磷光前驱体的制备：

其中

为具有以下结构的杂环化合物：

具体是将C^N配体与IrCl₃·3H₂O在3:1,v/v的2-乙氧基乙醇和水的混和溶剂中回流反应，反应完全后得到的二氯桥中间体与邻菲咯啉衍生物在2:1v/v的二氯甲烷与甲醇的混合溶剂中回流，然后加入六氟磷酸钾室温搅拌，将溶剂旋出，得的固体用柱层析方法分离，即得到上述铱配合物；

2）磷光前驱体和二氧化硅磁性纳米粒子的杂化：

通过硅氧烷连接有机磷光染料和核-壳结构的二氧化硅磁性纳米粒子，即在N₂保护条件下，铱配合物与异氰酸丙基三乙氧基硅氧烷在四氢呋喃中80-100℃反应24-72小时。将得到的铱配合物硅烷与以四氧化三铁为核的二氧化硅磁性纳米粒子在去离子水中混合，室温搅拌3-5小时，用乙醇反复洗去未连接上的铱配合物硅烷和异氰酸丙基三乙氧基硅烷，即得到核-壳结构的二氧化硅磁性纳米粒子。

有益效果：通过核磁共振（NMR）、色质联机（GCMS）、基质辅助激光解析时间飞行质谱（MALDI-TOF-MS）等表征铱配合物材料及中间体的结构，利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观测纳米粒子的形貌，动态光散射检测其在水溶液中的粒径分布，热重分析测试杂化粒子中有机分子含量，利用紫外吸收光谱、荧光发射光谱检测纳米粒子的光物理性质。

本发明以四氧化三铁作为磁性的核，利用铱配合物发光，通过介孔纳米二氧化硅粒子的运载，实现铱配合物的水溶性，从而实现在细胞成像、药物载体、磁性分离和细胞的分选等方面的应用。

附图说明

图1、本发明中有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子的核壳结构图。

图2、本发明中合成的磷光铱配合物的紫外-可见光光谱图。

图3、本发明中合成的磷光铱配合物的荧光发射光谱图。

图4、本发明中合成的磷光铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子的荧光发射光谱图。

图5、本发明中合成的磷光铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子的扫描电镜照片如图4a和透射电镜照片如图4b。

图6、本发明中合成的磷光铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子的动态光散射图。

图7、本发明中合成的磷光铱配合物二氧化硅磁性纳米粒子的活细胞成像图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体的实例来进一步说明本发明的技术方案。但这些实施实例并不限制本发明。

实施例1：铱配合物（[Ir(thq)₂apt]⁺PF₆ ^-）的制备：

a.配体（thq）的合成：在三口瓶中加入2-硝基苯甲醛（3.8g，25mmo1），铁粉（10g，178.5mmo1）、85mL无水乙醇、85mL冰醋酸和45mL去离子水，回流反应半小时。反应结束后，抽滤，收集滤液用CH₂Cl₂萃取三次，有机相分别用饱和碳酸氢钠水溶液和去离子水洗涤三次，无水硫酸镁干燥，旋干得到黄色油状物邻氨基苯甲醛。产率70%。然后，在5.7g邻氨基苯甲醛中加入5.9g二乙酰基噻吩、2.8g NaOH、40mL乙醇，回流，过夜。反应结束后冷却过滤，所得粗产物用乙醇重结晶，得到白色针状晶体，产率为70%。

b.噻吩喹啉二氯桥（Ir(thq)₂）的合成：称取噻吩喹啉（thq）3.3mmol，IrCl₃·3H₂O 1.4mmol于反应瓶中，加入2-乙氧基乙醇和水的混合物（3:1,v/v），100-120℃氮气氛围搅拌，反应24小时左右。将反应体系冷却至室温，然后将沉淀过滤，并用水、乙醇反复冲洗，得到固体产物为铱二氯桥化合物。

c.5-氨基-1,10-邻菲咯啉（apt）的制备：将1.0g 5-硝基-1,10-邻菲咯啉溶解在30ml无水乙醇中，加入0.2g 5% Pd/C催化剂，在氮气保护下加热到70℃，然后逐滴加入10ml无水乙醇与10ml水合肼混合液，回流反应5h。反应完成后，让其冷却至室温，过滤掉Pd/C催化剂，用乙醇洗涤数次。将滤液蒸去大部分乙醇，冷却，析出黄色固体,抽滤,干燥,得黄色固体（0.67g，76%）。¹H NMR(400MHz,CDCl₃)9.21(d,1H),8.95(d,1H),8.28(d,1H),7.99(d,1H),7.66(dd,1H),7.52(dd,1H),6.9(s,1H),4.3(s,2H)。

d.称取铱二氯桥化合物0.15mmol和5-氨基-1,10-邻菲咯啉（apt）0.375mmol加入到反应瓶中，再加入15mL CH₂Cl₂和甲醇的混合溶剂（2:1,v/v），磁搅拌下回流。3-5小时后，降至室温，加入5倍当量的六氟磷酸钾（KPF₆），继续搅拌约1小时后，减压旋蒸除去溶剂，将所得固体混合物再溶于约10mL的CH₂Cl₂中，将不溶物过滤除去，滤液减压旋蒸除去溶剂后所得固体用柱层析（二氯甲烷/丙酮）分离得到纯品。产率67%。¹H NMR(400MHz,CDCl₃):δ=6.35(s,2H),6.85(s,1H),6.92(d,2H),7.17-7.21(m,4H),7.37-7.41(t,2H),7.54-7.59(m,4H),7.77-7.87(m,4H),7.98-8.07(m,4H),8.31(d,1H),8.71(d,1H);MS(Maldi-tof)[m/z]:808.375(M-PF₆)，理论值：807.986(M-PF₆)。

实施例2：本发明提出的铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子制备路线如下：

在N₂保护条件下，铱配合物与异氰酸丙基三乙氧基硅氧烷在四氢呋喃中80-100℃反应24-72小时。3mL四氧化三铁的氯仿溶液加入到10mL含0.2g十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的水溶液中，65℃搅拌20min，得到Fe₃O₄/CTAB。称取0.05g CTAB，溶解在86mL去离子水中，加入0.7mL 2M的氢氧化钠溶液，室温搅拌。然后将10mL Fe₃O₄/CTAB加入其中，80℃加热，将铱配合物硅烷和1.35mL正硅酸乙酯（TEoS）的混合物逐滴加入其中，搅拌2h。粗产物用去离子水洗三次，室温下干燥。为除去CTAB模板，80μL盐酸加入到40mL乙醇中，混合物在60℃下搅拌3h。乙醇洗，水洗几次。

实施例3：磷光铱配合物的紫外-可见光光谱测试：测试开始之前，先配℃置20μM的铱配合物的二氯甲烷溶液。然后在两个比色皿中各移入2mL二氯甲烷溶剂，扫描基线。待基线扫描完成后，移出样品池中比色皿里的溶剂，加入2mL铱配合物溶液，扫描铱配合物溶液的紫外-可见吸收曲线测得铱配合物的紫外-可见光光谱图，如图1。

实施例4：磷光铱配合物的荧光发射光谱测试：测试开始之前，先配置20μM的铱配合物的二氯甲烷溶液，移取2mL铱配合物溶液于荧光比色皿中，在598nm处明显观察到铱配合物的发射峰，于是测得铱配合物的荧光发射光谱图，如图2。

实施例5：磷光铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子的荧光发射光谱测试：配置2mg/mL的配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子的水溶液，移取2mL该纳米粒子溶液于荧光比色皿中，可以看到在铱配合物的发光位置，即598nm处，有明显的发射峰。由此证明磷光铱配合物已接在二氧化硅磁性纳米粒子上。测得磷光铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子的荧光发射光谱图，如图3。

实施例6：磷光铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子的动态光散射图：进行测试之前，先配置2mg/mL的铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子水溶液，然后移取2mL该纳米粒子溶液于荧光比色皿中，测得动态光散射图，如图5。实验数据说明本发明中制备的磷光铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子在去离子水中分散性好，粒径集中在80±10nm，适合于做细胞成像实验。

实施例7：铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子的活细胞成像实验，如图6。采用1mL的细胞培养液配制2mg的铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子，浓度为2mg/mL。取100μL稀释至成像所需浓度：100μg/mL。分别取2mL溶液孵育细胞8小时后用PBS缓冲液清洗细胞3-5次，用405nm波长激发细胞共聚焦成像，Z扫描。测试数据表明：铱配合物杂化二氧化硅磁性纳米粒子具有良好的细胞穿透性，分布在细胞质区域。

Claims

1.一种有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子，其特征在于该纳米粒子以磁性纳米粒子四氧化三铁为核，有机磷光染料通过硅氧烷的共价连接分布在二氧化硅纳米粒子的介孔结构中与粒子表面上，形成的有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子，粒径在50-100nm，为一种有机磷光染料包覆在二氧化硅内外表面的有机无机杂化结构，介孔的孔径在2-5nm。

2.按照权利要求1所述的有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子，其特征在于，连接有机磷光染料与二氧化硅纳米粒子的硅氧烷是异氰酸丙基三乙氧基硅氧烷。

3.一种如权利要求1所述的有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子的制备方法，其特征在于该方法包括：1）磷光前躯体的制备；2）磷光前驱体和纳米二氧化硅磁性纳米粒子的杂化，具体如下：

1）磷光前驱体的制备：

其中为具有以下结构的杂环化合物：

2）磷光前驱体和二氧化硅磁性纳米粒子的杂化：

通过硅氧烷连接有机磷光染料和核-壳结构的二氧化硅磁性纳米粒子，即将铱配合物与异氰酸丙基三乙氧基硅氧烷在四氢呋喃中80-100℃反应24-72小时，将得到的铱配合物硅烷与以四氧化三铁为核的二氧化硅磁性纳米粒子在去离子水中混合，室温搅拌3-5小时，用乙醇反复洗去未连接上的铱配合物硅烷和异氰酸丙基三乙氧基硅烷，即得到核-壳结构的二氧化硅磁性纳米粒子。

4.一种如权利要求3所述的有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子的制备方法，其特征在于，用乙醇和盐酸的混合溶液洗去该磁性纳米粒子中的表面活性剂将得到有机无机杂化磷光介孔二氧化硅磁性纳米粒子。

5.一种如权利要求1所述的有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子的应用，其特征在于，该有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子应用于生物成像中。

6.一种如权利要求1和2所述的有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子的应用，其特征在于该有机无机杂化磷光二氧化硅磁性纳米粒子可应用于生物分离和生物医学领域，如细胞分离、核磁共振成像、药物靶向。