CN103343001A

CN103343001A - 一种pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法

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Publication number: CN103343001A
Application number: CN2013102869820A
Authority: CN
Inventors: 唐丽荣; 黄彪; 李涛; 卢麒麟; 陈学榕
Original assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Current assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明公开了一种pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法，包括以下步骤：（1）氨基酸与纳米纤维素发生酯化反应；（2）在碱性条件下，脱去保护基，得到氨基酸酯化纳米纤维素；（3）以氨基酸作为连接臂，将纳米纤维素与羧基荧光素分子连接，制得pH荧光响应性纳米纤维素。本发明以氨基酸作为连接臂，可以有效地实现纳米纤维素与荧光素的连接，可避免使荧光素与纤维素分子相距太近而发生荧光淬灭，制备方法简单、成本低、条件温和。所制备的pH荧光响应性纳米纤维素发光性稳定，且具有较好的光响应性，可应用于药物缓释系统、光学生物成像和荧光示踪等生物医学领域。

Description

一种pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法

技术领域

本发明属于纤维素改性领域，具体涉及一种pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法。

背景技术

荧光分析技术作为一种高灵敏度、高选择性的分析方法，目前在药物分析、疾病诊断、细胞成像和荧光示踪等生物医学领域的应用十分广泛。但天然纤维素本身不含荧光基团，因此对纤维素进行荧光标记。常用的荧光标记物主要包括有机染料（如异硫氰酸荧光素、罗丹明类染料、菁染料、噻嗪类和噁嗪类近红外荧光染料及二氟化硼-二吡咯甲烷（BODIPY）荧光染料等）、荧光蛋白及荧光量子点等。但是由于荧光素通常具有较大的平面共轭结构，直接标记在纤维素上容易发生荧光淬灭，故需要在荧光素与纤维素分子间设计一种连接臂，该连接臂一端与荧光素连接，另一端可以与纤维素连接，这样就可以避免使荧光素与纤维素分子相距太近。氨基酸链长较为适中，能够满足连接臂链长要求，而且大多数氨基酸都同时含有羧基和氨基，能与荧光素羧基或巯基发生链接反应，然后再通过氨基酸羧基与纤维素分子连接，从而有效地实现了荧光试剂与纤维素之间的连接。本发明所述的制备方法简单、成本低、条件温和，可制得发光性稳定，pH响应性良好的荧光纳米纤维素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法，本发明以氨基酸作为连接臂，可以有效地实现纳米纤维素与荧光素的连接，可避免使荧光素与纤维素分子相距太近而发生荧光淬灭，制备方法简单、成本低、条件温和。所制备的pH荧光响应性纳米纤维素发光性稳定，且具有较好的光响应性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法包括以下步骤：

（1）氨基酸与纳米纤维素（根据专利“应用酸性阳离子交换树脂制备纳米晶体纤维素I的方法（ZL201010123122.1）”制备得到）发生酯化反应；

（2）在碱性条件下，脱去保护基，得到氨基酸酯化纳米纤维素；

（3）以氨基酸作为连接臂，将纳米纤维素与羧基荧光素分子连接，制得pH荧光响应性纳米纤维素。

步骤（1）的具体工艺为：纳米纤维素与氨基酸在有机溶剂中发生酯化反应，以4-二甲氨基吡啶（DMAP）作为催化剂，1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl）为活化剂，芴甲氧羰酰氯（Fmoc-Cl）为氨基保护剂，制得通式（I）的酯化纳米纤维素：

Figure 2013102869820100002DEST_PATH_IMAGE002

；其中R为氨基酸的侧链，所述的氨基酸为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、丝氨酸中的一种，用量为纳米纤维素质量的1~2倍，所述的有机溶剂为N, N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲酰胺或二甲基亚砜（DMSO）。

步骤（2）的具体工艺为：将步骤（1）的酯化纳米纤维素在体积分数为10~20%的哌啶/N, N-二甲基甲酰胺溶液中搅拌10~25 min，得到通式（II）的氨基酸酯化纳米纤维素：

Figure 2013102869820100002DEST_PATH_IMAGE004

。

步骤（3）的具体工艺为：将步骤（2）的氨基酸酯化纳米纤维素分散于溶剂中，加入羧基荧光素，N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和N,N’-二环己基碳二亚胺（DCC），于室温下避光磁力搅拌反应10~24 h，反应完成后，多次离心、洗涤脱去未反应试剂，纯化后制得通式（III）的pH荧光响应性纳米纤维素：

Figure 2013102869820100002DEST_PATH_IMAGE006

；其中R₁和R₂分别选取氯基或乙酸基，所述的N-羟基琥珀酰亚胺和N,N’-二环己基碳二亚胺的用量是氨基酸酯化纳米纤维素质量的3~5倍，所述的溶剂为N, N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲酰胺或二甲基亚砜（DMSO），所述的羧基荧光素为5(6)-羧基-2’,7’-二氯荧光素：

Figure 2013102869820100002DEST_PATH_IMAGE008

或2', 7'-二-(2-羧乙基)-5(6)-羧基荧光素：

。

本发明的显著优点在于：以氨基酸作为连接臂，可以有效地实现纳米纤维素与荧光素的连接，可避免使荧光素与纤维素分子相距太近而发生荧光淬灭，制备方法简单、成本低、条件温和。所制备的pH荧光响应性纳米纤维素发光性稳定，且具有较好的pH响应性。

附图说明

图1为本发明实施例1中纳米纤维素、氨基酸酯化纳米纤维素和所制得的pH荧光响应性纳米纤维素的X射线光电子能谱图。

图2为本发明实施例1中所制得的pH荧光响应性纳米纤维素在不同pH值溶液中的荧光光谱图。

图3为本发明实施例1中所制得的pH荧光响应性纳米纤维素在不同浓度时的荧光光谱图。

具体实施方式

实施例1

称取1 g 纳米纤维素干燥样品，0.08 g 4-二甲氨基吡啶（DMAP），1.5 g亮氨酸，1.25 g 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl），0.75 g芴甲氧羰酰氯（Fmoc-Cl），加入50 mL N, N-二甲基甲酰胺将反应物混合均匀，于室温下磁力搅拌反应15 h。反应完成后，在9000 rpm转速下离心脱去液体，然后先用去离子水多次洗涤留下的固体样品，再用乙醇溶液洗涤两次，得到Fmoc保护氨基纤维素样品。为脱去Fmoc保护，将Fmoc保护氨基纳米纤维素样品分散于20 mL 20 %（v/v）的哌啶/DMF溶液，搅拌20 min即可脱除Fmoc，得到氨基酸酯化纳米纤维素，在-53 °C真空冷冻干燥样品。

再称取0.1 g制备的氨基酸酯化纳米纤维素，0.01 g 5(6)-羧基-2’,7’-二氯荧光素（CDCF），0.5 g N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和0.5 g N,N’-二环己基碳二亚胺（DCC），分散于50 mL DMF中，于室温下避光磁力搅拌反应15 h。反应完成后，多次离心、洗涤脱去未反应试剂，用紫外-可见分光光度计（UV-vis）在270 nm处检测离心上清液，直至在此波长下无吸收，说明已完全脱除未反应CDCF，纯化后样品即为具有pH荧光响应性的纳米纤维素，X射线光电子能谱图（XPS）如图1所示。图2和图3所示分别为pH荧光响应性纳米纤维素在不同pH和浓度条件下的荧光光谱图。

实施例2

称取1 g 纳米纤维素干燥样品，0.08 g 4-二甲氨基吡啶（DMAP），1.5 g缬氨酸，1.25 g 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl），0.75 g芴甲氧羰酰氯（Fmoc-Cl），加入50 mL N, N-二甲基甲酰胺将反应物混合均匀，于室温下磁力搅拌反应15 h。反应完成后，在9000 rpm转速下离心脱去液体，然后先用去离子水多次洗涤留下的固体样品，再用乙醇溶液洗涤两次，得到Fmoc保护氨基纤维素样品。为脱去Fmoc保护，将Fmoc保护氨基纳米纤维素样品分散于20 mL 20 % （v/v）的哌啶/DMF溶液，搅拌20 min即可脱除Fmoc，得到氨基酸酯化纳米纤维素，在-53℃真空冷冻干燥样品。

再称取0.1 g制备的氨基酸酯化纳米纤维素，0.01 g 5(6)-羧基-2’,7’-二氯荧光素（CDCF），0.5 g N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和0.5 g N,N’-二环己基碳二亚胺（DCC），分散于50 mL DMF中，于室温下避光磁力搅拌反应15 h。反应完成后，多次离心、洗涤脱去未反应试剂，用紫外-可见分光光度计（UV-vis）在270 nm处检测离心上清液，直至在此波长下无吸收，说明已完全脱除未反应CDCF，纯化后样品即为具有pH荧光响应性的纳米纤维素。

实施例3

称取1 g 纳米纤维素干燥样品，0.08 g 4-二甲氨基吡啶（DMAP），1.0 g亮氨酸，1.25 g 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl），0.75 g芴甲氧羰酰氯（Fmoc-Cl），加入50 mL N, N-二甲基甲酰胺将反应物混合均匀，于室温下磁力搅拌反应15 h。反应完成后，在9000 rpm转速下离心脱去液体，然后先用去离子水多次洗涤留下的固体样品，再用乙醇溶液洗涤两次，得到Fmoc保护氨基纤维素样品。为脱去Fmoc保护，将Fmoc保护氨基纳米纤维素样品分散于20 mL 20 % （v/v）的哌啶/DMF溶液，搅拌20 min即可脱除Fmoc，得到氨基酸酯化纳米纤维素，在-53℃真空冷冻干燥样品。

再称取0.1 g制备的氨基酸酯化纳米纤维素，0.01 g 2', 7'-二-(2-羧乙基)-5(6)-羧基荧光素，0.5 g N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和0.5 g N,N’-二环己基碳二亚胺（DCC），分散于50 mL二甲基亚砜（DMSO）中，于室温下避光磁力搅拌反应15 h。反应完成后，多次离心、洗涤脱去未反应试剂，纯化后样品即为具有pH荧光响应性的纳米纤维素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）氨基酸与纳米纤维素发生酯化反应；

2.根据权利要求1所述的pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法，其特征在于：步骤（1）的具体工艺为：纳米纤维素与氨基酸在有机溶剂中发生酯化反应，以4-二甲氨基吡啶作为催化剂，1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐为活化剂，芴甲氧羰酰氯为氨基保护剂，制得通式（I）的酯化纳米纤维素：

Figure 2013102869820100001DEST_PATH_IMAGE002

；其中Fmoc为氨基保护剂，结构式为；R为氨基酸的侧链，所述的氨基酸为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、丝氨酸中的一种，用量为纳米纤维素质量的1~2倍，所述的有机溶剂为N, N-二甲基甲酰胺、甲酰胺或二甲基亚砜。

3.根据权利要求1所述的pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法，其特征在于：步骤（2）的具体工艺为：将步骤（1）的酯化纳米纤维素在体积分数为10~20%的哌啶/N, N-二甲基甲酰胺溶液中搅拌10~25 min，得到通式（II）的氨基酸酯化纳米纤维素：。

4.根据权利要求1所述的pH荧光响应性纳米纤维素的制备方法，其特征在于：步骤（3）的具体工艺为：将步骤（2）的氨基酸酯化纳米纤维素分散于溶剂中，加入羧基荧光素，N-羟基琥珀酰亚胺和N,N’-二环己基碳二亚胺，于室温下避光磁力搅拌反应10~24 h，反应完成后，多次离心、洗涤脱去未反应试剂，纯化后制得通式（III）的pH荧光响应性纳米纤维素：

；其中R₁和R₂分别选取氯基或乙酸基，所述的N-羟基琥珀酰亚胺和N,N’-二环己基碳二亚胺的用量是氨基酸酯化纳米纤维素质量的3~5倍，所述的溶剂为N, N-二甲基甲酰胺、甲酰胺或二甲基亚砜，所述的羧基荧光素为5(6)-羧基-2’,7’-二氯荧光素或2', 7'-二-(2-羧乙基)-5(6)-羧基荧光素。

5.一种如权利要求1所述的方法制得的pH荧光响应性纳米纤维素。

6.一种如权利要求1所述的方法制得的pH荧光响应性纳米纤维素的应用，其特征在于：所述的pH荧光响应性纳米纤维素应用于药物缓释系统、光学生物成像和荧光示踪。