CN104017129B - 一种温度和pH双重响应的荧光功能聚合物纳米微球、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

一种温度和pH双重响应的荧光功能聚合物纳米微球及其制备方法，属于高分子材料领域。该方法首先合成一种复合传统荧光分子A的乳液微球，以其为种子，采用种子乳液聚合的方法，将具有温度和pH响应功能的聚合物引入到微球的壳层，制备出具有温度和pH双重响应功能的核壳结构乳液微球。进而将具有AIE特性的荧光分子B复合微球的壳层中，得到同时具有温度和pH双重响应的荧光功能聚合物纳米微球。由于纳米微球对温度和pH展现不同的荧光响应性质，使其在微观荧光纳米温度计、肿瘤细胞和组织检测、药物缓释等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种温度和pH双重响应的荧光功能聚合物纳米微球、制备方法及应用

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种温度和pH双重响应的荧光功能聚合物纳米微球、制备方法及在微观温度和pH双重检测方面的应用。

背景技术

刺激响应性聚合物材料是指可以适应周围的环境，并根据局部环境的变化而改变和转换它们的化学或物理性质并产生一定执行能力的聚合物。最近几年，刺激响应性聚合物纳米微球由于具有尺寸小，对外界环境刺激响应快速的特点而受到研究人员的广泛关注，在药物缓释、疾病诊断、组织工程、智能光学材料、生物传感与分离、微电子器件、涂料和纺织业等领域都有着广泛的应用。在目前所报道的关于响应性聚合物材料的研究工作中，基于温度响应性聚合物聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)及其共聚物所构筑的响应性微观体系的研究备受关注，成为一个研究热点。

荧光技术作为一种快速、稳定、敏感的检测技术，一直以来在物质检测、材料分析、光学材料制备等领域被人们广泛的使用。而一些具有共轭结构的有机分子由于其具有较高的荧光效率，稳定的荧光性质，引起了研究者们的研究兴趣，并在传感器件、有机光学材料、太阳能电池等领域发挥着重要的作用。

近几年，具有聚集诱导发光AIE(Aggregation-inducedemission)增强性质的荧光分子受到人们极大的关注。它们与传统的荧光材料如有机染料、稀土配合物、荧光蛋白和聚合物分子的最大区别是：在稀溶液和良溶剂中基本没有荧光发射，而在其劣溶剂或浓度较高的聚集态下呈现出很强的荧光发射。而传统的荧光材料在浓溶液或者薄膜时，由于分子聚集态结构导致激子荧光淬灭，导致荧光性能变差，使其应用性受到很大限制。AIE分子的这种荧光特性主要是由于在浓溶液或者固态薄膜等状态下，分子内转动受到限制导致的。将传统的荧光分子和具有AIE性质的荧光分子分别复合在核壳结构纳米微球中，两种不同性质的荧光分子分别在微球的内核和壳层组装，制备出多重响应的荧光功能聚合物纳米微球。这种荧光纳米微球既保留了聚合物响应性质，又结合了这种AIE性质荧光分子的优异发光特性，同时又提高了这类荧光分子在水环境中的可应用性。这种荧光性质智能响应的聚合物纳米微球材料，将在光学器件、生物纳米材料、微型纳米传感器等领域具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种温度和pH双重响应的荧光功能聚合物纳米微球、制备方法及其在微观温度和pH双重检测方面的应用。

该方法首先合成一种复合传统荧光分子1的乳液微球，以其为种子，采用种子乳液聚合的方法，将具有温度和pH响应功能的聚合物引入到微球的壳层，制备出具有温度和pH双重响应功能的核壳结构乳液微球。进而将具有AIE特性的荧光分子B复合微球的壳层中，得到同时具有温度和pH双重响应的荧光功能聚合物纳米微球。温度响应方面，随着环境温度的升高，纳米微球核层荧光分子1和壳层AIE性质的荧光分子B的荧光强度同时逐渐下降，并在较宽的温度范围内(10-80℃)呈现线性可控变化，获得温敏性质。pH响应方面，由于壳层引入了pH响应性的聚合物，随环境pH变化，复合在壳层的荧光分子B与聚合物的作用受到环境pH的调控，其荧光受到影响而发生变化，而组装在核内的荧光分子1的荧光性质不受pH的影响，保持荧光性质不变。聚合物纳米微球壳层在酸性到碱性的不同pH值条件下呈现不同的荧光强度和荧光颜色，获得pH智能响应特性。由于纳米微球对温度和pH展现不同的荧光响应性质，使其在微观荧光纳米温度计、pH检测器件、药物缓释等领域具有广阔的应用前景。

本发明所述的具有温度和pH双重响应的纳米微球的制备方法，其步骤如下：

(1)称取2-8mmol的温敏性聚合单体1溶解于100-200mL的去离子水中，再加入20-50mmol的聚合单体2，1×10^-6-3×10^-6mol荧光分子1，室温和氮气保护下，机械搅拌50-80min，以除去体系中的空气，然后逐渐升温至60-70℃，加入5-15mL含0.3-0.6mmol引发剂的水溶液于体系中，引发聚合，反应在氮气保护下进行10-24h结束；得到的含荧光分子1的种子微球通过高速离心除去未聚合的单体、引发剂等杂质，产物溶解于50-100mL去离子水中待用；

(2)将步骤(1)得到的聚合物微球继续进行种子乳液聚合：向步骤(1)得到的聚合物种子微球溶液中加入10-40mmol的温敏性聚合单体1和1-5mmol的pH响应性聚合单体3，室温和氮气保护下，机械搅拌50-80min，以除去体系中的空气，然后逐渐升温至70-90℃，加入15mL含0.5–1.5mmol引发剂的水溶液于体系中，引发聚合，反应在氮气保护下进行12-24h结束，得到的核壳纳米微球通过高速离心除去未聚合的单体、引发剂等杂质，产物溶解于50-100mL去离子水中待用；

(3)量取10-20mL步骤(2)得到的核壳纳米微球，称取2-10μmolAIE型的荧光分子放入核壳纳米微球乳液中，在30-40℃和氮气保护的条件下，磁力搅拌反应3-8h；通过高速离心处理，除去未复合上的荧光分子，获得AIE分子复合的荧光功能聚合物核壳纳米微球；将得到的荧光纳米微球溶于20-50mL的去离子水中。

上述方法中，温敏性聚合单体1是N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、乙烯己内酰胺(VCL)或N，N-二乙基丙烯酰胺(DEAM)；

上述方法中，引发剂过硫酸钾(K₂S₂O₈)、过硫酸铵((NH₄)₂S₂O₈)、过硼酸钠(NaBO₃·4H₂O)、过硫酸钠(Na₂S₂O₈)或偶氮二异丁腈(AIBN)；

上述方法中，聚合单体2是苯乙烯(St)、氟代苯乙烯(F-St)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)或甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)；

上述方法中，荧光分子1是稀土铕的配合物[Eu(TTA)₃Phen]、碲化镉纳米晶(CdTe)、罗丹明B(RhB)、金纳米簇(Aucluster)；

上述方法中，pH响应性聚合单体3是丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MA)、甲基丙烯酸钠(NaMA)或甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)；

上述方法中，AIE型的荧光分子是溴化(N，N，N-三乙基-3-(4-(1，2-二苯基-2-(4-(2-三乙基胺)乙氧基)乙烯基)乙烯基)苯基)丙基胺(TAPE)、溴化2，2’，2”-(4，4’，4”-(2-(4-(3-s三乙胺)丙基)苯基)1，1，2-三苯基乙烯基三氧)三(N，N，N-三乙基乙胺)(TTAPE)或六苯基噻咯(HPS)、硅杂环戊二烯(Silacyclopentadiene)、1，1–二[对-(二乙基氨基甲基)苯]-2，3，4，5-硅杂环戊二烯(A₂HPS)、3-(4-(1，2-二苯基-2-(4-磺基乙氧基)苯基)乙烯基)丙基-1-磺酸钠(TPE)。

本发明具有如下优点：1、这种荧光功能纳米微球的荧光性质具有温度和pH双重响应功能。即随着环境温度的升高或降低，聚合物纳米微球核和壳层复合的荧光分子的荧光强度分别发生线性地减弱或增强；而随着环境pH的变化，复合在微球核和壳层的荧光分子的荧光性质发生差异性变化，具有智能的响应变化。2、该响应性荧光纳米微球的尺寸小可在100-500纳米调控，适合应用于微纳尺寸级别的检测；3、所制备的温度和pH双重响应荧光纳米微球温度响应范围2℃-80℃，pH响应范围4.0-7.6；4、温度和pH双重响应荧光纳米微球在较宽温度和生理环境的pH范围内具有很好的响应功能，是一种新型的微观温度和pH双重检测功能的光学器件。

附图说明

图1：为实施例1制备的EuPS/PNIPAM-PAA/TAPE核壳结构纳米微球的扫描电镜照片；纳米微球粒径均匀大约为252nm，具有良好的伸缩性。

图2：为实施例1制备的EuPS/PNIPAM-PAA/TAPE核壳纳米微球在10℃～80℃荧光变化谱图；微球在波长468nm和613nm处具有优良的荧光发射性能，不同温度下荧光强度区分明显，随温度升高，两种荧光强度均逐渐降低，具有温敏性质。

图3：为实施例1制备的EuPS/PNIPAM-PAA/TAPE核壳纳米微球在20℃～50℃温度范围内613nm与468nm处最大荧光强度的比值随温度发生线性变化曲线。表明分子刷薄膜的荧光性质具有温度智能响应性。

图4：为实施例1制备的EuPS/PNIPAM-PAA/TAPE核壳纳米微球在pH＝4-7.6范围内荧光变化谱图。内核的荧光分子不随环境pH值的变化而变化，壳层的AIE型荧光分子随环境的pH变化而变化。表明纳米微球的荧光性质随pH变化灵敏，具有良好的pH响应功能。

具体实施方式

实施例1：

(1)称取.4.42mmol的NIPAM单体溶解于185mL去离子水中，加入到500mL的三颈瓶中，加入1.4×10^-6mol的稀土配合物Eu(TTA)₃Phen，5mL的苯乙烯(St)，室温和氮气保护下，机械搅拌(400rpm)30min，然后逐渐升温至70℃，加入15mL含引发剂过硫酸钾(KPS)0.3mmol的水溶液于体系中，引发聚合。反应进行12h结束。得到的含Eu(TTA)₃Phen的种子聚合物微球通过高速离心除去液相未聚合的单体、引发剂等杂质，产物溶解于100mL去离子水中待用。

(2)将步骤(1)得到的聚合物微球继续进行种子乳液聚合，向步骤(1)得到的聚合物种子微球溶液中加入40mmolNIPAM，3mmol的AA，室温和氮气保护下，机械搅拌(300rpm)30min，然后逐渐升温至70℃，加入15mL含引发剂过硫酸钾(KPS)0.3mmol的水溶液于体系中，引发聚合。反应进行12h结束。得到含Eu(TTA)₃Phen的核壳结构聚合物纳米微球。通过高速离心除去液相未聚合的单体、引发剂等杂质，溶解于100mL去离子水中待用。

(3)量取10mL步骤(2)得到的EuPS/PNIPAM-PAA纳米微球倒入100mL的三颈瓶中，接着，称取微量的TAPE分子5.2μmol放入核壳纳米微球乳液中，在35℃，氮气保护的条件下，磁力搅拌反应3h。通过高速离心处理，除去液相未复合的TAPE分子，获得复合荧光分子TAPE和Eu(TTA)₃Phen的双荧光功能的核壳纳米微球。将得到的荧光纳米微球溶于25mL水中。

实施例2：

(1)称取5mmol的VCL单体溶解于190mL去离子水中，加入到500mL的三颈瓶中，加入2×10^-6mol的RhB，5mL的苯乙烯(St)，室温下在氮气保护下，机械搅拌(400rpm)30min，逐渐升温至70℃，加入10mL含引发剂过硫酸铵(APS)0.3mmol的水溶液于体系中，引发聚合。反应进行12h结束。得到的含RhB的聚合物种子微球。通过高速离心除去液相未聚合的单体、引发剂等杂质，产物溶解于100mL去离子水中待用。

(2)将步骤(1)得到的聚合物微球继续进行种子乳液聚合，向步骤(1)得到的聚合物种子微球溶液中加入40mmolVCL，3.2mmol的MAA，室温下在氮气保护下，机械搅拌(300rpm)30min，然后逐渐升温至70℃，加入15mL含引发剂过硫酸铵(APS)0.6mmol的水溶液于体系中，引发聚合。反应进行12h结束。得到含RhB的核壳纳米微球。通过高速离心除去未聚合的单体、引发剂等杂质，产物溶解于100mL去离子水中待用。

(3)量取10mL步骤(2)得到的RhB-PS/PVCL-PMAA纳米微球倒入100mL的三颈瓶中，接着，称取微量的d-TPE分子5.2μmol放入核壳纳米微球乳液中，在35℃，氮气保护的条件下，磁力搅拌反应5h。通过高速离心处理，除去未复合上的TTAPE分子，获得复合荧光分子TTAPE和RhB的双荧光核壳纳米微球。将得到的荧光纳米微球溶于30mL水中。

实施例3：

(1)称取5mmol的NVC单体溶解于100mL去离子水中，加入到500mL的三颈瓶中，加入1.5×10^-6mol的CdTe，5mL的氟代苯乙烯(F-St)，室温下在氮气保护下，机械搅拌(400rpm)30min，以除去体系中的空气，然后逐渐升温至70℃，加入10mL含引发剂过硫酸钠(Na₂S₂O₈)0.3mmol的水溶液于体系中，引发聚合。反应在氮气保护下进行12h结束。得到含CdTe的聚合物种子微球。通过高速离心除去液相未聚合的单体、引发剂等杂质，产物溶解于100mL去离子水中待用。

(2)将步骤(1)得到的聚合物微球继续进行种子乳液聚合，向步骤(1)得到的聚合物种子微球溶液中加入45mmolNVC，3.5mmol的MAA，室温和氮气保护下，机械搅拌(300rpm)30min，然后逐渐升温至70℃，加入15mL含引发剂过硫酸钠(Na₂S₂O₈)0.6mmol的水溶液于体系中，引发聚合。反应进行12h结束。得到含CdTe的核壳纳米微球。通过高速离心除去液相未聚合的单体、引发剂等杂质，溶解于100mL去离子水中待用。

(3)量取10mL步骤(2)得到的CdTe-PFS/PNVC-PMAA纳米微球倒入100mL的三颈瓶中，接着，称取微量的d-TPE分子5.2μmol放入核壳纳米微球乳液中，在35℃，氮气保护的条件下，磁力搅拌反应5h。通过高速离心处理，除去液相未复合的HPS分子，获得HPS分子和CdTe复合的双荧光核壳纳米微球。将得到的荧光纳米微球溶于350mL水中。

Claims (5)

1.一种温度和pH双重响应的纳米微球的制备方法，其步骤如下：

(1)称取2-8mmol的温敏性聚合单体1溶解于100-200mL的去离子水中，再加入20-50mmol的聚合单体2和1×10^-6-3×10^-6mol的荧光分子1，室温和氮气保护下，机械搅拌50-80min，以除去体系中的空气，然后逐渐升温至60-70℃，加入5-15mL含0.3-0.6mmol引发剂的水溶液引发聚合，反应在氮气保护下进行10-24h；得到的含荧光分子1的种子微球通过高速离心除去未聚合的单体、引发剂，产物溶解于50-100mL去离子水中；

(2)向步骤(1)得到的聚合物种子微球溶液中加入10-40mmol温敏性聚合单体1和1-5mmolpH响应性聚合单体3，室温和氮气保护下，机械搅拌50-80min，以除去体系中的空气，然后逐渐升温至70-90℃，加入15mL含0.5–1.5mmol引发剂的水溶液引发聚合，反应在氮气保护下进行12-24h，得到的核壳纳米微球通过高速离心除去未聚合的单体、引发剂，产物溶解于50-100mL去离子水中；

(3)量取10-20mL步骤(2)得到的核壳纳米微球，称取2-10μmolAIE型荧光分子放入核壳纳米微球乳液中，在30-40℃和氮气保护的条件下，磁力搅拌反应3-8h；通过高速离心处理，除去未复合上的荧光分子，获得AIE型荧光分子复合的荧光功能聚合物核壳纳米微球，将得到的核壳纳米微球溶于20-50mL的去离子水中；

其中，温敏性聚合单体1是N-异丙基丙烯酰胺、乙烯己内酰胺或N，N-二乙基丙烯酰胺；

聚合单体2是苯乙烯、氟代苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸缩水甘油酯；

荧光分子1是稀土铕的配合物Eu(TTA)₃Phen、碲化镉纳米晶、罗丹明或金纳米簇；

pH响应性聚合单体3是丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸钠或甲基丙烯酸二甲氨基乙酯。

2.如权利要求1所述的一种温度和pH双重响应的纳米微球的制备方法，其特征在于：引发剂是过硫酸钾、过硫酸铵、过硼酸钠、过硫酸钠或偶氮二异丁腈。

3.如权利要求1所述的一种温度和pH双重响应的纳米微球的制备方法，其特征在于：AIE型荧光分子是溴化(N，N，N-三乙基-3-(4-(1，2-二苯基-2-(4-(2-三乙基胺)乙氧基)乙烯基)乙烯基)苯基)丙基胺、溴化2，2’，2”-(4，4’，4”-(2-(4-(3-s三乙胺)丙基)苯基)1，1，2-三苯基乙烯基三氧)三(N，N，N-三乙基乙胺)、六苯基噻咯、硅杂环戊二烯、1，1–二[对-(二乙基氨基甲基)苯]-2，3，4，5-硅杂环戊二烯或3-(4-(1，2-二苯基-2-(4-磺基乙氧基)苯基)乙烯基)丙基-1-磺酸钠。

4.一种温度和pH双重响应的纳米微球，其特征在于：由权利要求1～3所述的任一方法制备得到。

5.权利要求4所述的一种温度和pH双重响应的纳米微球在微观温度和pH双重检测方面的应用。