CN104140489A - 一种两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子及其制备方法。其以甲基丙烯酸甲酯，可聚合型绿色荧光染料、可聚合型光致变色化合物为单体，正十六烷为疏水物，聚氧化乙烯大分子链转移试剂为表面活性剂，采用一步可逆加成-断裂链转移（RAFT）细乳液聚合法制备了一种新型两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子。该两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子能在可见光和紫外光照射下发射出肉眼可见的强烈的绿色或红色荧光，并具有快速的光响应能力和良好的多次荧光可逆开关性能。该两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子将在细胞成像、生物分析和光学存储等领域具有很大的应用前景。

Description

一种两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体地说，涉及在紫外光和可见光照射下具有荧光可逆开关性能的两亲性光开光荧光聚合物纳米粒子及其制备方法。 

背景技术

近年来，光开关荧光材料在超高分辨率细胞成像、复杂生物体系标记和超高密度光学数据存储应用领域受到了越来越多的关注。例如，基于螺吡喃衍生物、二芳基乙烯类衍生物等的光开关荧光材料的光学可擦写重复性较好，且制作成本较低，为低成本的光学超高密度存储技术提供了新的可能。在另一方面，相对于常规荧光探针而言，具备光开关荧光特征的探针材料在细胞成像领域有着独到的优势，这些探针材料所具有的荧光“开”和“关”的特征可以使研究者们快速地分辨出哪些信号来自探针材料，哪些信号来自于细胞自身的背景荧光干扰。并且这种独特的荧光开关性质可进一步应用于最新的远场荧光显微镜超高分辨率细胞成像技术，可以突破现有荧光成像技术所受到的衍射极限对分辨率（~250nm）的影响，实现在纳米尺度下观察细胞生理活动。 

在各种光开关荧光材料的开发与研究中，在水相中具有光控荧光开关特性的无机或有机纳米材料研究是目前重要的发展趋势。光开关荧光纳米材料（粒子）通常是通过将一种荧光染料和相应能级匹配（使两者间能发生荧光共振能量转移）的光致变色化合物（如螺吡喃衍生物、二芳基乙烯类衍生物等）按一定比例通过包埋、吸附、共价键连接等方式引入无机或有机聚合物纳米粒子中，所形成的一系列在不同光诱导下可实现对粒子荧光进行多次可逆开关的纳米粒子。与传统的光开关荧光有机分子二色体或三色体相比，光开关荧光纳米粒子具有以下多个优点：（1）更高的亮度和光稳定性；（2）更好的水分散性和生物相容性；（3）可对纳米粒子大小及功能化进行精确控制。这些使光开关荧光的纳米粒子在生物医学各个领域具有非常重要的应用价值。 

当前，制备光开关荧光纳米材料的方法有溶胶凝胶法、嵌段共聚物自组装法、微/细乳液法，以及纳米粒子表面修饰法等。然而，在此这些现有的制备方法中，溶胶凝胶法合成条件苛刻，且重复性不好；纳米粒子表面修饰法和嵌段共聚物自组装法需要复杂的制备过程，不利于大规模的制备和商品化生产；而常规的微/细乳液法需要使用普通的离子型或非离子型表面活性剂，在复杂的生理环境中会出现因表面活性剂的迁移或聚集所导致的不稳定性。因此，发展一种更加简单快速，高效稳定的新型光开关荧光纳米粒子制备方法无疑具有非常重要的现实意义和应用前景。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有荧光可逆开关性能的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子的制备方法，该方法采用一步RAFT细乳液聚合方法，将可聚合型荧光染料和可聚合型光致变色化合物以共价键结合进聚合物纳米粒子中，得到在水中稳定分散、尺寸较小的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子，进一步检测表明，该类新型荧光聚合物纳米粒子在紫外光和可见光交替照射下具有多次荧光可逆开关性能，具有合成便捷、结构和光稳定性好、粒径较小、无需要使用其它表面活性剂和分散剂、光响应速度快、可逆光开关循环性能良好等优点。 

  

本发明的目的是通过下述方式实现的：一种具有荧光可逆开关性能的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

（1）将甲基丙烯酸甲酯、可聚合型绿色荧光染料、可聚合型光致变色化合物、正十六烷、偶氮二异丁腈按质量比1：0.004~0.010：0.01~0.05：0.05：0.012混合成溶液；

（2）将聚氧化乙烯大分子链转移试剂配成浓度为0.0050~0.0100g/mL的水溶液；

（3）将步骤（1）和步骤（2）中配制的溶液混合，混合物中甲基丙烯酸甲酯和聚氧化乙烯大分子链转移试剂的质量比为1：0.1~0.2，搅拌15~20分钟，以形成预乳液；

（4）将步骤（3）中形成的预乳液在650W功率超声波细胞粉碎仪中超声处理，频率为20Hz，时间为15分钟，完成后形成均匀的细乳液；

（5）将步骤（4）中所形成的细乳液通氮气除氧30分钟，并升温到75℃，反应7小时，即可得到所需的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子。

所述的步聚（1）中的可聚合型绿色荧光染料为2,6-二乙基-8-(4-(甲基丙烯酰氧基）苯基)-1,3,5,7-四甲基-氟硼二甲川（BDPMA），其结构如下： 

所述的步骤（1）中的可聚合型光致变色化合物为甲基丙烯酸乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚啉螺吡喃酯（SPMA），其结构式如下：

所述步骤（2）中的聚氧化乙烯大分子链转移剂的结构如下式所示：

  n=44。

本发明中，依据荧光共振能量转移(FRET)原理，并采用便捷的一步RAFT细乳液聚合方法成功地将可聚合型荧光染料和可聚合型光致变色化合物结合进单个的聚合物纳米粒子中，制得一系列稳定、尺寸较小（80nm左右）的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子。本发明所使用的聚氧化乙烯大分子链转移试剂可同时作为该RAFT细乳液聚合反应的可聚合非离子型表面活性剂，可有效避免使用常规离子型表面活性剂所带来的如迁移、聚集等不足，大大提高所制备的聚合物纳米粒子在各种复杂生理环境下的稳定性。并且由于聚合物基质给荧光团和光致变色基团提供了良好的疏水环境，因此大大增强了疏水荧光染料在水中的荧光亮度和光致变色基团的光响应速度，而可聚合型荧光染料和可聚合型光致变色化合物的选用也进一步提高了所制备的光开关荧光聚合物纳米粒子的光稳定性，是一类在生物识别与成像领域和高密度光学存储领域有着重要的应用意义的新材料。 

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

附图说明

图1为两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子的光开关荧光原理示意图，图1中可以看到纳米粒子样品在紫外光和可见光的交替照射下发射出具有明显差别的红色或绿色荧光。 

图2为实施例1所制得的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子用激光粒度分析仪测得的粒径分布图。 

图3为实施例1所制得的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子分别在302nm紫外光照射下和525nm可见光照射下的吸收光谱的变化图。 

图4为实施例1所制得的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子分别在302nm紫外光的照射下和525nm可见光的照射下的荧光发射光谱的变化图。激发波长为500nm。 

图5为实施例1所制得的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子在302nm紫外光照射不同时间下的荧光强度变化图。 

图6为实施例1所制得的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子在302nm紫外光照射后，再经525nm可见光照射不同时间下的荧光强度恢复图。 

图7为实施例1所制得的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子在302nm紫外光和525nm可见光交替照射下的可逆开关荧光循环图。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于此。

实施例1：一步RAFT细乳液聚合制备两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子。 

（1）将0.5g甲基丙烯酸甲酯、0.003g 2,6-二乙基-8-(4-(甲基丙烯酰氧基）苯基-1,3,5,7-四甲基-氟硼二甲川（BDPMA）、0.015g甲基丙烯酸乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚啉螺吡喃酯（SPMA）、0.025g正十六烷、0.006g偶氮二异丁腈混合搅拌均匀后分散在10ml浓度为0.0075g/mL的聚氧化乙烯大分子链转移剂的水溶液中，超声乳化至形成稳定均匀的细乳液，75℃下反应7小时后即得到这种两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子。 

实施例2：测试实施例1中制备的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子样品的粒径大小与分布。 

具体测试的仪器为Malvern Nano-ZS90激光粒度分析仪，测试浓度为固含量0.3wt%，测试温度为25oC。 

图2为实施例1中制备的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子样品的粒径大小及分布图，结果表明所制备的荧光聚合物纳米粒子样品的平均粒径为80nm，粒径分布较窄。 

实施例3：测试实施例1中制备的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子样品的紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱。

具体测试的仪器为：Shimadzu UV-2501PC 紫外-可见吸收光谱仪、Shimadzu RF-5301PC荧光光谱仪，测试浓度为固含量0.3wt%，测试温度为25oC。 

（一）                                        紫外-可见吸收光谱 

图3为实施例1中制备的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子样品在300nm至700nm区间内的紫外-可见吸收光谱图。从图3中可以看出，当在525nm可见光（功率2W，下同）的照射下，样品在525nm处出现了BDPMA对应的吸收峰，在560nm处几乎没有SPMA对应的吸收峰；在302nm紫外光（功率12W，下同）的照射下，样品在525nm和560nm处出现了分别与BDPMA和SPMA对应的吸收峰。上述结果表明这两种染料已经成功结合进聚合物纳米粒子中。

（二）                                        荧光发射光谱 

图4为实施例1中制备的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子样品在500nm激发下，在500-650nm区间的荧光发射光谱图。从图4中可以看出，在302nm紫外光的照射下，BDPMA在550nm处的荧光强度相比于经525nm可见光照射时的荧光强度降低了96.8%（相当于能量转移效率E值），这表明BDPMA和SPMA之间发生了有效的FRET。在FRET作用下，通过利用紫外光和可见光对所制备样品的交替照射，可以实现对两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子的荧光发射信号多次可逆开关调控。 

实施例4：选择实施例1中制备的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子样品进行光响应测试。 

具体为，取稀释到固含量为0.3wt%的样品3mL至石英比色皿中，在302nm紫外灯的照射下，每隔一定时间测试其荧光发射曲线，结果如图5所示。然后在525nm可见光灯的照射下，每隔一定时间测试其荧光发射曲线，结果如图6所示。从图5和图6中可以看出，该纳米粒子在紫外光照射下，仅需要5分钟，其在550nm处的荧光强度就下降至最低，而在可见光照射下，20分钟后其在550nm处的荧光强度就能基本恢复。因此，该两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子具有较快的光响应速度。 

实施例5：选择实施例1中制备的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子样品进行光开关循环测试。 

具体为，取稀释到固含量为0.3wt%的样品3mL至石英比色皿中，在302nm紫外灯和525nm可见光灯的多次交替照射后分别测试其在550nm处的荧光强度，结果如图7所示，图7表明该纳米粒子经六次光开关循环测试后仍具有较好的抗疲劳性能。 

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明所做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将甲基丙烯酸甲酯、可聚合型绿色荧光染料、可聚合型光致变色化合物、正十六烷、偶氮二异丁腈按质量比为1：0.004~0.010：0.01~0.05：0.05：0.012混合成溶液；

（2）将聚氧化乙烯大分子链转移试剂配成浓度为0.005~0.010g/mL的水溶液；

（3）将步骤（1）和步骤（2）中配制的溶液混合，混合物中甲基丙烯酸甲酯和聚氧化乙烯大分子链转移试剂的质量比为1：0.1~0.2，搅拌15~20分钟，以形成均匀的预乳液；

（4）将步骤（3）中形成的预乳液在功率为650W的超声波细胞粉碎仪中进行超声乳化，频率为20Hz，时间为15分钟，完成后形成均匀的细乳液；

（5）将步骤（4）中所形成的细乳液通氮气除氧30分钟，并升温到75℃，反应7小时，即可得到所需的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子。

2.根据权利要求1中所述的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的可聚合型绿色荧光染料为2,6-二乙基-8-(4-(甲基丙烯酰氧基）苯基)-1,3,5,7-四甲基-氟硼二甲川。

3.根据权利要求1中所述的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的可聚合型光致变色化合物为甲基丙烯酸乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚啉螺吡喃酯。

4.根据权利要求1中所述的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中的聚氧化乙烯大分子链转移试剂。

5.一种如权利要求1所述的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子的制备方法制备的两亲性光开关荧光聚合物纳米粒子。