CN104448169B - 一种光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒如结构如式(I)所示的荧光碳纳米颗粒，(I)在(I)中，f‑CNP表示通过水热法制备的被接枝的荧光碳纳米颗粒；所述用于表面接枝的聚合物为光致异构分子与N‑异丙基丙烯酰胺的共聚物；所述碳纳米颗粒表面接枝共聚物的接枝密度为3‑10条共聚物链，接枝长度为每条链含50‑800个结构单元，其中x为0.9‑0.98，表示所述光致异构分子与N‑异丙基丙烯酰胺的比例为1:9‑1:49。本发明进一步涉及所述纳米颗粒的制备方法及其用途。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒，涉及其制备方法和用途。
技术背景：
荧光碳纳米颗粒是一种新型的碳纳米材料，它的发光性质和金属量子点、半导体量子点类似，具有发光性质更加稳定，低毒性，良好的生物相容性。有些荧光碳纳米颗粒还有上转换功能，所以荧光碳纳米颗粒在生物传感、医学成像等领域有广泛应用。碳纳米颗粒的制备方法有电化学法、燃烧法、水热法、酸氧化法、微波法、电弧放电法、激光刻蚀法等。由于水热法、酸氧化法、微波法制备的荧光碳纳米颗粒表面有大量的羟基，可以在表面修饰链转移剂，通过可逆加成-断裂链转移聚合来改性荧光碳纳米颗粒。在近年来出现的用表面引发聚合的方法来改性荧光碳纳米颗粒中，光信息存储材料用来改性荧光碳纳米颗粒研究的较多。有机光致变色材料在光信息存储中具有较好的潜在应用价值。目前，对光致变色的研究大都集中在螺吡喃、螺噁嗪、二芳基乙烯、俘精酸酐、偶氮类以及相关杂环化合物上。已经有利用光致异构结构单元对荧光碳纳米颗粒进行结构修饰，但是所制备的荧光开关纳米粒子虽然有很好的光调控性，但是只能溶于有些有机溶剂例如四氢呋喃，这样极大的限制了它的应用范围。
因此，为了扩大纳米粒子在生物标记上的应用，本发明提供了一种光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒，通过引入水溶性聚N-异丙基丙烯酰胺与光致异构结构单元共聚物，使得所制备的荧光碳纳米颗粒接枝聚合物不仅有良好的水溶性，而且具有光和温度的响应性。
发明内容
本发明提供了一种光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒，为在荧光碳纳米颗粒表面接枝水溶性N-异丙基丙烯酰胺与光致异构结构单元的共聚物，其结构如式(I)所示：
在(I)中，f-CNP表示通过水热法制备的被接枝的荧光碳纳米颗粒；所述用于表面接枝的聚合物为光致异构分子与N-异丙基丙烯酰胺的共聚物；所述碳纳米颗粒表面接枝共聚物的接枝密度为3-10条共聚物链，接枝长度为每条链含50-800个结构单元，其中x的范围为0.9-0.98，表示所述光致异构分子与N-异丙基丙烯酰胺单体单元的接枝比例为1:9-1:49。
其中所述光致异构分子为N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃。
将根据本发明的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒通过核磁、红外与荧光分光光谱仪进行表征，在1HNMR中，3.35ppm显示的是-CH2-S-中H的特征峰，而4.0ppm则代表的是N-异丙基丙烯酰胺上-CH-中H的特征峰，8.0ppm则是N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃中与硝基相邻的苯环上的H的特征峰。在FTIR中，1340cm-1处的峰是N-异丙基丙烯酰胺上–NO2特征峰，1264,1160and 1090cm-1处的峰则是N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃中C–O–C特征吸峰。
该纳米颗粒具有荧光开关行为，这可以通过荧光分光光谱仪进行表征。在紫外与可见光的照射下，所述上转换纳米颗粒的荧光可以在红光与蓝绿光之间进行开关。就是说，在紫外光照射后，420nm波长的光激发时，该纳米颗粒发红光(荧光发射波长范围为600-700nm)；而在可见光照射后，420nm波长的光激发时，红色荧光关闭，绿色荧光(荧光发射波长范围为450-600nm)开启。
该纳米颗粒具有温度响应行为，当温度由低温升高时，溶液逐渐变得浑浊，升至32℃后溶液变得完全浑浊。
本发明进一步涉及根据本发明的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取适量荧光碳纳米颗粒，用二氯甲烷溶解，配制成浓度为0.5-10mg/mL的荧光碳颗粒溶液；
(2)称取链转移剂、二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶，加入到上述碳颗粒溶液中，搅拌，使混合物在室温下反应7天；
(3)7天后，把(2)中反应物过滤，再将滤液旋转蒸干，所得到的固体溶解于适量的无水乙醇溶液中，将得到的溶液置于截留分子量为100-500D的透析袋中，在无水乙醇中透析48h,透析完毕后，将所得到的液体旋转蒸干，得到接枝了链转移剂而功能化的碳颗粒(也可称为荧光碳颗粒链转移剂)；
(4)称取步骤(3)中得到的荧光碳颗粒链转移剂、光致异构分子与N-异丙基丙烯酰胺和引发剂，置于烧瓶中，用无水乙醇溶解，在保护气体存在下，在55-90℃和无水无氧的条件下将(4)中溶液反应5-30h；
(5)反应完成后，将溶液旋干，得到固体，然后将所得固体物溶解于四氢呋喃溶剂；并将所得溶液滴入大量的正己烷中得沉淀物，将沉淀物反复纯化三次，最后将纯化的产品干燥，即得到一种光和温度双响应的荧光碳纳米颗粒接枝聚合物。
在步骤(2)中，所述链转移剂、二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶三者的摩尔比为1∶1∶0.1。
在步骤(4)中，荧光碳颗粒链转移剂用量为0.1-0.5重量份，光致异构分子用量为10-50重量份，N-异丙基丙烯酰胺用量为100-300重量份，引发剂用量为0.1-2重量份。例如，荧光碳颗粒链转移剂用量为0.1-0.5mg，光致异构分子与N-异丙基丙烯酰胺和引发剂三者投料质量分别为10-50mg、100-300mg和0.1-2mg。
根据本发明的方法得到的光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒为前述结构式(I)所示的纳米颗粒。
在所述方法中，所述荧光碳纳米颗粒为水热法碳化葡萄糖、纤维素、壳聚糖、EDTA.2Na、EDTA以及明胶制备的荧光碳纳米颗粒。
所述荧光碳纳米颗粒优选为水热法碳化EDTA.2Na制备的荧光碳纳米颗粒。
所述链转移剂有S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯和S,S′-对(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯。优选为S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯。
所述光致异构分子为N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃。
所述引发剂有偶氮二异丁腈，过氧化苯甲酰。优选偶氮二异丁腈。
所用的保护气体有氮气、氩气。优选氮气。
反应温度范围为55-90℃，优选反应温度为70℃。
反应时间为10-36h，优选20h。
根据本发明，在步骤(4)中，所述光致异构分子与N-异丙基丙烯酰胺的投料摩尔比为1:5-1:70，最佳投料摩尔比为1:27。
本发明进一步涉及根据本发明的共聚物修饰的光/温度双响应性的荧光碳纳米颗粒的用途。由于所述荧光碳纳米颗粒的水溶液有光/温度双响应性，因此，根据本发明的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒可用应于生物标记等领域。
利用本发明的光/温度双响应共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒的光/温响应传感器与其它光或温度响应传感器相比具有如下优势：(1)具有良好的水溶性；(2)基本上对生物组织和细胞没有毒性；(3)灵敏度高；(4)较好的抗干扰性。
在本文中，所用术语“共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒”指的是表面接枝共聚物的荧光碳纳米颗粒。
附图说明
图1为实施例3制备的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒的核磁图谱；其中3.35ppm显示的是-CH2-S-中H的特征峰，而4.0ppm则代表的是N-异丙基丙烯酰胺上-CH-中H的特征峰，8.0ppm则是N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃中与硝基相邻的苯环上的H的特征峰。
图2为实施例3制备的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒的荧光图谱；其中1340cm-1处的峰是N-异丙基丙烯酰胺上–NO2特征峰，1264,1160and 1090cm-1处的峰则是N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃中C–O–C特征吸峰。
图3为实施例3制备的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒水溶液的温度响应性图，由图可以看出当温度由低温升高时，溶液逐渐变得浑浊，升至32℃后溶液变得完全浑浊。
图4a和4b为实施例1制备的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒光响应性荧光图谱。
图5a和5b为实施例2制备的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒光响应性荧光图谱。
图6a和6b为实施例3制备的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒光响应性荧光图谱。
具体实施方式
下面结合非限制性的具体实施例进一步示例性地详细说明本发明。本发明实施例中所使用的试剂除荧光碳纳米颗粒(根据Liao B.et.al.,Carbon,2014,73,155–162所述制备)与N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃(根据Shiraishi,Y.,Miyamoto,R.,&Hirai,T.,Org.Lett.,2009；11,1571所述制备)是参照文献合成外，其余均可市购得到。S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯、N-异丙基丙烯酰胺、二环己基碳二亚胺(DCC)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)和偶氮二异丁腈(AIBN)购买于西格玛奥德里奇(Sigma-aldrich)。
实施例1：
称取荧光碳纳米颗粒100mg，用20mL二氯甲烷溶解，配制成5mg/mL的荧光碳纳米颗粒溶液；然后，称取50mg链转移剂S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯、50mg二环己基碳二亚胺(DCC)和5mg的4-二甲氨基吡啶(DMAP)，加入荧光碳纳米颗粒溶液中。室温下反应7天，7天后将反应物过滤，旋干，得到固体物，用乙醇溶解所得固体物，将溶解的乙醇溶液置于截留分子量为100-500D的透析袋中，在乙醇中透析48h后，将透析袋中的乙醇溶液旋干，即得碳颗粒链转移剂。
称取接S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯的荧光碳纳米颗粒15mg，N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃30mg，N-异丙基丙烯酰胺900mg，偶氮二异丁腈1mg，溶解于无水乙醇中，通过可逆加成-断裂链转移反应18h反应温度为60℃。之后将反应物蒸干得到固体，将固体溶解于四氢呋喃中，用大量的正己烷提纯，将纯化的产品干燥，即得到一种光和温度响应的荧光碳纳米颗粒接枝聚合物。图4为本实施例制备的荧光碳纳米颗粒接枝聚合物光响应性荧光图谱，其中图4a为SP状态下照射不同时间的365nm的紫外光的荧光图谱，图4b为在MC状态下照射不同时间的525nm光的荧光谱图，激发波长420nm。
实施例2：
称取荧光碳纳米颗粒100mg，用20mL二氯甲烷溶解，配制成5mg/mL的荧光碳纳米颗粒溶液；然后，称取50mg链转移剂S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯、50mg二环己基碳二亚胺(DCC)和5mg的4-二甲氨基吡啶(DMAP)，加入荧光碳纳米颗粒溶液中。室温下反应7天，7天后将反应物过滤，旋干，得到固体物，用乙醇溶解所得固体物，将溶解的乙醇溶液置于截留分子量为100-500D的透析袋中，在乙醇中透析48h后，将透析袋中的乙醇溶液旋干，即得碳颗粒链转移剂。
称取接S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯的荧光碳纳米颗粒15mg，N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃60mg，N-异丙基丙烯酰胺900mg，偶氮二异丁腈1mg，溶解于无水乙醇中，通过可逆加成-断裂链转移反应20h。之后将反应物蒸干得到固体，将固体溶解于四氢呋喃中，用大量的正己烷提纯，将纯化的产品干燥，即得到一种光和温度响应的荧光碳纳米颗粒接枝聚合物。图5为本实施例制备的荧光碳纳米颗粒接枝聚合物水溶液的光响应性荧光图谱，其中图5a为SP状态下照射不同时间的365nm的紫外光的荧光图谱；图5b为在MC状态下照射不同时间的525nm光的荧光谱图，激发波长420nm。
实施例3：
称取荧光碳纳米颗粒100mg，用20mL二氯甲烷溶解，配制成5mg/mL的荧光碳纳米颗粒溶液；然后，称取50mg链转移剂S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯、50mg二环己基碳二亚胺(DCC)和5mg的4-二甲氨基吡啶(DMAP)，加入荧光碳纳米颗粒溶液中。室温下反应7天，7天后将反应物过滤，旋干，得到固体物，用乙醇溶解所得固体物，将溶解的乙醇溶液置于截留分子量为100-500D的透析袋中，在乙醇中透析48h后，将透析袋中的乙醇溶液旋干，即得碳颗粒链转移剂。
称取接S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯的荧光碳纳米颗粒15mg，N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃120mg，N-异丙基丙烯酰胺900mg，偶氮二异丁腈1mg，溶解于无水乙醇中，通过可逆加成-断裂链转移反应20h。之后将反应物蒸干得到固体，将固体溶解于四氢呋喃中，用大量的正己烷提纯，将纯化的产品干燥，即得到一种光和温度响应的荧光碳纳米颗粒接枝聚合物。图6为本实施例制备的荧光碳纳米颗粒接枝聚合物光响应性荧光图谱，其中图6a为SP状态下照射不同时间的365nm的紫外光的荧光图谱；图6b为在MC状态下照射不同时间的525nm光的荧光谱图，激发波长420nm。
Claims (9)
1.一种光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒，为在荧光碳纳米颗粒表面接枝水溶性N-异丙基丙烯酰胺与光致异构结构单元的共聚物，其结构如式(I)所示：
在(I)中，f-CNP表示通过水热法制备的被接枝的荧光碳纳米颗粒；所述用于修饰的表面接枝的聚合物为光致异构分子与N-异丙基丙烯酰胺的共聚物；其中x的范围为0.9-0.98，表示光致异构分子与N-异丙基丙烯酰胺单体单元的接枝比例为1:9-1:49。
2.根据权利要求1所述的光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒，其中所述光致异构分子为N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃；所述荧光碳纳米颗粒表面接枝共聚物的接枝密度为3-10条共聚物链，接枝长度为每条链含50-800个结构单元。
3.根据权利要求1所述的光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒，其中所述荧光碳纳米颗粒在紫外与可见光的照射下，所述纳米颗粒的荧光可以在红光与蓝绿光之间进行开关。
4.根据权利要求1所述的光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒，其中所述荧光碳纳米颗粒具有温度响应行为，当温度由低温升高时，溶液逐渐变得浑浊，升至32℃后溶液变得完全浑浊。
5.如权利要求1-4任一项所述的光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取适量荧光碳纳米颗粒，用二氯甲烷溶解，配制成浓度为0.5-10mg/mL的荧光碳颗粒溶液；
(2)称取链转移剂、二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶，加入到上述碳颗粒溶液中，搅拌，使混合物在室温下反应7天；
(3)7天后，把(2)中反应物过滤，再将滤液旋转蒸干，所得到的固体溶解于适量的无水乙醇溶液中，将得到的溶液置于透析袋中，在无水乙醇中透析48h,透析完毕后，将所得到的液体旋转蒸干，得到荧光碳颗粒链转移剂；
(4)称取步骤(3)中得到的荧光碳颗粒链转移剂、光致异构分子与N-异丙基丙烯酰胺和引发剂，置于烧瓶中，用无水乙醇溶解，在保护气体存在下，在55-90℃和无水无氧的条件下将(4)中溶液反应5-30h；
(5)反应完后，将溶液旋干，得到固体，然后将固体物溶解于四氢呋喃溶剂；并将所得溶液滴入大量的正己烷中得沉淀物，将沉淀物反复纯化三次，最后将纯化的产品干燥，即得到一种光和温度双响应的荧光碳纳米颗粒接枝聚合物。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤(1)中，所述的荧光碳纳米颗粒为水热法碳化水葡萄糖、纤维素、壳聚糖、EDTA·2Na、EDTA以及明胶制备的荧光碳纳米颗粒。
7.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤(2)中，所述链转移剂、二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶三者的投料摩尔比为1∶1：0.1；所述的链转移剂为S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯。
8.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤(4)中，所述的光致异构分子为N-丙烯酰氧乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺吡喃；所述引发剂为偶氮二异丁腈和过氧化苯甲酰；所述荧光碳颗粒链转移剂用量为0.1-0.5重量份，光致异构分子用量为10-50重量份，N-异丙基丙烯酰胺用量为100-300重量份，引发剂用量为0.1-2重量份。
9.根据权利要求1-4任一项所述的或权利要求5-8任一项所述的方法制备的光/温度双响应的共聚物修饰的荧光碳纳米颗粒在生物标记、温度传感领域中的应用。
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