CN105461920A - 一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法及应用 - Google Patents

一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，包括以下步骤：取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，剧烈搅拌后加入氧化剂，继续反应后再加入氯金酸，持续搅拌反应后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。该方法采用一锅法即可制备得到两种纳米粒子，制备方法简洁且反应条件温和。本发明还公开了上述方法制成的海胆状金纳米粒子在表面增强拉曼散射SERS中的应用以及球状聚苯胺作为新型拉曼探针在生物体系的pH检测方面的应用。

Description

一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法及应用
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法及应用。
背景技术
纳米材料极好的光学、电学、力学和磁学等性质已获得了广泛的关注，并在多种学科领域得到了全面的应用。在生物医学领域，纳米材料在生物传感、生物成像、药物递送及疾病治疗等方面均得到了很好的开发与应用。
金纳米粒子(AuNPs)是目前应用得最为广泛的无机纳米材料之一。不同大小、形状的金纳米结构呈现出的性质均不一样，常见的结构有纳米球、纳米棒、纳米片、纳米笼、纳米花和纳米星，等等。海胆状金纳米颗粒(urchin-likeAunanoparticles)是一种类似于海胆的金纳米结构，其表面的突起给AuNPs带来了更为优越的光学性质。相较于球状AuNPs，海胆型金纳米结构的表面等离子共振(SPR)峰发生明显红移，这有助于金颗粒在医学诊断与治疗中的应用；金属表面的突起结构也造就了许多高度局域的电磁场“热点(hotspot)”，这能够极大地增强吸附在其表面的化学分子的拉曼散射效应，即表面增强拉曼散射(SERS)效应。
在有机纳米材料中，聚苯胺(Polyaniline,PANI)是一种以苯胺单体氧化聚合而成的导电聚合材料，在多种学科领域均有应用。在生物医学领域，PANI纳米粒子已经被发展为一种新型的肿瘤诊疗试剂，因为PANI具有很好的光学性质和生物相容性(Biomaterials,2013,34,9584；Nanoscale,2015,7,6754)。同时，PANI还具有很好的拉曼活性，在近红外(NIR)激光照射下能够发出强烈的拉曼信号。另一方面，这种富含氨基基团的聚合物还是pH敏感的。在低pH值，PANI以聚苯胺盐的形式存在；随着pH值的增大，PANI逐渐去质子化形成聚苯胺基。因此，有望将PANI设计成为一种新型的拉曼探针用于生物体系的pH检测。
现有海胆状金纳米颗粒的制备技术主要是先用常规的柠檬酸法制备得到纳米银，以此为种子加入到金纳米结构的生长液中生长数分钟至数小时。生长液的成分及生长时间因不同的方法各异(Langmuir,2008,24,1058；Talanta,2010,82,1845)。
该技术的缺点可总结为以下两点：(1)制备方法较复杂，涉及种子制备及金纳米结构生长两个步骤；(2)仅能得到单一的海胆状AuNPs。
球状PANI的制备方法是在稳定剂(如：聚磺化苯乙烯(PSS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、羟基丙基纤维素(HPC)、聚乙烯醇(PVA)等)的存在下，选择APS为氧化剂，将苯胺单体氧化聚合而成，反应时间一般为数小时(AdvMater，2007，19，1772；Biomaterials，2013，34，9584；Nanotechnology，2014，25，495602；ReactFunctPolym，2012，72，185)。
但该方法仅合成单一的PANI球形颗粒。
因此，传统的海胆状金纳米颗粒的制备方法是一个复杂的多步反应，往往需要事先制备纳米银粒子作为合成金纳米结构的种子。球状PANI的常规制备方法是在稳定剂的存在下以过硫酸铵(APS)为氧化剂，将苯胺单体氧化聚合而成。然而，至今未有在一种方法中同时制备出海胆状AuNPs和球状PANI的报道。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，该方法采用一锅法即可制备得到两种纳米粒子，制备方法简洁且反应条件温和。
本发明的第二个目的是提供采用上述一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法制成的海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
本发明的第三个目的是提供上述海胆状金纳米粒子在表面增强拉曼散射SERS中的应用以及球状聚苯胺作为新型拉曼探针在生物体系的pH检测方面的应用。
本发明的第一个目的是通过以下技术方案来实现的：一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，包括以下步骤：取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，剧烈搅拌后加入氧化剂，继续反应后再加入氯金酸，持续搅拌反应后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
进一步的，本发明中的一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，包括以下步骤：取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，以800～1000rpm的转速剧烈搅拌30～60min后加入氧化剂，继续反应5～10min后再加入氯金酸，持续搅拌反应10～12h后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
本发明采用一锅法，将合成海胆状AuNPs和球状PANI所需的化学试剂全部加入同一个反应器皿中，经过数小时的简单搅拌过程实现两种纳米粒子的合成。该方法简单、易操作，利于推广。一方面，苯胺因氧化剂的存在被氧化聚合成PANI；另一方面，苯胺自身的还原性又可将氯金酸还原成金纳米结构。
在上述一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法中：
所述苯胺与无机酸、稳定剂的质量份配比优选为1：816～980：16～48；所述的无机酸优选为盐酸，其浓度优选为0.4～0.6M；所述的稳定剂优选为聚乙烯吡咯烷酮PVP。聚乙烯吡咯烷酮PVP对于球状PANI的形成以及后期的细胞pH探测至关重要。
所述的氧化剂优选为过硫酸铵APS，所述的苯胺与过硫酸铵APS的质量份配比优选为1：3～4；或所述的氧化剂优选为氯化铁，所述的苯胺与氯化铁的摩尔比优选为1：5～8。
所述苯胺与氯金酸的摩尔比优选为16～36：1。
离心收集反应产物时，以3000～4000rpm的转数离心5～10min，收集获得海胆状金纳米粒子；以8000～9000rpm的转速离心20～30min，收集获得球状聚苯胺。
本发明的第二个目的是通过以下技术方案来实现的：采用上述方法制成的海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
本发明的第三个目的是通过以下技术方案来实现的：所述海胆状金纳米粒子在表面增强拉曼散射SERS中的应用。以及所述球状聚苯胺作为新型拉曼探针在生物体系的pH检测方面的应用。
本发明具有如下优点：
(1)本发明一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法制备简单，在同一个反应器皿内即可制备得到两种纳米粒子，反应条件温和，仅需在常温下搅拌即可制备得到目标产物；
(2)采用本发明方法获得的纳米产物具有多种用途，其中海胆状AuNPs可作为一种活性基底用于化学分子的SERS检测，亦可作为一种光热纳米试剂用于肿瘤的光热治疗；球状PANI同样可用于肿瘤的光热治疗；另外，该有机粒子球状PANI还是pH敏感的，在不同pH环境下其拉曼光谱呈现出有规律的变化，可作为一种新型的拉曼探针用于生物体系的pH检测。
附图说明
图1是实施例1中制备获得的海胆状AuNPs与球状PANI的TEM图；
图2是实施例6中海胆状AuNPs的SERS效应；
图3是实施例7中球形PANI在不同生理环境中的pH传感能力；
图4是实施例7中球形PANI的pH传感能力的定量分析。
具体实施方式
实施例1
取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，以800rpm的转速剧烈搅拌30min后加入氧化剂，继续反应5min后再加入氯金酸，持续搅拌反应12h后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
其中苯胺与无机酸、稳定剂的质量份配比为1：816：16；无机酸为盐酸，其浓度为0.5M；稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP。
氧化剂为过硫酸铵APS，苯胺与过硫酸铵APS的质量份配比为1：3。
苯胺与氯金酸的摩尔比为33：1。
离心收集反应产物时，以3000rpm的转数离心5min，收集获得海胆状金纳米粒子；以8000rpm的转速离心20min，收集获得球状聚苯胺。
本实施例制备获得的纳米材料的表征情况可见图1。其中a图是海胆状AuNPs与球状PANI混合液的透射电镜(TEM)图，可见金颗粒的大小在600nm左右，而球状PANI的大小约为100nm。b图和c图分别是海胆状AuNPs和球状PANI在较大倍数下拍摄得到的TEM图，可以很明显地看到金颗粒表面的突起结构，而PANI则呈不太规则的球形。
实施例2
取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，以800rpm的转速剧烈搅拌60min后加入氧化剂，继续反应8min后再加入氯金酸，持续搅拌反应10h后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
其中苯胺与无机酸、稳定剂的质量份配比为1：900：18；无机酸为盐酸，其浓度为0.5M；稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP。
氧化剂为氯化铁，苯胺与氯化铁的摩尔比为1：8。
苯胺与氯金酸的摩尔比为30：1。
离心收集反应产物时，以3500rpm的转数离心8min，收集获得海胆状金纳米粒子；以8500rpm的转速离心25min，收集获得球状聚苯胺。
实施例3
取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，以800rpm的转速剧烈搅拌45min后加入氧化剂，继续反应7min后再加入氯金酸，持续搅拌反应11h后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
其中苯胺与无机酸、稳定剂的质量份配比为1：980：20；无机酸为盐酸，其浓度为0.4M；稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP。
氧化剂为过硫酸铵APS，苯胺与过硫酸铵APS的质量比为1：3.5。
苯胺与氯金酸的摩尔比为36：1。
离心收集反应产物时，以3000rpm的转数离心10min，收集获得海胆状金纳米粒子；以8000rpm的转速离心20min，收集获得球状聚苯胺。
实施例4
取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，以900rpm的转速剧烈搅拌60min后加入氧化剂，继续反应9min后再加入氯金酸，持续搅拌反应10h后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
其中苯胺与无机酸、稳定剂的质量份配比为1：820：32；无机酸为盐酸，其浓度为0.6M；稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP。
氧化剂为过硫酸铵APS，苯胺与过硫酸铵APS的质量比为1：4。
苯胺与氯金酸的摩尔比为33：1。
离心收集反应产物时，以3000rpm的转数离心10min，收集获得海胆状金纳米粒子；以9000rpm的转速离心20min，收集获得球状聚苯胺。
实施例5
取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，以1000rpm的转速剧烈搅拌30min后加入氧化剂，继续反应10min后再加入氯金酸，持续搅拌反应12h后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
其中苯胺与无机酸、稳定剂的质量份配比为1：816：48；无机酸为盐酸，其浓度为0.5M；稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP。
氧化剂为氯化铁，苯胺与氯化铁的摩尔比为1：6.5。
苯胺与氯金酸的摩尔比为16：1。
离心收集反应产物时，以3000rpm的转数离心5min，收集获得海胆状金纳米粒子；以9000rpm的转速离心30min，收集获得球状聚苯胺。
实施例6
将实施例1制备得到的海胆状AuNPs用于染料分子的SERS检测。具体步骤为：将AuNPs与染料分子1:1混合后，吸取少量样品至于拉曼光谱仪下检测。仪器选用雷尼绍invia型显微拉曼光谱系统，选择785nm激光激发，功率50mW，中心波长1200cm-1，曝光时间5s。图2是海胆状AuNPs对孔雀石绿(MG，5×10-6M)的SERS效应图。可以看到在常规拉曼的检测下孔雀石绿没有任何光谱信号出现，用AuNPs作为SERS基底后，孔雀石绿拉曼信号被显著增强。
实施例7
将实施例1制备得到的球状PANI作为一种新型的拉曼探针用于生物体系的pH检测。
具体步骤为：
1)配制pH5.7～8.0的磷酸盐(PB)缓冲液，取1份的PANI与9份的PB液混合，置于雷尼绍invia型显微拉曼光谱系统下检测。拉曼参数为785nm激光激发，功率50mW，中心波长1350cm-1，曝光时间5s。
2)小鼠乳腺癌(4T1)细胞用RPMI-1640培养液孵育，置于CO2培养箱内培养(5％CO2浓度，37℃)。期间，分别在0h、12h、24h和48h收集少量细胞孵育液，将之与PANI纳米液混合(体积比为9:1)，再置于拉曼光谱仪下检测。拉曼参数为785nm激光激发，功率50mW，中心波长1350cm-1，曝光时间5s。
3)4T1细胞接种于消毒后的石英盖玻片上，用RPMI-1640培养液孵育，置于CO2培养箱内培养(5％CO2浓度，37℃)。待细胞贴壁后，用PBS清洗细胞3遍，接着往培养皿内加入含50μLPANI的PB缓冲液(pH5.7～8.0)，然后置于显微拉曼光谱系统下对细胞进行检测。拉曼参数为785nm激光激发，功率50mW，中心波长1350cm-1，曝光时间5s，积累3次。
图3显示的是通过以上三种处理得到拉曼谱线。
左图所示球状PANI在不同pH值缓冲液中的拉曼谱，可见谱峰随着pH值的变化而发生有规律的改变，特别是1223cm-1峰和1454cm-1峰的强度。中图是不同时间点的细胞孵育液的pH值变化情况，随着细胞孵育时间的增加，细胞产生的代谢物增多，导致细胞外基质的pH值逐渐变低。右图是球状PANI对细胞内pH值的传感能力，在生理pH的范围内，PANI的拉曼谱峰特别是1223cm-1峰和1454cm-1峰的强度亦呈规律性的变化。
图4显示的是拉曼谱线中1454cm-1峰和1165cm-1峰的比值(I1454/I1165)随着pH值的变化情况。
左图是在缓冲液中I1454/I1165值的变化情况，以量化的数值表现了球状PANI在不同pH缓冲液中的传感能力。中图是不同孵育时间点细胞外基质pH值的量化变化，随着细胞的孵育时间的增加，I1454/I1165值逐渐变小。右图是细胞内pH值的量化检测，可见当细胞孵育在不同pH值的缓冲液中，从细胞内检测到的I1454/I1165值也随着pH值的增加而变大，说明这种球状PANI可作为一种新型的拉曼探针用于细胞的pH检测。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，其特征是包括以下步骤：取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，剧烈搅拌后加入氧化剂，继续反应后再加入氯金酸，持续搅拌反应后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
2.根据权利要求1所述的一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，其特征是：取苯胺加入无机酸中，接着加入稳定剂，以800～1000rpm的转速剧烈搅拌30～60min后加入氧化剂，继续反应5～10min后再加入氯金酸，持续搅拌反应10～12h后，离心收集反应产物，即制得海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺。
3.根据权利要求2所述的一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，其特征是：所述苯胺与无机酸、稳定剂的质量份配比为1：816～980：16～48；所述的无机酸为盐酸，其浓度为0.4～0.6M；所述的稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP。
4.根据权利要求2所述的一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，其特征是：所述的氧化剂为过硫酸铵APS，所述的苯胺与过硫酸铵APS的质量份配比为1：3～4；或所述的氧化剂为氯化铁，所述的苯胺与氯化铁的摩尔比为1：5～8。
5.根据权利要求2所述的一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，其特征是：所述苯胺与氯金酸的摩尔比为16～36：1。
6.根据权利要求2所述的一锅法合成海胆状金纳米粒子和球状聚苯胺的方法，其特征是：离心收集反应产物时，以3000～4000rpm的转数离心5～10min，收集获得海胆状金纳米粒子；以8000～9000rpm的转速离心20～30min，收集获得球状聚苯胺。
7.采用权利要求1-6任一项方法制成的海胆状金纳米粒子。
8.权利要求7所述的海胆状金纳米粒子在表面增强拉曼散射SERS中的应用。
9.采用权利要求1-6任一项方法制成的球状聚苯胺。
10.权利要求9所述的球状聚苯胺作为新型拉曼探针在生物体系的pH检测方面的应用。
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