CN105829493B - 包含金纳米粒子的荧光粒子及其制造方法 - Google Patents

包含金纳米粒子的荧光粒子及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种荧光粒子及其制造方法。所述荧光粒子包含：金纳米粒子；覆盖所述金纳米粒子的二氧化硅壳；以及分散在所述二氧化硅壳中的镧系元素络合物粒子。每个所述镧系元素络合物粒子可以包括：镧系元素离子；键合到所述镧系元素离子并包括磷的配基；以及键合到所述镧系元素离子并具有β二酮官能团的配基。所述荧光粒子可以用肉眼观察，并且可以在紫外光照射时发光。所述荧光粒子可用于检测和分析生物材料样品。

Description

包含金纳米粒子的荧光粒子及其制造方法
技术领域
本文公开的本发明涉及一种荧光粒子，更具体来说，涉及一种包含金纳米粒子和镧系元素络合物粒子的荧光粒子。
背景技术
包含金属例如金或银的荧光粒子具有由于表面等离子体共振现象而改进的荧光特性。所述荧光粒子可以提高靶分子的检测灵敏度，因此可用于检测DNA和/或RNA，执行生物分析包括免疫，以及探测分子。此外，所述荧光粒子可用于测量装置和化学装置中。如上所述，所述荧光粒子被广泛用于分子生物学、材料科学、光子学和医学科学。
在将有机纳米粒子施加到二氧化硅的过程中使用反相微乳液方法。在所述反相微乳液方法中，有机纳米粒子的粒径和粒子分布可以被简单地控制。例如，报道了通过所述反相微乳液方法制造粒径为数十纳米的富勒烯-二氧化硅纳米粒子的研究结果。在这种情况下，富勒烯与二氧化硅通过共价键直接相连而不用单独的连接物。
最近，生物技术和许多不同研究的技术已被混合和开发，并且影响各个不同领域。其中，针对生物材料分析和检测市场，已开发了许多技术。用于分析和测量生物材料的一种方法是使用纳米粒子或珠子的技术，其中测量在将所述生物材料附着于微粒或纳米粒子的侧面时进行。
当通过电子传递发射电子时出现荧光，此时处于激发态的材料通过由分子吸收光子而返回到处于基态的材料。荧光材料吸收具有预定波长的能量以发射具有另一种波长的能量。荧光材料包括被用作荧光染料或颜料的无机材料和有机材料，例如荧光墨水和荧光涂料等。
发明内容
技术问题
本发明提供了一种可应用于测量生物材料的荧光粒子。
本发明还提供了一种可以用肉眼观察并且可以在紫外光照射时检测的荧光粒子。
技术方案
本发明的实施方式提供了荧光粒子及其制造方法。所述荧光粒子包含金纳米粒子；覆盖所述金纳米粒子的二氧化硅壳；和分散在所述二氧化硅壳中的镧系元素络合物粒子，其中每个所述镧系元素络合物粒子可以包括镧系元素离子、键合到所述镧系元素离子并包括磷的配基和键合到所述镧系元素离子并具有β二酮官能团的配基。
在某些实施方式中，所述二氧化硅壳的表面可以具有亲水性官能团。
在其他实施方式中，所述包括磷的配基可以包括选自三辛基氧化膦和三辛基膦的至少一者，并且所述β二酮配基可以包括选自4,4,4-三氟-1-(2-萘基)-1,3-丁二酮、4,4,4-三氟-1-(2-噻吩基)-1,3-丁二酮、1,3-二苯基-1,3-丙二酮和苯偶酰的至少一者。
在其他实施方式中，所述镧系元素络合物粒子还可以包括选自单水1,10-邻菲咯啉和2,2’-联吡啶的至少一者。
在其他实施方式中，所述镧系元素离子可以包括铕离子、镝离子、钐(Sm)离子或铽离子。
在本发明的其他实施方式中，用于制造荧光粒子的方法包括：制备金纳米粒子和镧系元素络合物粒子；通过硅前体的水解和缩合反应制造二氧化硅；以及通过向所述二氧化硅添加所述金纳米粒子和镧系元素络合物来制造包围所述金纳米粒子的二氧化硅壳，其中所述镧系元素络合物粒子可以由于所述镧系元素络合物的团聚而形成在所述二氧化硅壳中，并且每个所述镧系元素络合物粒子可以包括镧系元素离子；键合到所述镧系元素离子并包括磷的配基；和键合到所述镧系元素离子并具有β二酮官能团的配基。
在某些实施方式中，所述金纳米粒子的制备可以包括向金前体溶液添加表面活性剂，以及还原所述金前体溶液。
在其他实施方式中，所述包括磷的配基可以包括选自三辛基氧化膦和三辛基膦的至少一者，并且所述β二酮配基可以包括选自4,4,4-三氟-1-(2-萘基)-1,3-丁二酮、4,4,4-三氟-1-(2-噻吩基)-1,3-丁二酮、1,3-二苯基-1,3-丙二酮和苯偶酰的至少一者。
在其他实施方式中，所述二氧化硅的制造和所述二氧化硅壳的制造可以使用表面活性剂来进行。
有益效果
荧光粒子可以包含金纳米粒子、镧系元素络合物粒子和二氧化硅壳。由于所述金纳米粒子、镧系元素络合物粒子和二氧化硅壳没有毒性，因此所述荧光粒子可以适用于生物样品/生物材料的分析/检测。
所述金纳米粒子可以通过表面等离子体现象发射可见光范围内的光，以便使用肉眼容易地辨别荧光粒子-生物样品偶联物是否产生。可以调整所述金纳米粒子的粒径以控制从所述金纳米粒子发射的可见光范围内的光的波长。
所述镧系元素络合物粒子可以具有荧光特性，，即，具有紫外光范围内的波长的光被吸收，以发射具有可见光范围内的波长的光。所述荧光粒子可以在紫外光照射时发光。可以调整所述镧系元素络合物粒子的配基的种类和数目，以控制从所述镧系元素络合物粒子发射的光的波长和强度。可以在所述二氧化硅壳中提供多个所述镧系元素络合物粒子。由于所述荧光粒子的荧光特性被所述镧系元素络合物粒子改进，因此所述荧光粒子可以以小的量用于分析生物样品/生物材料。
附图说明
包含的附图是为了提供对本发明的进一步理解，并且附图被并入到本说明书中且构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的示例性实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在所述附图中：
图1示出了根据一种实施方式的荧光粒子；
图2是示出了光密度随波长变化的图，所述波长按照金纳米粒子的粒径示出；
图3示出了根据所述实施方式的镧系元素络合物；并且
图4是示出了用于制造根据本发明的实施方式的荧光粒子的方法的流程图。
具体实施方式
在后文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。与附图一起，通过将在后面描述的实施方式，本发明的优点和特点以及实现它们的方法将显而易见。然而，本发明不能受限于本文中陈述的实施方式，而是以不同的形式体现。相反，提供在本文中的实施方式是为了使本公开充分且完整，并将本发明的精神完全传达给本领域技术人员，并且本发明仅仅由权利要求书的范围限定。在整个说明书中，相似的附图标记表示相似的元件。
在本说明书中使用的术语的提出是为了说明实施方式，但不应被解释为限制本发明。在本说明书中，单数形式可能包括复数形式，只要在语句中没有特别提到即可。在本说明书中使用的术语“包含”表示存在或添加了一个或多个部件、步骤、操作和/或元件。此外，按照描述的次序提出的附图标记是基于优选实施方式，因此不限于描述的次序。此外，在本说明书中应该理解，当层被称为是在另一个层或基材上时，它可以是直接形成在另一个层或基材上的层，或者也可以存在介于中间的层。
此外，本说明书中公开的实施方式将参考本发明的理想化的说明性横截面图和/或平面图来描述。在图中，为了有效描述技术内容，部件的厚度和/或尺寸可能被夸大。因此，作为例如制造技术和/或公差的结果，与图示的形状的偏差是可以预期的。因此，实施方式不应被解释为限于本文中图示的区域的特定形状，而是可以包括由例如制造引起的形状偏差。例如，被显示成具有直角的被蚀刻区域可以具有圆形或具有预定曲度的形状。因此，图中示出的区域具有粗略的特性，并且也具有被提出以示例装置区域的特定形式但不限制本发明范围的形状。
在后文中，将参考附图描述根据本发明的构思的荧光粒子。
图1示出了根据一种实施方式的荧光粒子。
参考图1，荧光粒子1可以包括金纳米粒子100、镧系元素络合物粒子200和二氧化硅壳300。荧光粒子1可以具有核-壳结构。荧光粒子1可以键合到生物样品/生物材料，以形成荧光粒子-生物样品偶联物。荧光粒子1可用于检测和分析所述生物样品/生物材料。
金纳米粒子100可以被提供到荧光粒子1的核心。金纳米粒子100可以具有球形形状。金纳米粒子100可以通过表面等离子体共振现象发射可见光范围内的光。因此，金纳米粒子100可以表现出颜色。金纳米粒子100可以具有约10nm至约60nm的粒径。
与图1一起参考图2，随着金纳米粒子100的粒径增加，可见光区域中的发射光的波长可能增加。可以调整金纳米粒子100的粒径以控制从金纳米粒子100发射的可见光区域中的光的波长。例如，在金纳米粒子100的制造过程中，可以使用表面活性剂来调整金纳米粒子100的粒径。作为另一个实例，当制造金纳米粒子100时，可以控制反应条件例如温度、反应时间、还原剂和/或溶剂的种类来控制金纳米粒子100的粒径。在荧光粒子1被用于检测和分子生物样品例如诊断试剂盒的情况下，通过从金纳米粒子100发射的可见光区域中的光，可以使用肉眼容易地辨别荧光粒子1-生物样品偶联物是否形成。金纳米粒子100不具有毒性，因此可以适用于分析生物样品/生物材料。
重新参考图1，二氧化硅壳300可以被提供成包围金纳米粒子100并覆盖金纳米粒子100。所述壳可以包括二氧化硅。二氧化硅壳300可以包括疏水性官能团和亲水性官能团。金纳米粒子100具有疏水性，因此二氧化硅壳300的疏水性官能团可以与金纳米粒子100相互作用。因此，二氧化硅壳300的疏水性官能团可以被提供成朝向金纳米粒子100，并且所述亲水性官能团可以被提供成朝向外部。例如，所述亲水性官能团可以包括羟基(-OH)。由于二氧化硅壳300的亲水性官能团被配置成朝向外部，荧光粒子1可以被容易地分散在包含生物样品/生物材料的水性溶液中。作为另一个实例，在荧光粒子1中，通过在水性溶液中的反应，可以将各种不同官能团(例如羧基(COOH)、胺基(NH2)、巯基、醛基和/或环氧基等)引入到二氧化硅壳300的表面中。例如，二氧化硅壳300的表面上的羟基可以被各种不同官能团取代。所述官能团可以直接键合到生物样品/生物材料，或者可以通过另一种分子/材料键合到生物样品/生物材料。此外，二氧化硅壳300不具有毒性，因此可以适用于分析生物样品/生物材料。
镧系元素络合物粒子200可以被提供成分散在二氧化硅壳300中。可以提供多个镧系元素络合物粒子200。镧系元素络合物粒子200可以具有荧光特性，其吸收具有第一波长的光以发射出具有不同于所述第一波长的第二波长的光。在这种情况下，所述第一波长可以是紫外光区域中的波长，并且所述第二波长可以是可见光区域中的波长。例如，铕离子可以吸收具有约340nm至390nm(例如361nm)的波长的光以发射具有600nm至650nm(例如615nm)的波长的光。通过镧系元素络合物粒子200，荧光粒子1可以少的量用于分析生物样品/生物材料。通过二氧化硅壳300，荧光粒子1可以包含多个镧系元素络合物粒子200。随着包含在荧光粒子1中的镧系元素络合物粒子200的量增加，可以提高具有从荧光粒子1发射的第二波长的光的强度。因此，当在生物样品/生物材料中使用荧光粒子1时，检测强度可以改进。
在后文中，将更详细描述本发明的镧系元素络合物粒子。
图3示出了根据所述实施方式的镧系元素络合物粒子。与上面提到的描述重叠的内容将被省略。
参考图3，镧系元素络合物粒子200可以包括镧系元素离子210和配基220、230和240。在后文中，镧系元素离子210可以充当中心原子。在镧系元素离子210包括镉(Cd)离子的情况下，由于镉离子的毒性，镧系元素络合物粒子200可能不适用于生物分子的诊断、测量或检测。本发明的镧系元素络合物粒子200包括具有无毒性质的镧系元素离子210，例如铕(Eu)离子、镝(Dy)离子、钐(Sm)离子或铽(Tb)离子，因此可以适用于生物样品/生物材料的检测/分析。如上所述，镧系元素离子210可以具有荧光特性，其吸收具有第一波长的光以发射具有不同于所述第一波长的第二波长的光。
配基220、230和240可以键合于镧系元素离子210。镧系元素络合物粒子200可以包括至少一个包含磷的配基220和至少一个β二酮配基230。镧系元素络合物粒子200还可以包括包含氮的配基240。镧系元素络合物粒子200可以包括配基220、230和240以提高镧系元素离子210的荧光强度。β二酮配基230可以在体现铕离子的荧光特性的过程中用于传递电子。当配基220和β二酮配基230被包含在镧系元素络合物粒子200中时，可以体现出包含磷的配基220的荧光强度增强作用。可以调整包含磷的配基220和β二酮配基230的数目，以调节镧系元素络合物粒子200的发射强度和发射波长。包含磷的配基230可以是例如三辛基氧化膦(在后文中称为TOPO)或三辛基膦(在后文中称为TOP)。β二酮配基220可以包括选自4,4,4-三氟-1-(2-萘基)-1,3-丁二酮(在后文中称为NTA)、4,4,4-三氟-1-(2-噻吩基)-1,3-丁二酮(在后文中称为TTA)、1,3-二苯基-1,3-丙二酮(在后文中称为DPP)和苯偶酰的至少一者。包含氮的配基240可以包括选自单水1,10-邻菲咯啉(在后文中称为Phen)和2,2’-联吡啶(在后文中称为Bipy)的至少一者。
表1示出了根据本发明的实例的镧系元素络合物粒子及其结构式。
[表1]
在后文中，将参考附图描述用于制造根据所述实施方式的荧光粒子的方法。
图4是示出了用于制造根据本发明的实施方式的荧光粒子的方法的流程图。在后文中，与前面提到的描述重叠的内容将被省略。
与图1一起参考图4，在步骤S10中，可以将金纳米粒子的前体溶液还原以制备金纳米粒子100。金前体和第一表面活性剂可以被加入到溶剂并与其混合，以制造所述金前体溶液。金前体溶液的还原反应可以在约110℃的温度条件下进行5小时。例如，金纳米粒子100的前体溶液可以是氯金酸。所述第一表面活性剂可以是油胺，但不限于此并且可以是各种各样的。可以调整第一表面活性剂的种类以控制制造的金纳米粒子100的粒径。作为另一个实例，可以另外加入还原剂，但是通过控制过程条件可以不添加单独的还原剂。随后，可以进行清洗过程。通过使用乙醇，清洗过程可以进行三次。制造的金纳米粒子100可以保持在有机溶剂例如环己烷中。
与图3一起参考图4，可以在步骤S20中制备镧系元素络合物粒子200。例如，可以将镧系元素(例如铕、镝、钐或铽)、配基、表面活性剂和水混合以制造反应溶液。配基的种类可以与在图3的配基220、230和240的实例中所描述的相同。可以调整添加的配基的种类和比率，以控制键合到镧系元素离子210的配基220、230和240的种类和比率。如果反应溶液的颜色是透明的白色，可以将丙烯酸与所述反应溶液混合，以完成镧系元素络合物粒子200的制造。
二氧化硅可以通过二氧化硅前体材料的缩合反应来制造。作为实例，二氧化硅可以按照下面的反应方程式1来制造。
<反应方程式1>
例如，可以使用原硅酸四乙酯(TEOS)作为前体材料(a)。可以将前体材料(a)溶解在有机溶剂例如环己烷中。前体材料可以被水解以制造二氧化硅前体(b)。可以将二氧化硅前体(b)在氢氧化铵下进行缩合反应以形成二氧化硅(c)。在这种情况下，可以向所述二氧化硅进一步添加第二表面活性剂。作为实例，所述第二表面活性剂可以是Igepal CO-520(Sigma-Aldrich Co.,LLC.，聚氧乙烯(5)壬基苯基醚)，但不限于此并且可以是各种各样的。可以控制第二表面活性剂的种类和添加量来调节二氧化硅壳300的粒径。
与图1一起参考图4，在步骤S30中可以向二氧化硅添加金纳米粒子100和镧系元素络合物粒子200。金纳米粒子100和镧系元素络合物粒子200的添加可以在制造二氧化硅之前进行。可以将金纳米粒子100、镧系元素络合物粒子200和二氧化硅混合约24小时。金纳米粒子100的表面具有疏水性，因此二氧化硅的疏水性官能团可以被配置成朝向金纳米粒子100。二氧化硅可以包围金纳米粒子100以形成二氧化硅壳300。金纳米粒子100可以对应于核心。镧系元素络合物粒子200可以分散在二氧化硅壳300中。镧系元素络合物粒子200可以与待稳定化的二氧化硅壳300相互作用。因此，可以提高从镧系元素络合物粒子200发射的荧光的强度。通过第二表面活性剂，金纳米粒子100和镧系元素络合物粒子200可以被更容易地携带到二氧化硅壳300中。因此，可以完成图1的实例中示出的荧光粒子1的制造。
尽管已结合目前被认为是实用的示例性实施方式并参考附图描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是相反打算覆盖涵盖在随附的权利要求书的精神和范围之内的各种不同的修改和等同的排布方式。

Claims (9)

1.一种荧光粒子，其包含：
金纳米粒子；
覆盖所述金纳米粒子的二氧化硅壳；以及
分散在所述二氧化硅壳中的镧系元素络合物粒子，
其中每个所述镧系元素络合物粒子包括
镧系元素离子；
键合到所述镧系元素离子并包括磷的配基；以及
键合到所述镧系元素离子并具有β二酮官能团的配基。
2.权利要求1的荧光粒子，其中所述二氧化硅壳的表面具有亲水性官能团。
3.权利要求1的荧光粒子，其中所述包括磷的配基包括选自三辛基氧化膦和三辛基膦的至少一者，并且
所述β二酮配基包括选自4,4,4-三氟-1-(2-萘基)-1,3-丁二酮、4,4,4-三氟-1-(2-噻吩基)-1,3-丁二酮、1,3-二苯基-1,3-丙二酮和苯偶酰的至少一者。
4.权利要求1的荧光粒子，其中所述镧系元素络合物粒子还包括选自单水1,10-邻菲咯啉和2,2’-联吡啶的至少一者。
5.权利要求1的荧光粒子，其中所述镧系元素离子包括铕离子、镝离子、钐(Sm)离子或铽离子。
6.一种用于制造荧光粒子的方法，所述方法包括：
制备金纳米粒子和镧系元素络合物粒子；
通过硅前体的水解和缩合反应制造二氧化硅；以及
通过向所述二氧化硅添加所述金纳米粒子和镧系元素络合物粒子，制造包围所述金纳米粒子的二氧化硅壳，
其中所述二氧化硅壳从所述二氧化硅形成，所述镧系元素络合物粒子被提供并分散在所述二氧化硅壳中，并且
每个所述镧系元素络合物粒子包括
镧系元素离子；
键合到所述镧系元素离子并包括磷的配基；以及
键合到所述镧系元素离子并具有β二酮官能团的配基。
7.权利要求6的方法，其中所述金纳米粒子的制备包括向金前体溶液添加表面活性剂，以及还原所述金前体溶液。
8.权利要求6的方法，其中所述包括磷的配基包括选自三辛基氧化膦和三辛基膦的至少一者，并且所述β二酮配基包括选自4,4,4-三氟-1-(2-萘基)-1,3-丁二酮、4,4,4-三氟-1-(2-噻吩基)-1,3-丁二酮、1,3-二苯基-1,3-丙二酮和苯偶酰的至少一者。
9.权利要求6的方法，其中所述二氧化硅的制造和所述二氧化硅壳的制造使用表面活性剂来进行。
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