CN107099285A

CN107099285A - 一种绿色发光水凝胶及制备方法

Info

Publication number: CN107099285A
Application number: CN201710371460.9A
Authority: CN
Inventors: 刘丰祎; 范文涛; 周冬梅; 寇军锋; 张泽宇
Original assignee: Yunnan Normal University
Current assignee: Yunnan University YNU; Yunnan Normal University
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2017-08-29

Abstract

一种绿色发光水凝胶的制备方法。本发明涉及的发光水凝胶为Alg/Tb(ab),其中Alg为海藻酸钠，ab为对氨基苯甲酸钠，Tb为稀土铽离子，该水凝胶氨基苯甲酸的稀土Tb配合物以共价键方式与Alg骨架分子相连，分解温度为210℃。制备是：反应在常温常压下进行；选用廉价的水做溶剂，环境友好；材料后处理较容易；对大鼠胸主动脉内皮细胞存活率的影响无统计学差异，生物相容性良好，在生物成像领域具有潜在的应用前景。

Description

一种绿色发光水凝胶及制备方法

技术领域

本发明属于水凝胶材料，尤其是含有稀土配合物复合发光材料及制备方法。

背景技术

多糖类生物大分子包括天然生物大分子为基质的复合材料，其具有可塑性、易于加工、成本较低的功能材料性能，同时还具有生物相容性和生物可降解性（CN 105749354A;CN 106084311A; CN 103097447A），使它在生物医药和组织工程等领域得到了极大的关注（US 20160243281；US 20150320915；US 20150056266；US 20140200196； US 20090226519；US 20100112058）。把色纯度高、荧光寿命长、发射谱线丰富（包括可见区和近红外区）4f电子构型的稀土离子引入到基质中，能提高纯稀土有机配合物热稳定性及机械稳定性。张丽娜小组报道了把长余辉稀土荧光粉SrAl₂O₄: Eu²⁺, Dy³⁺掺杂到纤维素中，所得到的复合发光材料在生物成像方面显示出潜在的应用价值（J. Mater. Chem. B, 2014, 2, 7559）。但这类材料的稀土配合物与基质之间是通过氢键、范德华力等弱的相互作用以物理方式结合，这种结合的缺点是：1）发光中心易团聚；2）容易析出；3）发光材料在基质中分布不均匀；4）掺杂浓度受到很大的限制；5）易发生荧光猝灭。选择天然生物大分子为基质材料来制备新型稀土发光复合材料有望为新材料的合成提供一种新途径。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术所存在问题，把稀土配合物与天然生物大分子以共价键结合，提供一种发光水凝胶及其制备方法和应用，该水凝胶可以在紫外光的照射下，发射出纯正的绿色荧光，具有潜在的生物应用价值。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案包括：

（一）一种绿色发光水凝胶

该水凝胶含有的化学组分为Tb、Alg、ab，其中，Tb为稀土铽离子、Alg为海藻酸钠、ab为对氨基苯甲酸脱去质子之后的阴离子，该水凝胶氨基苯甲酸的稀土Tb配合物以共价键方式与Alg骨架分子相连，该水凝胶的分解温度为210℃。

（二）制备上述发光水凝胶的方法

包括以下步骤：

（1）在去离子水中加入海藻酸钠，搅拌至完全溶解并呈溶胶状, 所述海藻酸钠溶液的浓度为0.1~1%；

（2）将步骤（1）海藻酸钠溶胶逐滴滴入TbCl₃水溶液中，得到透明的球状Alg/Tb³⁺水凝胶, 所述Tb³⁺的摩尔浓度为0.01~ 0.2M；

（3）在去离子水中加入对氨基苯甲酸，用氢氧化钠溶液调节pH至8，得到对氨基苯甲酸钠溶液；

（4）将Alg/Tb³⁺水凝胶与氨基苯甲钠溶液混合，室温下搅拌24h，洗涤，得到发光水凝胶材料。

进一步，所述步骤1）的海藻酸钠溶液的浓度为0.4~0.6%。

进一步，所述步骤2）的Tb³⁺的摩尔浓度为0.04~ 0.08M。

（三）本发明发光水凝胶的应用

以该水凝胶作为绿色荧光材料。

进一步，该水凝胶的不同浓度对大鼠胸主动脉内皮细胞（RAECs）存活率的影响无统计学差异，无毒性，具有良好的生物相容性。

相比于传统的制备方法及其产物，本发明的有益效果是：

首先，与物理掺杂的方式比较，本发明稀土发光中心以共价键方式键合到生物大分子基质，牢固、稳定，水凝胶的分解温度为210℃，其中，对氨基苯甲酸吸收紫外光，提供能量使稀土铽离子发出特征绿色荧光，丰富和发展了稀土配合物复合材料的种类。

其次，本发明水凝胶在312nm激发下得到发射光谱，最大发射峰在544nm 处，为典型的稀土铽离子的纯正的绿色荧光发射峰，色纯度较高。

第三，该水凝胶对RAECs几乎没有毒性，说明该水凝胶样品具有良好的生物相容性，因此该类材料可以作为潜在的荧光生物成像材料。

在本发明制备方法上：1）反应可以在常温常压下的水溶液或者醇溶液中进行，反应条件温和，合成步骤简化；2）选用水做溶剂，环境友好；3）材料后处理简单；4）可以选择和优化不同的稀土离子及有机配体制备共价键结合的稀土复合发光材料，尤其是优化红外和近红外区发光的生物成像材料。

附图说明

图1为该发光水凝胶的形态图。

图2为该发光多水凝胶在紫外灯照射下的图。

图3为该发光水凝胶经过超临界干燥后的扫描电镜图。

图4为该发光水凝胶经过超临界干燥后的氮气吸附脱附曲线图。

图5为该发光水凝胶的在544nm监测下的激发光谱图。

图6为该发光水凝胶在312nm激发下的发射光谱图。

图7为该发光水凝胶采用MTT法得到的细胞毒性图。

具体实施方式

（一）制备发光水凝胶

实施例1：

将0.4 g 海藻酸钠加入到100 mL去离子水，搅拌至完全溶解并呈溶胶状。将海藻酸钠溶胶逐滴加入到100 mL 0.04mol/L的TbCl₃水溶液中，得透明状水凝胶小球，水洗，得海藻酸钠/Tb³⁺水凝胶。称取0.35 g 对氨基苯甲酸，加入30mL去离子水，用氢氧化钠溶液调节pH值，使溶液的pH达到8，且溶液透明。把海藻酸钠/Tb³⁺水凝胶加入到对氨基苯甲酸的钠盐水溶液中，在磁力搅拌器上缓慢搅拌24h后，用蒸馏水、无水乙醇、DMF、丙酮洗涤残留的稀土配合物，再用上述溶剂分别浸泡搅拌1h，依次过滤洗涤，除去残留的盐。最后，将获得的alg/Tb³⁺/4-Aba小球用去离子水浸泡，得到发光水凝胶材料。

实施例2：

将0.2 g 海藻酸钠加入到100 mL去离子水，待其搅拌均匀且完全溶解呈溶胶状。使用医用注射器将海藻酸钠溶胶逐滴滴入100 mL 0.02mol/L的TbCl₃水溶液中，得透明状水凝胶小球；将水凝胶小球充分水洗，得海藻酸钠/Tb³⁺水凝胶。称取0.2 g 对氨基苯甲酸，加入30mL去离子水，用氢氧化钠溶液调节pH值，使溶液的pH达到8，得到透明的溶液。把海藻酸钠/Tb³⁺水凝胶加入到对氨基苯甲酸的钠盐水溶液中，在磁力搅拌器上缓慢搅拌24h，然后分别使用大量蒸馏水、无水乙醇、DMF、丙酮充分洗涤杂化小球，以尽量洗去残留的稀土配合物，再用上述溶剂分别浸泡搅拌1h，依次过滤洗涤，尽可能将残留在Tb³⁺、4-Aba盐除去。最后，将获得的alg/Tb³⁺/4-Aba小球用去离子水浸泡，得到发光水凝胶材料。

实施例3：

将0.6g 海藻酸钠加入到100 mL去离子水，搅拌至完全溶解并呈溶胶状。将海藻酸钠溶胶逐滴加入到100 mL 0.15mol/L的TbCl₃水溶液中，得透明状水凝胶小球，水洗，得海藻酸钠/Tb³⁺水凝胶。称取0.35 g 对氨基苯甲酸，加入30mL去离子水，用氢氧化钠溶液调节pH值，使溶液的pH达到8，且溶液透明。把海藻酸钠/Tb³⁺水凝胶加入到对氨基苯甲酸的钠盐水溶液中，在磁力搅拌器上缓慢搅拌24h后，用蒸馏水、无水乙醇、DMF、丙酮洗涤残留的稀土配合物，再用上述溶剂分别浸泡搅拌1h，依次过滤洗涤，除去残留的盐。最后，将获得的alg/Tb³⁺/4-Aba小球用去离子水浸泡，得到发光水凝胶材料。

实施例4：

将1.0g 海藻酸钠加入到100 mL去离子水，搅拌至完全溶解并呈溶胶状。将海藻酸钠溶胶逐滴加入到100 mL 0.2mol/L的TbCl₃水溶液中，得透明状水凝胶小球，水洗，得海藻酸钠/Tb³⁺水凝胶。称取0.35 g 对氨基苯甲酸，加入30mL去离子水，用氢氧化钠溶液调节pH值，使溶液的pH达到8，且溶液透明。把海藻酸钠/Tb³⁺水凝胶加入到对氨基苯甲酸的钠盐水溶液中，在磁力搅拌器上缓慢搅拌24h后，用蒸馏水、无水乙醇、DMF、丙酮洗涤残留的稀土配合物，再用上述溶剂分别浸泡搅拌1h，依次过滤洗涤，除去残留的盐。最后，将获得的alg/Tb³⁺/4-Aba小球用去离子水浸泡，得到发光水凝胶材料。

（二）发光水凝胶在日光下和在紫外灯下的照片

图1、2为该发光水凝胶分别在日光下和在紫外灯照射下的照片，从图中可以发现，在日光下，水凝胶呈白色小球状。在紫外灯照射下，水凝胶发射出绿色荧光。

（三）发光水凝胶的形貌

为了测定水凝胶的形貌，采用乙醇交换，获得醇凝胶，然后通过二氧化碳超临界干燥，获得气凝胶样品。采用美国FEI公司的NOVA/NANOSEM-450场发射扫描电子显微镜观测气凝胶小球的剖面，从图3中可以发现，该小球的内部呈现多孔结构。气凝胶小球的氮气吸附脱附曲线在Micromeritics ASAP 2010 上获得，测试温度在 77 K，测试前在323K 下抽真空直到真空度达到 3 × 10^-3 Torr 。图4表明，该发光材料呈现典型的多孔材料的吸附脱附性能，与图3的结果吻合。

（四）发光水凝胶的荧光性能

图5和图6是发光水凝胶的激发和发射光谱，从图5中可以发现，激发是通过对氨基苯甲酸配体吸收紫外光，进行能量传递，即所谓的“天线效应”。在激发光谱中，没有发现稀土离子的激发峰，说明能量传递效率较高，证明对氨基苯甲酸和稀土形成了配合物。图6是发光水凝胶在312nm激发下得到发射光谱，最大发射峰在544nm 处，这是典型的稀土铽离子的绿色发射峰。表明得到的色纯度较高的材料。图6的发射光谱中，没有发现有机配体的发射峰，这进一步说明对氨基苯甲酸配体和稀土铽离子形成了配位化合物，因为要实现能量传递，有机配体需要与稀土离子形成共价键合型的化合物。

荧光光谱实验使用日立公司（Hitachi）生产的F-4600荧光分光光度计完成。

（五）发光水凝胶的细胞毒性

图7为该发光水凝胶样品对大鼠胸主动脉内皮细胞（RAECs）毒性作用测试的结果示意图。说明该水凝胶样品具有良好的生物相容性，可以应用在生物医疗领域，比如作为荧光标记材料，同时该类材料可以作为潜在的荧光成像材料。与现有的物理掺杂技术相比较，该技术实现了共价键结合，使稀土发光中心稳定地与生物大分子网络结合在一起，避免了荧光猝灭，提高了发光强度。

Claims

1.一种绿色发光水凝胶，其特征是：该水凝胶含有的化学组分为Tb、Alg、ab，其中，Tb为稀土铽离子、Alg为海藻酸钠、ab为对氨基苯甲酸脱去质子之后的阴离子，该水凝胶氨基苯甲酸的稀土Tb配合物以共价键方式与Alg骨架分子相连，该水凝胶的分解温度为210℃。

2.一种如权利要求1所述的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的水凝胶的制备方法，其特征是：所述步骤1）的海藻酸钠溶液的浓度为0.4~0.6%。

4.根据权利要求 2 或 3 所述的水凝胶的制备方法，其特征是：所述步骤2）的Tb³⁺的摩尔浓度为0.04~ 0.08M。

5.以该水凝胶作为绿色荧光材料的应用。

6.根据权利要求5所述的水凝胶的应用，其特征是：该水凝胶的不同浓度对大鼠胸主动脉内皮细胞存活率的影响无统计学差异，无毒性，具有良好的生物相容性。