CN107441511A - 一种双功能金属纳米簇的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双功能金属纳米簇的制备方法，制备方法的步骤包括：第一步，配制纳米氧化铁Fe2O3水溶液；第二步，配制大分子模板溶液；第三步，包裹和分散纳米氧化铁Fe2O3；第四步，采用一锅合成法应生成具有近红外荧光和磁性的双功能荧光金属纳米簇。本发明有益效果是，本发明制备的双功能金属纳米簇在新型多模态造影剂、生物体肿瘤荧光成像、靶向标记和磁疗方面具有潜在的应用前景。为进一步开展肿瘤等重大疾病的精确诊断以及活体多模态成像，提供了一种良好造影剂的选择。

Description

一种双功能金属纳米簇的制备方法
技术领域
本发明涉及一种功能性金属纳米簇的制备方法，从使用上讲，是在材料、医学、生物工程等领域使用的一种具有荧光和磁性的双功能金属纳米簇的制备方法。
背景技术
纳米簇是纳米材料的一个小分支，纳米簇的尺寸大约在2nm。目前研究最为广泛的是金属纳米簇材料，金属纳米簇是由金属原子组合而成。其中，一些金属纳米簇，例如，金纳米簇通常由几个到几百个原子组成，尺寸小于2nm，是一种新型的发光纳米材料。这些荧光金属纳米簇具有良好的生物相容性和水溶性，能够作为荧光探针用于生物检测和生物成像。
以往的荧光成像标记物主要包括有机染料和荧光蛋白。因为其在光学方面的局限性，使得这小标记物在实验中存在一些缺陷。尤其在活细胞成像领域。与目前在生物检测和生物成像领域的量子点技术相比，荧光金属纳米簇展现出了高荧光量子产率和优良的稳定性，并引起了科研人员的关注并逐渐应用到生物成像。而且荧光金属纳米簇不但具有量子点原有的优点，还具有无毒，粒径尺寸更小的优点。克服了量子点的制备过程中，其前驱物会引入明显的毒性物质，使得量子点应用在生物成像具有隐患缺点；并且避免了一般情况下量子点尺寸同蛋白质一样甚至比蛋白质还大，导致在量子点上连接功能配体不能很好地发挥应有的作用的缺点。因此，荧光金属纳米簇比量子点更适合应用于生物检测和生物成像，这使得荧光金属纳米簇已经成为生物成像领域中不可或缺的技术。
目前，在医学生物成像领域向着精准成像、诱导成像、以及成像与精准治疗为一体的方向发展。在磁疗方面的定位与成像，都需要一种既能发光成像又具备磁性功能的双功能的荧光标记物。并且，随着多模态成像技术的发展，也迫切需要开发与多模态成像系统相应的新型多模态造影剂，即只需一次注射一种造影剂，便可实现两种或多种成像功能。目前磁共振成像（MRI）采用非侵入性监测方式深入组织，可提供解剖的细节和高质量的软组织的三维图像，但是其灵敏度相比放射性或光学方法而言较低；近红外荧光成像（NIR）具有更高的灵敏度和实时成像的能力，但是受其检测深度限制，仅仅应用到表面或近表面。由于MRI和NIR之间具有高度互补的特点，将磁共振和光学成像功能整合到单一的纳米粒子中能够有效地克服二者各自的缺点，实现优势互补。
鉴于荧光金属纳米簇的优良的近红外荧光性能和稳定性能，在此基础上，开发一种有具有荧光和磁性的双功能金属纳米簇是十分必要的。在荧光金属纳米簇上结合磁性材料，由此形成的复合材料既具有荧光，又有磁性。这就能够在一定程度上同时实现生物体肿瘤部位的荧光成像和磁疗，以及靶向给药的示踪，满足新型多模态造影剂的要求。
因此，有必要开发制备一种既具有荧光，又有磁性的双功能金属纳米簇。
发明内容
本发明的技术方案为：一种双功能金属纳米簇的制备方法，主要包括磁性材料的包裹和金属纳米簇的复合制备，其特征在于，制备方法的步骤如下。
第一步，配制浓度为含顺磁性氧化铁Fe2O3 3.0mg/mL ~7.5mg/mL的纳米氧化铁Fe2O3水溶液。放入超声清洗器中，30℃下超声震荡1h，备用。
第二步，准确秤取一定量的牛血清白蛋白BSA，或者过氧化氢酶，或者辣根过氧化物酶，或者半胱氨酸，或者谷胱甘肽，置于烧杯內，加入一定量去离子水，将烧杯放入磁力搅拌器，在30℃~ 60℃条件下剧烈搅拌溶解，最后定容浓度为50mg/mL的牛血清白蛋白BSA溶液，或者过氧化氢酶溶液，或者辣根过氧化物酶溶液，或者半胱氨酸溶液，或者谷胱甘肽溶液。将定容后的溶液转移到烧杯中，再次用磁力搅拌器，在30℃~ 60℃条件下剧烈搅拌，充分溶解；备用。
第三步，准确取一定量的备用溶解好的牛血清白蛋白BSA溶液，或者过氧化氢酶溶液，或者辣根过氧化物酶溶液，或者半胱氨酸溶液，或者谷胱甘肽溶液；再取一定量的备用的纳米氧化铁Fe2O3水溶液，在烧杯中混合。牛血清白蛋白BSA溶液，或者过氧化氢酶溶液，或者辣根过氧化物酶溶液，或者半胱氨酸溶液，或者谷胱甘肽溶液；与纳米氧化铁Fe2O3水溶液的混合体积比为：250∶3~12。这是本发明的创新点之一，是经过试验优化出来的最优条件。其原理是BSA，或者过氧化氢酶，或者辣根过氧化物酶，或者半胱氨酸，或者谷胱甘肽表面上有大量亲水性基团，例如羟基、羧基、巯基等。配制的含顺磁性氧化铁Fe2O3 3.0mg/mL ~7.5mg/mL的纳米氧化铁Fe2O3是用葡聚糖包裹的，纳米Fe2O3磁性材料表面也有羟基、羧基等亲水性基团。亲水性基团之间具有极大的吸附作用。除此之外，BSA或者过氧化氢酶，或者辣根过氧化物酶，或者半胱氨酸，或者谷胱甘肽还会通过静电作用以及氢键相互作用与纳米Fe2O3磁性材料进行结合。步骤接着将混合液用机械搅拌器，剧烈搅拌20min~60 min；然后再用超声波细胞破碎机，将其超声波变幅杆插入混合液中，再超声30 min ~60 min；目的是包裹和分散纳米氧化铁Fe2O3。多次超声，采用不同方法搅拌和分散，是本发明的优化步骤之一，既能避免磁性纳米氧化铁Fe2O3因为自身磁性能而团聚，又能克服纳米比表面积大不容易分散的困难。
第四步，向包裹和分散好的含有纳米氧化铁Fe2O3磁性材料的牛血清白蛋白BSA，或者过氧化氢酶，或者辣根过氧化物酶，或者半胱氨酸，或者谷胱甘肽的混合溶液中，加入金Au纳米簇，或者银Ag纳米簇，或者铜Cu纳米簇；各组分加入的质量比为：Fe2O3+BSA，或者Fe2O3+过氧化氢酶，或者Fe2O3+辣根过氧化物酶，或者Fe2O3+半胱氨酸，或者Fe2O3+谷胱甘肽∶氯金酸HAuCl4/硝酸银AgNO3/硫酸铜CuSO4 = 50~250∶5~15/2~6/3~12。各组分的质量比，是经过制备试验优化出来的最优条件，是按照制备试剂的原料量，进行计算得到的，这样制备过程控制简单，计算精确。提供制备过程的各组分质量比例数据，这个条件要求为重复实现制备满足双功能发明要求的金属纳米簇，提供了保障。混合溶液随后用机械搅拌器，室温下保持剧烈搅拌反应4h~9h。时间是保障产物反应完全及稳定的保障，优化条件也是经过实验，从测试结果得出的条件要求。
上述技术方案中优选的，所述超声波细胞破碎机的超声功率≤100W，超声变幅杆直径要求Φ6mm ~ Φ10mm。
上述技术方案中优选的，所述金Au纳米簇，或者银Ag纳米簇，或者铜Cu纳米簇能够直接用氯金酸HAuCl4，或者硝酸银AgNO3，或者硫酸铜CuSO4，在纳米氧化铁Fe2O3磁性材料的牛血清白蛋白BSA，或者过氧化氢酶，或者辣根过氧化物酶，或者半胱氨酸，或者谷胱甘肽的混合溶液中，采用一锅合成法，合成加入。
上述技术方案中优选的，所述金属纳米簇的金Au纳米簇，或者银Ag纳米簇，或者铜Cu纳米簇，其荧光发射波长都要≥600nm。氧化铁的光吸收波段为600nm以下，而对近红外的光吸收较少。由于本发明制备的金属纳米簇的荧光在600nm以上，不会受到纳米氧化铁的猝灭的影响。故，本发明创新性的利用生物分子之间的自组装和金属纳米簇在生物分子上原位合成的机理，进一步制备了含有纳米氧化铁的金属纳米簇复合材料，能够用于生物荧光成像和多模态造影剂。
本发明技术特点合成方法简单，条件温和，采用试剂环境友好。双功能金属纳米簇专业性强，应用前景好。
与现有的荧光金属纳米簇相比，本发明有下列有益效果：本发明制备双功能金属纳米簇同时具有荧光和磁性，在新型多模态造影剂、生物体肿瘤荧光成像、靶向标记和磁疗方面具有潜在的应用前景。这为进一步开展肿瘤等重大疾病的精确诊断，以及活体多模态成像奠定了良好基础。
附图说明
图1为本发明制备的双功能金纳米簇光谱比较图。
图2为本发明制备的双功能金纳米簇的时间进程曲线图。
图3为本发明制备的双功能银纳米簇的透射电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步对本发明加以说明。
实施例一
参照图1、图2，一种双功能金属纳米簇的制备方法，主要包括磁性材料的包裹和金属纳米簇的复合制备，其特征在于，制备方法的步骤如下。
第一步，配制浓度为含顺磁性氧化铁Fe2O37.5mg/mL的纳米氧化铁Fe2O3水溶液；放入超声清洗器中，30℃下超声震荡1h，备用。
第二步，准确秤取125mg牛血清白蛋白BSA，置于烧杯內，加入2.5mL去离子水，将烧杯放入磁力搅拌器，在30℃~ 60℃条件下剧烈搅拌溶解，定容。最后将定容后溶液转移到烧杯中再次用磁力搅拌器，在30℃~ 60℃条件下剧烈搅拌，充分溶解；备用。
第三步，准确取2.5mL的备用溶解好的牛血清白蛋白BSA溶液，再取30μL备用的纳米氧化铁Fe2O3水溶液，在烧杯中混合。将混合液用机械搅拌器，剧烈搅拌20min。然后再用超声波细胞破碎机，将其超声波变幅杆插入混合液中，再超声30 min。包裹和分散纳米氧化铁Fe2O3。
第四步，向包裹和分散好的含有纳米氧化铁Fe2O3磁性材料的牛血清白蛋白BSA溶液中，逐滴滴加2.5mL浓度为10mM的氯金酸HAuCl4溶液。2min后逐滴滴加0.25mL浓度为1M的NaOH溶液，调节pH达到11.5，在40℃水浴中反应，保持剧烈搅拌反应6h。使包裹的纳米Fe2O3磁性材料，与合成金Au纳米簇的二者充分混合和进行自组装反应。6h后反应溶液的颜色变成褐色，且在紫外光照射下发出荧光，则表明Au-BSA NCs已成功制备，即得到具有荧光性能和磁性的双功能金Au纳米簇。
参见图1。对本发明制备的双功能金纳米簇的光谱性能做了比较实验测试。由图中可以看到，本发明制备的双功能金纳米簇和单一金纳米簇溶液的激发光谱和发射光谱比较一致，最佳激发峰和发射峰位置都在470nm和660nm，本发明制备的双功能金纳米簇的荧光强度相比单一金纳米簇只降低了10%左右，这并不影双功能金纳米簇作为荧光探针用于生物荧光成像。
参见图2。对发明制备的双功能金纳米簇的光学稳定性，进行了实验测试。从图2时间进程曲线中可以看出，10min以内荧光强度随着时间增加几乎没有变化，表明本发明制备的双功能金纳米簇具有优良的光稳定性。
实施例二
参照图3，一种双功能金属纳米簇的制备方法，主要包括磁性材料的包裹和金属纳米簇的复合制备，以过氧化氢酶为模板，采用一锅合成法制备了含有纳米氧化铁Fe2O3的双功能银纳米簇。具体制备步骤参照实施例一。
参见图3。对本发明制备的双功能银纳米簇，通过透射电子显微镜进行形貌和大小表征。由照片所示，发明制备的双功能银纳米簇粒径均一，高分辨显微镜表明发明制备的双功能银纳米簇具有明显的晶格，粒径大于5nm。根据文献报道，银纳米簇的尺寸在2nm左右，这表明发明制备的双功能银纳米簇已经和纳米氧化铁相结合，从而使粒径尺寸增大。另外，经磁性测试表明，在磁场中，本发明制备的双功能金纳米簇、双功能银纳米簇、双功能铜纳米簇，均具有磁性。

Claims (4)

1.一种双功能金属纳米簇的制备方法，主要包括磁性材料的包裹和金属纳米簇的复合制备，其特征在于，制备方法的步骤如下：
第一步，配制浓度为含顺磁性氧化铁Fe2O3 3.0mg/mL ~7.5mg/mL的纳米氧化铁Fe2O3水溶液；放入超声清洗器中，30℃下超声震荡1h，备用；
第二步，准确秤取一定量的牛血清白蛋白BSA，或者过氧化氢酶，或者辣根过氧化物酶，或者半胱氨酸，或者谷胱甘肽，置于烧杯內，加入一定量去离子水，将烧杯放入磁力搅拌器，在30℃~ 60℃条件下剧烈搅拌溶解，最后定容浓度为50mg/mL的牛血清白蛋白BSA溶液，或者过氧化氢酶溶液，或者辣根过氧化物酶溶液，或者半胱氨酸溶液，或者谷胱甘肽溶液；将定容后的溶液转移到烧杯中，再次用磁力搅拌器，在30℃~ 60℃条件下剧烈搅拌，充分溶解；备用；
第三步，准确取一定量的备用溶解好的牛血清白蛋白BSA溶液，或者过氧化氢酶溶液，或者辣根过氧化物酶溶液，或者半胱氨酸溶液，或者谷胱甘肽溶液；再取一定量的备用的纳米氧化铁Fe2O3水溶液，在烧杯中混合；牛血清白蛋白BSA溶液，或者过氧化氢酶溶液，或者辣根过氧化物酶溶液，或者半胱氨酸溶液，或者谷胱甘肽溶液；与纳米氧化铁Fe2O3水溶液的混合体积比为：250∶3~12；将混合溶液用机械搅拌器，剧烈搅拌20min~60 min；然后再用超声波细胞破碎机，将其超声波变幅杆插入混合液中，再超声30 min ~60 min；包裹和分散纳米氧化铁Fe2O3；
第四步，向包裹和分散好的含有纳米氧化铁Fe2O3磁性材料的牛血清白蛋白BSA，或者过氧化氢酶，或者辣根过氧化物酶，或者半胱氨酸，或者谷胱甘肽的混合溶液中，加入金Au纳米簇，或者银Ag纳米簇，或者铜Cu纳米簇；各组分加入的质量比为：Fe2O3+BSA，或者Fe2O3+过氧化氢酶，或者Fe2O3+辣根过氧化物酶，或者Fe2O3+半胱氨酸，或者Fe2O3+谷胱甘肽∶氯金酸HAuCl4/硝酸银AgNO3/硫酸铜CuSO4 = 50~250∶5~15/2~6/3~12；加入后，用机械搅拌器，室温下保持剧烈搅拌反应4h~9h。
2.根据权利要求1所述的一种双功能金属纳米簇的制备方法，其特征在于：所述超声波细胞破碎机的超声功率≤100W，超声变幅杆直径要求Φ6mm ~Φ10mm。
3.根据权利要求1所述的一种双功能金属纳米簇的制备方法，其特征在于：所述金Au纳米簇，或者银Ag纳米簇，或者铜Cu纳米簇能够直接用氯金酸HAuCl4，或者硝酸银AgNO3，或者硫酸铜CuSO4，在纳米氧化铁Fe2O3磁性材料的牛血清白蛋白BSA，或者过氧化氢酶，或者辣根过氧化物酶，或者半胱氨酸，或者谷胱甘肽的混合溶液中，采用一锅合成法，合成加入。
4.根据权利要求1所述的一种双功能金属纳米簇的制备方法，其特征在于：所述金属纳米簇的金Au纳米簇，或者银Ag纳米簇，或者铜Cu纳米簇，其荧光发射波长都要≥600nm。
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