CN107541208B

CN107541208B - 一种核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法

Info

Publication number: CN107541208B
Application number: CN201710718491.7A
Authority: CN
Inventors: 杨冬芝; 姚欣悦; 孙世安; 杜岩; 汤道权; 王娜; 董睛睛
Original assignee: Xuzhou Medical University
Current assignee: Xuzhou Medical University
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: CN107541208A

Abstract

本发明公开了一种核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法，它是以石墨烯量子点为核，以中空介孔二氧化硅为壳的核壳型纳米颗粒，该纳米颗粒的直径为80~120 nm，荧光发射波长为570~670 nm。本方法以有机合成方法制备的GQDs作为核，hMSN作为壳制备GQDs@hMSN。本方法利用有机相合成法制备水溶性GQDs，并直接以GQDs为核，制备石墨烯量子点@致密二氧化硅纳米颗粒，经化学蚀刻，制备兼具GQDs光学性能、hMSN中空介孔结构和丰富表面电荷的复合物。该材料具有优良的光学性质和中空介孔结构，可应用于生物体内光学成像和医学治疗或肿瘤的诊断与治疗中。

Description

一种核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法

技术领域

本发明属于纳米荧光材料技术领域，具体涉及一种石墨烯量子点@介孔中空二氧化硅（GQDs@hMSN）复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots，GQDs）是碳量子点家族的一员，其结构中不使用任何有毒金属（如：镉、铅等），具有很好的生物相容性，优良的荧光性能使其在医学诊断和治疗方面具有巨大的应用潜力。石墨烯量子点的合成方法主要集中于Top-down和Bottom-up方法，其中Top-down方法是通过物理或化学方法将大尺寸的石墨烯破碎成小尺寸石墨烯量子点，主要包括水热法、溶剂热法、强酸氧化法和电化学方法，由于破碎点的随意性，这种方法制备的GQDs尺寸和形貌难以控制。而Bottom-up方法是以小分子为前提，通过一系列化学反应逐步合成GQDs，包括溶液化学法和热解炭化法。然而上述Top-down和Bottom-up方法制备的GQDs荧光发射波长大都小于500 nm，位于蓝光区，较短的发射波长不利于在生物体内的进一步应用。虽有文献报道利用溶液化学法可以制备出发射近红外荧光的GQDs，拓宽了其在医学成像领域中的应用，但合适的纳米尺寸是纳米材料应用于生物体内的首要考虑问题，GQDs具有较小尺寸（小于10 nm），在体内极易通过肾脏排出，不利于在医学成像或纳米载药系统中发挥作用。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上，提供一种荧光发射波长为570~670 nm的核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料，它同时具有优良的光学性质和中空介孔结构，且纳米尺寸适宜于生物体内应用。

本发明的另一目的是在现有技术的基础上，提供一种核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法，首先制备发射近红外荧光的GQDs，然后以GQDs为核，制备中空介孔二氧化硅（hollow Mesoporous Silica Nanoparticle, hMSN），形成GQDs@hMSN核壳型纳米材料。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料，它是以石墨烯量子点为核，以中空介孔二氧化硅为壳的核壳型纳米颗粒，该纳米颗粒的直径为80~120 nm。

本发明所提供的纳米颗粒的荧光发射波长为570~670 nm，它还具有优良的光学性质和中空介孔结构。

本发明提供了一种上述核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将4-溴苄基溴和N, N-二甲基十二胺在溶剂中溶解后，在惰性气体保护下进行反应，得到中间体1；

（2）取中间体1、3-噻吩硼酸、碳酸钠和4-(三苯基膦)钯，在溶剂中溶解后，在惰性气体保护下进行加热反应，得到中间体2；

（3）将中间体2与三氯化铁在惰性气体保护下进行反应，得到中间体PT2；

（4）取中间体PT2溶于水后，在加热条件下反应，得到GQDs水溶液；

（5）将GQDs水溶液、乙醇及氨水混合后，加入正硅酸四乙酯溶液，进行反应，得到石墨烯量子点@致密二氧化硅纳米颗粒混悬液；

（6）取十六烷基三甲基氯化铵和三乙醇胺溶液在水中分散后，继续加入所述石墨烯量子点@致密二氧化硅纳米颗粒混悬液进行反应，再升温后缓慢加入正硅酸四乙酯继续反应，然后加入碳酸钠进行蚀刻反应，即得GQDs@hMSN纳米颗粒。

在步骤（1）中，4-溴苄基溴与N, N-二甲基十二胺的摩尔比优选为1:1.1~1.5，进一步优选为1:1.3。该步骤中的溶剂可以为二氯甲烷-甲醇混合溶剂，例如V_二氯甲烷:V_甲醇=3:2的混合溶剂。该步骤中的反应的温度为20~30℃。本发明中的常温是指20~30℃。

步骤（1）中的反应结束后的一种后处理方法为：反应液经减压蒸馏浓缩，浓缩液转移至乙醚分散，并静置待沉淀完全析出。沉淀物经过滤、真空干燥，即得到白色晶状固体，为N-(4-苄基溴)-N, N-二甲基十二烷基溴化铵，本发明中简称“化合物1”或“中间体1”。为保证该步骤后处理中的沉淀完全，提高化学反应产量，反应液应浓缩至小于原体积25%。

在步骤（2）中，中间体1、3-噻吩硼酸、碳酸钠和4-(三苯基膦)钯的摩尔比优选为1:4.5~5.0:0.1~0.3:0.6~1.0，进一步优选1:4.7:0.17:0.86；该步骤中的溶剂为乙醇-水混合溶剂；该步骤中的反应的温度为80~100℃，优选90℃。该步骤中的化学反应需要保证惰性环境，因此可在反应过程中需连续充入氮气。

一种步骤（2）的反应后处理步骤为：反应液经减压蒸馏除去乙醇，以适量二氯甲烷萃取残渣，静置分层，上述萃取步骤重复3次，合并萃取液，随后向萃取液中加入足量无水硫酸钠除去残留的水分。萃取液经减压蒸馏后，残渣分别经硅胶柱和薄层色谱分离获得“化合物2”，其中硅胶柱预分离所使用流动相为二氯甲烷-甲醇溶液（V:V=60:1），薄层层析展开剂为二氯甲烷-甲醇溶液（V:V=30:1），薄层层析所得产物经溶解、过滤、减压蒸馏并干燥，得到白色晶体，为N, N-二甲基-N'-4-(3-噻吩基)苄基-十二烷基溴化铵，本发明中简称“化合物2”或“中间体2”。

在步骤（3）中，一种优选的方案为：中间体2先溶解在无水氯仿中得到中间体2溶液，另取无水三氯化铁溶解在无水氯仿中后，缓慢加入所述中间体2溶液，在氮气气氛以及20~30℃下搅拌反应，得到中间体PT2；其中无水三氯化铁的用量为中间体2质量的3~5倍。步骤（3）中所用试剂需要无水或做干燥处理，且化学反应在惰性气体，例如氮气中完成。

步骤（3）的反应结束后，可将产物过滤，滤饼以甲醇洗涤数次，干燥后得到暗红色固体，为聚3-(4-(2-N, N-二甲基-N'-十二烷基溴化铵)乙基)苄基) 噻吩，本发明中简称化合物PT2或中间体PT2。

在步骤（4）中，加热反应是在高压反应釜中进行；一种具体方法为：中间体PT2溶于水后，在高压反应釜中加热至120~180℃进行反应，反应时间为4~48 h。反应后可进一步将得到的GQDs水溶液用去离子水透析，可得到中性GQDs水溶液。为保证PT2完全分散至水中，可进一步采用超声处理，并使超声时间足够长。

在步骤（5）中，GQDs水溶液、乙醇与氨水的体积比优选为25:170~190:3~5，进一步优选为25:180:4，该步骤的反应温度为20~30℃。加入正硅酸四乙酯（TEOS）后需控制反应时间，避免GQDs @ dSNs纳米颗粒的粒径过大，较佳的反应时间为20～30min。

步骤（5）中，正硅酸四乙酯的加入量，以每20 mL GQDs@hMSN计，为0.8~1.2 mL。

步骤（5）的反应结束后，可将反应液离心，并经水及乙醇（V:V = 5:1）洗涤3次，重新分散至适量去离子水中备用，即GQDs @ dSNs溶液。

在步骤（6）中，十六烷基三甲基氯化铵和三乙醇胺的体积比优选为9~11:1。

步骤（6）的一种优选方案为：取十六烷基三甲基氯化铵和三乙醇胺溶液在水中分散后，上述溶液中加入GQDs @ dSNs混悬液后在20~30℃下搅拌反应，GQDs @ dSNs和CTAC的质量体积比优选为2.8~4.2 mg/10 mL，进一步优选为3.5 mg/10 mL，再升温至70~90℃缓慢加入正硅酸四乙酯继续进行反应，GQD/dSNs和TEOS的质量比优选为1:0.3~0.5，进一步优选为1:0.4，然后降温至40~60℃加入碳酸钠进行蚀刻反应，碳酸钠和TEOS的质量比优选为1:0.4~0.6，进一步优选为1:0.5，蚀刻时间为20~50 min。步骤（6）中要严格控制前两次的反应温度以及加入碳酸钠后的蚀刻时间，以确保蚀刻均匀。

本发明的方法以有机合成方法制备的GQDs作为核，hMSN作为壳制备GQDs@hMSN。本方法利用有机相合成法制备水溶性GQDs，并直接以GQDs为核，制备石墨烯量子点@致密二氧化硅纳米颗粒，经化学蚀刻，制备兼具GQDs光学性能、hMSN中空介孔结构和丰富表面电荷的复合物。

本发明所得的GQDs@hMSN复合材料兼具GQDs和hMSN的性质。目前利用有机溶剂制备量子点的方法粒径较小，不利于体内进一步应用，而本发明经与hMSN形成复合物GQDs@hMSN后，量子点具有如下性质：一是具有GQDs发射荧光的光学性质，以用于医学光学诊断；二是具备hMSN的尺寸性质、结构性质和表面性质，其尺寸由原有GQDs本身3~5 nm增大至~100 nm，具备中空介孔结构和表面带有丰富的氨基基团，以用于纳米载药系统的构建以及靶向基团的链接。

本发明以石墨烯量子点GQDs为核，中空介孔二氧化硅hMSN为壳制备核壳型GQDs@hMSN纳米颗粒。本发明所制备的纳米材料除具有以下优点：（1）兼具光学及中空介孔结构双重性质。本发明构建的纳米材料保留了GQDs原有的荧光性质和hMSN的中空介孔结构，因此，GQDs@hMSN具备生物体内光学成像和医学治疗的应用条件；（2）表面基团丰富。本发明构建的纳米材料壳层表面带有丰富的氨基基团，可以在温和的条件下实现与生物大分子（蛋白质，多肽等）的链接，有利于进一步修饰或功能化。由于本发明制备的GQDs@hMSN复合材料具备优良荧光性能，同时具有高效载药能力，可以用于肿瘤的诊断与治疗中。

附图说明

图1是GQDs@hMSN的透射电镜图。

图2是GQDs@hMSN荧光光谱图（激发波长为500 nm）。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步描述本发明。但它们不是对本发明的限定。

核壳型GQDs@hMSN的制备方法:

（1）称取4-溴苄基溴和N, N-二甲基十二胺（摩尔比为1:1.3），置于二氯甲烷-甲醇溶液（V:V =3:2）中溶解，于氮气气氛下室温搅拌12 h，反应液经减压蒸馏浓缩，浓缩液转移至乙醚分散，并静置待沉淀完全析出。沉淀物经过滤、真空干燥，即得到白色晶状固体，以下简称“化合物1”。

（2）称取化合物1, 3-噻吩硼酸，碳酸钠和4-(三苯基膦)钯（Pd(PPh₃)₄）（摩尔比为1:4.7:0.17:0.86），置于乙醇-水溶液（V:V = 2:1）中溶解，于氮气气氛下加热至90℃，并回流6 h。反应液经减压蒸馏除去乙醇，以适量二氯甲烷萃取残渣，静置分层，上述萃取步骤重复3次，合并萃取液，随后向萃取液中加入足量无水硫酸钠除去残留的水分。萃取液经减压蒸馏后，残渣分别经硅胶柱和薄层色谱分离获得“化合物2”，其中硅胶柱预分离所使用流动相为二氯甲烷-甲醇溶液（V:V=60:1），薄层层析展开剂为二氯甲烷-甲醇溶液（V:V=30:1），薄层层析所得产物经溶解、过滤、减压蒸馏并干燥，得到白色晶体“化合物2”。

（3）取“化合物2”，加入适量无水氯仿使之溶解。另取约4倍“化合物2”质量的无水三氯化铁，加入无水氯仿使之溶解，将“化合物2”缓慢滴加至三氯化铁溶液中，氮气气氛下室温搅拌反应48 h。反应结束后过滤，滤饼以甲醇洗涤数次，干燥后得到暗红色固体，即为PT2。

（4）称取PT2 适量，溶于去离子水。取适量PT2溶液于高压反应釜，并于160℃反应12 h，即得为GQDs水溶液，经去离子水透析，得到中性GQDs水溶液。

（5）量取GQDs水溶液、乙醇及氨水（NH₃·H₂O）（V:V:V = 25:180:4）于反应瓶中，室温搅拌5~10 min，加入适量正硅酸四乙酯（TEOS）溶液，室温反应20~30 min，即得石墨烯量子点@致密二氧化硅（Graphene Qutum Dots @ dense Silica Nanoparticles, GQDs @dSNs）纳米颗粒混悬液。将反应液离心，并经水及乙醇（V:V = 5:1）洗涤3次，重新分散至适量去离子水中备用。

（6）称取适量十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）和三乙醇胺溶液（TEA）（V:V = 10:1）分散至水中，加入上述制备的GQDs @ dSNs溶液，室温搅拌反应1.5 h。反应液升温至80℃，向其中缓慢滴加TEOS 适量后，80℃反应1 h。反应液温度降至50℃，向其中加入碳酸钠，蚀刻反应40 min，产物经离心后，并用双蒸水、氯化钠-甲醇（1%）分别洗涤三次，即得GQD@hMSN纳米颗粒。

实施例1-6

实施例1-6均采用上述方法进行制备GQDs@hMSN纳米颗粒，不同之处在于通过调整步骤（4）中高压反应釜的温度和反应时间，控制GQDs的荧光性能；通过调整步骤（5）中加入不同量的TEOS，控制hMSN的粒径；通过调整步骤（6）中使用不同的蚀刻温度和时间，控制hMSN壳层厚度。有关实验结果如下：

表1 各实施例中GQD量子点的合成条件

在高压反应釜中由GQDs前驱体生成GQDs产物，反应温度越高，所需反应时间越短；TEOS加入量决定生成壳层二氧化硅的直径，加入量越多，最终生成GQDs@hMSN的颗粒直径越大；使用碳酸钠对二氧化硅进行蚀刻的温度和时间，决定了壳层hMSN的厚度，蚀刻温度越高，时间越长，其壳层厚度越小。

在实施例1中，GQDs前驱体溶液在高压反应釜中的温度为160℃，时间为12 h，生成石墨烯量子点@致密二氧化硅时加入TEOS体积为1 mL，碳酸钠蚀刻温度为50℃，时间为40min。所得GQDs@hMSN的直径为100 nm，荧光发射波长为630 nm，hMSN壳层厚度为15 nm。其透射电镜和荧光光谱图见附图。

在在实施例2中，GQDs前驱体溶液在高压反应釜条件及生成石墨烯量子点@致密二氧化硅时加入TEOS体积与实施例1相同，仅碳酸钠蚀刻时间调整为30 min。所得GQDs@hMSN的直径为100 nm，荧光发射波长为630 nm，hMSN壳层厚度为25 nm。

在在实施例3中，GQDs前驱体溶液在高压反应釜条件与实施例1不同，调整为温度为180℃，反应时间为4 h，其他制备条件不变。所得GQDs@hMSN的直径为110 nm，荧光发射波长为650 nm，hMSN壳层厚度为15 nm。

在在实施例4中，GQDs前驱体溶液在高压反应釜条件及生成石墨烯量子点@致密二氧化硅时加入TEOS体积与实施例3相同，仅碳酸钠蚀刻时间调整为30 min，所得GQDs@hMSN的直径为110 nm，荧光发射波长为650 nm，hMSN壳层厚度为25 nm。

在在实施例5中，GQDs前驱体溶液在高压反应釜条件及碳酸钠蚀刻时间与实施例1相同，仅生成石墨烯量子点@致密二氧化硅时加入TEOS体积调整为1.2 mL。所得GQDs@hMSN的直径仍为120 nm，荧光发射波长为630 nm，但hMSN壳层厚度变为20 nm。

在在实施例6中，GQDs前驱体溶液在高压反应釜条件及生成石墨烯量子点@致密二氧化硅时加入TEOS体积与实施例5相同，仅碳酸钠蚀刻时间调整为30 min。所得GQDs@hMSN的直径仍为120 nm，荧光发射波长为630 nm，但hMSN壳层厚度变为12 nm。

应当指出的是，具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例。还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，从此文件中所公开提到或是联想到的，均应认为是本专利所要保护的范围。

Claims

1.一种核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将4-溴苄基溴和N, N-二甲基十二胺在溶剂中溶解后，在惰性气体保护下进行反应，得到中间体1；其中4-溴苄基溴与N, N-二甲基十二胺的摩尔比为1:1.1~1.5；所述溶剂为二氯甲烷-甲醇混合溶剂；所述反应的温度为20~30℃；

（4）取中间体PT2溶于水后，在高压反应釜中加热至120~180℃进行反应，反应时间为4~48 h，得到GQDs水溶液；

（5）将GQDs水溶液、乙醇及氨水混合后，加入正硅酸四乙酯溶液，进行反应，得到石墨烯量子点@致密二氧化硅纳米颗粒混悬液；其中GQDs水溶液、乙醇与氨水的体积比为25:170~190:3~5；正硅酸四乙酯的加入量以每20 mL GQDs@hMSN计，为0.8~1.2 mL；

（6）取十六烷基三甲基氯化铵和三乙醇胺溶液在水中分散后，继续加入所述石墨烯量子点@致密二氧化硅纳米颗粒混悬液进行反应，再升温后缓慢加入正硅酸四乙酯继续反应，然后降温至40~60℃加入碳酸钠进行蚀刻反应，蚀刻时间为20~50 min，即得GQDs@hMSN纳米颗粒；

该GQDs@hMSN纳米颗粒是以石墨烯量子点为核，以中空介孔二氧化硅为壳的核壳型纳米颗粒，该纳米颗粒的直径为80~120 nm；其荧光发射波长为570~670 nm。

2.根据权利要求1所述的核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于在步骤（2）中，中间体1、3-噻吩硼酸、碳酸钠和4-(三苯基膦)钯的摩尔比为1:4.5~5.0:0.1~0.3:0.6~1.0；所述溶剂为乙醇-水混合溶剂；所述反应的温度为80~100℃。

3.根据权利要求1所述的核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于在步骤（3）中，中间体2先溶解在无水氯仿中得到中间体2溶液，另取无水三氯化铁溶解在无水氯仿中后，缓慢加入所述中间体2溶液，在氮气气氛以及20~30℃下搅拌反应，得到中间体PT2；其中无水三氯化铁的用量为中间体2质量的3~5倍。

4.根据权利要求1所述的核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于在步骤（5）中，反应温度为20~30℃，反应时间为20～30min。

5.根据权利要求1所述的核壳型石墨烯量子点@介孔二氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于在步骤（6）中，十六烷基三甲基氯化铵和三乙醇胺的体积比为9~11:1，加入石墨烯量子点@致密二氧化硅纳米颗粒混悬液后在20~30℃下搅拌反应，再升温至70~90℃缓慢加入正硅酸四乙酯继续进行反应。