CN111040098B - 一种内部载有量子点的荧光聚合物微球及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内部载有量子点的荧光聚合物微球及其制备方法。首先将丙烯酸和S‑1‑十二烷基‑S′‑(α,α′‑二甲基‑α″‑乙酸)三硫代碳酸酯共聚得到大分子RAFT试剂PAA‑TTC；再以甲基丙烯酸缩水甘油酯为功能单体，大分子RAFT试剂PAA‑TTC为稳定分散剂，加入交联剂，通过RAFT光分散聚合方法，合成了交联PGMA微球；然后将得到的微球在有机溶剂中溶胀后，加入巯基丙酸配体稳定的硒化镉量子点，在加热条件下，加入催化剂，使巯基丙酸配体上的羧基与微球内部的环氧基团发生反应，从而制备得到内部载有荧光量子点的聚合物微球。通过在微球内部引入环氧基基团，可以与巯基丙酸配体稳定的水溶性量子点反应，为量子点荧光聚合物微球的制备提供了一种新的路径，得到的荧光聚合物微球粒径均匀，单分散性好，荧光性能非常稳定而持久。

Description

一种内部载有量子点的荧光聚合物微球及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，更具体地，涉及一种内部载有量子点的荧光聚合物微球及其制备方法。

背景技术

尺寸在纳米至微米级的、球表面或内部载有荧光物质的聚合物微球，因其稳定的形貌结构及高效的发光效率，在生物医学检测、体内标记、免疫分析、固定化酶等领域具有巨大的应用潜力。目前，荧光聚合物微球的制备方法主要有物理和化学两种方法。物理方法制备聚合物荧光微球是一种最直接、最简单的方法，往往是通过微球表面的物理吸附力、或氢键作用力、或嵌入、包裹等方式，将荧光物质与聚合物微球进行结合，该种方法最大的优点是不会影响聚合物微球原有的形态和单分散性。但这种方法同时也有难制备高荧光强度的微球，且易导致荧光物质泄漏等缺点。而接枝法和共聚法能够将荧光物质通过化学反应方式牢固的与聚合物微球结合，很好解决了泄漏的问题，但这类方法前者往往接枝率不高，或者添加量有一定的限制。因此，不同的制备方法都各有优缺点，需要根据制备需求来选择合适的方法，或将两者方法有点结合。

用于制备聚合物微球的荧光物质主要包括有机荧光染料、发光稀土元素、量子点等。荧光素类、罗明丹类、香豆素类等有机荧光染料是最常用的荧光物质，其具有荧光效率高、重复性好、易处理等优点，这些有机荧光染料大多含有活性基团，通过化学改性或者物理共价键方式可以很方便引入到聚合物微球中，制备的聚合物荧光微球广泛用于荧光成像、免疫分析、DNA测序中。发光稀土元素是最近几年研究较多的荧光物质，载有稀土元素的荧光微球特别适合用于生物样品体外的免疫分析，同时在细胞检测、生物成像、及药物筛选和分析等方面也有很多应用。稀土发光元素中常用的是三价镧系元素的螯合物，先要合成稀土金属纳米粒子，将这些金属纳米粒子进行改性后，通过包埋或共聚的方式复合到聚合物微球中。同时，通过控制加入金属纳米粒子的量来有效的控制聚合物微球的金属荧光物质负载量。量子点是三维尺寸都在2～10nm范围内一种金属纳米粒，具有限制电子和电子空穴的量子效应，能发出特定频率的光，并且发出的光的频率会随着这种半导体的尺寸的改变而变化，量子点作为标记探针特别适用于高灵敏度、活体动态示踪观察等生命科学相关领域。因此，将量子点引入到聚合物微球中，使其更好发挥在如细胞免疫荧光成像、流式细胞术、荧光免疫吸附分析等方面的应用，自然就成为科研工作者们关注的焦点。

当前，量子点荧光复合微球的制备方法主要有溶胀法、层层自组装法和共聚法。溶胀法操作简单，但是存在单个荧光微球之间荧光亮度差异较大的问题；层层自组装法制备量子点荧光微球的方法较为简单，但是面临着可控性差、稳定性差、荧光性能下降等问题；共聚法制备得到的荧光微球亮度均一，量子点和微球结合牢固，但是在聚合过程中量子点极易氧化、聚集，从而导致量子点的荧光强度下降甚至淬灭。因此，需要提供一种新的荧光聚合物微球的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种内部载有量子点的荧光聚合物微球的制备方法。以甲基丙烯酸缩水甘油醚(GMA)为功能单体，大分子RAFT试剂PAA-TTC为稳定剂、加入光引发剂、RAFT试剂、交联剂，通过RAFT光分散聚合的方法制备交联的GMA共聚微球，所获得微球溶胀吸附巯基丙酸配体稳定的量子点，获得了内部载有量子点的荧光聚合物微球。

本发明的另一目的在于提供由上述方法制备得到的荧光聚合物微球。

本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：

一种内部载有量子点的荧光聚合物微球的制备方法，包括如下步骤：

S1.将丙烯酸(AA)和S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯(DDMAT)共聚得到大分子RAFT试剂PAA-TTC；

S2.将步骤S1获得的PAA-TTC与甲基丙烯酸缩水甘油醚、光引发剂、交联剂加入到反应容器中，通入氮气，以乙醇/水混合液作为溶剂，光源照射引发聚合反应，反应结束后用乙醇/水混合液清洗，反复离心洗涤，即得交联PGMA微球；

S3.将步骤S2获得的交联PGMA微球在有机溶剂中溶胀后，加入巯基丙酸稳定的硒化镉/硫化锌量子点，磁力搅拌，加入催化剂，加热条件下使量子点表面的羧基与微球内部环氧基进行充分反应，获得内部载有量子点的荧光聚合物微球。

本发明首先通过将丙烯酸与DDMAT共聚得到大分子RAFT试剂PAA-TTC作为稳定剂。再以甲基丙烯酸缩水甘油醚(GMA)为功能单体，以大分子RAFT试剂PAA-TTC为稳定剂、加入光引发剂、可逆加成-断裂链转移剂(简称RAFT试剂)、交联剂，通过RAFT光分散聚合的方法制备交联的GMA共聚微球，由于球体含有了大量的的环氧基团，能在一定条件下，与带有羧基、羟基、氨基等基团的化合物反应，实现微球内部的功能化。然后将获得微球溶胀吸附巯基丙酸配体稳定的量子点，使量子点表面的羧基与微球内部环氧基进行充分反应，将量子点通过化学反应的方式牢固的接在球上，获得了内部载有量子点的荧光聚合物微球。PGMA微球在溶剂溶胀、与量子点反应前后，微球的形貌、粒径几乎能保持不变，不会受到影响。本发明通过在微球内部引入环氧基基团，可以与巯基丙酸配体稳定的水溶性量子点反应，为量子点荧光聚合物微球的制备提供了一种新的路径。

优选地，所述甲基丙烯酸缩水甘油醚浓度为反应体系的5～40wt％。

优选地，所述大分子RAFR试剂PAA-TTC的分子量为6000～40000。

优选地，所述S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯的浓度为0.1～5wt％(相对于丙烯酸单体)。

优选地，所述PAA-TTC为甲基丙烯酸缩水甘油醚单体的10～20wt％。

优选地，所述光引发剂的浓度为1～10wt％(相对于甲基丙烯酸缩水甘油醚单体)。

优选地，所述交联剂的浓度为1～3wt％(相对于甲基丙烯酸缩水甘油醚单体)。

优选地，所述光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮-1、1-羟基-环己基苯酮、2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦、双苯甲酰基苯基氧化膦或2-甲基-1-[4-甲巯基苯基]-2-吗啉丙酮-1、2-苯基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉苯基)-丁酮-1中的任意一种。

优选地，所述交联剂为二缩丙二醇双丙烯酸酯(DPGDA)、三羟基甲烷三丙烯酸酯(TMPTA)或其它常规的含两个或两个以上可自由基聚合双键的化合物。

优选地，所述乙醇/水混合溶剂中乙醇与水的重量比为20:80～80:20。

优选地，光源为中压汞灯、紫外光无极灯、金属卤素灯或UV-LED光源，光强为0.2～100mW/cm²。

优选地，所述的有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、乙腈、二甲基亚砜、二氧六环、四氢呋喃等。

本发明还请求保护上述任一所述方法制备得到的内部载有量子点的荧光聚合物微球。所述荧光聚合物微球的平均粒径为500nm，本发明通过选择不同尺寸，发射波长分别为520±10nm、580±10nm、620±10nm的量子点，通过这种羧基与环氧基反应方式接到PGMA微球上，所获得的微球在荧光共聚焦显微镜下呈现绿、黄、红三种不同颜色，而且微球的荧光性能非常稳定而持久。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种内部载有量子点的荧光聚合物微球的制备方法，通过在微球内部引入环氧基基团，与巯基丙酸配体稳定的水溶性量子点反应，为量子点荧光聚合物微球的制备提供了一种新的路径，所述方法得到的交联微球在溶剂溶胀、与量子点反应前后，微球的形貌、粒径几乎能保持不变，不会受到影响；量子点通过化学反应被结合、包裹在微球内部，得到的微球的荧光性能非常稳定而持久。得到的交联微球和荧光聚合物微球粒径均匀，单分散性好；同时还可以通过调节GMA单体与其他单体的比例，改变微球内部环氧基的含量，从而改变量子点荧光微球的荧光强度。

附图说明

图1为聚合物微球的SEM结果。(a)以PAA-TTC为稳定剂的交联PGMA微球；(b)交联PGMA与巯基丙酸稳定的量子点(MPA-Qd)反应后的荧光聚合物微球。

图2为载有不同发射波长量子点的PGMA交联微球的透射透射电镜图。(I)520±10nm，(II)580±10nm，(III)620±10nm。

图3为载有不同发射波长量子点的PGMA交联微球的激光共聚焦荧光显微镜图。(a)520±10nm，(b)580±10nm，(c)620±10nm。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1大分子RAFT试剂PAA-TTC的合成

将丙烯酸(AA)(14.41g，200mmol)，S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯(DDMAT)(0.1826g，0.5mmol)和偶氮二异丁腈(AIBN)(8.23mg，0.05mmol)加入到150mL的烧瓶中，用1,4-二氧六环(48.6g)溶解，溶液通氮气进行30分钟的脱气，然后浸在70℃的预热油浴中2小时，冷却后，产物被沉淀到乙醚中，并通过一个沉淀/过滤循环进行纯化。在真空下的室温下干燥后，得到了黄色大分子RAFT试剂PAA-TTC聚合物粉末，分子量约为20000。

实施例2基于PAA-TTC的交联PMGA微球合成

乙醇/水混合物的重量比40/60(7.2g+10.8g)被引入25mL的圆底烧瓶中作为溶剂，然后加入2.0g的甲基丙烯酸缩水甘油醚GMA单体(10wt％相对于体系)，0.30g的稳定分散剂PAA-TTC(15wt％相对于单体)，0.005g的DDMAT(0.25wt％相对于单体)、0.06g的Darocur1173(3wt％相对于单体)和0.06g二丙二醇二丙烯酸(3wt％相对于单体)，磁力搅拌溶解。反应混合物用氮气除氧30分钟，用带有石英玻璃片的玻璃塞密封，然后在持续搅拌下以365nm波长的LED灯(光强度2.5mW/cm²)从圆底烧瓶顶部照射3小时。产物采用离心法分离，用乙醇/水(40/60，w/w)清洗，反复离心洗涤2～3次，得到交联PGMA聚合物微球。所得产物的扫描电子显微镜照片(SEM)见图1a，所得微球粒径在500nm左右，且单分散性良好。

实施例3

乙醇/水混合物的重量比40/60(7.6g+11.4g)被引入25mL的圆底烧瓶中作为溶剂，然后加入1.0g的甲基丙烯酸缩水甘油醚GMA单体(5wt％相对于体系)，0.10g的稳定分散剂PAA-TTC(10wt％相对于单体)，0.005g的DDMAT(0.25％相对于单体)、0.01g的Darocur 1173(1wt％相对于单体)和0.03g二丙二醇二丙烯酸(3wt％相对于单体)，磁力搅拌溶解。反应混合物用氮气除氧30分钟，用带有石英玻璃片的玻璃塞密封，然后在持续搅拌下以365nm波长的LED灯(光强度2.5mW/cm²)从圆底烧瓶顶部照射3小时。产物采用离心法分离，用乙醇/水(40/60，w/w)清洗，反复离心洗涤2～3次，得到交联PGMA聚合物微球，其粒径在500nm左右，且单分散性良好。

实施例4

乙醇/水混合物的重量比40/60(4.8g+7.2g)被引入25mL的圆底烧瓶中作为溶剂，然后加入8.0g的甲基丙烯酸缩水甘油醚GMA单体(40wt％相对于体系)，1.6g的稳定分散剂PAA-TTC(20wt％相对于单体)，0.005g的DDMAT(0.25％相对于单体)、0.8g的Darocur 1173(10wt％相对于单体)和0.24g二丙二醇二丙烯酸(3wt％相对于单体)，磁力搅拌溶解。反应混合物用氮气除氧30分钟，用带有石英玻璃片的玻璃塞密封，然后在持续搅拌下以365nm波长的LED灯(光强度2.5mW/cm²)从圆底烧瓶顶部照射3小时。产物采用离心法分离，用乙醇/水(40/60，w/w)清洗，反复离心洗涤2～3次，得到交联PGMA聚合物微球，其粒径在500nm左右，且单分散性良好。

实施例5交联PGMA微球与巯基丙酸量子点反应

取0.5mL实施例2的交联PGMA微球(5％固含量)，离心去除上清液后，用DMF再次洗涤、离心后，分散在12mL的DMF中，和巯基乙酸稳定的量子点(MPA-Qd)0.4mL，以及100mg的三苯基膦，一起加入到25mL的圆底烧瓶中，橡胶塞密封后在50℃油浴中反应24小时，使微球溶胀，能与巯基丙酸配体的量子点充分反应。反应结束后用DMF溶剂洗涤、离心两次后，分散的在乙醇/水(40:60，W/W)中。所得产物的扫描电子显微镜照片(SEM)见图1b，所得微球粒径在500nm左右，且单分散性良好。

PGMA微球在溶剂溶胀、与量子点反应前后，微球的形貌、粒径几乎能保持不变，不会受到影响。

同时，选择发射波长分别为520±10nm、580±10nm、620±10nm的量子点，用同样的方法结合到交联PGMA微球内部，制备了不同颜色的荧光微球。所得产物的透射电镜照片(TEM)见图2，可以看出，不同粒径尺寸的量子点成功渗入微球内部与微球的环氧基结合，成功制备了内部载有不同尺寸量子点的无机有机符合微球。

载有量子点PGMA微球的超分辨激光共聚焦显微镜图片见图3，从图中我们可以清楚的看到载有不同尺寸量子点的微球在显微镜下呈现出绿、黄、红三种不同的颜色，这又一步证明通过这种方法成功制备出了量子聚合物微球。

Claims (10)

1.一种内部载有量子点的荧光聚合物微球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将丙烯酸和S-1-十二烷基-S′-(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯共聚得到大分子RAFT试剂PAA-TTC；

S2.将步骤S1获得的PAA-TTC与甲基丙烯酸缩水甘油醚、光引发剂、交联剂加入到反应容器中，通入氮气，以乙醇/水混合液作为溶剂，光源照射引发聚合反应，反应结束后用乙醇/水混合液清洗，反复离心洗涤，即得交联PGMA微球；

S3.将步骤S2获得的交联PGMA微球在有机溶剂中溶胀后，加入巯基丙酸稳定的硒化镉/硫化锌量子点，磁力搅拌，加入催化剂，加热条件下使量子点表面的羧基与微球内部环氧基进行充分反应，获得内部载有量子点的荧光聚合物微球。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述甲基丙烯酸缩水甘油醚浓度为反应体系的5～40wt％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述大分子RAFR试剂PAA-TTC的分子量为6000～40000。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述PAA-TTC为甲基丙烯酸缩水甘油醚单体的10～20wt％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其特征在于，所述光引发剂为甲基丙烯酸缩水甘油醚单体的1～10wt％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮-1、1-羟基-环己基苯酮、2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦、双苯甲酰基苯基氧化膦或2-甲基-1-[4-甲巯基苯基]-2-吗啉丙酮-1、2-苯基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉苯基)-丁酮-1中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乙醇/水混合溶剂中乙醇与水的重量比为20:80～80:20。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，光源为中压汞灯、紫外光无极灯、金属卤素灯或UV-LED光源，光强为0.2～100mW/cm²。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、乙腈、二甲基亚砜、二氧六环或四氢呋喃。

10.权利要求1～9任一所述方法制备得到的内部载有量子点的荧光聚合物微球。

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