CN113247972B - 一种具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法及其应用，属于材料化学技术领域。本发明采用镍离子溶液、碱性溶液和谷胱甘肽溶液通过一步法直接制备氢氧化镍无机纳米粒子。本发明合成的氢氧化镍无机纳米粒子在近红外区具有手性光学活性，其制备方法简单，应用广泛；所制备的材料对于推动光学、生命科学、医学等领域的发展具有非常重要的意义和价值。

Description

一种具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的 制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法及其应用，属于材料化学技术领域。
背景技术
手性在自然界中广泛存在，尤其是在生命系统中，小到氨基酸分子、大到宏观生物体都表现出典型的手性特征。手性在物理、化学、光学、生命科学、医学等领域的发展中扮演着重要角色，尤其是在生命体系中。例如著名的沙利度胺致畸事件，R型的沙利度胺具有中枢神经镇定作用，能够缓解孕妇的妊娠反应，S型的沙利度胺则具有致畸效应。由于当时人们对手性认识的缺乏，造成19世纪60年代欧洲儿童的致畸率大幅上升。
随着纳米技术的发展，手性从分子尺度组件跨越到了纳米尺度，尤其是无机纳米材料的发展赋予手性新的特征，比如独特的光、电、磁效应。同时手性无机纳米材料在组装方式、结构、尺寸、电荷、表面性质等方面也具有与手性生命物质相似的特点，比如手性引起的差异性生物学效应：唐志勇研究员课题组以及申请人所在课题组发现L-谷胱甘肽(GSH)包覆的碲化镉量子点(或金纳米四面体)比D-GSH包覆的量子点(或金纳米四面体)表现出更强的细胞毒性，能够诱导细胞产生更多的自噬标记物；同时，D-GSH修饰的金纳米粒子与淀粉样蛋白之间的相互作用成功的清除了小鼠海马区的蛋白聚集体，缓解并恢复了阿尔兹海默症小鼠的记忆缺陷，这一系列研究的成功证明了手性无机纳米粒子在生物学行为调控、疾病治疗等方面的应用潜能。
其中，利用手性圆偏振光驱动手性无机纳米材料，原位调控手性材料与生物体系之间的相互作用，进而可控调节生物分子、细胞、生物体的生物学行为，也是近年来手性无机纳米材料的研究热点之一。例如，圆偏振光驱动下的CdTe量子点能够在特定位点选择性的切割DNA片段；圆偏振光驱动下的金纳米粒子组装体在圆偏振光驱动下能够促进神经干细胞的定向分化。
然而，目前已有无机纳米材料的手性信号主要集中在紫外和可见光区，这一波段的圆偏振光由于穿透深度的限制，无法进行活体水平上的相关探索、研究和应用；其次，已有无机纳米材料的手性各向异性因子分布在10-3左右，极大的限制了光-无机纳米材料-生命体系三者之间的能量转换效率。因此，开发具有近红外区强手性光学活性的无机纳米材料将有效解决已经光驱动手性无机纳米材料进行生物体系相关研究和探索所面临的缺陷和不足。
由氨基酸分子介导合成的，尺寸分布在1-25nm的无机纳米粒子，在尺寸、结构、组装方式、总电荷、表面功能基团等方面具有与蛋白酶相似的特点。它们不仅表现出与蛋白酶相似的功能，同时也表现出优越的生物相容性和结构稳定性，在生物体系中表现出优越的功能特性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法及其应用，其制备方法简单，应用广泛。
本发明的技术方案，具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法，采用镍离子溶液、碱溶液和谷胱甘肽通过一步法直接制备氢氧化镍无机纳米粒子。
进一步地，所述氢氧化镍无机纳米粒子具体为L-、D-、rac-手性构型的氢氧化镍无机纳米粒子。
进一步地，针对L-、D-、rac-手性构型的氢氧化镍无机纳米粒子对应的制备原料分别为L-谷胱甘肽、D-谷胱甘肽和rac-谷胱甘肽。
进一步地，具体步骤为：分别配置镍离子溶液，谷胱甘肽溶液和碱性溶液，随后将镍离子溶液和谷胱甘肽溶液依次加入纯水中，在搅拌状态下逐滴加入配置好的碱性溶液，持续搅拌至溶液颜色变为浅绿色，待溶液变为均匀的绿色的胶体溶液，停止搅拌；将所得反应液和乙醇或异丙醇混合，溶液变浑浊后离心去除上清液，取沉淀重溶在纯水中，重复洗涤后得到氢氧化镍无机纳米粒子。
进一步地，所述镍离子溶液具体为NiCl2·6H2O或Ni(NO3)2。
进一步地，所述碱性溶液具体为NaOH溶液或NaBH4溶液。
进一步地，所述镍离子溶液浓度为80-120mg/mL，谷胱甘肽溶液浓度为100-150mg/mL。
进一步地，碱性溶液浓度为30-50mg/mL的NaOH溶液或10-20mg/mL的NaBH4溶液。
进一步地，反应时，采用2.0-2.38mL的NiCl2·6H2O或4-5.5mL的Ni(NO3)2与4.5-5mL的谷胱甘肽溶液依次加入60-80mL纯水中；随后逐滴滴加5-8mL的NaOH溶液或4-5.5mL的NaBH4溶液；当反应液与乙醇或异丙醇混合时，其体积比为反应液：乙醇或异丙醇为1：2-4。
本发明构建的具有近红外区强手性光学活性的氢氧化镍无机纳米材料：可以作为纳米组装单元，构建圆偏振光学器件；可以作为光化学和光力学产生来源，在近红外区圆偏振光驱动下探索无机纳米材料原位调节Aβ蛋白纤维解聚的能力；可以探索圆偏振光驱动原位调节无机纳米粒子与细胞之间的相互作用，调节细胞中的生物学行为；可控激活或者抑制细胞的代谢、凋亡通路，为重大疾病的治疗寻找新的突破口；可以利用近红外手性信号构建纳米传感检测探针，实现癌症等高死亡率疾病的早期诊断。
本发明的有益效果：本发明合成的氢氧化镍无机纳米粒子在近红外区具有手性光学活性，其制备方法简单，应用广泛；所制备的材料对于推动光学、生命科学、医学等领域的发展具有非常重要的意义和价值。
附图说明
图1 D-/L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的圆二色光谱(实线表示)以及对应的各向异性因子(虚线表示)。
图2 D-/L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的吸收光谱。
图3 L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的透射电子显微镜照片。
图4 L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的高分辨透射电子显微镜照片。
图5 L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的傅里叶变换光谱。
图6 L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的拉曼光谱。
图7 L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的X射线电子能谱。
具体实施方式
实施例1手性氢氧化镍无机纳米粒子的合成
分别采用L-GSH、D-GSH、rac-GSH作为原料，合成对应的具有不同手性构型以及非手性的氢氧化镍无机纳米粒子。
首先配制100mg/mL NiCl2·6H2O、100mg/mL的谷胱甘肽(GSH)溶液、40mg/mL的氢氧化钠溶液(NaOH)，然后将2.38mL的NiCl2·6H2O和4.50mL的GSH分别加入60mL纯水里，然后在搅拌状态下逐滴加入6mL的NaOH溶液，持续搅拌至溶液颜色变为浅绿色(此过程保持反应溶液与空气的接触)，待溶液变为均匀的绿色的胶体溶液，停止搅拌。
将反应溶液和异丙醇以1：2的体积比例混合，溶液变浑浊后用7000rpm离心10min，去除上清，然后将沉淀重新溶解在纯水中，重复洗涤两次去除多余未反应的反应物。
实施例2手性氢氧化镍无机纳米粒子结构、成分、性质的表征及分析
通过圆二色光谱仪、透射电子显微镜、X射线电子能谱分析仪、傅里叶变换红外光谱、拉曼等仪器对实施例1制备所得的纳米粒子的物理、化学、光学性质等进行确认和表征。
将分别用L-GSH、D-GSH、rac-GSH合成的产物洗涤后，进行圆二色光谱测定，D-/L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的圆二色光谱以及对应的各向异性因子如图1所示；D-/L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的吸收光谱如图2所示。
图1清晰的说明了合成产物在800-1300nm处具有一定的很强的手性光学信号，产物的各向异性因子(g-factor)高达0.1。所测得的手性光学信号和材料的吸收信号(图2)能够很好的对应。
将洗涤后的产物溶液滴在铜网上，50分钟后除去铜网上的溶液，待铜网完全干燥后利用透射电子显微镜观察其形貌，L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的透射电子显微镜照片如图3所示，高分辨透射电子显微镜照片如图4所示。图3和图4中的透射电子显微镜照片均可以说明手性纳米粒子的成功合成。
为了进一步对产物的成分进行鉴定，将洗涤后的产物在50℃的烘箱中进行干燥，待完全干燥后利用溴化钾压片法将产物进行压片并进行傅里叶变换红外光谱检测。L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的傅里叶变换光谱如图5所示，通过与单纯的GSH获得的红外光谱对比(图5)，可以发现产物在2450cm-1处对应巯基(-SH)的峰在产物的红外光谱里消失，可以说明GSH中的巯基连接在纳米粒子的表面，此外产物在3000-3700cm-1处宽而大的峰对应-OH的伸缩振动，说明产物中大量-OH的存在。
L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的拉曼光谱如图6所示，从获得的拉曼图谱中可以发现485cm-1及560cm-1附近的两个峰分别对应Ni(OH)2中Ni-O的弯曲振动和伸缩振动。
L-谷胱甘肽修饰的氢氧化镍无机纳米粒子的X射线电子能谱如图7所示，从X射线电子能谱中可以看出，镍元素的结合能(7-B)为855.3eV并且多重分裂峰消失，这些参数与氢氧化镍无机材料中镍的结合能(7-A)以及峰形也能够很好的对应。
结合以上图谱分析，可以确定无机纳米粒子的成分为氢氧化镍。这些表征和分析说明了具有近红外区强手性氢氧化镍纳米粒子的成功合成。

Claims (9)

1.一种具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法，其特征是：采用镍离子溶液、碱性溶液和谷胱甘肽溶液通过一步法直接制备氢氧化镍无机纳米粒子，具体步骤为：
分别配置镍离子溶液，谷胱甘肽溶液和碱性溶液，随后将镍离子溶液和谷胱甘肽溶液依次加入纯水中，在搅拌状态下逐滴加入配置好的碱性溶液，持续搅拌至溶液颜色变为浅绿色，待溶液变为均匀的绿色的胶体溶液，停止搅拌；将所得反应液和乙醇或异丙醇混合，溶液变浑浊后离心去除上清液，取沉淀重溶在纯水中，重复洗涤后得到氢氧化镍无机纳米粒子。
2.根据权利要求1所述具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法，其特征是：所述氢氧化镍无机纳米粒子具体为L-、D-、rac-手性构型的氢氧化镍无机纳米粒子。
3.根据权利要求2所述具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法，其特征是：针对L-、D-、rac-手性构型的氢氧化镍无机纳米粒子对应的制备原料分别为L-谷胱甘肽、D-谷胱甘肽和rac-谷胱甘肽。
4.根据权利要求1所述具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法，其特征是：所述镍离子溶液具体为NiCl2·6H2O或Ni(NO3)2。
5.根据权利要求1所述具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法，其特征是：所述碱性溶液具体为NaOH溶液或NaBH4溶液。
6.根据权利要求4所述具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法，其特征是：所述镍离子溶液浓度为80-120mg/mL，谷胱甘肽溶液浓度为100-150mg/mL。
7.根据权利要求5所述具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法，其特征是：碱性溶液浓度为30-50mg/mL的NaOH溶液或10-20mg/mL的NaBH4溶液。
8.根据权利要求7所述具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的制备方法，其特征是：反应时，采用2.0-2.38mL的NiCl2·6H2O或4-5.5mL的Ni(NO3)2与4.5-5mL的谷胱甘肽溶液依次加入60-80mL纯水中；随后逐滴滴加5-8mL的NaOH溶液或4-5.5mL的NaBH4溶液；当反应液与乙醇或异丙醇混合时，其体积比为反应液：乙醇或异丙醇为1：2-4。
9.权利要求1-8之一所述方法制备的具有近红外区手性光学活性的氢氧化镍无机纳米粒子的应用，其特征是：将其作为纳米组装单元，构建圆偏振光学器件；作为光化学和光力学产生来源，在近红外区圆偏振光驱动下探索无机纳米材料原位调节Aβ蛋白纤维解聚的能力；探索圆偏振光驱动原位调节无机纳米粒子与细胞之间的相互作用，调节细胞中的生物学行为；可控激活或者抑制细胞的代谢、凋亡通路；利用近红外手性信号构建纳米传感检测探针。
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