CN113457589A - 一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，包括：配置一定浓度的上转换纳米颗粒的有机相分散液作为内相，配置水凝胶预聚物溶液作为外相；将内相、外相注入连接高压电源的微流控芯片中，利用高压电提供剪切力，使外相流体断裂为水凝胶预聚物液珠，同时使得内相流体在外相流体的剪切力和表面张力的共同作用下形成较小的液滴，并被水凝胶预聚物液珠包裹；包裹结构的液珠落入收集液中，固化成具有核壳结构的微胶囊，紫外固化，形成具有稳定核壳结构的上转换纳米颗粒微胶囊。与现有技术相比，本发明利用电喷微流控技术，将上转换纳米颗粒包裹制备微胶囊，其具有操作简便、尺寸均匀、发光性较好、产量性质可控，以及生物相容性好等优点。

Description

一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物材料领域，尤其是涉及一种基于电喷微流控技术的上转换纳米颗粒微胶囊的制备方法。

背景技术

上转换纳米颗粒是一种在近红外光激发下产生可见光和紫外波段范围的光致发光的材料，其具有反斯托克斯发光特性，良好的光学和化学稳定性。由于其激发光波长位于近红外区域，故不会对荧光信号检测过程中的信号造成干扰，有效降低检测中的背景信号，而且可以通过对上转换纳米颗粒表面进行修饰，避免其对细胞和组织产生明显的毒性。基于这些性能，近些年上转换纳米颗粒材料被广泛应用于诸多领域，如近红外计数器，环境检测，医学生物标记，传感器，三维立体显示，防伪应用等。

上转换纳米颗粒以各种形式被应用于多个领域，微胶囊是其中一种。微胶囊是一种具有核壳结构的固体微球，通过将不同的功能成分进行包裹，使其稳定发挥作用。制备微胶囊的方法有多种，其中微流控技术具有明显的优势。微流控技术是一项涉及高度学科交叉的领域，其核心是在微升级或纳升级反应空间中精确控制流动的液体完成一系列的化学反应、分离和检测分析等，微流控技术涉及化学、生物学、流体物理、微电子技术、MEMS技术、新材料学和生物医学工程等等。

目前，如何进一步提高上转换纳米粒子微胶囊的制备效率、可重复性，并实现产物性质的控制，是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，基于电喷微流控包裹上转换纳米颗粒制备微胶囊的技术，整体制备过程简单，效率较高，可重复性好，产物性质可控。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本申请的目的是保护一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，包括以下步骤：

S1：配置一定浓度的上转换纳米颗粒的有机相分散液作为内相，配置水凝胶预聚物溶液作为外相；

S2：将S1中的内相、外相注入连接高压电源的微流控芯片中，利用高压电源提供剪切力，使外相流体断裂为水凝胶预聚物液珠，同时使得内相流体在外相流体的剪切力和表面张力的共同作用下形成较小的液滴，并被水凝胶预聚物液珠包裹；

S3：使得S2中包裹结构的液珠落入收集液中，固化成具有核壳结构的微胶囊，在紫外线的照射下进一步固化，形成具有稳定核壳结构的上转换纳米颗粒微胶囊。

进一步地，所述内相溶液为分散有一定浓度上转换纳米颗粒的有机相分散液。

进一步地，所述有机相分散液中的有机分散剂为非极性有机分散剂。如：含有不同发射光谱范围的上转换纳米颗粒均匀分布的环己烷等非极性溶液。而且可以对环己烷等非极性溶液进行保留，利用其密度等物理性质得到可悬浮的上转换纳米颗粒可编码微胶囊。

进一步地，S1中所述水凝胶预聚物为海藻酸钠、壳聚糖、纤维素、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或几种的组合。

进一步地，S2中所述水凝胶预聚物液珠能够通过离子交联或紫外光引发自由基聚合反应固化。

进一步地，S2中所述微流控芯片为玻璃管微流控芯片，所述微流控芯片由内相管道和外相管道同轴嵌套并组装在载玻片得到。

进一步地，S2中利用玻璃毛细管同轴组装搭建微流控芯片，通过显微镜操作使内外相通道形成轴对称排列，并将毛细管组装在载玻片上。

进一步地，所述内相管道为单孔毛细管、θ型毛细管、双孔毛细管、三孔毛细管、七孔毛细管中的一种。

进一步地，所述高压电源连接在同轴芯片的外相上。

进一步地，同轴微流控芯片由载玻片、毛细管、点样针头和速干胶组装而成。孔径较小的内相管道同轴嵌套插入孔径较大的外相管道中。内相管道可以是单孔毛细管，双孔毛细管、θ型毛细管、三孔毛细管、七孔毛细管中的其中一种，外相管道是单孔毛细管。

进一步地，所述的单孔外相毛细管内径为500～850μm，所述内相毛细管内径为20～120μm，内相管道和外相管道的内径相同，均为1～1.5mm。内相管道的口径可以通过微电极拉制仪或本生灯实施控制

进一步地，内相、外相流体在外力的推动下在芯片通道中流动，并通过推动力大小的调节来实现流速的控制，其中外力通过机械泵提供；

通过调控电压的大小以及内外相流体的流速，实现上转换纳米颗粒微胶囊的内核个数和种类的调控。

进一步地，高压电源连接到同轴芯片上，内外相溶液装入注射器中，通过聚乙烯管分别连到芯片装置内外相注入口，在外力的推动，使流体在芯片装置通道中自由的流动，并通过合适的电压和流速，控制液滴的形成。

进一步地，S2中高压电的电压范围为4.5～11KV。

进一步地，S3中制备的得到的上转换纳米颗粒微胶囊具有近红外响应发光功能，进一步具有编码和响应性识别功能。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1)本发明研发出一种操作方便、易于控制，且高通量的对上转换纳米颗粒进行微球包裹形成具有核壳结构的上转换纳米颗粒微胶囊的方法。

2)本发明采用电喷微流控技术，将上转换纳米颗粒分散在有机溶剂中作为内相，水凝胶预聚物作为外相，在微流控芯片中，外来高压电源提供的直流电提供剪切力，使连续流动的内外相溶液断裂成凝胶液珠，落入收集液的液珠发生离子交联并在紫外照射下进一步固化交联，获得上转换纳米颗粒微胶囊。通过上述微流控技术获得的上转换纳米颗粒微胶囊，具有操作方便、尺寸均匀性好，产量大，表面性质易控等优点。所制备的上转换纳米颗粒微胶囊具有多重检测及防伪等应用价值。

附图说明

图1为本发明利用同轴装置，制备单核上转换纳米颗粒微胶囊的实验示意图。任选一种980nm近红外激发下发射光波长分别为475nm、545nm、660nm的上转换纳米颗粒有机分散液注入微流控同轴装置的内相毛细管，微流控装置的外相毛细管注入水凝胶预聚物，控制电压和内外相流速，制备单核上转换纳米颗粒微胶囊。

图2为本发明利用θ管，制备双核上转换纳米颗粒微胶囊的实验示意图。任选两种980nm近红外激发下发射光波长分别为475nm、545nm、660nm的上转换纳米颗粒有机分散液注入微流控同轴装置的双孔内相毛细管，微流控装置的外相毛细管注入水凝胶预聚物，控制电压和内外相流速，获取双核上转换纳米颗粒微胶囊。

图3为本发明利用三孔毛细管，制备三核上转换纳米颗粒微胶囊的实验示意图。微流控同轴装置的三孔内相毛细管注入980nm近红外激发下发射光波长分别为475nm、545nm、660nm的上转换纳米颗粒有机分散液，外相毛细管注入水凝胶预聚物，控制电压及流速，制备三核上转换纳米颗粒微胶囊。

图4为本发明最终制备出的上转换纳米颗粒微胶囊的种类示意图。

具体实施方式

从发明构思角度考虑，本技术方案中采用的液滴微流控是微流控技术的一个重要的分支，其中利用流动剪切力及表面张力的相互作用将连续流体分割成离散的微纳升级体积的微小液滴。其中每一个液滴都是一个微小的反应区室，不仅可以避免反应的交叉污染，而且易于控制。

除此之外，本技术方案中采用的微流控技术还具有高通量，集成化及分散化的特点，在生物医学反应中具有重要的作用。

微液滴的产生有两种方式：被动方式和主动方式。被动方式是没有人为施加外力，通过改变芯片微通道的几何形状与液相的流动特性控制液相流动产生微液滴的方法。主动方式是通过施加气压，电场等外力改变流体的流动特性来产生微液滴，包括气动法和电动法等。

本发明采用的静电喷射法是一种借助高压静电场形成有电场驱动产生液滴的方法。在此技术中，微流控芯片装置中接入高压电源装置来施加恒定的直流电压，水相充当导体，而油相充当绝缘体。因此，水-油界面起到了电容器的作用。电化学反应后，界面上积累了自由电荷。此时，液滴的破碎除了受到界面张力和粘性力外，还受到附加电场的作用。通过调节电场的强度和流体合适的流速可以精确控制液滴的大小以及核壳液滴中核的数量，是一个操作简单且易于控制的技术。

因此，基于以上优点，本发明公开一种利用电喷微流控包裹上转换纳米颗粒制备微胶囊的技术。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

下述实施例中所使用的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本技术领域常规试剂、方法和设备。

(1)构建微流控芯片：利用玻璃毛细管同轴组装搭建微流控芯片，通过显微镜操作使内外相通道形成轴对称排列，并将毛细管组装在载玻片上。

(2)配置样品溶液：选择带有上转换纳米颗粒的有机相分散液作为内相，水凝胶预聚物溶液为外相。

(3)连接装置，调节电压与样本流速，制备液滴。

(4)紫外光照射，固化交联。

步骤(1)中，同轴微流控芯片由载玻片、毛细管、点样针头和速干胶组装而成。管口径为20～120μm的内相管道同轴嵌套插入孔径为500～850μm的外相管道中。通过改变内外相毛细管口直径可实现微球大小的调节。

步骤(2)中，内相溶液为带有均匀分布的上转换纳米颗粒的有机分散液。外相溶液为水凝胶预聚物。本发明选用的内相溶液为980nm近红外光激发下，发射光波长分别为475nm、545nm、660nm的上转换纳米颗粒有机分散液；外相溶液为含有光引发交联剂的海藻酸钠水凝胶预聚物。

步骤(3)中，外来高压电源连接到同轴芯片装置的外相注入针头上，注射器中的内外相溶液通过聚乙烯管分别连到芯片装置内外相注入口，在机械泵外力的推动下，控制流体在芯片装置通道中的流动。

步骤(3)中，通过控制合适的电压和液体流动速度可控制微胶囊的大小以及核的数量。本发明常用的电压范围为4.5～11KV；芯片出样口距收集皿的高度范围为4～8cm；内相流速取值范围为0.1ml/h～0.5ml/h；外相流速取值范围为1ml/h～5ml/h。

步骤(4)中，落入收集液的液滴在紫外的照射下进一步交联固化，形成微胶囊。本发明选择的收集液为氯化钙溶液，浓度为1wt％～2wt％。紫外照射时间为10s～30s左右，可获得包裹上转换纳米颗粒具备核壳结构的微胶囊。

实施例1

利用同轴管道制备单核上转换纳米颗粒微胶囊。

本实施例中单核上转换纳米颗粒微胶囊，按照如下方法制备：

(1)配置内外相溶液，收集液：

1.1)内相溶液：980nm近红外光激发下，发射光波长分别为475nm、545nm、660nm的上转换纳米颗粒环己烷分散液任意一种。

1.2)外相溶液：含体积比为1％的光引发剂HMPP的海藻酸钠水凝胶预聚物溶液，海藻酸钠溶液浓度为1％，两者超声混匀，获得的水凝胶预聚物避光常温保存。

1.3)收集液：配置浓度为1％或2％的氯化钙溶液。

(2)组建芯片装置，连接装置。

2.1)组建芯片装置：将内相毛细管管口口径为20～120μm的单孔毛细管，同轴嵌套在外相内管径约为500～850μm的毛细管内，将其用速干胶固定在载玻片上，并固定好点样针头。

2.2)连接装置：将高压电源连接到芯片的外相点样针头上，内外相溶液分别装入注射器内，将注射器装置在机械泵上，用聚乙烯管将注射器与芯片的点样针头相连。

(3)调节电压与流速，形成液滴，紫外交联固化。

3.1)调节电压及样本流速：调节电压与流速，获得特定大小的的单核液滴。本发明常用的电压范围为7～10KV；芯片出样口距收集皿的高度范围为4～8cm；内相流速取值范围为0.1ml/h～0.5ml/h；外相流速取值范围为1ml/h～5ml/h。

3.2)液滴形成，紫外交联固化：内外相流体在高压电源提供的直流电的作用下，断裂成目标液滴，落入收集液的液滴在紫外的照射下进一步交联固化，形成单核上转换纳米颗粒微胶囊。本发明获得的单核上转换纳米颗粒微胶囊主要有三种，分别为：980nm近红外照射下，肉眼可见光为红绿蓝的三种单核上转换纳米颗粒微胶囊。

实施例2

利用θ内相毛细管制备双核上转换纳米颗粒微胶囊。

(1)配置内外相溶液，收集液：

1.1)内相溶液：980nm近红外光激发下，发射光波长分别为475nm、545nm、660nm的上转换纳米颗粒环己烷分散液中的任意两种。

1.2)外相溶液：含体积比为4％的光引发剂HMPP的PEGDA水凝胶预聚物溶液，水凝胶预聚物避光常温保存。

1.3)收集液：加入10％(v/v)表面活性剂DC749的硅油KF96-100cs。

(2)组建芯片装置，连接装置。

2.1)组建芯片装置：取θ毛细管在微电极拉制仪或本生灯上进行拉制，内相毛细管管口口径为20～50μm的双孔毛细管，同轴嵌套在外相内管径约为500～850μm的毛细管内，θ毛细管另一端注样口处接入拉制的特定毛细管，将其用速干胶固定在载玻片上，并固定好点样针头。

2.2)连接装置：将高压电源连接到芯片的外相点样针头上，内外相溶液分别装入注射器内，将注射器装置在机械泵上，用聚乙烯管将注射器与芯片的点样针头及注样毛细管相连。

(3)调节电压与流速，形成液滴，紫外交联固化。

3.1)调节电压及样本流速：调节电压与流速，获得特定大小及种类的双核液滴。本实施例常用的电压范围为6～9KV；芯片出样口距收集皿的高度范围为4～8cm；内相流速取值范围为0.2ml/h～0.5ml/h；外相流速取值范围为2ml/h～5ml/h。

3.2)液滴形成，紫外交联固化：内外相流体在高压电源提供的直流电的作用下，断裂成目标液滴，落入收集液的液滴在紫外的照射下进一步交联固化，形成双核上转换纳米颗粒微胶囊。本实施例获得的双核上转换纳米颗粒微胶囊主要有六种，分别为：980nm近红外照射下，肉眼可见光为红绿、红红、绿蓝、绿绿、红蓝、蓝蓝的六种双核上转换纳米颗粒微胶囊。

实施例3

利用三孔内相毛细管制备三核上转换纳米颗粒微胶囊。

(1)配置内外相溶液，收集液：

1.1)内相溶液：980nm近红外光激发下，发射光波长分别为475nm、545nm、660nm的上转换纳米颗粒环己烷分散液。

1.2)外相溶液：含体积比为3％的光引发剂HMPP的GelMA水凝胶预聚物溶液，水凝胶预聚物避光常温保存。

1.3)收集液：硅油。

(2)组建芯片装置，连接装置。

2.1)组建芯片装置：取三孔毛细管在微电极拉制仪或本生灯上进行拉制，内相毛细管管口口径为20～50μm的三孔毛细管，同轴嵌套在外相内管径约为500～850μm的毛细管内，三孔毛细管另一端三孔注样口处接入拉制的特定毛细管，将其用速干胶固定在载玻片上，并固定好点样针头。

2.2)连接装置：将高压电源连接到芯片的外相点样针头上，内外相溶液分别装入注射器内，将注射器装置在机械泵上，用聚乙烯管将注射器与芯片的点样针头及注样毛细管相连。

(3)调节电压与流速，形成液滴，紫外交联固化。

3.1)调节电压及样本流速：调节电压与流速，获得特定的三核液滴。本实施例常用的电压范围为5～8KV；芯片出样口距收集皿的高度范围为4～8cm；内相流速取值范围为0.2ml/h～0.5ml/h；外相流速取值范围为2ml/h～5ml/h。

3.2)液滴形成，紫外交联固化：内外相流体在高压电源提供的直流电的作用下，断裂成目标液滴，落入收集液的液滴在紫外的辐射下进一步交联固化，形成三核上转换纳米颗粒微胶囊。本实施例获得的三核上转换纳米颗粒微胶囊在980nm近红外照射下，一般分为肉眼可见光为红绿蓝，红红绿，红红蓝，绿绿蓝，绿绿绿，红红红，蓝蓝蓝等10种。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：配置一定浓度的上转换纳米颗粒的有机相分散液作为内相，配置水凝胶预聚物溶液作为外相；

S2：将S1中的内相、外相注入连接高压电源的微流控芯片中，利用高压电提供剪切力，使外相流体断裂为水凝胶预聚物液珠，同时使得内相流体在外相流体的剪切力和表面张力的共同作用下形成较小的液滴，并被水凝胶预聚物液珠包裹；

S3：使得S2中包裹结构的液珠落入收集液中，固化成具有核壳结构的微胶囊，在紫外线的照射下进一步固化，形成具有稳定核壳结构的上转换纳米颗粒微胶囊。

2.根据权利要求1所述的一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，所述内相溶液为分散有一定浓度上转换纳米颗粒的有机相分散液。

3.根据权利要求2所述的一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，所述有机相分散液中的有机分散剂为非极性有机分散剂。

4.根据权利要求1所述的一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，S1中所述水凝胶预聚物为海藻酸钠、壳聚糖、纤维素、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，S2中所述水凝胶预聚物液珠能够通过离子交联或紫外光引发自由基聚合反应固化。

6.根据权利要求1所述的一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，S2中所述微流控芯片为玻璃管微流控芯片，所述微流控芯片由内相管道和外相管道同轴嵌套并组装在载玻片上得到。

7.根据权利要求6所述的一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，所述内相管道为单孔毛细管、θ型毛细管、双孔毛细管、三孔毛细管、七孔毛细管中的一种。

8.根据权利要求6所述的一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，所述高压电源连接在同轴芯片的外相上；

内相、外相流体在外力的推动下在芯片通道中流动，并通过调节推动力的大小来实现流速的控制，其中外力通过机械泵提供；

通过调控电压的大小以及内外相流体的流速，实现上转换纳米颗粒微胶囊的内核个数和种类的调控。

9.根据权利要求1所述的一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，S2中高压电的电压范围为4.5～11KV。

10.根据权利要求1所述的一种上转换纳米粒子微胶囊的制备方法，其特征在于，S3中制备得到的上转换纳米颗粒微胶囊具有近红外响应发光功能，进一步具有编码和响应性识别功能。

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