CN115068621A - 一种基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法，其将DASAs和金核二氧化硅壳纳米颗粒相结合，所制得的基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒可由可见光和近红外光分别触发，只需通过改变光刺激即可实现有色到无色、无色到有色的双向切换，两种光诱导刺激时间短，响应速度快、转化效率高、可重复利用，具有较好的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及光敏感分子与材料、纳米材料技术领域，具体涉及一种基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法。
背景技术
光敏感分子由于其可被外界光照刺激往复控制的特性，并带来一系列包括分子化学结构、光学性质、物理化学性质的变化，被广泛应用于生物医药、癌症治疗、信息存储、保密防伪、制版印刷、微流控技术等行业当中。相比于其它刺激源来说，包括温度、pH、电场、磁场、气体、水等，光照在两个方面拥有独特的优势：其一，在时间与空间上精确可控；其二，可不接触材料进行控制。
最常见的光敏感分子包括偶氮苯、二苯乙烯、螺吡喃/螺恶嗪、二芳基乙烯、半硫靛光开关、雷电体、雷体酰亚胺和酰基腙。它们通过反式-顺式双键光异构化或光活化环化/开环反应进行操作。上述光敏感分子在进行光致异构化时通常需要引入紫外光作为刺激光源，这使得光敏感分子通常会在正常使用的过程中自行分解。
给体-受体斯坦豪斯加合物(DASAs)作为负向光致变色分子，其位于特定波长的吸光度会随着外界光刺激过程逐渐降低至完全没有吸收。另外，DASAs的刺激光波长位于可见光至近红外光的范围内，可有效解决上述问题。
然而，目前，关于DASAs分子实现从热不稳定的无色状态到强烈着色的有色稳定状态的切换，主要是通过外部热刺激的方式进行，还没有通过光刺激实现从无色状态到有色状态切换的相关报道，这对于其在光敏感材料当中的应用起到了限制作用；例如，当将其应用于生物组织时，由于热刺激的形式可能会对生物组织产生损伤，会在体内进行药物传递的过程中带来其他方面的不利影响。因而实现DASAs的双边光控切换就显得十分迫切。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术中的光敏感分子材料存在的不足，提出一种基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法，所制备的纳米颗粒能够通过光敏/光热效应的叠加，实现DASAs在520nm绿光下的有色-至-无色变化，同时在808nm近红外光下的无色-至-有色变化。
本发明采用了如下技术方案：
一种基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1、给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体的制备：
将米氏酸和糠醛按摩尔比(1-3)：1混合后在30-40℃温度下进行加热搅拌反应4-5h，初步得到黄色的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体产物，然后依次经过水洗、抽滤、萃取、干燥、二次抽滤、柱色谱提纯和旋蒸，得到备用的黄色固体，该黄色固体即为最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体；
步骤S2、给体-受体斯坦豪斯加合物分子的制备：
将步骤S1最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体溶于有机溶剂中，再加入与所述最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体相同摩尔质量的N-丙基苯胺，于室温下搅拌2-3h或30-35℃下搅拌1.5-2h，然后经柱色谱提纯和旋蒸，得到纯化的给体-受体斯坦豪斯加合物分子备用；
步骤S3、金种子溶液的制备：
将十六烷基三甲基溴化铵在30℃下加热搅拌直至完全溶解，然后在搅拌条件下加入氯金酸进行混合，之后加入硼氢化钠，得到金种子溶液；
步骤S4、金纳米棒溶液的制备：
将十六烷基三甲基溴化铵、氯金酸、硝酸银、硫酸混合，搅拌均匀后加入抗坏血酸，再加入步骤S3制得的金种子溶液，加热至30℃反应8h，得到金纳米棒溶液；
步骤S5、介孔二氧化硅包覆的金纳米棒的制备：
取步骤S4制得的金纳米棒溶液离心后用去离子水稀释，搅拌下加入氢氧化钠将反应体系的pH调至10，然后分三次加入硅酸乙酯/甲醇溶液，室温下反应72h，之后，离心后用去离子水稀释，即得介孔二氧化硅包覆的金纳米棒；
步骤S6、金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒的制备：
于无水无氧条件下，将步骤S5制得的介孔二氧化硅包覆的金纳米棒与含异腈酸酯基团硅烷偶联剂和无水四氢呋喃混合，加热至70℃下搅拌反应12h，冷却后离心除杂、干燥，得到中间产物；接着，于无水无氧条件下，将本步骤所得中间产物与含羟基分子混合，加热至90℃搅拌冷凝回流反应12h，冷却后离心除杂、干燥，得到金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒；
步骤S7、基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备：
于避光条件下，将步骤S6制得的金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒真空活化后冷却至室温，将步骤S2制得的给体-受体斯坦豪斯加合物分子溶解在二氯甲烷有机溶剂中，然后加入到活化后的步骤S6制得的金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒中，搅拌12h，离心、干燥，即得基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒。
与现有技术相比，该发明的有益效果在于：
(1)本发明将DASAs和金核二氧化硅壳纳米颗粒相结合，所得的基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒可由可见光和近红外光分别触发，不仅避免了紫外光对分子结构的破坏，同时大大扩展了这两类材料的应用范围；
(2)本发明通过以DASAs为核心制得的双光控核壳结构纳米颗粒，避免了DASAs需要由外部热刺激控制来实现显色的过程，其两种光诱导刺激时间短，响应速度快、转化效率高、可重复利用；
(3)本发明在制备过程中所采取的材料廉价易得，制备合成方法简单、易于操作，具有低成本工业化的巨大潜力，可有效解决现有DASAs从cyclic态切换到linear态时需要外部加热刺激的问题，能够有效丰富DASAs作为光开关的应用范围；
(4)本发明的基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒不仅不需要引入热刺激，而且红外光的引入更有利于其在不损伤生物组织的同时实现药物传递，增强其可重复利用性，同时还以增强DASAs的应用领域。
附图说明
图1为本发明DASAs中间体的制备示意图；
图2为本发明DASAs分子的制备示意图；
图3为本发明在SiO2表面进行酯基接枝修饰的方法示意图；
图4为本发明基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备示意图；
图5为本发明基于DASAs的核壳结构纳米颗粒的光双控效果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明作进一步描述，将有助于对本发明的理解。但并不能以此来限制本发明的权利范围，而本发明的权利范围应以权利要求书阐述的为准。
如图1至4所示，本发明提供一种基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1、给体-受体斯坦豪斯加合物(DASAs)分子中间体的制备：
将米氏酸和糠醛按摩尔比(1-3)：1混合后在30-40℃温度下进行加热搅拌反应4-5h，初步得到黄色的DASAs分子中间体产物，然后依次经过水洗、抽滤、萃取、干燥、二次抽滤、柱色谱提纯和旋蒸，得到备用的黄色固体，该黄色固体即为最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体；
其中，所述的“依次经过水洗、抽滤、萃取、干燥、二次抽滤、柱色谱提纯和旋蒸，得到备用的黄色固体”具体包括，先将初步得到黄色的DASAs分子中间体产物进行水洗、抽滤，去除其中的大部分水分；然后，再依次使用饱和的亚硫酸氢钠和饱和的氯化钠水溶液以萃取的方式去除中间体产物中的杂质；接下来以抽滤的方式，使用无水硫酸镁或无水硫酸钠作为除水剂进一步去除中间体产物中的水分；之后，将得到的中间体产物采用柱色谱技术进行最终提纯，提纯时，采用二氯甲烷(DCM)有机溶剂作为洗脱剂；在得到纯化后的中间体后再通过旋蒸的方式去除溶剂(包括作为洗脱剂的二氯甲烷等)，得到黄色固体备用；
步骤S2、给体-受体斯坦豪斯加合物(DASAs)分子的制备：
将步骤S1最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体溶于有机溶剂中，再加入与所述最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体相同摩尔质量的N-丙基苯胺(N-Propylaniline)，于室温下搅拌2-3h或30-35℃下搅拌1.5-2h，然后经柱色谱提纯和旋蒸，得到纯化的DASAs分子备用；
其中，步骤S1最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体作为受体部分，N-丙基苯胺作为供体部分；
示例性的，步骤S2具体可采用，先将10mmol(可等比例增加量)步骤S1得到的黄色固体溶解于20ml的无水二氯甲烷(DCM)有机溶剂中，再加入10mmol(可等比例增加量)的N-丙基苯胺，在常温下进行搅拌反应约2～3h，或者，在油浴锅中恒温30～35℃搅拌反应约1.5～2h；待反应完成后采用柱色谱技术对生成物进行提纯，提纯时洗脱剂采用EA：HEX为1：1的配比方式；提纯结束后，再通过旋蒸去除二氯甲烷等溶剂，即得到纯化的DASAs分子备用；
步骤S3、金种子溶液的制备：
将十六烷基三甲基溴化铵在30℃下加热搅拌直至完全溶解，然后在搅拌条件下加入氯金酸进行混合，之后加入硼氢化钠，得金种子溶液；
示例性的，步骤S3具体可包括：
首先将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)用7.5ml的去离子水溶解(浓度为0.1mol/L)，30℃下加热搅拌直至完全溶解，然后在搅拌条件下加入250μl的氯金酸溶液(浓度为10mol/L)进行混合，最后在搅拌条件下将600μl冰浴的硼氢化钠溶液加入到上述混合所得的溶液中，即可得到表面修饰的金(Au)种子溶液(需要在2-5个小时内使用)；
步骤S4、金纳米棒(AuNRs)溶液的制备：
将十六烷基三甲基溴化铵、氯金酸、硝酸银、硫酸混合，搅拌均匀后加入抗坏血酸，再加入步骤S3制得的金种子溶液，加热至30℃反应8h，得到金纳米棒(AuNRs)溶液；
示例性的，步骤S4具体可包括：
首先将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)用100ml的去离子水溶解(浓度为0.1mol/L)，再依次分别加入5ml的氯金酸溶液(浓度为10mmol/L)、800μl的硝酸银溶液(浓度为10mmol/L)和2ml的硫酸(浓度为0.5mol/L)，搅拌均匀后加入800μl的抗坏血酸(浓度为0.1mol/L)，之后再加入240μl的步骤S3制得的金种子溶液，保持在30℃条件下反应8h即可得到相应的金纳米棒(AuNRs)溶液；
步骤S5、介孔二氧化硅包覆的金纳米棒(AuNRs@SiO2)的制备：
取步骤S4制得的金纳米棒(AuNRs)溶液离心后用去离子水稀释，搅拌下加入氢氧化钠将反应体系的pH调至10，然后分三次加入硅酸乙酯TEOS/甲醇溶液，室温下反应72h，之后，离心后用去离子水稀释，即得介孔二氧化硅包覆的金纳米棒(AuNRs@SiO2)；
示例性的，步骤S5具体可包括：
取步骤S4制得的金纳米棒(AuNRs)溶液40ml，以9500rpm的转速离心25min后将剩余物用去离子水稀释至20ml，然后在搅拌条件下加入NaOH溶液，使反应体系的PH调至10，之后间隔30分钟分三次分别加入60μl的20％TEOS/甲醇溶液；最后在油浴锅内恒温26～28℃下搅拌反应72h；之后再将得到的产物以10000rpm的转速离心离心15min后用去离子水稀释备用；
步骤S6、金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒的制备：
于无水无氧条件下，将步骤S5制得的介孔二氧化硅包覆的金纳米棒与含异腈酸酯基团硅烷偶联剂和无水四氢呋喃混合，加热至70℃下搅拌反应12h，冷却后离心除杂、干燥，得到中间产物；接着，于无水无氧条件下，将本步骤所得中间产物与含羟基分子(包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇等)混合，加热至90℃搅拌冷凝回流反应12h，冷却后离心除杂、干燥，得到金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒；
步骤S6金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒的制备分为中间体和最终产物两部分制备步骤，示例性的，具体可包括：首先制备中间体，取100mg(可等比例增加量)步骤S5反应制得的介孔二氧化硅包覆的金纳米棒AuNRs@SiO2，在无水无氧的条件下加入0.52g(可等比例增加量)的(3-异氰酸丙基)三甲氧基硅烷溶剂(浓度为2wt％)，之后加入30ml(可等比例增加量)的无水四氢呋喃(THF)，在油浴锅中恒温70℃下搅拌反应12h，再使用四氢呋喃(THF)对产物进行离心、超声两次以去除其中的杂质，最后置于真空烘箱中加热至50℃烘干备用，得到中间产物；接下来制备最终产物，其步骤如下：将烘干后的中间产物置于无水无氧的反应环境中，再加入30ml的正丙醇，在油浴锅中恒温90℃下搅拌冷凝回流反应12h，反应结束后同样使用四氢呋喃(THF)对产物进行离心和超声各两次以去除其中的杂质，最后置于真空烘箱中加热至50℃烘干备用；
步骤S7、基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备：
于避光条件下，将步骤S6制得的金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒真空活化后冷却至室温，将步骤S2制得的DASAs分子溶解在二氯甲烷有机溶剂中，然后加入到活化后的步骤S6制得的金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒中，搅拌12h，离心、干燥，即得基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒；
示例性的，步骤S7具体可包括：
于避光条件下，取步骤S6制得的金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒100mg真空活化，冷却室温，将步骤S2制得的DASAs分子溶解在二氯甲烷有机溶剂中，制得至少3ml浓度为2mg/ml的DASAs/DCM溶液，然后将其加入到活化后的步骤S6制得的金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒中，浸渍搅拌12h，反应结束后使用二氯甲烷(DCM)以离心的方式洗去未吸附上的DASAs，最后置于真空烘箱中加热至40℃烘干即可得到基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒。
参见图5，采用本发明的制备方法所制备的基于DASAs的双向光控核壳结构纳米颗粒，其能够实现DASAs在520nm绿光下的有色-至-无色变化，同时在808nm近红外光下的无色-至-有色变化，只需通过改变光刺激，即可实现有色到无色双向切换，实现光开关的功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体的制备：
将米氏酸和糠醛按摩尔比1-3：1混合后在30-40℃温度下进行加热搅拌反应4-5h，初步得到黄色的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体产物，然后依次经过水洗、抽滤、萃取、干燥、二次抽滤、柱色谱提纯和旋蒸，得到备用的黄色固体，该黄色固体即为最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体；
步骤S2、给体-受体斯坦豪斯加合物分子的制备：
将步骤S1最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体溶于有机溶剂中，再加入与所述最终得到的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体相同摩尔质量的N-丙基苯胺，于室温下搅拌2-3h或30-35℃下搅拌1.5-2h，然后经柱色谱提纯和旋蒸，得到纯化的给体-受体斯坦豪斯加合物分子备用；
步骤S3、金种子溶液的制备：
将十六烷基三甲基溴化铵在30℃下加热搅拌直至完全溶解，然后在搅拌条件下加入氯金酸进行混合，之后加入硼氢化钠，得到金种子溶液；
步骤S4、金纳米棒溶液的制备：
将十六烷基三甲基溴化铵、氯金酸、硝酸银、硫酸混合，搅拌均匀后加入抗坏血酸，再加入步骤S3制得的金种子溶液，加热至30℃反应8h，得到金纳米棒溶液；
步骤S5、介孔二氧化硅包覆的金纳米棒的制备：
取步骤S4制得的金纳米棒溶液离心后用去离子水稀释，搅拌下加入氢氧化钠将反应体系的pH调至10，然后分三次加入硅酸乙酯/甲醇溶液，室温下反应72h，之后，离心后用去离子水稀释，即得介孔二氧化硅包覆的金纳米棒；
步骤S6、金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒的制备：
于无水无氧条件下，将步骤S5制得的介孔二氧化硅包覆的金纳米棒与含异腈酸酯基团硅烷偶联剂和无水四氢呋喃混合，加热至70℃下搅拌反应12h，冷却后离心除杂、干燥，得到中间产物；接着，于无水无氧条件下，将所述中间产物与含羟基分子混合，加热至90℃搅拌冷凝回流反应12h，冷却后离心除杂、干燥，得到金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒；
步骤S7、基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备：
于避光条件下，将步骤S6制得的金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒真空活化后冷却至室温，将步骤S2制得的给体-受体斯坦豪斯加合物分子溶解在二氯甲烷有机溶剂中，然后加入到活化后的步骤S6制得的金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒中，搅拌12h，离心、干燥，即得基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的一种基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的依次经过水洗、抽滤、萃取、干燥、二次抽滤、柱色谱提纯和旋蒸，得到备用的黄色固体，具体包括，先将初步得到黄色的给体-受体斯坦豪斯加合物分子中间体产物进行水洗、抽滤，去除其中的大部分水分；然后，再依次使用饱和的亚硫酸氢钠和饱和的氯化钠水溶液以萃取的方式去除中间体产物中的杂质；接下来以抽滤的方式，使用无水硫酸镁或无水硫酸钠作为除水剂进一步去除中间体产物中的水分；之后，将得到的中间体产物采用柱色谱技术进行最终提纯，提纯时，采用二氯甲烷有机溶剂作为洗脱剂；在得到纯化后的中间体后再通过旋蒸的方式去除二氯甲烷有机溶剂，得到黄色固体备用。
3.如权利要求1所述的一种基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S3具体包括：首先将十六烷基三甲基溴化铵用去离子水溶解，30℃下加热搅拌直至完全溶解形成浓度为0.1mol/L的溶液，然后在搅拌条件下加入250μl的浓度为10mmol/L氯金酸溶液进行混合，最后在搅拌条件下将600μl冰浴的硼氢化钠溶液加入到上述混合所得的溶液中，即可得到表面修饰的金种子溶液。
4.如权利要求1所述的一种基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S4具体包括：首先将十六烷基三甲基溴化铵用100ml的去离子水溶解形成浓度为0.1mol/L的溶液，再依次分别加入5ml的浓度为10mmol/L氯金酸溶液、800μl的浓度为10mmol/L的硝酸银溶液和2ml的浓度为0.5mol/L硫酸，搅拌均匀后加入800μl的浓度为0.1mol/L的抗坏血酸，之后再加入240μl的步骤S3制得的金种子溶液，保持在30℃条件下反应8h即可得到相应的金纳米棒溶液。
5.如权利要求1所述的一种基于给体-受体斯坦豪斯加合物的双向光控核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S6金核二氧化硅壳表面酯基接枝纳米颗粒的制备分为中间体和最终产物两部分制备步骤，具体包括：首先制备中间体，取100mg步骤S5反应制得的介孔二氧化硅包覆的金纳米棒，在无水无氧的条件下加入0.52g的浓度为2wt％的(3-异氰酸丙基)三甲氧基硅烷溶剂或(3-异氰酸丙基)三乙氧基硅烷溶剂，之后加入30ml的无水四氢呋喃，在油浴锅中恒温70℃下搅拌反应12h，再使用四氢呋喃对产物进行离心、超声两次以去除其中的杂质，最后置于真空烘箱中加热至50℃烘干备用，得到中间产物；接下来制备最终产物，将烘干后的中间产物置于无水无氧的反应环境中，再加入30ml的正丙醇、甲醇、乙醇或异丙醇，在油浴锅中恒温90℃下搅拌冷凝回流反应12h，反应结束后同样使用四氢呋喃对产物进行离心和超声各两次以去除其中的杂质，最后置于真空烘箱中加热至50℃烘干备用。
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