一种零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子及其应用

本发明涉及一种指定的双色荧光信号零串扰的光开关材料的制备和应用，具体来说，涉及基于含红色荧光染料四苯基卟啉tpp和具有光开关荧光性质的二芳基乙烯化合物bdteo4的光开关双色荧光聚合物纳米粒子的制备及应用，属于化学材料制备、显示材料领域。

背景技术：

光开关荧光聚合物纳米粒子在信息加密防伪，光学数据存储，超高分辨率生物成像等领域具有潜在的应用价值。一般来说，光开关荧光功能是将一些有机光致变色化合物，如螺噁嗪类化合物、螺吡喃类化合物，二芳基乙烯类化合物引入到纳米粒子中，通过调控光照条件来转变有机分子的结构从而实现荧光的转变。

通过将疏水的有机染料分子引入到聚合物纳米粒子体系中制备光开关荧光聚合物纳米粒子实现荧光的颜色或明/暗状态的调控。这种核-壳结构的聚合物纳米粒子为有机染料分子提供了疏水环境，有利于增加其在水相中的溶解度从而提高其在水相体系中的荧光强度，同时还可以有效降低其在生物应用中可能产生的毒性。迄今为止，已经有多种方法用于制备光开关荧光聚合物纳米粒子，如自组装，微乳液聚合和细乳液聚合等。其中细乳液聚合方法因其步骤简单，所制备的纳米粒子尺寸较小，小于200nm，稳定性好，易于控制给受体比例而得到广泛的应用。

目前为止，已经有多种不同性能的光开关荧光聚合物纳米粒子被开发和报道出来，通过将不同性质的结构单元进行改性引入纳米颗粒中，以满足不同的性能要求。而单发射的荧光开关在实际应用中遇到了一些局限性，比如在生物学领域中易受到背景自身荧光的干扰、光电器件领域中有限的发射条件，因此大大限制了其应用的领域。这就使得多色或双色的光开关荧光系统受到研究者广泛的兴趣，例如白光的调控，应用于复杂地逻辑设备，高级的信息防伪功能，使得光开关荧光体系的应用领域进一步的扩展开来并促进了一系列相关领域的变革和发展。

在各种双色或多色光开关荧光纳米材料中，特定颜色的光开关双色荧光聚合物纳米颗粒可以通过调整其自身的双发射信号的特性来实现更精确的识别和实时成像，从而获得更准确和可靠的结果。对于这种体系，传统的方法是将不同的荧光团与光开关分子结合，利用荧光能量转移fret的方式，实现指定荧光状态的可逆调控。另一种则相反，抑制能量转移的方式，采用染料分子的本身不同的激发态能级实现不同荧光状态的调控。

尽管上述系统多角度展示了不同原理来实现荧光颜色特异性的光调控，但是荧光猝灭的低效率使得不同荧光信号之间产生了相互干扰，这不利于实现特定发射颜色的光调节，这就意味着需要精心设计具有不同发射特性的染料和采取有效的能量转移的方式，这无疑增加了光开关双色荧光聚合物实验的难度和工作量。

如何避免使用繁冗的合成步骤和其他的一些能量转移的方式，仅仅利用染料分子各自的光化学特性来开发出一种具有零串扰的指定颜色的双色可调控光开关荧光聚合物体系的材料成为了急需突破的难题。因此，发明一种简单、低成本、高对比度的零串扰的颜色指定的可逆光开关双色荧光聚合物纳米粒子就有着相当重要的现实意义和应用前景。

二芳基乙烯类化合物由于具有优异的光开关性能成为了科研人员研究的热门方向，但是大多数是将它作为能量转移的受体来猝灭其他荧光团的荧光，而将其作为一种光开关荧光特性的染料实现指定颜色的光开关双色体系相对较少；四苯基卟啉tpp作为一种红色的荧光染料，具有良好的光稳定性以及近红外特性，可以作为荧光标记物和光动力治疗广泛用于生物体中。它与光开关荧光特性的二芳基乙烯bdteo4可以实现单一波长下的共激发，由于二者独特的光谱性质，使得实现构建具有零串扰的指定颜色的双色可调控光开关荧光聚合物体系更为简单，也提供了一种新思路，新方法。

有鉴于此特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简单的方法用于制备零串扰的颜色指定的高对比度光开关双色荧光聚合物纳米粒子及其在信息加密防伪以及细胞成像中的应用，进一步应用研究表明，该光开关荧光聚合物纳米粒子在紫外光和可见光交替照射后具有多次可逆光开关性能同时具有良好的光响应行为以及出色的荧光信号零串扰特性。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

一种零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子的制备，包括以下步骤：

(1)将甲基丙烯酸甲酯、红色的荧光染料四苯基卟啉tpp、具有光开关荧光特性的二芳基乙烯化合物bdteo4、正十六烷、偶氮二异丁腈按质量比为1：0.005：0.004：0.15：0.012混合成溶液；

(2)将十六烷基三甲基氯化铵试剂配成浓度为0.01g/ml的水溶液；

(3)将步骤(1)和步骤(2)中配制的溶液混合搅拌5分钟，形成预乳液；

(4)将步骤(3)中形成的预乳液在超声波细胞粉碎仪中进行超声乳化，时间为10分钟，完成后形成细乳液；

(5)将步骤(4)中所形成的细乳液通氮气除氧10分钟，并升温到75℃，反应4小时，得到零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子；

上述的双波长调控的光开关荧光聚合物纳米粒子的制备，所述步骤(1)中的红色荧光染料四苯基卟啉tpp，其结构式如下：

上述的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子的制备，所述步骤(1)中的具有光开关荧光特性的二芳基乙烯化合物3,3'-(全氟环戊-1-烯-1,2-二基)双(2-乙基苯并[b]噻吩1,1-二氧化物)即bdteo4，其结构式如下：

根据上述制备方法制备的双波长调控的光开关荧光聚合物纳米粒子,其具体的反应机理过程参见图11。

本发明的有益效果和创新在于：

(1)本发明采用一步细乳液的聚合方法成功地制备出一种零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子，该聚合物纳米粒子具有良好的水分散性和较小的粒径，粒径在63nm左右。

(2)本发明中所制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在光控的条件下采用四苯基卟啉和二芳基乙烯作为光敏剂来调控荧光的颜色，并且合成与制备的过程更加简单。

(3)本发明中所制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子，通过调节紫外光和可见光的照射时间，可以实现从红光到绿光可逆转换，通过简单调节二者染料的混合比例可以实现不同终态荧光信号的调控。再者，该光开关双色荧光聚合物纳米粒子中二芳基乙烯只有在254nm紫外光照射下才能转变为闭环状态，使得在365nm的紫外灯下可以保持其稳定的开环结构，有利于我们观察到明显的荧光切换变化，在信息加密、防伪标签、可擦写图案等领域有着非常重要的应用前景。

附图说明

图1为制备的纳米粒子的粒径图。

图2为制备的纳米粒子在不同外界光作用下的紫外-可见吸收光谱图。

图3为制备的纳米粒子在不同外界光作用下的荧光发射光谱图。

图4为制备的纳米粒子对254nm紫外光和460nm可见光的光响应图。

图5为制备的纳米粒子对254nm紫外光和460nm可见光的可逆循环图。

图6为制备的不同终态的纳米粒子bt-np2在不同外界光作用下的荧光发射光谱图。

图7为制备的不同终态的纳米粒子bt-np3在不同外界光作用下的荧光发射光谱图。

图8为制备的纳米粒子在信息加密中的应用图。

图9为制备的纳米粒子在信息防伪中的应用图。

图10为制备的纳米粒子在可擦写图案中的应用图。

图11为本发明的反应机理过程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：具有光开关荧光特性的二芳基乙烯化合物3,3'-(全氟环戊-1-烯-1,2-二基)双(2-乙基苯并[b]噻吩1,1-二氧化物)即bdteo4的制备，具体步骤以下：

2-乙基苯并噻吩的合成(2)

将苯并[b]噻吩(5.00g，37.26mmol)溶于无水四氢呋喃(thf)(100ml)中，冷却至-78℃。将25ml的正丁基锂(1.6m，40.99mmol)缓慢加入到溶液中。将所得混合物转移至室温，并将碘乙烷(3.3ml，41mmol)滴加到混合物中。搅拌1小时后，向混合物中加入甲醇和水。有机相用乙酸乙酯萃取，并用mgso4干燥。将残余物通过硅胶柱色谱法(石油醚)纯化，以91％的产率得到5.50g产物2。

3-溴-2-乙基-苯并[b]噻吩的合成(3)

在5℃下，向含有化合物2(5.50g，35.18mmol)的精制thf溶液(60ml)中缓慢加入6.36gn-溴代丁二酰亚胺(36.59mmol)。将反应混合物搅拌16小时，然后倒入硫代硫酸钠溶液中并用乙醚萃取。将有机层干燥，过滤并浓缩。残余物通过硅胶柱色谱法(石油醚)纯化，以85％产率得到7.15g的产物3。

1,2-双(2-乙基苯并[b]噻吩-3-基)六氟环戊烯的合成(bdte)

将3(5.0g，20.8mmol)溶解在无水thf(75ml)中，在-78℃下，氮气保护下将13.5ml的正丁基锂(1.6m，21.6mmol)滴加到该溶液中搅拌1小时。之后在-78℃下缓慢加入1.4ml的八氟环戊烯(10.4mmol)，搅拌2小时后，除去冷却浴。将所得混合物转移至室温反应过夜。然后将甲醇加入到溶液中，用氯仿萃取并用无水mgso4干燥。粗产物通过硅胶上的柱色谱法纯化(dcm/石油醚＝1/10)，然后从正己烷中重结晶，得到产物bdte(1.6g，3.6mmol)，产率为32.6％。

3,3'-(全氟环戊-1-烯-1,2-二基)双(2-乙基苯并[b]噻吩1,1-二氧化物)即bdteo4的制备

在冰浴中将m-cpba(1.8g，10.6mmol)、bdte(0.5g，1.06mmol)添加到精制的ch2cl2(15ml)溶液中搅拌30分钟，转至室温下搅拌过夜后，依次加入10％na2s2o3水溶液和10％nahco3水溶液淬灭混合物，并将反应混合物用乙酸乙酯萃取。有机层先后用水和盐水溶液洗涤，并用mgso4干燥。将有机层过滤并浓缩，得到粗产物，将其通过柱色谱纯化(石油醚/dcm＝1：1)，得到产物bdteo4(0.5g，85％)为白色粉末。¹hnmr(500mhz,cdcl3,tms):δ1.04(t,3.7h,-ch3(ap)),1.40(t,2.3h,-ch3(p)),2.37-2.66(m,4h,-ch2),7.13-7.75(m,8h,-ar).13cnmr(126mhz,cdcl3)δ148.60,148.18,135.63,135.56,133.88,133.66,133.41,130.87,130.74,129.52,129.33,123.34,122.76,122.65,122.40,122.30,77.28,77.03,76.78,19.15,19.08,11.87,11.50.ms(esi):m/z560.04[m-h]^-.

实施例2：一种零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子的制备，具体步骤以下：

将甲基丙烯酸甲酯0.5g、红色的荧光染料四苯基卟啉tpp0.0025g、具有光开关荧光特性的二芳基乙烯化合物bdteo40.002g、正十六烷0.075g、偶氮二异丁腈0.006g混合搅拌均匀后分散在浓度为0.01g/ml的十六烷基三甲基氯化铵的水溶液10ml中，超声乳化至形成稳定均匀的细乳液，75℃下反应4小时后得到一种零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子bt-np1。

实施例3：一种零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子的制备，具体步骤以下：

将甲基丙烯酸甲酯0.5g、红色的荧光染料四苯基卟啉tpp0.0025g、具有光开关荧光特性的二芳基乙烯化合物bdteo40.001g、正十六烷0.075g、偶氮二异丁腈0.006g混合搅拌均匀后分散在浓度为0.01g/ml的十六烷基三甲基氯化铵的水溶液10ml中，超声乳化至形成稳定均匀的细乳液，75℃下反应4小时后得到一种零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子bt-np2。

实施例4：一种零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子的制备，具体步骤以下：

将甲基丙烯酸甲酯0.5g、红色的荧光染料四苯基卟啉tpp0.001g、具有光开关荧光特性的二芳基乙烯化合物bdteo40.002g、正十六烷0.075g、偶氮二异丁腈0.006g混合搅拌均匀后分散在浓度为0.01g/ml的十六烷基三甲基氯化铵的水溶液10ml中，超声乳化至形成稳定均匀的细乳液，75℃下反应4小时后得到一种零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子bt-np3。

实施例5：测试实施例2中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在不同的外界光作用下的紫外-可见吸收光谱。

具体测试的仪器为：shimadzuuv-2501pc紫外-可见吸收光谱仪，测试浓度为固含量4.18wt％，测试温度为25℃。

图2为实施例2中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在300nm至700nm区间内的紫外-可见吸收光谱图。从图2中可以看出，纳米粒子在254nm紫外灯照射下于450nm处出现了二芳基乙烯的吸收特征峰。在416nm处出现了四苯基卟啉tpp明显的特征吸收峰。经过460nm可见光的照射，二芳基乙烯bdteo4的吸收特征峰又得以消失。

实施例6：测试实施例2中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在不同的外界光作用下的荧光发射光谱。

具体测试的仪器为：shimadzurf-5301pc荧光光谱仪，测试浓度为固含量4.18wt％，测试温度为25℃。

图3为实施例2中制备的双波长调控的光开关荧光聚合物纳米粒子在不同的外界光作用下的荧光发射光谱图。纳米粒子用254nm紫外灯照射后，在496nm处出现明显的闭环态二芳基乙烯的绿色荧光发射峰，650nm处为四苯基卟啉的红色荧光发射峰，接着在460nm紫外光照射后，二芳基乙烯由闭环转变为开环，在496nm处的荧光强度又降低，处于650nm的荧光强度在紫外灯和可见光的照射下基本上没有发生变化。实现纳米粒子的荧光颜色由红色变为绿色。

实施例7：测试实施例2中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在254nm紫外光和460nm可见光的交替照射后荧光发射光谱的光响应实验。

图4为实施例2中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子bt-np1在254nm紫外光和460nm可见光的交替照射后的荧光发射光谱在496nm和650nm处的光响应图。从图4中可以看出，样品在496nm处的荧光强度也会随紫外光或可见光照射时间的延长而产生有规律的变化。在254nm紫外光照射2分钟后，其在496nm处的荧光强度上升一定程度后基本不变，接着在460nm紫外光照射3分钟后，其在496nm处的荧光强度基本能够恢复至初始状态。因此，该光开关荧光聚合物纳米粒子具有较快的光响应速度。

实施例8：测试实施例2中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在254nm紫外光与460nm可见光交替照射后的可逆光开关循环实验。

图5为实施例2中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子的可逆循环次数图。将样品放至石英比色皿中，在254nm紫外光和460nm可见光的多次交替照射后分别测试其在496nm和650nm处的荧光强度，如图5所示，结果表明零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子经17次光开关循环测试后仍具有较好的可逆光开关性能。

实施例9：测试实施例3和实施例4中制备的不同终态的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子的在254nm紫外灯和460nm可见光照射下的荧光发射光谱图。图6和图7分别为不同终态纳米粒子的荧光发射光谱图。通过光谱数据我们发现在保持单体量及其它添加剂的量保持一致的条件下，仅仅将二芳基乙烯类化合物bdteo4和红色荧光染料四苯基卟啉tpp按照不同的混合比例能够制备不同终态的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子bt-np2和bt-np3。可以实现不同终态荧光状态的光调节，进一步说明了该方法具有制备简单的优势。

实施例10：测试实施例2中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在信息加密中的应用。

图8为实施例2中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子信息加密中的应用。如图8所示，我们选用该纳米粒子和单独的四苯基卟啉纳米粒子按照数字存储模型设计信息加密应用。通过254nm紫外灯的照射，显示出荧光的变化，呈现出“0”、“1”的编码排序，展现出加密的单词“lab”，经过460nm可见光的照射又恢复到初始的加密状态。

实施例11：测试实施例2，实施例3以及实施例4中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在信息防伪中的应用。

图9为制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子信息防伪中的应用。如图9所示，我们选用不同终态荧光的纳米粒子对字母“let”进行加密应用。通过254nm紫外灯的照射，“let”字母显示出不同的荧光变化，呈现出橙红、黄绿、花箐色的终态变化，经过460nm可见光的照射“let”字母又恢复到初始的红色荧光状态。

实施例12：测试实施例4中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在可擦写图案中的应用。

图10为实施例4中制备的零串扰的颜色指定的光开关双色荧光聚合物纳米粒子在可擦写图案中的应用。将具有高对比度的荧光纳米粒子bt-np3与聚(丙烯酸甲酯)(mn＝14472，pdi＝1.79)在氯仿中混合以制备光可擦写的荧光膜(图10)。如图10所示，在254nmuv照射下并用掩模-key覆盖，字母“key”的荧光图案显示出来。然后可以通过460nm可见光的照射将其擦除。接着，通过使用另一个掩模-lab在相同的紫外灯照射下出现另一个字母“lab”的图，表明其在智能标签可擦写方面的潜在应用。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明所作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。