专利名称：一种氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的掺杂方法
技术领域：
本发明属于荧光纳米材料的技术领域，特别涉及一种氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的高效掺杂方法。
背景技术：
染料掺杂二氧化硅纳米粒子具有较高的光稳定性，不易发生光降解或者光漂白现象，并且二氧化硅作为介质生物相容性好，表面易于功能化。因此，染料掺杂二氧化硅纳米粒子在生物技术领域有着广阔的应用前景。氨基活性类染料(异硫氰根荧光素(FITC)，四甲基罗丹明异硫氰酸盐(TRITC，tetramethylrhodamine isothiocyanate)，5_羧基罗丹明 6G琥珀酰亚胺酯(5-carboxyrhodamine 6G, succinimidyl ester)作为常用的一种商业化染料，其具有较高的量子产率，是生物技术领域中应用非常普遍的一种染料。目前氨基活性类染料通常是通过硅烷偶联剂(如APQ掺杂到二氧化硅粒子中，即利用染料中的氨基活性类基团与硅烷偶联剂中的氨基发生共价反应，形成共价前驱体，再利用Stober体系中硅烷偶联剂与正硅酸乙酯的共同水解、缩聚作用将染料掺杂到二氧化硅介质中。但是由于正硅酸乙酯的水解速率比硅烷偶联剂APS快5倍，因此在水解缩聚过程中，正硅酸乙酯会优先水解缩聚成核，而偶联有染料的硅烷偶联剂APS由于水解速率慢的原因，无法有效的掺杂到二氧化硅粒子中。其次，由于Stober体系中氨水的存在，APS与染料之间的共价键会发生断裂， 也会影响染料的掺杂效率。因此这种方法的掺杂效率十分低，通常只有10%左右。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有氨基活性类染料掺杂效率低的不足，提出一种氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的高效掺杂方法。该方法通过种子偶联法实现染料在二氧化硅纳米粒子表面的高效偶联，并通过预水解快速包覆的方法减少了染料的脱落，最终实现了染料在二氧化硅纳米粒子中的高效掺杂。本发明的一种氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的高效掺杂方法包括有二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰，染料的共价偶联、二氧化硅壳层包覆的工艺过程所述的二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰，是通过硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APQ的水解和缩合，进行二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰。可以将Stober法制得的二氧化硅纳米粒子溶解在乙醇溶剂中，其中氨水的质量百分含量是0. 046%，乙醇与水的质量比是40 1，APS百分含量为0.1%，反应温度是40°C，反应时间是12小时。所述的染料的共价偶联，是指表面氨基修饰后的二氧化硅纳米粒子在乙醇中与氨基活性类的染料分子共价偶联，反应10小时，反应可以避光进行。所述的二氧化硅壳层包覆，是将经过染料偶联的二氧化硅纳米粒子加入到经过预水解的Stober体系当中，反应6小时，经过二氧化硅物种的吸附以及生长，最终得到染料掺杂二氧化硅复合粒子。本发明的具体技术方案叙述如下
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一种氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的掺杂方法，有二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰，染料的共价偶联、二氧化硅壳层包覆的工艺过程；所述的二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰，是将二氧化硅纳米粒子分散在乙醇、氨水和水的混合液中，加入硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)，在38 42°C水浴中搅拌反应6 10小时，离心提纯后得到氨基修饰的二氧化硅粒子，其中混合液按体积比是乙醇氨水水为100 4 16 2 4，每100毫升混合液中加入1. 07 2. 24克二氧化硅纳米粒子和62 76 μ 1硅烷偶联剂；所述的染料的共价偶联，是将氨基修饰的二氧化硅粒子分散在乙醇中，加入浓度为0. 2 1. Omg/mL的氨基活性类染料的乙醇溶液，38 42°C水浴中搅拌反应10 14小时，离心提纯后得到染料偶联的二氧化硅纳米粒子，其中每IOOmL乙醇中加入1. 34 2. 68g 氨基修饰的二氧化硅粒子和ImL氨基活性类染料的乙醇溶液；所述的二氧化硅壳层包覆， 是将染料偶联的二氧化硅纳米粒子加入到预水解的Stober体系当中反应5 7小时，得到染料掺杂的二氧化硅纳米粒子，其中每IOOmL Stober体系中加入染料偶联的二氧化硅纳米粒子 4. O 8. lg。所述的二氧化硅纳米粒子可以用现有的制备方法得到。也可以通过Stober反应制得，其中反应液中正硅酸乙酯的质量百分含量是0. 059 0. 118%，氨水的质量百分含量是 0.046 0. 184%，乙醇与水的质量比是40 20 1，反应温度是40°C，反应时间是12小时。最终粒径为40 200nm。所述的氨基活性类染料可为异硫氰根荧光素(FITC)、四甲基罗丹明异硫氰酸盐(TRITC，tetramethylrhodamine isothiocyanate)或 5-羧基罗丹明 6G 琥珀酰亚胺酯 (5-carboxyrhodamine 6G, succinimidyl ester)等。在二氧化娃壳层包覆过程中，预水角军的Stober体系是有机硅源在醇水体系中，氨水催化下，反应20分钟形成的反应体系；预水解的Stober体系中的有机硅源为正硅酸乙酯，浓度为0. 089M，氨的浓度为1. 6M，醇水体系中的醇、水体积比为50 1。本发明的一种氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的高效掺杂方法，可以实现染料在二氧化硅粒子中的高效掺杂，适用于所有氨基活性类染料在二氧化硅中的掺杂，并且粒子的形貌，尺寸易于控制，所得粒子的发光性质好。本发明通过种子偶联与预水解快速包覆相结合的方法，将氨基活性类染料掺杂在二氧化硅粒子中，通过种子偶联、预水解包覆的有效结合，可显著提高氨基活性类染料在二氧化硅粒子中的掺杂效率，相对于传统方法，可有效的将掺杂效率从10%提高至70%。该方法掺杂效率的提高是由于(1)通过种子偶联法将TEOS的水解与APS的水解分开进行，消除了二者由于水解速率差异导致的掺杂效率低的问题。如图1所示，通过该方法进行偶联后，体系中上清几乎没有染料存在，说明该方法偶联效率非常高，接近100%，另外红外谱图也证明了氨基活性类染料FITC已经修饰在了二氧化硅表面。(2)采用预水解快速包覆的方法有效的减少了包覆过程中FITC的脱落，进一步提高了染料的掺杂效率。如图2所示，如果只采用种子偶联法而不经过预水解，染料的掺杂效率为37%，这是因为部分偶联在二氧化硅表面的FITC在包覆过程中脱落的原因。而本发明同时采用种子偶联法和预水解法时，染料的掺杂效率可以达到70%。
图1为本发明实施例6得到的反应体系上清及最终粒子(溶去SiO2)的吸收光谱。图2是本发明实施例6所得的偶联后粒子及氨基活性类染料FITC的红外谱图。图3是本发明实施例6中所加染料浓度下的染料溶液的吸收，分别给出经过预水解及未经过预水解的掺杂入二氧化硅纳米粒子的染料的吸收。
具体实施例方式实施例1 二氧化硅纳米粒子的制备(1)在250mL三颈瓶中加入IOOmL乙醇，4mL氨水，2mL水，5mL TE0S，机械搅拌下于 40°C水浴中反应12小时，搅拌速度为150rpm，离心提纯后得到平均粒径为40nm的二氧化硅纳米粒子。实施例2 二氧化硅纳米粒子的制备O)在250mL三颈瓶中加入IOOmL乙醇，16mL氨水，4mL水，IOmL TEOS,机械搅拌下于 40°C水浴中反应12小时，搅拌速度为150rpm，离心提纯后得到平均粒径为200nm的二氧化
硅纳米粒子。实施例3 二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰(1)将按照实施例1制得的二氧化硅纳米粒子1. 34g分散在IOOmL乙醇，4mL氨水，2mL 水的混合液中，加入80μ 1APS，40°C水浴中反应时间8小时，搅拌速度200rpm，离心提纯后得到平均粒径40nm氨基修饰后的二氧化硅粒子。实施例4 二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰O)将按照实施例2制得的二氧化硅纳米粒子2. 68g分散在IOOmL乙醇，16mL氨水， 4mL水的混合液中，加入80 μ IAPS, 40°C水浴中反应时间8小时，搅拌速度200rpm，离心提纯后得到平均粒径200nm氨基修饰后的二氧化硅粒子。实施例5 粒子与染料的共价偶联(1)将按照实施例3制得的氨基修饰的二氧化硅粒子1. 34g分散在IOOmL乙醇中，加入0. 2mg异硫氰根荧光素(提前溶解于ImL乙醇)，机械搅拌下，40°C水浴中反应12小时， 离心提纯后得到染料偶联后的二氧化硅纳米粒子。实施例6 粒子与染料的共价偶联O)将按照实施例3制得的氨基修饰的二氧化硅粒子1. 34g分散在IOOmL乙醇中，加入1. Omg异硫氰根荧光素(提前溶解于ImL乙醇)，机械搅拌下，40°C水浴中反应12小时， 离心提纯后得到染料偶联后的二氧化硅纳米粒子。实施例7 粒子与染料的共价偶联(3)将按照实施例4制得的氨基修饰的二氧化硅粒子2. 68g分散在IOOmL乙醇中，加入0. 2mg异硫氰根荧光素(提前溶解于ImL乙醇)，机械搅拌下，40°C水浴中反应12小时， 离心提纯后得到染料偶联后的二氧化硅纳米粒子。实施例8 粒子与染料的共价偶联将按照实施例4制得的氨基修饰的二氧化硅粒子2. 68g分散在IOOmL乙醇中，加入1. Omg异硫氰根荧光素(提前溶解于ImL乙醇)，机械搅拌下，40°C水浴中反应12小时， 离心提纯后得到染料偶联后的二氧化硅纳米粒子。
实施例9 粒子与染料的共价偶联(5)将实施例5 实施例8中的异硫氰根荧光素换成四甲基罗丹明异硫氰酸盐或 5-羧基罗丹明6G琥珀酰亚胺酯等，其余条件不变，同样可以得到染料偶联后的二氧化硅粒子。实施例10 二氧化硅壳层包覆将按照实施例5 实施例9得到的偶联有染料的二氧化硅纳米粒子1. 34 2. 68g 加入到预水解20分钟后的St0ber体系当中(30mL乙醇，0. 6mL水，2mL氨水，0. 6mL TE0S)反应6小时得到相应染料掺杂二氧化硅纳米粒子。
权利要求
1.一种氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的掺杂方法，有二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰，染料的共价偶联、二氧化硅壳层包覆的工艺过程；所述的二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰，是将二氧化硅纳米粒子分散在乙醇、氨水和水的混合液中，加入硅烷偶联剂 3-氨丙基三乙氧基硅烷，在38 42°C水浴中搅拌反应6 10小时，离心提纯后得到氨基修饰的二氧化硅粒子，其中混合液按体积比是乙醇氨水水为100 4 16 2 4， 每100毫升混合液中加入1. 07 2. 24克二氧化硅纳米粒子和62 76 μ 1硅烷偶联剂； 所述的染料的共价偶联，是将氨基修饰的二氧化硅粒子分散在乙醇中，加入浓度为0. 2 1. Omg/mL的氨基活性类染料的乙醇溶液，38 42°C水浴中搅拌反应10 14小时，离心提纯后得到染料偶联的二氧化硅纳米粒子，其中每IOOmL乙醇中加入1. 34 2. 68g氨基修饰的二氧化硅粒子和ImL氨基活性类染料的乙醇溶液；所述的二氧化硅壳层包覆，是将染料偶联的二氧化硅纳米粒子加入到预水解的Stober体系当中反应5 7小时，得到染料掺杂的二氧化硅纳米粒子，其中每IOOmL Stober体系中加入染料偶联的二氧化硅纳米粒子4. O 8. Ig0
2.根据权利要求1所述的氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的掺杂方法，其特征在于，所述的氨基活性类染料可为异硫氰根荧光素、四甲基罗丹明异硫氰酸盐或5-羧基罗丹明6G琥珀酰亚胺酯。
3.根据权利要求1或2所述的氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的掺杂方法， 其特征在于，在二氧化硅壳层包覆过程中，预水解的Stober体系是有机硅源在醇水体系中， 氨水催化下，反应20分钟形成的反应体系；预水解的Stober体系中的有机硅源为正硅酸乙酯，浓度为0. 089M，氨的浓度为1. 6M，醇水体系中的醇、水体积比为50 1。
全文摘要
本发明的一种氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中的掺杂方法属于荧光材料的技术领域。工艺包括二氧化硅纳米粒子表面的氨基修饰，染料的共价偶联、二氧化硅壳层包覆的过程。通过种子偶联法得到表面高效偶联染料的二氧化硅种子粒子，再将种子粒子加入到经过预水解的体系中，通过体系中寡聚体与初级粒子在种子粒子表面的快速聚集实现对种子粒子的二氧化硅壳层包覆。本发明通过将TEOS与APS的水解过程分开进行实现了染料到硅球表面的高效偶联，并通过预水解快速包覆硅层的方法减少了染料的脱落，实现了氨基活性类染料在二氧化硅纳米粒子中高效掺杂的目的。
文档编号C09K11/06GK102433113SQ20111028496
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者徐建全, 李军, 杨文胜, 梁经纶, 薛峥, 郑惟时 申请人:吉林大学