一种掺杂正电荷聚集诱导发光染料的纳米粒子及其制备方法

1.本发明属于纳米材料合成领域，具体涉及一种掺杂正电荷聚集诱导发光染料的纳米粒子及其制备方法。


背景技术：

2.传统的有机荧光染料普遍存在强烈的荧光背景、较差的光稳定性、较小的斯托克斯位移和聚集诱导淬灭（acq）效应，因此大大削弱了其实际应用的优势。而具有聚集诱导发光（aie）特性的荧光染料克服了传统荧光染料的acq效应，提高了染料装载量和荧光探针的性能。除此之外，聚集诱导发光材料还具有抗光漂白能力强、斯托克斯位移大等优点，在实际应用中具有极大的优势。
3.二氧化硅等硅基材料因其具有尺寸可控、独特的光学性质、高比表面积、低密度、高吸附容量、表面易修饰、良好的生物相容性和低毒性等特性，近年来备受学者关注。二氧化硅纳米粒子作为荧光纳米粒子的介质，可以提供良好的保护，增强荧光纳米粒子的光稳定性和抗光漂白能力，在生物成像、体外诊断等领域具有极好的应用前景。
4.目前二氧化硅纳米粒子的合成方法主要有沉淀法、微乳液法和st
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ber法等。沉淀法合成二氧化硅纳米粒子通常以无机硅酸盐与酸反应，其合成工艺简单、制作成本低。但二氧化硅纳米粒子的形貌和均一性难以控制，并需要额外的复杂步骤用于装载染料。微乳液法制备二氧化硅纳米粒子，需要表面活性剂来降低界面能，从而形成微乳液。这些微乳液结构可以为染料分子提供稳定的微环境。然而，微乳液法在合成过程中必须用到大量的有机溶剂，纳米粒子的后处理比较繁琐且不易出尽。由于纳米粒子和染料之间缺少强的相互作用力，因此染料容易外泄。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种掺杂正电荷聚集诱导发光染料的纳米粒子及其制备方法，采用st
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ber法合成二氧化硅纳米粒子。st
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ber法合成二氧化硅纳米粒子是以有机硅源为原料，以氨水为催化剂，通过水解缩合形成硅氧烷网络，并向外继续延伸形成二氧化硅纳米粒子。在硅烷水解过程中，直接加入带有正电荷的聚集诱导发光染料，由于静电相互作用，聚集诱导发光染料被硅烷的单体或寡聚体包裹。在硅烷水解缩聚的过程中，染料跟随硅烷聚集而聚集，由于染料的aie特性，使得荧光增强。由此合成的聚集诱导发光纳米粒子，具有高球形度、高稳定性和结构可控等特点。
6.为解决聚集诱导发光微球稳定性差、染料易泄露的问题，本发明提出一种掺杂染料的二氧化硅纳米粒子的制备方法，通过一锅合成，即可制备出高稳定性、结构可控的聚集诱导发光纳米粒子。在二氧化硅纳米粒子的合成过程中，同时或分步加入带有正电荷的聚集诱导发光染料，根据染料加入的时间，可合成中间聚集或外层聚集的聚集诱导发光纳米粒子。
7.本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种掺杂正电荷聚集诱导发光染料的纳米粒子的制备方法：将氨水和超纯水溶于乙醇中，充分搅拌后，加入四乙氧基硅烷水解。水解过程中，加入含有正电荷聚集诱导发光染料的乙醇溶液，离心分离，经乙醇清洗后，得到掺杂聚集诱导发光染料的二氧化硅纳米粒子。然后进行表面改性，将掺杂聚集诱导发光染料的二氧化硅纳米粒子分散在乙醇中，随后将氨水和3-氨丙基三乙氧基硅烷分别加入反应体系中，持续搅拌。最后经过离心分离，将所得二氧化硅纳米粒子分散在超纯水中。
8.具体步骤为：(1)将氨水和超纯水溶解在乙醇中，充分搅拌；(2)将带有正电荷的聚集诱导发光染料溶解在乙醇溶液中；(3)向步骤(1)所述的反应体系中加入四乙氧基硅烷，持续不断搅拌；(4)在加入四乙氧基硅烷的同时或之后，加入步骤(2)所述的聚集诱导发光溶液；(5)使用乙醇清洗步骤(4)所得的掺杂聚集诱导发光染料的二氧化硅纳米粒子；(6)将步骤(5)所得的掺杂聚集诱导发光染料的二氧化硅纳米粒子分散在乙醇中；(7)向步骤(6)所述的反应体系中加入氨水和3-氨丙基三乙氧基硅烷，并持续搅拌；(8)使用乙醇清洗步骤(7)所得的聚集诱导发光纳米粒子，最终分散在超纯水中。
9.优选的，步骤(1)所述的氨水和乙醇的体积比为1:10-1:60。
10.优选的，步骤(1)所述的超纯水和乙醇的体积比为1:10-1:50。
11.优选的，步骤(2)所述的正电荷聚集诱导发光染料溶解于乙醇的终浓度为0.1-5mg/ml。
12.优选的，步骤(3)所述的四乙氧基硅烷与乙醇的体积比为1:10-1:30。
13.优选的，步骤(7)所述的四乙氧基硅烷和3-氨丙基三乙氧基硅烷的体积比为1:1-10:1。
14.步骤(4)中因聚集诱导发光染料溶液的添加时间不同，可合成不同形貌的聚集诱导发光微球。在初期或成核之前加入聚集诱导发光染料，染料会被四乙氧基硅烷的单体或寡聚物包裹，随着单体或寡聚物聚集成核，染料也会随硅烷的成核而聚集。限制了聚集诱导发光染料的自由旋转，导致较强的荧光发射。生成的聚集诱导发光纳米粒子的大部分染料聚集在核内或核周围。
15.在反应中期加入聚集诱导发光染料，染料同样被四乙氧基硅烷的单体或寡聚物包裹，随着硅烷的进一步水解，硅烷单体或寡聚物在二氧化硅内核外生长，染料随硅烷在核外生长而聚集。限制了聚集诱导发光染料的自由旋转，导致较强的荧光发射。生成的聚集诱导发光纳米粒子的大部分染料外层聚集。
16.在反应后期加入聚集诱导发光染料，染料将和溶液中少量的四乙氧基硅烷单体发生静电吸附作用，由于后期单体量较少，因此结合染料的效率不高，染料装载量低。染料分子随单体在二氧化硅纳米粒子表面堆积，其稳定性较差。因此该方法并非一种合适的聚集诱导发光纳米粒子的合成方法。
17.本发明还提供了一种掺杂正电荷聚集诱导发光染料的纳米粒子，采用如上述方法制备得到，制得的聚集诱导发光纳米粒子具有高稳定性、高球形度等特点。染料分布可以在中间聚集或外层聚集。
18.本发明的优点在于：(1)本发明利用正电荷聚集诱导发光染料和二氧化硅的静电相互作用，在硅烷水解的不同时间内加入聚集诱导发光染料。通过染料的加入时间控制染料的分散程度。
19.(2)本发明合成的聚集诱导发光纳米粒子球形度高、稳定性好且具有较强的生物相容性。在生物成像、体外诊断等多种用途具有重要的实际应用价值。
附图说明
20.图1是本发明使用的聚集诱导发光染料的结构式。
21.图2是本发明聚集诱导发光纳米粒子的制备流程图。
具体实施方式
22.实施例1：中间聚集的聚集诱导发光纳米粒子在三颈烧瓶中分别加入30ml乙醇、1.2ml氨水和0.8ml超纯水，并在25℃下搅拌60分钟，充分分散。使用乙醇配置1mg/ml正电荷聚集诱导发光染料溶液。三颈烧瓶中加入2.4ml的四乙氧基硅烷，并在25℃下搅拌12小时。分别在加入四乙氧基硅烷0小时和3小时后，加入1ml正电荷聚集诱导发光染料溶液。待反应结束后，使用乙醇清洗装载染料的二氧化硅纳米粒子3次，最终将产物复溶在100ml乙醇中。为了表面氨基改性，分别将0.25 ml氨水和0.5ml 3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到负载染料的二氧化硅纳米粒子中，并在25℃下搅拌12小时。然后将所得产物用乙醇清洗3次，最终将聚集诱导发光纳米粒子分散在超纯水中。
23.实施例2：外层聚集的聚集诱导发光纳米粒子在三颈烧瓶中分别加入30ml乙醇、1.2ml氨水和0.8ml超纯水，并在25℃下搅拌60分钟，充分分散。使用乙醇配置1mg/ml正电荷聚集诱导发光染料溶液。三颈烧瓶中加入2.4ml的四乙氧基硅烷，并在25℃下搅拌12小时。分别在加入四乙氧基硅烷4小时、6小时和8小时后，加入1ml正电荷聚集诱导发光染料溶液。待反应结束后，使用乙醇清洗装载染料的二氧化硅纳米粒子3次，最终将产物复溶在100ml乙醇中。为了表面氨基改性，分别将0.25 ml氨水和0.5ml 3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到负载染料的二氧化硅纳米粒子中，并在25℃下搅拌12小时。然后将所得产物用乙醇清洗3次，最终将聚集诱导发光纳米粒子分散在超纯水中。
24.实施例3：表面负载的聚集诱导发光纳米粒子在三颈烧瓶中分别加入30ml乙醇、1.2ml氨水和0.8ml超纯水，并在25℃下搅拌60分钟，充分分散。使用乙醇配置1mg/ml正电荷聚集诱导发光染料溶液。三颈烧瓶中加入2.4ml的四乙氧基硅烷，并在25℃下搅拌12小时。分别在加入四乙氧基硅烷10小时、11小时后，加入1ml正电荷聚集诱导发光染料溶液。待反应结束后，使用乙醇清洗装载染料的二氧化硅纳米粒子3次，最终将产物复溶在100ml乙醇中。为了表面氨基改性，分别将0.25 ml氨水和0.5ml 3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到负载染料的二氧化硅纳米粒子中，并在25℃下搅拌12小时。然后将所得产物用乙醇清洗3次，最终将聚集诱导发光纳米粒子分散在超纯水中。
25.本发明的上述实施例是对本发明的说明而不能限制本发明，与本发明的权利要求
书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。