专利名称：一种利用疏水纳米粒子自组装制备多功能纳米微球的方法
技术领域：
本发明涉及纳米材料领域，特别是涉及一种利用疏水纳米粒子自组装制备的多功能纳米微球及其制备方法和在水中的分散。
背景技术：
尺寸为微米或次微米级，具有两种或多种性质的多功能粒子是技术应用领域理想的材料，可用于能量收集转换、多式联运成像、检测及诊断和治疗领域。例如，嵌入磁性氧化铁和荧光量子点的纳米粒子微球作为多模式结合磁共振成像造影剂可实现光学检测和生物靶向，这项技术目前已经得到广泛研究。通过严格控制载入的量子点，得到的复合粒子具备光学和磁性可分离双功能性。将量子点换成惰性金属则可以制备出新型的具有磁共振和光热治疗功能的新型材料。磁性材料还可以跟纳米催化剂结合形成磁性可分离的纳米催化剂，这样可以实现催化反应后贵重催化剂的回收，减少均相催化和非均相催化的费用差距。
纳米粒子自组装是一种制备双功能、三功能以及多功能材料有效便利的方法，制备出来的复合材料克服了单组分材料的缺陷。通过将不同类的粒子结合在一起，不仅保留了单个粒子基于大小和形貌的功能，还能得到由于粒子之间相互作用而产生的新性质。传统的多功能结构的制备方式例如层-层组装方法仅仅局限于疏水纳米粒子，因为其强烈依赖于静电相互作用。层层之间纳米粒子通过化学键直接连接的方法也曾经尝试过，但仅限于某些特殊情况。因为大部分情况下使用的配位粒子都不含有活性功能基团使其可以发生进一步的反应。
CN 1746105 A公开了利用层层组装技术构造多组分纳米管，如利用两种物质间不同电性吸附的反应以及两种物质间可作用基团间的反应制备多组分纳米管。该材料包括 具有正电性以及负电性的化合物或生物分子，以正负电荷相互吸引作用，形成聚电解质的纳米管。以及具有氨基的化合物或生物分子、与具有酸酐基团(或羧基或酰氯等)的化合物或生物分子，采用化学键合的方法，使氨基和酸酐(或羧基或酰氯)的化合物之间形成酰胺键，形成管壁均勻、性质稳定的纳米管。该发明通过层层组装方法形成多组分的纳米管。 尤其是利用两种物质间化学作用形成的纳米管，是由成膜性良好的高分子物质作基底，可以将成膜性能不好的功能化物质均勻铺展，使之具有光功能化、电功能化等基团。
很多技术领域重要的高品质纳米粒子，尤其是半导体(例如硒化镉、硒化锌、锑化镉)和金属氧化物(如Y-三氧化二铁，氧化锰，二氧化钛、二氧化锆)主要通过无机物前体在有机溶剂中高温裂解得到(一般温度是150-320°C )。这个制备过程使得最终制备出来的纳米粒子保留了原来的疏水性，不溶于水。因此很难将其像水溶性分子那样自组装形成功能化粒子。一般的，需要在纳米粒子表面将疏水基团变为亲水基团以增加其在水中的分散性。如CN 101830641 A公布了一种自组装纳米晶二氧化钛薄膜的制备方法，按下列步骤操作=(I)TiCl4醇体系的前驱溶液的配制；(2)衬底基片的清洗；(3)纳米晶二氧化钛薄膜的自组装和后处理；(4)双层纳米晶二氧化钛薄膜的自组装和后处理。本发明自组装制备的纳米晶二氧化钛薄膜形态规整、层次分明、孔隙多、成网络状、无龟裂，而且薄膜性能优良，特别适用于染料敏化太阳能电池，这种自组装的方法还可以得到纳米二氧化钛粉体副产品。这种制备方法的特点是工艺简单、价格低廉、环境友好、适宜于规模化生产。然而，配位体改性的过程一般涉及好几个过程，在大多数情况下这些都会对纳米粒子的物理性能产生不利的影响，因为新的亲水配体可能无法有效的将无机核部与水环境隔离。例如，采用各种亲水的配位体交换Cdk/ZnS表面的疏水氧化三辛基膦，都会引起量子效率的显著降低。 而且，新的配位体会逐渐的从纳米粒子上解吸附从而导致纳米粒子的团聚和沉积。更重要的是，如果超过一种的纳米粒子需要用作自组装，每种纳米粒子在组装之前都要单独进行表面改性。
烷硫醇和金属表面之间具有强的配位作用，这项内容已经得到广泛研究且在金属表面单层膜的自组装形成中已经有所应用。有研究报道烷硫醇可以吸附在金属氧化物表面(如二氧化钛、氧化锌和二氧化锡)和半导体材料(磷化铟，砷化铟，铟化镓)。如CN 1664167 A公布了一种涂布金属表面的方法，其是将含有烷硫醇化合物和溶剂的溶液涂布到金属表面，形成自组装的单分子层，作为坚固的抗腐蚀屏障。所述烷硫醇化合物的通式为 R(CH2)nSH,式中R是甲基、羧基、羟基、甲酰基或酰胺基，η为7 21，优选为12 18。近来， 已经利用硫醇-金属的相互作用将纳米粒子固定在烷硫醇改性的固体物质上，而且通过将金纳米粒子自组装到硫醇功能化的二氧化硅胶体而将这些作用进一步延伸到胶体粒子上。 但是，目前还没有利用硫醇与金属的相互作用制备具有良好的水分散性纳米粒子的简单方法。
因此，很需要开发出一种简单且普适的自组装方法，可以直接将各种疏水性纳米粒子进行自组装制备出多功能的纳米结构。由于这些粒子的主要应用是在生物医学领域， 因此最终组装出来的复合结构纳米粒子在水中需要具有良好的分散性。
本发明涉及一个普适且有效的自组装方法，可用自组装方法直接利用疏水纳米粒子制备出多功能化的纳米复合材料。该疏水纳米粒子在自组装之前和自组装过程中不需亲水性改性，且最终得到的纳米材料具有很好的化学/机械稳定性和水分散性。发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种利用疏水纳米粒子自组装制备多功能纳米微球的方法。
所述方法包括以下步骤
(1)制备MPS微球MPS微球通过一步法制备，将(3-巯基)丙基三甲氧基硅烷 (MPS)加入到NH4OH的水溶液中混合，将得到的溶液放置3小时以上(包括3小时)得到 MPS微球，冲洗MPS微球，并将其分散到溶剂中得到MPS溶液；
(2)制备MPS-自组装疏水粒子杂化微球在自组装疏水粒子的溶液中加入步骤 (1)制得的MPS溶液，混合后发生自组装即可得到MPS-自组装疏水粒子杂化微球。
本发明的目的之一还在于提供一种将疏水纳米粒子自组装制备的多功能纳米微球进行处理从而实现水溶液中分散的方法。
所述方法其特征在于，在上述步骤(2)之后进行步骤
(3) 二氧化硅包覆MPS-自组装疏水粒子杂化微球使用StOber方法，将步骤(2) 中制备得到的微球转移到含二氧化硅和表面活性剂的乙醇/H20/NH3溶液中，使其混合即可得到多功能纳米微球。
优选地，步骤(1)中MPS以溶液形式加入，溶剂为醇类，进一步优选为C「C5醇类， 特别优选为丙醇或异丙醇或其混合物。
优选地，步骤(1)中所述MPS与NH4OH的物质的量之比为0.5 1 4 1，进一步优选为0.5 1 3 1，特别优选为0.5 1 1.5 1。
优选地，步骤(1)中所述混合为使用微振荡方式；转速为500rpm 4000rpm，特别优选为IOOOrpm 3000rpm ；振荡时间为2min以上，特别优选为^iin 8min。
优选地，步骤(1)中所述放置温度为常温。
优选地，步骤(1)中所述放置时间为4小时以上(包括4小时)，进一步优选为4 15小时，特别优选为4 12小时。
优选地，步骤(1)中所述MPS微球采用C1-C8醇类或其混合物冲洗，进一步优选为 C1-C3醇类或其混合物，例如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或其混合物，特别优选为乙醇。
优选地，步骤(1)中所述溶剂为非极性溶剂，进一步优选为甲苯、非极性烷烃或其混合物，特别优选为甲苯、正己烷、环己烷、正庚烷或其混合物。
优选地，步骤O)中所述自组装疏水粒子为Y-Fe203、Au、Ag、Pd、Zr02、Ti02、Mn02、 SnO2或其组合，特别优选为Y -Fe2O3^ Au、ZrO2, TiO2或其组合。
优选地，步骤( 中所述自组装疏水粒子粒径为30nm以下，进一步优选为25nm以下，特别优选为1 20nm。
优选地，步骤O)中所述自组装疏水粒子的溶液中溶剂为非极性溶剂，进一步优选为甲苯、非极性烷烃或其混合物，特别优选为甲苯、正己烷、环己烷、正庚烷或其混合物。
优选地，步骤O)中所述混合溶液中自组装疏水粒子与MPS微球物质的量之比为 0.3 1 3 1，进一步优选为1 1 3 1，特别优选为2 1 3 1。
优选地，步骤(3)中所述表面活性剂为阴离子表面活性剂或/和两性离子表面活性剂或/和非离子表面活性剂，进一步优选为高级脂肪酸或/和其盐类、磺酸或/和其盐类、高级脂肪醇硫酸酯类、卵磷脂、脂肪酸甘油脂类或其混合物，更优选为硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、卵磷脂、单硬脂酸甘油酯或其混合物。
优选地，步骤(3)中所述混合为振荡混合。
步骤(1)中，所属领域技术人员可根据掌握的专业知识，通过调整制备条件，得到的微球可控制在150nm 3. 5 μ m，且具有单一的分散性。
步骤⑵中，在空气干燥后得到的微球尺寸基本与步骤⑴的微球尺寸相当，差别约为(190士28)nm (3. 5士0. 21) μ m。
步骤(3)中，所述多功能纳米微球可以在水溶液中均勻分散。
本发明的目的之一在于提供一种自组装得到的多功能纳米微球。
所述多功能纳米微球由前文所述方法，即步骤(1)、(2)、(3)制得。
所述多功能纳米微球的主体微球由(3-巯基)丙基三甲氧基硅烷制备获得；所选用的自组装疏水粒子为Y-Fe2O3、Au、Ag、Pd、ZrO2、TiO2、MnO2、SnA或其组合，其粒径为30nm 以下。
优选所述自组装疏水粒子为Y -Fe2O3^ Au、ZrO2, TiO2或其组合。
优选所述自组装疏水粒子粒径为25nm以下，特别优选为1 20nm。
所述StOber方法是所属领域已知技术，是StOber等在1968年提出的在醇溶液中制备单分散的S^2微球的方法实现对纳米颗粒包裹的溶胶-凝胶法。所属领域技术人员可根据所掌握的专业知识确定乙醇、水、氨水的比例。
该发明制备微球的过程中，不需要对疏水纳米颗粒进行化学改性，因而得到的最终功能化复合微球很好的保留了纳米微粒的性质。且最终制备出来的微球能很好的分散到水溶液中，达到生物医学领域应用的基本性质需求。此发明不仅简便易操作，而且新颖性强，灵活易调控，可在很宽的尺寸范围内制备出一系列窄分布的多功能微球。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)制备MPS微球MPS微球通过一步法制备，将300 μ L浓度为12. 5mM的(3-巯基)丙基三甲氧基硅烷(MPS)的异丙醇溶液加入到12. 5mL NH4OH浓度为0. 075mM的水溶液中使用IKA MS3微振荡器在2500rpm转速下用力振荡2分钟。将得到的溶液在常温下放置 4小时。最后得到的产物用乙醇冲洗2次，然后将产物分散到IOOmL甲苯中得到MPS溶液。 最后得到的MPS微球尺寸为869nm。
(2)制备MPS-Au杂化微球2500 μ L直径为IOnm的金颗粒的浓度为0. 45mM的甲苯溶液，然后往上述溶液中加入步骤(1)中制备好的MPS微球溶液。混合后发生自组装即可得到微球。在空气干燥后得到的微球为1059nm。该微球不能再分散到水中，只能分散到有机溶剂如甲苯中。
(3) 二氧化硅包覆MPS-Au杂化微球使用StOber方法，将O)中制备得到的粒子转移到含二氧化硅和表面活性剂SDS十二烷基硫酸钠的乙醇/H20/NH3溶液中，轻微振荡使其混合即可得到多功能亲水杂化微球。该微球可以在水溶液中均勻分散。
实施例2
(1)制备MPS微球MPS微球通过一步法制备，将250 μ L浓度为12. 5mM的(3-巯基)丙基三甲氧基硅烷(MPS)的异丙醇溶液加入到IOmL浓度为0. 625mM的NH4OH水溶液中使用IKA MS3微振荡器在4000rpm转速下用力振荡3分钟。将得到的溶液在常温下放置 3小时。最后得到的产物用丙醇冲洗3次，然后将其分散到IOOmL正己烷中得到MPS溶液。 最后得到的MPS微球尺寸为152nm。
(2)制备MPS-&A杂化微球2500 μ L直径为30nm的^O2颗粒的浓度为3. 75mM 的正己烷溶液，然后往上述溶液中加入步骤(1)中制备好的MPS微球溶液。混合后发生自组装即可得到微球。在空气干燥后得到的微球尺寸为563nm。该微球不能再分散到水中，只能分散到有机溶剂如甲苯中。
(3) 二氧化硅包覆MPS-^O2杂化微球使用StOber方法，将O)中制备得到的粒子转移到含二氧化硅和表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的乙醇/H2CVNH3溶液中，轻微振荡使其混合即可得到多功能亲水杂化微球。该微球可以在水溶液中均勻分散。
实施例3
(1)制备MPS微球MPS微球通过一步法制备，将300 μ L浓度为20mM的(3_巯基)丙基三甲氧基硅烷(MPS)的异丙醇溶液加入到IOmL NH4OH浓度为0. 2mM的水溶液中使用 IKA MS3微振荡器在500rpm转速下用力振荡20分钟。将得到的溶液在常温下放置12小时。最后得到的产物用异丙醇冲洗3次，然后将其分散到IOOmL正庚烷中得到MPS溶液。最后得到的MPS微球尺寸为641nm。
(2)制备MPS-TiA杂化微球2500 μ L直径为Inm的TW2颗粒的浓度为2. 4mM的正庚烷溶液，然后往上述溶液中加入步骤(1)中制备好的MPS微球溶液。混合后发生自组装即可得到微球。在空气干燥后得到的微球尺寸为855nm。该微球不能再分散到水中，只能分散到有机溶剂如甲苯中。
(3) 二氧化硅包覆MPS-TW2杂化微球使用StOber方法，将O)中制备得到的粒子转移到含二氧化硅和表面活性剂卵磷脂的乙醇/H2CVNH3溶液中，轻微振荡使其混合即可得到多功能亲水杂化微球。该微球可以在水溶液中均勻分散。
实施例4
(1)制备MPS微球MPS微球通过一步法制备，MPS微球通过一步法制备，将200 μ L 浓度为20mM的(3-巯基)丙基三甲氧基硅烷(MPS)的异丙醇溶液加入到IOmL NH4OH浓度为0. 267mM的水溶液中使用IKAMS3微振荡器在3000rpm转速下用力振荡6分钟。将得到的溶液在常温下放置15小时。最后得到的产物用异丙醇冲洗3次，然后将其分散到IOOmL 环己烷中得到MPS溶液。最后得到的MPS微球尺寸为3. 1 μ m。
(2)制备MPS- y -Fe2O3杂化微球2500 μ L直径为20nm的γ -Fe2O3颗粒的浓度为 3. 2mM的环己烷溶液，然后往上述溶液中加入步骤(1)中制备好的MPS微球溶液。混合后发生自组装即可得到微球。在空气干燥后得到的微球尺寸为3.3 μ m。该微球不能再分散到水中，只能分散到有机溶剂如甲苯中。
(3) 二氧化硅包覆MPS- y -Fe2O3杂化微球使用StOber方法，将⑵中制备得到的粒子转移到含二氧化硅和表面活性剂硬脂酸的乙醇/H2CVNH3溶液中，轻微振荡使其混合即可得到多功能亲水杂化微球。该微球可以在水溶液中均勻分散。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程， 但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进， 对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
权利要求
1.一种利用疏水纳米粒子自组装制备多功能纳米微球的方法，包括以下步骤(1)制备MPS微球MPS微球通过一步法制备，将(3-巯基)丙基三甲氧基硅烷(MPS) 加入到NH4OH的水溶液中混合，将得到的溶液放置3小时以上(包括3小时)得到MPS微球，冲洗MPS微球，并将其分散到溶剂中得到MPS溶液；(2)制备MPS-自组装疏水粒子杂化微球在自组装疏水粒子的溶液中加入步骤(1)制得的MPS溶液，混合后发生自组装即可得到MPS-自组装疏水粒子杂化微球。
2.一种将疏水纳米粒子自组装制备的多功能纳米微球进行处理从而实现水溶液中分散的方法，其特征在于，在权利要求1所述步骤( 之后进行(3)二氧化硅包覆MPS-自组装疏水粒子杂化微球使用StGber方法，将步骤( 中制备得到的微球转移到含二氧化硅和表面活性剂的乙醇/H2CVNH3溶液中，使其混合即可得到多功能纳米微球。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述MPS与NH4OH的物质的量之比优选为0.5 1 4 1，进一步优选为0.5 1 3 1，特别优选为0.5 1 1. 5 1 ；优选地，步骤(1)中MPS以溶液形式加入，溶剂为醇类，进一步优选为C1-C5醇类，特别优选为丙醇或异丙醇或其混合物；优选地，步骤(1)中所述混合为使用微振荡方式；转速为500rpm 4000rpm，特别优选为IOOOrpm 3000rpm ；振荡时间为2min以上，特别优选为2min 8min ；优选地，步骤(1)中所述放置温度为常温；优选地，步骤(1)中所述放置时间为4小时以上(包括4小时)，进一步优选为4 15 小时，特别优选为4 12小时。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述MPS微球优选采用C1-C8 醇类或其混合物冲洗，进一步优选为C1-C3醇类或其混合物，例如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或其混合物，特别优选为乙醇；优选地，步骤(1)中所述溶剂为非极性溶剂，进一步优选为甲苯、非极性烷烃或其混合物，特别优选为甲苯、正己烷、环己烷、正庚烷或其混合物。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述自组装疏水粒子优选为 Y -Fe2O3>Au,Ag>Pd,ZrO2,TiO2,MnO2,SnO2 或其组合，特别优选为 Y-I^2OyAiuZrO2JiA 或其组合。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤( 中所述自组装疏水粒子粒径优选为30nm以下，进一步优选为25nm以下，特别优选为1 20nm ；优选地，步骤O)中所述自组装疏水粒子的溶液中溶剂为非极性溶剂，进一步优选为甲苯、非极性烷烃或其混合物，特别优选为甲苯、正己烷、环己烷、正庚烷或其混合物。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述混合溶液中自组装疏水粒子与MPS微球物质的量之比优选为0.3 1 3 1，进一步优选为1 1 3 1，特别优选为2 1 3 1。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述表面活性剂为阴离子表面活性剂或/和两性离子表面活性剂或/和非离子表面活性剂，进一步优选为高级脂肪酸或/ 和其盐类、磺酸或/和其盐类、高级脂肪醇硫酸酯类、卵磷脂、脂肪酸甘油脂类或其混合物，更优选为硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、卵磷脂、单硬脂酸甘油酯或其混合物；优选地，步骤(3)中所述混合为振荡混合。
9.一种由权利要求1-8所述的方法制备的多功能纳米微球，其特征在于，所述多功能纳米微球的主体微球由(3-巯基)丙基三甲氧基硅烷制备获得；所选用的自组装疏水粒子为 Y-I7e2OyAiuAgApcUrC^TiOyMnOySnO2 或其组合，其粒径为 30nm 以下。
10.如权利要求9所述的多功能纳米微球，其特征在于，所述自组装疏水粒子优选为 Y _Fe203、Au、ZrO2, TiO2 或其组合；所述自组装疏水粒子粒径优选为25nm以下，特别优选为1 20nm。
全文摘要
本发明涉及一种利用疏水纳米粒子自组装制备的多功能纳米微球及其制备方法和在水中的分散。所述多功能纳米微球的主体微球由(3-巯基)丙基三甲氧基硅烷制备获得；所选用的自组装疏水粒子在30nm以下。通过制备MPS微球、及MPS微球与疏水粒子发生自组装制得，进一步通过二氧化硅包覆使得最终制得的微球可在水溶液中均匀分散。本发明所涉及的方法中，疏水纳米粒子在自组装之前和自组装过程中不需亲水性改性，且最终得到的纳米材料具有很好的化学/机械稳定性和水分散性，可满足目前需求。
文档编号B01J13/02GK102500297SQ20111034663
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者许杉杉, 韩志超 申请人:无锡中科光远生物材料有限公司