一种中空的二氧化硅纳米颗粒的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种在室温条件下制备中空二氧化硅纳米微粒的方法，特征是将硅烷偶联剂加入到水中，然后再加入由环己烷、正辛醇和Triton?X-100组成的反相微乳液，搅拌混合均匀后，加入正硅酸乙酯，在氨水的引发下室温反应，经过丙酮沉淀、醇洗和水洗后，一步制得尺寸在30~50纳米，空心直径在2~15纳米的中空二氧化硅荧光纳米微粒。本方法得到的中空二氧化硅纳米微粒制备方法不需要繁琐的固体成形模板、腐蚀性的刻蚀试剂和高能耗的高温煅烧过程，操作简便，粒径均匀，性能稳定，可以作为荧光物质载体，药物载体以及磁性纳米粒子载体使用。
【专利说明】一种中空的二氧化硅纳米颗粒的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及功能性二氧化硅纳米颗粒材料，具体地说是一种中空的二氧化硅纳米颗粒及其制备和应用。
【背景技术】
[0002]具有中空结构的无机纳米颗粒(粒径尺寸〈100纳米)是一类具有特殊功能的纳米材料，特别是中空~氧化娃纳米颗粒，具有比表面积大、闻存储量、闻的热和力学稳定性等特性，在纳米限域催化、药物和基因的控制释放及靶向传输、光子晶体、介电材料以及磁性载体材料等领域表现出了巨大的应用潜力。
[0003]目前中空二氧化硅纳米颗粒的制备主要采用模板法辅助法:就是以特定的物质为形貌模板，然后根据所需材料包覆或填充在模板中形成中空的纳米结构的方法。模板法通常需要经过两步:第一步在模板体系中，采用层层自组装和溶胶-凝胶法，通过二氧化硅前驱体(如正硅酸乙酯等)在模板的表面发生水解或缩聚反应形成氧化硅的壳；第二步通过高温煅烧、酸碱刻蚀或有机熔剂溶解来破坏和去除模板以获得中空的二氧化硅纳米材料。上述繁琐制备过程需要大量耗费能源或因采用酸碱试剂而导致的环境问题，而且因高温煅烧或化学刻蚀去除模板方法还存在中空二氧化硅纳米壳体破坏及模板物质残留问题，以及采用聚合物胶乳、嵌段聚合物等昂贵的制备成本问题等。
[0004]模板法包括硬模板和软模板两种方法。硬模板法主要采用无机纳米微粒或高分子聚苯乙烯纳米微球作为模板(美国专利US 7094369 ；US1506308;AdvancedMaterials,2006，18，801;Current Applied Physics,2006，6，1059;ChemistryMaterials, 2007，19，1700;中国专利CN101282907A)，尽管硬模板法为制备中空的二氧化硅纳米颗粒提供了一种实用的制备方法，但是这种牺牲模板材料的方法存在巨大的材料和能源浪费。软模板法主要包括聚合物胶乳、嵌段聚合物、表面活性剂囊泡、气泡等(中国专利 CN101857234A ；CN101732719A ；CN101348254B !Science, 1990，247，1439 !PhysicalChemistry Chemical Physics, 2006, 8, 3496 !Science, 1998,282，1111)，现有的软模板法存在制备过程复杂，制备的中空二氧化硅纳米颗粒粒径分布不均，易发生粘连以及采用聚合物胶乳、嵌段聚合物等昂贵等问题。
[0005]最近，一种新型的采用微乳液为模板的制备方法在室温条件下成功地制备了中空二氧化娃纳米颗粒(Chemistry Communication, 2009, 3542),然而该方法需要耗时一周左右，而且制备的中空二氧化硅纳米颗粒粒径仍然不均匀。因此需要发展新型环境友好的、低能高效的中空二氧化硅纳米微粒的制 备方法。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种以反相微乳液为模板，在室温条件下一步制备中空二氧化硅纳米微粒的方法，及其作为荧光试剂和磁性材料纳米载体的应用。[0007]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0008]中空二氧化硅纳米颗粒的制备以反相微乳液为模板，将硅烷偶联剂加入到水中，然后加入到由油相、助表面活性剂和表面活性剂组成的反相微乳液中，搅拌混合均匀后，加入正硅酸乙酯或正硅酸甲酯，在氨水的引发下室温反应20~30小时后，经过丙酮沉淀、醇洗和水洗后，一步制得尺寸在30-50纳米，中空直径在2~10纳米的中空二氧化硅纳米微粒。如果在上述制备过程中将硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物，利用上述方法可以一步制得中空的二氧化硅荧光纳米微粒。如果在上述的制备过程中引入疏水性的磁性纳米颗粒，利用上述方法可以一步制得二氧化硅包裹的磁性纳米微粒。如果在上述的制备过程中将硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物并同时引入疏水性的磁性纳米颗粒，利用上述方法可以一步制得二氧化硅包裹的磁性荧光纳米微粒。
[0009]所述硅烷偶联剂为3_氨丙基二乙氧基娃或3_疏基丙基二烷氧基娃；所述的反相微乳液的油相为环己烷、正己烷，表面活性剂为聚氧乙烯基辛基苯基醚(Triton X-100系列)，助表面活性剂为正己醇、正辛醇、正癸醇等。所述的荧光染料为异硫氰基荧光素(FITC)或β-二酮-三价铕配合物等具有可与氨基或巯基反应和荧光物质。所述的磁性纳米颗粒为 Fe3O4'Fe2O3'NiCo Fe、MeFe2O3 (Me 为 Co、Mn、Ni)等纳米粒子。
[0010]一种中空二氧化硅纳米微粒的制备方法，将硅烷偶联剂、硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物、或硅烷偶联剂与磁性纳米颗粒混合物、或硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物与磁性纳 米颗粒混合物加入到水中，然后加入到由油相、助表面活性剂和表面活性剂组成的反相微乳液中，搅拌混合均匀后，加入正硅酸乙酯或正硅酸甲酯，在氨水的引发下室温反应后，经过丙酮沉淀、醇洗和水洗后，一步制得中空二氧化硅纳米微粒。
[0011]具体:将I~15 μ L硅烷偶联剂、硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物、或硅烷偶联剂与磁性纳米颗粒混合物、或硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物与磁性纳米颗粒混合物加入到1.1克水中，然后再加入14.5克环己烷、3.64克正辛醇和4.74克Triton X-100组成的反相微乳液中，搅拌混合均匀后，加入150~300 μ L的正硅酸乙酯，在氨水的引发下室温反应20-30小时后，经过丙酮沉淀、醇洗和水洗后，一步制得中空二氧化娃纳米微粒。
[0012]所述硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物的制备过程为，将硅烷偶联剂与FITC或β - 二酮-三价铕配合物混合反应形成荧光复合物。
[0013]3~IOmg的FITC加入到I~15 μ L硅烷偶联剂中，优选硅烷偶联剂用量10-?5μ L ；
[0014]BHHCT-Eu3+与硅烷偶联剂的摩尔比1: 5~1: 50;优选摩尔比1: 7~I: 18。
[0015]硅烷偶联剂与磁性纳米颗粒混合物中，硅烷偶联剂用量为I~15μ L，磁性纳米颗粒用量I~IOmg,优选I~5mg。
[0016]硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物与磁性纳米颗粒混合物中，荧光复合物用量为I~15 μ L，磁性纳米颗粒用量f 10mg，优选f5mg。
[0017]所制备的中空二氧化硅纳米微粒、中空二氧化硅荧光纳米微粒，在作为纳米载体中的应用，所述纳米载体包括催化剂纳米载体、药物纳米载体、基因纳米载体、生长因子纳米载体以及磁性材料纳米载体等中的一种或多种。
[0018]所制备的中空二氧化硅荧光纳米微粒、二氧化硅包裹的磁性纳米微粒以及二氧化硅包裹的磁性荧光纳米微粒应用于物理、化学以及生命科学领域应用；如细胞成像、荧光可视化药物递送、荧光可视化细胞磁性分离以及核磁共振荧光双模态成像等。
[0019]本发明具有如下优点:
[0020](I)完全解决采用硬模板法制备中空二氧化硅纳米颗粒时存在的巨大的材料和能源浪费问题。使用本发明制备的中空二氧化硅纳米颗粒，完全在室温条件下进行，不需要任何加热等耗能过程；采用反相微乳液为模板，不存在牺牲模板材料而带来的材料浪费问题。
[0021](2)避免采用硬模板法制备中空二氧化硅纳米颗粒第二步去除模板时需要引入的强腐蚀性刻蚀试剂问题。本发明制备的中空二氧化硅纳米颗粒，只要经过简单的丙酮沉淀、乙醇和水等简单的洗涤步骤，即可以一步获得。
[0022](3)采用本发明制备的中空二氧化硅纳米颗粒，粒径均匀，形状规整，分散性好，很好地解决了高温煅烧方法制备的纳米粒子的团聚和相互粘连问题。
[0023](4)采用本发明制备的中空二氧化硅纳米颗粒，可以在一天左右时间内完成，较已有的繁琐的制备过程大大缩短了制备周期(Chemistry Communication, 2009, 3542方法需要耗时一周左右)，节省了时间，提高了制备效率。
[0024](5)本发明建立以中空二氧化硅纳米荧光微粒、二氧化硅包裹磁性纳米微粒和二氧化硅包裹磁性荧光纳米微粒，将在细胞成像、荧光可视化药物递送、荧光可视化细胞磁性分离以及核磁共振荧光双模态成像等领域有潜在的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是中空二氧化硅 纳米微粒的透射电子显微镜照片
[0026]图2是中空二氧化硅纳米荧光微粒(键合FITC)的透射电子显微镜照片
[0027]图3是用中空二氧化硅荧光纳米微粒(键合FITC)标记神经胶质母细胞瘤的荧光照片
[0028]图4是中空二氧化硅纳米荧光微粒(键合BHHCT-Eu3+)的透射电子显微镜照片
[0029]图5是二氧化硅包裹磁性(Fe3O4)荧光纳米微粒(键合BHHCT-Eu3+)的透射电子显微镜照片
[0030]图6在自然光和紫外光下的二氧化硅包裹磁性(Fe3O4)荧光纳米微粒(键合BHHCT-Eu3+)照片。自然光/无磁铁(A)，自然光/有磁铁(B)，紫外光/有磁铁(C)紫外光/有磁铁(D)
【具体实施方式】
[0031 ] 下面通过实施例对本发明作进一步说明。
[0032]实施例1:中空二氧化硅纳米微粒
[0033](I)中空二氧化硅纳米微粒的制备(022NR2011)
[0034]将I μ L的3-氨丙基三乙氧基硅加入到1.1mL去离子水中，然后加入到14.5克环己烷、3.64克正辛醇和4.74克Triton X-100组成的溶液中，室温下搅拌15分钟，形成反相微乳液。然后再加入200 μ L正硅酸乙酯。将200 μ L的质量浓度28%氨水加入到上述反应体系中引发聚合，室温搅拌反应24小时后，经丙酮、乙醇和水洗涤后，即制得中空二氧化硅纳米微粒。
[0035](2)中空二氧化硅纳米微粒的制备的TEM表征[0036]图1是中空二氧化硅纳米微粒的透射电子显微镜照片，从照片可以看出，纳米粒子的粒径在30~40纳米左右，内部中心孔径在5~8纳米之间。通过调节水相和油相的比例，TEOS的量、反应时间、以及表面活性剂的数量和种类可以改变中空二氧化硅纳米微粒的大小,通过调节3-氨丙基三乙氧基硅的量，可以改变中空二氧化硅纳米微粒中空内径的尺寸大小。
[0037]实施例2:中空二氧化硅纳米荧光微粒(键合FITC) (003NR2011)
[0038](I) 3-氨丙基三乙氧基硅(APS) —异硫氰基荧光素(FITC)复合物的制备
[0039]将3mg的FITC加入到15μ L的3_氨丙基三乙氧基硅中，然后加入15 μ L的三乙胺，室温下搅拌15分钟，形成3-氨丙基三乙氧基硅(APS) —异硫氰基荧光素(FITC)复合物，不需要任何处理，可以直接用于下述中空二氧化硅纳米荧光微粒的制备 。
[0040](2)中空二氧化硅纳米荧光微粒(键合FITC)的制备
[0041]将上述的APS-FITC荧光复合物溶液加入到1.1mL去离子水中，然后加入到14.5克环己烷、3.64克正辛醇和4.74克Triton X-100组成的溶液中，室温下搅拌15分钟，形成反相微乳液。然后再加入200 μ L正硅酸乙酯。将200μ L的28%氨水加入到上述反应体系中引发聚合，室温搅拌反应24小时后，经丙酮、乙醇和水洗涤后，即制得中空二氧化硅纳米荧光微粒。
[0042](3)中空二氧化硅纳米荧光微粒的TEM表征
[0043]图2是中空二氧化硅纳米荧光微粒的透射电子显微镜照片，结果表明采用TEOS反相乳液聚合方法制得的荧光纳米微粒呈中空的球形，大小均匀，粒径尺寸为35±4nm，内部中心孔径在11±3纳米之间。通过调节水相和油相的比例、TEOS的量、反应时间、以及表面活性剂的数量和种类可以改变中空二氧化硅纳米荧光微粒的大小，通过调节APS-FITC荧光复合物的量，可以改变中空二氧化硅纳米荧光微粒中空内径的尺寸大小。
[0044](4)中空二氧化硅纳米荧光微粒用于神经母细胞瘤细胞标记实验
[0045]将人SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞在DMEM细胞培养基中培养下，加入灭菌的中空二氧化硅纳米荧光微粒，与神经母细胞瘤细胞共同孵育1，2，4，6天后，经PBS溶液充分洗涤后，置于荧光显微镜下观察。从图3结果可见，中空二氧化硅纳米荧光微粒被成功地应用于细胞荧光标记，经过长达6天的细胞标记后，荧光信号依然清晰可见。
[0046]实施例3:中空二氧化硅纳米荧光微粒(键合BHHCT-Eu3+) (009NR2011)
[0047](I) ApS-BHHCT-Eu3+荧光复合物的制备
[0048]将β - 二酮-三价铕配合物，4，4，- 二(I ”，I ”，I ”，2”，2”，3”，3，，-七氟 _4”，6，，-己二酮-6”-基)氯磺酰基-邻二苯基苯-铕配合物(简称BHHCT-Eu3+)(合成方法参见文献:J.Yuan, K.Matsumoto, H.Kimura, Anal.Chem.，1998，70，596)和 APS (BHHCT 与 APS 的摩尔比1: 7)加入到环己烷中，体系中BHHCT的摩尔浓度为0.05~0.9ymol/ml，室温下搅拌反应2小时，然后加入BHHCT摩尔量二分之一的三氯化铕，超声波振荡20分钟，制备好的APS-BHHCT-Eu3+荧光复合物保存备用。
[0049](2)中空二氧化硅纳米荧光微粒(键合BHHCT-Eu3+)的制备
[0050]将上述的APS-BHHCT-Eu3+荧光复合物15 μ L加入到1.1mL去离子水中，然后加入到14.5克环己烷、3.64克正辛醇和4.74克TritonX-1OO组成的溶液中，室温下搅拌15分钟，形成反相微乳液。然后再加入200 μ L正硅酸乙酯。将200 μ L的28%氨水加入到上述反应体系中引发聚合，室温搅拌反应24小时后，经丙酮、乙醇和水洗涤后，即制得中空二氧化硅纳米荧光微粒(键合BHHCT-Eu3+)。
[0051 ] (3 )中空二氧化硅纳米荧光微粒(键合BHHCT-Eu3+)的TEM表征
[0052]图4是中空二氧化硅纳米荧光微粒(键合BHHCT-Eu3+)的透射电子显微镜照片，结果表明采用反相乳液聚合方法制得的铕荧光纳米微粒呈规则的中空球形，大小均匀，粒径尺寸为33±4nm，内部中心孔径在10±3纳米之间，壁厚为IOnm左右。通过调节水相和油相的比例、TEOS的量、反应时间、以及表面活性剂的数量和种类可以改变中空二氧化硅纳米荧光微粒的大小，通过调节APS-BHHCT-Eu3+荧光复合物的量，可以改变中空二氧化硅纳米荧光微粒中空内径的尺寸大小。
[0053]实施例4: 二氧化硅包裹磁性(Fe3O4)荧光纳米微粒(键合BHHCT-Eu3+)(035NR2011)
[0054](I) 二氧化硅包裹磁性(Fe3O4)荧光纳米微粒(键合BHHCT-Eu3+)的制备
[0055]将IOyL的APS-BHHCT-Eu3+荧光复合物加入到1.1mL去离子水中，然后加入到
14.5克环己烷、3.64克正辛醇和4.74克Triton X-100组成的溶液中，接着加入2 mg的Fe3O4磁性纳米粒子，室温下搅拌15分钟形成反相微乳液。然后再加入200 μ L正硅酸乙酯。将200 μ L的28%氨水加入到上述反应体系中引发聚合，室温搅拌反应24小时后，经丙酮、乙醇和水洗涤后，即制得二氧化硅包裹磁性(Fe3O4)荧光纳米微粒(键合BHHCT-Eu3+)。
[0056](2 ) 二氧化硅包裹磁性(Fe3O4)荧光纳米微粒(键合BHHCT-Eu3+)的TEM表征
[0057]图5是二氧化硅包裹磁性(Fe3O4)荧光纳米微粒(键合BHHCT-Eu3+)的透射电子显微镜照片，结果表明采用反相乳液聚合方法制得的磁性铕荧光纳米微粒呈规则的球形，大小均匀，粒径尺寸为40±4nm，内部中心磁性粒子所占空间约10纳米左右，壁厚为15nm左右。通过调节水相和油相的比例、TEOS的量、反应时间、以及表面活性剂的数量和种类可以改变中空二氧化硅纳米荧光微粒的大小。
[0058](3) 二氧化硅包裹磁性(Fe3O4)荧光纳米微粒(键合BHHCT-Eu3+)的荧光和磁性
[0059]二氧化硅包裹磁性(Fe3O4)荧光纳米微粒(键合BHHCT-Eu3+)在紫外光的激发下可以看到Eu的特征性红色荧光(图6 C，D)。在有磁场(磁铁)的作用下，该磁性荧光纳米微粒表现出明显的超顺磁性，将磁铁撤销后，磁性荧光纳米微粒的磁性消失，恢复到初始状态。
【权利要求】
1.一种中空二氧化硅纳米微粒的制备方法，其特征在于:将硅烷偶联剂、硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物、或硅烷偶联剂与磁性纳米颗粒混合物、或硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物与磁性纳米颗粒混合物加入到水中，然后加入到由油相、助表面活性剂和表面活性剂组成的反相微乳液中，搅拌混合均匀后，加入正硅酸乙酯或正硅酸甲酯，在氨水的引发下室温反应后，经过丙酮沉淀、醇洗和水洗后，一步制得中空二氧化娃纳米微粒； 所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅；所述的反相微乳液的油相为环己烷或正己烷，表面活性剂为聚氧乙烯基辛基苯基醚(Triton X-100系列)，助表面活性剂为正己醇、正辛醇或正癸醇；所述的荧光染料为异硫氰基荧光素(FITC)或β-二酮-三价铕配合物；所述的磁性纳米颗粒为Fe304、Fe203、NiCoFe、CoFe203、MnFe203、Ni Fe2O3等纳米粒子中的一种或二种以上。
2.根据权利要求1所述的中空二氧化硅纳米微粒的制备方法，其特征在于:将I~15 μ L硅烷偶联剂、硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物、或硅烷偶联剂与磁性纳米颗粒混合物、或硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物与磁性纳米颗粒混合物加入到0.6~1.5mL水中，然后再加入到由摩尔比为20~25:3~7:1的环己烷、正辛醇和TritonX-100组成的20-28g反相微乳液中，搅拌混合均匀后，加入150-300 μ L的正硅酸乙酯，在氨水的引发下室温反应20-30小时后，经过丙酮沉淀、醇洗和水洗后，一步制得中空二氧化硅纳米微粒。
3.根据权利要求1或2所述的中空的二氧化硅纳米微粒的制备方法，其特征在于:所述硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物的制备过程为，将硅烷偶联剂与FITC或β-二酮-三价铕配合物混合反应形成荧光复合物； .3~1Omg的FITC加入到5~20 μ L硅烷偶联剂中； BHHCT-Eu3+与硅烷偶联剂的摩尔比1: 5~1: 50。
4.根据权利要求3所述的中空的二氧化硅纳米微粒的制备方法，其特征在于:所述硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物的制备过程为，将硅烷偶联剂与FITC或β - 二酮-三价铕配合物混合反应形成荧光复合物； .3~IOmg的FITC加入到10~15 μ L硅烷偶联剂中； BHHCT-Eu3+与硅烷偶联剂的摩尔比1: 7~1: 18。
5.根据权利要求1或2所述的磁性二氧化硅纳米微粒的制备方法，其特征在于: 硅烷偶联剂与磁性纳米颗粒混合物中，硅烷偶联剂用量为I~15 μ L，磁性纳米颗粒用量1~1Omg ； 硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物与磁性纳米颗粒混合物中，荧光复合物用量为1~15 μ L，磁性纳米颗粒用量f 10mg。
6.根据权利要求5所述的磁性二氧化硅纳米微粒的制备方法，其特征在于: 硅烷偶联剂与磁性纳米颗粒混合物中，硅烷偶联剂用量为I~15yL，磁性纳米颗粒用量1~5mg ； 硅烷偶联剂与荧光染料反应形成荧光复合物与磁性纳米颗粒混合物中，荧光复合物用量为1~15 μ L，磁性纳米颗粒用量1~5mg。
【文档编号】B82Y30/00GK103508461SQ201210223140
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】马小军, 谭明乾, 爱文 申请人:中国科学院大连化学物理研究所