专利名称：能发射荧光的磁性复合纳米微球及其制备方法
技术领域：
本发明属于无机纳米材料领域，具体涉及一种荧光磁性多功能复合纳米微 球及其制备方法。
背景技术：
量子点(QDs)是指半径小于或接近激子波尔半径的纳米晶，是一类不同于 本体又异于分子、原子特性的新型材料。量子点由于其独特的量子尺寸效应和 表面效应，从而具有特殊而优良的可见光区荧光发射性质。Alivisatos和Nie于 i998年在同一期Science上首次报道了量子点作为荧光探针代替常规染料用于 生物标记和细胞成像，标志着研究量子点应用于生物医学领域中的工作开始。 自此，量子点以其优异特性引起了广大化学、生物学和医学研究人员的强烈兴 趣。与传统的荧光有机染料相比，量子点发射光谱位置只取决于其粒径，覆盖 从紫外到红外区域，因而可简单通过改变粒径得到具有不同发光颜色的量子点。 利用其激发光谱连续、发射光谱峰窄而对称的特性，可大大减少多通道荧光检 测时的交叉干扰，选用一种激发波长便可实现多色标记和多指标联检，且其荧 光光谱稳定，几乎不受溶剂、pH值、温度等影响，可实现超长时间实时动态检 测。因其优异特性，量子点在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、 蛋白质组学、药物筛选和生物大分子相互作用等领域展现了极大的应用前景。
磁性纳米粒子具有特殊的磁性能，在生物医学领域应用广泛。将目标生物 分子或目标细胞通过功能基团吸附在生物磁性纳米粒上，在外磁场作用下可以 实现蛋白质提纯、细胞和核酸等的分离。磁性药物载体载药后，在外磁场作用 可定向移动到目标处并释放药物，从而达到靶向治疗的目的。将磁性粒子导入 到肿瘤体后，在外界交变磁场作用下吸收电磁波转化为热能，当达到所需治疗 温度后将肿瘤细胞杀死，达到肿瘤热疗的效果。
将量子点和磁性纳米粒子结合，得到一种既具量子点荧光效应，又具磁性 粒子磁性能的复合纳米材料，具有很大的潜在应用价值。目前量子点和磁性纳 米粒子的复合主要有两种方法(1)将两者同时包埋在一个基体材料中。如将 磁性粒子和量子点同时包埋在二氧化硅纳米球中(Yi D K, SelvanT, Lee S S， et al. J. Am. Chem. Soc. , 2005， 127: 4990; Kim J, Lee J E, L J， et al. J. Am. Chem. Soc., 2006， 128，688-689;中国专利公开号为CN1698582)、将磁性粒子和量子点同时 包埋在高分子微球中(中国专利公开号为CN1539913)。 (2)将量子点吸附在磁性粒子表面。Wang等将CdSe/ZnS量子点直接通过巯基吸附在聚合物包覆的Y ^6203表面，并将其用于癌细胞的荧光检测和磁分离(WangD，He J,Rosenzweig N, et al. Nano Lett. , 2004， 4: 409)。 Hong等采用层层自组装技术在Fe304粒子表 面吸附一定层数聚电解质后再吸附量子点，或者交替吸附聚电解质和量子点， 得到荧光磁性复合纳米材料(Hong X， Li J， Wang M, et al. Chem. Mater. , 2004, 16: 4022)，并申请了相关专利(中国专利公开号为CN1524925)。公开号为183]079 的中国专利利用氨硅烷偶联剂修饰Fe304粒子，再通过氨基和羧基之间的静电作 用，将量子点直接组装在Fe304粒子表面，这个方法的缺点是量子点吸附量难以 控制，且两种粒子由于直接接触，其相互作用会造成荧光强度急剧下降。
本发明中，我们提出了一种原料易得、简单易行的制备荧光磁性多功能复 合纳米微球的方法，纳米微球形状规则，粒径、荧光和磁性可控。
发明内容
现有技术中将量子点与Fe304粒子直接吸附，存在吸附量控制困难、荧光强 度易损失的缺点
本发明的目的在于提出一种荧光磁性多功能复合纳米^[球及其制备方法。 本发明提出的荧光磁性多功能复合纳米微球，是一种以无机磁性纳米粒子 为核、二氧化硅为壳，并在其表面吸附量子点的核壳式复合纳米微球。由于这 种复合纳米微球具有磁性内核，因此具有磁响应性，同时由于二氧化硅壳层表 面吸附有量子点，因而在紫外可见光激发下具有荧光性能。通过改变二氧化硅 厚度(在5—50nm之间)，可使复合纳米微球粒径在20—200nm内变化，磁性 粒子和量子点数量比在1: 10—1: 100之间。此外，随二氧化硅厚度的增加， 复合纳米微球粒径增大，其表面积增加，从而吸附更多量子点，且磁性纳米粒 子和量子点之间距离增大，可大大降低磁性粒子对荧光的干扰，增强复合纳米 微球的荧光强度。
本发明提出的上述荧光磁性多功能复合纳米微球的制备，首先是用有机酸 对磁性纳米粒子进行表面改性，然后采用溶胶一凝胶法或反相微乳液法在磁性 纳米粒子表面均匀包覆一层厚度可调的二氧化硅，再采用氨基硅垸偶联剂对二 氧化硅表面修饰，得到一种以磁性纳米粒子为核、二氧化硅为壳、壳的表面富 含氨基的复合纳米颗粒，最后和表面带羧基的量子点混合，通过带正电的氨基 和带负电的羧基之间的静电作用，将量子点组装在二氧化石圭表面。
上述二氧化硅壳层的厚度可简单地通过改变正硅酸烷基酯，即二氧化硅前 驱体的用量来控制。通过改变二氧化硅的厚度以及量子点的种类和粒径，可得 到具有不同磁响应性、不同荧光强度和发光颜色的荧光磁性复合纳米微球，即 可用于多色荧光检测，又可实验产品的分离、定向和富集，适用于生物化学、 分子生物学和细胞生物学等领域。
具体制备步骤如下
(1) 无机磁性纳米粒子胶体的制备将无机磁性纳米粒子分散在有机酸溶
液中，使用氨水或NaOH溶液调节pH值为4一8之间，持续搅拌4-5h后磁分离， 然后用去离子水清洗2—4次，最后分散在去离子水中，得到稳定的磁性纳米粒 子胶体，磁性粒子浓度为0.5 —5.0wt%。
(2) 溶胶一凝胶法制备二氧化硅为壳、磁性粒子为核的复合纳米颗粒将 步骤1)制备的磁性粒子胶体分散在乙醇/水溶液中，然后加入氨水和正硅酸烷 基酯，20—4(TC下持续搅拌4一12h。整个乙醇/水溶液反应体系中，磁性粒子为 0.01—0.1wt%，乙醇为60—80wt^，水为15 — 35wt%，氨水为1.5—3.5wt%， 其余为正硅酸烷基酯。
(3) 反相微乳液法制备二氧化硅为壳、磁性粒子为核的复合纳米颗粒将 步骤(1)制备的磁性粒子胶体分散在油包水的反相微乳体系中，然后加入氨水 和正硅酸垸基酯，20—40。C下持续搅拌8 —16h。整个反应体系中，磁性粒子为 0.01—0.1wt%，油相为45 — 55wt%，水相为9—14wt%，表面活性剂为30—40wt %，氨水为0.3—0.5wt^，其余为正硅酸烷基酯。
(4) 二氧化硅壳的表面氨基化将步骤2)或3)制备的核壳结构复合纳 米颗粒分散在乙醇溶液中，依次加入少量去离子水、氨基硅垸偶联剂，20 — 80 'C下持续搅拌4一12h。整个反应体系中，步骤2)或3)制备的复合纳米颗粒为 0.1 —1.0wt%，乙醇为92—96wt^，水为2—6wt%，其余为氨基硅烷偶联剂。
(5) 荧光磁性复合纳米微球的制备将步骤4)制备的表面氨基化的复合 纳米颗粒和表面带羧基的半导体量子点以1:20—1:100摩尔比混合，调节pH值 为6 — 8，室温下持续吸附2 — 8h。
以上方法制备的荧光磁性复合纳米微球可以在磁铁作用下分离并用去离子 水洗涤。
本发明中，所用的磁性纳米粒子为粒径在5 — 50nm之间的Fe304、 y -Fe203、 Mn卜xZrixFe204(其中X在0.1-0.6之间)、CoFe204或NiFe204的一种。
本发明中，所用的有机酸为柠檬酸、二水合柠檬酸、酒石酸、乙二酸等同 时含有多个羧基或带有羟基的有机酸的一种。
本发明中，所用的正硅酸烷基酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯中的一种。
本发明中，所用的氨基硅烷偶联剂为3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基 三乙氧基硅垸、N-( P -氨乙基)-Y -氨丙基三甲氧基硅垸中的一种。
本发明中，所用的半导体量子点为粒径在3 — 8nm之间、表面带羧基的CdSe、 CdTe、 CdS或ZnS的一种或几种，其中上述量子点经巯基乙酸表面修饰。
图1是实施例3合成的CdSe/Si02/Fe304的TEM图； 图2是实施例3合成的CdSe/Si02/Fe304的磁滞回线； 图3为实施例3合成的CdSe/Si02/Fe304的荧光图。
具体实施例方式
图1的测试仪器为Hitachi公司的H-800透射电镜；图2的测试仪器为南京大学 仪器厂的LH-3振动样品磁强计；图3的测试仪器为上海精密科学仪器有限公司 的970CRT荧光分光光度计。
实施例1:
(1) 在500ml三颈瓶中，加入5.0g粒径为lOnm的四氧化三铁粉末，加入 200ml去离子水，500rpm转速下搅拌分散2小时后，加入2.1g 二水合柠檬酸， 使用lmol/1的氨水溶液调节pH值为6.0，持续搅拌5小时后用磁铁分离，并用 去离子水清洗3 —5次，最后将四氧化三铁分散在200ml去离子水中，制得固含 量为2.0wt"/o的磁流体。
(2) 在一个500ml三颈瓶中，依次加入40ml去离子水、160ml无水乙醇， 加入2g制备好的磁流体，然后在500rpm转速下加入4ml 25wt^的浓氨水和 0.2ml正硅酸乙酯，25。C下持续搅拌8小时后，磁分离后依次用去离子水清洗3 次，无水乙醇清洗3次。
(3) 在一个150ml圆底烧杯中，将上述二氧化硅包覆的磁性颗粒全部分散 在50ml无水乙醇，再加入2ml去离子水，待体系温度升至5(TC时加入O.lml 3-氨基丙基三甲氧基硅烷，500rpm转速下持续搅拌12小时后磁分离，并分别用无 水乙醇和去离子水清洗2次。
(4) 在一个100ml圆底烧杯中，将上述氨基化后的二氧化硅磁性颗粒全部 分散在10ml去离子水中，加入水相中以巯基乙酸为稳定剂制备的CdSe量子点， 用lmol/1的HC1和NaOH溶液调节pH值为6.5，搅拌2小时后磁分离，并用去 离子水清洗5次，得到粒径为50nm的CdSe/Si02/Fe304荧光磁性复合纳米微球。
实施例2:
(1)在500ml三颈瓶中，加入5.0g经去离子水洗涤的四氧化三铁粉末，加 入200ml去离子水，500rpm转速下搅拌分散2小时后，加入2.1g 二水合柠檬酸， 使用lmol/1的氨水溶液调节pH值为6.0，持续搅拌5小时后用磁铁分离，并用 去离子水清洗3 — 5次，最后将四氧化三铁分散在200ml去离子水中，制得固含
量为2.0wt。/o的磁流体。
(2) 在一个500ml三颈瓶中，依次加入80ml环己烷、28ml聚乙二醇辛基 苯基醚(Triton X-100)、 20ml己醇、2g制备好的磁流体，然后加入12ml去离子 水和0.6ml 25%的浓氨水，25t:和500rpm转速下搅拌20分钟后加入0.2ml正硅 酸乙酯，继续搅拌12小时后，磁分离后依次用丙酮清洗2次，去离子水清洗3 次，无水乙醇清洗3次。
(3) 在一个150ml圆底烧杯中，将上述二氧化硅包覆的磁性粒子全部分散 在50ml无水乙醇，再加入2ml去离子水，待体系温度升至5(TC时加入O.lml 3-氨基丙基三甲氧基硅垸，500rpm转速下持续搅拌12小时后磁分离，并分别用无 水乙醇和去离子水清洗2次。
(4) 在一个100ml圆底烧杯中，将上述氨基化后的二氧化硅磁性颗粒全部 分散在10ml去离子水中，加入水相中以巯基乙酸为稳定剂制备的CdSe量子点， 用lmo1/1的HC1和NaOH溶液调节pH值为6.5，搅拌2小时后磁分离，并用去 离子水清洗5次，得到粒径为50nm的CdSe/Si(VFe304荧光磁性复合纳米微球。
实施例3:
将实施例(1)的步骤(2)的正硅酸乙酯的用量改为0.8ml，其余条件完全 一致，得到粒径为100nm的CdSe/SiO2/Fe3O4荧光磁性复合纳米微球。其TEM、 磁滞回线图和荧光图谱分别如图1、图2和图3所示。
实施例4:
将实施例(2)的步骤(2)的正硅酸乙酯的用量改为0.8ml，其余条件完全 一致，得到粒径为100nm的CdSe/SiO2/Fe3O4荧光磁性复合纳米微球。
实施例5:
将实施例(1)的步骤(1)的Fe304的用量替换为Mno.7Zno.3Fe204,其余条 件完全一致，得到粒径为50nm的CdSe/Si02/MnQ.7ZnQ.3Fe204荧光磁性复合纳米 微球。
实施例6:
将实施例(1)的步骤(1)的Fe304的用量替换为Mna7Zno.3Fe204，步骤(2) 的正硅酸乙酯的用量改为0.8ml，其余条件完全一致，得到粒径为100nm的 CdSe/Si02/ Mna7Zn。.3Fe204荧光磁性复合纳米微球。
实施例7:
将实施例(1)的步骤(4)的CdSe替换为CdS，其余条件完全一致，得到 粒径为50nm的CdS/Si02/Fe304荧光磁性复合纳米微球。
将实施例(1)的步骤(2)的正硅酸乙酯替换为正硅酸甲酯，其余条件完 全一致，得到粒径为50nm的CdSe/SiCVFe304荧光磁性复合纳米微球。
将实施例(1)的步骤(3)的3-氨基丙基三甲氧基硅垸替换为N-(p-氨乙基)卞 氨丙基三甲氧基硅烷，其余条件完全一致，得到粒径为50讓的CdSe/Si02/Fe304 荧光磁性复合纳米微球。
权利要求
1.一种能发射荧光的磁性复合纳米微球，其特征在于以单个或多个无机磁性纳米粒子为内核，以表面氨基化的二氧化硅为外壳，半导体量子点均匀吸附在二氧化硅壳的表面；二氧化硅层的厚度在5-50nm之间，复合纳米微球粒径在20-200nm范围之间；磁性粒子和量子点数量比在1∶10-1∶100之间。
2. 根据权利要求1所述的复合纳米微球，其特征是所述的无机磁性纳米粒子是 粒径在5 — 50nm之间的Fe304、 Y -Fe203、 Mn卜"11^^204(其中X在0.1-0.6 之间)、CoFe204或NiFe204中的一种。
3. 根据权利要求1所述的复合纳米微球，其特征是所述的量子点是粒径在3 — 8nm之间，且表面带羧基的CdSe、 CdTe、 CdS或ZnS中的一种或几种，其 中上述量子点经巯基乙酸表面修饰。
4. 制备根据权利要求1-3中任意所述复合纳米微球的方法，其特征在于 首先用有机酸对磁性纳米粒子进行表面改性，然后采用溶胶一凝胶法或反相 微乳液法在磁性纳米粒子表面均匀包覆一层厚度可调的二氧化硅，再通过带 氨基的硅垸偶联剂对二氧化硅进行表面改性，使二氧化硅表面氨基化，最后 通过氨基和荧光量子点表面的羧基之间的静电作用，将量子点吸附在二氧化 硅表面。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于具体步骤包括(1)无机磁性纳米粒子胶体的制备将无机磁性纳米粒子分散在有机酸溶液中，使用氯水或NaOH溶液调节pH 值在4一8之间，持续搅拌4-5h后磁分离，然后用去离子水清洗2—4次，最 后分散在去离子水中，得到稳定的磁性纳米粒子胶体，磁性粒子浓度在0.5一5.0wt^之间；(2) 溶胶一凝胶法制备二氧化硅为壳、磁性粒子为核的复合纳米颗粒 将步骤(1)制备的磁性粒子胶体分散在乙醇/水溶液中，然后加入氨水和正硅酸烷基酯，20 — 4(TC下持续搅拌4一12h;整个反应体系中，磁性粒子为 0.01—0.1wt%，乙醇为60 — 80wt%，水为15_35wt%，氨水为1.5 — 3.5wt %，其余为正硅酸烷基酯；(3) 二氧化硅壳的表面氨基化将步骤(2)或(3)制备的核壳结构复合纳米颗粒分散在乙醇溶液中，依次 加入少量去离子水、氨基硅烷偶联剂，20—8(TC下持续搅拌4一12h;整个反 应体系中，歩骤2)或3)制备的复合纳米颗粒在O.l — l.O wt^之间，乙醇 在92—96wt^之间，水在2—6wt^之间，其余为氨基硅烷偶联剂；(4) 荧光磁性复合纳米微球的制备将步骤(4)制备的表面氨基化的复合纳米颗粒和表面带羧基的半导体量子 点以1:20—1:100摩尔比混合，调节pH值在6—8之间，室温下持续吸附2 —8h。根据权利要求4所述的方法，其特征是步骤(2)还可以采用反相微乳液法代替溶胶-凝胶法制备二氧化硅为壳、磁性粒子为核的复合纳米颗粒，具体是将步骤(1)制备的磁性粒子胶体分散在油包水的反相微乳体系中，然后加入氨水和正硅酸烷基酯，20—4(TC下持续搅拌8—16h;整个反应体系中，磁 性粒子为0.01—0.1wt^，油相为45 —55wt%，水相为9一14wt%，表面活性 剂为30—40wt^，氨水为0.3 —0.5wt%，其余为正硅酸垸基酯；其中，油相 为环己垸，水相为去离子水，表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚和己醇的混
6.
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征是所述的有机酸是同时含有多个羧基或 带有羟基的有机酸；具体包括柠檬酸、二水合柠檬酸、酒石酸、乙二酸。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征是所述的正硅酸烷基酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯中的一种。
9. 根据权利要求5所述的方法，其特征是所述的氨基硅垸偶联剂为3-氮基丙基 三甲氧基硅垸、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、N-(P-氨乙基h-氨丙基三甲氧基 硅烷中的一种。
全文摘要
本发明公开了一种能发射荧光的磁性复合纳米微球及其制备方法，属于无机纳米材料领域。首先采用溶胶-凝胶法或反相微乳液法，以碱催化正硅酸烷基酯，在无机磁性纳米粒子表面均匀包覆一层二氧化硅，然后采用氨基硅烷联剂对二氧化硅进行表面修饰，再通过氨基和半导体量子点表面的羧基之间的静电作用，将半导体量子点吸附在二氧化硅表面，最后得到一种具有核壳式结构的能发射荧光的磁性复合纳米微球。本发明原料易得，成本低。得到的复合纳米微球稳定性好，粒径可控、分布窄，具有良好的磁响应性和能发射荧光性能，且此两种性能可控。可应用于免疫检测、生物标记和分离、细胞成像等生物医学和生物工程等领域。
文档编号C09K11/02GK101348713SQ20071004403
公开日2009年1月21日 申请日期2007年7月20日 优先权日2007年7月20日
发明者冰 刘, 萘 周, 王德平, 黄文旵 申请人:同济大学