专利名称：磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子及其制备方法
技术领域：
本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及一种磁性/金属/荧光复合二氧化硅 纳米粒子及其制备方法。
背景技术：
磁性复合荧光纳米粒子由于同时具有独特的磁学性质(超顺磁性)和发光特 性使其在生物分离、免疫检测、靶向成像等生物医学领域具有广泛的应用前景。 磁性复合荧光纳米粒子一般是将磁性纳米粒子和荧光量子点或有机发光染料共 同包埋在无机或聚合物基质中以达到复合的目的。由于二氧化硅具有化学和胶体 稳定性好、生物相容性好等优点使其成为包覆磁性和荧光粒子的最理想材料之 一。但在磁性复合荧光粒子中，由于磁性纳米粒子与发光量子点或发光有机染料 之间存在能量转移，对发光有猝灭作用，以及磁性粒子本身对可见光的吸收造成 复合粒子的发光强度减弱，限制了其在生物领域的应用。
目前，与本发明相近的合成磁性荧光复合纳米粒子的方法是郑勇辉等人发明 的具有核壳结构的磁性荧光双功能微球(ZL03150921.5)。他们先用柠檬酸钠对 无机磁性颗粒进行了表面改性，再用溶胶一凝胶法以正硅酸乙酯为前驱体合成出 核壳结构的二氧化硅磁性微球，最后用连有硅烷偶联剂的荧光素与正硅酸乙酯共 縮聚的方法合成出了具有磁性的荧光微球。这种合成磁性荧光复合粒子的方法可 以控制磁性纳米粒子与发光团之间的距离，消除了由于能量转移造成的荧光猝 灭，但不能消除磁性粒子对荧光团发出的光的吸收影响，仍降低了粒子的发光效 率。近两年来，人们发现金属纳米材料对发光染料分子的发光强度具有很大的增 强作用，这就使的我们为解决磁性复合荧光纳米材料发光强度弱的问题起到了技 术支持。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有的制备磁性荧光复合纳米粒子的发光 弱的缺点，发明一种发光强度高，粒径可控，磁性强，化学及胶体稳定性好的磁 性/金属/荧光复合纳米粒子。
本发明的磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子，以二氧化硅为基质，纳米
粒子从内到外依次包埋有磁性内核、金属层和发光层。所述的磁性内核是由二氧 化硅包覆单磁畴的具有超顺磁性的铁氧体纳米粒子组成，内核中有6~1000个铁 氧体纳米粒子；所述的金属层是由Ag或Au形成的连续壳层；所述的发光层是 有机发光染料掺杂的Si02层；整个纳米粒子成球形，粒径在50-1000 nm之间。。 整个纳米粒子成球形，大小在50~1000 nm之间。
上述的金属层厚度在5 50 nm之间，发光层厚度在10~100 nm之间；金属 层与发光层之间的距离可以调控，在5 30nm之间。
上述的铁氧体纳米粒子是Fe304、 CoFe204、 MnFe204或ZnFe204纳米粒子， 其粒径介于5 15nm之间，具有超顺磁性。
一种磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子的制备方法，合成步骤包括共沉 淀法制备铁氧体纳米粒子；合成步骤还有通过无机硅源和有机硅源对磁性内核进 行二氧化硅包覆，金属层包覆，第二次有机硅层的包覆和有机发光染料掺杂层的 包覆；
所述的通过无机硅源和有机硅源进行二氧化硅包覆是，将铁氧体纳米粒子分 散在水中加入硅酸钠进行铁氧体纳米粒子的无机硅包覆；然后将铁氧体纳米粒子 分散在乙醇中，加入氨水和TEOS进行有机硅包覆，形成磁性内核；
所述的金属层包覆是，首先将表面包覆二氧化硅的磁性内核分散在乙醇中， 加入硅烷偶联剂将其表面修饰氨基或巯基，再转移到水相中加入Ag或Au纳米 粒子进行偶联，然后再加入Ag离子或四氯金酸根离子使其在磁性内核表面还原 形成连续壳层；
所述的第二次有机硅层的包覆是，将包覆有Ag或Au壳层的粒子分散在水 中，加入硅烷偶联剂进行修饰，再转移到乙醇中，加入氨水和正硅酸乙酯(TEOS) 生长Si02层；
所述的有机发光染料掺杂层的包覆是，将包覆过Si02层的带有Ag或Au壳 层的磁性纳米粒子分散在乙醇中，加入氨水和有机发光染料的前驱体及TEOS， 继续反应6 24小时。
上述的超顺磁性铁氧体纳米粒子是用共沉淀法制备的，共沉淀法是已有的技 术成熟的制备铁氧体纳米粒子的方法。本发明是在20 60。C下，将摩尔比为l: 2的Fe"(或Co"、 Zn2+、 Mn2+)和Fe"的溶液快速加入到碱性水溶液中，并剧
烈搅拌，所得沉淀用永磁铁收集并用高纯水洗涤，最后超声分散在水中，得到超 顺磁性纳米颗粒溶胶。
上述的硅垸偶联剂可以是带有巯基的硅垸偶联剂如Y-巯基丙基三乙氧基硅 烷，也可以是带有氨基的硅垸偶联剂如Y-氨基丙基三乙氧基硅烷。
上述的有机发光染料的前驱体，是指将有机发光染料和硅垸偶联剂溶解在乙 醇或/和四氢呋喃中，磁力搅拌下避光反应3~15小时，制得有机发光染料与硅 烷偶联剂复合的有机发光染料前驱体；其中，有机发光染料的质量百分含量在 0.001% 3%之间，硅烷偶联剂的质量百分含量在0.4% 15%之间。
上述的金纳米粒子或银纳米粒子，其大小在2 40 nm之间；所说的Ag离 子或四氯金酸根离子，其浓度在0.001 M~0.05 M之间。
上述的在第二次Si02层的包覆中，氨水的质量百分含量在0.5% 5%之间； TEOS质量百分含量在0.1% 1%之间。
上述的在有机发光染料掺杂层的包覆中，反应液中有机染料的质量百分含量 在0.01% 0.1%之间，TEOS的百分含量在1% 4%之间。
本发明的方法制备的纳米粒子与普通磁光复合的纳米粒子相比，粒子的发光 强度提高了 IO倍左右，在生物标记应用中可以大幅提高检测的灵敏度；所得到 的粒子的磁物质含量高，在磁场下响应迅速，提高了分离效率；在制备过程中， 调控反应条件可以实现磁性物质含量、微球粒径和二氧化硅壳层的可控；该纳米 粒子具有良好的生物相容性与化学稳定性，并且易于氨基、羧基、巯基等进一步
的功能化。
具体实施例方式
实施例l 铁氧体纳米粒子的合成Fe304纳米粒子的制备 称取1 g的FeCl3'6H20和0.37 g的FeClr4H20，用20 ml经过通氮除氧的 水溶解得到混合溶液。取130 ml水在250 mL的圆底烧瓶中通氮除氧，加入12.5 ml的质量百分比浓度为25-28%的浓氨水，在剧烈搅拌下迅速向其中倒入上述的 铁盐混合溶液，在8(TC下反应lh。反应完毕后，用0.1 T的永磁铁从反应溶液 中分离出黑色的固体，所得固体用高纯水清洗3 5次即得粒径为6 10 nm的 Fe304纳米粒子。
实施例2铁氧体纳米粒子的合成CoFe204纳米粒子的制备称取1 g的FeCl3'6H20和0.38 g的CoCl2'4H20，用20 ml经过通氮除氧的 水溶解得到混合溶液。取130 ml水在250 mL的圆底烧瓶中通氮除氧，加入12.5 ml的质量百分比浓度为25-28%的浓氨水，在剧烈搅拌下迅速向其中倒入上述的 混合盐溶液，在50。C下反应lh。反应完毕后，用0.1 T的永磁铁从反应溶液中 分离出黑色的固体，所得固体用高纯水清洗3 5次即得粒径为3 13 nm的 CoFe204纳米粒子。可将CoCl2换为MnCl2或ZnCl2得到相应的MnFe204或 ZnFe204纳米粒子。
通过无机硅源和有机硅源对磁性内核进行二氧化硅包覆。 实施例3通过无机硅源和有机硅源对磁性内核进行二氧化硅包覆无机 硅源包覆
称取0.6 g Na2Si03 (Si02含量为45%)溶在50 ml水中，用阳离子树脂调节 溶液的pH为9.6，向其中加入0.5g上述合成的Fe3O4纳米粒子。在室温下，以 150rpm搅拌速度在250mL圆底烧瓶中反应12h。反应完毕后，用0.1 T的永磁 铁从反应溶液中分离出黑色的固体，所得固体用高纯水清洗3~5次即得粒径为 7~12 nm的二氧化硅包覆的Fe304纳米粒子。
将Fe304纳米粒子换成CoFe204、 MnFe204或ZnFe204纳米粒子可得到相应 的无机硅源二氧化硅包覆的磁性纳米粒子。
实施例4通过无机硅源和有机硅源对磁性内核进行二氧化硅包覆有机硅 源包覆Fe304纳米粒子
向250 mL圆底烧瓶中依次加入100 ml乙醇、5 ml水、2 ml质量百分比浓度 为25-28%的浓氨水、0.01 g经无机硅源二氧化硅包覆合成的Fe304纳米粒子和 0.03mlTEOS，反应12h后，用0.1 T的永磁铁从反应溶液中分离出黑色的固体， 所得固体用高纯水清洗3 5次即得平均尺寸为40 nra的多核Fe304/Si02核壳微 粒，其平均核数为6个。
实施例5通过无机硅源和有机硅源对磁性内核进行二氧化硅包覆有机硅 源包覆CoFe;j04纳米粒子
向250 mL圆底烧瓶中依次加入100 ml乙醇、5 ml水、3 ml质量百分比浓度 为25-28%的浓氨水、0.05 g经无机硅源二氧化硅包覆合成的CoFe204纳米粒子 和0.3mlTEOS，反应12h后，用0.1 T的永磁铁从反应溶液中分离出黑色的固
体，所得固体用高纯水清洗3 5次即得平均尺寸为400 nm的多核CoFe204/Si02 核壳微粒，其平均核数约为400个。
实施例6通过无机硅源和有机硅源对磁性内核进行二氧化硅包覆有机硅 源包覆MnFe204或ZnFe204纳米粒子
向250 mL圆底烧瓶中依次加入100 ml乙醇、5 ml 7jC、 5 ml质量百分比浓度 为25-28%的浓氨水、0.1 g经无机硅源二氧化硅包覆合成的MnFe204或ZnFe204 纳米粒子和0.5 ml TEOS，反应12 h后，用0.1 T的永磁铁从反应溶液中分离出 黑色的固体，所得固体用高纯水清洗3 5次即得平均尺寸为800 nm的多核 MnFe2(V Si02或ZnFe2(V Si02核壳微粒，其平均核数约为1000个。
实施例7金属层包覆用硅烷偶联剂进行表面修饰
将实施例4中得到的Fe3CVSi02核壳微粒定容到100 ml乙醇中，加入到250 ml的三颈瓶中，再加入2ml氨水和10plY-氨基丙基三乙氧基硅垸(APS),反 应12小时后用用O.l T的永磁铁从反应溶液中分离出黑色的固体，所得固体用 高纯水清洗3 5次即得氨基修饰的Fe3(VSi02纳米粒子。
将Fe304/Si02核壳微粒换成实施例5或6中所得到的CoFe2CVSi02、 MnFe2(V Si02或ZnF^CV Si02纳米粒子即可得到相应氨基修饰的其它磁性纳米 粒子。
将APS换成Y-巯基丙基三乙氧基硅烷(MPS)即可得到巯基修饰的磁性纳 米粒子。
实施例8金属层包覆Au层的制备
将实施例7中得到的氨基修饰的Fe30VSi02纳米粒子定容于100 ml水中， 加入10 ml 2 nm的Au(lO mg/ml)纳米粒子，反应2小时后用0.1 T的永磁铁从反 应溶液中分离粒子，用高纯水洗三次，加入1 ml 0.1 M的HAuC14和10 ml 0.2 M 的羟胺水溶液，反应2小时后，得到5nmAu包覆的磁性粒子。整个粒子尺寸为 45 nm。
将实施例7中得到的巯基修饰的CoFe2CVSi02纳米粒子定容于100 ml水中， 加入10 ml 2 nm的Au(lO mg/ml)纳米粒子，反应2小时后用0.1 T的永磁铁从反 应溶液中分离粒子，用高纯水洗三次，加入10 ml 0.1 M的HAuC14和10 ml 0.2 M的羟胺水溶液，反应2小时后，得到25nmAu包覆的磁性粒子。整个粒子平
均尺寸为425 nm。
实施例9金属层包覆:Ag层的制备
将实施例7中得到的氨基修饰的MnFe204/ Si02或ZnFezCV &02纳米粒子定 容于100 ml水中，加入10 ml 30 nm的Ag(lO mg/ml)纳米粒子，反应2小时后 用0.1 T的永磁铁从反应溶液中分离粒子，用高纯水洗三次，加入5ml0.1M的 AgN03和5 ml 0.2 M的柠檬酸钠水溶液，反应2小时后，得到50nmAg包覆的 磁性粒子。整个粒子平均尺寸为850nm。
实施例IO第二次有机硅层的包覆和有机发光染料掺杂层的包覆 将实施例8中所得到的5 nm Au壳包覆的磁性粒子分散在100 ml水中，加 入10plAPS，反应IO小时后用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离粒子，再将粒 子加入到100 ml乙醇中，加入0.5 ml氨水，0.1 ml TEOS，反应10小时后，再 加入0.1 ml 1 mg/L的异硫氰根荧光素与APS反应的前驱体，0.1 ml TEOS反应 24小时后得到55 nm的磁性/金属/荧光复合纳米粒子，其中金壳层厚度为5 nm， 与发光层距离为5nm，发光层厚度为5nm。
实施例11第二次有机硅层的包覆和有机发光染料掺杂层的包覆 将实施例8中所得到的25 nm Au壳包覆的磁性粒子分散在100 ml水中，加 入10 nl APS，反应10小时后用0.1 T的永磁铁从反应溶液中分离粒子，再将粒 子加入到100 ml乙醇中，加入1.5 ml氨水，0.5 ml TEOS，反应10小时后，再 加入0.5 ml 1 mg/L的菲咯啉联钌，1 ml TEOS反应12小时后得到490 nm的磁 性/金属/荧光复合纳米粒子，其中金壳层厚度为25 nm，与发光层距离为15 nm， 发光层厚度为50nm。
实施例12第二次有机硅层的包覆和有机发光染料掺杂层的包覆 将实施例9中所得到的50 nmAg壳包覆的磁性粒子分散在100 ml水中，加 入10nlAPS，反应10小时后用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离粒子，再将粒 子加入到100ml乙醇中，加入5ml氨水，lmlTEOS，反应10小时后，再加入 1 ml 1 mg/L的异硫氰根荧光素与APS反应的前驱体，2 ml TEOS反应6小时后 得到1000 nm的磁性/金属/荧光复合纳米粒子,其中银壳层厚度为50 nm，与发光 层距离为30nm，发光层厚度为100nm。
权利要求
1、一种磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子，其特征在于，纳米粒子从内到外依次包埋有磁性内核、金属层和发光层；所述的磁性内核是由二氧化硅包覆单磁畴的具有超顺磁性的铁氧体纳米粒子组成，内核中有6～1000个铁氧体纳米粒子；所述的金属层是由Ag或Au形成的连续壳层；所述的发光层是有机发光染料掺杂的SiO2层；整个纳米粒子成球形，粒径在50～1000nm之间。
2、 按照权利要求1所述的一种磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子，其特 征在于金属层厚度在5 50 nm之间，发光层厚度在10~100 nm之间；金属层 与发光层之间的距离在5~30 nm之间。
3、 按照权利要求1或2所述的磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子，其特 征在于，所述的铁氧体纳米粒子是Fe304、 CoFe204、 MnFe204或ZnFe204纳米粒 子，其粒径介于5 15nm之间。
4、 一种如权利要求1的磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子的制备方法， 合成步骤包括共沉淀法制备铁氧体纳米粒子；其特征在于合成步骤还有通过无 机硅源和有机硅源对磁性内核进行二氧化硅包覆、金属层包覆、第二次有机硅层 的包覆和有机发光染料掺杂层的包覆；所述的通过无机硅源和有机硅源进行二氧化硅包覆是，将铁氧体纳米粒子分 散在水中加入硅酸钠进行铁氧体纳米粒子的无机硅包覆；然后将铁氧体纳米粒子 分散在乙醇中，加入氨水和正硅酸乙酯进行有机硅包覆，形成磁性内核；所述的金属层包覆是，首先将表面包覆二氧化硅的磁性内核分散在乙醇中， 加入硅烷偶联剂将其表面修饰氨基或巯基，再转移到水相中加入Ag或Au纳米 粒子进行偶联，然后再加入Ag离子或四氯金酸根离子使其在磁性内核表面还原 形成连续壳层；所述的第二次有机硅层的包覆是，将包覆有Ag或Au壳层的粒子分散在水 中，加入硅垸偶联剂进行修饰，再转移到乙醇中，加入氨水和正硅酸乙酯生长 Si。2层；所述的有机发光染料掺杂层的包覆是，将包覆过Si02层的带有Ag或Au壳 层的磁性纳米粒子分散在乙醇中，加入氨水和有机发光染料的前驱体及正硅酸乙 酯，继续反应6 24小时。
5、 按照权利要求4所述的磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子的制备方 法，其特征在于，所述的硅烷偶联剂是带有巯基的Y-巯基丙基三乙氧基硅烷，或 是带有氨基的Y-氨基丙基三乙氧基硅烷。
6、 按照权利要求4或5所述所述的磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子的 制备方法，其特征在于，所述的有机发光染料的前驱体，是指将有机发光染料和 硅烷偶联剂溶解在乙醇或/和四氢呋喃中，磁力搅拌下避光反应3 15小时，制 得有机发光染料与硅烷偶联剂复合的有机发光染料前驱体；其中，有机发光染料 的质量百分含量在0.001% 3%之间，硅烷偶联剂的质量百分含量在0.4% 15 %之间。
7、 按照权利要求4或5所述所述的磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子的 制备方法，其特征在于，所述的金纳米粒子或银纳米粒子，其大小在2 40 nm 之间；所述的Ag离子或四氯金酸根离子，其浓度在0.001 M 0.05M之间；在 第二次有机硅层的包覆中，氨水的质量百分含量在0.5% 5%之间；正硅酸乙酯 质量百分含量在0.1% 1%之间；在有机发光染料掺杂层的包覆中，反应液中有 机发光染料的质量百分含量在0.01% 0.1%之间，正硅酸乙酯的百分含量在1 % 4%之间。
全文摘要
本发明的磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子及其制备方法属于纳米材料技术领域。纳米粒子从内到外依次包埋有磁性内核、金属层和发光层；磁性内核是由有机硅包覆6～1000个铁氧体纳米粒子组成；金属层是由Ag或Au形成的连续壳层；发光层是有机发光染料掺杂的SiO<sub>2</sub>层。经制备铁氧体纳米粒子、通过无机硅源和有机硅源对磁性内核进行二氧化硅包覆、金属层包覆、第二次有机硅层的包覆和有机发光染料掺杂层的包覆等过程制备。本发明的纳米粒子发光强度高，在生物标记应用中可大幅提高检测的灵敏度；纳米粒子在磁场下响应迅速，提高了分离效率；在制备过程中，调控反应条件可以实现磁性物质含量、微球粒径和二氧化硅壳层的控制。
文档编号C09C1/22GK101125968SQ20071005601
公开日2008年2月20日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者军 李, 杨文胜, 董新义, 陆子阳 申请人:吉林大学