以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO₂纳米粒子及其制备方法

专利名称：以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO₂纳米粒子及其制备方法
技术领域：
本发明属发光纳米材料的技术领域，特别涉及以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子及其制备方法。

背景技术：
染料掺杂二氧化硅纳米粒子在生物、医学以及光物理化学理论研究等领域具有广泛的应用。将荧光染料在二氧化硅内掺杂可提高其很多性能染料固定在SiO2介质中，可与溶剂、氧气等隔离，提高染料的分散性和光稳定性(Nano Letter 2005，15，113-117)；可通过调节SiO2粒子结构来改变染料微环境，提高染料的发光效率和寿命(Chem.Mater.，2008，20，2677-2684)；SiO2无毒、具有化学惰性、易表面官能化，可拓展荧光染料的应用范围。
实现染料分子在二氧化硅粒子内部稳定掺杂而不发生染料泄漏，一直是期待解决的技术问题。Van Blaaderen等人使用硅烷偶联剂(Langmuir1992，8，2921-2931；J Colloid Interface Sci.1993，156，1-18；Nano.Lett.2005，5，113-117)，利用共价偶联的方式，将染料分子锚定在纳米二氧化硅粒子内，该方法要求染料分子具有可与硅烷偶联剂反应的官能团，限制了可掺杂染料的种类，不具有普适性；Rosenzweig等利用静电相互作用(Langmuir2005，21，4277-4288)，实现带正电染料在二氧化硅内的掺杂，但由于二氧化硅介质带负电荷，所以该方法不适用于带负电的染料。
带有正电荷的聚电解质既可以吸附在SiO2表面，也可以填充入介孔SiO2材料的孔道中。正电聚电解质修饰后的SiO2纳米粒子可以吸附带有负电荷的染料，使其具有特定光学性质(Chem.Mater.2008，20，848-858)，被广泛的应用于染料光物理(J.Am.Chem.Soc.2000，122，5841-5848)和光化学性质(Mater.Res.Bull.2009，44，306-311)的研究。但此时SiO2粒子只起载体的作用，对染料并不具有保护作用。


发明内容
本发明要解决的技术问题是克服背景技术的不足，制备出具有核壳结构的以正电聚电解质为模板掺杂负电荧光染料的SiO2纳米粒子；提供一种简单有效的方法，利用静电力在二氧化硅中掺杂负电荧光染料；并可实现多种染料的同时掺杂，实现对染料掺杂量、产物粒径及形貌的控制。
首先通过静电力作用，将负电荧光染料均匀分散在正电聚电解质的团簇中，形成荧光染料与聚电解质的复合物，然后将该复合物加入到经预水解的

体系中，在聚电解质团簇上吸附、生长SiO2。具体步骤包括1.聚电解质与负电荧光染料复合物溶液的制备；2.有机硅源的预水解；3.包括聚电解质和负电荧光染料的复合物溶液与有机硅源的预水解体系(

体系)的混合；4.水解后的有机硅源吸附、缩合，形成负电染料掺杂的SiO2粒子。
本发明的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子，具有核壳结构，内核包含带正电的聚电解质团簇，其掺杂有带负电的荧光染料和SiO2，以及可选择的带负电的添加剂，外壳由SiO2组成，其中，添加剂和荧光染料所带负电荷之和小于聚电解质团簇所带正电荷。
所述的聚电解质团簇，是指带有正电基团季胺基的聚电解质，如聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)、聚季铵盐-7(二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺共聚物)、聚季铵盐-2(聚季铵含脲基聚合物)等；带有正电基团季胺基的聚电解质的分子量一般在10～50万道尔顿(Da)。
所述的荧光染料，是带负电基团的有机染料，负电基团主要指磺基、羧基、羟基等。荧光染料包括8-羟基-1，3，6-三磺基吡(HPTS)、7-羟基-4-乙酸香豆素(7-HCA cpd)、荧光素钠盐(FL)、磺基罗丹明101(Sulforhodamine101)等，本发明亦可实现多种染料同时掺杂。
本发明的以正电聚电解质为模板掺杂负电荧光染料的SiO2纳米粒子的制备方法，经聚电解质与荧光染料的复合物溶液制备、有机硅源的预水解、有机硅源包覆的过程。具体流程如图9所示。
所述的聚电解质与荧光染料的复合物溶液制备，是在醇水混合液中加入聚电解质溶液，磁力搅拌下加入荧光染料溶液，持续搅拌适当时间，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液。优选地，聚电解质和荧光染料可以是水溶液或者乙醇溶液，并且聚电解质和荧光染料复合物溶液中醇水体积比＝7～10、聚电解质质量浓度0.1～0.4mg/ml。
所述的有机硅源的预水解，是向另一个容器中加入乙醇、水和氨水，磁力搅拌下加入硅氧烷，反应适当的时间，形成有机硅源的预水解体系。优选地，该体系中乙醇、水、氨水、硅氧烷的摩尔比为161∶55∶1.5∶1～2。
所述的有机硅源包覆，是将聚电解质与荧光染料的复合物溶液加入到有机硅源的预水解体系中，搅拌继续反应适当时间，制得以正电聚电解质为模板负电染料掺杂的SiO2纳米粒子。优选地，预水解体系中硅氧烷的量按摩尔比计为加入的复合物溶液中的聚电解质的720～1440倍，即预水解体系中的硅氧烷与加入的荧光染料的复合物溶液中聚电解质重复单元的比例为720～1440∶1。
季铵盐类聚电解质团簇的电离程度不受体系pH值的影响，在碱性条件下仍保持带正电性，担当可溶性硅酸寡聚物与负电荧光染料间的桥梁。采用的溶剂乙醇为聚电解质的不良溶剂，聚电解质在该溶剂中以紧缩的团簇形式存在，形状近似球形。
聚电解质与荧光染料的复合物溶液中醇水体积比为7～10，该比例与

体系中的醇水比相近，可避免聚电解质模板加入对

体系产生影响，提高实验的平行性及可调控性。聚电解质与荧光染料混合后，搅拌10～20分钟，确保荧光染料在聚电解质中分散均匀，避免荧光染料浓度局部过高。复合物溶液中聚电解质质量浓度应不大于0.4mg/ml，优选0.2mg/ml，避免分子间交联作用导致模板的聚集。
在聚电解质与荧光染料的复合物溶液中，荧光染料与聚电解质的电荷摩尔比(荧光染料带有负电荷的总数与聚电解质带有正电荷的总数的比值)的最大比例应满足使两者混合形成的复合物静电荷为零，此时聚电解质与荧光染料的复合物由于静电斥力不足而发生聚集。染料没有最少使用量，一般取大于零的数值均可，为了使复合物模板能够吸附足量的二氧化硅，荧光染料带有负电荷的总数与聚电解质带有正电荷的比值优选小于等于0.62∶1。但是染料加入量越少，形成粒子的形貌越不均匀(参见图1、2)，当荧光染料与聚电解质的电荷摩尔比大于等于0.25时，聚电解质正电荷被部分中和，可以避免聚集，得到形貌均一的球形SiO2纳米粒子。如果想要掺杂小于0.25量的染料并要求较好的均一性的话，可以加入带负电的添加剂，使总电荷比大于等于0.25，也可以达到避免聚集的作用。


体系是指在醇水混合物中，以NH3作催化剂，采用有机硅源水解缩合形成SiO2纳米粒子的体系。有机硅源为硅氧烷，如正硅酸乙酯(TEOS)；醇水混合物中的醇可以是甲醇、乙醇等脂肪醇。为使包覆过程在较温和的条件下进行，预水解体系的NH3浓度优选为较低的0.14M(mol/L)。原因是在高氨水浓度下，TEOS的水解缩合速度很快，体系迅速生成SiO2粒子，加入聚电解质后立即出现絮状沉淀，聚电解质诱导了SiO2的聚集。在低氨水浓度条件下，TEOS水解缩合速度较慢，其水解后产物先生成较小的寡聚物(统称可溶性SiO2)，这种水解后产物不会导致聚集，反而会吸附在聚电解质团簇上，使其电位翻转，从而实现胶体稳定性。
在保证胶体稳定性的前提下，当有机硅源自身的生长速度大于有机硅源在聚电解质团簇上的生长速度时，就会产生自成核现象。

体系中乙醇、水、氨水、硅氧烷的摩尔比优选161∶55∶1.5∶1～2，是为了避免自成核现象的发生。
聚电解质与荧光染料的复合物稳定包覆需要一个最短预水解时间。如表1所示，各行中的数字0.062、0.25、0.5为荧光染料与聚电解质的电荷摩尔比，表中的×代表絮沉；√代表正常。
表1 由表1可知，荧光染料吸附量越多，需要预水解时间越短。预水解时间小于最短时间时，体系中可溶性二氧化硅寡聚物数量较少，不够使聚电解质与荧光染料复合物的电位翻转，使模板聚集；预水解时间大于最短时间时，聚电解质模板吸附可溶性硅后电位快速翻转(参见图3)，可溶性硅进一步吸附和生长，在聚电解质团簇内部填充后，在团簇表面生长，经24小时形成负电荧光染料掺杂的SiO2纳米粒子。但如果预水解时间太长，二氧化硅自身形成较大的粒子影响对模板的包覆。在预水解体系NH3的浓度为0.14M情况下，TEOS的预水解时间可选择为15～25分钟。
有机硅源包覆过程中的搅拌速度最好控制在100rpm以下，此举是为了防止过快搅拌导致聚电解质-染料复合物聚集；总反应时间(从有机硅源的预水解开始计算，直至反应结束)一般取24小时，此举是为了确保合成反应完全。
最终形成的粒子具有核壳结构。由于目前分析手段的局限，无法准确确定核壳界面位置，只能通过定性分析得出结论。当聚电解质加入到经预水解的

体系中后，20分钟左右电位降低到最小值并保持不变，即负电的SiO2在聚电解质上完成吸附，通过电镜观察此时粒子状态(参见图4)，我们近似的认为此时的粒子尺寸即为核的大小。核的成分为聚电解质、负电染料以及SiO2。后续生长的壳层只是单纯的SiO2壳层。
聚电解质的分子量大小可决定最终产物的粒径大小，分子量越大形成的团簇越大，产物粒径越大，利用分子量为10～20万Da的PDADMAC作为模板形成的产物粒子粒径可为40～70nm，而采用分子量为40万～50万Da的PDADMAC时，产物粒径可为80～120nm。TEOS的加入量可改变模板外的SiO2壳层厚度，TEOS加入量高，二氧化硅壳层的厚度大。亦可利用再生长法，通过多次加入TEOS，逐步生长SiO2壳层。
模板的聚集会导致最终粒子的形貌以及粒径的不均一。通过增加荧光染料的用量，使模板表面电位更接近于零，模板可以更迅速的通过等电点，从而减少模板聚集(参见图1、2)。此外也可在聚电解质与荧光染料的复合物溶液中加入添加剂，如乙二胺四乙酸(EDTA)或其钠盐、柠檬酸或其钠盐，代替负电荧光染料降低模板电位，也可以达到减少模板聚集的效果，得到更加均一的产物粒子。同理，其中添加剂与荧光染料的负电荷摩尔总量应该小于聚电解质的正电荷摩尔量。一般，荧光染料与添加剂所带负电荷之和与聚电解质所带正电荷的电荷摩尔比取0～1之间的数值均可，为了保证能够吸附足够的SiO2，该值优选为小于等于0.62∶1，更优选为0.25～0.62∶1。实施例19以与图2完全相同条件，并添加EDTA二钠的实验为例，使EDTA二钠与荧光染料的负电荷总数与聚电解质的正电荷总数摩尔比为0.5，最终粒子见图5，可见形貌比图2有了明显改善，粒径明显减小。
以实施例19为例，掺杂量及电荷总摩尔比的计算方法如下 1)聚电解质的正电荷摩尔数 PDADMAC加入质量为20μl×10mg/ml＝0.2mg PDADMAC的单元摩尔量为M＝161.5g/mol 所以，加入的PDADMAC的正电荷单元数为 0.2mg/161.5g/mol＝1.238×10-6mol 由于PDADMAC每个单元带有一个正电荷基团季铵基，所以加入的正电荷摩尔量为1.238×10-6mol。
2)染料HPTS的负电荷摩尔数 HPTS加入质量＝10μl×1mg/ml＝0.01mg HPTS的摩尔质量M＝524.39g/mol 所以，加入的HPTS的摩尔量＝0.01mg/524.39g/mol＝1.91×10-8mol 每个HPTS分子带有四个负电荷，所以总的负电荷摩尔数为 1.91×10-8mol×4＝7.64×10-8mol 3)加入的添加剂EDTA二钠的负电荷摩尔数 EDTA二钠加入质量＝330μl/5×0.75mg/ml＝0.0495mg EDTA二钠的摩尔质量M＝372.24g/mol 所以，加入的EDTA二钠的摩尔量为0.0495mg/372.24g/mol＝1.33×10-7mol 每个EDTA二钠分子带有四个负电荷，所以总的负电荷摩尔数为 1.33×10-7mol×4＝5.32×10-7mol 4)负电荷总数为7.64×10-8mol+5.32×10-7mol＝6.08×10-7mol 正电荷总数为1.238×10-6mol 因此，实施例19中负电荷与正电荷摩尔比例为0.49≈0.5，而荧光染料的掺杂量为0.062。
聚电解质的正电荷基团与荧光染料的负电荷基团间的静电作用强弱决定着荧光染料在二氧化硅介质中的掺杂量(即聚电解质与荧光染料的复合物溶液中荧光染料与聚电解质的电荷摩尔比)。带有磺酸基团的荧光染料，与聚电解质的作用强，可以掺杂电荷饱和量以内的任意的量；带有羧基的荧光染料，与聚电解质的作用力相对较弱，最大掺杂量减少；只带有羟基的荧光染料，由于酸性很弱，在乙醇溶剂中解离出的负离子量少，与聚电解质的作用弱，最大掺杂量更小。
静电力是一种无选择性的作用力，借助该作用力可实现多种负电染料在聚电解质内核中同时掺杂。另外本发明可以和现有其他的掺杂方法结合使用，也是本发明的一个特点。如在外壳生长过程中，利用静电力作用(参见图8)或共价偶联作用掺杂其他染料，实现染料的一次性分层掺杂。同时掺杂多种染料的二氧化硅体系可为能量转移、多色掺杂等研究建立简便、易行的模型平台。
本发明的方法与磷光染料静电力掺杂法结合使用，实现磷光染料与荧光染料的分层掺杂。具体过程可以分三个过程实现，即聚电解质与荧光染料的复合物溶液制备、有机硅源的预水解、有机硅源包覆的过程。其中前两个过程与前述的过程相同；所述的有机硅源包覆，是将聚电解质与荧光染料的复合物溶液加入到有机硅源的预水解体系中，以速度为小于100rpm磁力搅拌反应2～8小时，再加入正电磷光染料，继续磁力搅拌反应至24小时，以实现荧光染料与磷光染料的分层掺杂。
本发明的方法与共价偶联法结合使用，可以实现不同染料的分层掺杂。具体过程可以分三个过程实现，即聚电解质与荧光染料的复合物溶液制备、有机硅源的预水解、有机硅源包覆的过程。其中前两个过程与前述的过程相同；所述的有机硅源包覆，是将聚电解质与荧光染料的复合物溶液加入到有机硅源的预水解体系中，以速度为小于100rpm磁力搅拌反应2～8小时，再加入可偶联的荧光染料与硅烷偶联剂偶联后的前驱物溶液，继续磁力搅拌反应至24小时，以实现荧光染料与可偶联荧光染料的分层掺杂。这里的可偶联荧光染料与硅烷偶联剂偶联后的前驱物溶液的制取是现有的技术，具体的也可以是向无水乙醇当中加入硅烷偶联剂和可偶联荧光染料的乙醇溶液，封闭条件下反应12小时得到的。
本发明可以有效解决荧光染料泄漏问题。依赖于荧光染料与聚电解质之间的静电力作用，荧光染料被束缚在SiO2介质中。对于带有磺酸根的荧光染料(如HPTS、Sulforhodamine 101等)带电性不随pH值改变而改变，所以粒子不会因pH值改变而发生泄漏。对于带有羧酸根或羟基的荧光染料，当体系pH值降低使其不带电后，染料将无法束缚在SiO2介质中，可能导致泄漏，但是羧基或羟基与季铵基之间的静电力作用会使其pKa的大幅度降低。以7-羟基-4-乙酸香豆素为例，其羟基在水中pKa为7.8，通过本发明复合到粒子中后pKa降至4，所以当体系的pH在4～13范围内时，羟基与季铵基之间的静电力作用都不会被破坏。只带羟基的负电染料，在pH为4～13的体系中不会发生泄漏。羧基pKa一般则会降低至2以下，在SiO2粒子稳定的pH＝2～13范围内，都可以有效的避免泄漏。生物医学应用需要的pH范围内可以完全避免泄漏问题。另外，实验表明，以本发明方法制备的最终粒子可以稳定的分散在常用的生物缓冲溶液中(如PBS磷酸盐缓冲溶液、Tris缓冲溶液等)，并不发生泄漏，说明生物应用范围的盐浓度不会影响染料与聚电解质之间的静电相互作用，不会导致泄漏，并且最终粒子的胶体稳定性完全可以满足生物应用需要。
本发明的方法具有普适性，可广泛的应用于各种带有负电基团的荧光染料在二氧化硅中的掺杂，并可实现多种染料的同时掺杂，实现染料掺杂量、产物粒径及形貌的控制，制得的负电染料掺杂的二氧化硅粒子为球形，粒径均匀，表面官能化容易，形成的胶体稳定性好，为生物医学、理论研究等提供更多选择。



图1为本发明实施例1制得的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的透射电镜图片。
图2为本发明实施例4制得的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的透射电镜图片(其中HPTS与PDADMAC的电荷摩尔比为0.062)。
图3为

体系预水解25分钟后加入正电聚电解质模板情况下，表面电位随时间的变化曲线(其中的

体系乙醇、水、氨水、正硅酸乙酯按摩尔比为161∶55∶1.5∶1.5，反应温度25℃，HPTS与PDADMAC的电荷摩尔比为0.062，即实施例4体系)。
图4为实施例4、2、1的不同荧光染料含量的PDADMAC-HPTS复合物加入到经过预水解的

体系后20分钟时的透射电镜图片。
图5为实施例19制得的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的透射电镜图片。
图6是不同染料掺杂量的产物粒子的发光强度随染料与聚电解质电荷摩尔比的变化趋势。其中染料与PDADMAC的电荷摩尔比从左往右分别为0.031、0.062(实施例4)、0.093、0.123(实施例3)、0.185、0.25(实施例2)、0.37、0.5(实施例1)。
图7为实施例1、6、7所得到的染料掺杂SiO2纳米粒子的荧光光谱。
图8为实施例17，以PDADMAC与HPTS的复合物为核，在壳层中掺杂不同量的Ru(phen)3所得到粒子的荧光光谱。
图9为掺杂负电染料的SiO2粒子的结构以及制备流程图。

具体实施例方式 以下是试验时，需要用到的参数(反应条件温度25℃，1个大气压) 乙醇，密度0.79g/ml，分子量46g/mol； 水，密度1g/ml，分子量18g/mol； 氨水，密度0.91g/ml，质量分数25％，NH3分子量17g/mol；TEOS，密度0.931g/ml，分子量208.33g/mol； PDADMAC，重复单元摩尔式量161.5g/mol。
实施例1 在20ml玻璃瓶中加入0.5ml的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μlHPTS水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μlTEOS开始记后开始计时，反应25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后以控制磁力搅拌速度为50rpm，继续反应至24小时。制得的HPTS掺杂的球形SiO2纳米粒子均一性好，平均粒径在50±5nm。
图1给出本实施例制得的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的透射电镜图片，其中HPTS与PDADMAC的电荷摩尔比为0.5。
实施例2 在20ml玻璃瓶中加入2.3ml的醇/水＝8的醇水混合液、2.4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入200μl HPTS水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μlTEOS开始记后开始计时，反应25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后以控制磁力搅拌速度为50rpm，继续反应至24小时。制得的HPTS掺杂的球形SiO2纳米粒子均一性好，平均粒径在50±5nm。
实施例3 在20ml玻璃瓶中加入3.2ml的醇/水＝8的醇水混合液、1.6ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入100μlHPTS的水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始记时，25分钟后，快速加入1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液，混匀后在50rpm搅拌速度，继续反应至24小时。
实施例4 在20ml玻璃瓶中加入3.65ml的醇/水＝8的醇水混合液、1.2ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入50μl HPTS的水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始计时，25分钟后，快速加入1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液，混匀后在50rpm搅拌速度，继续反应至24小时。
图2给出本实施例制得的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的透射电镜图片，其中HPTS与PDADMAC的电荷摩尔比为0.062。
实施例1～4改变的是荧光染料的掺杂量。荧光染料与聚电解质的电荷摩尔比分别为0.5，0.25，0.126，0.062。除此之外，荧光染料与聚电解质的电荷摩尔比可以为小于等于0.62∶1的任意值。在其他条件相同的情况下，在此范围内制备出的不同染料掺杂量的产物粒子的发光强度随染料与聚电解质电荷摩尔比变化趋势见图6。
实施例1～4制得的最终粒子具有核壳结构。实施例1、2、4中聚电解质与荧光染料的复合物溶液加入到经过预水解的

体系中后，电位经过20分钟的下降过程后基本持平(见图3)，说明聚电解质团簇对荧光染料的吸附和二氧化硅的填充在20分钟时结束。通过透射电镜观察此时刻形貌为近似球形，尺寸大约24nm(见图4)。染料含量不同对复合物的形貌尺寸影响不大。此时的近球形粒子大小即近似地被视为核的大小。此后生长的壳层为单纯的SiO2层。由此判断最终粒子的核壳结构。
实施例5 在20ml玻璃瓶中加入2.8ml的醇/水＝10的醇水混合液、2ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入100μl HPTS的水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始计时，25分钟后，快速加入1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液，混匀后在50rpm搅拌速度，继续反应至24小时。
实施例3和5聚电解质与荧光染料的复合物溶液中的醇水比不同，分别为8和10。
实施例6 在20ml玻璃瓶中加入500μl的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μl 7-羟基-4-乙酸香豆素的水溶液(2×10-3M)。搅拌20分钟得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，加入300μl TEOS后开始计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，搅拌25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后调小磁力搅拌速度至50rpm，继续反应至24小时。
实施例7 在20ml玻璃瓶中加入3.2ml的醇/水＝8的醇水混合液、1.6ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入100μl荧光素钠盐的水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟后得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，加入300μl TEOS后开始计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，搅拌25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

系中，混匀后调小磁力搅拌速度至50rpm，继续反应至24小时。
实施例8 在20ml玻璃瓶中加入3.65ml的醇/水＝8的醇水混合液、1.2ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入50μl磺基罗丹明101的水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟后，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，加入300μl TEOS后开始计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，搅拌25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后调小磁力搅拌速度至50rpm，继续反应至24小时。
实施例6～8是对不同染料进行掺杂。
图7从左至右依次为实施例1，6，7所得到的不同染料掺杂SiO2纳米粒子的荧光光谱。
实施例9 在20ml玻璃瓶中加入0.5ml的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μl HPTS水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟后得到聚电解质与HPTS的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，加入200μl TEOS后开始计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，调节力搅拌速度为50rpm，继续反应至24小时。
实施例10 在20ml玻璃瓶中加入0.5ml的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μl HPTS水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟后得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，加入400μl TEOS后开始计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，调节磁力搅拌速度为50rpm，继续反应至24小时。
实施例9和10的TEOS加入量分别为200μl、400μl，得到产物粒子的平均粒径分别为37nm、46nm，TEOS加入量可以是200～400μl之间的任意量，可以得到不同粒径的产物粒子。
实施例11 在20ml玻璃瓶中加入0.5ml的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为20万～35万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μlHPTS水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟后得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，加入300μl TEOS后计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，25分钟后取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后调节磁力搅拌速度为50rpm，继续反应至24小时。
实施例12 在20ml玻璃瓶中加入0.5ml的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为40万～50万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μl HPTS水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟后得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，加入300μl TEOS后开始计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后调节磁力搅拌速度至为50rpm，继续反应至24小时。
实施例1、11、12即通过改变作为模板的聚电解质的分子量来调控最终产物粒子的大小。产物粒子平均粒径分别为50nm、80nm、100nm。
实施例13 在20ml玻璃瓶中加入0.5ml的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μl HPTS水溶液(1mg/ml)。搅拌20分钟后得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇，815μl水，0.1ml氨水，加入300μl TEOS后开始计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，25分钟时，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后调节磁力搅拌速度至50rpm，在封闭的条件下继续反应至12小时，得到大小约为42nm的HPTS掺杂SiO2粒子。
向体系继续加入70μl水，200μl TEOS，密封的条件下反应12小时，生长成大约6nm的壳层，最终形成48nm粒子。
此实施例为通过再生长的方式，调控染料掺杂SiO2粒径，在生长过程中TEOS的加入量在200～400μl范围内可以改变。也可以利用再生长法包覆多层SiO2。
实施例14 在20ml玻璃瓶中加入0.5ml的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的聚季铵盐-7水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μl HPTS水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS后开始计时，反应25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后以控制磁力搅拌速度为50rpm，继续反应至24小时。制得的HPTS掺杂的球形SiO2纳米粒子均一性好，平均粒径在50±5nm。
实施例1、14为不同的季铵盐类聚电解质作为模板。本发明中所列的其它聚电解质加入量与实施例1或14相同，最终效果也基本相同。
实施例15 在20ml玻璃瓶中加入2.3ml的醇/水＝8的醇水混合液、2.4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为40万～50万Da)水溶液，磁力搅拌的状态(速度为500rpm)下加入100μl HPTS的水溶液(1mg/ml)、100μl磺基罗丹明101水溶液(2×10-3M)。搅拌20分钟后，得到聚电解质与两种荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，加入300μl TEOS后开始计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后调小磁力搅拌速度至50rpm，继续反应至24小时。
实施例16 在20ml玻璃瓶中加入2.3ml的醇/水＝8的醇水混合液、2.4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为40万～50万Da)水溶液，磁力搅拌的状态(速度为500rpm)下加入100μl 7-羟基-4-乙酸香豆素的水溶液(2×10-3M)、100μl荧光素钠盐的水溶液(1mg/ml)。搅拌20分钟后，得到聚电解质与两种荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，加入300μl TEOS后开始计时，控制磁力搅拌速度为200rpm，25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后调小磁力搅拌速度至50rpm，继续反应至24小时。
实施例15和16是在聚电解质和二氧化硅组成的内核中对多种染料进行同时掺杂的实施例。多种染料具体的说就是8-羟基-1，3，6-三磺基吡、7-羟基-4-乙酸香豆素、荧光素钠盐、磺基罗丹明101等负电染料中的1～2种，且均可实现掺杂。
实施例17 在20ml玻璃瓶中加入3.65ml的醇/水＝8的醇水混合液、1.2ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入50μl HPTS的水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始计时，25分钟后，快速加入1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液，混匀后在50rpm搅拌速度，继续反应2小时，加入Ru(phen)3(菲啰啉联钌)(1mg/ml)50μl，继续反应至22小时。
可以在聚电解质与荧光染料的复合物溶液加入到经预水解的

体系后的2～8小时之间的任意时刻加入Ru(phen)3溶液，加入量的范围可以是0～2ml，图8沿箭头方向分别为加入了0、200、800、1200、1500μl的Ru(phen)3溶液后产物粒子的荧光光谱。
除Ru(phen)3外，正电磷光染料还可以是Ru(bpy)3(联吡啶钌)、Ir(pph)3[三(2-苯基吡啶)合铱]等，用量与实施例17相同。
实施例18 向4ml无水乙醇当中加入50μl APS(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)和1mlFITC(异硫氰根荧光素，1mg/ml乙醇溶液)封闭条件下反应12小时，得到荧光素和硅烷偶联剂偶联后的前驱物溶液，荧光素和硅烷偶联剂偶联后的前驱物溶液的制取是现有的技术；在20ml玻璃瓶中加入3.65ml的醇/水＝8的醇水混合液、1.2ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入100μl 7-羟基-4-乙酸香豆素的水溶液(2×10-3M)，搅拌20分钟，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始计时，25分钟后，快速加入1ml聚电解质与荧光染料复合溶液的混合溶液，混匀后在50rpm搅拌速度，继续反应2小时，加入1ml前驱物溶液，继续反应至22小时。
可以在聚电解质与荧光染料的复合物溶液加入到经预水解的

体系后的2～8小时之间的任意时刻加入FITC与APS偶联后的前驱物溶液。前驱物溶液的量的范围可以是0～2ml。
除FITC外，可共价偶联的荧光染料还可以是异硫氰根罗丹明(RITC)、异硫氰酸罗丹明B(RBITC)等。硅烷偶联剂除APS外还可以是γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTS)等。
实施例17、18分别是本方法与磷光染料静电力掺杂法、共价偶联法的同时应用，实现不同染料的分层掺杂。
实施例19 在20ml玻璃瓶中加入680μl的醇/水＝8的醇水混合液、3.840ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入50μl HPTS的水溶液(1mg/ml)、330μl二水合乙二胺四乙酸二钠(EDTA二钠)的水溶液(0.75mg/ml)，搅拌20分钟，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始计时，25分钟后，快速加入1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液，混匀后在50rpm搅拌速度继续反应至24小时。
本实施例说明加入EDTA二钠为添加剂能够优化产物粒子的形貌，图5给出本实施例制得的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的透射电镜图片。用EDTA、EDTA的其他钠盐、柠檬酸或其钠盐代替EDTA二钠作添加剂，也可以取得优化产物粒子的形貌的效果。
实施例20 在20ml玻璃瓶中加入0.5ml的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μl HPTS水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始记后开始计时，反应15分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后以控制磁力搅拌速度为50rpm，继续反应至24小时。制得的HPTS掺杂的球形SiO2纳米粒子均一性好，平均粒径在50±5nm。
本实施例与实施例1相比，仅加入有机硅源后的反应时间不同，最终得出的结果相同。
实施例21 在20ml玻璃瓶中加入0.5ml的醇/水＝8的醇水混合液、4ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入400μlHPTS水溶液(1mg/ml)，搅拌10分钟得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始记后开始计时，反应15分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后以控制磁力搅拌速度为50rpm，继续反应至24小时。制得的HPTS掺杂的球形SiO2纳米粒子均一性好，平均粒径在50±5nm。
本实施例与实施例1相比，仅加入荧光染料后搅拌时间不同，所得的纳米粒子仍然符合要求。为了使染料均匀地分散在聚电解质团簇中，搅拌时间至少为10分钟，在此范围内均可达到符合要求的结果。
实施例22 在20ml玻璃瓶中加入4.055ml的醇/水＝8的醇水混合液、840μl乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入5μl HPTS的水溶液(1mg/ml)，搅拌20分钟，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始计时，25分钟后，快速加入1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液，混匀后在50rpm搅拌速度，继续反应至24小时。
本实施例的荧光染料与聚电解质的电荷摩尔比例(即染料掺杂量)为0.0062∶1，制得的粒子与实施例1-4一样具有核壳结构。
实施例23 在20ml玻璃瓶中加入1.85ml的醇/水＝8的醇水混合液、2.8ml乙醇、100μl浓度为10mg/ml的PDADMAC(分子量为10万～20万Da)水溶液，磁力搅拌(速度为500rpm)下加入250μl HPTS水溶液(2mg/ml)，搅拌20分钟得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液；向20ml玻璃瓶中加入8.4ml乙醇、815μl水、0.1ml氨水，控制磁力搅拌速度为200rpm，加入300μl TEOS开始记后开始计时，反应25分钟后，取1ml聚电解质与荧光染料的复合物溶液快速加入到

体系中，混匀后以控制磁力搅拌速度为50rpm，继续反应24小时。制得的HPTS掺杂的球形SiO2纳米粒子均一性好，平均粒径在50±5nm。
此实施例的荧光染料掺杂量为0.62，与所有染料掺杂量为0.25～0.62的SiO2纳米粒子一样，均一性良好。
权利要求
1.一种以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子，具有核壳结构，内核包含带正电的聚电解质团簇，其掺杂有带负电的荧光染料和SiO2，以及可选择的带负电的添加剂，外壳由SiO2组成，其中，添加剂和荧光染料所带负电荷之和小于聚电解质团簇所带正电荷。
2.一种如权利要求1所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子，其特征在于，所述的聚电解质团簇为聚二甲基二烯丙基氯化铵、聚季铵盐-7或聚季铵盐-2。
3.一种如权利要求1所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子，其特征在于，所述的聚电解质分子量为10～50万Da。
4.一种如权利要求1所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子，其特征在于，所述添加剂为乙二胺四乙酸、柠檬酸，或它们的钠盐。
5.一种如权利要求1所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子，其特征在于，所述的荧光染料为8-羟基-1，3，6-三磺基吡、7-羟基-4-乙酸香豆素、荧光素钠盐、磺基罗丹明101中的1～2种。
6.一种如权利要求1所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子，其特征在于，所述荧光染料与添加剂所带负电荷之和与聚电解质所带正电荷的电荷摩尔比为大于0，且小于等于0.62∶1，优选0.25∶1～0.62∶1。
7.一种以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，包括以下步骤
1)聚电解质与荧光染料的复合物溶液制备在醇水混合液中加入带正电的聚电解质溶液，搅拌下加入带负电的荧光染料溶液，得到聚电解质与荧光染料的复合物溶液，其中荧光染料所带负电荷小于聚电解质团簇所带正电荷；
2)有机硅源的预水解向另一个容器中加入乙醇、水和氨水，搅拌下加入硅氧烷，形成硅氧烷的预水解体系；
3)有机硅源包覆将步骤1)所得聚电解质与荧光染料的复合物溶液加入到步骤2)所得硅氧烷的预水解体系中，搅拌继续反应，制得以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子。
8.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的聚电解质和荧光染料复合物溶液中醇水体积比＝7～10。
9.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的聚电解质溶液的质量浓度0.1～0.4mg/ml，优选0.2mg/ml。
10.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤1)的聚电解质与荧光染料的复合物溶液制备过程中，还包括加入带负电的添加剂的步骤，其中添加剂与荧光染料的负电荷摩尔总量小于聚电解质的正电荷摩尔量。
11.一种如权利要求10所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述荧光染料与添加剂所带负电荷之和与聚电解质所带正电荷的电荷摩尔比大于0，且小于等于0.62∶1，优选0.25∶1～0.62∶1。
12.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中预水解体系的NH3浓度为0.14mol/L，预水解时间为15～25分钟。
13.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中预水解体系的乙醇、水、氨水、硅氧烷的摩尔比为161∶55∶1.5∶1～2。
14.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的预水解体系中的硅氧烷与加入的复合物溶液中的聚电解质的摩尔比为720∶1～1440∶1。
15.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中加入荧光染料之后的搅拌时间为10～20分钟。
16.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的反应在密闭条件下进行，且还包括在反应过程中多次添加硅氧烷的步骤。
17.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤3)的有机硅源包覆步骤，是将聚电解质与荧光染料的复合物溶液加入到硅氧烷的预水解体系中，搅拌反应2～8小时，再加入正电磷光染料，继续搅拌反应，实现荧光染料与磷光染料的分层掺杂。
18.一种如权利要求7所述的以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤3)的有机硅源包覆，是将聚电解质与荧光染料的复合物溶液加入到硅氧烷的预水解体系中，搅拌反应2～8小时，再加入可偶联的荧光染料与硅烷偶联剂偶联后生成的前驱物溶液，继续搅拌反应，实现荧光染料与可偶联荧光染料的分层掺杂。
全文摘要
以正电聚电解质为模板掺杂负电染料的SiO2纳米粒子，具有核壳结构，内核包含带正电的聚电解质团簇，其掺杂有带负电的荧光染料和SiO2，以及可选择的带负电的添加剂，外壳由SiO2组成，其中，添加剂和荧光染料所带负电荷之和小于聚电解质团簇所带正电荷。所述SiO2纳米粒子的制备方法包括经聚电解质与荧光染料的复合物溶液制备；有机硅源水解缩合形成SiO2纳米粒子；有机硅源包覆。本发明可广泛的应用于各种带有负电基团的荧光染料在二氧化硅中的掺杂，可实现多种染料的同时掺杂，实现染料掺杂量、产物粒径及形貌的控制，制得的SiO2纳米粒子为球形，粒径均匀，表面官能化容易，形成的胶体稳定性好，为生物医学、理论研究等提供更多选择。
文档编号C09K11/06GK101768437SQ201010001649
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者杨文胜, 梁经纶, 李军 申请人:无锡中德伯尔生物技术有限公司, 吉林大学