专利名称：红色发光材料及其制备方法与应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红色发光材料及其制备方法与应用。
背景技术：
发光聚合物材料在科学研究特别是生命科学研究领域以及工业生产(如光电照明器件、平板屏幕显示器的制备等)中有着重大的应用价值和发展前景，因此对发光聚合物的研究受到学术界和工业领域的长期持续关注。发光聚合物相对于其它发光物质如无机和有机小分子等，在光电器件和平板显示制备等方面的应用有突出的优势，如聚合物的光学性质可调节，器件具有柔性且制备简单容易(如可通过旋涂、打印等技术实现)；在生物标记检测应用方面，其毒性小，生物兼容性高，优于无机和有机小分子发光材料。根据应用需要，必须要能制备出不同颜色的发光聚合物，其中红色发光聚合物具有多重应用价值:首先，红色是三原色(红，绿，蓝)之一，是制备白光和全光谱发射光器件必不可少的颜色；其次，红光远离生物体自荧光波段，可降低生物体自身荧光的干扰，有利于提高生物分析的灵敏度；第三，红光的散射弱，穿透深度较大，有利于进行生物内部的成像分析；第四，红色是人眼的高敏感颜色，在交通等警示场合被频繁使用。由此可见，研究红色发光材料意义重大并有重大的实用价值。但是，目前的发光聚合物研究还在进行之中，发展还很不充分，其中针对红色发光聚合物的研究更少，可选数量 非常有限，主要包括以红光小分子为发色源的共聚物或聚合物如聚噻吩等。它们的制备方法大都比较繁琐，制备条件控制难度大，原料成本较高。期待能发展出简单、廉价和有工业开发价值的红色发光聚合物的制备新方法并制备出新材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种红色发光材料及其制备与应用，该方法为一步法，利用无发光性质的原料成功制备出一种新型的红光材料，而且该材料在溶液、悬浮液、凝胶团块或固态粉末下被激发均发射有长时间抵抗光漂白能力的红光。本发明提供的红色发光材料的制备方法，包括如下步骤:在酸性条件下，戊二醛和含氨基化合物在水中经缩合反应即得所述红色发光材料。上述的制备方法中，所述酸性条件的pH值可为3.(Te.5，具体可为3.5^4.5,3.75、3.89,3.90,3.93,3.99,4.04,4.11,4.14 或 4.19。上述的制备方法中，所述含氨基化合物与所述戊二醛的摩尔比可为1:0.0f 20，具体可为 1:0.5 20、1:0.5 10、1:0.5、1:2、1:4、1:6、1:8、1:10、1:11、1:12.5 或 1:20。上述的制备方法中，进行所述缩合反应的体系中，所述戊二醛的质量百分含量可为 0.01% 10%，具体可为 0.25% 6.25%,0.25%、1%、2%、3%、4%、5%、5.5% 或 6.25% ;所述含氨基化合物的质量百分含量可为0.01% 20%，具体可为0.33% 1%、0.33%,0.35%,0.55%或1% ;可通过调节所述戊二醛和/或所述含氨基化合物的浓度以及后处理方法，来调节制备得到的产物的状态，如溶液的形式、悬浮液的形式、凝胶团的形式或固态粉末的形式，以便于应用于不同的用途。上述的制备方法中，所述缩合反应的温度可为10°C 95°C，具体可为25°C 95°C、25°C、35°C、45°C、55°C、65°C、75°C、85°C 或 95°C，时间可为 I 小时 20 小时，具体可为 0.5 小时 10小时、0.5小时、、I小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、5小时、10小时或20小时。上述的制备方法中，所述含氨基化合物可为氨基糖(如氨基葡萄糖、壳寡糖或壳聚糖等)、无机铵盐(如硫酸铵等)、有机胺(如甲胺等烷基胺)或生物胺(如氨基酸、肽或蛋白
-Tf- ) o上述的制备方法中，当所述含氨基化合物选择为壳聚糖时，可向所述水中加入油相得到W/0型微乳液，所述戊二醛和所述含氨基化合物在所述W/0型微乳液中经缩合反应得到红色发光聚合物纳米颗粒；所述油相具体可·由曲拉通X-100、正辛醇和环己烷组成。本发明提供了由上述方法制备的红色发光材料；所述红色发光材料的红光激发波段为450nnT650nm,最大发射波长为670nm ;当用630nm激光激发时,可获得650_720nm的明亮红光；所述红色发光材料的发光性质稳定，有长时间(30分钟连续激光激发，发光强度降低仅30%)抵抗光漂白的能力。本发明提供的红色发光材料可用于生物标记、光电材料和制备光电材料中，如采用红色发光聚合物颗粒作为细胞标记试剂。本发明与现有技术相比，具有如下优势:1、本发明提供的方法，所用原料本身均无红色发光性质，而且价廉易得，大大节约了制备成本，有利于该类材料的推广应用。2、本发明提供的方法，对环境无特殊要求，不需要再外加金属催化等辅助体系，操作简单，实施方便，后处理容易，制备重复性好，制备成本低，十分便于推广应用。3、本发明提供的方法，所述的方法中除戊二醛外的氨基反应物可变化且可组合，可用的氨基化合物有氨基糖(如氨基葡萄糖、壳寡糖、壳聚糖等)、无机铵盐(如硫酸铵等)、有机胺(如甲胺等烷基胺)、生物胺(如氨基酸、肽、蛋白等)等。4、本发明提供的红色发光材料，在溶液、悬浮液、凝胶团块或固态粉末下均可被激发并发射红光，激发波段在45(T650nm之间,最大中心发射波长在670nm附近。当用630nm激光激发时，可获得65(T720nm的明亮红光。5、本发明提供的红色发光材料光学性质很稳定，有长时间(30分钟连续激光激发，发光强度降低仅30%)抵抗光漂白的能力。6、本发明提供的红色发光聚合物材料可以方便地通过单独或组合调节戊二醛等反应物的用量、反应时间、反应温度来进行调控。7、本发明提供的红色发光聚合物可以通过控制制备方法得到不同形状大小的产物，如可通过微乳液法制备出水分散性良好的纳米颗粒，粒径分布在4纳米到12纳米之间，且纳米颗粒的细胞毒性小、生物兼容性好。8、本发明提供的红色发光材料可被用于生物标记、传感分析、光电材料的开发研究。
图1为实施例1制备的红色发光材料在自然光照射下和以633nm激光激发时的图像(分别为左图和右图)。图2为实施例2制备的红色发光材料在自然光照射下和以633nm激光激发时的图像(分别为左图和右图)。图3为实施例3制备的红色发光材料在自然光照射下和以633nm激光激发时的图像(分别为左图和右图)。图4为实施例4制备的各红色发光材料在以630nm激发时的荧光发射光谱，其中内插图为聚合物的发射强度与戊二醛浓度之间的关系曲线。图5为实施例5制备的各红色发光材料在以630nm激发时的荧光发射光谱，其中内插图为聚合物的发射强度与反应时间之间的关系曲线。图6为实施例6制备的各红色发光材料在以630nm激发时的荧光发射光谱，其中内插图为聚合物的发射强度与反应温度之间的关系曲线。图7为实施例7制备的红色发光纳米颗粒放大100，000倍后的颗粒透射电镜图像。图8为实施例8制备的红色发光材料在以630nm激发时的荧光发射光谱。图9为实施例9制备的红色 发光材料在以630nm激发时的荧光发射光谱。图10为实施例10制备的红色发光材料在以630nm激发时的荧光发射光谱。图11为实施例7制备的红色发光纳米颗粒与HeLa细胞共孵育后对细胞核(核仁)的标记图像。图12为实施例7制备的红色发光材料纳米颗粒(GCP NPs)在连续30分钟激光照射下采集到的光强漂白曲线。
具体实施例方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1、制备溶液形式的红色发光材料以质量浓度为0.5%的戊二醛水溶液为反应物，具体制备方法如下:在超声的条件下，将壳聚糖溶解到1.5% (v/v)的乙酸水溶液中，配置成质量浓度为2%的壳聚糖水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度即0.5%。取等体积的上述壳聚糖水溶液和戊二醛水溶液混合于反应容器中，得到的反应体系的PH值为4.19，该反应体系中，壳聚糖分子单元与戊二醛的摩尔比为1:0.5，戊二醛的质量百分含量为0.25%，壳聚糖的质量百分含量为1% ;超声20秒后于25°C下静置反应5小时，此时颜色不再变化，即得到溶液形式的产物。该实施例制备的产物在633nm激光激发下，可以呈现明亮的红色，如图1中的右图所示，其中左图为在自然光照射下的图像。实施例2、制备固态凝胶形式的红色发光材料以质量浓度为10%的戊二醛水溶液为反应物，具体制备方法如下:在超声的条件下，将壳聚糖溶解到1.5%(v/v)的乙酸水溶液中，配置成质量浓度为2%的壳聚糖水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度即10%。取等体积的上述壳聚糖水溶液和戊二醛水溶液混合于特定形状的容器中，得到的反应体系的PH值为3.93，该反应体系中，壳聚糖分子单元与戊二醛的摩尔比为1:10，戊二醛的质量百分含量为5%，壳聚糖的质量百分含量为1% ;超声20秒后于25°C下静置反应20小时，此时颜色不再变化，即得到固态凝胶形式的产物。该实施例制备的固体凝胶形式的产物在633nm激光激发下，可以呈现明亮的红色，如图2中的右图所示，其中左图为在自然光照射下的图像。实施例3、制备固体粉末形式的红色发光材料以质量浓度为10%的戊二醛水溶液为反应物，具体制备方法如下:在超声的条件下，将壳聚糖溶解到1.5%(v/v)的乙酸水溶液中，配置成质量浓度为2%的壳聚糖水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度即10%。取等体积的上述壳聚糖水溶液和戊二醛水溶液混合于特定形状的容器中，得到的反应体系的PH值为3.93，该反应体系中，壳聚糖分子单元与戊二醛的摩尔比为1:10，戊二醛的质量百分含量为5%，壳聚糖的质量百分含量为1% ;超声20秒后于25°C下静置反应20小时，此时颜色不再变化，即得到固态凝胶形式的产物，将上述产物冷冻干燥(_50°C真空条件下冷冻干燥2天)以后，即得到材料的固体粉末形式。该实施例制备的固体粉末形式的产物在633nm激光激发下，可以呈现明亮的红色，如图3中的右图所示，其中左图为在自然光照射下的图像。实施例4、以戊二醛为反 应物，不同浓度反应物反应制备材料:在超声的条件下，将壳聚糖溶解到1.5% (v/v)的乙酸水溶液中，配置成质量浓度为2%的壳聚糖水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度:2%、4%、6%、8%、10%、11%和12.5%。取等体积的上述壳聚糖水溶液和不同浓度的戊二醛水溶液分别混合，得到的各反应体系(均按戊二醛水溶液的浓度增大的顺序排列)的PH值分别为4.14、
4.11,4.04,3.99,3.93,3.90和3.89，壳聚糖分子单元与戊二醛的摩尔比分别为1:2、1:4、
1:6、1:8、1:10,1:11 和 I:12.5 ;戊二醛的质量百分含量分别为 1%、2%、3%、4%、5%、5.5% 和
6.25%,壳聚糖的质量百分含量为1% ;超声20秒后于25°C下静置反应10小时,直至颜色不再变化，得到不同的荧光材料。用荧光分光光度计测定不同浓度反应物反应所得的材料在630nm激发下的发射图谱，如图4所示，其中内插图为得到的材料的发射强度与戊二醛质量浓度之间的关系曲线，由该图可得知，该反应体系中通过调节戊二醛浓度，可以得到发光强度不同的聚合物；当戊二醛浓度为10%时，所得产物的发光强度最大。实施例5、以质量浓度为10%的戊二醛水溶液为反应物，不同反应时间制备发光材料:在超声的条件下，将壳聚糖溶解到1.5% (v/v)的乙酸水溶液中，配置成质量浓度为2%的壳聚糖水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度即10%。取等体积的上述壳聚糖水溶液和戊二醛水溶液混合，得到的反应体系的PH值为3.93，该反应体系中，壳聚糖分子单元与戊二醛的摩尔比为1: 10，戊二醛的质量百分含量为5%，壳聚糖的质量百分含量为1% ;超声20秒后于25°C下分别静置反应0.5小时、I小时、1.5小时、2小时、
2.5小时、3小时和3.5小时，得到不同的荧光材料。用荧光分光光度计测定不同反应时间得到的材料在630nm激发下的发射图谱，如图5所示，其中内插图为得到的材料的发射强度与反应时间之间的关系曲线，由该图可得知，在反应的最初阶段，反应速度较快，约2小时以后反应速度逐渐缓慢。实施例6、以质量浓度为10%的戊二醛水溶液为反应物，不同温度制备材料:在超声的条件下，将壳聚糖溶解到1.5% (v/v)的乙酸水溶液中，配置成质量浓度为2%的壳聚糖水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度即10%。取等体积的上述壳聚糖水溶液和戊二醛水溶液混合，得到的反应体系的PH值为3.93，该反应体系中，壳聚糖分子单元与戊二醛的摩尔比为1: 10，戊二醛的质量百分含量为5%，壳聚糖的质量百分含量为1% ;超声20秒后分别于25 °C、35 °C、45 °C、55 °C、65 °C、75 °C、85 °C和95 °C下静置反应20小时)，此时颜色不再变化，得到不同的荧光材料。用荧光分光光度计测定不同反应温度得到的材料在630nm激发下的发射图谱，如图6所示，其中内插图为得到的材 料的发射强度与反应温度之间的关系曲线，由该图可得知，在25°C 95°C的范围内，随反应温度的增大，所得产物的发光强度减小。实施例7、制备红色发光材料纳米颗粒以质量浓度为10%的戊二醛水溶液为反应物，具体制备过程如下:在超声的条件下，将壳聚糖溶解到1.5%(v/v)的乙酸水溶液中，配置成质量浓度为2%的壳聚糖水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度即10%。上述壳聚糖水溶液和戊二醛水溶液作为W/0型微乳液的水相备用。油相由曲拉通X-100、正辛醇和环己烷以体积比7:8:9混合组成，其中曲拉通X-100为表面活性剂，正辛醇为助表面活性剂，环己烷为溶剂。首先取SmL上述混合油相于15mL圆底烧瓶中，将烧瓶置于冰/水混合浴中，700rpm条件下磁力搅拌。然后各取ImL上述壳聚糖水溶液和戊二醛水溶液，迅速混合后加入到上述油相中继续在冰/水浴条件下搅拌5min。再将烧瓶置于5° C溶液中超声直到溶液变为透明状(通常不超过lOmin)，便形成了 W/0型微乳液。将烧瓶置于25° C下加速壳聚糖与戊二醛的交联反应，反应过程中伴随微乳液颜色由无色透明变为橙红色透明。反应20小时后颜色不再变化，配置乙醇/水混合溶液清洗，振荡超声5min，5000rpm离心IOmin后，溶液即分为水相和油相，纳米颗粒即分散在水相中。用水透析，彻底冷冻干燥后即得到粒径在5.6nm左右的纳米颗粒，如图7所示。该实施例制备的纳米颗粒的水分散溶液在以633nm激光激发时，呈现明亮的红光。实施例8、硫酸铵与戊二醛反应制备红色发光材料以质量浓度为10%的戊二醛水溶液和硫酸铵为反应物，具体制备方法如下:在超声的条件下，将硫酸铵溶解到1.75mM的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中(pH为3.75)，配置成质量浓度为0.66%的硫酸铵水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度即10%。取等体积的上述硫酸铵水溶液和戊二醛水溶液混合于反应容器中，得到的反应体系的pH值为3.79，该反应体系中，硫酸铵与戊二醛的摩尔比为1:20，戊二醛的质量百分含量为5%，硫酸铵的质量百分含量为0.33% ;超声20秒后于20°C下静置反应10小时，此时颜色不再变化，即得到硫酸铵与戊二醛反应的产物。用荧光分光光度计测定所得产物在630nm激发下的发射图谱，如图8所示，由该图可得知，所得产物在630nm激发下可以在670nm处有发射。实施例9、甲胺与戊二醛反应制备红色发光材料以质量浓度为10%的戊二醛水溶液和甲胺为反应物，具体制备方法如下:在超声的条件下，将市售的30%的甲胺水溶液混合于1.75mM的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中(pH为
3.75)，配置成质量浓度为1.1%的甲胺水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度即10%。取等体积的上述甲胺水溶液和戊二醛水溶液混合于反应容器中，得到的反应体系的PH值为4.00，该反应体系中，甲胺与戊二醛的摩尔比为1:10，戊二醛的质量百分含量为5%，甲胺的质量百分含量为0.55% ;超声20秒后于20°C下静置反应10小时，此时颜色不再变化，即得到甲胺与戊二醛反应的产物。用荧光分光光度计测定所得产物在630nm激发下的发射图谱，如图9所示，由该图可得知，所得产物在630nm激发下可以在670nm处有发射。实施例10、亮氨酸与戊二醛反应制备红色发光材料以质量浓度为10%的戊二醛水溶液和亮氨酸为反应物，具体制备方法如下:在超声的条件下，将亮氨酸溶解到1.75mM的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中(pH为3.75)，配置成质量浓度为0.70%的亮氨酸水溶液。用水将市售的50%的戊二醛水溶液稀释到所需浓度即10%。取等体积的上述亮氨酸水溶液和戊二醛水溶液混合于反应容器中，得到的反应体系的pH值为3.84，该反应体系中，亮氨 酸与戊二醛的摩尔比为1:10，戊二醛的质量百分含量为5%，亮氨酸的质量百分含量为0.35% ;超声20秒后于20°C下静置反应10小时，此时颜色不再变化，即得到亮氨酸与戊二醛反应的产物。用荧光分光光度计测定所得产物在630nm激发下的发射图谱，如图10所示，由该图可得知，所得产物在630nm激发下可以在670nm处有发射。实施例11、红色发光材料纳米颗粒用于细胞标记取实施例7制备的纳米颗粒与HeLa细胞共培养约50min后(纳米颗粒的最终浓度为25 y g/mL)，置于激光共聚焦显微镜下进行观察纳米颗粒在细胞中的位置，如图11所示。结果表明，发光纳米颗粒大部分标记到了细胞核的核仁部位。由此可见红色发光纳米颗粒可以作为细胞标记试剂特异性的标记到细胞核部位。在上述的激光强度连续照射下，同时考察了纳米颗粒的光漂白性能，如图12所示，结果表明，本发明的纳米颗粒有良好的抗漂白性能。
权利要求
1.一种红色发光材料的制备方法，包括如下步骤: 在酸性条件下，戊二醛和含氨基化合物在水中经缩合反应即得所述红色发光材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述酸性条件的pH值为3.(Te.5。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于:所述含氨基化合物与所述戊二醛的摩尔比为1:0.01 20。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于:进行所述缩合反应的体系中，所述戊二醛的质量百分含量为0.019T10%，所述含氨基化合物的质量百分含量为0.01% 20%。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于:所述缩合反应的温度为IO0C 95°C，时间为I小时 20小时。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于:所述含氨基化合物为氨基糖、无机铵盐、有机胺或生物胺。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于:所述方法还包括如下步骤:向所述水中加入油相得到W/0型微乳液，所述戊二醛和所述含氨基化合物在所述W/0型微乳液中经缩合反应得到红色发光材料纳米颗粒； 所述油相由曲拉通X-100、正辛醇和环己烷组成。
8.权利要求1-7中任一项所述方法制备的红色发光材料。
9.根据权利要求8所述的红色发光材料，其特征在于:所述红色发光材料的红光激发波段为450nnT650nm,最大发射波长为670nm。
10.权利要求8或9所述的红色发光材料在生物标记、光电材料和制备光电材料中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种红色发光材料及其制备方法与应用。该方法包括如下步骤在酸性条件下，戊二醛和含氨基化合物在水中经缩合反应即得所述红色发光材料。本发明提供的红色发光材料，在溶液、悬浮液、凝胶团块或固态粉末下均可被激发并发射红光，激发波段在450~650nm之间，最大中心发射波长在670nm附近。当用630nm激光激发时，可获得650~720nm的明亮红光。本发明提供的红色发光材料，在溶液、悬浮液、凝胶团块或固态粉末下均可被激发并发射红光，激发波段在450~650nm之间，最大中心发射波长在670nm附近。当用630nm激光激发时，可获得650~720nm的明亮红光。
文档编号C09K11/06GK103087217SQ20131000922
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月10日 优先权日2013年1月10日
发明者陈义, 王珂 申请人:中国科学院化学研究所