溫敏性熒光納米材料的合成

1、溫敏性熒光納米材料的合成仲慧 李康 徐繼明 張莉莉 張維光 趙宜江 張貴方(江蘇省低維材料化學(xué)重點實驗室、淮陰師范學(xué)院化學(xué)系 淮安 223300江蘇省教育廳自然科學(xué)基金(04KJB150016、江蘇省自然科學(xué)基金(BK 2006061、江蘇省低維材料化學(xué)重點實驗室開放課題(JSKC06029資助.2006-08-09收稿,2007-02-14接受摘 要 合成了以熒光材料羅丹明B P Si O 2為核,交聯(lián)聚N -異丙基丙烯酰胺(PNIPAM為殼的具有核P 殼結(jié)構(gòu)的納米顆粒。用氫氟酸除去二氧化硅模板核后,形成了核殼結(jié)構(gòu)的溫敏熒光微球。2836e 范圍內(nèi)的溫敏性實驗表明,該粒子的低臨界溶解溫度(L

2、CST為33e ,具有溫敏性,用SEM 、TEM 、XRD 、FT -IR 等手段對溫敏熒光微球的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和分析,探討了磁性溫敏納米顆粒的制備機(jī)理。關(guān)鍵詞 溫敏 核殼 納米顆粒 羅丹明BSynthesis of Thermosensitive Fluorescence NanoparticlesZhong Hui,Li Kang,Xu Jiming,Zhang Lili,Zhang Weiguang,Zhao Yijiang,Zhang Guifang(Jiangsu Key Laboratory for Chemistry of Low -Dimensional Material

3、s,Departmen t of Chemistry,Huai yin Teachers College,Huaian 223300Abstract Novel thermosensitive fluorescence nanoparticles are synthesized.Firstly,the core -shell compositemicroparticles were synthesized by precipitation polymerization with Rhodami ne B entrapped SiO 2as core and cross -li nkedpoly

4、(N -isopropylacrylamide(PNIPAMas shell.Then,the SiO 2core was etched by hydrofluoric acid at certain conditionand the pre -trapped Rhodamine B molecules remained within the inner cavi ty.It has been also shown that the modifiedRhodami ne B are featured by lower critical solution temperature (LCSTwhi

5、le the temperature varies from 28e to 36e .The composite thermosensitive fluorescence particles were characterized by XRD,SEM,TE M and FT -IR.Key wordsThermoseniti ve,Core -shell,Nanoparticles,Fluorescen-t label,Rhodamine B,Poly (N -isopropylacrylamide環(huán)境敏感水凝膠,能感知并響應(yīng)外界刺激(如溫度、溶劑、pH 、離子濃度、紫外-可見光、應(yīng)力、電場和

6、特異分子和離子等的微小變化,產(chǎn)生可逆的不連續(xù)體積變化,在物料分離、固定化酶、免疫分析以及藥物控制釋放等方面應(yīng)用前景廣闊1,2。聚N -異丙基丙烯酰胺(PNIPAM,是一種具有溫度敏感性的聚合物。Fujishige 等3報道,其低臨界溶解溫度為32e 左右。Pelton 等4報道的基于PNIPAM 的水凝膠微粒是以NIPAM 為單體,N ,N c -亞甲基雙丙烯酰胺(MB A為交聯(lián)劑采用無皂乳液聚合方法合成的。反應(yīng)必須在高于線性PNIPAM 的低臨界溶解溫度(LCST,約32e 條件下進(jìn)行,以便增長的PNIPAM 鏈發(fā)生相分離形成膠體粒子。聚(N -異丙基丙烯酰胺水凝膠,是迄今為止研究最多的熱響

7、應(yīng)性聚合物給藥系統(tǒng)。Hoffman 等5通過改變溫度,發(fā)現(xiàn)P NI PAM 水凝膠能可逆地吸收或釋放維生素B 12。Okano 等6以NIPAM 與甲基丙烯酸丁酯(BMA共聚合合成Poly (NIPAM -co -B MA共聚物水凝膠,作為吲哚美辛(Indomethacin藥物的載體,當(dāng)溫度在2030e 之間交替變化時,水凝膠體系可開關(guān)式地控制藥物釋放。.最近Hsihe 等7用PNIPAM水凝膠納米粒子包囊腎上腺素,與水配成治療青光眼的滴眼劑,其眼內(nèi)減壓效果是常用藥的8倍。筆者8,9曾合成了PNIPAM 類水凝膠,研究了它們的溶脹性能及其對生物大分子的萃取分離性能;以N -異丙基丙烯酰胺為單體

8、合成了溫敏性超細(xì)微粒,研究了其對維生素B 2注射液和鹽酸普魯卡因的吸附量隨溫度的變化,在低于LCST時吸附藥物而在高于LCST時釋放藥物。PNIPAM超細(xì)顆粒有可能作為控制藥物釋放的智能載體。熒光標(biāo)記技術(shù)10是利用熒光物質(zhì)通過物理或化學(xué)作用與待測組分結(jié)合,使待測組分轉(zhuǎn)化為熒光物質(zhì),再經(jīng)過熒光檢測而獲得被測組分的定性或定量信息。它作為一種非放射性的標(biāo)記技術(shù)受到廣泛重視,并取得迅速發(fā)展。如將熒光標(biāo)記生物分子用于細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的檢測1114;核酸的雜交與測序15,16;疾病早期診斷17等。將溫敏性和熒光性相結(jié)合,制備和研究具有溫敏和熒光雙重響應(yīng)或多重響應(yīng)的高分子微粒,對拓寬它們在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究等的應(yīng)

9、用領(lǐng)域有著重要的現(xiàn)實意義。本文采用沉淀聚合的方法制備了溫敏性熒光納米材料:首先采用微乳液方法中的油包水(W P O微乳液方法制備熒光材料羅丹明B微乳液,然后通過硅烷化試劑在微乳液中水解形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅殼包裹羅丹明B,制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的納米顆粒,接著用甲基丙烯酰(3-三甲氧基硅烷丙酯(MPS為偶聯(lián)劑改性羅丹明B P SiO2顆粒表面,再交聯(lián)上聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM為殼合成了復(fù)合型核P殼結(jié)構(gòu)的粒子,最后用氫氟酸除去二氧化硅模板核,制得具有核殼結(jié)構(gòu)的溫敏熒光微球。采用熒光分光光度計,XRD和SEM等對聚合物微粒的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和分析,探討了制備具有核殼結(jié)構(gòu)的納米顆粒的成核機(jī)理

10、和包殼方法。1實驗部分111試劑與儀器11111試劑環(huán)己烷;TritonX-100:上海凌蜂化學(xué)試劑有限公司;正硅烷乙酯(TEOS:上海凌蜂化學(xué)試劑有限公司,分析純,SiO2質(zhì)量百分含量不低于28%,密度為01933g P mL;N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA:甲醇溶液中重結(jié)晶純化;N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM:美國ACROS ORGAN ICS公司;N,N c-異甲基雙丙烯酰胺(BIS:美國AC ROS ORGAN ICS公司;甲基丙烯酸-3-(三甲氧基硅基丙酯(MPS:美國ACROS ORGAN IC S公司;正己醇、羅丹明B(天津市吉帝化工廠;氨水、無水乙醇、過硫酸銨、氫氧化鈉等均為

11、分析純。11112儀器UV P Vis-916型紫外P可見光譜儀(GB C,澳大利亞;LS-55型熒光光譜儀(美國PE公司; ARL P X P TRA型X射線衍射儀(ARL公司,瑞士;S-3000N型掃描電子顯微鏡(HI TAC HI,日立;透射電鏡(日本電子JE OL-2100;濁度儀(HAC H,2100N,美國。112實驗步驟11211核殼納米顆粒的制備按Stober合成法18,19,將環(huán)己烷、表面活性劑TritonX-100和正己醇按一定比例(體積比4P1P1混合均勻,加入適量的水作為分散相,攪拌5min后,形成透明且性質(zhì)穩(wěn)定的油包水微乳液,加入適量的羅丹明B,攪拌1h,完成核殼納米

12、顆粒的成核,再將硅烷化試劑(TEOS和氨水按一定的體積比加入到微乳液體系中,連續(xù)攪拌24h。在氨水的催化下,TE OS逐漸水解,生成Si(OH4沉淀并在納米反應(yīng)池中發(fā)生縮聚反應(yīng)形成納米顆粒。所得的粒子用過量MPS進(jìn)行修飾20,然后通過多次無水乙醇離心和分離,羅丹明B P SiO2用二次蒸餾水進(jìn)行分散,使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為015%。11212SiO2-PNIP AM核殼粒子的合成用含量為015%的上述MPS改性的羅丹明B P SiO2粒子水分散液作為種子,NIPAM作為單體,MBA作為交聯(lián)劑,過硫酸銨作為引發(fā)劑,具體用量為:30g的上述羅丹明B P SiO2中加入溶有NI PAM P MBA為6P1的

13、水溶液510mL,在70e保溫通氮?dú)夥磻?yīng)015h后,加入溶有01007g 的過硫酸銨,在70e保溫反應(yīng)4h,得到核殼結(jié)構(gòu)粒子,經(jīng)分離除去溶解在水中的水溶性聚合物和殘余單體。在所得純凈的核殼結(jié)構(gòu)粒子中加入20%的氫氟酸溶液,室溫反應(yīng)4h,裝入透析袋中透析,直到水分散液pH6,最后得到溫敏性熒光微球的水分散液。2結(jié)果與討論211溫敏性熒光納米顆粒的表征21111紅外光譜分析圖1(a(e分別是SiO2、NIPAM、羅丹明B、羅丹明B P SiO2及羅丹明B P PNIPAM的紅外光譜圖。圖1(d中,在33003000cm-1、1,6501620cm-1之間均有一個強(qiáng)吸收峰,指認(rèn)為C C 雙鍵的吸收峰

14、,與圖1(b比較,在31003000cm-1之間的吸收峰已經(jīng)消失,而與圖1(a比較,900 1100cm-1出現(xiàn)硅酸鹽吸收峰,說明SiO2已經(jīng)包覆;與圖1(a、(b、(c比較,圖1(e中的硅酸鹽吸收峰消失,在16501620cm-1之間出現(xiàn)酰胺基團(tuán)的吸收峰,說明SiO2已經(jīng)除去。產(chǎn)物為羅丹明B P PNIPAM 納米顆粒。 圖1溫敏性熒光納米顆粒的紅外光譜圖Fig.1I R spectra of thermosens itive fluorescene nanoparticles21112XRD的測定以羅丹明B為核的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的X射線衍射圖如圖2所示。從圖中可以看出,羅丹明B表面包覆Si

15、O2后(圖2(c,2H12b及16b左右的衍射峰發(fā)生了一定的位移,而22b之后的衍射峰全部消失,這是被無定型SiO2的包峰掩蓋所致;羅丹明B P SiO2P PNIPAM納米顆粒的衍射峰(圖2 (d與前者相似,微小差別在于2H22b附近的衍射峰略有加強(qiáng),這可能是由于表面包覆PNIPAM引起的;而在圖2(e中,無定型SiO2的包峰基本消失,同時可見羅丹明B及PNIPAM的衍射峰,說明氫氟酸溶液可以較好的洗脫SiO2,形成了羅丹明B P PNIPAM納米顆粒。表1列出了羅丹明B的X射線衍射角度和強(qiáng)度,與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)吻合;表2為以羅丹明B為核的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的X射線衍射角的比較。比較表1和表

16、2,羅丹明B的衍射角度和強(qiáng)度都發(fā)生了變化,說明熒光材料羅丹明B的外層包覆了SiO2和PNIPAM后對羅丹明B的X射線衍射造成了一定的影響。 圖2 溫敏性熒光納米顆粒的XRD 譜圖Fig.2 XRD spectra of thermososensitive fluorescence nanoparticles表1 羅丹明B 的X 射線衍射角度和強(qiáng)度2H P (b 12115161191717618178191782111421182221722412328140弧度P a.u.3010001010108020501070表2 以羅丹明B 為核的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的X 射線衍射角比較物質(zhì)2H P (

17、b 羅丹明B P SiO 214101615181520182117羅丹明B P SiO 2P P NIPA M13191618171920192117羅丹明B P PNIPA M 1319161818132110221121113 溫敏性熒光納米顆粒的形貌 圖3為所制備的羅丹明B P SiO 2熒光納米顆粒的掃描電子顯微鏡照片。通過掃描電鏡可以看出,羅丹明B P SiO 2(圖3a納米顆粒的形狀為圓形,大小約為300nm,分散效果較好,說明SiO 2對羅丹明B 具有很好的包裹作用,采用油包水微乳液法與正硅酸乙酯(TEOS水解方法相結(jié)合,可以在室溫下制備出非常均勻的熒光納米顆粒;羅丹明B P

18、PNIPAM 納米顆粒(圖3b已不再是規(guī)則的球形,而且表面也沒有羅丹明B P SiO 2納米顆粒的光滑,有明顯的粘連,說明核的外面包了一層溫敏高分子材料。將羅丹明B P SiO 2P PNIPAM 納米粒子用TEM 觀察,結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,形成的羅丹明 (a及羅丹明B P PNIPAM(b納米粒子的掃描電鏡照片(b圖3羅丹明B P SiO2(aand Rhodam ine B P PNI PAM(bnanoparticlesFig.3SEM photo of Rhodamina B P S iO2B P SiO2P PNIPAM納米粒子(圖4a中,羅丹明B P SiO2處于復(fù)合粒

19、子中央(核,外表面有一層淺色的PNIPAM殼。用氫氟酸水溶液浸泡羅丹明B P SiO2P PNIPAM納米粒子除去SiO2后,得到較透明的羅丹明B P PNIPAM納米粒子(圖4(b。 圖4羅丹明B P SiO2P PNI PAM(a及羅丹明B P PNI PAM納米粒子的透射電鏡照片(bFig.4T EM photos of Rhodamina B P SiO2(aand Rhodamine B P PNI PAM(bnanop articles212熒光納米顆粒的熒光檢測用不同的激發(fā)波長測量熒光染料羅丹明B乙醇溶液、包有SiO2的熒光納米材料和溫敏性熒光納米材料的熒光發(fā)射光譜,如圖5所示。

20、結(jié)果表明,熒光染料水溶液的熒光發(fā)射光譜的最大發(fā)射波長在360nm;熒光納米顆粒與溫敏性熒光納米顆粒的熒光發(fā)射光譜的最大發(fā)射波長都在365nm,幾乎沒有移動。說明羅丹明B P PNI PAM納米粒子具有熒光特性。213溫敏性熒光納米顆粒的溫敏性圖6是在水介質(zhì)中,羅丹明B P PNIPAM納米粒子的濁度圖。從圖中可以看出,溫敏性熒光納米粒子在水溶液中的濁度隨著溫度的升高而增大,在33e時有一突躍,當(dāng)溫度低于33e時,微粒溶脹度高,吸水量大,而呈透明狀;當(dāng)溫度大于等于33e時,微粒溶脹度低,釋放出所吸收的水分,其濁度增加。33e 即為溫敏性熒光納米粒子的低臨界溶解溫度(LCST,說明合成的羅丹明B

21、P PNIPAM納米粒子具有溫敏性。 # 546 # 化學(xué)通報 第 2007 年 第 7 期 http:P www. hxtb. org P 圖5 熒光納米材料的熒光光譜 Fig. 5 The fluorescence spectra of fluorescence nanoparticles 激發(fā)波長 a: 310nm; b: 300nm; c: 290nm 3 結(jié)論 采用沉淀聚合法合成了較為均勻的羅丹明 BP PNIPAM 核 殼溫敏性熒光納米粒子, 采用 SEM、 TEM、 XRD 和熒光分光光 度計等對其進(jìn) 行了表征, 用目測法和濁 度法測定了其 溫敏 性。結(jié)果表明, 所合成的核殼溫敏

22、性熒光納米粒子同時具有 溫敏和熒光特性, 其低臨界溶解溫度( LCST 約為 33 e 。 參 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 考 文 獻(xiàn) 圖6 羅丹明 B PNIPAM 納米粒子的濁度圖 P Turbidity of Rhodamine B PPNIPAM nanoparticles 翟茂林, 哈鴻飛. 大學(xué)化學(xué), 2001, 16( 5 : 22 27. 黃健, 王小琳, 陳秀珍 等. 高分子材料科學(xué)與工程, 2001, 17( 6 : 35 39. S K Fujishige, K Ubota, I Ando. J.

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