改善纳米材料水溶性的方法及改善水溶性后的多功能纳米材料

摘要

本发明公开了一种改善纳米材料水溶性的方法，包括如下步骤：S10、将纳米颗粒溶于有机溶剂中，制得溶液A；S20、向溶液A中加入氧化石墨烯的衍生物溶液，并混合均匀得溶液B；S30、将溶液B中的水相层进行离心分离后，所得固体用水清洗后烘干制得水溶性改善后的多功能纳米材料。通过本发明的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料，具有良好的水溶性和多功能性，在极性溶剂与和生物缓冲液中不容易团聚，并且毒性比较低，因此不会对生物体产生危害。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料，尤其涉及一种改善纳米材料水溶性的方法及由该方法改善水溶性后的多功能纳米材料。

背景技术

无机纳米粒子是指微观结构在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的各种超微细颗粒，比如量子点（QDs）、纳米金颗粒（AuNPs）、上转换荧光纳米粒子(UCNPs)、四氧化三铁磁性纳米颗粒(Fe₃O₄)等。和宏观的体材料相比，纳米粒子具有独特的量子效应、小尺寸效应、表面效应以及宏观量子效应，从而展现出许多尺寸依赖的光、声、电、磁、热等优异的性能，使得其在催化、电子、光学、传感、生物、医学、材料、国防等领域具有十分广泛的应用前景。到目前为止，人们已经采用的制备纳米粒子的方法有：共沉淀法、物理研磨法、溶胶-凝胶法、溶剂热法、热分解法、微乳液法等等。

但是在可以合成粒径较小并且性能较好的方法中，使用比较多的溶剂都是有机溶剂，因而得到的都是疏水性的纳米粒子，无法满足其在生物领域的应用。在已报道的合成方法中，许多文献都会对纳米粒子的表面结构进行一定的修饰，提高纳米粒子的活性，改善纳米粒子的分散性、表面活性、功能性以及与其他物质之间的相容。修饰的途径主要是采用二氧化硅及一些亲水性的分子、聚合物（如巯基丙酸、硫代乙醇酸、聚丙烯酸、聚乙二胺、聚乙二醇等等）和生物分子（如氨基酸、多肽等）修饰纳米粒子表面，以增强粒子在极性溶剂中的分散性。然而，目前使用的这些方法所得到的粒子在极性溶剂和生物缓冲液中比较容易团聚，并且这些聚合物也比较昂贵，且有些聚合物毒性比较大。于此同时，如何把各种功能的纳米粒子集合于一体得到具有多功能的纳米复合材料，在制备方法上仍然值得改进和创新。

发明内容

本发明旨在提供一种改善纳米材料水溶性的方法，通过此方法改善水溶性后的多功能纳米材料在极性溶剂和生物缓冲液中不容易团聚，并且毒性小。

本发明的技术方案如下：

一种改善纳米材料水溶性的方法，包括如下步骤：

S10、将纳米颗粒溶于有机溶剂中，制得溶液A；

S20、向溶液A中加入氧化石墨烯的衍生物溶液，并混合均匀得溶液B；

S30、将溶液B中的水相层进行离心分离后，所得固体用水清洗后烘干制得水溶性改善后的纳米材料。

本发明还涉及由所述的方法改善水溶性后的纳米材料。

通过本发明的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料，具有良好的水溶性和多功能性，在极性溶剂与和生物缓冲液中不容易团聚，并且毒性比较低，因此不会对生物体产生危害。

附图说明

图1(a)、图1(b)为由实施例1的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料在二次蒸馏水中的溶解情况的图片，此图是在980nm激光器的照射下的图片，其中图1(a)是在明场下的照片，图1(b)是在暗场下的照片，从图1(a)中可以看出，通过实施例1的方法改善水溶性后的上转换纳米粒子在二次蒸馏水中具有良好的水溶性，没有团聚现象，从图1(b)可以看出，通过实施例1的方法改善水溶性后的上转换纳米粒子仍然保留着荧光性能；

图1(c)、图1(d)为由实施例1的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料在磷酸盐缓冲液（PBS）的溶解情况的图片，此图是在980nm激光器的照射下的图片，其中图1(c)是在明场下的照片，图1(d)是在暗场下的照片，从图1(c)中可以看出，通过实施例1的方法改善水溶性后的上转换纳米粒子在生物缓冲液中具有良好的分散性，没有团聚现象，从图1(d)可以看出，通过实施例1的方法改善水溶性后的上转换纳米粒子仍然保留着荧光性能；

图2(a)、图2(b)是实施例3中的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料在二次蒸馏水中的溶解情况的图片，图2(a)是在明场下的照片，从图2(a)中可以看出，通过实施例1的方法改善水溶性后的上转换纳米粒子在二次蒸馏水中具有良好的水溶性，图2(b)是在容器中放入了磁铁情况下在明场下的照片，由于改善水溶性的纳米材料被磁铁吸附，因此溶液呈现无色透明状，从图2(b)可以看出通过本发明的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料具有磁性；

图2(c)、图2(d)是实施例3中的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料在磷酸盐缓冲液（PBS）中的溶解情况的图片，图2(c)是在明场下的照片，从图2(c)中可以看出，通过实施例1的方法改善水溶性后的上转换纳米粒子在生物缓冲液中具有良好的分散性，图2(d)是在容器中放入了磁铁情况下在明场下的照片，由于改善水溶性的纳米材料被磁铁吸附，因此溶液呈现无色透明状，从图2(d)可以看出通过本发明的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料具有磁性；

图3(a)、图3(b)是实施例4中的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料在二次蒸馏水中的溶解情况的图片，图3(a)是在980nm激光器照射情况下明场下的照片，从图3(a)可以看出本发明改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料在二次蒸馏水中具有良好的水溶性，没有团聚现象，图3(b)是在980nm激光器照射情况下，并且在容器中加入了磁铁情况下的暗场照片，从此图可以看出通过本发明的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料具有磁性、荧光性能；

图3(c)、图3(d)是实施例4中的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料在磷酸盐缓冲液（PBS）中的溶解情况的图片，图3(c)是在980nm激光器照射情况下明场下的照片，从图3(c)可以看出本发明改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料在生物缓冲液中具有良好的分散性，没有团聚现象，图3(d)是在980nm激光器照射情况下，并且在容器中加入了磁铁情况下的暗场照片，从此图可以看出通过本发明的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料具有磁性、荧光性能；

图4是实施例1中改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的上转换荧光纳米粒子的荧光性能曲线，其中横坐标是波长，纵坐标是荧光强度，下面一条线是通过实施例1中的方法改善纳米材料水溶性后的纳米材料的曲线，上面一条线是实施例1中改善水溶性前的上转换荧光纳米粒子的曲线，从图中可以看出，本发明的改善纳米材料水溶性的方法对纳米材料的荧光淬灭率相对较低；

图5中GO-Fe₃O₄线是实施例3中改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后的纳米材料的磁性能曲线，Fe₃O₄线是未改善水溶性的Fe₃O₄纳米材料的磁性能曲线，其中横坐标是磁场强度，纵坐标是磁力矩；从图中可以看出，本发明的改善纳米材料水溶性的方法仍能保留Fe₃O₄纳米颗粒的超顺磁性能；

图6是实施例1中表征实施例3中的改善纳米材料水溶性的方法改善水溶性后得到的纳米材料的细胞毒性的曲线，其中纵坐标是细胞存活率，从图中可以看出，本实施例得到的改善水溶性后的纳米材料在浓度2μg/ml及10μg/ml时细胞的存活率均较高，因此，细胞毒性均较低。图中，GO代表氧化石墨烯材料，f-GO代表用含有氨基的有机小分子或含有氨基的聚合物或含有氨基的生物分子修饰的氧化石墨烯，即氧化石墨烯的衍生物，GO-UCNPs代表氧化石墨烯衍生物和上转换纳米材料的复合物，三种材料的细胞毒性均较低，说明以石墨烯为基础的材料具有很好的生物相容性，在生物领域具有很好的应用前景。

具体实施方式

参见图7，一种改善纳米材料水溶性的方法，包括如下步骤：

S10、将纳米颗粒溶于有机溶剂中，制得溶液A；

S20、向溶液A中加入氧化石墨烯的衍生物溶液，并混合均匀得溶液B；

S30、将溶液B中的水相层进行离心分离后，所得固体用水清洗后烘干制得水溶性改善后的纳米材料。

通过本发明的改善纳米材料水溶性的方法改善后的纳米材料具有如下优点：

(1)本发明所提供的方法简单、有效、易行，通过简单的超声与搅拌，即可得到水溶性非常好的多功能纳米复合材料。并且得到的多功能纳米复合材料在具有生物相容性的多种溶液及缓冲液中具有良好的分散性。

(2)得到的多功能纳米复合材料具有比较低的毒性，因此不会对生物体产生危害。

(3)用本发明能够将各种功能纳米材料同时负载到氧化石墨烯的衍生物表面，得到具有多功能的纳米复合材料。

(4)用氧化石墨烯的衍生物作为相转移的载体，其有效负载量最大可以达到1600%。

(5)用本发明的方法将纳米材料转移到水相之后，在相同的条件下，纳米材料自身的性能仍然被保留。

(6)使用本发明的方法制备得到的多功能纳米复合材料具有良好的亲水性、多功能性和细胞毒性低，克服了纳米粒子在生物相容性方面亲水性差、功能少、细胞毒性大等缺点。因此在在生物标记、生物检测、生物成像、以及疾病治疗等领域有潜在的广泛应用。

优选的，所述的氧化石墨烯的衍生物为在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的催化作用下，氧化石墨烯与含有氨基的有机小分子或含有氨基的聚合物或含有氨基的生物分子反应生成的氧化石墨烯衍生物。

优选的，为了能够对纳米颗粒的水溶性更好的改善，纳米颗粒与氧化石墨烯衍生物的质量比为1:(0.06-10)。

优选的，为了能够使纳米颗粒更好的溶于有机溶剂中，所述有机溶剂为环已烷或氯仿。

优选的，为了能够使纳米颗粒更好的溶于有机溶剂中，步骤S10中纳米颗粒与有机溶剂的使用量的质量体积比g/l(质量单位为g，体积单位为升)为(0.1-3)：1。

优选的，所述纳米材料为上转换荧光纳米粒子或四氧化三铁纳米粒子。

优选的，为了能够使纳米颗粒更好的溶于有机溶剂中，所述将纳米颗粒溶于有机溶剂的方法为将纳米颗粒置于有机溶剂中，超声处理5分钟-30分钟使纳米颗粒溶解。

优选的，为了使氧化石墨烯溶液能够与溶液A更好的混合，步骤S20中所述的混合方法为用振荡仪震荡或用搅拌装置搅拌条件下混合，混合时间为40秒-480秒。

优选的，为了使水溶性改善后的纳米材料能够从水相层中更好的分离，步骤S30中所述离心分离的离心机的转速为14800转/分钟-20000转/分钟。

本发明还涉及由所述的方法改善水溶性后的纳米材料。

本发明所述的氧化石墨烯的衍生物可以采用如下方法制备，当然也可以采用本发明中未提到的其它方法制备：

将10mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液和10mL浓度为10mg/mL的含有氨基的分子、聚合物或者生物分子溶液至于50mL的烧瓶中，超声10分钟。之后称取20mgEDC[1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐]固体加入到上述体系中，超声60分钟。另称取280mgEDC［1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐］固体加入到上述体系中，搅拌反应24小时。待反应结束后，将氧化石墨烯的衍生物离心出来，并用水清洗数次，最后分散到水中，置于4℃环境中保存，待用。

本发明所述的上转换荧光纳米粒子可以采用如下两种方法之一制备：

(1)采用油酸（Oleic acid）及十八烯（Octadecylene）为溶剂，稀土氯化盐为反应物进行热解反应：

称取YCl₃·XH₂O、YbCl₃·XH₂O及ErCl₃·XH₂O总共1mmol（YCl₃·XH₂O、YbCl₃·XH₂O及ErCl₃·XH₂O的摩尔比为80:18:2或78:20:2），并加入2mL甲醇中，超声溶解。另将6mL油酸和15mL十八烯混合于50mL烧瓶中，将上述甲醇溶液倒入次混合液中，加热至125℃并搅拌，待使其溶解并形成均匀透明的溶液后降温至室温。将2.5mmol NaOH和4mmolNH₄F溶于6mL甲醇中，超声溶解，用恒压滴液漏斗缓慢滴入上述体系中。加完之后，将烧瓶至于125℃的加热套中加热60min，目的为将甲醇挥发完全（此步骤非常重要，甲醇挥发完全与否影响反应最终产物能否发光）。待甲醇挥发完全之后，插入冷凝管，除去空气，通冷凝水和氩气，恒温至300℃左右并搅拌，反应时间为1h。待反应结束温度下降后，将体系中的粒子离心出来并使用乙醇或水清洗数次，烘干，收集粉末备用。

(2)采用油酸（oleic acid）及乙醇（ethanol）为溶剂，稀土硝酸盐为反应物进行水热反应：

移取Y(NO₃)₃·XH₂O、Yb(NO₃)₃·XH₂O、Er(NO₃)₃·XH₂O和MnCl₂总共1mmol（Y(NO₃)₃·XH₂O、Yb(NO₃)₃·XH₂O、Er(NO₃)₃·XH₂O和MnCl₂的摩尔比为40:18:2：30或38:20:2：30）,总体积为5mL，搅拌均匀。之后将该混合溶液加入到已经搅拌均匀的含有0.3000g氢氧化钠，1.5mL二次水，5mL乙醇和5mL油酸的混合体系中，搅拌30min后，向其中加入2mL NaF水溶液（2mol/L）,搅拌均匀后,将它们转移到聚四氟乙烯反应釜中,升温至200℃温度，反应6h。待反应结束温度下降后，将体系中的粒子离心出来并使用乙醇或水清洗数次，烘干，收集粉末备用。

本发明所述的四氧化三铁磁性纳米粒子可以采用如下方法制备：

采用油酸及油胺为溶剂，乙酰丙酮铁(Fe(acac)₃)为铁原制备四氧化三铁纳米颗粒：

称取0.5060g Fe(acac)₃溶于20mL无水乙醇中，搅拌溶解。另取6mL油酸和6mL油胺混合于上述体系中，继续搅拌30min。之后转移到45mL聚四氟乙烯反应釜中，升温至220℃，反应6小时。待反应结束温度下降后，将体系中的粒子离心出来并使用乙醇和水清洗数次，烘干，收集粉末备用。

下面以上转换荧光纳米粒子和四氧化三铁磁性纳米粒子为例，给出几个具体的实施例，本发明同样适用于除了上转换荧光纳米粒子和四氧化三铁磁性纳米粒子以外的其它纳米材料的相转移，并且相转移后同样能使多功能的纳米复合材料获得好的水溶性、较低的毒性和多功能性。

实施例1

称取上转换荧光纳米粒子1mg，加入到1mL氯仿中，制得上转换荧光纳米粒子溶液。然后超声处理10分钟直至上转换荧光纳米粒子完全溶解于所述有机溶剂中，加入1mL氧化石墨烯的衍生物溶液，浓度为0.2mg/ml。然后将所述的溶液置于振荡器上震荡1分钟。震荡结束后，分离出水相层。将水相层的溶液在离心机转速14800转/分钟的转速下离心处理，离心处理后得到的多功能纳米复合材料用去离子水清洗一次后烘干，收集粉末。此多功能纳米复合材料具有荧光性能和良好的水溶性，并且具有比较低的毒性，因此不会对生物体产生危害。

实施例2

称取上转换荧光纳米粒子3mg，加入到1mL环己烷中，制得上转换荧光纳米粒子溶液。然后超声处理10分钟直至上转换荧光纳米粒子完全溶解于所述有机溶剂中，加入1mL氧化石墨烯的衍生物溶液，浓度为0.18mg/ml。然后将所述的溶液置于振荡器上震荡1分钟。震荡结束后，分离出水相层。将水相层的溶液在离心机转速14800转/分钟的转速下离心处理，离心处理后得到的多功能纳米复合材料用去离子水清洗一次后烘干，收集粉末。此多功能纳米复合材料具有荧光性能和良好的水溶性，并且具有比较低的毒性，因此不会对生物体产生危害。

实施例3

称取四氧化三铁磁性纳米粒子0.8mg，加入到1mL氯仿中，制得四氧化三铁纳米粒子溶液。然后超声处理10分钟直至四氧化三铁磁性纳米粒子完全溶解于所述有机溶剂中，加入1mL氧化石墨烯的衍生物溶液，浓度为0.2mg/ml。然后将所述的溶液置于振荡器上震荡1分钟。震荡结束后，分离出水相层。将水相层的溶液在离心机转速14800转/分钟的转速下离心处理，离心处理后得到的多功能纳米复合材料用去离子水清洗一次后烘干，收集粉末。此多功能纳米复合材料具有超顺磁性能和良好的水溶性，并且具有比较低的毒性，因此不会对生物体产生危害。

实施例4

称取四氧化三铁磁性纳米粒子0.5mg，上转换纳米粒子0.5mg，加入到1mL氯仿中，制得混合纳米粒子溶液。然后超声处理10分钟直至四氧化三铁磁性纳米粒子和上转换纳米荧光纳米粒子完全溶解于所述有机溶剂中，加入1mL氧化石墨烯的衍生物溶液，浓度为0.3mg/ml。然后将所述的溶液置于振荡器上震荡1分钟。震荡结束后，分离出水相层。将水相层的溶液在离心机转速14800转/分钟的转速下离心处理，离心处理后得到的多功能纳米复合材料用去离子水清洗一次后烘干，收集粉末。此多功能纳米复合材料具有荧光性能、超顺磁性能和良好的水溶性，并且具有比较低的毒性，因此不会对生物体产生危害。

实施例5

称取四氧化三铁磁性纳米粒子1mg，加入到10mL氯仿中，制得混合纳米粒子溶液。然后超声处理30分钟直至四氧化三铁磁性纳米粒子和上转换纳米荧光纳米粒子完全溶解于所述有机溶剂中，加入1mL氧化石墨烯的衍生物溶液，浓度为0.1mg/ml。然后将所述的溶液置于振荡器上震荡40秒。震荡结束后，分离出水相层。将水相层的溶液在离心机转速14800转/分钟的转速下离心处理，离心处理后得到的多功能纳米复合材料用去离子水清洗一次后烘干，收集粉末。此多功能纳米复合材料具有荧光性能、超顺磁性能和良好的水溶性，并且具有比较低的毒性，因此不会对生物体产生危害。

实施例6

称取上转换纳米粒子0.5mg，加入到1mL氯仿，制得混合纳米粒子溶液。然后超声处理5分钟直至四氧化三铁磁性纳米粒子和上转换纳米荧光纳米粒子完全溶解于所述有机溶剂中，加入20mL氧化石墨烯的衍生物溶液，浓度为0.25mg/ml。然后将所述的溶液置于振荡器上震荡8分钟。震荡结束后，分离出水相层。将水相层的溶液在离心机转速20000转/分钟的转速下离心处理，离心处理后得到的多功能纳米复合材料用去离子水清洗一次后烘干，收集粉末。此多功能纳米复合材料具有荧光性能、超顺磁性能和良好的水溶性，并且具有比较低的毒性，因此不会对生物体产生危害。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。