磁性/金属/荧光复合二氧化硅纳米粒子及其制备方法

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SiO2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。

说明书

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-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缩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SiO₂层；整个纳米粒子成球形，粒径在50～1000nm之间。。整个纳米粒子成球形，大小在50～1000nm之间。

上述的金属层厚度在5～50nm之间，发光层厚度在10～100nm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Fe₃O₄、CoFe₂O₄、MnFe₂O₄或ZnFe₂O₄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SiO₂层；

所述的有机发光染料掺杂层的包覆是，将包覆过SiO₂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℃下，将摩尔比为1∶2的Fe²⁺(或Co²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺)和Fe³⁺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。

上述的硅烷偶联剂可以是带有巯基的硅烷偶联剂如γ-巯基丙基三乙氧基硅烷，也可以是带有氨基的硅烷偶联剂如γ-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。

上述的金纳米粒子或银纳米粒子，其大小在2～40nm之间；所说的Ag离子或四氯金酸根离子，其浓度在0.001M～0.05M之间。

上述的在第二次SiO2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10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。

具体实施方式

实施例1铁氧体纳米粒子的合成：Fe₃O₄纳米粒子的制备

称取1g的FeCl₃·6H₂O和0.37g的FeCl₂·4H₂O，用20ml经过通氮除氧的水溶解得到混合溶液。取130ml水在250mL的圆底烧瓶中通氮除氧，加入12.5ml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80℃下反应1h。反应完毕后，用0.1T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6～10nm的Fe₃O₄纳米粒子。

实施例2铁氧体纳米粒子的合成：CoFe₂O₄纳米粒子的制备

称取1g的FeCl₃·6H₂O和0.38g的CoCl₂·4H₂O，用20ml经过通氮除氧的水溶解得到混合溶液。取130ml水在250mL的圆底烧瓶中通氮除氧，加入12.5ml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℃下反应1h。反应完毕后，用0.1T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3～13nm的CoFe₂O₄纳米粒子。可将CoCl₂换为MnCl₂或ZnCl₂得到相应的MnFe₂O₄或ZnFe₂O₄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0.6g Na₂SiO₃(SiO₂含量为45％)溶在50ml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0.1T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7～12nm的二氧化硅包覆的Fe₃O₄纳米粒子。

将Fe₃O₄纳米粒子换成CoFe₂O₄、MnFe₂O₄或ZnFe₂O₄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Fe₃O₄纳米粒子

向250mL圆底烧瓶中依次加入100ml乙醇、5ml水、2ml质量百分比浓度为25-28％的浓氨水、0.01g经无机硅源二氧化硅包覆合成的Fe₃O₄纳米粒子和0.03mlTEOS，反应12h后，用0.1T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40nm的多核Fe₃O₄/SiO₂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CoFe₂O₄纳米粒子

向250mL圆底烧瓶中依次加入100ml乙醇、5ml水、3ml质量百分比浓度为25-28％的浓氨水、0.05g经无机硅源二氧化硅包覆合成的CoFe₂O₄纳米粒子和0.3ml TEOS，反应12h后，用0.1T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400nm的多核CoFe₂O₄/SiO₂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MnFe₂O₄或ZnFe₂O₄纳米粒子

向250mL圆底烧瓶中依次加入100ml乙醇、5ml水、5ml质量百分比浓度为25-28％的浓氨水、0.1g经无机硅源二氧化硅包覆合成的MnFe₂O₄或ZnFe₂O₄纳米粒子和0.5ml TEOS，反应12h后，用0.1T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800nm的多核MnFe₂O₄/SiO₂或ZnFe₂O₄/SiO₂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Fe₃O₄/SiO₂核壳微粒定容到100ml乙醇中，加入到250ml的三颈瓶中，再加入2ml氨水和10μl γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(APS)，反应12小时后用用0.1T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Fe₃O₄/SiO₂纳米粒子。

将Fe₃O₄/SiO₂核壳微粒换成实施例5或6中所得到的CoFe₂O₄/SiO₂、MnFe₂O₄/SiO₂或ZnFe₂O₄/SiO₂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γ-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Fe₃O₄/SiO₂纳米粒子定容于100ml水中，加入10ml 2nm的Au(10mg/ml)纳米粒子，反应2小时后用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离粒子，用高纯水洗三次，加入1ml 0.1M的HAuCl4和10ml 0.2M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45nm。

将实施例7中得到的巯基修饰的CoFe₂O₄/SiO₂纳米粒子定容于100ml水中，加入10ml 2nm的Au(10mg/ml)纳米粒子，反应2小时后用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离粒子，用高纯水洗三次，加入10ml 0.1M的HAuCl4和10ml 0.2M的羟胺水溶液，反应2小时后，得到25nm Au包覆的磁性粒子。整个粒子平均尺寸为425nm。

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MnFe₂O₄/SiO₂或ZnFe₂O₄/SiO₂纳米粒子定容于100ml水中，加入10ml 30nm的Ag(10mg/ml)纳米粒子，反应2小时后用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离粒子，用高纯水洗三次，加入5ml 0.1M的AgNO3和5ml 0.2M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10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5nm Au壳包覆的磁性粒子分散在100ml水中，加入10μlAPS，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0.5ml氨水，0.1ml TEOS，反应10小时后，再加入0.1ml 1mg/L的异硫氰根荧光素与APS反应的前驱体，0.1ml TEOS反应24小时后得到55nm的磁性/金属/荧光复合纳米粒子，其中金壳层厚度为5nm，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25nm Au壳包覆的磁性粒子分散在100ml水中，加入10μlAPS，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1.5ml氨水，0.5mlTEOS，反应10小时后，再加入0.5ml 1mg/L的菲咯啉联钌，1ml TEOS反应12小时后得到490nm的磁性/金属/荧光复合纳米粒子，其中金壳层厚度为25nm，与发光层距离为15nm，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50nmAg壳包覆的磁性粒子分散在100ml水中，加入10μlAPS，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，1ml TEOS，反应10小时后，再加入1ml 1mg/L的异硫氰根荧光素与APS反应的前驱体，2ml TEOS反应6小时后得到1000nm的磁性/金属/荧光复合纳米粒子，其中银壳层厚度为50nm，与发光层距离为30nm，发光层厚度为100nm。