一种聚合物包覆疏水纳米颗粒的复合功能纳米球及其制备方法

摘要

本发明公开了一种聚合物包覆疏水纳米颗粒的复合功能纳米球及其制备方法，属于生物医学应用型有机无机复合先进纳米材料制备工艺技术领域。本发明采用乳液聚合技术，将纳米颗粒包覆到聚合物中，得到了水溶性好、单分散的聚合物包覆疏水纳米颗粒的复合功能纳米球。本发明得到的复合功能纳米球的粒径可在100-150nm范围内有效调控，粒径分布均匀，能在水中长期稳定，亲水性强、生物相容性极好，而且具有荧光、磁性、上转换兼下转换发光、磁性兼荧光等单重功能或复合功能，在生物传感器、磁分离、细胞成像、医学诊断等生物医学的亲水体系中具有重要的应用意义，并且合成成本相对低廉。

说明书

技术领域

本发明属于生物医学应用型有机无机复合先进纳米材料制备工艺技术领域，特别涉及一 种聚合物包覆疏水纳米颗粒的复合功能纳米球及其制备方法。

技术背景

近年来，纳米材料由于其在磁学、光学、催化等各个领域独特的属性及其潜在的应用成 为科学研究领域的前沿。迄今为止，前人发展了很多制备纳米材料的方法，但是大多单分散、 形貌可控、结晶度高的纳米材料都是在高温溶剂中合成的，是疏水性质的，不能直接在亲水 体系中应用，所以要对合成好的纳米颗粒进行表面修饰，以获得良好的水溶性。然而，这些 油溶性的纳米颗粒要靠表面修饰来获取水溶性和生物相容性，而这些表面修饰方法大多较复 杂，试剂也较昂贵。其中修饰方法之一就是利用高分子原位聚合法。其中由于原子转移自由 基聚合（ATRP）反应条件温和、单体选择范围宽，是一种新发展起来的可控的“活性”聚 合方法。以苯乙烯为基础合成的高分子聚合物或共聚物是近年来研究的焦点。在其聚合过程 中，功能单体的引入不仅使其聚合物富有良好的水溶性并且为其在生物医学等领域的应用中 提供了功能化的基团。

近年来，关于苯乙烯为基础的高分子球的合成的报道相当多(Hu Zhenxing,Yang Xiaowei, Liu Junliang,Yan Yuping,Wang Ling,Zeng Yanwei.An investigation of the effect of sodium  dodecyl sulfate onquasi-emulsifer-free emulsion polymerization for highly monodisperse  polystyrene nanospheres[J],Macromolecular Nanotechnology，2011,47,24-30.)，包括各种合成 方法（如乳液聚合、分散聚合、悬浮聚合和沉淀聚合法等）。然而，这些高分子球只是单纯 的聚合反应得到纳米球，应用范围有限，因此要进行功能化。功能化，不仅仅是简单的对高 分子球进行表面修饰并且要对其赋予一些特殊的功能例如光学活性、磁性等，这样就可以大 大扩大了高分子球的应用范围。因此，使高分子球功能化对最终实现纳米材料在实际中的运 用具有重要的指导意义。

发明内容

为了改善上述纳米颗粒的水溶性，并且扩大高分子球的功能化，本发明利用乳液聚合技 术合成了聚合物包覆疏水纳米颗粒的复合功能纳米球。本发明得到的复合功能纳米球粒径可 在100-150nm范围内有效调控，且粒径分布均匀，该复合功能纳米球不仅维持了原有纳米颗 粒的磁性、荧光等性质，而且能在水中长期稳定，亲水性强、生物相容性极好，在生物传感 器、磁分离、医学诊断等方面具有重要的应用意义，并且合成成本相对低廉。

本发明所述的制备聚合物包覆疏水纳米颗粒的复合功能纳米球的具体方法如下：

a.将油酸螯合的油相纳米颗粒均匀分散在750-1500μl的氯仿中得到纳米颗粒溶液，其 中纳米颗粒为0.25-3mmol；

b.将0.01-0.1g十二烷基磺酸钠加入10-15ml去离子水中溶解，然后加入750-1500μl步 骤a得到的纳米颗粒溶液，于超声波细胞破碎机中超声3-5分钟，得到纳米颗粒乳液，然后 抽真空条件下60-65℃旋蒸10-15分钟；

c．将0.01-0.0125g十二烷基磺酸钠加入10-15ml去离子水中溶解，然后加入300-700-l 单体，于超声波细胞破碎机中超声3-5分钟；

d．将步骤b和c得到的产物混合后加入0.005-0.01g偶氮二异丁氰，60-80℃反应5-20h； 冷却后离心，6000-7000r/min转3-5分钟，将得到的固体加水溶解，再离心洗涤2-5次，最 后将产物稳定分散在5-10ml去离子水中，即得聚合物包覆疏水纳米颗粒的复合功能纳米球。

所述的纳米颗粒为ZnS:Mn²⁺、Fe₃O₄、LaF₃:Ce,Tb、NaYF₄:Yb,Er、Au、TiO₂、YPO₄中的一种或两种。

所述的单体为苯乙烯。

所述的单体或者为体积比为（350:4）-（2:1）的苯乙烯和甲基丙烯酸，或体积比为（350:4） -（2:1）的苯乙烯和甲基丙烯酸羟乙酯；此时步骤c中同时加入50-175μl交联剂，所述的交 联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯。

上述方法中使用ZnS:Mn²⁺纳米颗粒得到聚合物包覆ZnS:Mn²⁺的橙色荧光复合功能纳米 球。

上述方法中使用Fe₃O₄纳米颗粒得到聚合物包覆Fe₃O₄的磁性复合功能纳米球。

上述方法中使用LaF₃:Ce,Tb纳米颗粒得到聚合物包覆LaF₃:Ce,Tb的绿色荧光复合功能 纳米球。

上述方法中使用NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒得到聚合物包覆NaYF₄:Yb,Er的绿色上转换发 光复合功能纳米球。

上述方法中使用ZnS:Mn²⁺和Fe₃O₄纳米颗粒得到聚合物包覆ZnS:Mn²⁺和Fe₃O₄的荧光与 磁性复合功能纳米球。

上述方法中使用ZnS:Mn²⁺和NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒得到聚合物包覆ZnS:Mn²⁺和 NaYF₄:Yb,Er的橙色下转换兼绿色上转换发光复合功能纳米球。

有益效果：本发明以原子转移自由基聚合为基础，利用乳液聚合技术，将七种不同组分、 形貌、尺寸的单分散的纳米颗粒包覆到聚合物中，得到了水溶性好、单分散的聚合物包覆疏 水纳米颗粒的复合功能纳米球。使用功能单体甲基丙烯酸聚合后，得到的复合功能纳米球表 面包覆羧基，羧基的存在不仅可以改善复合功能纳米球的水溶性，并且可以用以偶联抗体等 生物分子。本发明得到的聚合物包覆疏水纳米颗粒的复合功能纳米球的粒径可在100-150nm 范围内有效调控，粒径分布均匀，能在水中长期稳定，亲水性强、生物相容性极好，而且具 有荧光、磁性、上转换兼下转换发光、磁性兼荧光等单重功能或复合功能，在生物传感器、 磁分离、细胞成像、医学诊断等生物医学的亲水体系中具有重要的应用意义，并且合成成本 相对低廉。

附图说明

图1：实施例1制得的复合功能纳米球的透射电镜及粒径分布图。

图2：实施例2制得的复合功能纳米球的透射电镜及粒径分布图。

图3：实施例3制得的复合功能纳米球的透射电镜及粒径分布图。

图4：实施例4制得的复合功能纳米球的透射电镜及粒径分布图。

图5：实施例5制得的复合功能纳米球的透射电镜及粒径分布图。

图6：实施例6制得的复合功能纳米球的透射电镜照片。

图7:实施例7制得的复合功能纳米球的透射电镜照片。

图8:实施例7制得的复合功能纳米球的傅立叶红外变换光谱。

图9:实施例7制得的复合功能纳米球的X射线衍射图。

图10:实施例7制得的复合功能纳米球的共聚焦显微Hele细胞荧光成像图。

具体实施方式

实施例1

a.将油酸螯合的油相ZnS:Mn²⁺纳米颗粒(粒径约7nm)均匀分散在750μl的氯仿中得到纳 米颗粒溶液，其中纳米颗粒为2mmol；

b.将0.01g十二烷基磺酸钠加入12ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入750-l 步骤a得到的纳米颗粒溶液，于超声波细胞破碎机中超声3分钟，得到纳米颗粒乳液，然后 抽真空条件下60℃旋蒸10分钟；

c．将0.0125g十二烷基磺酸钠加入10ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 0.354ml混合单体和0.07ml二甲基丙烯酸乙二醇酯，于超声波细胞破碎机中超声3分钟；混 合单体为体积比为350:4的苯乙烯和甲基丙烯酸；

d．将步骤b和c得到的产物混合后加入0.01g偶氮二异丁氰，80℃反应10h；冷却后离 心，6000r/min转3分钟，将得到的固体加水溶解，再离心洗涤2次，最后将产物稳定分散 在5ml去离子水中，即得聚（苯乙烯-二甲基丙烯酸乙二醇酯-甲基丙烯酸）包覆ZnS:Mn²⁺纳 米颗粒的橙色荧光复合功能纳米球。

实施例2

a.将油酸螯合的油相Fe₃O₄纳米颗粒(粒径约6nm)均匀分散在1000μl的氯仿中得到纳米 颗粒溶液，其中纳米颗粒为2mmol；

b.将0.01g十二烷基磺酸钠加入12ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入750μl 步骤a得到的纳米颗粒溶液，于超声波细胞破碎机中超声3分钟，得到纳米颗粒乳液，然后 抽真空条件下60℃旋蒸10分钟；

c．将0.0125g十二烷基磺酸钠加入10ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 0.7ml单体苯乙烯，于超声波细胞破碎机中超声3分钟；

d．将步骤b和c得到的产物混合后加入0.01g偶氮二异丁氰，80℃反应10h；冷却后离 心，6000r/min转3分钟，将得到的固体加水溶解，再离心洗涤2次，最后将产物稳定分散 在5ml去离子水中，即得聚苯乙烯包覆Fe₃O₄纳米颗粒的磁性复合功能纳米球。

实施例3

a.将油酸螯合的油相Fe₃O₄纳米颗粒(粒径约6nm)均匀分散在1500μl的氯仿中得到纳米 颗粒溶液，其中纳米颗粒为3mmol；

b.将0.02g十二烷基磺酸钠加入12ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 1500μl步骤a得到的纳米颗粒溶液，于超声波细胞破碎机中超声3分钟，得到纳米颗粒乳液， 然后抽真空条件下60℃旋蒸10分钟；

c．将0.01g十二烷基磺酸钠加入10ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入0.3ml 混合单体和0.05ml二甲基丙烯酸乙二醇酯，于超声波细胞破碎机中超声3分钟；混合单体为 体积比为2:1的苯乙烯和甲基丙烯酸羟乙酯；

d．将步骤b和c得到的产物混合后加入0.01g偶氮二异丁氰，80℃反应10h；冷却后离 心，6000r/min转3分钟，将得到的固体加水溶解，再离心洗涤2次，最后将产物稳定分散 在5ml去离子水中，即得聚（苯乙烯-二甲基丙烯酸乙二醇酯-甲基丙烯酸羟乙酯）包覆Fe₃O₄纳米颗粒的磁性复合功能纳米球。

实施例4

a.将油酸螯合的油相LaF₃:Ce,Tb纳米颗粒(粒径约10nm)均匀分散在1000μl的氯仿中得 到纳米颗粒溶液，其中纳米颗粒为1.5mmol；

b.将0.01g十二烷基磺酸钠加入10ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 1000μl步骤a得到的纳米颗粒溶液，于超声波细胞破碎机中超声3分钟，得到纳米颗粒乳液， 然后抽真空条件下60℃旋蒸15分钟；

c．将0.0125g十二烷基磺酸钠加入15ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 0.354ml混合单体和0.175ml二甲基丙烯酸乙二醇酯，于超声波细胞破碎机中超声3分钟；混 合单体为体积比为350:4的苯乙烯和甲基丙烯酸；

d．将步骤b和c得到的产物混合后加入0.01g偶氮二异丁氰，80℃反应10h；冷却后离 心，7000r/min转5分钟，将得到的固体加水溶解，再离心洗涤2次，最后将产物稳定分散 在5ml去离子水中，即得聚（苯乙烯-二甲基丙烯酸乙二醇酯-甲基丙烯酸）包覆LaF₃:Ce,Tb 纳米颗粒的绿色荧光复合功能纳米球。

实施例5

a.将油酸螯合的油相NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒(粒径约14nm)均匀分散在1000μl的氯仿中 得到纳米颗粒溶液，其中纳米颗粒为1.5mmol；

b.将0.1g十二烷基磺酸钠加入10ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入1000μl 步骤a得到的纳米颗粒溶液，于超声波细胞破碎机中超声3分钟，得到纳米颗粒乳液，然后 抽真空条件下60℃旋蒸15分钟；

c．将0.0125g十二烷基磺酸钠加入10ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 0.354ml混合单体和0.07ml二甲基丙烯酸乙二醇酯，于超声波细胞破碎机中超声3分钟；混 合单体为体积比为350:4的苯乙烯和甲基丙烯酸；

d．将步骤b和c得到的产物混合后加入0.005g偶氮二异丁氰，80℃反应10h；冷却后离 心，7000r/min转3分钟，将得到的固体加水溶解，再离心洗涤2次，最后将产物稳定分散 在5ml去离子水中，即得聚（苯乙烯-二甲基丙烯酸乙二醇酯-甲基丙烯酸）包覆NaYF₄：Yb, Er纳米颗粒的绿色上转换发光复合功能纳米球。

实施例6

a.将油酸螯合的油相ZnS:Mn²⁺纳米颗粒(粒径约7nm)和油酸螯合的油相Fe₃O₄纳米颗粒 (粒径约6nm)均匀分散在1000μl的氯仿中得到纳米颗粒溶液，其中ZnS:Mn²⁺纳米颗粒为2 mmol，其中Fe₃O₄纳米颗粒为1mmol；

b.将0.01g十二烷基磺酸钠加入15ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 1000μl步骤a得到的纳米颗粒溶液，于超声波细胞破碎机中超声3分钟，得到纳米颗粒乳液， 然后抽真空条件下60℃旋蒸10分钟；

c．将0.0125g十二烷基磺酸钠加入10ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 0.37ml混合单体和0.07ml二甲基丙烯酸乙二醇酯，于超声波细胞破碎机中超声3分钟；混合 单体为体积比为350:20的苯乙烯和甲基丙烯酸；

d．将步骤b和c得到的产物混合后加入0.01g偶氮二异丁氰，80℃反应10h；冷却后离 心，6000r/min转5分钟，将得到的固体加水溶解，再离心洗涤2次，最后将产物稳定分散 在5ml去离子水中，即得聚（苯乙烯-二甲基丙烯酸乙二醇酯-甲基丙烯酸）包覆ZnS:Mn²⁺和 Fe₃O₄纳米颗粒的荧光与磁性复合功能纳米球。

实施例7

a.将油酸螯合的油相ZnS:Mn²⁺纳米颗粒(粒径约7nm)和油酸螯合的油相NaYF₄:Yb,Er 纳米颗粒(粒径约14nm)均匀分散在1000μl的氯仿中得到纳米颗粒溶液，其中ZnS:Mn²⁺纳米 颗粒为1mmol，NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒为0.25mmol；

b.将0.03g十二烷基磺酸钠加入12ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 1000μl步骤a得到的纳米颗粒溶液，于超声波细胞破碎机中超声3分钟，得到纳米颗粒乳液， 然后抽真空条件下60℃旋蒸10分钟；

c．将0.01g十二烷基磺酸钠加入10ml去离子水中，超声至使其完全溶解，然后加入 0.354ml混合单体和0.175ml二甲基丙烯酸乙二醇酯，于超声波细胞破碎机中超声3分钟；混 合单体为体积比为350:4的苯乙烯和甲基丙烯酸；

d．将步骤b和c得到的产物混合后加入0.005g偶氮二异丁氰，80℃反应10h；冷却后 离心，6000r/min转5分钟，将得到的固体加水溶解，再离心洗涤2次，最后将产物稳定分 散在5ml去离子水中，即得聚（苯乙烯-二甲基丙烯酸乙二醇酯-甲基丙烯酸）包覆ZnS:Mn²⁺和NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒的橙色下转换发光兼绿色上转换发光复合功能纳米球。