中空SiO2包空心Au笼纳米摇铃、其制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种中空SiO2包空心Au笼纳米摇铃，其制备方法及应用。该纳米摇铃包括中空SiO2微球以及可移动的设置于所述中空SiO2微球内腔中的空心Au笼；其制备方法包括：利用Ag立方体等作为模板，制得空心Au笼，再在所述Au笼表面修饰拉曼信号分子及包覆SiO2壳层，形成SiO2包空心Au笼核壳结构纳米粒子，以及，对所述核壳结构纳米粒子进行表面选择性刻蚀，制得所述纳米摇铃。本发明的纳米摇铃具有较高的稳定性和生物相容性，可以作为良好的药物载体，并可调节在近红外区的吸收将近红外激光的光能转化为热能，同时还可增强拉曼信号，在载药、光热疗和拉曼成像等医学领域具有巨大的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种摇铃式的纳米材料及其制备方法，具体涉及一种中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的制备方法，属于无机材料领域。

技术背景

金纳米材料，由于其独特的化学和物理性质，在电子学、光学、催化和生物医学等领域具有广泛的应用前景。近些年，包括金纳米棒、金纳米壳和金纳米笼在内的多种金纳米结构在生物医学领域引起了广泛的关注（N.Li,P.X.Zhao,D.Astruc,Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,1756）。

这些金纳米结构表面具有强的电磁场，能够作为表面增强拉曼基底对吸附于表面的拉曼分子有拉曼增强的作用，可以作为拉曼探针用于生物检测和成像（M.Rycenga,Z.P.Wang,E.Gordon,C.M.Cobley,A.G.Schwartz,C.S.Lo,Y.N.Xia,Angew.Chem.Int.Ed.2009,48,9924）。此外，通过化学手段，可以将这些金纳米结构的吸收光谱从可见精确调控至近红外波段，并在近红外光照射下，有效将光能转化为热能，可作为光热疗剂应用于肿瘤治疗（S.Lal,S.E.Clare,N.J.Halas,Acc.Chem.Res.2008,41,1842）。但是，由于大多数拉曼信号分子在水中溶解度很低，这必然导致修饰拉曼信号分子的金纳米颗粒在水中稳定性大大降低，同时，金纳米结构的载药性能较差，阻碍了其在医学诊疗等方面的应用。

目前，克服稳定性降低问题的方法是在修饰拉曼信号分子的金纳米结构外层包覆SiO₂层。但是实心SiO₂可能屏蔽拉曼信号，同时不能解决低载药的问题。因此，当前迫切需求制备能够集成拉曼增强、光热和高载药等多种功能，并在拉曼成像和肿瘤治疗上有潜在应用的稳定金纳米结构。

发明内容

鉴于现有技术中的不足，本发明的目的之一在于提供一种中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃，其具有良好的结构稳定性、生物相容性、高载药及光热性能等。

本发明的目的之二在于提供一种中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的制备方法。

本发明的又一目的在于提供一种中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃作为拉曼光谱增强基质或药物载体的用途。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃，包括：

具有中空内腔和多孔球壁的中空SiO₂微球；

以及，可移动的设置于所述中空SiO₂微球内腔中的空心Au笼。

进一步的，所述Au笼表面还修饰有拉曼信号分子。

进一步的，所述中空SiO₂微球表面还修饰有生物相容性分子，例如生物活性肽，但不限于此。

一种中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的制备方法，包括如下步骤：

（1）提供空心Au笼，

（2）在所述Au笼表面包覆SiO₂壳层，形成SiO₂包空心Au笼核壳结构纳米粒子（亦可称为“SiO₂包空心Au笼核壳结构”）；

（3）对所述核壳结构纳米粒子进行表面选择性刻蚀，制得中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃，

所述中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃包括中空SiO₂微球以及可移动的设置于所述中空SiO₂微球内腔中的Au笼。

作为较为优选的实施方案之一，步骤（1）可以包括：取Ag立方体作为牺牲模板与氯金酸反应，形成所述空心Au笼。

进一步的，步骤（1）可以包括：利用硫氢化钠介导的多元醇法合成所述Ag立方体。

进一步的，步骤（1）可以包括：将Ag立方体分散于含有稳定剂的水溶液中，加热到70-100℃，并缓慢加入氯金酸，制得所述空心Au笼。

优选的，步骤（1）可以包括：在获得的空心Au笼表面修饰拉曼信号分子。

优选的，所述中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的制备方法还可以包括：在所获中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的表面修饰生物相容性分子，例如生物活性肽等。

进一步的，所述拉曼信号分子至少可选自巯基嘌呤类化合物，巯基噻吩类化合物，2-巯基嘧啶，2-巯基噻唑，2-巯基苄醇，2-巯基丁酸，2-巯基吡嗪，2-巯基乙磺酸，3-巯基苯甲酸，巯基己醇类化合物，2-巯基-6-羟基嘌呤，2-巯基苯甲酸甲酯，2-巯基-3-氨基吡啶，4-氨基-3-巯基吡啶，3-氨基-4-巯基吡啶，4,4-二巯基二苯硫醚，二氢硫辛酸,对巯基苯胺，4-氨基-3-巯基苯甲酸以及盐酸盐，2-巯基丙酸，4,5-二氨基-6-巯基嘧啶，2-巯基苯甲酸，巯基乙酸钠，3-巯基-2-丁醇，1,3-丙二硫醇，对巯基苯甲酸，L-半胱氨酸，巯基乙酸，D-半胱氨酸及盐酸盐，2,3-二巯基丁二酸，2-巯基乙醇，4-巯基-2-甲基苯酚，二巯基丙醇，半胱胺盐酸盐，双巯乙基硫醚和对甲硫基苯甲醛中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

进一步的，所述生物活性肽包括且不限于含有巯基的穿膜肽。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

（1）提供了一种中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃，其中，中空SiO₂壳层既可以保证金纳米笼的稳定性以及提高体系的载药性能，同时还利于拉曼信号传输和光热转换；

（2）进一步的，通过采用空心Au笼作为可移动的内核，并在空心Au笼上修饰拉曼信号分子，使其可以作为拉曼增强基底有效增强信号分子的拉曼信号，以用于高度精确的拉曼成像，并且通过采用表面修饰有生物相容性分子的中空SiO₂微球作为外壳，可进一步提升其生物相容性；

（3）该中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃在载药、光热疗和拉曼成像等医学领域具有巨大的应用前景，例如，该中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的SERS信号重现率可达99.7%以上，而其所含的中空SiO₂微球可作为装载药物的容器，从而使该中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃可作为良好的拉曼增强基质、药物载体；

（4）该中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃制备工艺简单，可控性好，适于规模化实施，可放大倍数进行生产。

附图说明

图1a-1d分别是本发明实施例1中所制得Ag立方体、空心Au笼、SiO₂包空心Au笼核壳结构和中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的透射电子显微镜照片。

图2a-2d分别是本发明实施1中所制得Ag立方体、空心Au笼、SiO₂包空心Au笼核壳结构和中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的粒径分布图。

图3是本发明实施例1中所制得Ag立方体（线条a）、空心Au笼（线条b）、SiO₂包空心Au笼核壳结构（线条c）和中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃（线条d）的UV-Vis曲线图；

图4是本发明实施例1中所制得Ag立方体（线条a）、空心Au笼（线条b）、SiO₂包空心Au笼核壳结构（线条c）和中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃（线条d）的SERS图谱。

图5a-5b分别是本发明实施例1中所制得中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃修饰穿膜肽前后的zeta电位图谱。

图6a-6b分别是本发明实施例1中所制得中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃修饰穿膜肽前后进入细胞的明场照片。

图7是本发明实施例1中所制得浓度分别为0.12mg/mL（线条a）、0.24mg/mL（线条b）、0.60mg/mL（线条c）和1.20mg/mL（线条d）的中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的SERS图谱。

图8是本发明实施例1中所制得不同浓度的中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃在拉曼位移为1141cm^-1SERS强度的线性拟合。

图9是本发明实施例1中所制得中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃在不同时间进入细胞情况的SERS成像。

图10是本发明实施例1中所制得中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃（线条a）和去离子水（线条b）的光热转化图谱。

图11是本发明实施例1中所制得中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃载药后在中性（pH=7.4）和酸性（pH=5.0）条件下药物释放曲线。

图12是本发明实施例2中所制得的中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的透射电子显微镜照片。

具体实施方式

本发明的一个方面提供了一种中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃，其以空心Au笼，特别是表面修饰拉曼信号分子的空心Au笼为可移动的内核，以中空SiO₂微球，特别是修饰生物相容性分子的中空SiO₂微球为壳层，因而具有较高稳定性和生物相容性，可以作为良好的药物载体，并可调节在近红外区的吸收将近红外激光的光能转化为热能，在载药、光热疗和拉曼成像等医学领域具有巨大的应用前景。

本发明的另一个方面提供一种制备前述中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的方法，其包括：

提供空心Au笼，

在所述空心Au笼表面包覆SiO₂壳层，形成SiO₂包空心Au笼核壳结构,

以及，对所述核壳结构纳米粒子进行表面选择性刻蚀，制得中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃。

进一步的，所述中空SiO₂微球的内径优选为50-120nm，外径优选为80-150nm。

进一步的，所述空心Au笼的粒径优选为30-50nm，壁厚优选为3-5nm。

前述空心Au笼可采用业界已知的方法制备，例如，可以选取Ag立方体作为牺牲模板与氯金酸反应，形成所述空心Au笼。

前述的在空心Au笼形成SiO₂层的方式亦可采用反相微乳液法等业界已知的工艺。

在一较为具体的实施方案之中，该制备方法可以包括：先用硫氢化钠介导的多元醇法制备Ag立方体，然后用HAuCl₄在100℃溶液中将Ag立方转变为空心Au笼，优选的，还可在空心Au笼表面修饰拉曼信号分子，并在同时或之后包覆SiO₂层，再通过选择性刻蚀将SiO₂层转变为中空SiO₂，优选的，还可在SiO₂表面修饰生物活性肽等生物相容性分子。

进一步的，在一更为具体的实施方案之中，一种用以制备所述中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的方法可以包括以下步骤：

（1）Ag立方体的制备

用多元醇法，将乙二醇（EG）在100~200℃加热1~60min，依次加入硫氢化钠（NaHS），盐酸（HCl），聚吡咯烷酮（PVP）和三氟乙酸银（CF₃COOAg），使形成的混合反应物中NaHS，HCl，PVP和CF₃COOAg的等效浓度分别为10~100μM、10~100μM、0.1~0.3mg/mL、1~3mM，将混合反应物在100~200℃加热30~120min，将反应体系迅速冷却停止反应，离心，水洗，制得Ag纳米立方体，并分散于去离子水中。

（2）空心Au笼的制备

用电置换反应法，将0.5~2.5mL步骤（1）中制备的Ag立方体分散液加入50mL含有1~10mg/mLPVP的水溶液中，加热至70-100℃，将0.1~1mM氯金酸（HAuCl₄）溶液按0.75mL/min速率滴加至反应液中，30~120min时停止滴加，继续加热10~30min，将反应烧瓶至于冰水浴中停止反应，离心，水洗，制得空心Au笼，并分散于去离子水中。

（3）空心Au笼表面拉曼信号分子的修饰及SiO₂包空心Au笼核壳结构的制备

将2~10mL步骤（2）中制备的Au笼分散液加入30~120mL异丙醇和1~10mL水的混合溶液中，超声10~60min，加入100μL浓度为1~10mM的对巯基苯胺（pATP）溶液，搅拌10~60min，以修饰拉曼信号分子。然后加入10~1000μL正硅酸乙酯（TEOS）和0.2~2.4mL氨水，常温搅拌4~24h，离心，水洗，制得SiO₂包空心Au笼核壳结构，并分散于去离子水中。

（4）中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的制备

将5~20mL步骤（3）中制备的SiO₂包空心Au笼核壳结构加入10~100mL含有1~5mg/mLPVP的水溶液中，加热至80~100℃，反应1~4h，离心水洗，制备中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃，并分散于去离子水中。

（5）中空SiO₂表面修饰穿膜肽

将1~10mL步骤（4）中制备的中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃分散液加入4~40mL乙醇中并混合均匀。向其中加入100~1000μL浓度为100mM的3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）溶液，在25~50℃下回流4~12h。离心水洗，分散于1mLPBS缓冲液中，向其中加入100~1000μL浓度为10mM的sulfo-SMCC溶液，15~60min搅拌后，离心水洗，重新分散于1mLPBS缓冲液中。再向其中加入50~500μL，20mg/mL穿膜肽，室温搅拌12~48h，离心水洗，并分散于PBS缓冲液中，从而在SiO₂表面修饰穿膜肽。

本发明的制备方法简单，可控性好，效率较高，且反应主要是在水相体系中进行，安全环保。

为了更好地理解本发明的实质，下面通过实施例来详细说明发明的技术内容，但本发明的内容并不局限于此。

实施例1：

（1）Ag立方体的制备

用多元醇法，将25mL乙二醇（EG）在150℃加热30min，依次加入0.3mL浓度为3mM的NaHS溶液，2.5mL浓度为3mM的盐酸，6.25mL浓度为20mg/mL的PVP溶液和2.0mL浓度为282mM的CF₃COOAg的EG溶液，在150℃加热1h，将反应烧瓶至于冰水浴中停止反应，离心，水洗，并将制得的Ag立方体分散于10mL去离子水中。该Ag立方体的形态、粒径分布、UV-Vis图谱和SERS图谱请分别参阅图1a、图2a、图3（线条a）、图4（线条a）。

（2）Au笼的制备

用电置换反应法，将1mL步骤（1）中制备的Ag立方体分散液加入50mL含有1mg/mLPVP的水溶液中，加热至100℃，将浓度为0.2mM的HAuCl₄溶液按0.75mL/min速率滴加至反应液中，50min时停止滴加，继续加热30min，将反应烧瓶至于冰水浴中停止反应，离心，水洗，并将制得的Au笼分散于5mL去离子水中。该空心Au笼的形态、粒径分布、UV-Vis图谱和SERS图谱请分别参阅图1b、图2b、图3（线条b）、图4（线条b）。

（3）空心Au笼表面拉曼信号分子的修饰及SiO₂包空心Au笼核壳结构的制备

将10mL步骤（2）中制备的Au笼分散液加入59mL异丙醇和2mL水的混合溶液中，超声30min，加入100μL浓度为1mM的pATP溶液，搅拌10~60min，以修饰拉曼信号分子。然后加入100μLTEOS和1.8mL氨水，常温搅拌10小时，离心，水洗，制得SiO₂包空心Au笼核壳结构，并分散于10mL去离子水中。该SiO₂包空心Au笼核壳结构的形态、粒径分布、UV-Vis图谱和SERS图谱请分别参阅图1c、图2c、图3（线条c）、图4（线条c）。

（4）中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的制备

将10mL步骤（3）中制备的SiO₂包空心Au笼核壳结构分散液加入40mL含有1mg/mLPVP的水溶液中，加热至100℃，反应2小时，离心水洗，制备中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃，并分散于10mL去离子水中。该中空SiO₂包空心Au纳米笼摇铃的形态、粒径分布、UV-Vis图谱和SERS图谱请分别参阅图1d、图2d、图3（线条d）、图4（线条d）。

（5）SiO₂表面修饰穿膜肽

将1mL步骤（4）中制备的中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃分散液加入4mL乙醇中并混合均匀。向其中加入100μL，100mMAPTES，在35℃下回流4h，离心水洗，并分散于1mLPBS缓冲液中。再向其中加入100μL浓度为10mM的sulfo-SMCC溶液，15min搅拌后，离心水洗，重新分散于1mLPBS缓冲液中。再向其中加入50μL浓度为20mg/mL的穿膜肽溶液，室温搅拌24h。离心水洗，并分散于1mLPBS缓冲液中，从而在SiO₂表面修饰穿膜肽，SiO₂表面修饰穿膜肽修饰前后的zeta电位分布和进细胞能力请分别参阅图5a-图5b、图6a-图6b。又，最终产物的拉曼增强性能、通过SERS信号检测中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃进细胞情况、光热转化性能和药物缓释能力请分别参阅图7至图11。

实施例2：

（1）Ag立方体的制备

用多元醇法，将25mL乙二醇（EG）在160℃加热30min，依次加入0.3mL浓度为6mM的NaHS溶液，2.5mL浓度为6mM的盐酸，6.25mL浓度为20mg/mL的PVP溶液和2.0mL浓度为282mM的CF3COOAg的EG溶液，在160℃加热30min，将反应烧瓶至于冰水浴中停止反应，离心，水洗，并将制得的Ag立方体分散于10mL去离子水中。

（2）空心Au笼的制备

用电置换反应法，将1mL步骤（1）中制备的Ag立方体分散液加入50mL含有2mg/mLPVP的水溶液中，加热至70℃，将浓度为0.4mM的HAuCl₄溶液按0.75mL/min速率滴加至反应液中，30min时停止滴加，继续加热30min，将反应烧瓶至于冰水浴中停止反应，离心，水洗，制得Au笼分散于5mL去离子水中。

（3）空心Au笼表面拉曼信号分子的修饰及SiO₂包空心Au笼核壳结构制备

将10mL步骤（2）中制备的空心Au笼分散液加入53mL异丙醇和8mL水的混合溶液中，超声30min，加入200μL浓度为1mM的pATP溶液，搅拌10~60min，以修饰拉曼信号分子。然后加入200μLTEOS和2.2mL氨水，常温搅拌10小时，离心，水洗，制得SiO₂包空心Au笼核壳结构，并分散于10mL去离子水中。

（4）中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的制备

将10mL步骤（3）中制备的SiO₂包空心Au笼核壳结构分散液加入40mL含有2mg/mLPVP的水溶液中，加热至100℃，反应3h，离心水洗，制备中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃，并分散于10mL去离子水中。本实施例中所获Ag纳米立方体、Au笼、SiO₂包空心Au笼核壳结构和中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的形态、粒径等均可采用与实施例1相同或相近方式表征，且可获得相近测试结果。例如，该中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃的形态请参阅图12所示。

（5）SiO₂表面修饰穿膜肽

将1mL步骤（4）中制备的中空SiO₂包空心Au纳米笼摇铃分散液加入4mL乙醇中并混合均匀。向其中加入200μL浓度为100mM的APTES溶液，在35℃下回流4h。离心水洗，分散于1mLPBS缓冲液中。向其中加入200μL浓度为10mM的sulfo-SMCC溶液，15min搅拌后，离心水洗，重新分散于1mLPBS缓冲液中。再向其中加入100μL浓度为20mg/mL的穿膜肽溶液，室温搅拌24h。离心水洗，分散于1mLPBS缓冲液中，从而在SiO₂表面修饰穿膜肽。参照实施例1所述及的方式对本实施例最终所获产品的性能进行测试，结果显示，本实施例的中空SiO₂包空心Au笼纳米摇铃亦具有与实施例1相近之性能。

应当理解，以上仅是本发明众多具体应用范例中的实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。