反相微乳液法合成稀土生物有机配位纳米探针及合成方法

摘要

本发明公开了一种利用反相微乳液合成水溶性稀土生物有机配位纳米探针及其制备方法，该方法包括分别制备包含稀土原料和有机配体原料的反相微乳液，将两个反相微乳液混合，在一定温度下搅拌反应得到纳米探针。该方法简单易行、重复性好、具有普适性，可通过调节水相与表面活性剂的投料比进而调控颗粒尺寸，还具有良好的单分散水溶性、稳定性和生物相容性，更加利于后期分析检测和生物医学等领域的应用；该纳米探针具有疏松多孔的结构，利于进一步修饰或负载不同的功能分子，实现功能多样性，拓展了纳米探针的应用范围。该方法为稀土生物有机配位纳米探针在生物传感、医学成像、药物递送等生物医学领域的应用提供一种高效的新方法和相应技术支持。

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，具体而言，涉及一种利用反相微乳液合成水溶性稀土生物有机配位纳米探针及其制备方法。

背景技术

稀土配合物因其具有优良的光物理及化学性质在生物医学诊疗领域应用广泛，然而大部分稀土配合物较差的水溶性和生物相容性大大限制了其在生物方面的进一步应用。稀土生物有机配位纳米探针由于其较小的尺寸和独特的性质，引发了研究者们的极大兴趣。配体的选择多样性赋予了稀土-有机配位纳米探针的结构、功能多样性；生物有机配体的引入大大改善了配合物纳米探针的水溶性和生物相容性，因此稀土生物有机配位纳米探针在生物检测、医学成像、药物递送等生物医学领域具有广阔的应用前景。

当前国内外对稀土生物有机配位纳米探针的研究仍有很大的发展空间，如何合成出分散性好、尺寸可控的纳米探针成为了亟待解决的首要问题。现有的合成手段主要包括室温搅拌法和溶剂热法，这两种合成方法简单便捷、成本低，但均存在重复性不高，合成出的颗粒尺寸不可控、易交联、稳定性差等问题，大大限制了稀土生物有机配位纳米探针的进一步生物医学相关应用。

因此，亟待开发一种简单易行且重复性高的制备单分散性好、尺寸可控、稳定性高的水溶性稀土生物有机配位纳米探针的新方法。

发明内容

本发明旨在提供一种利用反相微乳液合成水溶性稀土生物有机配位纳米探针及其制备方法，其合成出的生物有机配位纳米探针尺寸可控、稳定性高、具有良好的生物相容性。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种利用反相微乳液合成稀土生物有机配位纳米探针的方法，配制分别包含稀土原料和有机配体原料的反相微乳液，之后将两个反相微乳液混合，经一定温度搅拌反应从而合成纳米探针。

根据本发明，采用反相微乳液法合成纳米探针的步骤包括：1)分别配制含反应原料稀土盐的水溶液A和含有机配体原料三磷酸腺苷的水溶液B；2)配制两份均含表面活性剂、助表面活性剂和油相的等体积混合液，将水溶液A和水溶液B分别加入到两份等体积的混合液中剧烈搅拌，形成体积等同的两组反相微乳液体系；3)将两组反相微乳液体系混合，在一定温度下搅拌反应，冷却至室温后经分离，洗涤后获取产物。

根据本发明，稀土盐选自稀土硝酸盐、稀土醋酸盐和稀土氯化物中的一种或多种；优选为稀土硝酸盐。优选地，所述稀土盐中的稀土元素选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的任意一种或多种。

根据本发明，水溶液A和水溶液B的浓度均为0.01～1摩尔/升；例如，所述水溶液A和水溶液B的浓度可以为0.01、0.05、0.08、0.1、0.25、0.5、0.8、1摩尔/升。

根据本发明，所述表面活性剂选自阳离子型表面活性剂、阴离子型表面活性剂或非离子型表面活性剂；所述助表面活性剂选自醇类；所述油相选自与水互不相容且与反应原料不发生反应的长链烷烃。

优选地，所述油相选自异辛烷、正庚烷、正壬烷和正十二烷中的一种或多种。所述表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠和聚乙二醇辛基苯基醚中的一种或多种。所述助表面活性剂选自正丙醇、异丁醇、正戊醇、1-己醇(正己醇)和2-己醇和1-辛醇中的一种或多种。

根据本发明，所述水相与表面活性剂的摩尔比W值取自5～30；优选摩尔比W取值为7.5～30；更优选摩尔比W取值为15～30；例如，所述W值取自5、7.5、15、20、30。

根据本发明，步骤2)中含所述表面活性剂、助表面活性剂、油相依次为十六烷基三甲基溴化铵、正己醇、异辛烷。优选地，混合液中含有异辛烷、0.1摩尔/升的CTAB、0.5摩尔/升的正己醇。

根据本发明，在80～200℃下搅拌反应5～300分钟；优选5～100分钟；例如可以在120℃下搅拌反应15分钟。

优选地，步骤3)中采用离心分离；例如，在转速12000rpm下离心分离后获取沉淀，并用乙醇洗涤，得到所需稀土生物有机配位纳米探针。

根据本发明的另一方面，还提供了一种水溶性稀土生物有机配位纳米探针，采用上述任一种的方法制备而成。

根据本发明，所述稀土生物有机配位纳米探针为柔性非晶态，颗粒粒径为25～75nm；优选为20～30nm；疏松多孔结构，孔径为10～14nm，例如12nm。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过反相微乳液法合成稀土配位纳米探针，可通过调节反相微乳液体系中水相与表面活性剂的投料比进而调节颗粒尺寸大小，从而得到了分散性好、稳定性高、尺寸可控的纳米探针，有效克服了目前稀土配位聚合物纳米探针制备过程中存在的易交联、水溶性差、单分散性欠佳等问题。

2)本发明制备的稀土配位纳米探针具有良好的单分散水溶性、稳定性和生物相容性，有利于后期的分析检测和生物医学等领域的应用，纳米探针具备疏松多孔的结构特性，有利于进一步修饰或负载不同的功能分子可使其通过负载不同的功能模块实现功能多样性，克服大多数金属配合物功能单一问题，突破其在精准医疗上的应用限制，实现功能多样性，拓展了纳米探针的应用范围。

3)与现有合成方法相比，本发明的制备方法具有简单易行、重复性好、合成颗粒分散性好、不易交联且经济实用，可以为稀土生物有机配位纳米探针在生物传感、医学成像、药物递送等生物医学领域的应用提供一种简单高效的新方法和相应技术支持。

4)本发明的合成方法对所有稀土元素具有普适性，可以根据不同需要设计合成不同功能类型的稀土配位纳米探针，进一步拓展稀土配合物在生物传感、医学成像、药物递送等一系列生物医学领域的应用范围，具备良好的医学应用前景。

附图说明

图1为采用本发明的方法制备稀土生物有机配位纳米探针的原理示意图。

图2为本发明实施例1中制备出的不同稀土中心的配位聚合物纳米探针的透射电镜图。

图3为本发明实施例1中制备出的不同稀土中心的配位聚合物纳米探针的XRD衍射图样。

图4为本发明实施例1中制备出的不同粒径的稀土生物有机配位纳米探针的透射电镜图。

图5为采用现有的室温合成法和采用本发明的反相微乳液法(反微法)分别合成的稀土生物有机配位纳米探针的宏观及微观(透射电镜)图片对比。

图6为本发明方法合成的稀土生物有机配位纳米探针放置一个月前后的透射电镜对比图。

图7为采用本发明方法合成的稀土生物有机配位纳米探针将样品干燥后的BET(比表面及孔径分析)测试图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。

参考图1-6所示，本发明提供了一种利用反相微乳液合成水溶性稀土生物有机配位纳米探针的方法，包括分别制备包含稀土原料和有机配体原料的反相微乳液，之后将两个反相微乳液混合，形成反相微乳液体系，经一定温度下搅拌反应从而合成纳米探针。反相微乳液体系由表面活性剂、助表面活性剂、油相和水相构成，水相以球形液滴的形式在油相中形成热力学稳定的分散体系。

微乳液是两种不互溶的液体形成的热力学稳定、各向同性、外观透明或半透明的分散体系，微观上是由表面活性剂界面膜所稳定的一种或两种液体的微滴所构成。反相微乳液法(Reversed-phase microemulsion method)是通过寻找一种或多种微乳液的配制方法来合成出不同尺寸和形状的粒子，从而得到所需性质相关材料的一种材料制备方法。

根据本发明，采用反相微乳液法合成纳米探针的步骤包括：

1)分别配制含反应原料稀土盐的水溶液A和含反应原料有机配体三磷酸腺苷的水溶液B；2)配制两份均含表面活性剂、助表面活性剂和油相的等体积油相混合液，将水溶液A和水溶液B分别加入到两份等体积油相混合液中剧烈搅拌，形成体积等同的两组反相微乳液体系；3)将两组反相微乳液体系混合，在一定温度下搅拌反应，冷却至室温后经分离，洗涤后获取产物。步骤2)中剧烈搅拌有利于形成均一、稳定的反相微乳液体系。步骤3)中，将两组反相微乳液体系混合后可以在80～200℃下搅拌反应5～300分钟；优选5～100分钟；例如可以在120℃下搅拌反应15分钟。

优选地，步骤3)中采用离心分离。例如在转速12000rpm下离心分离后获取沉淀，并用乙醇洗涤，得到所需稀土生物有机配位纳米探针。

根据本发明，稀土盐选自稀土硝酸盐、稀土醋酸盐或稀土氯化物中的一种或多种。考虑到水溶性，优选稀土硝酸盐。稀土盐中的稀土元素选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的任意一种或多种。

根据本发明，水溶液A和水溶液B的浓度均为0.01～1摩尔/升。例如，所述水溶液A和水溶液B的浓度可取值0.01、0.05、0.08、0.1、0.25、0.5、0.8、1摩尔/升。本发明限定水溶液的浓度，主要是考虑到合成颗粒的粒径与投料浓度相关，在特定浓度范围内才能得到更为理想的配位纳米探针。本发明中水溶液A和水溶液B的浓度取值可以相同或不同。

根据本发明，水相是分别溶有反应原料三磷酸腺苷(ATP)、稀土盐的水溶液，油相可选自与水互不相容，与反应原料不发生反应，稳定性高的长链烷烃。优选地，所述油相选自异辛烷、正庚烷、正壬烷和正十二烷中的一种或多种。

表面活性剂可增加表面活性，降低水油界面张力，改善颗粒分散性及稳定性。优选地，表面活性剂选自阳离子型表面活性剂、阴离子型表面活性剂或非离子型表面活性剂。作为示例性地，表面活性剂可选自十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)或聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)等。助表面活性剂可增加水油界面膜的流动性，调整表面活性剂的亲水亲油平衡值。作为示例性地，助表面活性剂可选自正丙醇、异丁醇、正戊醇、1-己醇(正己醇)、2-己醇和1-辛醇等中的一种或多种。

根据本发明，水相与表面活性剂的摩尔比记为W，W值优选取自5～30。作为示例性地，W值可以为5、7.5、15、20、30。水相是指加入反应原料后水溶液中水的体积对应的摩尔数，本发明对水相与表面活性剂的摩尔比进行限定，是为了更好地获得粒径可控、尺寸合适的配位纳米颗粒。

根据本发明，步骤2)中所含的表面活性剂、助表面活性剂、油相可以依次为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、正己醇、异辛烷。例如，所述混合液中含有异辛烷、0.1摩尔/升的CTAB和0.5摩尔/升的正己醇。本发明对异辛烷的浓度没有特殊要求。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案

实施例1

采用反相微乳液法制备不同稀土中心的配位聚合物纳米探针。

以稀土硝酸盐、三磷酸腺苷为反应原料，以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、正己醇、异辛烷构成反相微乳液体系的表面活性剂、助表面活性剂、油相，制备方法如下：

1)分别称取适量三磷酸腺苷(ATP)和Ln(NO

2)配制两份体积相同的油相混合液，其中含异辛烷、0.1摩尔/升的CTAB和0.5摩尔/升的正己醇，向油相混合液中分别加入270微升上述步骤1)中配制的浓度为0.1摩尔/升的ATP和Ln(NO

3)将步骤2)中得到的两组混合液剧烈搅拌，形成两组澄清透明的反相微乳液体系，将两组反相微乳液体系混合，得到20mL的反应混合液。

4)将反应混合液置于油浴锅中，在120℃搅拌下反应15分钟，冷却至室温后，以12000rpm转速离心获取沉淀，并用乙醇洗涤三次，得到所需稀土生物有机配位纳米探针。

实施例1中制备得到的不同稀土中心的稀土生物有机配位纳米探针的表征结果见图2和图3，图2为不同稀土中心的配位纳米探针的透射电镜图，从图2中可以看出，采用该方法可以合成不同稀土离子与ATP的配位纳米颗粒，粒径在20～30nm左右，合成颗粒分散性好、尺寸可控，不易交联，具有较好的稳定性。图3为不同稀土中心的配位纳米探针的XRD衍射图样，可以看出不同稀土离子中心的配位纳米颗粒的XRD衍射峰都呈现出大的宽包，没有看到尖锐的特征衍射峰，表明合成的纳米颗粒都是非晶态的，该合成方法对稀土元素均具有普适性，制备所得配位纳米探针均为柔性非晶态。

图5为采用现有的室温合成法和实施例1中反相微乳液法(反微法)合成的稀土生物有机配位纳米探针的宏观及微观(透射电镜)图片对比图，从图5的对比可以看出，采用反相微乳液法相较于室温合成法在微观上拥有更好的分散性，宏观上拥有更好的水溶性。

图6为本发明实施例1中合成的稀土生物有机配位纳米探针放置一个月前后的透射电镜对比图，可以看出，在放置一个月后样品的透射电镜形貌依旧保持较好，说明采用本发明的方法制备的稀土配位纳米探针具有良好的稳定性。

将实施例1中的稀土生物有机配位纳米探针样品干燥后进行BET(比表面及孔径分析)测试，测试结果见图7，样品在干燥后呈现疏松多孔的结构，且孔径大小约在12nm左右。疏松多孔的结构特性可使得纳米探针可以通过负载不同的功能模块实现功能多样性，克服大多数金属配合物功能单一的问题，突破其在精准医疗上的应用限制。

实施例2

以稀土硝酸盐、三磷酸腺苷为反应原料，以十六烷基三甲基溴化铵、正己醇、异辛烷构成反相微乳液体系的表面活性剂、助表面活性剂、油相，采用反相微乳液法，合成方法如下：

1)分别称取适量三磷酸腺苷(ATP)和Ce(NO

2)分别配制六份体积相同的CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)、正己醇、异辛烷油相混合液。

其中六份中每两份的CTAB和正己醇浓度分别相同且各为一组，分为A、B、C三组；A、B、C三组的CTAB浓度分别为0.1摩尔/升、0.075摩尔/升、0.05摩尔/升；正己醇浓度分别为0.5摩尔/升、0.375摩尔/升、0.25摩尔/升。

往A组的两份油相混合液中分别加入270微升上述步骤1)中配制的浓度均为0.1摩尔/升的ATP水溶液和Ce(NO

3)六份混合液经剧烈搅拌，形成六份澄清透明的反相微乳液体系，将A、B、C组内的两份反相微乳液体系两两混合(即A组内的两份反相微乳液体系混合)，得到三组20mL的反应混合液。

4)将三组反应混合液置于油浴锅于120℃下搅拌反应15分钟，冷却至室温后，以12000rpm转速离心获取沉淀，并用乙醇洗涤三次，得到不同粒径的稀土生物有机配位纳米探针。

上述方法制备得到的不同粒径的稀土生物有机配位纳米探针的光学表征图片见图4，其中，A、B、C分别为上述A、B、C组反应条件下制备的纳米探针的透射电镜图，可以看出，通过调节W值(A、B、C分别对应W值15、20、30)可以合成出不同尺度纳米探针(A、B、C分别对应粒径25nm、40nm、75nm)，纳米探针的尺寸随着水相与表面活性剂的比值W增加而增大。因此，采用本发明方法可以通过调节水相和表面活性剂的投料比例对合成的稀土生物有机配位纳米探针的粒径进行调控。

以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。