專利名稱：一種氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的摻雜方法
技術領域：
本發(fā)明屬于熒光納米材料的技術領域，特別涉及一種氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的高效摻雜方法。
背景技術：
染料摻雜二氧化硅納米粒子具有較高的光穩(wěn)定性，不易發(fā)生光降解或者光漂白現(xiàn)象，并且二氧化硅作為介質(zhì)生物相容性好，表面易于功能化。因此，染料摻雜二氧化硅納米粒子在生物技術領域有著廣闊的應用前景。氨基活性類染料(異硫氰根熒光素(FITC)，四甲基羅丹明異硫氰酸鹽(TRITC，tetramethylrhodamine isothiocyanate)，5_羧基羅丹明 6G琥珀酰亞胺酯(5-carboxyrhodamine 6G, succinimidyl ester)作為常用的一種商業(yè)化染料，其具有較高的量子產(chǎn)率，是生物技術領域中應用非常普遍的一種染料。目前氨基活性類染料通常是通過硅烷偶聯(lián)劑(如APQ摻雜到二氧化硅粒子中，即利用染料中的氨基活性類基團與硅烷偶聯(lián)劑中的氨基發(fā)生共價反應，形成共價前驅(qū)體，再利用Stober體系中硅烷偶聯(lián)劑與正硅酸乙酯的共同水解、縮聚作用將染料摻雜到二氧化硅介質(zhì)中。但是由于正硅酸乙酯的水解速率比硅烷偶聯(lián)劑APS快5倍，因此在水解縮聚過程中，正硅酸乙酯會優(yōu)先水解縮聚成核，而偶聯(lián)有染料的硅烷偶聯(lián)劑APS由于水解速率慢的原因，無法有效的摻雜到二氧化硅粒子中。其次，由于Stober體系中氨水的存在，APS與染料之間的共價鍵會發(fā)生斷裂， 也會影響染料的摻雜效率。因此這種方法的摻雜效率十分低，通常只有10%左右。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有氨基活性類染料摻雜效率低的不足，提出一種氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的高效摻雜方法。該方法通過種子偶聯(lián)法實現(xiàn)染料在二氧化硅納米粒子表面的高效偶聯(lián)，并通過預水解快速包覆的方法減少了染料的脫落，最終實現(xiàn)了染料在二氧化硅納米粒子中的高效摻雜。本發(fā)明的一種氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的高效摻雜方法包括有二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾，染料的共價偶聯(lián)、二氧化硅殼層包覆的工藝過程所述的二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾，是通過硅烷偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(APQ的水解和縮合，進行二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾?？梢詫tober法制得的二氧化硅納米粒子溶解在乙醇溶劑中，其中氨水的質(zhì)量百分含量是0. 046%，乙醇與水的質(zhì)量比是40 1，APS百分含量為0.1%，反應溫度是40°C，反應時間是12小時。所述的染料的共價偶聯(lián)，是指表面氨基修飾后的二氧化硅納米粒子在乙醇中與氨基活性類的染料分子共價偶聯(lián)，反應10小時，反應可以避光進行。所述的二氧化硅殼層包覆，是將經(jīng)過染料偶聯(lián)的二氧化硅納米粒子加入到經(jīng)過預水解的Stober體系當中，反應6小時，經(jīng)過二氧化硅物種的吸附以及生長，最終得到染料摻雜二氧化硅復合粒子。本發(fā)明的具體技術方案敘述如下
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一種氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的摻雜方法，有二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾，染料的共價偶聯(lián)、二氧化硅殼層包覆的工藝過程；所述的二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾，是將二氧化硅納米粒子分散在乙醇、氨水和水的混合液中，加入硅烷偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)，在38 42°C水浴中攪拌反應6 10小時，離心提純后得到氨基修飾的二氧化硅粒子，其中混合液按體積比是乙醇氨水水為100 4 16 2 4，每100毫升混合液中加入1. 07 2. 24克二氧化硅納米粒子和62 76 μ 1硅烷偶聯(lián)劑；所述的染料的共價偶聯(lián)，是將氨基修飾的二氧化硅粒子分散在乙醇中，加入濃度為0. 2 1. Omg/mL的氨基活性類染料的乙醇溶液，38 42°C水浴中攪拌反應10 14小時，離心提純后得到染料偶聯(lián)的二氧化硅納米粒子，其中每IOOmL乙醇中加入1. 34 2. 68g 氨基修飾的二氧化硅粒子和ImL氨基活性類染料的乙醇溶液；所述的二氧化硅殼層包覆， 是將染料偶聯(lián)的二氧化硅納米粒子加入到預水解的Stober體系當中反應5 7小時，得到染料摻雜的二氧化硅納米粒子，其中每IOOmL Stober體系中加入染料偶聯(lián)的二氧化硅納米粒子 4. O 8. lg。所述的二氧化硅納米粒子可以用現(xiàn)有的制備方法得到。也可以通過Stober反應制得，其中反應液中正硅酸乙酯的質(zhì)量百分含量是0. 059 0. 118%，氨水的質(zhì)量百分含量是 0.046 0. 184%，乙醇與水的質(zhì)量比是40 20 1，反應溫度是40°C，反應時間是12小時。最終粒徑為40 200nm。所述的氨基活性類染料可為異硫氰根熒光素(FITC)、四甲基羅丹明異硫氰酸鹽(TRITC，tetramethylrhodamine isothiocyanate)或 5-羧基羅丹明 6G 琥珀酰亞胺酯 (5-carboxyrhodamine 6G, succinimidyl ester)等。在二氧化娃殼層包覆過程中，預水角軍的Stober體系是有機硅源在醇水體系中，氨水催化下，反應20分鐘形成的反應體系；預水解的Stober體系中的有機硅源為正硅酸乙酯，濃度為0. 089M，氨的濃度為1. 6M，醇水體系中的醇、水體積比為50 1。本發(fā)明的一種氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的高效摻雜方法，可以實現(xiàn)染料在二氧化硅粒子中的高效摻雜，適用于所有氨基活性類染料在二氧化硅中的摻雜，并且粒子的形貌，尺寸易于控制，所得粒子的發(fā)光性質(zhì)好。本發(fā)明通過種子偶聯(lián)與預水解快速包覆相結合的方法，將氨基活性類染料摻雜在二氧化硅粒子中，通過種子偶聯(lián)、預水解包覆的有效結合，可顯著提高氨基活性類染料在二氧化硅粒子中的摻雜效率，相對于傳統(tǒng)方法，可有效的將摻雜效率從10%提高至70%。該方法摻雜效率的提高是由于(1)通過種子偶聯(lián)法將TEOS的水解與APS的水解分開進行，消除了二者由于水解速率差異導致的摻雜效率低的問題。如圖1所示，通過該方法進行偶聯(lián)后，體系中上清幾乎沒有染料存在，說明該方法偶聯(lián)效率非常高，接近100%，另外紅外譜圖也證明了氨基活性類染料FITC已經(jīng)修飾在了二氧化硅表面。(2)采用預水解快速包覆的方法有效的減少了包覆過程中FITC的脫落，進一步提高了染料的摻雜效率。如圖2所示，如果只采用種子偶聯(lián)法而不經(jīng)過預水解，染料的摻雜效率為37%，這是因為部分偶聯(lián)在二氧化硅表面的FITC在包覆過程中脫落的原因。而本發(fā)明同時采用種子偶聯(lián)法和預水解法時，染料的摻雜效率可以達到70%。


圖1為本發(fā)明實施例6得到的反應體系上清及最終粒子(溶去SiO2)的吸收光譜。圖2是本發(fā)明實施例6所得的偶聯(lián)后粒子及氨基活性類染料FITC的紅外譜圖。圖3是本發(fā)明實施例6中所加染料濃度下的染料溶液的吸收，分別給出經(jīng)過預水解及未經(jīng)過預水解的摻雜入二氧化硅納米粒子的染料的吸收。
具體實施例方式實施例1 二氧化硅納米粒子的制備(1)在250mL三頸瓶中加入IOOmL乙醇，4mL氨水，2mL水，5mL TE0S，機械攪拌下于 40°C水浴中反應12小時，攪拌速度為150rpm，離心提純后得到平均粒徑為40nm的二氧化硅納米粒子。實施例2 二氧化硅納米粒子的制備O)在250mL三頸瓶中加入IOOmL乙醇，16mL氨水，4mL水，IOmL TEOS,機械攪拌下于 40°C水浴中反應12小時，攪拌速度為150rpm，離心提純后得到平均粒徑為200nm的二氧化
硅納米粒子。實施例3 二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾(1)將按照實施例1制得的二氧化硅納米粒子1. 34g分散在IOOmL乙醇，4mL氨水，2mL 水的混合液中，加入80μ 1APS，40°C水浴中反應時間8小時，攪拌速度200rpm，離心提純后得到平均粒徑40nm氨基修飾后的二氧化硅粒子。實施例4 二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾O)將按照實施例2制得的二氧化硅納米粒子2. 68g分散在IOOmL乙醇，16mL氨水， 4mL水的混合液中，加入80 μ IAPS, 40°C水浴中反應時間8小時，攪拌速度200rpm，離心提純后得到平均粒徑200nm氨基修飾后的二氧化硅粒子。實施例5 粒子與染料的共價偶聯(lián)(1)將按照實施例3制得的氨基修飾的二氧化硅粒子1. 34g分散在IOOmL乙醇中，加入0. 2mg異硫氰根熒光素(提前溶解于ImL乙醇)，機械攪拌下，40°C水浴中反應12小時， 離心提純后得到染料偶聯(lián)后的二氧化硅納米粒子。實施例6 粒子與染料的共價偶聯(lián)O)將按照實施例3制得的氨基修飾的二氧化硅粒子1. 34g分散在IOOmL乙醇中，加入1. Omg異硫氰根熒光素(提前溶解于ImL乙醇)，機械攪拌下，40°C水浴中反應12小時， 離心提純后得到染料偶聯(lián)后的二氧化硅納米粒子。實施例7 粒子與染料的共價偶聯(lián)(3)將按照實施例4制得的氨基修飾的二氧化硅粒子2. 68g分散在IOOmL乙醇中，加入0. 2mg異硫氰根熒光素(提前溶解于ImL乙醇)，機械攪拌下，40°C水浴中反應12小時， 離心提純后得到染料偶聯(lián)后的二氧化硅納米粒子。實施例8 粒子與染料的共價偶聯(lián)將按照實施例4制得的氨基修飾的二氧化硅粒子2. 68g分散在IOOmL乙醇中，加入1. Omg異硫氰根熒光素(提前溶解于ImL乙醇)，機械攪拌下，40°C水浴中反應12小時， 離心提純后得到染料偶聯(lián)后的二氧化硅納米粒子。
實施例9 粒子與染料的共價偶聯(lián)(5)將實施例5 實施例8中的異硫氰根熒光素換成四甲基羅丹明異硫氰酸鹽或 5-羧基羅丹明6G琥珀酰亞胺酯等，其余條件不變，同樣可以得到染料偶聯(lián)后的二氧化硅粒子。實施例10 二氧化硅殼層包覆將按照實施例5 實施例9得到的偶聯(lián)有染料的二氧化硅納米粒子1. 34 2. 68g 加入到預水解20分鐘后的St0ber體系當中(30mL乙醇，0. 6mL水，2mL氨水，0. 6mL TE0S)反應6小時得到相應染料摻雜二氧化硅納米粒子。
權利要求
1.一種氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的摻雜方法，有二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾，染料的共價偶聯(lián)、二氧化硅殼層包覆的工藝過程；所述的二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾，是將二氧化硅納米粒子分散在乙醇、氨水和水的混合液中，加入硅烷偶聯(lián)劑 3-氨丙基三乙氧基硅烷，在38 42°C水浴中攪拌反應6 10小時，離心提純后得到氨基修飾的二氧化硅粒子，其中混合液按體積比是乙醇氨水水為100 4 16 2 4， 每100毫升混合液中加入1. 07 2. 24克二氧化硅納米粒子和62 76 μ 1硅烷偶聯(lián)劑； 所述的染料的共價偶聯(lián)，是將氨基修飾的二氧化硅粒子分散在乙醇中，加入濃度為0. 2 1. Omg/mL的氨基活性類染料的乙醇溶液，38 42°C水浴中攪拌反應10 14小時，離心提純后得到染料偶聯(lián)的二氧化硅納米粒子，其中每IOOmL乙醇中加入1. 34 2. 68g氨基修飾的二氧化硅粒子和ImL氨基活性類染料的乙醇溶液；所述的二氧化硅殼層包覆，是將染料偶聯(lián)的二氧化硅納米粒子加入到預水解的Stober體系當中反應5 7小時，得到染料摻雜的二氧化硅納米粒子，其中每IOOmL Stober體系中加入染料偶聯(lián)的二氧化硅納米粒子4. O 8. Ig0
2.根據(jù)權利要求1所述的氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的摻雜方法，其特征在于，所述的氨基活性類染料可為異硫氰根熒光素、四甲基羅丹明異硫氰酸鹽或5-羧基羅丹明6G琥珀酰亞胺酯。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的摻雜方法， 其特征在于，在二氧化硅殼層包覆過程中，預水解的Stober體系是有機硅源在醇水體系中， 氨水催化下，反應20分鐘形成的反應體系；預水解的Stober體系中的有機硅源為正硅酸乙酯，濃度為0. 089M，氨的濃度為1. 6M，醇水體系中的醇、水體積比為50 1。
全文摘要
本發(fā)明的一種氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中的摻雜方法屬于熒光材料的技術領域。工藝包括二氧化硅納米粒子表面的氨基修飾，染料的共價偶聯(lián)、二氧化硅殼層包覆的過程。通過種子偶聯(lián)法得到表面高效偶聯(lián)染料的二氧化硅種子粒子，再將種子粒子加入到經(jīng)過預水解的體系中，通過體系中寡聚體與初級粒子在種子粒子表面的快速聚集實現(xiàn)對種子粒子的二氧化硅殼層包覆。本發(fā)明通過將TEOS與APS的水解過程分開進行實現(xiàn)了染料到硅球表面的高效偶聯(lián)，并通過預水解快速包覆硅層的方法減少了染料的脫落，實現(xiàn)了氨基活性類染料在二氧化硅納米粒子中高效摻雜的目的。
文檔編號C09K11/06GK102433113SQ20111028496
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權日2011年9月23日
發(fā)明者徐建全, 李軍, 楊文勝, 梁經(jīng)綸, 薛崢, 鄭惟時 申請人:吉林大學