聚苯胺磁性微球连接荧光量子点制备磁性荧光双功能微球

技术领域

本发明属于生物医学、分析化学、纳米材料科学、合成化学技术领域， 具体涉及一种聚苯胺磁性微球连接荧光量子点制备磁性荧光双功能微球。

背景技术

随着医学技术的进步，对生物材料的要求的提高，具有分离功能的纳米 磁性材料和优异荧光标记功能的量子点是研究较多的两类材料。近年来,磁 性复合微球越来越受到人们的关注,其作为性能优异的功能高分子材料在核 磁共振、固定化酶、靶向药物、细胞分离和免疫分析等方面显示出强大的生 命力。

量子点(quantumdots，又称半导体纳米晶体)，它是由II-VI族和III-V 族元素组成的无机纳米颗粒，其尺度约为2～10纳米，由于量子尺寸效应和 介电限域效应使它们表现具有独特的光致发光性能。量子点的发射光强是常 规有机荧光染料的20倍，稳定性比常规的有机荧光染料强100倍以上，且 可以经受多次激发，实现一元激发多元发射，进行不同靶向目标的多色标记。 这些鲜明的特性和独特的应用功能使量子点广泛应用于免疫分析，基因分 析，药物筛选，活体及细胞荧光成像等领域。量子点在生物化学等学科的研 究和发展已被科学工作者关注，也已成为一个前途广阔的研究方向。如果可 以解决不同种类的量子点的毒性，以及与细胞、酶等分子间的偶联问题，那 么量子点就能够代替很多传统的染料分子，继而成为最有前途的生物荧光探 针。

国际上将三维空间中至少有一个维度处于1-100nm尺度范围内的材 料，以及由其为基本单元所构成的具有纳米特性的一类材料，统称为纳米材 料。而把磁性材料颗粒制备到纳米级别称为磁性纳米材料，传统的磁性材料 和纳米磁性材料，不仅仅是颗粒的大小发生了变化，而且发生的质的变化。 表现出与传统磁性颗粒不同的物理化学特性，如低居里温度、超顺磁性、高 矫顽力、高磁化率等。随着磁性纳米材料的深入发展，单一磁性性能不能满 足生物学方面的应用，将磁性和荧光的性能合二为一是大势所趋，能够解决 磁性分离和荧光标记，解决了单一荧光标记物在标记后无法分离而在应用上 受到较大限制的难题。其结合形成的荧光磁性复合颗粒，集选择、标记、分 离、检测等功能为一体，可广泛应用于免疫检测、靶向治疗、细胞分离等领 域，展现了其在生物、化学、医学等交叉科学领域良好的应用前景。

标记和分离已经成为现代生物医学工程领域中的重要工作，如果标记和 分离的工作能一步完成，必将极大地推动生物科学技术的发展。本发明因此 而来。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁性荧光双功能纳米复合微球的制备方法，通 过制备磁性纳米粒子，并用聚苯胺包裹磁性纳米粒子，通过聚苯胺分子表面 的功能性基氨基连接巯基乙酸修饰后的荧光纳米材料量子点，得到具有磁性 荧光双功能的纳米复合微球。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种磁性荧光双功能纳米复合微球，其特征在于所述微球具有以下组 成：

聚苯胺磁性微粒，通过磁性纳米粒子表面包裹聚苯胺分子形成；

荧光量子点，其粒径在2～10nm，表面修饰带有羧基基团；

所述聚苯胺磁性微粒与荧光量子点通过聚苯胺分子表面的功能性氨基 与荧光量子点的羧基基团通过化学偶联连接。

优选的，所述磁性荧光双功能纳米复合微球的粒径在20～100nm范围内。

优选的，所述微球为规则或不规则的球形、方形以及椭圆形的颗粒。

优选的，所述荧光量子点选自纳米级的CdTe、CdSe、InP、InAs、 CdSe/CdS、CdSe/ZnS、CdSe/ZnSe、CdTe/ZnS、CdHgTe/ZnS、HgTe/HgCdS 量子点的一种或两种以上的任意组合。

优选的，所述磁性纳米粒子为超顺磁、顺磁或铁磁性的金属、金属合金 或金属氧化物纳米粒子。

优选的，所述磁性纳米粒子选自Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃、MeFe₂O₃、NiCoFe、 FeCo和NiFe的纳米磁性粒子，其中Me为Co、Mn、Ni。

本发明的另一目的在于提供一种所述磁性荧光双功能纳米复合微球的制备 方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）制备表面修饰带有羧基基团的荧光量子点，粒径为2-10nm；

（2）制备磁性纳米粒子；

（3）用聚苯胺包裹磁性纳米粒子，得到表面带有功能性氨基的聚苯胺 磁性微粒；

（4）使表面带有功能性氨基的聚苯胺磁性微粒连接上带羧基的荧光量 子点，得到磁性荧光双功能纳米复合微球。

优选的，所述方法步骤（3）中磁性纳米粒子表面包裹聚苯胺分子是在 水包油体系中合成的，所用包覆体系为O/W相。

优选的，所述方法步骤（3）中磁性纳米粒子表面包裹聚苯胺分子按照 以下步骤进行：

（1）将磁性纳米粒子均匀分散在含有吐温20、司盘S-80、十二烷基苯 磺酸钠（SDS）的蒸馏水中，搅拌分散均匀；

（2）按比例加入苯胺，搅拌后超声波处理得到稳定的O/W细乳液；

（3）从混合液体中除去氧气，加入十二磺基苯磺酸（DBSA）后剧烈搅 拌；逐滴加入水引发苯胺聚合，使得磁性纳米粒子表面包裹聚苯胺分子。

优选的，可以按照如下步骤进行：

称取先前制备好的OA/Fe₃O₄0.31g,0.14g的十二烷基苯磺酸钠（SDS） 分别量取0.2g吐温20和0.05g司盘（Span）S-80于10ml蒸馏水中搅拌均 匀倒入到250ml的三口烧瓶中，加入45ml的水。使其充分溶解均匀。添加 4.95g苯胺，继续搅拌1h,然后超声波处理10min,得到稳定的O/W细乳液（保 持低温以免聚合）。细乳液中通入氩气20min除去细乳液中的氧气，加入5ml 浓度约为0.01mol/L的十二磺基苯磺酸（DBSA），剧烈搅拌。随后小心逐滴 加入6.87g/10g水，引发苯胺聚合，6h后聚合物在磁铁的帮助下，用蒸馏水 和乙醇反复洗涤，在室温下自然风干，得到聚苯胺磁性微球。

本发明所属技术领域为生物医学、分析化学、纳米材料科学、合成化学。 本发明的磁性荧光双功能纳米复合微球，它由高分子聚苯胺包裹一个或多个 磁性微粒，通过聚苯胺分子表面的功能性氨基连接2—10nm的荧光纳米材料 量子点。其中荧光纳米量子点至少为CdTe、CdSe、InP、InAs、CdSe/CdS、 CdSe/ZnS、CdSe/ZnSe、CdTe/ZnS之一。

磁性纳米材料为：超顺磁、顺磁或铁磁性的金属或金属氧化物。包裹磁 性纳米粒子的反应试剂为：吐温20、司盘（Span）80、十二烷基苯磺酸钠、 苯胺。荧光纳米量子点为水溶性的，磁性纳米材料是在水相合成的。

磁性荧光双功能纳米复合微球为规则或不规则的球形、方形以及椭圆形 的颗粒。合成的磁性荧光双功能纳米复合微球的直径分布在30-40纳米左右。

磁性荧光双功能纳米复合微球的具体的制备方法如下：

（1）制备荧光量子点，粒径为2-10nm；

（2）制备磁性纳米粒子；

（3）在磁性纳米粒子表面包裹聚苯胺，得到表面带有氨基的聚苯胺磁 性微粒；

（4）将得到的表面带有功能性氨基的磁性微粒分别连接上CdSe/CdS、 CdTe量子点,得到磁性荧光双功能微球。

包覆后的磁性纳米粒子为水溶性的，聚苯胺磁性微粒是在水包油体系中 合成的，所用包覆体系为O/W相。修饰后的荧光量子点为水溶性的，磁性 荧光纳米粒子是在水相中合成的。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明公开了一种磁性荧光双功能磁性微球及其制备方法，主要通过在 磁性纳米粒子表面包裹上聚苯胺大分子，通过聚苯胺分子末端的功能氨基成 功的连接了荧光纳米材料量子点，得到了具有磁性荧光双功能的纳米微球。 本发明的磁性荧光纳米微球物既保留了量子点优异的荧光特性,有具有磁性 粒子的超顺磁性，通过简单的外加磁场即可进行采集和分离。这种双功能荧 光磁性微粒可应用于免疫检测、靶向治疗、细胞分离等领域。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为聚苯胺分子结构示意图。

图2为磁性纳米粒子和量子点连接路线图。

图3为磁性荧光双功能纳米复合微球的能谱谱图。

图4为磁性荧光双功能纳米复合微球的实时分布照片和荧光显微镜照 片。

图5为磁性荧光双功能纳米复合微球的透射电镜照片。

图6室温下由振动样品磁强计得到的磁化率曲线；其中a为Fe₃O₄；

b为磁性荧光双功能纳米复合物。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是 用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以 根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的 条件。

实施例1Fe₃O₄/CdSe/CdS磁性荧光双功能纳米复合微球的制备

1、制备荧光量子点，控制粒径为2-10nm。

以硒化镉外包裹硫化镉（CdSe/CdS）为例，合成硒化镉外包裹硫化镉 （CdSe/CdS），并进行修饰，具体制备方法如下：

通过文献方法（Diao,X.L.;Xia,Y.S.;Zhang,T.L.;Li,Y.;Zhu,C.Q. J.Anal.Bioanal.Chem.2007,388,1191），采用油相合成CdSe量子点。将一 定量的CdO加入到油酸和液体石蜡中放入三颈瓶加热搅拌，在150℃时候 CdO溶解生成均匀淡黄色的Cd溶液。将Se粉放入液体石蜡中快速搅拌， 加热到220℃（在另一只三口烧瓶中），溶液先变成橘红色然后变成红色。将 Cd溶液轻轻地注射到Se溶液中，同时快速搅拌，当注射完后温度降到210℃， 最后温度维持在220℃。同时称取一定量S粉，NaHB4固体溶于30ml的无 水乙醇加到圆底烧瓶中，通入N2加热搅拌。大约十分钟后将生成的H₂S气 体通入前面生成的CdSe溶液中，继续加热搅拌半个小时后即生成CdSe/CdS  QDs。

取一定量上述量子点于小烧杯中,加入30mL正己烷,置于磁力搅拌 器上搅拌,至CdSe/CdS全部溶解。将溶液用高速离心机进行离心分离,留 取上层清液。取过量的巯基乙酸加入清液中,继续搅拌30min。静置得到红 色巯基乙酸稳定的CdSe/CdS沉淀,移去上清,并用正己烷洗涤2～3次。 将沉淀风干后溶于乙醇溶液,即得到水溶性的红色透明CdSe/CdS溶液。

2、制备磁性纳米粒子。

用化学共沉淀法制备Fe₃O₄纳米粒子，具体方法如下：

通过文献方法（Hong,R.-Y.;Wang,J.;Li,J.-H.;Li,H.-Z.Chin.J. Process Eng.2004,4,472）。氯化铁FeCl₃（7.29克，0.045摩尔）FeSO₄·7H₂O （8.35克，0.03摩尔）首先分别溶解在40毫升蒸馏水中，倒入通高纯氩气 的三口瓶中，在80℃下剧烈搅拌，随后逐滴加入新配置的NaOH溶液，调 节至溶液PH为11左右，此时溶液呈现黑色。熟化30min后，滴加2g油酸， 继续反应3个小时得到黑色沉淀物，把三口烧瓶里的物料倒入到烧杯中，在 磁铁的帮助下进行磁性分离，并用无水乙醇和蒸馏水洗涤数次，得到 OA/Fe₃O₄纳米粒子，产物在烘箱中烘干备用（OA,oleic acid,油酸）。

3用微悬浮方法制备聚苯胺包裹的OA/Fe₃O₄

称取先前制备好的OA/Fe₃O₄0.31g,0.14g的十二烷基苯磺酸钠（SDS） 分别量取0.2g吐温20和0.05g司盘（Span）S-80于10ml蒸馏水中搅拌均 匀倒入到250ml的三口烧瓶中，加入45ml的水。使其充分溶解均匀。添加 4.95g苯胺，继续搅拌1h,然后超声波处理10min,得到稳定的O/W细乳液（保 持低温以免聚合）。细乳液中通入氩气20min除去细乳液中的氧气，加入5ml 浓度约为0.01mol/L的十二磺基苯磺酸（DBSA），剧烈搅拌。随后小心逐滴 加入6.87g/10g水，引发苯胺聚合，6h后聚合物在磁铁的帮助下，用蒸馏水 和乙醇反复洗涤，在室温下自然风干，得到聚苯胺磁性微球。

4聚苯胺磁性微粒连接CdSe/CdS量子点

取足量的EDC活化过的巯基乙酸修饰过的CdSe/CdS溶液于称量瓶中， 称取少量的吐温20、司盘（Span）-80为稳定剂所做的聚苯胺包裹的 OA/Fe₃O₄，先超声10min,然后放到恒温摇床摇两个小时后，少量量子点有 所沉淀，当磁铁靠近时量子点也跟着移动，说明量子点已经吸附上去了。在 磁铁帮助下进行分层，用针管吸干上层溶液，瓶底吸附磁铁的量子点用少量 蒸馏水洗涤一次，再次吸干。加入适量的PBS缓冲溶液保存备用。

实施例2Fe₃O₄/CdTe磁性荧光双功能纳米复合微球的制备

具体步骤大致同实施例1，区别主要在于所用的量子点为巯基乙酸修饰 后的CdTe。

（1）巯基乙酸修饰后的CdTe的制备方法如下：

1、Te前体的制备

分别取80mgTe粉、50mgNaBH₄加入到小瓶中，封闭瓶口，用针筒注 入1ml蒸馏水。用生胶带密封瓶口，然后在瓶塞上插入一个针头使反应产生 的H₂排出去。将小瓶在0℃反应8小时，可以观察到黑色Te粉消失,上层 为无色NaHTe溶液,下层为Na₂B₄O₇白色沉淀。

2、Cd前体的制备

取0.2854g(1.25×10-3mol)CdCl₂·2.5H₂O溶于100ml蒸馏水加入三口 烧瓶中，快速搅拌下加入219μl巯基乙酸(TGA)。混合均匀后用1mol/L NaOH 调节调节溶液PH值至8-11。用N₂将溶液在密闭体系中脱氧30min。

3.CdTe量子点的制备

在适当的搅拌速度下，向溶液中加入新制备的无氧NaHTe溶液，将反 应液加热到96℃,冷凝回流。各反应物的摩尔比为Cd²⁺﹕NaHTe﹕TGA=1 ﹕2.4﹕0.5。反应120min后停止加热。将得到的产品冷却，然后加入无水乙 醇使量子点絮凝出来，过滤，将固体溶于水即得到纯净的CdTe QDs。

取一定量上述量子点于小烧杯中,加入30mL正己烷,置于磁力搅拌 器上搅拌,至CdTe QDs全部溶解。将溶液用高速离心机进行离心分离,留 取上层清液。取过量的巯基乙酸加入清液中,继续搅拌30min。静置得到红 色巯基乙酸稳定的CdTe沉淀,移去上清,并用正己烷洗涤2～3次。将沉 淀风干后溶于乙醇溶液,即得到水溶性的红色透明CdTe溶液。

（2）聚苯胺磁性微粒连接上CdTe量子点

取半小瓶水相量子点，加入100μl的EDC（1-乙基-3-(3-二甲氨丙基) 碳二亚胺盐酸盐）反应5min后，称取少量的吐温20、司盘（Span）-80为 稳定剂所做的聚苯胺包裹的OA/Fe₃O₄，先超声10min,然后放到恒温摇床摇 两个小时后，少量量子点有所沉淀，当磁铁靠近时量子点也跟着移动，说明 量子点已经吸附上去了。盖上瓶盖，置于数显恒温摇床中反应8h。

实施例3Fe₃O₄/CdSe/CdS磁性荧光双功能纳米复合微球的性能研究

本实施例以实施例1得到的Fe₃O₄/CdSe/CdS磁性荧光双功能纳米复合 微球为例研究获得的纳米复合微球的一些性能。经透射电镜、荧光显微镜、 磁性能测定研究了荧光磁性双功能微球的发光性能与磁性能等。

图3为磁性荧光双功能纳米复合微球的能谱谱图。图4为 Fe₃O₄/CdSe/CdS磁性荧光双功能纳米复合微球的实时分布照片和荧光显微 镜照片。图5为Fe₃O₄/CdSe/CdS磁性荧光双功能纳米复合微球的透射电镜 照片。用TEM对CdSe/CdS QDs和磁性荧光双功能纳米复合微球的表观形 貌以及颗粒大小进行分析。图4为磁性荧光双功能纳米复合微球的TEM图 像，可以观察到在树状分子修饰后的Fe₃O₄表面均匀的连接了一层CdSe/CdS QDs，其平均粒径约为30-40nm。

用振动样品磁强计（VSM）测定了产品的磁性能。室温下Fe₃O₄和磁性 荧光双功能纳米复合微球的磁化曲线如图6所示。由曲线可以看出，样品无 剩磁和矫顽力，展现出了典型的超顺磁性。Fe₃O₄纳米颗粒的饱和磁化强度 为56.54emu/g，而磁性荧光双功能纳米复合微球的饱和磁化强度分别为 17.925emu/g。其磁性能减弱，这是Fe₃O₄表面无磁性的功能性基团本身对 样品的磁性也有一定的影响。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技 术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护 范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。