染料掺杂二氧化硅核壳结构纳米粒子

的研究简介

牛卫芬

2013.3.30

理想的荧光标记物应当具有发光效率高、物理化学性质稳定、分子量小和易于化学修饰标记等特性。

几种免疫荧光生物标记材料优缺点对比荧光材料 优点 缺点有机染料 应光强、易于生物偶联、已经商

品化需特定波长激发、易于氧化漂白、激发光谱和发射光谱交叠，灵敏度不高， Stokes 位移小

QDs 激发光谱宽、发射光谱窄、荧光强、 Stokes 位移大，光稳定性高、可以多色标记

生物兼容性不好，有一定毒性

UCNPs 窄带发射、大 Stokes 位移、光学性质稳定、信噪比高、无光漂白、多色标记，受环境影响小，灵敏度高

生物兼容性不好，量子产率低

一、常见荧光探针及其优缺点

二、染料掺杂二氧化硅纳米粒子

球形二氧化硅纳米粒子通常都是通过以下两种方法制得：

微乳液法、溶胶－凝胶法 反相微乳液技术主要是在可控的水溶液环境中，

利用表面活性剂在非极性溶剂中形成的胶束，来得到单分散的球形粒子。

不足：非共价键结合染料和二氧化硅，染料容易从二氧化硅基质中泄漏，增加了背景荧光信号并使得染料直接面对溶剂的影响。更重要的是这种合成方法的产量比较低，并且需要在合成的后阶段洗去表面活性剂以防在生物应用中产生不良影响，这是因为表面活性剂对生物膜有解离的破坏作用。

1. 球形二氧化硅纳米粒子的合成方法

[1] A. van Blaaderen*, A. Vrij. Langmuir, 1992, 8: 2921-2931.

溶胶－凝胶法： 20 世纪初 60 年代后期， Stober

等人在硅烷氧基的溶胶 - 凝胶化学的基础上，发展了用较温和的方法生长单分散球形二氧化硅纳米粒子（在 100nm 左右）。Stober 方法包含了四乙氧基硅烷（ TEOS ）在乙醇溶液中用氨水催化的水解和缩聚，合成单分散球形表面带有负电荷、稳定性强的粒子。 1992 年， Van Blaaderen 小组首次将这种方法拓展到了将有机染料通过共价作用与活性的硅烷偶联剂偶联后，掺杂到了二氧化硅纳米粒子中 [1] 。

图解 1 FITC 与 APTMS 反应机理 (A) ， TEOS 与 APTMS 水解及聚合反应机理 (B)

2. 染料掺杂二氧化硅纳米粒子的合成原理 [2]

[2] XIE Chun-Juan, YIN Dong-Guang,* LI Jian, et al. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2010, 38(4): 488–492.

文献报道共价交联 SiO2 和有机物的方式：

[3] Nanotoday, 2007, 2: 44-50.

[4] Erik Herz, Thomas Marchincin, Ulrich Wiesner*, et al. J Fluoresc, 2010, 20:67–72.

[5] Kishore Natte, Thomas Behnke, Guillermo Orts-Gil, et al. J Nanopart Res, 2012, 14: 680-689.

[6] Boiko Cohen, Cristina Martin, Srikant K. Iyer, Ulrich Wiesner, Abderrazzak Douhal*. Chem. Mater., 2012, 24: 361−372.

[7] Hooisweng Ow, Daniel R. Larson, Mamta Srivastava, Barbara A. Baird, Watt W. Webb, Ulrich Wiesner*. Nano Lett., 2005, 5(1): 113–117.

染料掺杂二氧化硅纳米粒子的发光亮度较纯染料有很大提高，主要是两点原因：一个是每个染料的量子产率增加，另一个是单个粒子中的染料个数增加。二氧化硅环境不仅可以增强量子产率，还可以隔离相邻的染料，从而避免染料之间的能量转移和淬灭 。

3. 染料掺杂二氧化硅纳米粒子的性能

Fig. Absorption and emission spectra for (a) free TRITC dye in water (black) and ethanol (grey) and (b) core–shell TRITC-based silica nanoparticles in water (black) and ethanol (grey) showing the decreased solvatochromic shifts induced by the protective core–shell architecture, (c) Photobleaching measurements of fluorescein (light grey), TRITC free dye (dark grey) and TRITC-based C dots (black) showing the enhanced stability of the core–shell particle architecture, and (d) a comparison of the brightness of free TRITC dye with same-sized C dots and quantum dots in water at the same optical density [2].

粒子发光颜色的调控 [7]

[7] Hooisweng Ow, Daniel R. Larson, Mamta Srivastava, Barbara A. Baird, Watt W. Webb, Ulrich Wiesner*. Nano Lett., 2005, 5(1): 113–117.

粒子尺寸的调控 [8]

[8] Andrew Burns, Hooisweng Ow, Ulrich Wiesner*. Chem. Soc. Rev., 2006, 35, 1028–1042.

粒子组装行为的调控 [8]

核壳结构的粒子可以通过控制壳厚度来更好的调控粒子间的相互作用。当壳厚度超过能量转移的 Forster 半径时，可以避免染料掺杂核之间的相互作用，同时提供高密度发光点的堆积，得到最大的发光强度。

[8] Andrew Burns, Hooisweng Ow, Ulrich Wiesner*. Chem. Soc. Rev., 2006, 35, 1028–1042.

4. 双色染料掺杂的比率型荧光探针 [9]

这种结构分布不但有益于染料掺杂到二氧化硅基质中，还能够最大限度地将传感染料分布于粒子大的比表面积上，从而比将参比和灵敏的两种染料分子均匀地掺杂到整个粒子中，能够提供更灵敏和更单一的信号。另外，将染料共价掺杂到二氧化硅中使得染料泄漏更少，背景干扰更低。

[9] Andrew Burns, Prabuddha Sengupta, Tara Zedayko, Barbara Baird, Ulrich Wiesner*. small, 2006, 2(6): 723–726.

[9] Andrew Burns, Prabuddha Sengupta, Tara Zedayko, Barbara Baird, Ulrich Wiesner*. small, 2006, 2(6): 723–726.

[10] Christopher Loo, Alex Lin, Leon Hirsch, et al. Technology in Cancer Research & Treatment, 2004, 3(1): 33-40.

Fig. 1 Visual demonstration of the tunability of metal nanoshells.

Fig. 2 Optical resonances of gold shell-silica core nanoshells as a function of their core/shell ratio. Respective spectra correspond to the nanoparticles depicted beneath.

5. 金属壳二氧化硅纳米粒子 [10]

Fig. 4 Transmission electron microscope images of gold/silica nanoshells during shell growth.

[10] Christopher Loo, Alex Lin, Leon Hirsch, et al. Technology in Cancer Research & Treatment, 2004, 3(1): 33-40.

Figure 5: (a) Growth of gold shell on 120 nm diameter silica nanoparticle. (b) Growth of gold shell on 340 nm diameter silica nanoparticles.

pH 响应的介孔二氧化硅纳米颗粒的制备及可控释放 [1

1]

[11] 曹杰，何定庚，何晓晓，王柯敏 * ，赵应香 . 高等化学学报 , 2012, 33(5): 914-918.

Fig. 1 Preparation of a pH-responsive carrier based on mesporous silica nanoparticles and its principle for controlled ［ Ru( bipy)3］ Cl2 release

Fig． 2 TEM image of Ap-MSN( A) and XRD patterns( B) of Ap-MSN( a) and PAA-Ap-MSN( b)

Fig． 5 Kinetic release of ［ Ru( bipy)3］ Cl2 dye from PAA-Ap-MSN under different p

H (pH: ● 1; ○ 3; ▼5; 7; ■ 9.)△

三、工作设想1.按照文献报道掌握二氧化硅核壳结果纳米粒子的合成方

法；

2.对包覆染料进行优化筛选，建立染料掺杂二氧化硅纳米粒子近红外荧光探针。

疑难问题：

纳米粒子的摩尔浓度如何配置？