（无机化学专业论文）酞菁—二氧化硅纳米材料的制备与应用.pdf

中文摘要 摘要 本论文共分为五章，包括绪论、四羧基铝酞菁纳米粒子、四羧基铁酞菁纳米 粒子及多功能磁性二氧化硅纳米管的制备与应用和展望。 第一章为绪论，介绍了不断发展的纳米科技，对用作标记物的荧光纳米材 料做了小结，着重讲述了二氧化硅纳米粒子的应用与合成，并对多功能纳米材料 一超顺磁性二氧化硅纳米粒子和纳米管的应用做了简介，并在此基础上提出了本 论文选题依据、研究目标、和研究内容。 第二章主要研究四羧基铝酞菁纳米粒子的制备与应用。本章分为两节，第 一节主要通过四乙氧基硅烷在反向胶束构成的纳米水池中水解首次制备出非共 价四羧基铝酞菁纳米粒子，该荧光纳米颗粒能用于指示溶液p h 的变化。第二节 主要通过四羧基铝酞菁修饰的硅烷前体和四乙氧基硅烷在反向胶束构成的纳米 水池中共水解制备出共价四羧基铝酞菁纳米粒子。以这些荧光纳米粒子作为荧光 探针，建立了一个灵敏的检测痕量人i g g 的荧光免疫分析新方法。 第三章报道了四羧基铁酞菁纳米粒子的制备与应用。分为两节，第一节通 过将四羧基铁酞菁共价包埋到纳米粒子中，制备四羧基铁酞菁一二氧化硅纳米粒 子并用于硫胺素的测定。第二节通过将四羧基铁酞菁偶联到氨基化磁性二氧化硅 纳米粒子的表面制备出磁性四羧基铁酞菁纳米粒子，并应用于催化水溶液中有机 污染物的降解反应。 第四章初步探讨了利用模板法合成了内、外表面功能化的磁性二氧化硅纳 米管的制备与应用。将四羧基铝酞菁与磁性二氧化硅纳米管相结合，制备出对 p h 敏感的磁性二氧化硅纳米管。四羧基铝酞菁分别共轭到磁性二氧化硅纳米管 的内、外表面后，仍然保持了其水溶液的荧光强度随溶液的p h 的增加而增强的 特性，可以用于溶液体系中的p h 值的检测。同时，更有为意义的是，结合其它 表征手段，发现四羧基铝酞菁的性质并未发生改变，所以该方法制备的表面功能 化磁性二氧化硅纳米管不仅可以用做p h 值的检测，还可以用来作为新型纳米材 料载体，在细胞标记、药物运输、d n a 转染、选择性分离，或作为催化剂载体等 方面大有用途。 第五章对下一步的研究工作提出了设想。 关键词四羧基金属酞菁；磁性二氧化硅纳米粒子；磁性二氧化硅纳米管 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s ，i n c l u d i n gi n t r o d u c t i o n ，s y n t h e s i sa n d a p p l i c a t i o no ft e t r a - s u b s t i t u t e dc a r b o x y la l u m i n u mp h t h a l o c y a n i n e ( a 1 c 4 p c ) - s i l i c a n a n o p a r t i c l e s ，s y n t h e s i s a n d a p p l i c a n t i o n o ft e t r a - s u b s t i t u t e d c a r b o x y l i r o n p h t h a l o c y a n i n e ( t c f e p c ) 一s i l i c an a n o p a r t i c l e s ，s y n t h e s i s a n d a p p l i c a n t i o n o f m u l t i f u n c t i o n a lm a g n e t i cs i l i c an a n o t u b e s ，a n dt h ec o n c l u s i o na n dp r o s p e c to ft h e p r e s e n tr e s e a r c hw o r k i nc h a p e ro n e ，t h ep r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n to fn a n o t e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e d t h ef l u o r e s c e n tn a n o m a t e r i a l sw h i c hc a nb eu s e da sm a r k e r sw e r es u m m a r i z e db r i e f l y a n dh o wt os y n t h s i z ea n da p p l yt h es i l i c an a n o p a r t i c l e sw a sd e s c r i b e di nd e t a i l s t h e r e s e a r c hp r o p o s a lf o rt h i sd i s s e r t a t i o nw a sa l s op r e s e n t e d i nc h a p t e rt w o ，t h ep r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o no fa i c 4 p c s i l i c an a n o p a r t i c l e s w e r e r e p o r t e d t h i sc h a p t e rw a sd i v i d e di n t ot w os e c t i o n s t h ec o n t e n to ft h ef i r s t s e c t i o nw a sa b o u tu s i n gt h em i c r o e m u l s i o nm e t h o dt os y n t h e s i z en o n - c o v a l e n t f l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e s ，a i c 4 p c s i l i c an a n o p a r t i c e s a n dt h ep o s s i b i l i t yo fu s i n gt h e f l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sa sn e wf l u o r e s c e n ti n d i c a t o rf o rp hd e t e r m i n a t i o nw a sa l s o i n v e s t i g a t e d i nt h es e c o n ds e c t i o n ，c o v a l e n tf l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e d b yc o n t r o l l i n gt h ec o h y d r o l y s i so fa 1 c 4 p cs i l y l a n i z a t i o np r e c u r s o ra n dt e o sa n d a p t e o si nw om i c r o e m u l s i o n af l u o r o i m m u n o a s s a ym e t h o du s i n gt h ef l u o r e s c e n t n a n o p a r t i c l e sw a sp r o p o s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft r a c ea m o u n to fl g g i nc h a p t e rt h r e e ，t w od i f f e r e n tm e t h o d sw e r eu s e dt os y n t h e s i z et h et c f e p e c a t a l y s t s u p p o r t e d s i l i c a n a n o p a r t i c l e s i nt h ef i r s ts e c t i o n ，b yc o n t r o l l i n gt h e c o h y d r o l y s i so ft c f e p es i l y l a n i z a t i o np r e c u r s o ra n dt e o si nw om i c r o e m u l s i o n ， t h et c f e p c s i l i c an a n o p a r t i c l e sw e r ef o r m e da n du s e dt oh i 曲l ys e n s i t i v ed e t e r m i n a t e t h i a m i n e i nt h es e c o n ds e c t i o n ，t c f e p cw e r ec o v a l e n t l ya t t a c h e dt ot h es u r f a c e a m i n o f u n c t i o n a l i z e dm a g e n t i cs i l i c a n a n o p a r t i c l e st of o r mt h et c f e p c - m a g n e t i c s i 0 2n a n o p a r t i c l e s ，w h i c hu s e dt oc a t a l y z et h ed e g r a d a t i o nr e a c t i o no fo r g a n i c p o l l u t a n t si nw a t e r c o m p a r e dw i t hf r e et c f e p c ，t h em a g n e t i cs u p p o r t e d - c a t a l y s th a s t h ea d v a n t a g e so fr e a d y s e p a r a t i o nb ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da n dc a nb ed i r e c t l yu s e d a b s 仃a c t f o r t h en e x tr u n t h ec h a p t e rf o u rw a sa b o u tt h ep r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o no ft h ep r e p a r a t i o na n d a p p l i c a t i o no f t h es u r f a c e - f u n c t i o n a l i z e dm a g n e t i cs i l i c an a n o t u b e s c o m b i n i n g a 1 c 4 p cw i t hm o d i f i e dm a g n e t i cs i l i c an a n o t u b e sw h i c hs y n t h e s i z e db ya l u m i n a t e m p l a t em e m b r a n em e t h o d ，t h ea 1 c 4 p c - m a g n e t i cn a n o t u b e sw e r ef i r s t l ys y n t h e s i z e d a n dc h a r a c t e r i z e d f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ei n n e r - o ro u t e r - a 1 c 4 p cm a g n e t i c s i l i c an a n o t u b e sh a dt h es i m i l a rf e a t u r ew i t hf r e ea l c 4 p c t h e s er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ea m i n os u r f a c e - f u n c t i o n a l i z e dm a g n e t i cs i l i c an a n o t u b e sw i l lb eap r o m i s i n g p l a t f o r mf o rt h ea p p l i c a t i o n so ft a r g e t i n gd r u gd e l i v e r y ，d n at r a n s f e c t i o n ，s e l e c t i v e s e p a r a t i o n ，c a t a l y s tc a r r i e r sa n ds oo n i nc h a p t e rf i v e ，t h ef i n a lp a r to ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h ep r o s p e c to ft h i sr e s e a r c hw a s d i s c u s s e d k e y w o r d s ： t e t r a - s u b s t i t u t e dc a r b o x y lm e t a lp h t h a l o c y a n i n ec o m p o u n d s ；m a g n e t i cs i l i c a n a n o p a r t i c l e s ；m a g n e t i cs i l i c an a n o t u b e s 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权 利和责任。 声明人( 签名) ： 年月日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 不断发展的纳米科技 纳米技术的概念最初是由美国物理学家理查德费曼( r i c h a r df e y n m a n ) 于 五十年代提出，他设想人类可以从原子或分子水平上控制和操纵物质的组装。不 过，当时人们对纳米的概念不甚了解，认为这是一种不着边际的幻想，费曼本人 也只是提出了这个概念，并不知道怎样去实现纳米技术。纳米技术的概念提出二 十多年后，科学家发明了研究纳米的重要工具一扫描隧道显微镜，依靠这种仪器 可以对纳米微粒的结构、形态进行比较系统的研究，纳米技术由此才真正兴起。 1 9 9 0 年7 月，在美国巴尔蒂摩召开了第一届国际纳米科技会议，在会上，科学家们对 纳米科技的前沿领域和发展趋势进行了讨论，并决定出版三种国际性专业期刊： 纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术。从此，一门新的边缘学科“纳米科学”正 式诞生。现在，纳米科学已成为科学研究最前沿，最重要的方向之一，随着资金、 人力资源的投入，纳米科学在飞快的发展 1 】。被s c i 收录的专业报道纳米科学与 纳米技术的期刊现在已有2 7 种之多。 自然界的奇妙和复杂，激发着人们无限的好奇心与探索欲望，认识到与自然 界和谐相处的同时，也希望按自己的愿望和需求重新创造一个新的人类自然，纳 米技术的发展，正逐步帮助人类实现费曼的设想，从操纵原子的排列顺序，到 1 9 9 0 年，美国贝尔实验室推出惊世之作一个跳蚤般大小“五脏俱全”的纳米 机器人，再到1 9 9 9 年7 月，美国加利福尼亚大学与惠普公司合作研制成功1 0 0 n m 芯片，人们看到了制造高运算能力，高存储能力，低能耗的纳米级计算机的希望， 纳米科技，在不断带给人们惊喜的同时也带给人们更多的想象空间，现在，一些 科学家正在为制造分子机器人努力，赋予这种小小的分子机器人无限的魔力，可 在人体血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施治疗，疏通脑血管中 的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以吞噬病毒，杀死癌细胞。自然界构 筑一切物种的方式总是从小到大，而人类目前制作加工的方式将大的物件切割成 小的物件后，再来按自己的需求进行组装。人类对纳米技术的热忱与不断的追求， 也可以看成是人类向大自然学习的必然结果，随着纳米科学的进一步发展，人类 可以更好的了解自然，保护自然，达到人与自然的完美和谐。 当物质达到纳米级，性质与宏观态会大不相同，将展现出奇异的光、电、磁 第一章绪论 等物理化学性质。纳米陶瓷的强度、韧性和超塑性较普通陶瓷大为提高，纳米复 合陶瓷( s i c a 1 2 0 3 ，s i 3 n 4 a 1 2 0 3 ，s i c m g o ，s i c s i 3 n 4 ，等) 近年来成为重要发展 方向，并且取得了一些具有商业价值的研究成果。 纳米半导体材料可将吸收的太阳光中的光能变成电能，可用来制造环保的太 阳能汽车、太阳能住宅。纳米半导体材料被太阳光激发后，产生活性氧物质，可 以用来降解环境中的有机污染物。用纳米半导体做成的各种传感器，可以灵敏地 检测温度、湿度和大气成分的变化，在监控汽车尾气和保护大气环境上可以大有 用途。美国加利福尼亚州p a s a d e n a 市的喷气飞机推进器实验室目前正在研制一 种被称为“纳米麦克风”的微型扩音器，据商业周刊报道，这种微型传感器可 以使科学家倾听到正在游弋的单个细菌的声音，以及细胞体液流动的声音。这种 人造纳米麦克风由细微的碳管制成，正是因为构成物体积细小和灵敏度极高，才 能够在受到非常小的压力作用下作出反应，使得对其进行监测的研究人员获得相 关的声音信息。利用这种新产品，科学家将可以对其他星球上是否存在生命进行 探测，可以探测到生物体内单个细胞的生长发育。 1 9 9 9 年巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的“秤”， 它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科 学家研制出能称量单个原子重量的“秤”，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪 录。 纳米技术不仅仅停留在计算机，航空航天，医药，化学等领域，也正逐步走 向普通百姓的生活，中国科学院化学所的专家宣布研制成功新型纳米材料一超双 疏性界面材料，这种材料具有超疏水性及超疏油性，这种材料制成的衣服，不会 粘染汗渍和油渍，可免去洗涤的麻烦。 纳米生物学是纳米科学的重要分支，关于纳米粒子在生物分析方面的应用更 是成为化学家和生物学家及医学家共同的研究重点 2 5 】。 癌症是人类重点攻克的疾病之一，磁场对磁性纳米粒子的诱导作用，可以提 高癌细胞对纳米粒子的摄取，有望于提高治疗效果【6 。可以通过制备既具有磁 性又具有荧光标记性能的多功能纳米粒子，可受外加磁场控制，辅以荧光显微镜 或共聚焦显微镜下进行的原位观察，用于同时进行疾病的检测与治疗 7 】。近红 外荧光标记的磁性纳米粒子可用作外科手术前磁共振成像的对比试剂和外科手 2 第一章绪论 术进行时的光学探针【8 】。二氧化硅纳米粒子表面氨基化，带正电荷，可以通过 静电作用和d n a 相连，纳米粒子可以携带d n a 进入到细胞内部，细胞分裂繁殖 后，仍带有d n a 序列信息而不会被排出细胞外，d n a 的转染可以用来治疗由于 d n a 缺陷引起的癌症等病症 9 】。 由聚合物制成的“聪明的”纳米载体，通过聚合物的不断降解，药物可以被不 同时间释放出来，也可通过改变聚合物的组成可以控制纳米粒子在什么样的微环 境下降解，如对酸敏感的聚合物会选择性的在癌细胞或发炎的部位等特殊部位降 解，这样就可以控制药物释放的时间和位置 1 0 1 1 】。 利用荧光纳米粒子结合新型的免疫分析方法，可以准确快速对单个细菌细胞 进行检测【1 2 ，灵敏的检测到致病细菌。对于生物科技，药物诊断，以及目前 对生物恐怖主义的斗争都非常重要。 随着对各种致病微生物和非致病微生物，植物等的完全基因组序列测定的完 成，生物科学正在发生着革命性的变化，d n a r n a 序列为利用各种技术来研究 生命过程提供了一个框架。基因检测可以为样品中是否存在目标疾病基因序列提 供准确的结果。近来，人们为新的生物科技的发展来促进灵敏的有选择性的基因 分析做出了种种努力。在超示踪量基因分析中，通过d n a 探针和荧光纳米粒子 的偶联而获得放大的信号，可以对d n a 进行超灵敏的检测 1 3 1 5 。这种方法可 以被延伸到用荧光纳米粒子标记蛋白质芯片技术，可以很好的符合高灵敏度检测 的需要【1 6 】。虽然基于纳米粒子的芯片技术还处在初步阶段，但是目前所进行的 研究展示出纳米粒子在利用芯片分析的基因筛选，蛋白质组学及医学诊断中的巨 大的潜在的应用。 具有光学编码功能同时又具有多种生物分子标记功能的荧光纳米粒子，结合 流式细胞仪，可以应用于多组分的同时标记和生物分析【1 7 】。 如果人们可以自由驾驭纳米技术，可以按意愿重新组合分子和原子的排列方 式，我们将会看到，建筑材料将1 0 倍于钢的强度而重量只有其几分之一；图书馆 内所有信息可以压缩在一块不大的硅片上；陶瓷杯从高处掉下而安然无恙：当癌 病变只有几个细胞那样大小时就可以被检测到；当然，可以通过基因技术减少癌 症的发病率。 第一章绪论 1 2 用作标记物的荧光纳米材料 生物成像在生物研究、生物药物研究、生物分子分析和识别、疾病的诊断等 方面是非常重要的一个环节。在大多数的情况下，传统的荧光染料分子作为标记 物( 即分子探针) 时，在不影响生物分子结合的特异性和不引起沉淀的前提下， 通常只有一个或有限的几个荧光分子可以被连接到生物分子上。所以当只有痕量 的被分析物存在时，想检测到目标产物就非常困难，需要额外的步骤放大信号或 富集样品中的目标分析物，费时费力，且不利于分析物的定量分析。除此以外， 光漂白也是一个非常严重的问题，当用连续的光源进行照射时，有机染料通常都 不是太稳定，所以当需要灵敏的检测或在需要长时间的光激发的实时检测时，这 些传统的探针就显现出了它们固有的局限性。生物细胞内复杂的环境使得有机染 料更易降解和光漂白，导致假阳性和假阴性信号的出现，影响持继的细胞跟踪和 三维光学成像。另外，尽管大多数有机荧光分子可以和生物分子( 如d n a 和蛋 白质) 偶联，但是对于常规的应用而言，这种偶联反应非常困难，所有的这些局 限都大大的影响了传统荧光分析法的应用 1 8 1 9 1 。 飞速发展的纳米科学和纳米技术给新型的生物标记物的发展开创了一个崭 新的时代，由于它们独特的光学特性，各种形状，大小的多功能发光纳米粒子被 成功的应用于生物研究、生物药物研究、生物分子分析和识别、疾病的诊断。通 过控制纳米粒子的组成和在表面进行不同的修饰，纳米荧光探针可以增大荧光信 号，提高检测灵敏度，延长检测时间，具有更好的可重复性。 近年来，被广泛研究的纳米发光探针主要有三种形式：量子点，聚合物荧光 纳米粒子和荧光染料掺杂的二氧化硅纳米粒子。 1 量子点是由位于周期表中i i 一或者i i v 族的元素构成的纳米粒子。 和传统的染料相比，量子点具有许多特性：宽的激发光谱，尖锐，对称，尺寸可 调的荧光发射光谱( 从u v 到n 瓜) ，使得不同大小的量子点可以同时被一个激发 波长激发而有不同的发射，较大的s t o c k s 位移，长的发光时间以及光稳性，非 常适合复杂的多组分分析，它们抗光漂白的性质和理想的亮度适于进行长期的细 胞和深层组织的成像 2 0 2 1 。但是，量子点难于制备，溶解度较差，表面修饰化 学仍处在研究阶段，在溶液中存在聚集现象，发光易闪烁。当应用于活体研究中， 细胞毒性也是一个必须关注的问题，所以如何克服这些缺点，大量的研究工作仍 4 第一章绪论 在开展。 2 聚合物荧光纳米粒子或微球，如聚苯乙烯荧光微球、聚乳酸荧光微球或 聚甲基丙烯酸甲酯荧光微球，也常被用作生物分子探针。聚合物微球中的荧光物 质通常都是在微球形成后再掺杂荧光染料进去。典型的制备方法是通过聚合物纳 米微球在有机溶剂和荧光染料溶液中溶涨，使得疏水荧光染料扩散进入聚合物基 质内部，然后当蒸发掉溶剂或将聚合物转移到水相中后，染料分子就会被包理到 内部 2 2 2 3 。荧光聚合物纳米粒子或微球的商业化极大地方便了各种生物应用。 例如，聚合物荧光微球已经被用来作为免疫分析荧光试剂，细胞示踪物，显微镜 和流式细胞仪的标准化试剂。不同发光强度，大小，或激发态寿命的荧光聚合物 微球芯片已经广泛的应用于单一样品中多组分的同步检测 2 4 】。 由于聚合物荧光微球形成方式的限制，染料分子通常存在于微球的表层，受 不到聚合物壳层有效的保护，所以外部环境( 如空气中的氧气，溶剂，缓冲溶液 等) 对包理在微球中的染料的影响一般不能被消除。而且聚合物微球之间易存在 聚集现象，在有机溶剂中会存在因溶胀而导致染料的泄漏的问题。除此以外，聚 合物的比重较小，生成的聚合物微球难以通过离心分离，所以，制备的微球粒径 一般较大( 1 0 0n m ) ，由于诸多的限制因素，使得聚合物微球并不适于某些生物 分析的应用。 3 另一种类型的荧光纳米粒子探针是掺杂型的纳米粒子，直径从2 - 2 0 0n l n 不等。这些纳米粒子含有大量的染料分子在内部，所以可以发出强于单个染料分 子数十倍甚至于1 0 0 0 0 倍的荧光 2 5 】。这种强发光性能使得它们尤其适合于超灵 敏的生物分析而不需要另加入其它试剂或经过信号放大步骤。当染料掺杂的二氧 化硅纳米荧光探针和生物分子相互结合，生物分子被纳米粒子所标记，由于每个 纳米粒子中含有多个染料分子，所以荧光信号大大增强。这种强荧光的纳米粒子 做为标记物使用可以使得传统荧光标记方法不能检测到的极少量分析物被准确 检测，跟踪，指示。二氧化硅壳层可以作为保护壳层，或者也可以作为染料隔绝 层，限制外部环境( 如氧，溶剂，缓冲溶液等) 对包理在二氧化硅纳米粒子内部 的染料的影响。且二氧化硅纳米粒子更易溶于水，具有良好的生物相容性，不易 受到微生物的破坏，不会溶胀，也不会像聚合物荧光纳米粒子那样随p h 值的变 化微球表面的孔洞会发生变化，从而导致染料的泄漏，和其它的荧光探针相比， 第一章绪论 染料掺杂的二氧化硅纳米粒子更易在生物方面得到应用。目前，荧光染料掺杂的 二氧化硅纳米粒子存在的问题在于其s t o k e s 位移一般较小，发射波长大都在可 见光区，不能很好的消除背景荧光的干扰。 1 3 二氧化硅纳米粒子成为研究的热点 荧光染料掺杂的二氧化硅纳米粒子近来作为新型荧光探针可用来进行多组 分标记，当被包埋n - 氧化硅基质内的荧光染料的类型和浓度变化时，纳米粒子 具有不同的光学信号，可作为编码纳米粒子，识别目标物表面的多种生物分子 2 6 。 纳米材料和光敏剂相结合，在光动力学疗法中也有很好的潜在应用，二氧化 硅纳米粒子可以作为光敏剂的载体，当纳米粒子被癌细胞有效的摄取后，照射包 埋在纳米粒子中的光敏剂可以产生单线态氧，单线态氧可以有效的破坏癌细胞 【2 7 2 9 。 由于二氧化硅纳米粒子固有的亲水性，良好的热稳定性，化学稳定性和生物 兼容性，它们不像其它的载体一样，会被免疫系统快速的清除，同时不具细胞毒 性，所以，二氧化硅纳米粒子可作为药物传输体系的良好载体 3 0 】。药物分子被 “装入”到纳米粒子中，二氧化硅壳层为包埋的分子提供了一个很好的保护，表面 修饰有分子识别功能后，纳米粒子可以到特定的部位。到达理想的位置后，纳米 粒子可以以精确的速率释放所负载的药物，这可以通过制备不同内部结构的纳米 粒子来达到想要的药物释放率。 二氧化硅荧光纳米粒子也可以作为基因传递的载体，利用荧光特性来指示细 胞的运动轨迹和d n a 转染方式。表面带有氨基的荧光纳米粒子不仅可以保护质 粒d n a 不受酶的分解，还可以随细胞的繁殖进行转染，将d n a 传递到细胞核【3 1 】。 表面功能化的二氧化硅荧光纳米粒子可以用来识别和标记癌细胞。叶酸被偶 联到染料掺杂的二氧化硅纳米粒子表面，可以作为能被癌细胞识别的生物标记 物，通过共聚焦成像证明叶酸修饰的纳米粒子可以标记s c c 一9 细胞 3 2 】。将荧光 纳米粒子表面用鼠抗人c d l 0 抗体修饰，和人的白血病细胞共同培育，由于鼠抗 人c d l 0 抗体可以识别人的白血病细胞，所以荧光纳米粒子偶联到人的白血病细 胞上，可以通过光学显微镜和荧光显微镜观察，人的白血病细胞可以被清晰和高 效的识别出来 3 3 】。一抗和二抗被共价连接到荧光纳米粒子表面后，被抗体修饰 6 第一章绪论 的纳米粒子可以有选择性的和高效的通过抗体一抗原相互识别作用识别并标记 癌细胞 3 4 】。 对于细胞标记，通过多肽靶向摄取是另一种有效的技术 3 5 】，利用细胞对于 多肽的识别作用和对于标记有特定多肽的纳米粒子的识别作用，甚至可以将纳米 粒子送到细胞内特定的部位，如细胞核。 适配子( a p t a m e r s ) 成为一类新型的配体，结合了抗体和小分子肽的优点，具 有高亲合性和良好的特异性，不会产生免疫。利用适配子偶联纳米粒子的技术快 速的收集和观察少量的白血病细胞已获得成功 3 6 】。其它的活体细胞实验，如细 胞核或细胞质的靶向标记，将是下一步研究的方向。 可以看出，多功能二氧化硅荧光纳米粒子已成为现代生物药物研究和疾病诊 断学的研究热点，这与功能化的二氧化硅纳米粒子具有众多的优点密不可分。 1强荧光 在一个纳米粒子中可包埋多个荧光染料分子，当纳米粒子被激发时，可发出 强荧光。文献 2 5 】中所报道，四甲基罗丹明纳米粒子的荧光强度是一个四甲基罗 丹明分子的1 0 4 倍。文献 3 4 1 合成的强荧光染料掺杂的二氧化硅纳米粒子所发 射出的荧光较相应的荧光染料强2 0 倍，对合成中间体光学性质的研究证明，二氧 化硅壳层是获得强荧光性质的关键。荧光纳米粒子的强荧光性质使得它们作为标 记物时，可以显著降低生物样品的检测限。就像t a n 等指出的那样 1 9 】：在传统 的荧光分析的检测技术中，一个分子识别过程中仅有一个或几个荧光分子作为标 记物，像夏天田野中的荧火虫发出微弱的光，而强荧光的二氧化硅纳米粒子探针 可数倍放大分析信号，就像明亮的纳米蜡烛在生物世界闪烁。 2良好的光稳性 光稳性对于在强激光照射下长时间观察样品中的荧光信号尤其重要。对于三 维截面光学成像，荧光标记物是否有很好的光稳定性，也是非常重要的因素。三 维光学成像中一个主要的干扰就是在z 截面进行连续的信号采集时引起的荧光 物质的光漂白，这种现象使三维结构的正确描绘大打折扣。利用传统染料进行生 物分析，尤其是对样品表面进行分析研究时，光漂白现象也是一个主要问题。由 于二氧化硅壳层可在染料分子外形成一个保护罩，可以阻挡环境中的氧分子对染 料分子的作用，使得荧光信号稳定，这样提供了一个准确的测量值。文献 2 5 】对 7 第一章绪论 有机染料分子的光稳性和染料掺杂的二氧化硅纳米粒子进行了比较，持继照射 1 2 0 0 秒后，自由的四甲基罗丹明的荧光强度降低了8 5 ，而相应的四甲基罗丹明 一二氧化硅纳米粒子的荧光强度却几乎没有任何变化。 各种实验证明二氧化硅层可将染料分子与外部环境相隔绝，从而阻碍了氧气 分子的进入，也可以保护染料分子不被复杂的生物环境所降解或光漂白。 3水溶性和生物相容性 二氧化硅纳米粒子在水溶液中有很好的溶解度，可以很容易分散在溶液中。 二氧化硅纳米粒子没有细胞毒性，二氧化硅纳米粒子这种良好的生物相容性使得 它们在活体内不被巨噬细胞清除，可以达到隐身的状态 3 0 】。 4制备过程相对简单 和聚合物荧光纳米粒子相比，二氧化硅纳米粒子更容易通过离心沉淀的方法 制备。因为二氧化硅纳米粒子的密度( 1 9 6e c c m 3 ) 大于聚合物荧光纳米粒子，所以 在制备、表面修饰和溶液处理过程中可被方便分离出来。 5易于和其它分子相连 二氧化硅纳米粒子的表面为各种分子固定提供了可能，可以通过物理吸附和 化学偶联将酶、染料、抗体和d n a 分子等修饰到二氧化硅纳米粒子表面，成为 表面功能化的纳米粒子，也可根据已经发展成熟的各种方法，通过各种功能化硅 烷，在二氧化硅纳米粒子表面形成功能化活性基团端基，这样纳米粒子可以容易 和各种具有不同作用的生物分子相连( 被修饰) 。这些功能化基团，对提高生物 分析的灵敏度，标记的靶向性及特异性有着重要的作用。与传统标记需要特定偶 联方法将染料分子与生物分子相连相比，二氧化硅基质更容易修饰各种功能团， 它可以看成是一种用来固定各种特定功能分子的万能底物。 6二氧化硅基质本身是化学稳定的 由于以上这些优点，使得二氧化硅纳米粒子在各种应用中显示出非常大的潜 力 3 7 】。 1 4 关于二氧化硅纳米粒子合成方法的来龙去脉 1 4 1 溶胶一凝胶( s 0 1 g e l ) 技术1 3 8 3 9 】 1 4 1 1 溶胶一凝胶技术简介 溶胶一凝胶法( s o l g e lm e t h o d ) 是一种重要的材料制备方法，是指金属有机 8 第一章绪论 或无机化合物低温下经溶液、溶胶、凝胶过程，再经过热处理而形成氧化物固体 的方法。现代溶胶一凝胶技术的研究始于1 9 世纪中叶，利用溶胶和凝胶制备单组 分化合物。1 8 4 6 年，e b e l m a n 等利用s i c l 4 和乙醇制备了四乙氧基硅烷，并发现 通过缓慢水解，可得到透明的玻璃状固体- - s i 0 2 ，并认为这是一种有希望的制备 光学仪器的材料，但这一发现当时并未引起化学界和材料界的重视，直到1 9 3 9 年，b e r g e r 与g e f f c k e n 利用金属烷氧基化合物制备了氧化物薄膜，从而证实了这 种方法的可行性，溶胶凝胶技术才被科学家们重新认识 4 0 】。2 0 世纪8 0 年代 为溶胶一凝胶技术发展的第一个高峰期，这一时期，溶胶一凝胶技术在玻璃氧化物 涂层、功能陶瓷粉料，尤其是烧结方法难以制备的复合氧化物材料、高温氧化物 超导材料等的合成中得到成功的应用 4 1 】。2 0 世纪9 0 年代兴起的纳米技术更是 把溶胶凝胶技术的应用推向一个高潮，在短短的二十几年里，溶胶凝胶技术被 广泛而成功的应用于制备各种形状的纳米材料。 1 4 1 2 溶胶凝胶法的基本原理 溶胶一凝胶法所用原料有多种，金属( 或类金属) 烷氧基化合物作为溶胶一凝胶 法中前驱物，更容易获得稳定均质的凝胶，其中最常见的凝胶是硅酸盐凝胶，它 是通过硅酸聚合而形成的。通常的过程为，金属( 或类金属) 烷氧基化合物在溶液 中均匀分布，水解，缩聚后形成溶胶，通过不同的处理方法，可得不同形态的凝 胶，如可得到湿凝胶，气凝胶，干凝胶，陶瓷，薄膜等。 水解反应是溶胶凝胶法中醇盐原料转化为氧化物凝胶的主要反应，水解过 程可表示为： m ( o r ) n + x h 2 0 m ( o r ) n x ( o n ) x + x r o h 水解产物发生缩聚反应脱水或脱醇形成m o m 键， 脱水缩聚m o h + h o m 呻m o m + h 2 0 ， 脱醇缩聚m o r + h o m 呻m o m + r o h 溶液的浓度，p h 值，催化剂( 酸或碱) 的选择等条件都会影响到金属( 或类金属) 烷氧基化合物的水解反应。金属( 或类金属) 不同，或烷基不同，水解差异很大， 有的水解速率极快，为了控制水解速率，可采用二元醇、有机酸、伊二酮等螯合 剂来降低反应活性，以减慢水解速率。 溶胶通过陈化即得到湿凝胶。在陈化的过程中，胶体粒子逐渐聚集形成网络 9 第一章绪论 结构，整个体系失去流动特性，并带有明显的触变性，制品的成型如纤维状，薄 膜状或球状等可在此期间完成。 1 4 1 3 溶胶凝胶技术的特点 。 溶胶凝胶法与其它化学合成方法相比具有许多独特的优点：( 1 ) 由于溶胶凝 胶法中所用的原料首先被分散在溶剂中而形成低粘度的溶液，因此在很短的时间 内就可以获得分子水平上的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间可以达到在分子 水平上均匀地混合，如所用原料为多组分时，可得到高均匀度的制品。( 2 ) 很容 易均匀定量的掺入一些痕量元素，如染料，生物分子，磁性物质，液晶材料等， 实现分子水平上的均匀掺杂。所得到纳米级掺杂的新型复合功能材料，也正是科 研人员研究的新方向。( 3 ) 与固相反应相比，所需温度较低，化学条件温和，避免 了传统的高温烧结，节省能源，减少污染，反应过程易于控制。( 4 ) 可从同一种原 料出发，通过反应工艺过程的改变即可获得不同的产品如粉体、薄膜、纤维等。( 5 ) 原料易于提纯，所得产品的纯度高。( 6 ) - v 艺简单，不需要昂贵的设备。 1 4 1 4 溶胶一凝胶的应用 1复合材料的制备 利用溶胶凝胶法制备复合材料，特别是制备纳米复合材料，是一个非常重要 的研究领域。因为溶胶凝胶法反应条件温和，通常在常温下即可进行，对设备 要求不高，可以通过合成参数控制纳米材料的性能，所以已经成为纳米材料合成 的主要方法之一。其中复合材料的种类主要包括：( 1 ) 不同组分之间的纳米复合 材料；( 2 ) 组成和结构均不同的纳米复合材料；( 3 ) 由组成和结构均不同的组分所 制备的纳米复合材料；( 4 ) 凝胶与其中沉积相组成的复合材料；( 5 ) 干凝胶与金属 相之间的纳米复合材料；( 6 ) 无机有机纳米( 杂化) 复合材料。 2薄膜材料的制备 溶胶凝胶法镀膜具有生产成本相对较低、镀膜效率高、镀膜均匀性好等优 点，近年来受到人们的广泛重视。用溶胶一凝胶法可以制备有机和无机的功能化 薄膜，如催化薄膜，光电薄膜，分离薄膜和绝缘薄膜。 3陶瓷材料的制备 目前采用该法所制备的材料多为氧化物，当前所制得的材料有s i 0 2 ，t i 0 2 ， a 1 2 0 3 ，b a t i 0 3 ，l i n b 0 3 ，l i a l 0 2 , n a 2 0 b 2 0 3 一s i 0 2 等氧化物，它们大多作为功能性 l o 第一章绪论 玻璃和陶瓷使用。 1 4 2 微乳液( m i c r o e m u l s i o n ) 合成法 1 4 2 1 什么是微乳液 微乳液通常是指两种互不相溶液体在表面活性剂作用下形成的热力学稳定 的、各向同性、外观透明或半透明的分散体系。有关微乳液的真正开拓性工作源 于h o a r 和s c h u l m a n 4 2 ，他们向由阳离子表面活性剂所稳定的乳白色乳状液体 系中加入一定量中等链长的醇时，体系立刻变得澄清透明。1 9 5 9 年，s c h u l m a n 等 4 3 】：式提出了“微乳液”( m i c r o e m u l s i o n s ) 的概念。1 9 8 2 年，b o u t o n m t 4 4 首次 报道了应用微乳液法制备出了金属纳米颗粒：用水合胼或者氢气还原在w o 型 微乳液水中的贵金属盐，得到了单分散的p t ，p d ，r u ，i r 金属颗粒( 3 - 5 n m ) 。 此后，微乳技术成为合成纳米粒子的有利手段。 1 4 2 2 微乳液体系的构成 微乳液体系一般由有机溶剂、水、表面活性剂和助表面活性剂四个组分组成。 常用的有机溶剂多为c 6 , - - 一c 8 直链烃或环烷烃；表面活性剂有阴离子表面活性剂、 阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂等三大类；助表面活性剂一般为中等碳链 c 5 c 8 的脂肪酸或醇。通常，微乳液分为油包水( w o ) 型和水包油( o w ) 型。在 外观上，反相微乳液非常透明，它的质点一般小于l o o n m ，在稀溶液中通常为球 状，在浓溶液中可呈现各种形状。在热力学稳定性上，反相微乳液比普通的乳状 液、微乳液都要稳定。反向微乳液属于w o 型微乳液，存在大量油包水型的反 向胶束，其中水被表面活性剂单层包裹形成纳米微水池，分散于油相当中。用来 制备纳米粒子的一般是w o 型体系。w o 型微乳液中的水核可以看作微型反应 器或称为纳米反应器，这种纳米液滴不仅为粒子的合成提供了反应场所，而且粒 子也被限制在这种纳米空间内，这就是微乳体系可以作为纳米反应器的原因。反 应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系。通常情况 下，表面活性剂，水相和油相的混合物需要加入助表面活性剂后，才会变得澄清， 形成稳定的体系，不过对一些双链离子型表面活性剂如a o t 和非离子表面活性 剂则例外，它们在无需加入助表面活性剂的情况下也能形成稳定的微乳体系 4 5 ，4 6 。 1 4 2 3 微乳体系作为纳米反应器的原理 第一章绪论 微乳体系中包含单分散的水或油的液滴，这些液滴在连续相中不断扩散并互 相碰撞，微乳液的这种动力学结构使其成为良好的纳米反应器。因为这些小液滴 、 的碰撞是非弹性碰撞，或“粘性碰撞”，有可能使液滴间互相合并在一起形成一些较 大液滴。但由于表面活性剂的存在，液滴间的这种结合不稳定，所形成的较大液滴 又会相互分离，重新变成小的液滴。微乳液的这种性质致使体系中液滴的平均直 径和数目不随时间的改变而改变，因而微乳体系可用于纳米粒子的合成。由于水 滴的相互碰撞、结合与物质交换，最后形成沉淀颗粒。在反应刚开始时，首先形成 的是生成物的沉淀核，随后的沉淀便附着在这些核上，使沉淀不断长大。当粒子的 大小接近水滴的大小时，表面活性剂分子所形成的膜附着于粒子的表面