[发明专利]一种核壳型氧化锌－二氧化硅纳米粒子及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属纳米材料技术领域，具体为一种核壳型“氧化锌－二氧化硅”纳米粒子及其制备方法和应用。

背景技术

自从20世纪90年代，科学家们认识到半导体发光量子点作为生物荧光标记的应用前景，特别是发光纳米晶体和生物医学交叉领域的研究更引起了科学家们的极大兴趣，并取得了显著的成果。

半导体发光量子点在生物荧光标记应用方面具有有机染料无可比拟的优势，如量子点的荧光颜色可通过控制其组成和粒径大小进行调节；量子点的激发峰宽，发射峰窄，呈对称高斯分布，重叠小，因此可用同一激发光同时激发多种量子点进行多荧光颜色标记，而有机染料的激发峰窄，发射峰宽而不对称，严重拖尾或者重叠，容易相互干扰；量子点的量子产率较高，光化学稳定性较好，可进行长时间的荧光标记观察，而有机染料易被光漂泊，稳定性较差；量子点通过配体化学作用进行生物交联，多个生物分子连接在一个量子点上，关于标记诱导效应的信息较少，而有机染料常常是多个染料分子连接在单个生物分子上，许多常用染料的光谱性质有标记诱导效应。

目前研究比较多也比较成熟的是CdSe、CdTe等量子点，随着研究的深入，科学家们发现纳米材料的潜在毒性不容忽视。CdSe、CdTe等量子点中的Cd元素是剧毒的，无论是在研究生产过程，还是在实际应用过程中，都会对环境，生物和人体造成威胁。为了得到低毒的量子点，科学家们尝试对CdSe、CdTe等量子点进行无机材料（如ZnS，SiO₂等）或者有机聚合物包覆，然后再进行生物分子修饰。包覆修饰后的量子点与裸露的量子点相比，其发光稳定性和生物相容性都得到提高。然而，目前还没有一种包覆方法可以完全阻止CdSe、CdTe等量子点的Cd离子释放。此外，将CdSe、CdTe等量子点应用于体内研究时，由于生物体内的复杂环境，更加速了Cd离子释放，从而造成实验动物的死亡。因此科学家们积极的寻找CdSe、CdTe的替代材料。

ZnO是一种廉价的，环境友好型和生物相容性材料，美国食品和药物监督局将其列为安全物质，因此用光致发光的ZnO量子点替代CdSe、CdTe量子点应用于生物医学荧光标记具有可行性。但是由于ZnO的可见发射机理为表面缺陷发光，容易受到外界环境的影响，水，弱酸，弱碱等都会使其发生荧光淬灭，而用传统方法合成的ZnO量子点的量子产率一般低于10%，使其生物荧光标记应用受到限制。研究工作者尝试调节各种条件来提高ZnO的量子产率，如替换反应原料锌盐或碱等，或者采用不同的包覆方法来保护其表面缺陷，如选用聚合物，有机硅等进行包覆保护，但是迄今为止，研究得到的产物仍未令人满意，如包覆保护作用不显著，包覆过程导致ZnO量子点的量子产率显著降低，或者得到的产物粒径太大，为壳层包覆的多核结构等等。

量子点在生物医学的应用，要求量子点必须具备较好的水溶性，良好的发光性能，合适的粒径大小，较好的生物相容性和可进行生物交联。

发明内容

本发明的目的是提供一种发光性能优良，生物相容性好的核壳型氧化锌-二氧化硅纳米粒子及其制备方法和应用。

本发明提出的核壳型“氧化锌－二氧化硅”纳米粒子，其制备方法分别采用溶胶－凝胶化学反应，自由基引发的聚合反应及氨水催化的缩聚反应。产物的分离提纯方法是非溶剂沉淀法。整个过程不使用任何有毒的试剂，完全是绿色化学的，没有环境污染问题。从原料的角度来说，主要的反应物是甲基丙烯酸锌、氢氧化锂、无水乙醇、去离子水、偶氮二异丁腈引发剂、乙烯基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-巯基三乙氧基硅烷、N-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷、氨水等，所有这些药品都是无毒无害的，不会造成环境污染。从合成方法上来讲，溶胶－凝胶化学反应是把氢氧化锂的乙醇溶液加入到甲基丙烯酸锌的乙醇溶液中，室温下使之发生水解反应生成发光的ZnO纳米粒子。然后加入含双键的硅氧烷单体（乙烯基三乙氧基硅烷）和偶氮二异丁腈引发剂，加热引发聚合，这样就在ZnO纳米粒子表面形成了有机硅单层，再加入其它硅氧烷（如正硅酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-巯基三乙氧基硅烷、N-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷）和氨水，室温下水解形成二氧化硅层。整个合成的反应条件十分温和，接近于室温，而且不产生有毒有害的副产品。从分离提纯的角度来说，非溶剂沉淀法是常规的操作，只需要消耗较多的有机溶剂，在室温下就能顺利进行。

本发明提供的核壳型氧化锌-二氧化硅纳米粒子的制备方法，具体步骤为：

（1）制备氧化锌纳米粒子乙醇溶液