陳 建,張培盛,于賢勇,李筱芳,陶洪文,易平貴

(湖南科技大學化學化工學院,湖南湘潭,411201)

一步法制備新型熒光聚合物納米粒子

陳 建,張培盛,于賢勇,李筱芳,陶洪文,易平貴

(湖南科技大學化學化工學院,湖南湘潭,411201)

采用一步細乳液聚合法將熒光單體 4-甲胺基-9-(2-烯丙基)-1,8-萘二甲酰亞胺 (MAN I)共價鍵結(jié)合進聚合物納米粒子中。光譜特性研究證明了MAN I已經(jīng)成功結(jié)合進入納米粒子中。更重要的是,因為MAN I通過共價鍵的方式結(jié)合進聚合物納米粒子中,可以有效避免產(chǎn)生染料泄漏現(xiàn)象。并且可以通過控制納米粒子中MAN I的含量,來獲得不同熒光強度的熒光聚合物納米粒子。這類新型熒光聚合物納米粒子在生物醫(yī)學等領(lǐng)域具有潛在的應用價值。

熒光;聚合物納米粒子;細乳液

近年來,隨著納米科技的不斷發(fā)展,熒光納米粒子在細胞標記及成像、蛋白質(zhì)分析、DNA測序、醫(yī)學診斷、生物傳感等方面受到越來越多的重視[1-6]。熒光納米粒子是指將可以發(fā)熒光的半導體納米微晶體 (量子點)或熒光團通過包埋、共價鍵連接以及超分子組裝等方式引入有機或無機納米粒子中[7-9],并讓納米粒子承擔有機小分子熒光染料的檢測、標記等功能。與傳統(tǒng)的熒光染料相比,熒光納米粒子具有更高的亮度和光穩(wěn)定性,也能更加容易地實現(xiàn)水分散性和生物相容性。

一般而言,傳統(tǒng)的熒光納米粒子的制備是通過包埋、摻雜或表面修復的方式將熒光染料分子結(jié)合進納米粒子中[8,9],這通常會涉及到復雜的合成途徑,而且不可避免地發(fā)生染料泄漏現(xiàn)象。為了有效地解決這些問題,我們設計了一種簡單的方法并將熒光染料通過共價鍵的方式結(jié)合進納米粒子中,這不僅有效地避免了染料泄漏,而且顯著地增強了它們在水中的穩(wěn)定性和熒光強度。

在本研究中,我們首先按照文獻合成了含乙烯基的熒光染料MAN I[11,12];然后采用一步細乳液聚合方法將熒光染料MAN I引入單個的納米粒子中,制得新型熒光納米粒子。實驗結(jié)果表明,這種新型熒光納米粒子在水溶液中表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和熒光強度,更為重要的是染料分子通過共價鍵方式結(jié)合,沒有發(fā)生染料泄漏現(xiàn)象。并且可以通過控制納米粒子中MAN I的含量,來獲得不同熒光強度的熒光聚合物納米粒子。這類新型熒光聚合物納米粒子在生物醫(yī)學領(lǐng)域,如熒光標記、細胞成像等具有潛在的應用價值。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

十六烷 (HD,99%,A ld rich),過硫酸鉀(KPS,99%,Aldrich),十二烷基硫酸鈉 (SDS, 99%,Aldrich),4-甲胺基-9-(2-烯丙基)-1,8-萘二甲酰亞胺 (MAN I)[10,11],實驗室合成,密封避光使用;甲基丙烯酸甲酯 (MMA,99%,Aldrich)化學純,精制冷藏使用;所有水均為二次去離子水。

1.2 表征設備與儀器

吸收光譜采用 SH IMADZU公司的紫外-可見分光光度 (UV-2501PC型)測得;熒光光譜采用SH IMADZU公司的熒光光譜儀 (RF5301PC型)測定;納米粒子的大小及粒度分布采用日本 Seiko公司的 SII400型原子力顯微鏡 (AFM)和英國馬爾文公司的激光粒度分析儀 (Nano-ZS90)測定。

1.3 細乳液聚合法制備含MAN I的熒光納米粒子

將混合后的單體溶液 (包含 MMA,MAN I, HD三種物質(zhì))加到 SDS的水溶液中,在常溫下攪拌混合 15分鐘后,放入冰水浴中 (20℃)超聲(99%)乳化 20分鐘便可得到穩(wěn)定的細乳液。然后將細乳液轉(zhuǎn)入帶冷凝管、磁力攪拌的 50m l圓底燒瓶中,攪拌 30分鐘后升溫至 60℃,加入用水溶解好的引發(fā)劑 KPS引發(fā)聚合,210分鐘后停止反應,冷卻至室溫,抽濾得到所需的含MAN I納米粒子分散液。

2 結(jié)果和討論

2.1 合成含MAN I的新型熒光聚合物納米粒子

為了利用細乳液聚合法將含雙鍵的熒光團MAN I通過共價鍵方式結(jié)合進聚合物納米粒子中,我們首先按照參考文獻合成了MAN I[10,11];然后將混合均勻體系 (包含MMA、MAN I、HD)加入到含SDS表面活性劑的水中超聲分散均勻,形成穩(wěn)定的細乳液,最后加入水溶性引發(fā)劑 KPS引發(fā)聚合反應,即可得到含MAN I的新型熒光納米粒子 (如圖1所示)。值得一提的是,由于MAN I中含有不飽和的雙鍵,這使得乙烯基單體在聚合過程中與它們之間形成共價鍵,因而避免了染料的泄露[11,12]。

圖 1 細乳液合成新型熒光聚合物納米粒子示意圖Fig.1 Illustration of synthesis of novel fluorescent polymer nanoparticles viaminiemulsion polymerization

通過細乳液聚合法,可獲得納米級至微米級的聚合物粒子。本實驗中通過優(yōu)化實驗參數(shù),我們得到直徑約為 70nm(如表 1所示)的納米粒子 (由Nano-ZS90測得)。由表 1可見,染料分子的存在對納米粒子的粒徑?jīng)]有產(chǎn)生較大的影響。

圖 2A給出了一個典型的納米粒子樣品 (NP-B)的原子力顯微鏡圖像,從圖 2A中可以發(fā)現(xiàn),大部分聚合物粒子是均勻分散的球形,其直徑大約在60nm-80nm之間。由 Nano-ZS90數(shù)據(jù)可得其平均直徑為 75.0nm (圖 2B)。實驗結(jié)果與 Nano-ZS90數(shù)據(jù)相吻合,這表明,通過細乳液的方法能夠制備我們所需要的尺寸均一的熒光納米粒子。

表 1 含MAN I熒光染料的新型熒光納米顆粒樣品表Table 1 List of novel fluorescent nanoparticle samples incorporated MANI dye

圖2 (A)含MAN I的納米粒子的原子力顯微鏡圖像 (樣品 NPB);(B)由Nano-ZS90測定的納米粒子樣品 NP-B的粒度分布圖Fig.2 (A)AFM image of MAN I-con tained nanoparticles(sample NPB);(B)Size distribution for the nanoparticle sample NP-B determined by Nano-ZS90

2.2 含MAN I的新型熒光納米粒子的光譜學表征

圖 3 MAN I染料分別在純水、二氯甲烷溶液和納米粒子分散液中 (NP-A,NP-B,NP-C,NP-D)的吸收光譜Fig.3 Absorption spectra forMAN Idye in pure water,in dichloro methane solution and in nanoparticle dispersions(NP-A,NP-B,NPC,NP-D)respectively

圖 4 MAN I染料分別在純水、二氯甲烷溶液和納米粒子分散液中 (NP-B,NP-C,NP-D,NP-E)的熒光發(fā)射光譜Fig.4 Fluorescence emission spectra forMAN Idye in pure water,in dichloro methane solution and in nanoparticle dispersions(NP-B, NP-C,NP-D,NP-E)respectively

圖 3和圖 4分別給出了MAN I在純水、二氯甲烷以及納米粒子分散液中的吸收光譜和熒光光譜。從這兩幅圖中可以看出,由于MAN I是一種疏水的有機化合物,其在水中具有非常低的溶解度,所以它在水中表現(xiàn)出非常低的吸收帶 (圖 3)和弱的熒光發(fā)射強度 (圖 4)?？墒钱斊浣Y(jié)合進納米粒子后,這種熒光納米粒子在 424nm左右具有很明顯的吸收帶,這和MAN I染料在疏水弱極性溶劑二氯甲烷中的吸收帶相似 (圖 3),同樣在 425nm激發(fā)下,在 490nm左右表現(xiàn)出很強的熒光發(fā)射強度,其熒光發(fā)射峰位置與其在二氯甲烷溶液中相近 (圖 4)?？傊?相對于MAN I在水中的吸收和熒光發(fā)射來說,最大吸收波長和最強熒光發(fā)射峰也發(fā)生了藍移,這表明MAN I已經(jīng)處在一個非常疏水的環(huán)境中。從以上結(jié)果可以看出,MAN I染料已經(jīng)成功結(jié)合進納米粒子中,并且通過共價鍵的方式結(jié)合進聚合物納米粒子中[11,12]。為了證明 MAN I是否通過共價鍵方式結(jié)合進聚合物納米粒子中,我們將收集的干燥的熒光納米溶解在二氯甲烷中,用甲醇沉淀,重復此操作 2～3次,以除去未鍵合的MAN I單體,通過紫外-可見光譜研究發(fā)現(xiàn),沉淀的熒光聚合物納米粒子在二氯甲烷中的最大吸收峰位置與純的MAN I分子在二氯甲烷的最大吸收峰位置相同,且通過參考文獻方法[11,12]研究發(fā)現(xiàn)超過 85%的MAN I已經(jīng)通過共價鍵結(jié)合進聚合物納米粒子中,從而可有效避免因采用常規(guī)摻雜的方法合成熒光聚合物納米粒子所導致的染料泄漏現(xiàn)象。另一方面,如圖 3所示,隨MAN I含量的逐漸增加,其吸光度值也以一定的比例增加,這表明細乳液聚合是一種非常適合裝載熒光團的方法。

通過改變熒光染料在納米粒子中的含量 (或濃度),可以獲得不同熒光強度的納米粒子分散液(固含量相同)。生色團在納米粒子中的濃度與納米粒子分散液的熒光強度關(guān)系如圖 4所示。隨著納米粒子MAN I含量的增加,納米粒子的熒光強度先是逐漸增加,到一定高度后會急劇下降,出現(xiàn)這種情況的原因是當納米粒子中熒光染料的濃度達到一定程度時,染料分子開始相互接近而導致熒光自淬滅現(xiàn)象的產(chǎn)生。從圖 4還可以看到,對于樣品 NPE來說,盡管它是四個樣品中MAN I濃度最大的一個,可是它的熒光強度卻比樣品NP-D要低,而且表現(xiàn)出明顯的紅移現(xiàn)象 (～50 nm)。另外,由于生色團在納米粒子中并非均勻分布,所以這也會使部分生色團之間的距離更接近,最終由于染料分子之間的π-π相互作用導致淬滅現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此,對納米粒子中的生色團含量的合理控制有利于納米粒子保持高的熒光強度,同時盡可能的避免自淬滅現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論

通過一步細乳液聚合的方法,我們將熒光染料MAN I通過共價鍵的方式結(jié)合進聚合物納米粒子中。光譜特性證明了MAN I已經(jīng)成功結(jié)合進納米粒子中。更為重要的是,染料分子通過共價鍵方式結(jié)合進納米粒子中,有效避免發(fā)生染料泄漏現(xiàn)象。并且通過控制納米粒子中MAN I的含量,可以獲得不同熒光強度的熒光聚合物納米粒子。這類新型熒光聚合物納米粒子為其在生物檢測、光學等領(lǐng)域的潛在應用提供了可能。

(致謝:感謝國家自然科學基金項目 (51003026)和“先進功能高分子材料”湖南省普通高等學校重點實驗室(湘潭大學)開放課題 (200907)對本論文工作的支持。)

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One-step Syn thesis of Novel Fluorescent Polymer Nanoparticles

CHEN Jian,ZHANG Pei-sheng,YU Xian-yong,LI Xiao-fang,TAO Hong-wen,YI Ping-gui
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Hunan,China)

In this study, a fluorescent dye 4-methamino-9-allyl-1, 8-naphthalimide (MAN I) was covalently incorporated into polymermatrix by a facile one-step miniemulsion polymerization. Spectroscopic characteristics demonstrate that MAN I was successfully incorporated into the polymeric nanoparticles. Most importantly, there is no dye leakage for nanoparticles because of the covalent incorporation of dye molecules. Moreover, fluorescent polymer nanoparticles with different fluorescence intensity can be obtained by control the content of the MAN I dye. These novel fluorescent polymeric nanoparticles have potential application in biomedical field.

fluorescence;polymer nanoparticles;miniemulsion

TQ 31;063

2010-12-14