一步法制备新型荧光聚合物纳米粒子

陈 建,张培盛,于贤勇,李筱芳,陶洪文,易平贵

(湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭,411201)

一步法制备新型荧光聚合物纳米粒子

陈 建,张培盛,于贤勇,李筱芳,陶洪文,易平贵

(湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭,411201)

采用一步细乳液聚合法将荧光单体 4-甲胺基-9-(2-烯丙基)-1,8-萘二甲酰亚胺 (MAN I)共价键结合进聚合物纳米粒子中。光谱特性研究证明了MAN I已经成功结合进入纳米粒子中。更重要的是,因为MAN I通过共价键的方式结合进聚合物纳米粒子中,可以有效避免产生染料泄漏现象。并且可以通过控制纳米粒子中MAN I的含量,来获得不同荧光强度的荧光聚合物纳米粒子。这类新型荧光聚合物纳米粒子在生物医学等领域具有潜在的应用价值。

荧光;聚合物纳米粒子;细乳液

近年来,随着纳米科技的不断发展,荧光纳米粒子在细胞标记及成像、蛋白质分析、DNA测序、医学诊断、生物传感等方面受到越来越多的重视[1-6]。荧光纳米粒子是指将可以发荧光的半导体纳米微晶体 (量子点)或荧光团通过包埋、共价键连接以及超分子组装等方式引入有机或无机纳米粒子中[7-9],并让纳米粒子承担有机小分子荧光染料的检测、标记等功能。与传统的荧光染料相比,荧光纳米粒子具有更高的亮度和光稳定性,也能更加容易地实现水分散性和生物相容性。

一般而言,传统的荧光纳米粒子的制备是通过包埋、掺杂或表面修复的方式将荧光染料分子结合进纳米粒子中[8,9],这通常会涉及到复杂的合成途径,而且不可避免地发生染料泄漏现象。为了有效地解决这些问题,我们设计了一种简单的方法并将荧光染料通过共价键的方式结合进纳米粒子中,这不仅有效地避免了染料泄漏,而且显著地增强了它们在水中的稳定性和荧光强度。

在本研究中,我们首先按照文献合成了含乙烯基的荧光染料MAN I[11,12];然后采用一步细乳液聚合方法将荧光染料MAN I引入单个的纳米粒子中,制得新型荧光纳米粒子。实验结果表明,这种新型荧光纳米粒子在水溶液中表现出更高的稳定性和荧光强度,更为重要的是染料分子通过共价键方式结合,没有发生染料泄漏现象。并且可以通过控制纳米粒子中MAN I的含量,来获得不同荧光强度的荧光聚合物纳米粒子。这类新型荧光聚合物纳米粒子在生物医学领域,如荧光标记、细胞成像等具有潜在的应用价值。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

十六烷 (HD,99%,A ld rich),过硫酸钾(KPS,99%,Aldrich),十二烷基硫酸钠 (SDS, 99%,Aldrich),4-甲胺基-9-(2-烯丙基)-1,8-萘二甲酰亚胺 (MAN I)[10,11],实验室合成,密封避光使用;甲基丙烯酸甲酯 (MMA,99%,Aldrich)化学纯,精制冷藏使用;所有水均为二次去离子水。

1.2 表征设备与仪器

吸收光谱采用 SH IMADZU公司的紫外-可见分光光度 (UV-2501PC型)测得;荧光光谱采用SH IMADZU公司的荧光光谱仪 (RF5301PC型)测定;纳米粒子的大小及粒度分布采用日本 Seiko公司的 SII400型原子力显微镜 (AFM)和英国马尔文公司的激光粒度分析仪 (Nano-ZS90)测定。

1.3 细乳液聚合法制备含MAN I的荧光纳米粒子

将混合后的单体溶液 (包含 MMA,MAN I, HD三种物质)加到 SDS的水溶液中,在常温下搅拌混合 15分钟后,放入冰水浴中 (20℃)超声(99%)乳化 20分钟便可得到稳定的细乳液。然后将细乳液转入带冷凝管、磁力搅拌的 50m l圆底烧瓶中,搅拌 30分钟后升温至 60℃,加入用水溶解好的引发剂 KPS引发聚合,210分钟后停止反应,冷却至室温,抽滤得到所需的含MAN I纳米粒子分散液。

2 结果和讨论

2.1 合成含MAN I的新型荧光聚合物纳米粒子

为了利用细乳液聚合法将含双键的荧光团MAN I通过共价键方式结合进聚合物纳米粒子中,我们首先按照参考文献合成了MAN I[10,11];然后将混合均匀体系 (包含MMA、MAN I、HD)加入到含SDS表面活性剂的水中超声分散均匀,形成稳定的细乳液,最后加入水溶性引发剂 KPS引发聚合反应,即可得到含MAN I的新型荧光纳米粒子 (如图1所示)。值得一提的是,由于MAN I中含有不饱和的双键,这使得乙烯基单体在聚合过程中与它们之间形成共价键,因而避免了染料的泄露[11,12]。

图 1 细乳液合成新型荧光聚合物纳米粒子示意图Fig.1 Illustration of synthesis of novel fluorescent polymer nanoparticles viaminiemulsion polymerization

通过细乳液聚合法,可获得纳米级至微米级的聚合物粒子。本实验中通过优化实验参数,我们得到直径约为 70nm(如表 1所示)的纳米粒子 (由Nano-ZS90测得)。由表 1可见,染料分子的存在对纳米粒子的粒径没有产生较大的影响。

图 2A给出了一个典型的纳米粒子样品 (NP-B)的原子力显微镜图像,从图 2A中可以发现,大部分聚合物粒子是均匀分散的球形,其直径大约在60nm-80nm之间。由 Nano-ZS90数据可得其平均直径为 75.0nm (图 2B)。实验结果与 Nano-ZS90数据相吻合,这表明,通过细乳液的方法能够制备我们所需要的尺寸均一的荧光纳米粒子。

表 1 含MAN I荧光染料的新型荧光纳米颗粒样品表Table 1 List of novel fluorescent nanoparticle samples incorporated MANI dye

图2 (A)含MAN I的纳米粒子的原子力显微镜图像 (样品 NPB);(B)由Nano-ZS90测定的纳米粒子样品 NP-B的粒度分布图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的新型荧光纳米粒子的光谱学表征

图 3 MAN I染料分别在纯水、二氯甲烷溶液和纳米粒子分散液中 (NP-A,NP-B,NP-C,NP-D)的吸收光谱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

图 4 MAN I染料分别在纯水、二氯甲烷溶液和纳米粒子分散液中 (NP-B,NP-C,NP-D,NP-E)的荧光发射光谱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

图 3和图 4分别给出了MAN I在纯水、二氯甲烷以及纳米粒子分散液中的吸收光谱和荧光光谱。从这两幅图中可以看出,由于MAN I是一种疏水的有机化合物,其在水中具有非常低的溶解度,所以它在水中表现出非常低的吸收带 (图 3)和弱的荧光发射强度 (图 4)。可是当其结合进纳米粒子后,这种荧光纳米粒子在 424nm左右具有很明显的吸收带,这和MAN I染料在疏水弱极性溶剂二氯甲烷中的吸收带相似 (图 3),同样在 425nm激发下,在 490nm左右表现出很强的荧光发射强度,其荧光发射峰位置与其在二氯甲烷溶液中相近 (图 4)。总之,相对于MAN I在水中的吸收和荧光发射来说,最大吸收波长和最强荧光发射峰也发生了蓝移,这表明MAN I已经处在一个非常疏水的环境中。从以上结果可以看出,MAN I染料已经成功结合进纳米粒子中,并且通过共价键的方式结合进聚合物纳米粒子中[11,12]。为了证明 MAN I是否通过共价键方式结合进聚合物纳米粒子中,我们将收集的干燥的荧光纳米溶解在二氯甲烷中,用甲醇沉淀,重复此操作 2～3次,以除去未键合的MAN I单体,通过紫外-可见光谱研究发现,沉淀的荧光聚合物纳米粒子在二氯甲烷中的最大吸收峰位置与纯的MAN I分子在二氯甲烷的最大吸收峰位置相同,且通过参考文献方法[11,12]研究发现超过 85%的MAN I已经通过共价键结合进聚合物纳米粒子中,从而可有效避免因采用常规掺杂的方法合成荧光聚合物纳米粒子所导致的染料泄漏现象。另一方面,如图 3所示,随MAN I含量的逐渐增加,其吸光度值也以一定的比例增加,这表明细乳液聚合是一种非常适合装载荧光团的方法。

通过改变荧光染料在纳米粒子中的含量 (或浓度),可以获得不同荧光强度的纳米粒子分散液(固含量相同)。生色团在纳米粒子中的浓度与纳米粒子分散液的荧光强度关系如图 4所示。随着纳米粒子MAN I含量的增加,纳米粒子的荧光强度先是逐渐增加,到一定高度后会急剧下降,出现这种情况的原因是当纳米粒子中荧光染料的浓度达到一定程度时,染料分子开始相互接近而导致荧光自淬灭现象的产生。从图 4还可以看到,对于样品 NPE来说,尽管它是四个样品中MAN I浓度最大的一个,可是它的荧光强度却比样品NP-D要低,而且表现出明显的红移现象 (～50 nm)。另外,由于生色团在纳米粒子中并非均匀分布,所以这也会使部分生色团之间的距离更接近,最终由于染料分子之间的π-π相互作用导致淬灭现象的产生。因此,对纳米粒子中的生色团含量的合理控制有利于纳米粒子保持高的荧光强度,同时尽可能的避免自淬灭现象的发生。

3 结论

通过一步细乳液聚合的方法,我们将荧光染料MAN I通过共价键的方式结合进聚合物纳米粒子中。光谱特性证明了MAN I已经成功结合进纳米粒子中。更为重要的是,染料分子通过共价键方式结合进纳米粒子中,有效避免发生染料泄漏现象。并且通过控制纳米粒子中MAN I的含量,可以获得不同荧光强度的荧光聚合物纳米粒子。这类新型荧光聚合物纳米粒子为其在生物检测、光学等领域的潜在应用提供了可能。

(致谢:感谢国家自然科学基金项目 (51003026)和“先进功能高分子材料”湖南省普通高等学校重点实验室(湘潭大学)开放课题 (200907)对本论文工作的支持。)

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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