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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 一、常见荧光探针及其优缺点 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 生物兼容性不好，有一 强、 Stokes位移大，光稳定性高、 定毒性 可以多色标记 UCNPs 窄带发射、大Stokes位移、光学 生物兼容性不好，量子 性质稳定、信噪比高、无光漂白、 产率低 多色标记，受环境影响小，灵敏 度高 二、染料掺杂二氧化硅纳米粒子 1. 球形二氧化硅纳米粒子的合成方法 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。 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]。 [1] A. van Blaaderen*, A. Vrij. Langmuir, 1992, 8: 2921-2931. 2. 染料掺杂二氧化硅纳米粒子的合成原理[2] 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] 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. 3. 染料掺杂二氧化硅纳米粒子的性能 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 。 [7] Hooisweng Ow, Daniel R. Larson, Mamta Srivastava, Barbara A. Baird, Watt W. Webb, Ulrich Wiesner*. Nano Lett., 2005, 5(1): 113–117. 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] 粒子尺寸的调控[8] [7] Hooisweng Ow, Daniel R. Larson, Mamta Srivastava, Barbara A. Baird, Watt W. Webb, Ulrich Wiesner*. Nano Lett., 2005, 5(1): 113–117. [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. 5. 金属壳二氧化硅纳米粒子[10] 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. [10] Christopher Loo, Alex Lin, Leon Hirsch, et al. Technology in Cancer Research & Treatment, 2004, 3(1): 33-40. Fig. 4 Transmission electron microscope images of gold/silica nanoshells during shell growth. Figure 5: (a) Growth of gold shell on 120 nm diameter silica nanoparticle. (b) Growth of gold shell on 340 nm diameter silica nanoparticles. [10] Christopher Loo, Alex Lin, Leon Hirsch, et al. Technology in Cancer Research & Treatment, 2004, 3(1): 33-40. pH 响应的介孔二氧化硅纳米颗粒的制备及可控释放[11] Fig. 1 Preparation of a pH-responsive carrier based on mesporous silica nanoparticles and its principle for controlled ［Ru( bipy)3］Cl2 release [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．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 pH (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？