CN101049631A

CN101049631A - 一种纳米复合物二氧化硅－金属核壳粒子及其制备

Info

Publication number: CN101049631A
Application number: CN 200710040691
Authority: CN
Inventors: 罗淑芳; 刘顺英; 梁重时; 余家会
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University; Donghua University
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2007-10-10

Abstract

本发明涉及一种纳米复合物二氧化硅－金属核壳粒子，并提供该纳米复合物二氧化硅－金属核壳粒子的制备方法，属材料科学的生物医药技术领域。本发明所述的纳米复合物二氧化硅－金属核壳粒子为一种以二氧化硅纳米粒子为核，表面包裹至少一种金属壳的纳米核壳粒子，其最大消光值在300nm至2000nm的波长范围内，最大紫外吸收在300nm至2000nm的波长范围内。本发明采用一种分子交联剂把二氧化硅和金属层进行交联，先通过物理吸附在二氧化硅纳米粒子表面吸附20～30％的纳米金属颗粒，再用化学还原相应金属盐溶液将剩余部分二氧化硅包裹，从而得到具有特殊光学性质的纳米核壳粒子。该核壳结构在近红外区具有最大紫外吸收和散射峰，在人类各种癌症的光热疗法中具有重要意义。

Description

一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子及其制备

技术领域

本发明涉及一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子，尤其是以二氧化硅纳米粒子为核，表面包裹至少一种金属壳的纳米核壳粒子，并提供该纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子的制备方法，属材料科学的生物医药技术领域。

背景技术

众所周知，固体金属纳米粒子具有特殊的光学性质，即等离子共振吸收。这种等离子共振吸收是源于金属中的电子与瞬时电磁场之间的耦合产生，这种等离子共振吸收波长可以通过控制纳米粒子的粒径，从而改变由瞬时电磁辐射导致的紫外吸收和散射的波长范围。但是这些纯的金属粒子无论怎样改变粒径，最大紫外吸收或散射只能在520nm以下，并且变化程度不明显。如果在非导电介质的纳米粒子上包裹金属层，则可使得其在更大范围内改变紫外吸收或散射，甚至到700至2000nm。这对生物学中癌症的光热疗法具有重要意义：800nm以下的光源很难穿透肌肉或者皮肤组织，容易灼伤组织；而800nm以上的光源不被人体组织吸收，可以穿透组织被纳米核壳粒子吸收、放热，从而使其在癌症的光热疗法中具有重要意义。近年来，纳米复合颗粒的制备已经成为生物医药技术中十分活跃的研究领域。通过控制核-壳结构的组成、形状和尺寸，人们能够定制所需要的纳米复合颗粒，从而满足特定领域的应用需要。

钱卫平(金纳米壳球体的制备及其潜在的生物学应用，谈用、丁少华、王毅、钱卫平，化学学报，2005，63(10)，929-933)等曾经报道了共振吸收峰位置分别约在720nm和760nm的金纳米壳球体，并研究了其在全血中的光学性质。本发明制备出了在近红外区(＞800nm)具有最大散射峰和紫外吸收的纳米核壳粒子，并且可以通过控制核的大小和壳的厚度来控制核壳粒子的光学性质，并进一步探索了其在癌症的光热疗法中的潜在应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物相容性好、水溶性好，具有特定光学性质的纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子。

本发明的又一目的在于提供一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子的制备方法。

本发明所述的一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子为一种以二氧化硅纳米粒子为核，表面包裹至少一种金属壳的纳米核壳粒子。

本发明所述的一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子中核的材料是二氧化硅，形状为球形。

本发明所述的一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子中表面包裹的金属壳为金属层，金属包括金、银、锡或者它们的合金，包裹的金属层包括单层和多层，进一步包括多种金属掺杂的单层或多层，金属层厚度约为5nm至30nm。

本发明所述的一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子中最大消光值在300nm至2000nm的波长范围内，最大紫外吸收在300nm至2000nm的波长范围内。

为得到一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子，本发明采用一种分子交联剂把二氧化硅和金属层进行交联，先通过物理吸附在二氧化硅纳米粒子表面吸附20～30％的纳米金属颗粒，再用化学还原相应金属盐溶液将剩余部分二氧化硅包裹，从而得到具有特殊光学性质的纳米核壳粒子。金属相应的盐一般指金属的高氯酸盐、盐酸盐和硝酸盐。

各步合成如下：

(1)核壳粒子中以二氧化硅为基质的核的合成

第一步：以极性溶剂用氨水为催化剂还原正硅酸乙酯(TEOS)，通过调节TEOS的用量、氨的用量、醇/水的比例、搅拌速度等得到不同粒径的单分散的二氧化硅粒子。该发明中醇为乙醇时效果最好。

水为二次去离子水，以下描述中除非特别提及，一般水都为二次去离子水。所有玻璃仪器在使用前都经王水浸泡过夜，用二次去离子水浸泡两小时后，再用二次去离子水冲洗三次，无灰尘条件下烘干备用。

第二步：该二氧化硅粒子在醇中与带氨基的硅烷试剂反应2～3小时，用醇溶液稀释50～100倍后再加热1～2小时，使得交联剂与二氧化硅粒子表面的键合更加牢固，形成一种表面氨化的二氧化硅粒子。以2000～4000rpm的转速离心分离，弃去上层清液，沉淀物用超声再分散，反复4～5次除去未反应的硅烷试剂。该粒子表面一般带有正电荷，即使在离心分离时不加任何表面分散剂，仍可经过超声再分散成单分散的粒子，不会因为团聚而无法再分散。

(2)以二氧化硅为核的种金粒子的制备

第一步：在水溶液中以还原剂在碱性条件还原所要包裹的金属对应的盐溶液，得到粒径在1nm至3nm的单分散的金属粒子的胶体溶液，过滤，该溶液在4℃下静置5～50天。该步中还原剂以四羟甲基氯化鏻(THPC)或硼氢化钠(NaBH₄)为佳。其中金属为金或银时效果最佳。反应溶液加入的最佳顺序为碱液、还原剂和金属对应的盐溶液。配制好的盐溶液要避光保存。

第二步：上步所述的金属胶体溶液与上述制得的表面氨化的二氧化硅粒子溶液混合，温和搅拌2～3小时。本发明中发现把表面氨化的二氧化硅粒子溶液加入到金属胶体溶液中效果较好。

第三步：以1000～2000rpm的转速离心分离弃去未被吸附到二氧化硅粒子表面的胶体溶液，加入乙醇超声分散，此操作反复重复4～5次，得到以二氧化硅为核的种金粒子。此粒子表面金属的覆盖率约为20～30％，剩余部分的覆盖在下步中进行。

(3)以二氧化硅为核的核壳粒子的制备

第一步：配制含有一定浓度的上述金属所对应的盐溶液和碳酸钾的水溶液，该溶液可以静置过夜。

第二步：上述所得的种金粒子与该溶液按照不同的体积比例混合后，在剧烈搅拌下加入还原剂，反应0.5小时后，以3000～5000rpm的转速离心分离去除未被吸附到种金表面的纳米金属粒子，得到表面完全覆盖有不同厚度金属层的核壳粒子。该步骤中还原剂最好为1％的甲醛水溶液。

利用(2)中和(3)中的第一步和第二步，或其他化学方法，可继续在此核壳粒子外层再次包裹其他的金属层。

本发明克服已有技术的缺陷提供一种制备具有特殊光学性质的纳米核壳粒子的新方法，即将二氧化硅和金属层之间通过交联剂连接，形成金属层包裹的非导电物质的复合纳米核壳结构，该核壳结构在近红外区具有最大紫外吸收和散射峰，在人类各种癌症的光热疗法中具有重要意义。

附图说明

图1：合成粒径约为150nm的球形二氧化硅的TEM图象(60kV)

图2：合成粒径为1～3nm的金纳米粒子(金胶体溶液中)的TEM图象

图3：粒径约为160nm的表面包覆率约20～30％的种金纳米粒子的TEM图象(60kV)

图4：粒径约为160nm的表面连续包裹金层的纳米二氧化硅核壳粒子的TEM图象(60kV)

图5：粒径约为160nm的二氧化硅-金的核壳粒子的紫外吸收。横坐标为波长，纵坐标为吸光度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

(1)核壳粒子中以二氧化硅为基质的核的合成

在100mL洁净的烧杯中加入50mL的绝对无水乙醇和3.0mL的氨水(25％)，在搅拌条件下，向该溶液中加入0.2mL(0.9mmol)的纯度为99.999％的正硅酸乙酯(TEOS)，约15～30mim后溶液变为乳白色的混浊液，继续搅拌8h。得到平均粒径为140nm的二氧化硅粒子。用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值。

通过调整氨水的浓度和TEOS的用量，可以合成粒径在100～250nm的二氧化硅球形粒子。

(2)二氧化硅表面的氨化

取上述实验所得二氧化硅粒子悬浊液离心分离(1000～2000rpm)，弃上层清夜，沉淀物加入10mL的乙醇，超声分散5min。向该悬浊液中加入400uL的氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，室温下搅拌2h后加入100mL的无水乙醇稀释，稀释液在70℃下加热回流1h，停止加热，冷却至室温后，以2500rpm的转速离心分离，弃上层清液，重复此操作4～5次除去未反应的硅烷试剂。最后所得沉淀用超声分散在10mL的乙醇中备用。用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值以及其粒径和粒径分布。

(3)含1～3nm金颗粒的金胶溶液的制备

取80％的四羟甲基氯化鏻(THPC)水溶液1.2mL用二次去离子水稀释至100mL备用。向45.5mL的水溶液中加入1.5mL的NaOH(0.2M)水溶液、1mL的THPC溶液和2.0mL的高氯酸金(HAuCl₄，25mmol)，剧烈搅拌1h后，在室温下放置1天，用孔径为200nm的过滤膜过滤，得到1～3nm的金颗粒。滤液于4℃冰箱中继续放置5～50天备用。高氯酸金(HAuCl₄)为99.9％的纯度。

(4)含1～3nm金颗粒的种金溶液的制备

取上述表面氨化的二氧化硅纳米粒子悬浊液1mL和上述100mL的金胶溶液混合，温和搅拌2～3小时。以1000～2000rpm的转速离心分离弃去未被吸附到二氧化硅粒子表面的胶体溶液，加入乙醇超声分散，此操作反复重复4～5次，得到以二氧化硅为核的种金粒子。该种金粒子最后超声分散在15mL的二次去离子水中备用。该种金粒子粒径约为150nm。并用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值以及其粒径和粒径分布。

(5)纳米核壳粒子的制备

把25mg的K₂CO₃和1.5mL的HAuCl₄(25mmol)溶液加入到100mL的二次去离子水中，该混合溶液(PCG)在可在避光下放置一天后使用。取上述种金溶液1mL和60mL的PCG溶液混合，剧烈速度搅拌10mim后，快速加入5mL的甲醛溶液(1％)，继续搅拌0.5h后，以3000～5000rpm的转速离心分离去除未被吸附到种金表面的纳米金属粒子，反复重复此操作最少5次。所得沉淀超声再分散于5mL的水中，该溶液中纳米粒子的浓度约为4×10¹¹个/mL。用透射电境测其粒径并用紫外光谱仪测其紫外吸收，并用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值以及其粒径和粒径分布。纳米二氧化硅表面连续包裹了一层金，该金层厚度约为10nm。紫外谱图显示其在约850nm具有最大紫外吸收。

实施例2：

(1)核壳粒子中以二氧化硅为基质的核的合成

在100mL洁净的烧杯中加入50mL的绝对无水乙醇和15.0mL的氨水(5.0％)，在搅拌条件下，向该溶液中加入0.2mL(0.9mmol)的纯度为99.999％的正硅酸乙酯(TEOS)，约15～30mim后溶液变为半透明的混浊液，继续搅拌8h。得到平均粒径为100nm的二氧化硅粒子。

调节实例1(1)中TEOS的用量为0.4mL而其他试剂用量不变，经过类似的反应后可以得到平均粒径为250nm的二氧化硅粒子。

一般而言，在其他试剂用量相同情况下，氨水的浓度越底，所得二氧化硅粒子粒径越小；TEOS的用量越多，所得二氧化硅粒子粒径越大。

(2)二氧化硅表面的氨化

取上述实例2(1)中实验所得平均粒径为100nm的二氧化硅粒子悬浊液离心分离(1000～2000rpm)，弃上层清夜，沉淀物加入10mL的乙醇，超声分散5min。向该悬浊液中加入250uL的氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，室温下搅拌2h后加入100mL的无水乙醇稀释，稀释液在70℃下加热回流1h，停止加热，冷却至室温后，以2500rpm的转速离心分离，弃上层清液，重复此操作4～5次除去未反应的硅烷试剂。最后所得沉淀用超声分散在10mL的乙醇中备用。用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值以及其粒径和粒径分布。

(3)含1～3nm金颗粒的种金溶液的制备

取该表面氨化的二氧化硅纳米粒子悬浊液1mL和上述实例1(3)中的金胶溶液100mL混合，温和搅拌2～3小时。以2000rpm的转速离心分离弃去未被吸附到二氧化硅粒子表面的胶体溶液，加入乙醇超声分散，此操作反复重复4～5次，得到以二氧化硅为核的种金粒子。该种金粒子最后超声分散在15mL的二次去离子水中备用。并用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值以及其粒径和粒径分布。该种金粒子粒径约为120nm。

(4)纳米核壳粒子的制备

把25mg的K₂CO₃和1.5mL的HAuCl₄(25mmol)溶液加入到100mL的二次去离子水中，该混合溶液(PCG)可在避光下放置一天后使用。取上述种金溶液1mL和80mL的PCG溶液混合，剧烈速度搅拌10mim后，快速加入6mL的甲醛溶液(1％)，继续搅拌0.5h后，以3000～5000rpm的转速离心分离去除未被吸附到种金表面的纳米金属粒子，反复重复此操作最少5次。所得沉淀超声再分散于5mL的水中。用透射电境测其粒径并用紫外光谱仪测其紫外吸收，并用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值以及其粒径和粒径分布。纳米二氧化硅表面连续包裹了一层金，该金层厚度约为10nm。紫外谱图显示其在约750nm具有最大紫外吸收。

实施例3：

取上述实例1(4)中的种金溶液1mL和30mL的PCG溶液混合，剧烈速度搅拌10mim后，快速加入3mL的甲醛溶液(1％)，继续搅拌0.5h后，以3000～5000rpm的转速离心分离去除未被吸附到种金表面的纳米金属粒子，反复重复此操作最少5次。所得沉淀超声再分散于5mL的水中，该溶液中纳米粒子的浓度约为4×10¹¹个/mL。用透射电境测其粒径并用紫外光谱仪测其紫外吸收，并用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值以及其粒径和粒径分布。纳米二氧化硅表面连续包裹了一层金，该金层厚度约为5nm。紫外谱图显示其约在700nm具有最大紫外吸收。

取上述实例1(4)中的种金溶液1mL和100mL的PCG溶液混合，剧烈速度搅拌10mim后，快速加入8mL的甲醛溶液(1％)，继续搅拌0.5h后，以3000～5000rpm的转速离心分离去除未被吸附到种金表面的纳米金属粒子，反复重复此操作最少5次。所得沉淀超声再分散于5mL的水中，该溶液中纳米粒子的浓度约为4×10¹¹个/mL。用透射电境测其粒径并用紫外光谱仪测其紫外吸收，并用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值以及其粒径和粒径分布。纳米二氧化硅表面连续包裹了一层金，该金层厚度约为30nm。紫外谱图显示其约在650nm具有最大紫外吸收。

对于粒径相同的种金粒子的溶液来说，在浓度一定的条件下，PCG用量越多(用于还原PCG的甲醛用量也按比例增加)，SiO₂粒子表面覆盖的金层越厚，其最大紫外吸收波长值越小；PCG的用量越少，表面金层越薄，其最大紫外吸收波长值越大。甲醛其体积变化在3-10mL内影响很小。

对一定量的种金来说，粒径越小，要达到表面完全覆盖金层所需的PCG用量越多；种金粒径越小，生成的核壳纳米粒子越容易团聚，其最大紫外吸收越向短波方向移动。

实施例4：

实施例1中第(2)步中的氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)分别用氨丙基三甲氧基硅烷、二氨丙基二乙氧基硅烷、4-氨丁基二甲基甲氧基硅烷或者苯基三乙氧基硅烷替代对二氧化硅表面进行氧化。其他同实施例1。

本项目所得纳米颗粒的粒径分布用MARLVEN公司Zetasizer Nano-ZS型动态光散射(DLS)测试，测试温度为25℃，入射激光波长为633nm。透射电境图片用PGILIPS公司的Philips120C型透射电境测试(60kV)。紫外光谱仪为紫外光谱仪为上海亚研电子有限公司UV1900PC型紫外仪。

上述实施例仅用以说明本发明但并不局限于此，应该理解在不脱离本发明的精神范围内还可有多种变通或替换方案。

Claims

1.一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子，包括二氧化硅核和金属壳，其特征在于核为粒径在100nm至250nm之间的二氧化硅，壳为金、银、锡或者它们的合金，且壳的厚度为5nm至30nm之间，壳通过交联剂连接在二氧化硅核粒子的表面。

2.如权利要求1所述的纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子，其特征在于二氧化硅核粒子形状为球形。

3.如权利要求1所述的纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子，其特征在于组成壳的金属层为一种金属形成的单层，或者是不同金属形成的多层，或者为金属合金形成的单层或多层。

4.如权利要求1所述的纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子，其特征在于交联剂为氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、二氨丙基二乙氧基硅烷、4-氨丁基二甲基甲氧基硅烷或者苯基三乙氧基硅烷。

5.如权利要求1所述的纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子，其特征在于纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子的形状为球形。

6.如权利要求1所述的纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子，其特征在于纳米核壳粒子的金属层完全包裹二氧化硅粒子为核的部分。

7.一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)核壳粒子中以二氧化硅为基质的核的合成

第一步：在极性溶剂中以氨为催化剂还原正硅酸乙酯(TEOS)，得到单分散的二氧化硅纳米粒子；

第二步：在醇中把交联剂键联到二氧化硅粒子表面，形成一种表面氨化的二氧化硅粒子；

(2)以二氧化硅为核的种金粒子的制备

第一步：在水溶液中以还原剂还原所要包裹金属的高氯酸盐、盐酸盐或者硝酸盐溶液，得到粒径在1nm至3nm的单分散的金属粒子的胶体溶液；

第二步：上步所述的金属粒子的胶体溶液与上述制得的表面氨化的二氧化硅粒子溶液混合搅拌；

第三步：离心分离弃去未被吸附到二氧化硅粒子表面的胶体溶液，超声分散，得到以二氧化硅为核的种金粒子，此粒子表面导电物质的覆盖率约为20～30％；

(3)以二氧化硅为核的核壳粒子的制备

第一步：配制含有上述金属所对应的盐溶液和碳酸钾的水溶液；

第二步：将种金粒子与(3)中第一步中的溶液混合后，在剧烈搅拌下加入还原剂，离心分离去除未被吸附到种金表面的纳米金属粒子，得到表面完全覆盖有金属层的核壳粒子。

8.如权利要求7所述的纳米复合物二氧化硅-金属核壳粒子的制备方法，其特征在于(1)中第一步中的极性溶剂为醇、水或者二者的混合物。