專利名稱：一種納米復合物二氧化硅－金屬核殼粒子及其制備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子，尤其是以二氧化硅納米粒子為核，表面包裹至少一種金屬殼的納米核殼粒子，并提供該納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子的制備方法，屬材料科學的生物醫藥技術領域。
背景技術：
眾所周知，固體金屬納米粒子具有特殊的光學性質，即等離子共振吸收。這種等離子共振吸收是源于金屬中的電子與瞬時電磁場之間的耦合產生，這種等離子共振吸收波長可以通過控制納米粒子的粒徑，從而改變由瞬時電磁輻射導致的紫外吸收和散射的波長范圍。但是這些純的金屬粒子無論怎樣改變粒徑，最大紫外吸收或散射只能在520nm以下，并且變化程度不明顯。如果在非導電介質的納米粒子上包裹金屬層，則可使得其在更大范圍內改變紫外吸收或散射，甚至到700至2000nm。這對生物學中癌癥的光熱療法具有重要意義800nm以下的光源很難穿透肌肉或者皮膚組織，容易灼傷組織；而800nm以上的光源不被人體組織吸收，可以穿透組織被納米核殼粒子吸收、放熱，從而使其在癌癥的光熱療法中具有重要意義。近年來，納米復合顆粒的制備已經成為生物醫藥技術中十分活躍的研究領域。通過控制核-殼結構的組成、形狀和尺寸，人們能夠定制所需要的納米復合顆粒，從而滿足特定領域的應用需要。
錢衛平(金納米殼球體的制備及其潛在的生物學應用，談用、丁少華、王毅、錢衛平，化學學報，2005，63(10)，929-933)等曾經報道了共振吸收峰位置分別約在720nm和760nm的金納米殼球體，并研究了其在全血中的光學性質。本發明制備出了在近紅外區(＞800nm)具有最大散射峰和紫外吸收的納米核殼粒子，并且可以通過控制核的大小和殼的厚度來控制核殼粒子的光學性質，并進一步探索了其在癌癥的光熱療法中的潛在應用價值。

發明內容
本發明的目的在于提供一種生物相容性好、水溶性好，具有特定光學性質的納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子。
本發明的又一目的在于提供一種納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子的制備方法。
本發明所述的一種納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子為一種以二氧化硅納米粒子為核，表面包裹至少一種金屬殼的納米核殼粒子。
本發明所述的一種納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子中核的材料是二氧化硅，形狀為球形。
本發明所述的一種納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子中表面包裹的金屬殼為金屬層，金屬包括金、銀、錫或者它們的合金，包裹的金屬層包括單層和多層，進一步包括多種金屬摻雜的單層或多層，金屬層厚度約為5nm至30nm。
本發明所述的一種納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子中最大消光值在300nm至2000nm的波長范圍內，最大紫外吸收在300nm至2000nm的波長范圍內。
為得到一種納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子，本發明采用一種分子交聯劑把二氧化硅和金屬層進行交聯，先通過物理吸附在二氧化硅納米粒子表面吸附20～30％的納米金屬顆粒，再用化學還原相應金屬鹽溶液將剩余部分二氧化硅包裹，從而得到具有特殊光學性質的納米核殼粒子。金屬相應的鹽一般指金屬的高氯酸鹽、鹽酸鹽和硝酸鹽。
各步合成如下(1)核殼粒子中以二氧化硅為基質的核的合成第一步以極性溶劑用氨水為催化劑還原正硅酸乙酯(TEOS)，通過調節TEOS的用量、氨的用量、醇/水的比例、攪拌速度等得到不同粒徑的單分散的二氧化硅粒子。該發明中醇為乙醇時效果最好。
水為二次去離子水，以下描述中除非特別提及，一般水都為二次去離子水。所有玻璃儀器在使用前都經王水浸泡過夜，用二次去離子水浸泡兩小時后，再用二次去離子水沖洗三次，無灰塵條件下烘干備用。
第二步該二氧化硅粒子在醇中與帶氨基的硅烷試劑反應2～3小時，用醇溶液稀釋50～100倍后再加熱1～2小時，使得交聯劑與二氧化硅粒子表面的鍵合更加牢固，形成一種表面氨化的二氧化硅粒子。以2000～4000rpm的轉速離心分離，棄去上層清液，沉淀物用超聲再分散，反復4～5次除去未反應的硅烷試劑。該粒子表面一般帶有正電荷，即使在離心分離時不加任何表面分散劑，仍可經過超聲再分散成單分散的粒子，不會因為團聚而無法再分散。
(2)以二氧化硅為核的種金粒子的制備第一步在水溶液中以還原劑在堿性條件還原所要包裹的金屬對應的鹽溶液，得到粒徑在1nm至3nm的單分散的金屬粒子的膠體溶液，過濾，該溶液在4℃下靜置5～50天。該步中還原劑以四羥甲基氯化鏻(THPC)或硼氫化鈉(NaBH4)為佳。其中金屬為金或銀時效果最佳。反應溶液加入的最佳順序為堿液、還原劑和金屬對應的鹽溶液。配制好的鹽溶液要避光保存。
第二步上步所述的金屬膠體溶液與上述制得的表面氨化的二氧化硅粒子溶液混合，溫和攪拌2～3小時。本發明中發現把表面氨化的二氧化硅粒子溶液加入到金屬膠體溶液中效果較好。
第三步以1000～2000rpm的轉速離心分離棄去未被吸附到二氧化硅粒子表面的膠體溶液，加入乙醇超聲分散，此操作反復重復4～5次，得到以二氧化硅為核的種金粒子。此粒子表面金屬的覆蓋率約為20～30％，剩余部分的覆蓋在下步中進行。
(3)以二氧化硅為核的核殼粒子的制備第一步配制含有一定濃度的上述金屬所對應的鹽溶液和碳酸鉀的水溶液，該溶液可以靜置過夜。
第二步上述所得的種金粒子與該溶液按照不同的體積比例混合后，在劇烈攪拌下加入還原劑，反應0.5小時后，以3000～5000rpm的轉速離心分離去除未被吸附到種金表面的納米金屬粒子，得到表面完全覆蓋有不同厚度金屬層的核殼粒子。該步驟中還原劑最好為1％的甲醛水溶液。
利用(2)中和(3)中的第一步和第二步，或其他化學方法，可繼續在此核殼粒子外層再次包裹其他的金屬層。
本發明克服已有技術的缺陷提供一種制備具有特殊光學性質的納米核殼粒子的新方法，即將二氧化硅和金屬層之間通過交聯劑連接，形成金屬層包裹的非導電物質的復合納米核殼結構，該核殼結構在近紅外區具有最大紫外吸收和散射峰，在人類各種癌癥的光熱療法中具有重要意義。


圖1合成粒徑約為150nm的球形二氧化硅的TEM圖象(60kV)圖2合成粒徑為1～3nm的金納米粒子(金膠體溶液中)的TEM圖象圖3粒徑約為160nm的表面包覆率約20～30％的種金納米粒子的TEM圖象(60kV)圖4粒徑約為160nm的表面連續包裹金層的納米二氧化硅核殼粒子的TEM圖象(60kV)圖5粒徑約為160nm的二氧化硅-金的核殼粒子的紫外吸收。橫坐標為波長，縱坐標為吸光度。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步詳述實施例1(1)核殼粒子中以二氧化硅為基質的核的合成在100mL潔凈的燒杯中加入50mL的絕對無水乙醇和3.0mL的氨水(25％)，在攪拌條件下，向該溶液中加入0.2mL(0.9mmol)的純度為99.999％的正硅酸乙酯(TEOS)，約15～30mim后溶液變為乳白色的混濁液，繼續攪拌8h。得到平均粒徑為140nm的二氧化硅粒子。用動態光散射儀測其表面電荷和溶液的pH值。
通過調整氨水的濃度和TEOS的用量，可以合成粒徑在100～250nm的二氧化硅球形粒子。
(2)二氧化硅表面的氨化取上述實驗所得二氧化硅粒子懸濁液離心分離(1000～2000rpm)，棄上層清夜，沉淀物加入10mL的乙醇，超聲分散5min。向該懸濁液中加入400uL的氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，室溫下攪拌2h后加入100mL的無水乙醇稀釋，稀釋液在70℃下加熱回流1h，停止加熱，冷卻至室溫后，以2500rpm的轉速離心分離，棄上層清液，重復此操作4～5次除去未反應的硅烷試劑。最后所得沉淀用超聲分散在10mL的乙醇中備用。用動態光散射儀測其表面電荷和溶液的pH值以及其粒徑和粒徑分布。
(3)含1～3nm金顆粒的金膠溶液的制備取80％的四羥甲基氯化鏻(THPC)水溶液1.2mL用二次去離子水稀釋至100mL備用。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)，劇烈攪拌1h后，在室溫下放置1天，用孔徑為200nm的過濾膜過濾，得到1～3nm的金顆粒。濾液于4℃冰箱中繼續放置5～50天備用。高氯酸金(HAuCl4)為99.9％的純度。
(4)含1～3nm金顆粒的種金溶液的制備取上述表面氨化的二氧化硅納米粒子懸濁液1mL和上述100mL的金膠溶液混合，溫和攪拌2～3小時。以1000～2000rpm的轉速離心分離棄去未被吸附到二氧化硅粒子表面的膠體溶液，加入乙醇超聲分散，此操作反復重復4～5次，得到以二氧化硅為核的種金粒子。該種金粒子最后超聲分散在15mL的二次去離子水中備用。該種金粒子粒徑約為150nm。并用動態光散射儀測其表面電荷和溶液的pH值以及其粒徑和粒徑分布。
(5)納米核殼粒子的制備把25mg的K2CO3和1.5mL的HAuCl4(25mmol)溶液加入到100mL的二次去離子水中，該混合溶液(PCG)在可在避光下放置一天后使用。取上述種金溶液1mL和60mL的PCG溶液混合，劇烈速度攪拌10mim后，快速加入5mL的甲醛溶液(1％)，繼續攪拌0.5h后，以3000～5000rpm的轉速離心分離去除未被吸附到種金表面的納米金屬粒子，反復重復此操作最少5次。所得沉淀超聲再分散于5mL的水中，該溶液中納米粒子的濃度約為4×1011個/mL。用透射電境測其粒徑并用紫外光譜儀測其紫外吸收，并用動態光散射儀測其表面電荷和溶液的pH值以及其粒徑和粒徑分布。納米二氧化硅表面連續包裹了一層金，該金層厚度約為10nm。紫外譜圖顯示其在約850nm具有最大紫外吸收。
實施例2
(1)核殼粒子中以二氧化硅為基質的核的合成在100mL潔凈的燒杯中加入50mL的絕對無水乙醇和15.0mL的氨水(5.0％)，在攪拌條件下，向該溶液中加入0.2mL(0.9mmol)的純度為99.999％的正硅酸乙酯(TEOS)，約15～30mim后溶液變為半透明的混濁液，繼續攪拌8h。得到平均粒徑為100nm的二氧化硅粒子。
調節實例1(1)中TEOS的用量為0.4mL而其他試劑用量不變，經過類似的反應后可以得到平均粒徑為250nm的二氧化硅粒子。
一般而言，在其他試劑用量相同情況下，氨水的濃度越底，所得二氧化硅粒子粒徑越小；TEOS的用量越多，所得二氧化硅粒子粒徑越大。
(2)二氧化硅表面的氨化取上述實例2(1)中實驗所得平均粒徑為100nm的二氧化硅粒子懸濁液離心分離(1000～2000rpm)，棄上層清夜，沉淀物加入10mL的乙醇，超聲分散5min。向該懸濁液中加入250uL的氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，室溫下攪拌2h后加入100mL的無水乙醇稀釋，稀釋液在70℃下加熱回流1h，停止加熱，冷卻至室溫后，以2500rpm的轉速離心分離，棄上層清液，重復此操作4～5次除去未反應的硅烷試劑。最后所得沉淀用超聲分散在10mL的乙醇中備用。用動態光散射儀測其表面電荷和溶液的pH值以及其粒徑和粒徑分布。
(3)含1～3nm金顆粒的種金溶液的制備取該表面氨化的二氧化硅納米粒子懸濁液1mL和上述實例1(3)中的金膠溶液100mL混合，溫和攪拌2～3小時。以2000rpm的轉速離心分離棄去未被吸附到二氧化硅粒子表面的膠體溶液，加入乙醇超聲分散，此操作反復重復4～5次，得到以二氧化硅為核的種金粒子。該種金粒子最后超聲分散在15mL的二次去離子水中備用。并用動態光散射儀測其表面電荷和溶液的pH值以及其粒徑和粒徑分布。該種金粒子粒徑約為120nm。
(4)納米核殼粒子的制備把25mg的K2CO3和1.5mL的HAuCl4(25mmol)溶液加入到100mL的二次去離子水中，該混合溶液(PCG)可在避光下放置一天后使用。取上述種金溶液1mL和80mL的PCG溶液混合，劇烈速度攪拌10mim后，快速加入6mL的甲醛溶液(1％)，繼續攪拌0.5h后，以3000～5000rpm的轉速離心分離去除未被吸附到種金表面的納米金屬粒子，反復重復此操作最少5次。所得沉淀超聲再分散于5mL的水中。用透射電境測其粒徑并用紫外光譜儀測其紫外吸收，并用動態光散射儀測其表面電荷和溶液的pH值以及其粒徑和粒徑分布。納米二氧化硅表面連續包裹了一層金，該金層厚度約為10nm。紫外譜圖顯示其在約750nm具有最大紫外吸收。
實施例3取上述實例1(4)中的種金溶液1mL和30mL的PCG溶液混合，劇烈速度攪拌10mim后，快速加入3mL的甲醛溶液(1％)，繼續攪拌0.5h后，以3000～5000rpm的轉速離心分離去除未被吸附到種金表面的納米金屬粒子，反復重復此操作最少5次。所得沉淀超聲再分散于5mL的水中，該溶液中納米粒子的濃度約為4×1011個/mL。用透射電境測其粒徑并用紫外光譜儀測其紫外吸收，并用動態光散射儀測其表面電荷和溶液的pH值以及其粒徑和粒徑分布。納米二氧化硅表面連續包裹了一層金，該金層厚度約為5nm。紫外譜圖顯示其約在700nm具有最大紫外吸收。
取上述實例1(4)中的種金溶液1mL和100mL的PCG溶液混合，劇烈速度攪拌10mim后，快速加入8mL的甲醛溶液(1％)，繼續攪拌0.5h后，以3000～5000rpm的轉速離心分離去除未被吸附到種金表面的納米金屬粒子，反復重復此操作最少5次。所得沉淀超聲再分散于5mL的水中，該溶液中納米粒子的濃度約為4×1011個/mL。用透射電境測其粒徑并用紫外光譜儀測其紫外吸收，并用動態光散射儀測其表面電荷和溶液的pH值以及其粒徑和粒徑分布。納米二氧化硅表面連續包裹了一層金，該金層厚度約為30nm。紫外譜圖顯示其約在650nm具有最大紫外吸收。
對于粒徑相同的種金粒子的溶液來說，在濃度一定的條件下，PCG用量越多(用于還原PCG的甲醛用量也按比例增加)，SiO2粒子表面覆蓋的金層越厚，其最大紫外吸收波長值越小；PCG的用量越少，表面金層越薄，其最大紫外吸收波長值越大。甲醛其體積變化在3-10mL內影響很小。
對一定量的種金來說，粒徑越小，要達到表面完全覆蓋金層所需的PCG用量越多；種金粒徑越小，生成的核殼納米粒子越容易團聚，其最大紫外吸收越向短波方向移動。
實施例4實施例1中第(2)步中的氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)分別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對二氧化硅表面進行氧化。其他同實施例1。
本項目所得納米顆粒的粒徑分布用MARLVEN公司Zetasizer Nano-ZS型動態光散射(DLS)測試，測試溫度為25℃，入射激光波長為633nm。透射電境圖片用PGILIPS公司的Philips120C型透射電境測試(60kV)。紫外光譜儀為紫外光譜儀為上海亞研電子有限公司UV1900PC型紫外儀。
上述實施例僅用以說明本發明但并不局限于此，應該理解在不脫離本發明的精神范圍內還可有多種變通或替換方案。
權利要求
1.一種納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子，包括二氧化硅核和金屬殼，其特征在于核為粒徑在100nm至250nm之間的二氧化硅，殼為金、銀、錫或者它們的合金，且殼的厚度為5nm至30nm之間，殼通過交聯劑連接在二氧化硅核粒子的表面。
2.如權利要求1所述的納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子，其特征在于二氧化硅核粒子形狀為球形。
3.如權利要求1所述的納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子，其特征在于組成殼的金屬層為一種金屬形成的單層，或者是不同金屬形成的多層，或者為金屬合金形成的單層或多層。
4.如權利要求1所述的納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子，其特征在于交聯劑為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.如權利要求1所述的納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子，其特征在于納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子的形狀為球形。
6.如權利要求1所述的納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子，其特征在于納米核殼粒子的金屬層完全包裹二氧化硅粒子為核的部分。
7.一種納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)核殼粒子中以二氧化硅為基質的核的合成第一步在極性溶劑中以氨為催化劑還原正硅酸乙酯(TEOS)，得到單分散的二氧化硅納米粒子；第二步在醇中把交聯劑鍵聯到二氧化硅粒子表面，形成一種表面氨化的二氧化硅粒子；(2)以二氧化硅為核的種金粒子的制備第一步在水溶液中以還原劑還原所要包裹金屬的高氯酸鹽、鹽酸鹽或者硝酸鹽溶液，得到粒徑在1nm至3nm的單分散的金屬粒子的膠體溶液；第二步上步所述的金屬粒子的膠體溶液與上述制得的表面氨化的二氧化硅粒子溶液混合攪拌；第三步離心分離棄去未被吸附到二氧化硅粒子表面的膠體溶液，超聲分散，得到以二氧化硅為核的種金粒子，此粒子表面導電物質的覆蓋率約為20～30％；(3)以二氧化硅為核的核殼粒子的制備第一步配制含有上述金屬所對應的鹽溶液和碳酸鉀的水溶液；第二步將種金粒子與(3)中第一步中的溶液混合后，在劇烈攪拌下加入還原劑，離心分離去除未被吸附到種金表面的納米金屬粒子，得到表面完全覆蓋有金屬層的核殼粒子。
8.如權利要求7所述的納米復合物二氧化硅-金屬核殼粒子的制備方法，其特征在于(1)中第一步中的極性溶劑為醇、水或者二者的混合物。
全文摘要
本發明涉及一種納米復合物二氧化硅－金屬核殼粒子，并提供該納米復合物二氧化硅－金屬核殼粒子的制備方法，屬材料科學的生物醫藥技術領域。本發明所述的納米復合物二氧化硅－金屬核殼粒子為一種以二氧化硅納米粒子為核，表面包裹至少一種金屬殼的納米核殼粒子，其最大消光值在300nm至2000nm的波長范圍內，最大紫外吸收在300nm至2000nm的波長范圍內。本發明采用一種分子交聯劑把二氧化硅和金屬層進行交聯，先通過物理吸附在二氧化硅納米粒子表面吸附20～30％的納米金屬顆粒，再用化學還原相應金屬鹽溶液將剩余部分二氧化硅包裹，從而得到具有特殊光學性質的納米核殼粒子。該核殼結構在近紅外區具有最大紫外吸收和散射峰，在人類各種癌癥的光熱療法中具有重要意義。
文檔編號C22C1/04GK101049631SQ20071004069
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月16日 優先權日2007年5月16日
發明者羅淑芳, 劉順英, 梁重時, 余家會 申請人:華東師范大學