吴大辉, 周仕林, 张丽娜, 张 帅, 余治昊, 黄明贤

(1. 上海理工大学 环境与建筑学院, 上海 200093; 2. 上海理工大学 理学院, 上海 200093)

Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-NH2核壳结构微球的制备及其性能表征

吴大辉1, 周仕林2, 张丽娜1, 张 帅2, 余治昊2, 黄明贤2

(1. 上海理工大学 环境与建筑学院, 上海 200093; 2. 上海理工大学 理学院, 上海 200093)

将由二苯甲酰甲烷、1,10-菲罗啉及氯化铕三者合成的荧光配合物Eu(dbm)3phen嵌入于用水刻蚀法制得的二氧化硅微球,得到Eu(dbm)3phen/SiO2复合微球。为解决上述复合微球易泄漏的问题,在微球表面包覆了一层约10 nm厚的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,形成核-壳结构,并通过与甲基丙烯酸缩水甘油酯的聚合反应,使微球表面带上环氧基团。通过环氧基团与乙二胺的开环反应,使微球表面带有氨基,其荧光强度可保持为原强度的72%,并便于与抗体连接。通过激发粒径仪、扫描电镜等多种方法对此材料的结构及性能作了表征。结果表明该材料有条件用作荧光免疫检测中生物分子的标记。

Eu(dbm)3phen配合物; 介孔二氧化硅; 核壳结构

自1942年第一次报道了β-二酮配合物的发光性质以来,稀土离子β-二酮配合物凭借着自身优良的发光性能引起了人们的广泛关注[1]。但稀土离子β-二酮配合物具有热稳定性差、机械张力低等缺点,这限制了它的广泛应用[2]。为了改善上述缺点,一些课题组将稀土离子β-二酮配合物填入到无机材料中[3]。二氧化硅具有价格低廉、易合成、可透光、粒径易控制等优点,所以稀土离子β-二酮配合物/二氧化硅复合微球得到了广泛的研究[4-6]。文献[4]报道将Eu(dbm)3phen填入到介孔二氧化硅微球中,并研究了Eu(dbm)3phen在介孔二氧化硅中的猝灭浓度和光稳定性。研究结果表明:在平均粒径为60 nm、平均孔径为2.9 nm的介孔二氧化硅中,最多能够掺杂质量分数为23%的Eu(dbm)3phen,且在140 ℃下荧光强度保持不变。文献[5]中研究了介孔二氧化硅表面修饰不同硅烷偶联剂对荧光性能的影响,结果表明:介孔二氧化硅表面修饰上3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)后,能够使Eu(dbm)3phen/SiO2复合微球的荧光强度提高1倍,光衰时间延长至0.73 ms。Eu(dbm)3phen/SiO2复合微球具有荧光强度较强、激发峰较宽、发射峰较窄以及光衰时间长等优点,适用于荧光免疫分析[7-10]。但由于Eu(dbm)3phen与二氧化硅之间为物理吸附作用,Eu(dbm)3phen易泄漏,其应用范围受到了限制。

为解决Eu(dbm)3phen/SiO2复合微球易泄漏的问题,本工作在Eu(dbm)3phen/SiO2复合微球表面涂覆了一层γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)壳,形成核-壳结构。同时为了能够与抗体相连,在微球表面进行接枝共聚反应,涂覆聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)后,再进行环氧开环反应,使得复合微球表面富含-NH2。

1 试验部分

1．1 仪器与试剂

JEM 2011型透射电子显微镜,Nicolet is5型傅里叶变换红外光谱仪,Nano Brook 90plus Zeta型激光粒径仪,F-7000型荧光分光光度计,U-3900型紫外-可见分光光度计,Tescan Vega 3型扫描电子显微镜,PALL cascada-bio型超纯水机。

氨水、无水乙醇、正硅酸四乙酯(TEOS)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二氯甲烷、甲苯、二苯甲酰甲烷、KH570均为分析级,碱性氧化铝(0.074～0.05 mm,即200～300目)、无水乙酸钠纯度为99%,氯化铕六水合物纯度为99.0%,1,10-菲罗啉-水合物纯度为98%,甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)纯度为97%,偶氮二异丁腈(AIBN)、KH550纯度为99%。

试验用水为超纯水(电阻率为18.2 MΩ·cm)。

1．2 仪器工作条件

激光粒径仪(DLS):二氧化硅、SiO2-NH2的迁移率依次为-2.89,-0.77 V·cm-1,二氧化硅、SiO2-NH2的频率依次为235.24,244.44 Hz。

扫描电镜:高压30 kV,工作距离4.4 mm。

透射电镜:高压80 kV。

紫外分光光度计:测量范围200～900 nm。

荧光分光光度计:激发波长354 nm,检测波长613 nm,缝宽2.5 mm。

红外光谱仪:测量范围4 000 cm-1以内。

1．3 试验方法

1．3．1 单分散介孔二氧化硅微球的制备

将无水乙醇100 mL、水20 mL和氨水5 mL混合于500 mL锥形瓶中,用封口膜将锥形瓶密封,并于40 ℃下加热搅拌0.5 h,然后加入TEOS 8 mL,搅拌2.5 h,离心分离,并用水洗3次,得到平均粒径为247 nm的二氧化硅微球[11]。将所得的二氧化硅微球溶于水中,并于100 ℃下加热回流8 h。反应过程中,每隔一段时间,取出5 mL反应液,离心分离后溶于乙醇10 mL中[12]。8 h后,将剩余反应液离心分离,并用水洗2次,于真空干燥箱中干燥过夜。

1．3．2 介孔二氧化硅的氨基化

将干燥的二氧化硅加入甲苯50 mL中,超声分散20 min。然后将混合液移至三口烧瓶中,加入过量的KH550,于氮气氛围下加热回流24 h。反应结束后离心分离,用甲苯和乙醇各洗2次,于真空干燥箱中干燥过夜。

1．3．3 Eu(dbm)3phen的合成及填充

将3 mmol的二苯甲酰甲烷,1 mmol的1,10-菲罗啉-水合物溶于50 mL无水乙醇中。将1 mmol的氯化铕六水合物溶于10 mL水中。将上述两种溶液混合,用1 mol·L-1乙酸钠溶液将混合液pH调至6～7,磁力搅拌4 h后,离心分离,用水和无水乙醇各洗1次,于真空干燥箱中干燥过夜。取干燥过后的上述Eu(dbm)3phen少许,溶于二氯甲烷中,再加入二氧化硅微球,于常温下搅拌6 h,离心分离,于真空干燥箱中干燥过夜。加入Eu(dbm)3phen的质量分数为二氧化硅微球的10%。

1．3．4 Eu(dbm)3phen/SiO2复合微球的包覆

取水50 mL于100 mL烧杯中,加入少许KH570,然后再加入少许盐酸溶液,于常温下搅拌,搅拌至水中油滴消失。再加入Eu(dbm)3phen/SiO2复合微球,待混合均匀后,加入少许氨水。以后每隔0.5 h,加入少许氨水,待第4次加入氨水后,再反应2 h,离心分离,用无水乙醇洗2次,于真空干燥箱中干燥过夜。

1．3．5 Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570与GMA的接枝聚合

取Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570微球0.5 g,分散于DMF 50 mL中,取GMA 1 mL,用碱性氧化铝过滤后加入。于氮气氛围下加入AIBN 0.02 g,于75 ℃下搅拌6 h。待反应完成后,离心分离,用DMF和无水乙醇各洗2次,于真空干燥箱中干燥过夜。

1．3．6 Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-GMA微球表面氨基化

将上述所得微球分散于DMF 50 mL中,加入乙二胺2 mL,于80 ℃下搅拌3 h,反应结束后,离心分离,用DMF和无水乙醇各洗1次,于真空干燥箱中干燥过夜,得到Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-NH2微球。具体合成路线见图1。

(a) 制备示意图

(b) 环氧开环反应

(c) 抗体连接反应图1 Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-GMA微球的制备及环氧开环反应和与抗体连接反应的示意图Fig. 1 Schematics of preparation of microspheres of Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-GMA, ring-opening reaction of epoxy groups, and linking of the microspheres with antibody

2 结果与讨论

2．1 Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-NH2的组成与结构

将介孔二氧化硅微球分散于水中,用激光粒径仪进行测试,介孔二氧化硅微球DLS图见图2。

由图2可知:粒径分布符合正态分布,其平均粒径为247 nm,分散性指数(PDI)为0.039。

介孔二氧化硅微球的扫描电镜(SEM)图见图3。

图2 介孔二氧化硅微球DLS图Fig. 2 DLS curve of mesoporous silica microsphere

由图3可知:平均粒径为(223±16) nm。

由上述结果可知,成功合成了单分散、窄分布的介孔二氧化硅微球。

图3 介孔二氧化硅微球SEM图Fig. 3 SEM image of mesoporous silica microsphere

二氧化硅与SiO2-NH2的电动电势见表1。

表1 二氧化硅与SiO2-NH2的电动电势Tab. 1 Zeta potential of SiO2 and SiO2-NH2

由表1可知:未修饰KH550前,二氧化硅的Zeta电位为-37.05 mV;修饰KH550后,Zeta电位升高至-9.87 mV。这是因为-NH2在水溶液中能够结合水电离出来的H+,形成带正电荷状态的-NH3+,因此氨基化的二氧化硅的Zeta电位升高。由于修饰上的-NH2的量较少,不能将Zeta电位升高到正值,但修饰上大量的-NH2容易堵塞二氧化硅上的介孔,不利于后续Eu(dbm)3phen的填充[5],所以修饰少量的-NH2是合理的。

合成介孔二氧化硅的方法主要有两大类,一种是利用模板法合成介孔二氧化硅[13],另一种是在二氧化硅微球上进行刻蚀[14]。模板法中去除模板的方法主要有溶液提取法和高温灼烧法[15]。以溴化十六烷三甲基铵(CTAB)作模板剂为例,完全去除CTAB需要用丙酮回流48 h,且重复6次,耗时长[16]。高温灼烧法是将二氧化硅微球置于马弗炉中,于550 ℃下加热10 h[17]。在550 ℃下,二氧化硅表面的硅羟基容易失水,形成硅氧硅键,不利于后续的氨基化,因此需要活化处理,这使反应变冗长[11]。刻蚀法包括氢氧化钠刻蚀和水刻蚀。氢氧化钠刻蚀产量太低,且二氧化硅的粒径会变小,不易控制[18]。水刻蚀是一种适用于几十纳米到几百纳米二氧化硅微球的扩孔方法。只需将二氧化硅微球分散于水中,在100 ℃下加热几小时。水刻蚀过后,二氧化硅分散在无水乙醇中的透射率见图4。

图4 介孔二氧化硅的透光率图Fig. 4 Transmittance spectra of mesoporous silica

由图4可知:主要的刻蚀阶段发生于1～2 h之间,反应8 h后,在900 nm处的透射率由48%升高至84%,这是因为扩孔后,二氧化硅变得不再密实,能够透过更多的光。

刻蚀前后的微球、包覆KH570的微球及聚合GMA的微球的透射电镜图见图5。

比较图5中a、b(50 nm)可知:a(50 nm)表面较为光滑,b(50 nm)表面较为粗糙。这说明经过水刻蚀,微球表面已扩孔成功。比较图5中b、c(50 nm)可知:在微球外层包覆了一层颜色较浅的壳层,壳层的厚度为10 nm左右。比较图5c(50 nm)、d(20 nm)可知:与GMA聚合后,壳层表面变得凹凸不平,说明GMA已经成功在壳层表面发生了聚合反应,GMA层的厚度约为5 nm。

(a) 未刻蚀的微球 (b) 刻蚀过后的微球

(c) 包覆KH570的微球 (d) 聚合GMA的微球图5 透射电镜图Fig. 5 TEM images

5种微球的红外光谱图见图6。

1-SiO2;2-SiO2-NH2;3-Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570; 4-Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-GMA; 5-Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-NH2图6 5种微球的红外光谱图Fig. 6 IR spectra of the 5 micropheres

由图6中曲线1可以发现:1 105 cm-1处存在强而宽的吸收峰,属于Si-O-Si的反对称伸缩振动;800,471 cm-1是Si-O对称伸缩振动和弯曲振动;3 434 cm-1处强而宽的吸收峰是Si-O-H的伸缩振动和O-H的伸缩振动;1 640 cm-1处是H-O-H弯曲振动峰,而943 cm-1处的峰属于Si-OH的弯曲振动吸收峰。由此可以判断所合成的物质为二氧化硅。图6中曲线2为氨基化的二氧化硅,但并未发现氨基的特征峰,这可能是由于键合上的KH550的量比较少,为二氧化硅的强吸收峰所掩盖,文献[19]也有类似的情况。Zeta电位的升高也说明了二氧化硅已成功接上氨基。图6中曲线3出现了1 720,2 958,2 928 cm-1等新峰,分别为羰基的伸缩振动峰和甲基、亚甲基的振动峰,说明二氧化硅微球表面已成功接上了KH570。由图6中曲线4可知,在910 cm-1出现了环氧基团的特征峰,表明GMA成功接枝到微球上。图6中曲线5出现了新的1 568 cm-1峰,是-NH2的弯曲振动峰,说明表面微球上含有氨基基团。

2．2 微球的性能表征

Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-GMA的激发光谱图(发射波长613 nm)见图7。

图7 Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-GMA的激发光谱Fig. 7 Excitation spectrum of Eu(dbm)3phen/ SiO2@KH570-GMA

由图7可知:Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-GMA在278,355 nm处存在宽的激发峰,适用于近紫外激发。在发射光谱中,共有580,591,613,653,704 nm等5个峰,分别对应于5D0→7FJ(J=0,1,2,3,4)的跃迁发射。其中613 nm处峰最强,说明了Eu3+偏离反演对称中心,属于电偶极跃迁,易受周围环境影响。4种微球的发射光谱图(355 nm处激发)见图8。

1-Eu(dbm)3phen/SiO2-NH2; 2-Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-NH2; 3-Eu(dbm)3phen/SiO2; 4-未包覆KH570,但进行聚合反应与环氧开环反应的 Eu(dbm)3phen/SiO2-NH2图8 4种微球的发射光谱Fig. 8 Emission spectra of the 4 micropheres

由图8中曲线1,3可知:当二氧化硅氨基化后,Eu(dbm)3phen和氨基的氢键作用[5,20]使得荧光强度增强。为了比较包覆KH570前后对Eu(dbm)3phen泄漏情况的影响,试验将包覆KH570前后的Eu(dbm)3phen/SiO2-NH2进行了聚合反应与环氧开环反应。包覆KH570的Eu(dbm)3phen/SiO2-NH2的荧光强度减少了28%,未包覆KH570的Eu(dbm)3phen/SiO2-NH2的荧光强度减少了88%(图8中曲线2,4)。因此包覆KH570能够有效地减少荧光分子Eu(dbm)3phen的泄漏。

本工作采用Stober法、水刻蚀扩孔以及浸渍法成功合成了Eu(dbm)3phen/SiO2复合材料。在水相中,微球表面成功包覆了一层约10 nm厚的KH570,并与GMA进行聚合反应,这使得微球表面带上环氧基团。环氧基团与乙二胺的开环反应,使得微球表面带有氨基,且荧光强度保持为原来的72%。该材料有望用于荧光免疫检测中生物分子的标记,特别是用于时间分辨荧光免疫检测等。

[1] WEISSMAN S I. Intramolecular energy transfer the fluorescence of complexes of europium[J]. The Journal of Chemical Physics, 1942,10(4):214-217．

[2] LE DONNE A, ACCIARRI M, NARDUCCI D, et al. Encapsulating Eu3+complex doped layers to improve Si-based solar cell efficiency[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2009,17(8):519-525．

[3] LOWELL R, MATTHEWS E T K. Luminescence behavior of europium complexes in Sol-Gel derived host materials[J]. Chemistry of Materials, 1993,5(12):1697-1700．

[4] MORETTI E, TALON A, STORARO L, et al. Concentration quenching and photostability in Eu(dbm)3phen embedded in mesoporous silica nanoparticles[J]. Journal of Luminescence, 2014,146:178-185．

[5] MALBA C, SUDHAKARAN U P, BORSACCHI S, et al. Structural and photophysical properties of rare-earth complexes encapsulated into surface modified mesoporous silica nanoparticles[J]. Dalton Transactions, 2014,43(43):16183-16196．

[6] 楼文高,王晓红,匡罗平.阴极射线管色度转换的神经网络模型[J].上海理工大学学报, 2006,28(1):35-38．

[7] TAN M, YE Z, WANG G, et al. Preparation and time-resolved fluorometric application of luminescent europium nanoparticles[J]. Chemistry of Materials, 2004,16(12):2494-2498．

[8] YE Z, TAN M, WANG G, et al. Novel fluorescent europium chelate-doped silica nanoparticles: preparation, characterization and time-resolved fluorometric application[J]. Journal of Materials Chemistry, 2004,14(5):851-856．

[9] 谢国仁,尚小琴,刘汝峰,等.乙二胺改性淀粉GMA共聚物对Pb(Ⅱ)的吸附性能[J].化工学报, 2011,62(4):970-976．

[10] XU Y, LI Q. Multiple fluorescent labeling of silica nanoparticles with lanthanide chelates for highly sensitive time-resolved immunofluorometric assays[J]. Clinical Chemistry, 2007,53(8):1503-1510．

[11] PLUMERE N, RUFF A, SPEISER B, et al. Stober silica particles as basis for redox modifications: particle shape, size, polydispersity, and porosity[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2012,368(1):208-219．

[12] HU Y, ZHANG Q, GOEBL J, et al. Control over the permeation of silica nanoshells by surface-protected etching with water[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2010,12(38):11836-11842．

[13] LEE J, PARK J C, BANG J U, et al. Precise tuning of porosity and surface functionality in Au@SiO2nanoreactors for high catalytic efficiency[J]. Chemistry of Materials, 2008,20(18):5839-5844．

[14] ZHANG Q, LEE I, GE J, et al. Surface-protected etching of mesoporous oxide shells for the stabilization of metal nanocatalysts[J]. Advanced Functional Materials, 2010,20(14):2201-2214．

[15] JOO S H, PARK J Y, TSUNG C K, et al. Thermally stable Pt/mesoporous silica core-shell nanocatalysts for high-temperature reactions[J]. Nature Materials, 2009,8(2):126-131．

[16] DING H L, ZHANG Y X, LI G H. Recent research progress on magnetic nanocomposites with silica shell structures preparation and nanotheranostic applications[J]. Recent Patents on Nanotechnology, 2014,8(2):117-128．

[17] SHIMURA N, OGAWA M. Growth of nanoporous silica spherical particles by the Stöber method combined with supramolecular templating approach[J]. Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2005,78(6):1154-1159．

[18] CHENG Z, MA P, HOU Z, et al. YVO4:Eu3+functionalized porous silica submicrospheres as delivery carriers of doxorubicin[J]. Dalton Transactions, 2012,41(5):1481-1489．

[19] 韩冰,林三清,温新兰,等.二氧化硅微球的两种氨基化改性方法研究[J].湛江师范学院学报, 2014,35(3):63-66．

[20] XU Q H, LI L S, LIU X S, et al. Incorporation of rare-earth complex Eu(TTA)4C5H5NC16H33 into surface-modified Si-MCM-41[J]. Chemistry of Materials, 2002,14(2):549-555．

DOI:10.11973/lhjy-hx201702005

Study on Preparation and Properties of Microspheres of Eu(dbm)3phen/SiO2@KH570-NH2with Core-Shell Structure

WU Da-hui1, ZHOU Shi-lin2, ZHANG Li-na1, ZHANG Shuai2, YU Zhi-hao2, HUANG Ming-xian2

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.SchoolofScience,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

A fluorescent coordination complex of Eu(dbm)3phen was synthesized by the reaction among dibenzoyl methane, 1,10-phenanthroline and europium chloride, and was embedded into the SiO2microsphere prepared by the surface protected water-etching, to obtain the compound microspheres of Eu(dbm)3phen/SiO2. To overcome the leakage of the microsphere, a layer of KH570 (ca. 10 nm) was covered onto the surface of microspheres, to form core-shell structure. And in addition, to have epoxy groups attached to the microspheres, polymerization with GMA was carried out. The epoxy rings were opened by reaction with ethylene diamine, thus to have aminogroups attached on the surface of microspheres, to keep 72% of its original fluorescence intensity, and to have convenience in linking with antibody. The structure and properties of the above mentioned microsphere material were studied thoroughly by DLS, SEM and so on. It was shown that this material is suitable to be used for biolabelling in fluoro-immuno-assay.

Coordination complex of Eu(dbm)3phen; Mesoporous SiO2; Core-shell structure

10.11973/lhjy-hx201702004

2016-02-18

沪江基金(D15011)

吴大辉(1992-),男,福建福州人,硕士研究生,研究 方向为发光材料。E-mail:wdh19920410@163.com

O657.3

A

1001-4020(2017)02-0139-07