CN105079825A - 一种纳米粒子及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米材料领域，具体为一种纳米粒子，所述的纳米粒子包括介孔二氧化硅棒，嵌设在所述二氧化硅棒一端的磁性粒子，以及负载在所述二氧化硅棒表面的抗体；所述二氧化硅棒的长度为20～500nm，所述磁性粒子的粒径为70～200nm，所述介孔的孔径为1～5nm；抗体可以特异性地与具有表面抗原的细菌结合，因为所述纳米粒子具有表面效应，其特异性结合细菌的能力大大提高了；利用所述纳米粒子兼具优异的磁性能够实现细菌的分离。同时，所述纳米粒子兼具磁性和生物相容性，能够实现在生物医学成像中的应用。本发明所述的一种纳米粒子的制备方法，工艺简单，适合大规模的工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，具体为一种具有非对称结构纳米粒子及其制备方法和应用。
背景技术
在过去的二十年里，科学家一直注重寻求纳米技术领域中具有工程特性以及具有期望功能的新型智能材料。在纳米技术中最有潜在应用的研究主题是自下而上的设计一些材料，其中，工程所期望的构件通常是用于创造出一些可以通过自发性自主装的新型材料。因此，目前最为关注的是要一直致力于制备各种类型的构件。
科学家必须面临的真正的挑战是寻找新的方法来操纵纳米粒子以及生产所期望属性的纳米粒子。迄今为止，大多数的能量谱可引导球形粒子的制备，这些球形粒子在体积和表面上具有各向同性的性质。如中国专利文献CN103961712A公开了一种超顺磁四氧化三铁纳米粒子药物载体，包括：由尺寸小于10nm的四氧化三铁纳米晶粒聚合而成的超顺磁四氧化三铁，包覆在所述超顺磁四氧化三铁纳米粒子表面的无定形碳的碳层，包覆在所述碳层表面的银纳米粒子及银纳米颗粒表面的多孔结构的二氧化硅层。所述的超顺磁四氧化三铁纳米粒子药物载体中的超顺磁四氧化三铁能够在酸性细胞环境中释放二价铁离子，协助杀死癌细胞；同时，还能实现核磁共振成像检测。然而，该专利文献中所述的药物载体为多层包覆结构形成的球形粒子，在体积和表面上具有各向同性的性质，各功能层的物理化学性质极易因为复合而减弱甚至消失，不但影响了使用效果，还增大了研发成本。
发明内容
为此，本发明提供一种具有各向异性的多功能非对称结构纳米粒子及其制备方法和应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明所述的一种纳米粒子，包括介孔二氧化硅棒，嵌设在所述二氧化硅棒一端的磁性粒子，以及负载在所述二氧化硅棒表面的抗体；所述二氧化硅棒的长度为70～200nm，所述磁性粒子的粒径为50～150nm，所述介孔的孔径为1～5nm。
所述磁性粒子为r-Fe2O3、MeFe2O3、Fe3O4、MnO、NiO、NiCoFe、FeCo、NiFe中的至少一种，其中，Me为Co、Mn、Ni中的一种。
所述纳米粒子的比表面积为800～1200m2/g，累积孔体积不小于0.5cm3/g；所述纳米粒子的磁响应能力不小于58emu/g。
所述的纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备磁性粒子，
将磁性前驱体、聚丙烯酸(PAA)以及二甘醇(DEG)的混合物在氮气保护下室温100～1000rpm搅拌30分钟，之后加热到240～280℃继续100～1000rpm搅拌30分钟，制得第一反应溶液，
在所述第一反应溶液中注入60～75℃的NaOH的二甘醇(DEG)溶液，继续100～1000rpm搅拌1小时反应最终生成磁性粒子，
将所述磁性粒子进行分离、水洗、干燥；
所述聚丙烯酸与所述磁性前驱体的物质的量之比为10:1，所述二甘醇的体积份为所述二甘醇的体积与所述磁性前驱体的物质的量之比，所述体积份为30～40ml/mmol；
制备磁-介孔二氧化硅棒，
将1ml浓度为8.6mg/ml的所述磁性粒子水溶液加入到10ml的5mg/ml表面活性剂的水溶液中，充分分散，加入弱碱性试剂氨水500ml，之后缓慢加入正硅酸乙酯后继续搅拌30分钟，洗去所述表面活性剂，制得磁-介孔二氧化硅棒；
所述磁-介孔二氧化硅棒的表面功能化处理，
将所述磁-介孔二氧化硅棒分散在乙醇和水混合溶液中，加入氨基硅氧烷，60℃～100℃下100rpm搅拌均匀，加热保持2～12小时后得之；
负载所述抗体，
将表面功能化处理后的所述磁-介孔二氧化硅棒分散在缓冲液中，加入1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，室温活化30分钟，之后分离磁-介孔二氧化硅棒并用缓冲液洗涤干净，即得氨基活化的磁-介孔二氧化硅棒；加入抗体，并对所述混合溶液进行震荡处理3小时，洗涤制得所述纳米粒子。
所述磁性前驱体为铁盐、锰盐、镍盐中的一种；所述缓冲液为MEST缓冲液。
所述聚丙烯酸的分子量为1500～3000；所述氢氧化钠的二甘醇溶液的浓度为0.1g/mL；所述表面活性剂为烷基季铵盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二胺中的至少一种。
所述正硅酸乙酯与所述磁性粒子的物质的量之比为：
[TEOS×10-7]/[Fe3O4]＝4.9～7.6；
所述表面活性剂的浓度为10-2～102mg/mL。
所述碱性试剂为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。
本发明所述的纳米粒子在细菌捕获中的应用。
本发明所述的纳米粒子在生物医学成像中的应用。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、本发明所述的一种纳米粒子，包括介孔二氧化硅棒，嵌设在所述二氧化硅棒一端的磁性粒子，以及负载在所述二氧化硅棒表面的抗体；所述二氧化硅棒的长度为70～200nm，所述磁性粒子的粒径为50～150nm，所述介孔的孔径为1～5nm；由于本发明所述的纳米粒子由不同成分的两种纳米粒子复合构成，为非对称结构，具有各向异性，是表面物理化学性能呈现非均匀分布的纳米粒子，各自物理化学性质不因复合而消失或减弱。因此，抗体可以特异性地与具有表面抗原的细菌结合，因为所述纳米粒子具有表面效应，其特异性结合细菌的能力大大提高了；利用所述纳米粒子兼具的磁性能够容易实现细菌的分离。同时，所述纳米粒子兼具磁性和生物相容性，能够实现在生物医学成像中的应用。
2、本发明所述的一种纳米粒子的制备方法，工艺简单，适合大规模的工业生产。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明所述纳米粒子捕获细菌的机理图；
图2是实施例1中所述纳米粒子的电镜照片；
图中附图标记表示为：1-磁性粒子、2-二氧化硅棒、3-抗体、4-纳米粒子、5-细菌、6-磁铁。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。
实施例1
本实施例提供一种纳米粒子，如图1和图2所示，包括介孔二氧化硅棒2，嵌设在所述二氧化硅棒2一端的磁性粒子1，以及负载在所述二氧化硅棒表面的抗体3；所述二氧化硅棒2的长度为70～200nm，所述磁性粒子1的粒径为50～60nm，所述介孔二氧化硅棒2中介孔的孔径为1～5nm。
所述磁性粒子1选自但不限于r-Fe2O3、MeFe2O3、Fe3O4、MnO、NiO、NiCoFe、FeCo、NiFe中的至少一种，其中，Me为Co、Mn、Ni中的一种；本实施例优选为Fe3O4。
所述纳米粒子的比表面积为838.8m2/g，累积孔体积为0.6cm3/g；所述纳米粒子的磁响应能力为62emu/g。
所述的纳米粒子的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备磁性粒子，
将磁性前驱体、聚丙烯酸以及二甘醇的混合物在氮气保护下室温800rpm搅拌30分钟，之后加热到250℃继续800rpm搅拌30分钟，制得第一反应溶液。所述磁性前驱体为铁盐、锰盐、镍盐中的一种，本实施例中，所述磁性前驱体为无水三氯化铁(FeCl3)。
在所述第一反应溶液中注入70℃的NaOH的二甘醇溶液，继续800rpm搅拌1小时反应最终生成磁性粒子。
所述聚丙烯酸的分子量为1500～3000，本实施例优选为1800。
优选地，所述氢氧化钠的二甘醇溶液的浓度为0.1g/mL。
将所述磁性粒子进行离心分离、水洗、室温干燥；
所述聚丙烯酸与所述磁性前驱体的物质的量之比为10:1，所述二甘醇的体积份为所述二甘醇的体积与所述磁性前驱体的物质的量之比，所述体积份为30～40ml/mmol，本实施例优选为35ml/mmol。
(2)制备磁-介孔二氧化硅棒，
将1ml浓度为8.6mg/ml的所述磁性粒子水溶液加入到10ml的5mg/ml表面活性剂的水溶液中，充分分散，加入0.5ml氨水，之后迅速加入正硅酸乙酯后继续搅拌30分钟，洗去所述表面活性剂，制得所述磁-介孔二氧化硅棒。
所述正硅酸乙酯与所述磁性粒子的物质的量之比为：[TEOS×10-7]/[Fe3O4]＝4.9～7.6；本实施例优选为6。
所述表面活性剂为烷基季铵盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二胺中的至少一种，所述表面活性剂的浓度为10-2～102mg/mL；本实施例优选为十六烷基溴化铵，其水溶液浓度为102mg/mL。
(3)所述磁-介孔二氧化硅棒的表面功能化处理，
将所述磁介孔二氧化硅棒分散在乙醇和水混合醇溶液中，加入氨基硅氧烷，60℃～100℃下后100rpm搅拌均匀，加热保持2-12小时后得之；所述氨基硅氧烷选自但不限于3-氨丙基三乙氧基硅烷，3-氨丙基三甲氧基硅烷，γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种的组合，本实施例优选为3-氨丙基三甲氧基硅烷。
(4)负载所述抗体，
将所述磁-介孔二氧化硅棒分散在MEST缓冲液中，加入EDC和NHS溶液，室温活化30分钟，之后用磁分离磁-介孔二氧化硅棒并用MEST缓冲液洗涤干净，即得氨基活化的磁-介孔二氧化硅棒。加入适量抗体，偶联温度为37℃，并对所述混合溶液进行震荡处理3小时，BSA封闭后洗涤后制得偶联抗体的磁-介孔二氧化硅纳米棒，即所述纳米粒子。
MEST缓冲液是2-(N-吗啡啉)乙磺酸(MES)与Tween-20的混合溶液。
所述抗体为抗大肠杆菌O157：H7单克隆抗体，捕获的细菌种类为大肠杆菌O157：H7，MEST缓冲溶液加入使得磁-介孔二氧化硅纳米棒的浓度约为3mg/mL。
实施例2
本实施例提供一种纳米粒子，包括介孔二氧化硅棒，嵌设在所述二氧化硅棒一端的磁性粒子，以及负载在所述二氧化硅棒表面的抗体；所述二氧化硅棒的长度为70～200nm，所述磁性粒子的粒径为60～100nm，所述介孔二氧化硅棒中介孔的孔径为1～5nm。
所述磁性粒子选自但不限于r-Fe2O3、MeFe2O3、Fe3O4、MnO、NiO、NiCoFe、FeCo、NiFe中的至少一种，其中，Me为Co、Mn、Ni中的一种；本实施例优选为Fe3O4。
所述纳米粒子的比表面积为1080.8m2/g，累积孔体积为0.6cm3/g；所述纳米粒子的磁响应能力为65emu/g。
所述的纳米粒子的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备磁性粒子，
将磁性前驱体、聚丙烯酸以及二甘醇的混合物在氮气保护下室温100rpm搅拌30分钟，之后加热到240℃继续100rpm搅拌30分钟，制得第一反应溶液。所述磁性前驱体为铁盐、锰盐、镍盐中的一种，本实施例中，所述磁性前驱体为三氯化铁(FeCl3)。
在所述第一反应溶液中注入75℃的NaOH的二甘醇溶液，继续100rpm搅拌1小时反应最终生成磁性粒子。
所述聚丙烯酸的分子量为1500～3000，本实施例优选为3000。
优选地，所述氢氧化钠的二甘醇溶液的浓度为0.1g/mL。
将所述磁性粒子进行离心分离、水洗、干燥；
所述聚丙烯酸与所述磁性前驱体的物质的量之比为10:1，所述二甘醇的体积份为所述二甘醇的体积与所述磁性前驱体的物质的量之比，所述体积份为40ml/mmol。
(2)制备磁-介孔二氧化硅棒，
将1ml浓度为8.6mg/ml的所述磁性粒子水溶液加入到10ml的5mg/ml表面活性剂的水溶液中，充分分散，加入0.5ml重量浓度为25wt-28wt％氢氧化钠水溶液，之后迅速加入正硅酸乙酯后继续搅拌30分钟，洗去所述表面活性剂，制得嵌设有所述磁性粒子的介孔二氧化硅棒。
所述正硅酸乙酯与所述磁性粒子的物质的量之比为：[TEOS×10-7]/[Fe3O4]＝4.9～7.6；本实施例优选为4.9。
本实施例中所述表面活性剂优选为聚乙二胺，其水溶液浓度为1mg/mL。
(3)所述磁-介孔二氧化硅棒的表面功能化处理，
将所述磁介孔二氧化硅棒分散在乙醇和水混合溶液中，加入氨基硅氧烷，60℃～100℃下后100r/min搅拌均匀，加热保持2-12小时后得之；所述氨基硅氧烷优选为3-氨丙基三甲氧基硅烷。
(4)负载所述抗体，
将所述磁-介孔二氧化硅棒分散在MEST缓冲液中，加入EDC和NHS溶液，室温活化30分钟，之后用磁分离磁-介孔二氧化硅棒并用MEST缓冲液洗涤干净，即得氨基活化的磁-介孔二氧化硅棒。加入适量抗体，偶联温度为37℃，并对所述混合溶液进行震荡处理3小时，BSA封闭后洗涤后制得偶联抗体的磁-介孔二氧化硅纳米棒，即所述纳米粒子。
所述抗体为抗大肠杆菌O157：H7单克隆抗体，捕获的细菌种类为大肠杆菌O157：H7，MEST缓冲溶液加入使得磁-介孔二氧化硅纳米棒的浓度约为3mg/mL。
实施例3
本实施例提供一种纳米粒子，包括介孔二氧化硅棒，嵌设在所述二氧化硅棒一端的磁性粒子，以及负载在所述二氧化硅棒表面的抗体；所述二氧化硅棒的长度为70～200nm，所述磁性粒子1的粒径为100～150nm，所述介孔二氧化硅棒中介孔的孔径为1～5nm。
所述磁性粒子选自但不限于r-Fe2O3、MeFe2O3、Fe3O4、MnO、NiO、NiCoFe、FeCo、NiFe中的至少一种，其中，Me为Co、Mn、Ni中的一种；本实施例优选为Fe3O4。
所述纳米粒子的比表面积为1208.8m2/g，累积孔体积为0.7cm3/g；所述纳米粒子的磁响应能力为62.5emu/g。
所述的纳米粒子的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备磁性粒子，
将磁性前驱体、聚丙烯酸以及二甘醇的混合物在氮气保护下室温1000rpm搅拌30分钟，之后加热到280℃继续1000rpm搅拌30分钟，制得第一反应溶液。所述磁性前驱体为铁盐、锰盐、镍盐中的一种，本实施例中，所述磁性前驱体为三氯化铁(FeCl3)。
在所述第一反应溶液中注入60℃的NaOH的二甘醇溶液，继续1000rpm搅拌1小时反应最终生成磁性粒子。
所述聚丙烯酸的分子量为1500～3000，本实施例优选为1500。
优选地，所述氢氧化钠的二甘醇溶液的浓度为0.1g/mL。
将所述磁性粒子进行离心分离、水洗、干燥；
所述聚丙烯酸与所述磁性前驱体的物质的量之比为10:1，所述二甘醇的体积份为所述二甘醇的体积与所述磁性前驱体的物质的量之比，所述体积份为30～40ml/mmol，本实施例优选30ml/mmol。
(2)制备磁-介孔二氧化硅棒，
将1ml浓度为8.6mg/ml的所述磁性粒子水溶液加入到10ml的5mg/ml表面活性剂的水溶液中，充分分散，加入500ml氨水，之后迅速加入正硅酸乙酯后继续搅拌30分钟，洗去所述表面活性剂，制得嵌设有所述磁性粒子的介孔二氧化硅棒。
所述正硅酸乙酯与所述磁性粒子的物质的量之比为：[TEOS×10-7]/[Fe3O4]＝4.9～7.6；本实施例优选为7.6。
所述表面活性剂为烷基季铵盐CxTAB(x＝12～18)，所述表面活性剂的浓度为10-2～102mg/mL；本实施例优选为十六烷基溴化铵，其水溶液浓度为10-2mg/mL。
(3)所述磁-介孔二氧化硅棒的表面功能化处理，
将所述磁介孔二氧化硅棒分散在乙醇和水混合醇溶液中，加入氨基硅氧烷，60℃～100℃下后100r/min搅拌均匀，加热保持2-12小时后得之；所述氨基硅氧烷优选为3-氨丙基三乙氧基硅烷。
(4)负载所述抗体，
将所述磁-介孔二氧化硅棒分散在MEST缓冲液中，加入EDC和NHS溶液，室温活化30分钟，之后用磁分离磁-介孔二氧化硅棒并用MEST缓冲液洗涤干净，即得氨基活化的磁-介孔二氧化硅棒。加入适量抗体，偶联温度为37℃，并对所述混合溶液进行震荡处理3小时，BSA封闭后洗涤后制得偶联抗体的磁-介孔二氧化硅纳米棒。
所述抗体为抗大肠杆菌O157：H7单克隆抗体，捕获的细菌种类为大肠杆菌O157：H7，MEST缓冲溶液加入使得磁-介孔二氧化硅纳米棒的浓度约为3mg/mL。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种纳米粒子，其特征在于，包括介孔二氧化硅棒，嵌设在所述二氧化硅棒一端的磁性粒子，以及负载在所述二氧化硅棒表面的抗体；所述二氧化硅棒的长度为70～200nm，所述磁性粒子的粒径为50～150nm，所述介孔的孔径为1～5nm。
2.根据权利要求1所述的纳米粒子，其特征在于，所述磁性粒子为r-Fe2O3、MeFe2O3、Fe3O4、MnO、NiO、NiCoFe、FeCo、NiFe中的至少一种，其中，Me为Co、Mn、Ni中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的纳米粒子，其特征在于，所述纳米粒子的比表面积为800～1200m2/g，累积孔体积不小于0.5cm3/g；所述纳米粒子的磁响应能力不小于58emu/g。
4.一种权利要求1-3任一项所述的纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备磁性粒子，
将磁性前驱体、聚丙烯酸(PAA)以及二甘醇(DEG)的混合物在氮气保护下室温100～1000rpm搅拌30分钟，之后加热到240～280℃继续100～1000rpm搅拌30分钟，制得第一反应溶液，
在所述第一反应溶液中注入60～75℃的NaOH的二甘醇(DEG)溶液，继续100～1000rpm搅拌1小时反应最终生成磁性粒子，
将所述磁性粒子进行分离、水洗、干燥；
所述聚丙烯酸与所述磁性前驱体的物质的量之比为10:1，所述二甘醇的体积份为所述二甘醇的体积与所述磁性前驱体的物质的量之比，所述体积份为30～40ml/mmol；
制备磁-介孔二氧化硅棒，
将1ml浓度为8.6mg/ml的所述磁性粒子水溶液加入到10ml的5mg/ml表面活性剂的水溶液中，充分分散，加入弱碱性试剂，之后缓慢加入正硅酸乙酯后继续搅拌30分钟，洗去所述表面活性剂，制得所述磁-介孔二氧化硅棒；
所述磁-介孔二氧化硅棒的表面功能化处理，
将所述磁-介孔二氧化硅棒分散在乙醇和水混合溶液中，加入氨基硅氧烷，60℃～100℃下100rpm搅拌均匀，加热保持2～12小时后得之；
负载所述抗体，
将表面功能化处理后的所述磁-介孔二氧化硅棒分散在缓冲液中，加入1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，室温活化30分钟，之后分离磁-介孔二氧化硅棒并用缓冲液洗涤干净，即得氨基活化的磁-介孔二氧化硅棒；加入抗体，并对所述混合溶液进行震荡处理3小时，洗涤制得所述纳米粒子。
5.根据权利要求4所述的纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述磁性前驱体为铁盐、锰盐、镍盐中的一种；所述缓冲液为MEST缓冲液。
6.根据权利要求4所述的纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯酸的分子量为1500～3000；所述氢氧化钠的二甘醇溶液的浓度为0.1g/mL；所述表面活性剂为烷基季铵盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二胺中的至少一种。
7.根据权利要求4-6任一项所述的纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述正硅酸乙酯与所述磁性粒子的物质的量之比为：
[TEOS×10-7]/[Fe3O4]＝4.9～7.6；
所述表面活性剂的浓度为10-2～102mg/mL。
8.根据权利要求4-6任一项所述的纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述碱性试剂为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。
9.一种权利要求1-3任一所述的纳米粒子在细菌捕获中的应用。
10.一种权利要求1-3任一所述的纳米粒子在生物医学成像中的应用。
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