一种可对pH值发生响应的上转换纳米材料及其制备方法与流程

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种可对pH值发生响应的上转换纳米材料及其制备方法，该材料以上转换纳米材料为基体，以智能响应高分子为调控材料制备而成，作为对于水中微环境进行pH响应的新型智能上转换生物标记材料。

背景技术：

对于生物医药领域而言，多功能性纳米材料由于其能够将良好的水溶性，光谱特性，以及对外界的刺激发生响应等优点集于一身而得到了广泛的研究。

稀土掺杂上转换纳米材料是基于通过双光子或者多光子机制将长波长激光转化为短波长发射光的反斯托克斯位移机制的纳米颗粒，在红外探测，发光二极管，太阳能电池，生物标记，活体成像，药物治疗等领域具有广泛的应用价值。

现有的上转换纳米材料虽然已经具备良好的光学特性，但是还不具备对于微环境的智能响应特性。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种可对pH值发生响应的上转换纳米材料及其制备方法。该材料是通过合成pH敏感高分子材料，然后与油酸保护上转换纳米颗粒通过配体交换得到。

本发明所述的可对pH值发生响应的上转换纳米材料的制备方法为：

1)、上转换纳米材料的合成：称取稀土氯化物、4-10mL油酸和10-20mL十八烯加入三口烧瓶中，30-50℃抽真空脱氧，充入氮气，升温到60-80℃再抽真空；升温到110-130℃，反应40-60min；最后升温到150-170℃维持4-10min后自然降温至30-50℃；再加入0.12-0.16g的NH₄F、0.08-0.12g的NaOH，30-50℃抽真空脱氧，充入氮气，升温到60-80℃再抽真空；然后280-320℃反应40-70min，自然降温至30-50℃；将反应液在12000r/min的转速下离心，倒去上清液，加入体积比1:2-2:1的环己烷和乙醇，超声分散，最后产物用5-10mL的环己烷分散，装入样品瓶；

2)、pH响应高分子单体的合成：依次称量0.2-0.3g对苯二酚、15-25g三级胺、30-40g N,N’-二正丁基乙醇和150-250mL四氢呋喃，于三口烧瓶中50-60℃回流，逐滴加入18-25g甲基丙烯酰氯或丙烯酰氯，滴完后反应0.5-1.5h；反应后用氧化铝过滤，旋蒸除去溶剂四氢呋喃，最后减压蒸馏，收集馏分即得pH响应高分子单体；

3)、含有可与上转换纳米材料配合基团的pH响应高分子的合成：分别向反应瓶中加入0.8-1.5g的pH响应高分子单体，15-40mg偶氮二异丁氰引发剂，0.05-0.3g甲基丙烯酸，以及3-6mL四氢呋喃，经过2-6次冷冻脱气除去反应瓶中的水和氧气，充入氮气后，在50-80℃下反应24-72h，得到含有可与上转换纳米材料配合基团的pH响应高分子；

4)、可对pH值发生响应的上转换纳米材料的复合：取所合成得到的含有可与上转换纳米材料配合基团的pH响应高分子100-200mg溶解于2-6mL的DMF中，逐滴加入步骤1)所合成的上转换纳米材料40-80mg，滴加完后室温搅拌2-6h；在16000-20000r/min的条件下离心15-25min，用pH＝2-5的盐酸溶液洗涤去除未复合的高分子，最后分散在pH＝2-5的酸性溶液中。

所述的稀土氯化物的稀土选自镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)中的一种或几种。

所述稀土氯化物的摩尔浓度为0.02-2.00mol/L，优选0.2mol/L或0.25mol/L。

所述的三级胺为三乙胺。

所述的N,N’-二正丁基乙醇替换为N,N’-二甲基乙醇，N,N’-二乙基乙醇，N,N’-二丙基乙醇，N,N’-二异丙基乙醇，N,N’-二异丁基乙醇，N,N’-吡咯烷基乙醇，N,N’-哌啶乙醇，N,N’-氮杂环庚基乙醇中的一种或几种。

本发明通过选择不同的智能响应高分子材料和具有不同激发和发射波长的上转换纳米材料，在不同的配比下进行配体交换复合，从而得到可以对于pH值发生响应的上转换纳米材料。智能高分子可以对于不同的pH值发生快速响应，羧酸等基团可以将聚合物与上转换纳米材料进行配位复合，共聚比例需要在合适范围，从而既不影响所得到高分子与上转换纳米材料的复合，又不能改变pH响应高分子的响应值。

与现有技术相比，本发明以上转换纳米材料为基材，通过与聚三级胺类pH响应聚合物复合，实现了反斯托克斯位移光学材料的pH响应性能。该智能pH响应纳米材料的特点是在低pH水溶液中，在近红外激光激发下，纳米材料发光较弱，在高于特定pH值后，纳米材料相对于低pH值光强可增强20倍，且pH转换区间仅为0.3个pH区间，及水溶液中质子浓度近发生2倍的变化即可使得上转换纳米材料光强增强20倍。本发明的制备方法简便、通用，制备得到的智能响应上转换纳米材料具有良好的水溶性，光学信号强，低毒性，以及对环境pH值的灵敏响应性能，可应用于生物标记领域。

附图说明

图1为本发明的可对pH值发生响应的上转换纳米材料的制备示意图。

图2为实施例1中合成的上转换纳米材料的透射电镜图。

图3为复合了聚(N,N’-二甲基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的UCL光谱图。

图4为复合了聚(N,N’-二甲基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的UCL光谱最强光谱变化图。

图5为复合了聚(N,N’-二甲基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的粒径图。

图6为实施例2中复合了聚(N,N’-二乙基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的UCL光谱图。

图7为实施例2中复合了聚(N,N’-二乙基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的UCL光谱最强光谱变化图。

图8为实施例2中复合了聚(N,N’-二乙基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的粒径图。

图9为复合了聚(N,N’-二异丙基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的UCL光谱图。

图10为中复合了聚(N,N’-二异丙基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的UCL光谱最强光谱变化图。

图11为中复合了聚(N,N’-二异丙基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的粒径图。

图12为实施例1中复合了聚(N,N’-二丁基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的UCL光谱图。

图13为实施例1中复合了聚(N,N’-二丁基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的UCL光谱最强光谱变化图。

图14为实施例1中复合了聚(N,N’-二丁基乙基)甲基丙烯酸酯的上转换纳米材料在不同pH条件下的粒径图。

图15为复合材料的细胞毒性图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1：响应值为pH 5.0的可对pH值发生响应的上转换纳米材料

(1)称取LuCl₃(0.2251g)、YbCl₃(0.0503g)和ErCl₃(0.0055g)，以及油酸(6mL)、十八烯(15mL)，于三口烧瓶中在40℃抽真空脱氧，充入氮气，升温到70℃再抽真空；升温到120℃，反应40min；最后升温到160℃维持5min后自然降温至40℃；加入NH₄F(4mmol)、NaOH(2.5mmol)后，40℃抽真空脱氧，充入氮气，升温到70℃再抽真空；300℃反应60min后，自然降温至40℃；将反应液在12000r/min的转速下离心，倒去上清液，加入体积比1:1的环己烷和乙醇，超声分散，最后产物用6mL的环己烷分散，装入样品瓶，通过透射电子显微镜证明得到粒径在80nm左右的上转换纳米粒子；

(2)依次称量对苯二酚(0.23g)、三乙胺(20.2g)、N,N’-二丁基乙醇(34.6g)和四氢呋喃(200mL)，于三口烧瓶中56℃回流，逐滴加入甲基丙烯酰氯(20.8g)，滴完后反应1h；产物用氧化铝过滤后旋蒸，过滤后减压蒸馏，收集馏分，得到单体甲基丙烯酸N,N’-二丁基乙酯，产率约52％。

(3)分别向反应瓶中加入甲基丙烯酸N,N’-二丁基乙酯(1g)，偶氮二异丁氰(AIBN)(22mg)引发剂，甲基丙烯酸(90mg)，以及四氢呋喃(4mL)，经过3次冷冻脱气除去反应瓶中的水和氧气，充入氮气后，在60℃下反应48h，得到聚(N,N’-二丁基乙基)甲基丙烯酸酯；

(4)取聚(N,N’-二丁基乙基)甲基丙烯酸酯(150mg)溶解于4mL的DMF中，逐滴加入油酸保护的上转换纳米材料(50mg)，滴加完后室温搅拌4h；在18000r/min的条件下离心20min，用pH＝4的盐酸溶液洗涤去除未复合的高分子，最后分散在pH 4.0的盐酸溶液中。

(5)将所得到的聚合物复合的上转换纳米材料以相同浓度溶解于pH 5.0以及pH 5.5的水溶液中，测定UCL光谱，其UCL光谱强度在pH 5.5时为pH 5.0时的约20倍(通过980nm激光激发)。

(6)通过MTT细胞毒性测试方法得到该材料在所测试浓度范围内对细胞的毒性可忽略。

实施例2

(1)称取YCl₃(0.0976g)、YbCl₃(0.0503g)和ErCl₃(0.0055g)，以及油酸(6mL)和十八烯(15mL)，40℃脱氧，充入氮气，升温到70℃再抽真空；升温到130℃，反应60min；升温到160℃维持10min后自然降温至40℃；加入0.1481g NH₄F、0.1g NaOH后，40℃脱氧，充入氮气，升温到70℃再抽真空；300℃反应60min后，自然降温至40℃；将反应液在12000r/min的转速下离心，倒去上清液，加入体积比1:1的环己烷和乙醇，超声分散，最后产物用9mL的环己烷分散，洗脱油酸，得到可在水溶液中溶解的上转换纳米材料；

(2)依次称量对苯二酚(0.0494g)、三乙胺(4.3382g)、N,N’-二乙基乙基醇(6.2402g)和四氢呋喃(50mL)，于三口烧瓶中56℃回流，逐滴加入4.4671g甲基丙烯酰氯，滴完后反应1h；产物用氧化铝过滤后旋蒸，过滤后减压蒸馏，收集馏分，得到单体甲基丙烯酸N,N’-二乙基基-乙酯。

(3)分别向反应瓶中加入甲基丙烯酸N,N’-二乙基乙酯(1g)，偶氮二异丁氰(AIBN)(22mg)引发剂，甲基丙烯酸(117mg)，以及四氢呋喃(4mL)，经过3次冷冻脱气除去反应瓶中的水和氧气，充入氮气后，在60℃下反应48h，得到聚(N,N’-二乙基乙基)甲基丙烯酸酯；

(4)取聚(N,N’-二乙基乙基)甲基丙烯酸酯(150mg)溶解于4mL DMF中，逐滴加入洗脱油酸的上转换纳米材料(50mg)，滴加完后室温搅拌4h；在18000r/min的条件下离心20min，用pH＝4的盐酸溶液洗涤去除未复合的高分子，最后分散在pH 4.0的盐酸溶液中。

(5)将所得到的聚合物复合的上转换纳米材料以相同浓度溶解于pH 7.0以及pH 7.3的水溶液中，测定UCL光谱，其UCL光谱强度在pH 7.3时为pH 7.0时的约20倍(通过980nm激光激发)。

(6)通过MTT细胞毒性测试方法得到该材料在所测试浓度范围内对细胞的毒性可忽略。

上述所得到可对pH值发生响应的上转换纳米材料的UCL光谱测试表明，在低于高分子pKa值时，pH响应纳米上转换材料的UCL光谱强度较弱，而当pH值高于高分子pKa时，其UCL光谱强度则发生突跃，达到低pH值的20倍以上，信号强度大大增强。其光强发生突跃所对应的pH值与所复合高分子的pKa对应。