一种毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法
技术领域
本发明属于高分子纳米复合材料技术领域，尤其是涉及一种毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法。
背景技术
荧光微球是指表面或内部负载有荧光物质，粒径在纳米和微米范围内的微球。当荧光微球被一定波长的光激发时，会在较短时间内发射出波长比激发光长的荧光。荧光微球被广泛的应用于流式细胞仪用标准物质、荧光免疫层析技术和体内成像技术等。
荧光微球的制备通常有物理方法和化学方法两种。物理方法基本是通过溶胀、包埋等方法制备荧光微球，物理方法制备的荧光微球的荧光物质易脱落，荧光易漂白，荧光强度和稳定性都有待提高。化学方法则是化合物上的化学基团通过化学键合法和共聚法制备荧光微球。化学方法很好的克服了物理方法的缺点，通过键合，有效的提高荧光稳定性和荧光物质脱落的问题，但是目前化学方法制备的荧光微球多是单层键合，荧光强度不够高，且造成微球荧光分布不均匀。
原子转移自由基聚合(Atom Transfer Radical Polymerization,ATRP)法是一种反应温度适中、适用单体广泛、反应条件适中的可控自由基聚合法。表面引发原子转移自由基聚合(Surface-initiated Atom Transfer Radical Polymerization,SI-ATRP，SI-ATRP)法是将ATRP引发剂固定于材料表面后，原位引发聚合物生长的一种方法，现已广泛应用于材料的表面修饰与功能化。SI-ATRP法通过聚合形成立体、多层荧光物质，提高微球荧光强度，化学键合上的荧光物质不易脱落，更稳定；而且能够自由组合，能够制备出发射多种荧光波长的荧光微球。制备出的荧光微球具有形态结构稳定、荧光灵敏度高的特点。
发明内容
针对上述技术问题，为降低成本、提高荧光微球的稳定性和荧光强度，本发明的目的在于提供一种结构稳定、发光强度高的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球；本发明还提供了所述毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，通过SI-ATRP法在硅胶颗粒表面原位生成荧光聚合物链，从而得到荧光聚合物-硅胶杂化荧光微球。
本发明采用的技术方案是：
一种毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球，由硅胶颗粒、固定在所述硅胶颗粒表面的SI-ATRP引发剂及荧光聚合物链组成，所述荧光聚合物链与所述SI-ATRP引发剂通过SI-ATRP反应链接。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球，其中，所述荧光聚合物链为聚甲基丙烯酰胺罗丹明聚合物链、聚甲基丙烯酰腙罗丹明聚合物链或聚甲基丙烯酰胺荧光素；所述SI-ATRP引发剂由硅烷偶联剂、三乙胺和2-溴异丁酰溴在四氢呋喃中制备而成。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球，其中，所述硅胶颗粒为单分散或多分散硅球，所述硅胶颗粒的粒径是纳米级或微米级。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，包括以下步骤：
(1)荧光单体的合成：甲基丙烯酸缩水甘油酯或氧化的甲基丙烯酸缩水甘油酯与氨基荧光物质在溶液中25℃～80℃搅拌反应1～12h，氮气吹至溶液粘稠，得到荧光单体，置于4℃保存；
(2)SI-ATRP引发剂的合成：将硅烷偶联剂与三乙胺加入到四氢呋喃中，混合后通入氮气除氧，冰浴30min～60min，得到混合液；
然后将2-溴异丁酰溴加入到所述混合液中并且剧烈搅拌2～10h；最后将溶液过滤后真空干燥至原始体积的1/3，离心后去除沉淀，得到黄色粘稠状的SI-ATRP引发剂，4℃保存；
(3)SI-ATRP引发剂的固定：利用SI-ATRP引发剂上的硅烷偶联剂与硅胶颗粒表面的硅羟基发生脱水反应生成硅氧键共价连接，从而将步骤(2)中所述SI-ATRP引发剂固定在所述硅胶颗粒表面上；
(4)荧光聚合物修饰的荧光微球的制备：将步骤(1)中所述荧光单体、催化剂和配体加入溶剂中并超声处理使其溶解并混合均匀，得到反应液；将所述反应液与步骤(3)中已固定了SI-ATRP引发剂的硅胶颗粒混合，冲氮气除去体系中的氧气，室温反应12～24h；反应完成后反复用溶剂清洗，去除剩余反应物，得到产物。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，其中，步骤(1)中所述氨基荧光物质为罗丹明乙二胺、罗丹明酰肼、氨基荧光素及其衍生物中的一种或两种；所述溶液为甲醇、乙醇和异丙醇溶液中的一种或两种。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，其中，步骤(2)中所述硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷；所述硅烷偶联剂、三乙胺、四氢呋喃和2-溴异丁酰溴用量比为：1～3mL：1.5mL：10～20mL：1～2mL。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，其中，步骤(2)中所述硅烷偶联剂、三乙胺、四氢呋喃和2-溴异丁酰溴用量比为2mL：1.5mL：15mL：1.3mL。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，其中，步骤(3)中SI-ATRP引发剂的固定，具体步骤为：
(a)首先通过酸碱处理暴露硅胶颗粒表面的硅羟基：分别使用0.05～0.2M HCl溶液和0.05～0.2MNaOH溶液浸泡硅胶颗粒，用水清洗硅胶颗粒至溶液pH为7；
(b)然后将含有500μMSI-ATRP引发剂的乙醇溶液与步骤(a)中处理后硅胶颗粒混合，室温下反应10h后去除剩余SI-ATRP引发剂，并用乙醇溶液清洗硅胶颗粒，离心去上清。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，其中，步骤(4)中所述催化剂为氯化亚铜；所述配体为1，1，4，7，7-五甲基二亚乙基三胺；所述溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、二甲基亚砜的一种或两种。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，其中，步骤(4)中所述荧光单体、催化剂、配体和硅胶微球的用量比为：500～800μl：0.7～1.2mg：4μl：20mg；加入所述溶剂的量为使反应体系的体积为1mL～2mL。
本发明有益效果：
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球，与单层荧光化合物键合的常规荧光微球相比，本发明荧光聚合物-硅胶杂化微球表面的聚合物链带有大量荧光官能团并可形成三维立体荧光层，有效提高了该杂化微球的荧光负载量和荧光强度；荧光聚合物-硅胶杂化荧光微球采用硅胶基质，具有较好的机械强度，严格单分散。
本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，通过SI-ATRP聚合方法在硅胶微球表面原位生成荧光聚合物链，得到的亲水聚合物-硅胶杂化荧光标准物质表面由SI-ATRP法制备的荧光聚合物链所覆盖，表面高度粗糙，因此键合有大量荧光物质；该方法制备的荧光微球严格单分散、荧光强度高、稳定性好。
附图说明
图1为本发明所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法的反应原理图；
图2a为实施例1中未经聚合物修饰的硅胶颗粒的荧光光谱图；
图2b为实施例1中制备的荧光聚合物修饰的荧光微球的荧光光谱图；
图3a为实施例2中未经聚合物修饰的硅胶颗粒的荧光光谱图；
图3b为实施例2中制备的荧光聚合物修饰的荧光微球的荧光光谱图；
图4为实施例3中制备的荧光聚合物修饰的荧光微球的荧光显微镜图。
下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
以下实施例中所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法的的反应原理如图1所示。
实施例1
一种毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球，由硅胶颗粒、固定在所述硅胶颗粒表面的SI-ATRP引发剂及荧光聚合物链组成，所述荧光聚合物链与所述SI-ATRP引发剂通过SI-ATRP反应链接；所述荧光聚合物链为聚甲基丙烯酰胺罗丹明聚合物链；所述硅胶颗粒为单分散硅球，所述硅胶颗粒的粒径可以是纳米级也可以是微米级；所述SI-ATRP引发剂由硅烷偶联剂、三乙胺和2-溴异丁酰溴在四氢呋喃中制备而成。
本实施例所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，包括如下步骤：
(1)荧光单体的合成：向1mL甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)中加入1mL 0.2M硫酸，放置于50℃水浴中加热4h；再加入10mmol高碘酸钠混合，室温避光放置超过2h得到氧化的GMA，氧化GMA是为了将环氧基氧化成羟基，易于和氨基反应；
称取0.1g氢氧化钠溶解于20mL甲醇溶液中，加入0.02g罗丹明乙二胺，室温下搅拌至溶解，得到罗丹明乙二胺溶液；
将所述氧化的GMA逐滴加入到持续搅拌的所述罗丹明乙二胺溶液中，搅拌反应4h，反应后氮吹至溶液粘稠，得到甲基丙烯酰胺罗丹明荧光单体，密闭充氮气后，置于4℃保存；
(2)SI-ATRP引发剂的合成：将2mL硅烷偶联剂与1.5mL三乙胺加入到15mL四氢呋喃中，混合后通入氮气除氧，冰浴30min，得到混合液，所述硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷；
然后将1.3mL2-溴异丁酰溴加入到所述混合液中并且剧烈搅拌4h(持续通氮气)；最后将溶液过滤后真空干燥至原始体积的1/3以去除四氢呋喃与三乙胺，离心后去除沉淀，得到黄色粘稠状的SI-ATRP引发剂，4℃保存；
(3)SI-ATRP引发剂的固定：利用SI-ATRP引发剂上的硅烷偶联剂与硅胶颗粒表面的硅羟基发生脱水反应生成硅氧键共价连接，从而将步骤(2)中所述SI-ATRP引发剂固定在所述硅胶颗粒表面上，具体步骤为：
(a)首先通过酸碱处理暴露硅胶颗粒表面的硅羟基：使用0.1M HCl溶液浸泡硅胶颗粒，30分钟后将HCl溶液去除，用水清洗硅胶颗粒至溶液pH为7左右；再使用0.1M NaOH溶液浸泡硅胶颗粒，30分钟后将NaOH溶液去除，用水清洗硅胶颗粒至溶液pH为7左右；
(b)然后将含有500μM SI-ATRP引发剂的乙醇溶液与步骤(a)中处理后的硅胶颗粒混合，室温下反应10h后去除剩余SI-ATRP引发剂，并用甲醇和乙醇溶液清洗所述硅胶颗粒各5次，氮气吹干；所述SI-ATRP引发剂与所述硅胶颗粒的用量比为：37μl:20mg；
(4)荧光聚合物修饰的荧光微球的制备：采用步骤(1)所述荧光单体引发SI-ATRP反应，在硅胶颗粒表面原位生成荧光聚合物链，所述荧光聚合物链为聚甲基丙烯酰胺罗丹明聚合物链；所述荧光单体一端带有双键另一端带有荧光，具体步骤为：
将700μL步骤(1)中所述荧光单体、1mg催化剂和4μL配体加入1mL甲醇溶剂中并超声处理使其溶解并混合均匀，得到反应液，所述催化剂为氯化亚铜，所述配体为1，1，4，7，7-五甲基二亚乙基三胺；
将1mL所述反应液与步骤(3)中已固定了SI-ATRP引发剂的硅胶颗粒20mg混合，冲氮气除去体系中的氧气，室温反应24h；反应完成后反复用甲醇清洗，去除剩余反应物，得到产物。
图2a为实施例1中未经聚合物修饰的硅胶颗粒的荧光光谱图，基本没有荧光峰；图2b为本实施例中所述荧光聚合物修饰的荧光微球的荧光光谱图，当激发波长为535nm时，发射波长在540～680nm，最大发射波长585nm。
实施例2
一种毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球，由硅胶颗粒、固定在所述硅胶颗粒表面的SI-ATRP引发剂及荧光聚合物链组成，所述荧光聚合物链与所述SI-ATRP引发剂通过SI-ATRP反应链接；所述荧光聚合物链为聚甲基丙烯酰腙罗丹明聚合物链；所述硅胶颗粒为单分散硅球，所述硅胶颗粒的粒径可以是纳米级也可以是微米级；所述SI-ATRP引发剂由硅烷偶联剂、三乙胺和2-溴异丁酰溴在四氢呋喃中制备而成。
本实施例所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，包括如下步骤：
(1)荧光单体的合成：向1mL甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)中，加入0.02克罗丹明酰肼，乙醇溶液后，保持温度为50℃反应4h；将制备好的溶液氮气吹干挥发至呈膏状，得到甲基丙烯酰腙罗丹明荧光单体，密闭充氮气后，置于4℃保存；
(2)SI-ATRP引发剂的合成：同实施例1；
(3)SI-ATRP引发剂的固定：利用SI-ATRP引发剂上的硅烷偶联剂与硅胶颗粒表面的硅羟基发生脱水反应生成硅氧键共价连接，从而将SI-ATRP引发剂固定在所述硅胶颗粒表面上；具体步骤为：
(a)首先通过酸碱处理暴露硅胶颗粒表面的硅羟基：使用0.1M HCl溶液浸泡硅胶颗粒，30分钟后将HCl溶液去除，用水清洗硅胶颗粒至溶液pH为7左右；再使用0.1M NaOH溶液浸泡硅胶颗粒，30分钟后将NaOH溶液去除，用水清洗硅胶颗粒至溶液pH为7左右；
(b)然后将含有500μM SI-ATRP引发剂的乙醇溶液与步骤(a)中处理后硅胶颗粒混合，室温下反应10h后去除剩余SI-ATRP引发剂，并用乙醇溶液清洗硅胶颗粒，离心去上清；所述SI-ATRP引发剂与所述硅胶颗粒的用量比为：37μl：20mg；
(4)荧光聚合物修饰的荧光微球的制备：采用步骤(1)所述荧光单体引发SI-ATRP反应，在硅胶颗粒表面原位生成荧光聚合物链，所述荧光聚合物链为聚甲基丙烯酰腙罗丹明聚合物链；所述荧光单体一端带有双键另一端带有荧光，具体步骤为：
将700μL步骤(1)中所述荧光单体、1mg催化剂和4μL配体加入到700μL乙醇溶剂中并超声处理使其溶解并混合均匀，得到反应液，所述催化剂为氯化亚铜，所述配体为1，1，4，7，7-五甲基二亚乙基三胺；
将800μL上述反应液与步骤(3)中已固定了SI-ATRP引发剂的硅胶颗粒20mg混合，采用冲氮气的方法除去体系中的氧气，之后用封口膜封口，室温反应12h；反应完成后反复用乙醇清洗，去除剩余反应物，得到产物。
图3a为本施例中未经聚合物修饰的硅胶颗粒的荧光光谱图，没有荧光峰；图3b为本实施例中所述荧光聚合物修饰的荧光微球的荧光光谱图，当激发波长为535nm时，最大发射波长在580nm。
实施例3
一种毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球，由硅胶颗粒、固定在所述硅胶颗粒表面的SI-ATRP引发剂及荧光聚合物链组成，所述荧光聚合物链与所述SI-ATRP引发剂通过SI-ATRP反应链接；所述荧光聚合物链为聚甲基丙烯酰腙罗丹明聚合物链；所述硅胶颗粒为单分散硅球，所述硅胶颗粒的粒径可以是纳米级也可以是微米级；所述SI-ATRP引发剂由硅烷偶联剂、三乙胺和2-溴异丁酰溴在四氢呋喃中制备而成。
本实施例所述的毛刷状荧光聚合物修饰的荧光微球的制备方法，包括如下步骤：
(1)荧光单体的合成：向1mL甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)中，加入0.02克罗丹明酰肼，80℃乙醇溶液反应1h；将制备好的溶液氮气吹干挥发至呈膏状，得到甲基丙烯酰腙荧光单体，密闭充氮气后，置于4℃保存；
(2)SI-ATRP引发剂的合成：同实施例1；
(3)SI-ATRP引发剂的固定：同实施例2；
(4)荧光聚合物修饰的荧光微球的制备：采用步骤(1)所述荧光单体引发SI-ATRP反应，在硅胶颗粒表面原位生成荧光聚合物链，所述荧光聚合物链为聚甲基丙烯酰腙罗丹明聚合物链；所述荧光单体一端带有双键另一端带有荧光，具体步骤为：
将800μL步骤(1)中所述荧光单体、1.0mg催化剂和4μl配体，加入到1mL乙醇溶剂中并超声处理使其溶解并混合均匀，得到反应液，所述催化剂为氯化亚铜，所述配体为1，1，4，7，7-五甲基二亚乙基三胺；
将800μL上述反应液与已固定了SI-ATRP引发剂的硅胶颗粒20mg混合，采用冲氮气的方法除去体系中的氧气，之后用封口膜封口，室温反应24h；反应完成后反复用乙醇清洗，去除剩余反应物，得到产物。
图4为本实施例中所述荧光聚合物修饰的荧光微球的荧光显微镜照片，荧光微球发红光，荧光微球粒径均匀。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
