一种具有生物活性的磁性荧光纳米粒子及其制备方法

摘要

本发明公开了属于生物成像材料制备技术领域，具体为磁成像和荧光成像领域的一种具有生物活性的磁性荧光纳米粒子及其制备方法。本发明制得的纳米粒子为核壳结构，其中粒子的核为四氧化三铁，为粒子提供了良好的磁性性能；粒子的壳层为二氧化硅，起到了保护四氧化三铁的作用，同时为表面改性提供平台；然后通过氨基和羧基的反应向粒子表面引入具有生物活性的带有羧基或氨基的生物分子和带有氨基或羧酸基团的荧光化合物，使得该纳米粒子具有良好的生物相容性和优异的光学性能。本发明制备的纳米粒子兼备了磁性、生物活性和荧光性能三方面的优良特性，使得其在生命科学、基因学、药物学以及细胞成像等生物医药领域具有广阔的应用前景。

权利要求

1.一种具有生物活性的磁性荧光纳米粒子的制备方法，其特征在于，其具体制备步骤为：(1)将0.1-3.0g的FeCl3·6H2O和0.1-6.0g醋酸钠溶解于20-150ml乙二醇或二乙二醇溶剂，或者乙二醇和二乙二醇混合溶剂中，搅拌并超声后得到黄色混合溶液；然后放置于

5 6

压力为1.01×10Pa-1×10Pa的高压反应釜中，180-220℃反应1-24h；反应结束后，冷却至室温，将产物用磁铁分离，然后依次用乙醇、水、丙酮清洗，25-100℃真空干燥1-24h，得到磁性粒子；

（2）在超声分散和机械搅拌的条件下，将5mg-0.5g步骤（1）得到的磁性粒子和

0.01-5ml正硅酸乙酯分散在10-150ml体积比为(1:10)-(10:1)的乙醇和水混合溶剂中；

分散5-30min后向体系中加入10.1-55ml氨水的乙醇溶液，所述的氨水的乙醇溶液中质量分数为3%-15%的氨水0.1-5ml，乙醇10-50ml；室温反应1-24h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，25-100℃真空干燥1-24h；

（3）将5mg-0.5g步骤（2）得到的产物超声并机械搅拌分散在150mL的甲苯中；然后加入0.1-5mlγ-氯丙基三乙氧基硅烷，室温反应1-24h后用磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮清洗，20-100℃真空干燥1-24h；

（4）将10mg-0.2g带有羧基或者氨基的生物分子和1mg-0.1g催化剂溶解于

10-50mlpH=6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中，然后加入5mg-0.1g步骤（3）得到的产物，-10℃到

10℃之间超声反应10-30min，然后室温搅拌反应1-72h，磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH=6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，20-100℃真空干燥1-24h；

（5）将1mg-0.1g带有氨基或者羧基的荧光染料和1mg-0.1g催化剂溶解于

10-50mlPH=6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中；然后加入1mg-0.5g步骤（4）得到的产物，在冰浴中超声搅拌反应5-30min，然后室温下搅拌反应1-72h；磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH=6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，20-100℃真空干燥1-24h，得到具有生物活性的磁性荧光纳米粒子；

步骤（4）中所述的带有羧基或者氨基的生物分子为羧甲基壳聚糖、羧甲基纤维素、羧甲基淀粉或聚氨基酸；

所述的带有氨基或者羧基的荧光染料的结构式为：

或

所述的催化剂为质量比为(1:10)-(10:1)的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺；

所述的具有生物活性的磁性荧光纳米粒子以粒径6-200nm的四氧化三铁为内核，以二氧化硅为壳层，粒子表面为生物分子和荧光基团。

说明书

一种具有生物活性的磁性荧光纳米粒子及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于生物成像材料制备技术领域，具体为磁成像和荧光成像，特别涉及一种具有生物活性的磁性荧光纳米粒子及其制备方法。

背景技术

[0002] 磁性微球是由磁性纳米粒子和高分子骨架材料制备而成的。其中的高分子材料包括聚苯乙烯、硅烷、聚乙烯、聚丙烯酸、淀粉、葡聚糖、明胶、白蛋白、纤维素等。有天然材料也有合成材料，可以单独应用也可以合用作骨架材料。这些骨架材料性质稳定、强度较高、无毒副作用，故可称为免疫磁性微球。无论是实验研究或是临床应用均表明，免疫磁性微球在生物医学及药物释放中正发挥着巨大的作用。表面修饰改性后的纳米磁性粒子广泛应用于细胞分离、免疫分析、酶同定化、磁共振成像、靶向载药、肿瘤磁介导热疗等方面。

[0003] 近年来，在纳米材料领域，研究最为广泛的就是应用各种荧光探针进行生物活性物质的检测，这些荧光探针应该有如下特点：有较好的光稳定性、不易被光解或漂白、对生物体本身功能的影响小、有良好的激发和荧光效率、对所测的生物体有很好的成像和标记作用。同时，通过对荧光粒子的改性，引入不同的表面结构，使得粒子在一定程度上可以作为基因和药物的载体，同时不破坏粒子本身的荧光特性，使得我们可以对基因的转染和药物的释放过程进行跟踪。

[0004] 磁性微球的核为四氧化三铁。四氧化三铁的最主要性质为超顺磁性。当磁性纳米粒子的颗粒粒径小于临界尺寸时，磁体的极性呈现随意性，没有磁滞现象，撤去外磁场后，其剩磁就会很快消失，剩余磁化强度几乎为零，这就是超顺磁效应。超顺磁性的产生与磁性纳米材料的粒径有很大的关系，不同的磁性纳米材料其临界尺寸不同，低于临界尺寸的材料，称为超顺磁材料。这种材料的最大优点就是在外加磁场去除后，没有剩余磁化强度。这种磁学特性使得磁性纳米材料在磁共振成像、磁分离、磁靶向药物输运等诸多领域中具有广泛用途。

[0005] 在众多荧光化合物中，稠环芳烃是一类有强烈荧光的芳香烃化合物，具有大的共轭π体系。衍生物具有优异的化学、热和光化学稳定性，对从可见区到红外区的光有很强的吸收，是一类性能特异的分子电子学材料，在激光材料、生物荧光探针分子、液晶显示材料、电致发光器件、感光体及太阳能电池方面已经有广泛的应用。其中，萘、苝以及三萘嵌二苯等分子内的电子共轭度和分子共平面度极大，因此具有很高的荧光量子产率。由于这类化合物荧光性很强，因此对它们的性质研究和应用探索一直以来都是异常活跃的课题。

发明内容

[0006] 本发明的目的是为了制备出同时在磁性、荧光性能和生物活性三方面都具有优良特性的纳米粒子。

[0007] 本发明制得的纳米粒子为核壳结构，其中粒子的核为四氧化三铁，为粒子提供了良好的磁性性能；粒子的壳层为二氧化硅，起到了保护四氧化三铁的作用，同时为表面改性提供平台；然后通过氨基和羧基的反应向粒子表面引入具有生物活性的带有羧基或氨基的生物分子和带有氨基或羧酸基团的荧光化合物，使得该纳米粒子具有良好的生物相容性和优异的光学性能。

[0008] 本发明所述的具有生物活性的磁性荧光纳米粒子的制备步骤为：

[0009] (1)将0.1-3.0g的FeCl3·6H2O和0.1-6.0g醋酸钠溶解于20-150ml乙二醇或二乙二醇溶剂，或者乙二醇和二乙二醇混合溶剂中，搅拌并超声后得到黄色混合溶液；然后放5 6
置于压力为1.01×10Pa-1×10Pa的高压反应釜中，180-220℃反应1-24h；反应结束后，冷却至室温，将产物用磁铁分离，然后依次用乙醇、水、丙酮清洗，25-100℃真空干燥1-24h，得到磁性粒子(MNP)；

[0010] (2)在超声分散和机械搅拌的条件下，将5mg-0.5g步骤(1)得到的磁性粒子和0.01-5ml正硅酸乙酯(TEOS)分散在10-150ml体积比为(1∶10)-(10∶1)的乙醇和水混合溶剂中；分散5-30min后向体系中加入10.1-55ml氨水的乙醇溶液，所述的氨水的乙醇溶液中质量分数为3％-15％的氨水0.1-5ml，乙醇10-50ml；室温反应1-24h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，25-100℃真空干燥1-24h；

[0011] (3)将5mg-0.5g步骤(2)得到的产物超声并机械搅拌分散在150mL的甲苯中；然后加入0.1-5mlγ-氯丙基三乙氧基硅烷(APTES)，室温反应1-24h后用磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮清洗，20-100℃真空干燥1-24h；

[0012] (4)将10mg-0.2g带有羧基或者氨基的生物分子和1mg-0.1g催化剂溶解于10-50ml PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中，然后加入5mg-0.1g步骤(3)得到的产物，-10℃到10℃之间超声反应10-30min，然后室温搅拌反应1-72h，磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，20-100℃真空干燥1-24h；

[0013] (5)将1mg-0.1g带有氨基或者羧基的荧光染料和1mg-0.1g催化剂溶解于10-50ml PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液中；然后加入1mg-0.5g步骤(4)得到的产物，在冰浴中超声搅拌反应5-30min，然后室温下搅拌反应1-72h；磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6-6.3的磷酸盐缓冲溶液清洗，20-100℃真空干燥1-24h，得到具有生物活性的磁性荧光纳米粒子。

[0014] 步骤(4)中所述的带有羧基或者氨基的生物分子为羧甲基壳聚糖(CMCS)、羧甲基纤维素、羧甲基淀粉或聚氨基酸。

[0015] 所述的带有氨基或者羧基的荧光染料的结构式为：

[0016]

[0017] 其中，R1为C1-C10的带有磺酸基以及季铵盐的离子型基团；R2为C1-C20的带有羧基或氨基的基团。

[0018] 所述的催化剂为质量比为(1∶10)-(10∶1)的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)。

[0019] 所述的具有生物活性的磁性荧光纳米粒子以粒径6-200nm的四氧化三铁为内核，以二氧化硅为壳层，粒子表面为生物分子和荧光基团。

[0020] 与传统的粒子相比较，本发明制备的纳米粒子兼备了磁性、生物活性和荧光性能三方面的优良特性，使得其在生命科学、基因学、药物学以及细胞成像等生物医药领域具有广阔的应用前景。

附图说明

[0021] 图1权利要求1中步骤(1)-(4)的反应原理图。

[0022] 图2权利要求1中步骤(5)的反应原理图。

[0023] 图3实施例1制得的具有生物活性的磁性荧光纳米粒子的紫外-荧光光谱谱图。

[0024] 图4实施例1制得的具有生物活性的磁性荧光纳米粒子的投射电子显微镜照片。具体实施方案

[0025] 实施例1

[0026] (1)将1g的FeCl3·6H2O和3g醋酸钠溶解于60ml体积比为1∶1的乙二醇和二乙二醇混合溶剂中，搅拌并超声后得到黄色混合溶液；然后放置于压力为1.01×106Pa的高压反应釜中，210℃反应10h；反应结束后，冷却至室温，将产物用磁铁分离，然后依次用乙醇、水、丙酮分别清洗5次，25℃真空干燥12h，得到黑色固体粉末状的磁性粒子0.83g，产率为96.3％；

[0027] (2)在超声分散和机械搅拌的条件下，将0.2g步骤(1)得到的磁性粒子和1mL正硅酸乙酯分散在24ml体积比为5∶1的乙醇和水混合溶剂中；分散30min后向体系中加入25ml氨水的乙醇溶液，其中质量分数为15％的氨水5ml，乙醇20ml；室温反应24h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，60℃真空干燥5h；

[0028] (3)将0.05g步骤(2)得到的产物超声并机械搅拌分散在150mL的甲苯中；然后加入5mLγ-氯丙基三乙氧基硅烷，室温反应24h后用磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮清洗5次，25℃真空干燥10h；

[0029] (4)将20mg羧甲基壳聚糖，20mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和24mg N-羟基琥珀酰亚胺溶解于40ml PH＝6的磷酸盐缓冲溶液中，然后加入40mg步骤(3)得到的产物，0℃超声反应10min，然后室温搅拌反应24h，磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6的磷酸盐缓冲溶液清洗，25℃真空干燥24h；

[0030] (5)将1mg带有氨基或者羧基的荧光染料DYE-SO3H-COOH和10mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和12mg N-羟基琥珀酰亚胺溶解于40mlPH＝6的磷酸盐缓冲溶液中；然后加入10mg步骤(4)得到的产物，在冰浴中超声搅拌反应10min，然后室温下搅拌反应24h；磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6的磷酸盐缓冲溶液清洗，25℃真空干燥10h，得到具有生物活性的磁性荧光纳米粒子。

[0031] 所述的带有氨基或者羧基的荧光染料DYE-SO3H-COOH的结构式为：

[0032]

[0033] 实施例2

[0034] (1)将1g的FeCl3·6H2O和3g醋酸钠溶解于60ml体积比为1∶5的乙二醇和二6
乙二醇混合溶剂中，搅拌并超声后得到黄色混合溶液；然后放置于压力为1.01×10Pa的高压反应釜中，210℃反应10h；反应结束后，冷却至室温，将产物用磁铁分离，然后依次用乙醇、水、丙酮分别清洗5次，25℃真空干燥12h，得到黑色固体粉末状的磁性粒子0.83g，产率为96.3％；

[0035] (2)在超声分散和机械搅拌的条件下，将0.2g步骤(1)得到的磁性粒子和1mL正硅酸乙酯分散在24ml体积比为5∶1的乙醇和水混合溶剂中；分散30min后向体系中加入25ml氨水的乙醇溶液，其中质量分数为15％的氨水5ml，乙醇20ml；室温反应24h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，60℃真空干燥5h；

[0036] (3)将0.05g步骤(2)得到的产物超声并机械搅拌分散在150mL的甲苯中；然后加入5mLγ-氯丙基三乙氧基硅烷，室温反应24h后用磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮清洗5次，25℃真空干燥10h；

[0037] (4)将20mg羧甲基壳聚糖，20mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和24mg N-羟基琥珀酰亚胺溶解于40ml PH＝6的磷酸盐缓冲溶液中，然后加入40mg步骤(3)得到的产物，0℃超声反应10min，然后室温搅拌反应24h，磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6的磷酸盐缓冲溶液清洗，25℃真空干燥24h；

[0038] (5)将1mg带有氨基或者羧基的荧光染料DYE-N+(CH3)3-COOH和10mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和12mg N-羟基琥珀酰亚胺溶解于40ml PH＝6的磷酸盐缓冲溶液中；然后加入10mg步骤(4)得到的产物，在冰浴中超声搅拌反应10min，然后室温下搅拌反应24h；磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6的磷酸盐缓冲溶液清洗，25℃真空干燥10h，得到具有生物活性的磁性荧光纳米粒子。

[0039] 所述的带有氨基或者羧基的荧光染料DYE-N+(CH3)3-COOH的结构式为：

[0040]

[0041] 实施例3

[0042] (1)将1g的FeCl3·6H2O和3g醋酸钠溶解于60ml体积比为1∶3的乙二醇和二乙二醇混合溶剂中，搅拌并超声后得到黄色混合溶液；然后放置于压力为1.01×106Pa的高压反应釜中，210℃反应10h；反应结束后，冷却至室温，将产物用磁铁分离，然后依次用乙醇、水、丙酮分别清洗5次，25℃真空干燥12h，得到黑色固体粉末状的磁性粒子；

[0043] (2)在超声分散和机械搅拌的条件下，将0.2g步骤(1)得到的磁性粒子和1mL正硅酸乙酯分散在24ml体积比为5∶1的乙醇和水混合溶剂中；分散30min后向体系中加入25ml氨水的乙醇溶液，其中质量分数为15％的氨水5ml，乙醇20ml；室温反应24h后产物用磁铁分离，然后分别用乙醇、水、丙酮清洗，60℃真空干燥5h；

[0044] (3)将0.05g步骤(2)得到的产物超声并机械搅拌分散在150mL的甲苯中；然后加入5mLγ-氯丙基三乙氧基硅烷，室温反应24h后用磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮清洗5次，25℃真空干燥10h；

[0045] (4)将20mg聚合度为10的聚赖氨酸，20mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和24mg N-羟基琥珀酰亚胺溶解于40ml PH＝6的磷酸盐缓冲溶液中，然后加入40mg步骤(3)得到的产物，0℃超声反应10min，然后室温搅拌反应24h，磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6的磷酸盐缓冲溶液清洗，25℃真空干燥24h；

[0046] (5)将1mg带有氨基或者羧基的荧光染料DYE-SO3H-COOH和10mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和12mg N-羟基琥珀酰亚胺溶解于40mlPH＝6的磷酸盐缓冲溶液中；然后加入10mg步骤(4)得到的产物，在冰浴中超声搅拌反应10min，然后室温下搅拌反应24h；磁铁分离产物，分别用乙醇、水、丙酮、PH＝6的磷酸盐缓冲溶液清洗，25℃真空干燥10h，得到具有生物活性的磁性荧光纳米粒子。

[0047] 所述的带有氨基或者羧基的荧光染料DYE-SO3H-COOH的结构式为：

[0048]