基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的制备方法

摘要

本发明涉及基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的制备方法。本发明中选用牛血清白蛋白包覆的Au纳米簇(Au@BSA NCs)作为提供优良荧光性能的信号源，聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)作为可对环境温度变化智能响应的高分子材料。制备所得Au/PNIPAM杂化水凝胶的荧光强度可以随环境温度升高或降低而可逆地减弱或增强，从而发展为荧光型温度智能响应传感器；本发明的优点：该制备方法不仅过程简单，而且节约成本。制备技术的步骤如下：首先合成具有良好荧光性能的Au@BSA NCs，然后与温敏聚合单体NIPAM混合，在交联剂、引发剂共存的条件下(25℃)引发单体聚合。在此过程中，Au@BSA NCs被包埋于PNIPAM的网状结构中，并通过表面基团间良好的氢键相互作用，形成了具有稳定荧光性能的Au/PNIPAM杂化水凝胶。

权利要求

1.一种制备基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的方法，其特征在于：采用牛血清白蛋白包覆的Au纳米簇(Au@BSA NCs)作为提供优良荧光性能的信号源，聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPA)作为可对环境温度智能响应的高分子材料，制备所得的Au/PNIPA杂化水凝胶，其荧光强度可以随环境温度升高或降低而显著地减弱或增强，并且具有良好的可逆性，因此可发展为荧光型温度智能响应传感器，制备过程包括如下步骤：①金纳米簇(Au@BSANCs)的合成：将反应容器用王水、乙醇、二次水依次洗涤后，先加入牛血清白蛋白(BSA)溶液，再加入氯金酸(HAuCl4)溶液，并于37℃下搅拌反应2分钟后加入少量的氢氧化钠(NaOH)水溶液，反应进行12h后得到Au@BSA NCs溶液，所得产物透析48h；

②Au/PNIPA杂化水凝胶的制备：取一定量的上述Au@BSA NCs溶液溶于水中，再加入适量的单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)，交联剂N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，超声震荡2min使溶液分散均匀，将反应容器密封，并插入导气针头持续导入氮气30min，将溶液中的氧气全部除净，随后加入引发剂过硫酸钾(KPS)及加速剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺(TEMED)，引发聚合反应于25℃下进行3h后，即可制备得到Au/PNIPA杂化水凝胶。

2.根据权利要求1所述制备基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的方法，其特征在于：所述Au@BSA NCs的合成中氯金酸(HAuCl4)溶液的浓度为5-20mM，牛血清白蛋白(BSA)溶液的浓度为30-50mg/mL，氢氧化钠(NaOH)溶液的浓度为0.5-1.0mol/L，氯金酸(HAuCl4)溶液、牛血清白蛋白(BSA)溶液与氢氧化钠(NaOH)溶液的体积比为10∶10∶1。

3.根据权利要求1所述制备基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的方法，其特征在于：所述Au/PNIPA杂化水凝胶的合成中，所用Au NCs溶液的浓度为5mM，所用各试剂比例为：水、金纳米簇溶液、加速剂TEMED的体积比为200∶100∶1；单体NIPA、引发剂KPS、交联剂MBA的质量比为200∶10∶3。

说明书

基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的制备技术，特别涉及常温下、简便快速合成Au/PNIPAM杂化水凝胶，并将其发展为荧光型温度智能响应传感器。

背景技术

[0002] 智能响应材料，是集自检测(传感)、自判断和自结论(处理)功能于一体的新材料。它可以模仿生命系统，并对环境变化感知、响应，因此具有功能发现能力。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是应用较为广泛的一种温度智能响应型聚合物(H.G.Schild，
Prog.Polym.Sci.，1992，17，163-249；R.Pelton，Adv.Colloid Interfac.，2000，85，1-33)。
PNIPAM水凝胶分子链上的疏水性基团(-CH(CH3)2)和亲水性基团(-NHCO-)会受温度影响而发生亲水/疏水平衡(J.R.Retama，Langmuir，2007，23，10280-10285)，这就是PNIPAM水凝胶具有温敏性的根本原因。当环境温度在最低临界溶解温度(LCST)附近变化时，PNIPAM水凝胶会发生体积相转变(S.Stephan，Adv.Funct.Mater.，2010，20，3235-3243.)，因此它可以广泛的应用于各种领域。如：药物传输、可控药物释放、传感器设计(J.M.Weissman，Science，1996，274，959-963)等等。

[0003] 牛血清白蛋白包覆的金纳米簇(Au@BSANCs)是一种新兴的纳米荧光材料。由于其超小的尺寸，良好的生物相容性，近红外荧光发射，发射光谱窄且峰形对称等特点(J.P Xie，J.Am.Chem.Soc.2009，131，888-889)，正广泛地应用于荧光标记、生物医学成像、荧光传感器设计等领域。本发明涉及将具有良好荧光性能的Au@BSA NCs引入到PNIPAM水凝胶网络结构中，从而集合两者的优势，合成Au/PNIPAM杂化水凝胶材料。这种材料既保留了PNIPAM的温敏性能，又结合了金纳米簇优异的电学、光学特性。本发明所涉及的制备Au/PNIPAM杂化水凝胶的方法，不仅过程简单，而且节约成本。当环境温度升高或降低时，会促使PNIPAM网络结构收缩或膨胀，进一步引起内部Au NCs的荧光强度信号发生降低或增强，并且表现出了随温度变化良好的可逆性及可重现性。因此，该Au/PNIPAM杂化水凝胶材料可发展为荧光型温度智能响应传感器。

发明内容

[0004] 本发明的目的是，在上述技术分析的基础上，提供一种制备基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的方法。该制备技术将具有高荧光性能的纳米材料与温敏响应性能的高分子聚合物材料集合为一体，拓宽了复合材料的应用范畴。该制备方法过程简单，合成的杂化水凝胶材料具有稳定的荧光性能，并且其荧光强度随温度变化表现出了良好的可逆性。

[0005] 本发明的技术方案：

[0006] 一种制备基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的方法，以Au NCs作为荧光信号源，以PNIPAM作为可对环境温度变化响应的智能高分子聚合物。当单体NIPAM发生聚合反应的同时，AuNCs会被均匀包埋于聚合物的网络结构中。由于AuNCs表面的牛血清白蛋白上具有氨基，可以与PNIPAM网络结构上的酰胺键间形成良好的氢键作用，这样就可以制备得到具有稳定荧光性能的Au/PNIPAM杂化水凝胶材料，具体包括如下步骤：

[0007] 1)金纳米簇(Au@BSANCs)的合成：将反应容器用王水、乙醇、二次水依次洗涤后，先加入牛血清白蛋白(BSA)溶液，再加入氯金酸(HAuCl4)溶液并搅拌(37℃)，2分钟后加入少量的氢氧化钠(NaOH)水溶液，反应进行12h后得到Au@BSANCs溶液，所得产物透析48h；

[0008] 2)Au/PNIPAM杂化水凝胶的制备：取一定量的上述Au@BSA NCs溶液溶于水中，再加入适量的单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)，交联剂N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，超声震荡2min使溶液分散均匀。将反应容器密封，并插入导气针头持续导入氮气30min，将溶液中的氧气全部除净。随后加入引发剂过硫酸钾(KPS)及加速剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺(TEMED)，引发聚合反应进行3h后(25℃)，即可制备得到Au/PNIPAM杂化水凝胶。

[0009] 所述金纳米簇的合成中氯金酸(HAuCl4)溶液的浓度为5-20mM，牛血清白蛋白(BSA)溶液浓度为30-50mg/mL，氢氧化钠(NaOH)水溶液浓度为0.5-1.0mol/L。氯金酸(HAuCl4)溶液、牛血清白蛋白(BSA)溶液与氢氧化钠(NaOH)溶液的体积比为10∶10∶1。所述Au/PNIPAM杂化水凝胶的合成中，所用Au NCs溶液的浓度为5mM，所用各试剂比例为：水、金纳米簇溶液、加速剂(TEMED)的体积比为200∶100∶1；聚合单体(NIPAM)、引发剂(KPS)、交联剂(MBA)的质量比为200∶10∶3。

[0010] 本发明的优点和积极效果：

[0011] 1)金纳米簇的荧光量子产率高，且其红色荧光发射具有明显的视觉敏感效果，故可作为制备传感器的良好信号源。将金纳米簇与高分子温敏智能响应材料相结合，可为其多功能化应用提供一个溶胶-凝胶的平台；

[0012] 2)PNIPAM是一种具有良好生物相容性的温敏高分子材料，将其与纳米荧光材料相结合，赋予了其新的应用前景。

[0013] 3)所合成的Au/PNIPAM杂化水凝胶，不仅具有稳定的荧光发射性质，而且表现出了良好的随外界温度改变而荧光强度信号发生可逆变化的性质。因此，可将其发展为荧光型温度智能响应传感器。

附图说明

[0014] 图1是Au NCs溶液(a)，空白PNIPAM凝胶(b)及Au/PNIPAM杂化水凝胶(c)在可见光(A)及紫外灯(B)下的照片。

[0015] 图2是AuNCs及Au/PNIPAM杂化水凝胶的归一化荧光光谱图。

[0016] 图3是该Au/PNIPAM杂化水凝胶在25℃到43℃间反复升温-降温多次循环时的荧光强度变化图。

具体实施方式

[0017] 实施例：

[0018] 一种制备基于金纳米簇的荧光型温度智能响应传感器的方法，通过在常温下引发单体NIPAM发生聚合反应的同时，将Au NCs均匀包埋并通过氢键作用稳定结合于聚合物的网络结构中。制备得到了具有稳定荧光性能的Au/PNIPAM杂化水凝胶材料，包括如下步骤：

[0019] 1)金纳米簇(Au@BSANCs)的合成：将反应容器用王水、乙醇、二次水依次洗涤后，先加入1mL浓度为50mg/mL的牛血清白蛋白(BSA)溶液，再加入1mL浓度为10mM的氯金酸(HAuCl4)溶液并搅拌(37℃)，2分钟后，加入0.1mL浓度为1.0mol/L的氢氧化钠(NaOH)水溶液，反应进行12h后得到Au@BSA NCs溶液，所得产物透析48h；

[0020] 2)Au/PNIPAM杂化水凝胶的制备：取1mL上述Au@BSA NCs溶液(5mM)溶于2mL水中，再加入0.2g单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)，0.003g交联剂N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，超声震荡2min使溶液分散均匀。将反应容器密封，并插入导气针头持续导入氮气30min，将溶液中的氧气全部除净。随后加入0.01g引发剂过硫酸钾(KPS)及10μL加速剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺(TEMED)，引发聚合反应进行3h后(25℃)，即可制备得到Au/PNIPAM杂化水凝胶。

[0021] 用带有恒温水浴装置的荧光分光光度计来测定制备所得的Au/PNIPAM杂化水凝胶，其最大发射波长处荧光强度在不同的外界环境温度下变化规律(荧光分光光度计：日立，日本，F-4500型；激发狭缝10nm，发射狭缝10nm，激发波长设定在400nm，在540-800nm范围内记录荧光发射光谱的实验数据，光电培增管的电压为950V)。

[0022] 图1是Au NCs溶液(a)，空白PNIPAM凝胶(b)及Au/PNIPAM杂化水凝胶(c)在可见光(A)及紫外灯(B)下的照片。图中显示：原始Au NCs溶液的荧光发射颜色为红色，空白PNIPAM凝胶略有蓝色荧光发射，当Au/PNIPAM杂化水凝胶形成后，其荧光发射波长蓝移，表现为紫红色荧光发射，且该凝胶中Au NCs分散均匀，荧光稳定性良好。

[0023] 图2是Au NCs及Au/PNIPAM杂化水凝胶的归一化荧光光谱对比图。图中可以看出，Au NCs的荧光发射波长约为675nm，而Au/PNIPAM杂化水凝胶的荧光发射波长约为665nm，表明聚合后，Au NCs的荧光发射波长蓝移约10nm。

[0024] 图3是该Au/PNIPAM杂化水凝胶在25℃到43℃间反复升温-降温循环时的荧光强度变化图。图中可以看出，当环境温度升高至43℃时，传感器的荧光强度会发生显著的降低，当环境温度降低至25℃时，其荧光强度又会发生增强，且在多次循环加热-冷却的过程中，荧光强度表现出了良好的随温度变化而可逆变化的趋势。