一种用于单分子检测的有机-无机杂化材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于单分子检测的有机‑无机杂化材料及其制备方法，所述用于单分子检测的有机‑无机杂化材料由二氧化硅、改性聚苯硫醚包裹的荧光金纳米簇组装而成。本发明以改性聚苯硫醚为模板合成金纳米团簇，由于改性聚苯硫醚中含有大量的羟基、羧基以及磺酸根基团，同时，还含有可与过渡金属金配位的配位成硫醚基团，可以使金纳米团簇在水中的稳定均匀分布。此外，在改性聚苯硫醚修饰的金纳米粒子表面接枝二氧化硅，过渡金属金与改性聚苯硫醚的聚合物分子链上的苯环和二氧化硅产生共振，荧光可以以更强的光强和更快的衰变速度的形式发射出去，得到具有灵敏度高，检测速度快的有机‑无机杂化材料。

权利要求

1.一种用于单分子检测的有机‑无机杂化材料，其特征在于，所述用于单分子检测的有机‑无机杂化材料由二氧化硅、改性聚苯硫醚包裹的荧光金纳米簇组装而成；所述用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法包括如下步骤：S1.改性聚苯硫醚的制备：

称取聚苯硫醚并加入发烟硫酸，加热，后处理，得到磺化聚苯硫醚产物；混合浓硝酸和磺化聚苯硫醚加热，得到改性聚苯硫醚产物；

S2.改性聚苯硫醚修饰的金纳米粒子的制备：将表面活性剂的甲苯溶液、氯金酸的水溶液、助表面活性剂和改性聚苯硫醚混合，缓慢加入还原剂溶液，室温搅拌，后处理，得改性聚苯硫醚修饰的金纳米粒子；

S3.用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备：将纳米二氧化硅悬浮液调节pH至酸性，逐滴加入硅烷偶联剂，搅拌，得到偶联剂改性二氧化硅纳米粒子；

冰浴条件下，加入二氯甲烷、偶联剂改性二氧化硅纳米粒子与改性聚苯硫醚修饰的金纳米粒子，加入三乙胺，室温搅拌反应，后处理，得到用于单分子检测的有机‑无机杂化材料。

2.根据权利要求1所述的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料，其特征在于，步骤S1中，所述聚苯硫醚的数均分子量10000 30000 g/mol。

~

3.根据权利要求1所述的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料，其特征在于，步骤S1中，所述后处理步骤为粗产物经火棉胶超滤，加入乙醇和乙醚，静置半小时后，离心，除去上层清液，加入乙醇和乙醚静置离心重复3次，真空干燥。

4.根据权利要求1所述的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料，其特征在于：S2步骤中，所述氯金酸与还原剂的反应摩尔比为100 140:1。

~

5.根据权利要求1所述的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料，其特征在于：S2步骤中，所述还原剂为硼氢化钠或柠檬酸钠。

6.根据权利要求1所述的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料，其特征在于：S2步骤中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、四丁基溴化铵、三(十八烷基)甲基溴化铵中的一种。

7.根据权利要求1所述的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料，其特征在于，S2步骤中，所述后处理步骤为取上层溶液倒入单口烧瓶中旋蒸，浓缩甲苯溶剂，加入无水乙醇，在‑

4℃ 下保存6 h后离心，分离乙醇溶液，离心操作重复两次，真空干燥。

8.根据权利要求1所述的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料，其特征在于，S3步骤中，所述硅烷偶联剂γ‑氨丙基三甲氧基硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷、γ‑氨丙基甲基二乙氧基硅烷、N‑β(氨乙基)‑γ‑氨丙基三甲氧基硅烷、N‑β(氨乙基)‑γ‑氨丙基三乙氧基硅烷、N‑β(氨乙基)‑γ‑氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种。

9.根据权利要求1所述的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料，其特征在于，S3步骤中，所述后处理步骤为将得到的反应液酸化至pH＝1 2，用二氯甲烷萃取3次，用3 mol/L盐~

酸洗涤，分液得到的油相收集后加入无水硫酸镁干燥，旋蒸除去溶剂。

说明书

一种用于单分子检测的有机‑无机杂化材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于纳米材料领域以及生物学领域，尤其涉及一种用于单分子检测的有机‑无机杂化材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 单分子检测技术具有高检测灵敏度、定量方式简单、样品需求量少等优点，被广泛应用于生物检测、环境安全、药物示踪、生物技术、单颗粒纳米催化、传感器等领域；在复杂
体系中，干扰物质容易与分子探针发生非特异性相互作用，当检测物质在检测体系中的浓
度较低时，常规的检测方法难以达到较高的灵敏度和较低的检测限，从而精准的检出检测
物质。单分子检测技术区别常规的检测技术，能检测到的是单个分子的个体行为，揭示单分
子异质性，能对低浓度的物质进行精准的检测。

[0003] 金纳米簇(AuNCs)通常是由几个到几十个原子组成，其尺寸一般在2nm左右，是介于金原子和金纳米颗粒之间的一种新型荧光纳米材料；纳米簇具有合成简单、光稳定性强、
生物兼容性好等优点，目前已经成为纳米领域里发展前景最好的材料之一，在单分子领域
中被广泛应用。

[0004] 但纳米颗粒由于表面效应，随着尺寸的减小，表面原子数所占整个微粒的比例逐渐增加，每个表面原子具有极高的表面能和活性，导致纳米颗粒极不稳定而产生团聚现象。
这就需要纳米颗粒结合稳定剂或者修饰剂配体来降低颗粒的表面能、控制其形貌和分散
性，才能实现生物、医学、光电学等领域的应用。聚合物是一种常用的纳米颗粒的稳定修饰
剂，相对于小分子稳定剂而言，聚合物配体拥有更好的稳定性、低毒性以及能调控颗粒的尺
寸、形貌和性质的优势，目前已成为纳米颗粒制备中研究的热点和重点。此外，金纳米簇荧
光强度较弱，在将其作为荧光标记物用于单分子免疫检测中受到限制。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种用于单分子检测的有机‑无机杂化材料及其制备方法。本发明所提供的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料由二氧化硅、改性聚苯
硫醚包裹的荧光金纳米簇组装而成；以改性聚苯硫醚包裹的荧光金纳米簇为有机组分，与
二氧化硅形成有机‑无机杂化的荧光纳米材料。

[0006] 以改性聚苯硫醚为模板合成金纳米团簇，由于改性聚苯硫醚中含有大量的羟基、羧基以及磺酸根基团，同时，还含有可与过渡金属金配位的配位成硫醚基团，可以使金纳米
团簇在水中稳定均匀分布。此外，在改性聚苯硫醚修饰的金纳米粒子表面接枝二氧化硅，过
渡金属金与改性聚苯硫醚的聚合物分子链上的苯环和二氧化硅产生共振，荧光可以以更强
的光强和更快的衰变速度的形式发射出去，得到具有灵敏度高，检测速度快的有机‑无机杂
化材料。

[0007] 所述用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法如以下步骤：

[0008] S1.改性聚苯硫醚的制备：

[0009] 称取聚苯硫醚并加入发烟硫酸，水浴加热，后处理，得到磺化聚苯硫醚产物；混合浓硝酸和磺化聚苯硫醚加热，得到改性聚苯硫醚产物；

[0010] S2.改性聚苯硫醚修饰的金纳米粒子的制备：

[0011] 将表面活性剂的甲苯溶液，氯金酸的水溶液、助表面活性剂和改性聚苯硫醚混合，缓慢加入还原剂溶液，室温搅拌，后处理，得改性聚苯硫醚修饰的金纳米粒子；

[0012] S3.用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备：

[0013] 制备纳米二氧化硅悬浮液调节pH至酸性逐滴加入硅烷偶联剂，搅拌，得到偶联剂改性二氧化硅纳米粒子；

[0014] 冰浴条件下，加入二氯甲烷，偶联剂改性二氧化硅纳米粒子与改性聚苯硫醚修饰的金纳米粒子，加入三乙胺，室温搅拌反应，后处理，得用于单分子检测的有机‑无机杂化材
料。

[0015] 进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的步骤S1中，所述聚苯硫醚的数均分子量10000～30000g/mol。聚苯硫醚的分子量小于10000g/mol时空间位阻
较小，不能很好的形成网状结构将纳米颗粒分离，不利于控制纳米颗粒发生团聚；聚苯硫醚
的分子量大于30000g/mol时，聚合物分子量较大，与金属金和二氧化硅的相容性差。

[0016] 进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的步骤S1中，所述后处理步骤为粗产物经火棉胶超滤，加入乙醇和乙醚，静置半小时后，离心，除去上层清液，加
入乙醇和乙醚静置离心重复3次，真空干燥。

[0017] 进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的S2步骤中，所述氯金酸与还原剂的反应摩尔比为100～140:1。氯金酸与还原剂的反应摩尔比大于140:1时，氯
金酸被还原成单质金属金的量较少，不足以形成纳米金粒子；氯金酸与还原剂的反应摩尔
比小于100:1时，还原剂基本将金离子还原成金单质，得不到正电荷纳米金，得到的有机‑无
机杂化材料发光强度较低。

[0018] 进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的S2步骤中，所述还原剂为硼氢化钠或柠檬酸钠。

[0019] 进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的S2步骤中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、四丁基溴化铵、三(十八烷基)
甲基溴化铵中的一种。使用阳离子表面活性剂能使金属离子和改性聚苯硫醚相容性更好。

[0020] 进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的S2步骤中，所述后处理步骤为取上层溶液倒入单口烧瓶中旋蒸，浓缩甲苯溶剂，加入无水乙醇，在‑4℃下保存
6h后离心，分离乙醇溶液，离心操作重复两次，真空干燥。

[0021] 进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的S2步骤中，所述助表面活性剂为1,2‑丙二醇、1,3‑丙二醇、1,2‑丁二醇、1,3‑丁二醇、1,4‑丁二醇、1,2‑戊二
醇、1,5‑戊二醇、异戊二醇、1,2‑己二醇、1,6‑己二醇、甲氧基丁醇、乙醇、正丁醇、薄荷醇、甘
油、甲基丙二醇、乙基己基甘油中的一种。

[0022] 进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的S3步骤中，所述硅烷偶联剂γ‑氨丙基三甲氧基硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷、γ‑氨丙基甲基二乙氧基硅
烷、N‑β(氨乙基)‑γ‑氨丙基三甲氧基硅烷、N‑β(氨乙基)‑γ‑氨丙基三乙氧基硅烷、N‑β(氨
乙基)‑γ‑氨丙基甲基二乙氧基硅烷、氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷中的一种。使用末端含氨
基的硅烷改性二氧化硅纳米粒子时，可以通过与改性聚苯硫醚修饰的纳米金粒子表面发生
化学键合作用，增强二氧化与改性聚苯硫醚修饰的纳米金粒子之间的结合力。

[0023] 进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的S3步骤中，所述后处理步骤为将得到的反应液酸化至pH＝1～2，用二氯甲烷萃取3次，用3mol/L盐酸洗涤，分
液得到的油相收集后加入无水硫酸镁干燥，旋蒸除去溶剂。

[0024] 更进一步的，用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备方法的步骤S1中，所述聚苯硫醚的数均分子量20000g/mol。

[0025] 相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

[0026] (1)本发明所提供的用于单分子检测的有机‑无机杂化材料由二氧化硅、改性聚苯硫醚包裹的荧光金纳米簇组装而成；以改性聚苯硫醚包裹的荧光金纳米簇为有机组分，与
二氧化硅形成有机‑无机杂化的荧光纳米材料。

[0027] (2)本发明制备得到的有机‑无机杂化材料中改性聚苯硫醚含有大量的羟基、羧基、磺酸根基以及可与过渡金属金配位的配位成硫醚基团，可以使金纳米团簇在水中的稳
定均匀分布。

[0028] (3)在改性聚苯硫醚修饰的金纳米粒子表面接枝二氧化硅，过渡金属金与改性聚苯硫醚的聚合物分子链上的苯环和二氧化硅产生共振，荧光可以以更强的光强和更快的衰
变速度的形式发射出去，得到的有机‑无机杂化材料用于单分子检测灵敏度高，检测速度
快。

附图说明

[0029] 图1为本发明实施例3～5和对比例1～4制备得到的材料的荧光强度曲线图。

具体实施方式

[0030] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施
例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通
技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护
的范围。

[0031] 实施例1：改性聚苯硫醚的制备。

[0032] 取一片烘干后的数均分子量为20000g/mol聚苯硫醚并称取1g加入50mL支口烧瓶中，抽充氮气三次后，气氛保护下，滴加20mL含20％SO3的发烟硫酸，搅匀后，100℃水浴加热
1h，粗产物经火棉胶超滤，加入乙醇和乙醚，静置半小时后，离心，除去上层清液，加入乙醇
和乙醚静置离心重复3次，真空干燥后，得水溶性磺化聚苯硫醚。

[0033] 称取30ml浓硝酸加入70ml的去离子水中，配成体积分数30％的浓硝酸溶液，然后加入上述制备得到的0.5g水溶性磺化聚苯硫醚，在80℃的水浴锅中处理2h，用去离子水和
乙醇清洗改性聚苯硫醚产物至pH为6～7，真空干燥箱中50℃干燥1‑2h，备用。

[0034] 实施例2：改性聚苯硫醚修饰的纳米金粒子的制备。

[0035] 将十六烷基三甲基溴化铵的甲苯溶液(6mL，44.4mM)、氯金酸的水溶液(20mL，0.6mol/L)和助表面活性剂正丁醇(0.5mL)依次加入50mL的锥形瓶中，待所有的氯金酸转移
到有机层后，加入改性聚苯硫醚(500mg，7mM)；待改性聚苯硫醚溶解后，缓慢加入新配制的
柠檬酸钠溶液(2mL，0.05mol/L)，室温搅拌6h，反应结束后停止搅拌，取上层溶液倒入单口
烧瓶中旋蒸，浓缩甲苯溶剂至2mL，加入400mL无水乙醇，在‑4℃下保存8h后离心，分离乙醇
溶液，离心操作重复两次，将得到的改性聚苯硫醚修饰的纳米金粒子料放到真空干燥箱中
35℃干燥24h，溶于10mL的甲苯，备用。

[0036] 实施例3：用于单分子检测的有机‑无机杂化材料的制备。

[0037] 40℃恒温水浴下，将220mL无水乙醇、5mL去离子水、14mL氨水加入到500mL单口烧瓶中；不断搅拌下，加入11.2mL正硅酸四乙酯，反应12h后，反应液离心、无水乙醇洗涤、去离
子水分散，冷冻干燥，得纳米二氧化硅。

[0038] 称取3.5g上述得到纳米二氧化硅加入到250mL两口烧瓶中，加入175mL无水乙醇，超声分散均匀，得到纳米二氧化硅悬浮液。将157mL无水乙醇、17mL去离子水加入另外一个
250mL两口烧瓶中，加入105μL冰乙酸调pH至5，逐滴加入7gγ‑氨丙基三甲氧基硅烷，不断搅
拌使其溶解，将纳米二氧化硅悬浮液逐滴加入到两口烧瓶中，室温搅拌24h，反应液离心后，
经无水乙醇、无水THF、丙酮清洗离心，固体用去离子水分散，冷冻干燥后得白色偶联剂改性
二氧化硅纳米粒子。

[0039] 冰浴条件下，在圆底烧瓶中加入二氯甲烷，3.5g偶联剂改性二氧化硅纳米粒子与0.5g改性聚苯硫醚修饰的纳米金粒子，加入少量三乙胺，至于常温常压下密闭搅拌反应
24h；将得到的反应液酸化至pH＝1～2，用二氯甲烷萃取3次，用3mol/L盐酸洗涤，分液得到
的油相收集后加入无水硫酸镁干燥，旋蒸出去溶剂，得用于单分子检测的有机‑无机杂化材
料。

[0040] 实施例4

[0041] 将实施例1的数均分子量为20000g/mol聚苯硫醚替换成数均分子量为10000g/mol聚苯硫醚，其余与实施例1相同，并参照实施例2和3的实验步骤制得单分子检测的有机‑无
机杂化材料。

[0042] 实施例5

[0043] 将实施例1的数均分子量为20000g/mol聚苯硫醚替换成数均分子量为30000g/mol聚苯硫醚，其余与实施例1相同，并参照实施例2和3的实验步骤制得单分子检测的有机‑无
机杂化材料。

[0044] 对比例1：纯纳米金粒子的制备。

[0045] 将氯金酸的水溶液(20mL，0.6mol/L)加入200mL去离子水中充分搅拌并煮沸，将缓慢加入新配制的柠檬酸钠溶液(2mL，0.05mol/L)至上述沸腾溶液中去，冷凝回流30分钟，当
金纳米粒子形成时，悬浮液的颜色将从深蓝色变为红色，冷却到室温，得纯纳米金粒子。

[0046] 对比例2：改性聚苯硫醚修饰的纳米金粒子的制备。

[0047] 将十六烷基三甲基溴化铵的甲苯溶液(6mL，44.4mM)，氯金酸的水溶液(20mL，0.6mol/L)和助表面活性剂正丁醇(0.5mL)依次加入50mL的锥形瓶中，待所有的氯金酸转移
到有机层后，加入改性聚苯硫醚(500mg，7mM)；待改性聚苯硫醚溶解后，缓慢加入新配制的
柠檬酸钠溶液(2mL，0.05mol/L)，室温搅拌6h，反应结束后停止搅拌，取上层溶液倒入单口
烧瓶中旋蒸，浓缩甲苯溶剂至2mL，加入400mL无水乙醇，在‑4℃下保存6h后离心，分离乙醇
溶液，离心操作重复两次，产物置于真空干燥箱中35℃干燥24h，得改性聚苯硫醚修饰的纳
米金粒子。

[0048] 对比例3：二氧化硅包裹的纳米金粒子的制备。

[0049] 将实施例3制备得到的0.5g偶联剂改性二氧化硅纳米粒子分散在100mL蒸馏水中10min，然后加入HAuCl4(20mL，0.6mol/L)溶液10min后超声处理，将新鲜制备的柠檬酸钠
(2mL，0.05mol/L)加入剧烈搅拌1h，得到二氧化硅包裹的纳米金粒子。

[0050] 对比例4

[0051] 将实施例3的γ‑氨丙基三甲氧基硅烷替换成乙烯基三甲氧基硅烷，其余与实施例3相同。

[0052] 荧光检测：

[0053] 将浓度分别为0.125μg/mL、0.25μg/mL、0.5μg/mL、1.0μg/mL、2.0μg/mL、4.0μg/mL的1mL实施例3～5和对比例1～4合成的纳米金粒子溶液分别跟0.8mL含10μg/mL的阿维菌素
抗体的牛血清白蛋白混合，37℃温浴30min并在4℃下保持12h，置于荧光测试仪中收集
510nm处的荧光强度。

[0054] 通过图1和实施例3、对比例4可以发现，使用末端不含氨基的乙烯基三甲氧基硅烷改性二氧化硅纳米粒子时，乙烯基三甲氧基硅烷改性二氧化硅纳米粒子只是通过物理混合
作用包裹于改性聚苯硫醚修饰的纳米金粒子表面，因此对比例4得到的材料相比于实施例3
得到的材料的荧光强度弱，发光稳定性差，此外，本发明制备得到的用于单分子检测的有
机‑无机杂化材料的荧光强度远远大于对比例1、2、3制备得到的纳米金材料，且荧光强度更
稳定。

[0055] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术
人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这
些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。