一种具有生物活性的有机纳米颗粒的制作方法和性质研究

曹莉莉 曹锦珠

（1.江苏省淮阴中学，江苏 淮安 223002；2.南京邮电大学，江苏 南京 210023）

0 引言

芴及其衍生物因为具有结构易修饰、宽能隙、高量子效率和发光效率、良好的电学和光学性质等特点，已成为一种很重要的蓝光材料，在有机电致发光二极管（organic light-emitting diode，OLED）[1-3]、太阳能电池（organic photovoltaic cell，OPV）[4-7]、场效应晶体管（organic field-effect transistor，OFET）[8]、化学和生物传感器（sensor）[9]等领域得到了广泛的应用。但是在热或电场作用下，由于芴9位sp3杂化的碳原子在光、热和电场作用下容易发生氧化、聚集[10]，导致其在535nm有绿光发射和荧光自猝灭现象；原因是基态、激发态分子之间的相互作用而形成激基缔合物，导致芴类材料存在一个低能量发射带（g带）并造成光谱色纯度降低[11]，影响其在生物、化学领域的实际应用；克服此类材料的缺点一直是研究的重点。

图1 芴、聚芴类生化合物

1 提高芴类分子性能的手段

在芴体系中引入其他芳香烃共轭单元是一种有效改善芴单元光谱稳定性和色纯度的方法。芳香烃共轭单元的引入，不但拓展了体系的有效共轭长度，而且某些特殊的结构具有空间扭转张力，有效防止分子间π-π堆叠，并能有效压制激基缔合物的形成，这能有效提高光谱质量，如:光谱带宽变窄，拖尾现象减少，色相纯度显著提高。此方法一定程度上改善了芴类材料的不足，拓展了其在生化领域的应用。

2002年Huang等[10]将不同的芳香共轭体系引入芴体系，的此方法不但拓展了体系的有效共轭长度，而且某些特殊的结构具有空间扭转张力，有效防止分子间π-π堆叠，并能有效压制激基缔合物的形成，这能有效提高光谱质量，如:光谱带宽变窄，拖尾现象减少，色相纯度显著提高。

图2 芴-芳香烃交替共聚物

本文将联苯芳环体系引入芴体系，通过Suzuki聚合反应合成了不同位点联接的三种聚合物。

图3 三种芴-芳香烃交替共聚物的分子结构式

2 制备具有生物活性的有机纳米颗粒的方法

通过一种全新的方法制成了生物纳米颗粒，通过对溶液和纳米颗粒的对比研究发现:此方案不但增加了母体芴基单元的有效共轭长度，同时制成的纳米颗粒相比较溶液状态的分子间距减小，降低了分子间的π-π堆叠，改善了光谱色纯度和稳定性，形成了具有生物、化学、材料等应用前景的规则几何形状的纳米颗粒。

纳米颗粒制作方法:准确称取0.1g事先合成好的三种聚合物，分别溶于2ml四氢呋喃溶液中，将溶液转移到直径为5cm的表面皿中，放置于三脚架上；然后将三脚架放在250ml的烧杯中，使得表面皿刚好处于烧杯高度的一半位置；加50ml蒸馏水，用锡箔纸封住烧杯口，再将烧杯放置于油浴锅中，110℃加热熏蒸3小时；冷却至室温，转移到大量蒸馏水中分别得到三种聚合物的纳米颗粒。

3 纳米颗粒的粒径分析和微观成像

3.1 动态光散射分析粒子直径

通过动态光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）的粒子直径分析，以上方法制备的纳米颗粒直径分别为147、337、122nm，小于生物细胞的直径（1um），研究发现；三种联接方式中，邻位（PF-3BP）连接和对位连接（PF-1BP）的分子的粒径的分散范围很小，呈现单一的粒径分布，而间位连接（PF-2BP）的分布较宽（图4）。

3.2 扫描电子显微镜分析微观成像

通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察发现，邻位（PF-3BP）连接和对位连接（PF-1BP）的纳米颗粒呈球状分布，间位连接（PF-2BP）呈棒状分布；结合计算模拟的分子模型可以看出:在形成纳米颗粒的过程中，邻位（PF-3BP）连接的分子链发生了弯曲而形成纳米球，对位连接（PF-1BP）发生了分子内的缠扰，而间位连接（PF-2BP）则呈“之”字形分布，测得的粒径为三维方向的平均直径。三种分子在紫外光的激发下，均呈现很强的蓝光发射，结合分子直径均小于生物细胞的直径（1um），它们可以应用在生物成像、生物探针等领域，此部分工作在进一步的深入挖掘和探索中。

图4 三种芴-芳香烃交替共聚物的DLC、SEM图像

4 溶液状态和纳米颗粒的光谱表征

图5 联苯聚芴在溶液和纳米颗粒状态时的光谱数据比较

4.1 溶液态和纳米颗粒的紫外吸收光谱分析

我们研究了三种联苯聚芴在四氢呋喃溶液纳米颗粒状态的光学性质。通过对紫外吸收光谱（Absorbance）的研究发现，相比较聚芴（吸收波长:379nm）和芴聚苯环（吸收波长:371），三种杂芴聚苯的吸收波长均有明显的差异和规律；在四氢呋喃溶液中，邻位（PF-3BP）连接方式的分子的吸收波长与聚芴最为接近（365nm），而间位连接（PF-2BP）和对位连接（PF-1BP）的分子出现显著地蓝移（334，328nm），这说明分子构型上邻位（PF-3BP）连接的空间分布与聚芴最接近，扭转张力最小；进一步研究发现，当状态从溶液变成纳米颗粒后，邻位（PF-3BP）连接的吸收光谱呈现明显的蓝移，这是由于联苯的引入，单间可以旋转，一定程度上形成了空间扭转张力，破坏了芴和联苯单元的平面性，且这种趋势随着分子间的距离的缩小而突显出来；但是这种现象在间位连接（PF-2BP）和对位连接（PF-1BP）的分子中不再显著，只有几纳米的变化，说明后两种连接方式中，联苯的引入对分子共平面的影响不是由分子间的距离决定的，而是由分子的构型即连接的位点、方式所决定。这充分说明形成了较强空间立体的扭曲结构，减小了杂芴与苯环的共面性。

4.2 溶液态和纳米颗粒的荧光发射光谱分析

对于发射光谱（Emission），我们可以看出，聚芴分子 （发射波长:452，420，480，520nm）由于基态、激发态分子之间的相互作用而形成激基缔合物，而导致发射峰分散、拖尾，严重影响了光谱质量；与之相比较，联苯聚芴分子中由于联苯的共轭单元的引入有效改变了分子的电子结构、压制了激基缔合物的形成，光谱的带宽变窄、色纯度提高；这种变化在间位连接（PF-2BP）和对位连接（PF-1BP）中尤为明显。从发射波长分析，三种聚合物都呈现了近蓝光的发射峰，尤其在纳米颗粒状态时的发射更加集中，只呈现单一分布（412、409、404nm），为它们在生物领域的应用提供了广阔的空间。

5 总结与展望

我们成功开发了一种制备有机纳米颗粒的方法，制备了三种具有荧光生物活性的纳米粒子。通过动态光散射和扫描电子显微镜分析得出:三种分子形成纳米颗粒的直径均小于生物细胞（1微米），且粒子均呈现球形或棒状的规则分布。纳米颗粒的光谱分布相比较溶液状态更加集中，色纯度显著提高。这一制备生物荧光活性纳米颗粒的新方法必将为生物荧光成像、生物探针等领域拓展新的研究和应用空间。

［1］Gross M，Muller D C，Nothofer H G， etal.Improving the performance of doped pi-conjugated polymers for use in organic light-emitting diodes[J].Nature， 2000，405:661-665.

［2］Sun Y R，Giebink N C，Kanno H，etal.Management of singlet and triplet excitons for efficient white organic light-emitting devices[J].Nature，2006，440（7086）:908-912.

［3］Lewis N S.etal.Toward Cost-Effective Solar Energy Use[J].Science，2007，315（5813）: 798-801.

［4］Kim J Y， Lee K， Coates N E.Efficient Tandem Polymer Solar Cells Fabricated by All-Solution Processing[J].Science， 2007， 317: 222-225

［5］Brabec C J， Sariciftci N S， Hummelen J C.Plastic solar cells[J].Adv.Funct.Mater.， 2001， 11: 15-26.

［6］Coakley K M， McGehee M D.Conjugated polymer photovoltaic cells[J].Chem.Mater.， 2004， 16: 4533-4542.

［7］He Y J， Li Y F.Photovoltaic Materials in Polymer Solar Cells[J].Prog.Chem.化学进展， 2009，21（11）: 2304-2318.

［8］Dimitrakopoulos C D， Malenfant PRL.Organic thin film transistors for large area electronics[J].Adv.Mater.， 2002， 14: 99.

［9］Liu Y， Miao Q， Zhang S W， etal.A fluorescent chemosensor for transitionmetal ions based on optically active polybinaphthyl and 2，2'-bipyridine[J].Macromol.Chem.Phys.，2008， 209: 685-694.

［10］Zeng G， Yu W L， Huang W， etal.Spectral and thermal spectral stability study for fluorene-based conjugated polymers[J].Macromolecules， 2002， 35（18）:6907-6914.

［11］Chen P， Yang G Z， Huang W， Optimization of opto-electronic property and device efficiency of polyfluorenes by tuning structure and morphology[J].Polym.Int.， 2006， 55（5）: 473-490.