“一锅法”合成高荧光有机硅点

2021-10-19熊维伟吴王聪郑芬芬

江苏科技大学学报(自然科学版) 2021年4期

熊维伟，吴王聪，郑芬芬

(江苏科技大学环境与化学工程学院，镇江 212100)

近年来，荧光纳米材料因其独特的物理化学性能倍受科研人员关注，尤其是以镉系为代表的量子点已广泛用于太阳能电池、LEDs、传感器、药学及生物医学成像等研究领域，但其自身的高毒性限制了其应用[1-5]．因此，寻求低毒性的可替代量子点已成为研究的重中之重．最近，硅量子点由于其良好的生物相容性和光稳定性引起了研究人员的关注[6]．通常，硅量子点的可控制备大体分为两种：“自上而下”法和“自下而上”法[7-8]．“自上而下”法是采用大尺寸的硅作为前驱体，通过对其表面进行刻蚀，得到纳米级硅荧光材料；“自下而上”法则是采用化学制备法，将小分子的硅烷作为反应前驱体，通过化学成核反应，得到纳米级硅荧光材料．此外，还有一些其他合成方法，如激光降解法、等离子法等[9]．“自上而下”法由于表面多为疏水基团(如硅-氢键)，导致其在水溶液中分散性较差，且量子产率较低，需要进一步改性其表面基团．“自下而上”法，由于采用硅烷化试剂，缺少长波荧光发色基团，所以合成的硅量子点通常为短波长荧光(400～500 nm)，虽荧光量子产率较“自上而下”法有了大幅提升，但其量子产率通常也不超过20%．因此，寻求一种新的方法来提升硅量子的荧光量子产率和水分散性能．对于硅量子点在生物医学及其相关领域的应用尤为重要．最近，何耀教授课题组通过柠檬酸钠与硅烷化试剂“一锅法”制备了荧光有机硅点，其荧光量子产率到达20%～25%左右[8,10-11]．受此启发，文中将带有发色基团的染料与硅烷化试剂“一锅法”进行反应，合成了具有高荧光的有机硅点，其荧光量子产率高达80%以上，而且制备的有机硅点在紫外灯照射下具有良好的抗光漂白性能．

1 实验

1.1 仪器与试剂

冷冻干燥机(FD-1-50)、暗箱式四用紫外分析仪(ZF-1)、荧光光谱仪(F-7000日立，日本)、紫外吸收光谱 (日立，日本)、X射线粉末衍射仪(XRD-6000x岛洋，日本)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR 650)．

孟加拉玫瑰红(RB, 阿拉丁试剂公司)、KH-550硅烷偶联剂(国药集团化学试剂有限公司)．

1.2 水溶性有机硅点的合成

利用一锅水热合成法制备有机硅点：称取100 mg孟加拉玫瑰红染料，溶解于10 mL的去离子水，再加入4 mL KH-550硅烷偶联剂．待充分溶解，将混合物置于高温耐压管中密封，转移至磁力搅拌器加热，温度设置在160 ℃，反应4 h．在反应结束冷却至室温后，将生成的有机硅点溶液收集装在透析袋(500 Da)中，在去离子水环境中透析24 h，以除去未反应试剂．样品透析后有少部分沉淀，可用离心机高速离心(转速9 000 r/min，10 min)去除，保留上清液．将上清液进行冷冻干燥，获得粉红色固体，并在4 ℃下储存以供使用．

1.3 光谱测定

将上述透析后的荧光有机硅点取0.02 mL，加去离子水稀释50倍待测试，以相同浓度的孟加拉玫瑰红作为对比试样．测定其紫外-可见光吸收光谱以及荧光光谱．

1.4 pH对有机硅点的影响

配置一系列pH值为2、4、6、7、8、10、12的磷酸缓冲溶液(10 mL)，分别取1 mL稀释后的有机硅点溶液加入，静置10 min后，测定其荧光强度．

1.5 有机硅点的抗光漂白性测试．

分别取孟加拉玫瑰红溶液和有机硅点原溶液2 mL，稀释50倍之后，取1 mL置于玻璃管中．先分别测量出两种溶液的荧光强度，然后放入暗箱，在302 nm波长紫外光下进行辐射，每隔20 min对其进行荧光强度检测，重复此步骤测量9次荧光强度(180 min)．

2 结果与讨论

2.1 硅量子点的结构和形貌分析

合成制备好的有机硅点，通过冷冻干燥获得其粉末样品，利用XRD粉末衍射来测试其结构，由图1可知，有机硅点的XRD衍射峰呈现出无定型结构，在22°左右具有一个比较宽的馒头峰，表明该有机硅点具有非常小的粒径，这点与后面的TEM图相符合[12]．而玫瑰红原料的XRD在10°～40°之间呈现出多个峰，这一点与有机硅点区别较大．图2为HRTEM表征的有机硅点的尺寸和形貌，由图中可知，有机硅点的呈现出良好的单分散形态．其平均粒径为5 nm．

图1 有机硅点和染料的X-射线粉末衍射光谱Fig.1 XRD spectra of organosilica nanodots and bengal rose powder

图2 有机硅点的HRTEM高分辨图Fig.2 HRTEM image of the organosilica nanodots

2.2 荧光与光谱分析

图3为反应前后溶液的数码照片，左边为反应后的照片，右边为反应前照片，反应前溶液呈粉红色，反应后溶液呈现出橘色，由此可知，反应前躯液在高温下(160 ℃)发生了反应．

图3 反应前后溶液的数码照片Fig.3 Digital photographs of the organosilica nanodots

在紫外灯照射下(图4)，反应后的有机硅点溶液展示出强烈的荧光，而未反应的溶液则几乎没有荧光．进一步说明生成了所需要的有机硅点．

图4 在紫外灯下，有机硅点反应前后的荧光照片Fig.4 Fluorescence photographs of the organosilica nanodots before and after the reaction

图5为稀释后的有机硅点溶液和相同浓度的玫瑰红染料的紫外吸收光谱，由图可知，玫瑰红染料在550 nm左右有一个强的吸收峰，而有机硅点在525 nm左右具有强的吸收峰，表明生成有机硅点之后，其紫外吸收峰发生了蓝移．在468 nm光激发下，其荧光峰出现在535 nm处(图5(b))，与紫外吸收相对应．相比于有机硅点强的荧光发射峰，染料的荧光强度几乎可以忽略不计．

图5 有机硅点和玫瑰红染料的紫外可见光吸收光谱和荧光光谱图Fig.5 UV-vis absorption and fluorescence spectra of the organosilica nanodots and rose red dye

进一步通过红外光谱对制备的有机硅点进行结构表征(图6)．发现其相比于反应前的前驱体，有机硅点红外光谱在33 500 cm-1左右，一些小峰消失了，这主要归结于羧基和氨基发生了缩合反应．此外，还通过X射线光电子能谱技术(XPS)对其成分进行了表征，结果表明，该有机硅点含有的元素成分包括C、Si、O、N等(图7)．

图6 有机硅点和玫瑰红染料的红外光谱图Fig.6 FTIR spectra of organosilica nanodots and Rose red dye

图7 有机硅点的XPS总图Fig.7 XPS Spectra of organosilica nanodots

2.3 pH对有机硅点荧光的影响

通过测定不同pH条件下的有机硅点的荧光强度，获得对应的荧光谱图(图8)．从图中可以看出，pH=2时，硅量子点的荧光强度大大降低，说明强酸性条件对硅量子点的荧光强度有猝灭作用；而在pH=4至pH=12的范围内(图9)，有机硅点的荧光强度变化不明显，说明在此pH范围范围内，有机硅点受酸碱性的干扰很小，可以稳定存在．

图8 不同pH值环境下的荧光发射光谱Fig.8 Fluorescence emission spectra at different pH values of the organosilica nanodots

图9 在不同pH值环境下的荧光发射光谱强度的变化Fig.9 Changes of fluorescence emission spectral intensity under different pH values

2.4 有机硅点的抗光漂白性

为了了解所合成的有机硅点的抗光漂白性能，测定了有机硅点溶液随辐射时间变化的荧光强度(图10)，在302 nm光辐射下，间隔20 min测量．由图10可知，随着辐照时间增长，有机硅点溶液在初次经过紫外光的照射后，荧光强度略有下降，此后随辐射时间增长而保持稳定状态．这说明有机硅点具有良好的抗光漂白性能．

图10 有机硅点溶液随辐射时间变化的荧光强度Fig.10 Fluorescence emission spectra measured of the organosilica nanodots at intervals of 20 minutes at 302 nm

2.5 有机硅点的细胞毒性测试(MTT)

如图11，将不同浓度的有机硅点加入HeLa细胞培养液中培养24、48 h．有机硅点浓度分别为25、50、100、250、500 ug·mL-1．由图11可知，有机硅点具有经过24、48 h共孵育培养后仍具有良好活性，随着有机硅点浓度的升高，细胞活性略有下降．这说明由本实验合成的有机硅点具有很好的生物相容性．

图11 HeLa细胞在不同有机硅点溶液浓度下分别孵育24 h和48 h的细胞活性Fig.11 Cell viability of HeLa cells incubated for 24 hours and 48 hours at different concentrations of the organosilica nanodots solution

2.6 有机硅点用于HeLa细胞成像

将有机硅点用PBS溶液配制成1 000 ug·mL-1的溶液，取1 mL添加到HeLa细胞培养皿中，孵育2 h，洗涤3次后，放置在荧光共聚焦显微镜下进行细胞成像，图12为有机硅点用于细胞成像，从图中可以看出，该有机硅点能够很好地用于细胞成像．

图12 HeLa细胞在不同浓度有机硅点溶液下分别孵育24 h和48 h的细胞成像Fig.12 Fluorescence images of HeLa cells after adding 1 mL(1 mg/mL) organic silicon dots to cell culture medium