一種石墨烯納米材料的制備方法
【專利摘要】本發明提供一種石墨烯納米材料的制備方法，首先分別制備ZnO量子點和具有介孔結構的Fe3O4納米顆粒，然后在這兩種納米粒子表面包裹一層SiO2殼層并對其氨基化。將氨基化的復合納米顆粒通過共價交聯的方式嫁接到表面預羧基化的氧化石墨烯表面，最終得到一種具有磁性熒光雙功能的氧化石墨烯復合材料。利用本發明制備的氧化石墨烯復合材料具有明顯的磁性性能，其優良的熒光性能有望實現在作為藥物載體時對其傳輸路徑進行示蹤。
【專利說明】
一種石墨烯納米材料的制備方法[0001 ] 本發明申請是針對申請日2014年09月26日、申請號201410502642.1的發明專利的分案申請。
技術領域
[0002]本發明涉及一種石墨稀納米復合材料及制備方法，屬于無機納米材料技術領域。 【背景技術】
[0003]近年來，將金屬納米粒子、磁性納米粒子負載到氧化石墨稀表面制備復合材料，并探索其在材料、化學、生物醫學等領域應用的研究發展迅速。目前國內外已有的關于其在生物醫學方面的應用主要用于生物成像、生物檢測、腫瘤治療和藥物載體方面，這些研究都取得了可喜的成果。氧化石墨烯作為藥物載體的研究方面:首先石墨烯具有超高的比表面積和31電子共輒體系。氧化石墨烯可以通過31-31堆積和氫鍵作用負載藥物，并且可以以極細小顆粒態懸浮于水溶液或生理環境體系，但是目前利用石墨烯氧化物制備靶向藥物載體的研究還相對很少，因此有必要加大此項研究力度，早日實現氧化石墨烯基藥物載體在實際中的應用。
[0004]將磁性納米顆粒裝載到石墨烯表面制備的磁性靶向藥物載體，在實際疾病治療中具有極大的應用潛力。目前在研究中，所用磁性粒子都為實心Fe304納米顆粒，其中磁性粒子在復合材料中僅起到使材料具有磁性能的作用，而納米粒子的結構在復合材料中并未體現出明顯的作用。量子點用作熒光標記物示蹤觀察活細胞或組織的結構與活動乃至進行動物活體成像以及用于追蹤藥物顆粒在體內的走向和作用的研究已有大量報道。這些報道中所用的量子點大多采用膠體化學方法在有機體系中合成，因此得到的量子點水溶性差，并且合成的量子點組成主要是Cd的氧族元素二元化合物及其核殼結構。Cd是一種有劇毒的重金屬元素，含Cd量子點在生物標記過程中容易釋放Cd2+而損傷生物體。雖然含鎘量子點的制備和結構、性能檢測已經非常成熟，而且大量研究已經表明采用表面修飾技術或水相合成方法可以大大改善含Cd量子點的穩定性和安全性，但是依然不能完全消除這類量子點在使用過程中會分解出游離Cd2+的可能性，因此含鎘量子點的生物安全性仍然沒有得到根本的解決。因此，從生物安全性和應用角度來說，積極開展低毒性或生物兼容性量子點材料的制備、結構和性能的研究將成為未來量子點材料的發展方向。目前，應用于生物熒光檢測的低毒性或生物兼容性量子點主要是ZnS、ZnSe和ZnO量子點。ZnO作為生物熒光標記的量子點， 較含有Cd的量子點的生物毒性較小，對于被測試的動物和測試研究者來說，都十分安全。作為安全無毒、價廉物美的一種新型發光材料，ZnO量子點在基礎研究和實際應用兩方面，都有十分重要的價值。
[0005]
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種具有磁性、熒光功能的石墨烯納米材料的制備方法。
[0007]本發明提供的方法是將二氧化硅包裹的(介孔Fe3〇4磁性納米顆粒-ZnO量子點)通過共價交聯的方式引入到氧化石墨烯表面，得到一種氧化石墨烯基復合材料。其中，氧化石墨烯本身和Fe3〇4磁性納米顆粒中的介孔結構使整個材料具有較高的比表面積，而低毒性的 Zn0量子點的選擇和二氧化硅殼層的包覆進一步提高了氧化石墨烯材料的生物相容性，最終得到具有磁性熒光雙功能、高比表面積和良好生物相容性的氧化石墨烯復合材料，有望在藥物載體方面具有很好的應用前景。具體包括以下步驟:(1)氧化石墨烯的制備將石墨粉末加入出3〇4、1(232〇8、？2〇5的混合液中，70~85°(:反應3~611。然后加水稀釋，并過濾洗滌以除去多余的酸。所得預產物在室溫下干燥過夜，然后將預氧化的石墨加入*H2S04， 在冰水浴保護下逐步加入KMn〇4,此混合物在30?35°C下攪拌反應30 min后于85?95°C進行反應1?2h，后加水稀釋，使其沸騰反應20?40min，再攪拌1?2小時后，加水和30wt%的H2〇2 溶液靜置沉淀。混合物過濾后用稀鹽酸沖洗數次，再用水沖洗至中性。最后將所得產物透析一周純化除去剩余的金屬離子，得到的氧化石墨在室溫條件下超聲剝離30?50min，得到濃度大約為0.1?lmg ? ml/1的氧化石墨稀儲備液。使用1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺 (EDC)和N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)使氧化石墨烯平面及邊緣的羧基活化。
[0008](2)介孔Fe3〇4磁性納米顆粒的制備室溫下將Fe(N〇3) 3 ? 9H2〇溶于乙二醇中，攪拌3小時后于70?80°C加熱至形成干的Fe (N〇3)3—乙二醇凝膠。將形成的Fe(N03)3—乙二醇凝膠放在水平管式爐中380?450°C進行熱解后自然冷卻至室溫，將產物分別用純水和酒精洗滌后于70?80°C干燥箱中干燥。最后加入適量的TMA對四氧化三鐵進行修飾，后超聲、搖勻并分散在去離子水中得到不同濃度的介孔 Fe3〇4納米粒子儲備液。
[0009](3)具有熒光顏色可調ZnO量子點的制備室溫下，將Zn(0Ac)2 ? 2H20和L1H ? H20按照摩爾比2:3溶于TEG中，持續攪拌直至溶液發冷光。后按照一定摩爾比B(Mg:Zn)將Mg(0Ac)2 ? 4H20加入到上述溶液中，冰水浴條件下超聲處理2?5min，純化，得到不同發光顏色的ZnO量子點。[0〇1〇](4)(介孔Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si02的制備將環己烷、曲拉通X-100和正己醇按照體積比4:1:1加入燒杯，攪拌15?30min后加入 200ul的Fe3〇4納米粒子溶液和800ulZn0量子點溶液(濃度:1?10mmol/l)，攪拌10~30min后， 再加入120ul冊4 ? 0H和120ul PDDA溶液(0.075%V/V)。繼續攪拌20min后向系統中加入 80ul TE0S，避光條件下繼續劇烈攪拌12?24h。最后再向該體系中加入20~30ml的丙酮，得到 (介孔Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si02復合納米粒子，最后使用APS和THPMP將復合粒子表面進行氨基功能化。
[0011](5)磁性熒光雙功能的氧化石墨烯復合材料的制備將氨基化的(介孔Fe3〇4-ZnO量子點)@Si02納米復合顆粒通過共價交聯的方法引入到羧基化的氧化石墨烯表面，得到具有磁性熒光雙功能的氧化石墨烯復合材料。[0〇12]本發明中，步驟(1)中所述H2SO4、K2S2〇8、P2〇5的混合液、中各組分的質量比為:10:1:1〇[0〇13] 本發明中，步驟(3沖所述摩爾比B(Mg:Zn)=(0?0? 1)。[〇〇14]本發明中，步驟(4)中所述Fe3〇4納米粒子溶液濃度為1?10mmol/l，Zn0量子點溶液濃度為1?10mm〇l/l。
[0015]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:本發明制備出的石墨稀納米復合材料將介孔Fe3〇4納米顆粒的磁性、孔道效應、高比表面積和ZnO量子點的熒光性能及氧化石墨烯的超大比表面積、良好的生物兼容性等相融合， 可以作為一種具有磁靶向性、熒光性和高載藥量的新型藥物載體。目標產物不僅可以實現藥物的靶向運輸，還可以對藥物運輸過程進行熒光示蹤。【附圖說明】[〇〇16]圖1是制備的磁性熒光雙功能氧化石墨烯納米復合材料的SEM圖。[〇〇17]圖2是制備的磁性熒光雙功能氧化石墨烯納米復合材料的TEM圖。
[0018]圖3是制備的磁性熒光雙功能氧化石墨烯納米復合材料的PL譜圖。
[0019]圖4是制備的磁性熒光雙功能氧化石墨烯納米復合材料的磁化曲線圖。
[0020]【具體實施方式】[0021 ]下面通過實施例對本發明進行進一步說明。[〇〇22] 實施例1(1)氧化石墨烯的制備將2g石墨粉加入25g*H2S〇4、2.5g K2S2〇8和2.5g ?2〇5的混合液中，80°C反應3h。然后加 500ml水稀釋，并過濾洗滌以除去多余的酸。所得預產物在室溫下干燥過夜，然后將預氧化的石墨加入l〇〇ml濃H2S〇4中，在冰水浴保護下逐步加入13g KMn〇4,此混合物在35°C下攪拌反應30 min后于85°C進行反應2h，后加水稀釋，使其沸騰反應30min，再攪拌1小時后，加 500ml水和20ml和30%的H2〇2溶液靜置沉淀。混合物過濾后用1:10的稀鹽酸沖洗5次，再用水沖洗至中性。最后將所得產物透析一周純化除去剩余的金屬離子，得到的氧化石墨在室溫條件下超聲剝離30min，配置成濃度大約為0.5mg/ml的氧化石墨稀儲備液。向50ml氧化石墨烯的分散液中加入1 mg 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺(EDC)和0.5 mg N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)，攪拌30min，使G0平面及邊緣的羧基活化。
[0023] (2)介孔Fe3〇4磁性納米顆粒的制備室溫下將0.02mol Fe(N03) 3.9H20溶于25ml乙二醇中，攪拌3小時后于80°C加熱至形成干的Fe(N03)3—乙二醇凝膠。將lg形成的Fe(N03)3—乙二醇凝膠放在水平管式爐中，以10 °C/min的升溫速率到400°C保持12h后自然冷卻至室溫，將產物分別用純水和酒精洗滌后于70°C干燥箱中干燥12h。將干燥后的產物中加入適量的TMA，超聲lmin后分散在10ml去離子水中，得到濃度約為10 mmol /L的介孔Fe3〇4納米粒子儲備液。[〇〇24] (3)具有熒光顏色可調ZnO量子點的制備室溫下，將0.002molZn(0Ac)2 ? 2H20和0.003mol的L1H ? H20溶于40ml TEG中，持續攪拌直至溶液發冷光，純化，配置成1 Ommo 1 /1的ZnO量子點。[〇〇25] (4)(介孔Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si02的制備將15ml環己燒、3.6ml曲拉通X-100和3.6ml正己醇加入燒杯，攪拌15min后加入200ul的濃度10mmol/l的Fe3〇4納米粒子溶液和800ul濃度10mmol/l的ZnO量子點溶液，攪拌10min后，再加入120ul順4 ? OH和120ul PDDA溶液(0.075%V/V)。繼續攪拌20min后向系統中加入 80ul TE0S，避光條件下繼續劇烈攪拌24h。最后再向該體系中加入20ml的丙酮，得到(介孔 Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si02復合納米粒子。將30ulAPS和80ulTHPMP加人到制備的(介孔Fe3〇4 _ ZnO量子點)@Si02復合納米粒子中，攪拌24h，最后得到表面氨基化的(介孔Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si〇2復合納米粒子。
[0026](5)磁性熒光雙功能的氧化石墨烯復合材料的制備將20ml(4)中得到的氨基功能化(介孔Fe3〇4_ZnO量子點)@Si02復合納米粒子加入到 50ml濃度0.5mg/ml羧基活化的G0分散液中反應2 h，使(介孔Fe3〇4_ZnO量子點)@Si02復合納米粒子表面的氨基與G0的羧基共價交聯形成酰胺鍵。然后通過多次清洗和磁分離的步驟，得到目標產物磁性熒光多功能性的G0復合納米顆粒。[〇〇27]實施例2(1)氧化石墨烯的制備將28石墨粉加入258濃￥04、2.58 1(25208和2.58?205的混合液中，70°(:反應511。然后加 500ml水稀釋，并過濾洗滌以除去多余的酸。所得預產物在室溫下干燥過夜，然后將預氧化的石墨加入150ml濃H2S〇4中，在冰水浴保護下逐步加入20g KMn〇4,此混合物在30°C下攪拌反應30 min后于85°C進行反應2h，后加水稀釋，使其沸騰反應30min，再攪拌1小時后，加 500ml水20ml和30%的H2〇2溶液靜置沉淀。混合物過濾后用1:10的稀鹽酸沖洗5次，再用水沖洗至中性。最后將所得產物透析一周純化除去剩余的金屬離子，得到的氧化石墨在室溫條件下超聲剝離30min，配置成濃度大約為0.2 mg/ml的氧化石墨稀儲備液。向50ml氧化石墨烯的分散液中加入0.5 mg 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺(EDC)和0.2 mg N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)，攪拌30min，使G0平面及邊緣的羧基活化。
[0028](2)介孔Fe3〇4磁性納米顆粒的制備室溫下將0.02mol Fe(N03) 3.9H20溶于25ml乙二醇中，攪拌3小時后于70°C加熱至形成干的Fe(N03)3—乙二醇凝膠。將lg形成的Fe(N03)3—乙二醇凝膠放在水平管式爐中，以10 °C/min的升溫速率到400°C保持12h后自然冷卻至室溫，將產物分別用純水和酒精洗滌后于70°C干燥箱中干燥12h。將干燥后的產物中加入適量的TMA，超聲lmin后分散在100ml去離子水中，得到濃度約為1 mmol /L的介孔Fe3〇4納米粒子儲備液。[〇〇29](3)具有熒光顏色可調ZnO量子點的制備室溫下，將0.002molZn(0Ac)2 ? 2H20和0.003mol的L1H ? H20溶于40ml TEG中，持續攪拌直至溶液發冷光。將0.0002mol的Mg(0Ac)2 ? 4H20加入到上述溶液中，冰水浴條件下超聲處理5min，純化，配置成10mmol/l的ZnO量子點。
[0030](4)(介孔Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si〇2的制備將15ml環己燒、3.6ml曲拉通X-100和3.6ml正己醇加入燒杯，攪拌15min后加入200ul的濃度lmmol/1的Fe3〇4納米粒子溶液和800ul濃度10mmol/l的ZnO量子點溶液，攪拌10min 后，再加入120ul順4 ? 0H和120ul PDDA溶液(0.075%V/V)。繼續攪拌20min后向系統中加入 80ul TE0S，避光條件下繼續劇烈攪拌24h。最后再向該體系中加入20ml的丙酮，得到(介孔 Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si02復合納米粒子。將30ulAPS和80ulTHPMP加人到制備的(介孔Fe3〇4 _ ZnO量子點)@Si02復合納米粒子中，攪拌24h，最后得到表面氨基化的(介孔Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si〇2復合納米粒子。[0031 ] (5)磁性熒光雙功能的氧化石墨烯復合材料的制備將20ml(4)中得到的氨基功能化(介孔Fe3〇4_ZnO量子點)@Si02復合納米粒子溶液加入到50ml濃度0.2 mg/ml的羧基活化G0分散液中反應2 h，使(介孔Fe3〇4_ZnO量子點)@Si02復合納米粒子表面的氨基與G0的羧基共價交聯形成酰胺鍵。然后通過多次清洗和磁分離的步驟，得到目標產物磁性熒光多功能性的G0復合納米顆粒。[〇〇32] 實施例3(1)氧化石墨烯的制備將2g石墨粉加入25g*H2S〇4、2.5g K2S2〇8和2.5g ?2〇5的混合液中，80°C反應3h。然后加 500ml水稀釋，并過濾洗滌以除去多余的酸。所得預產物在室溫下干燥過夜，然后將預氧化的石墨加入l〇〇ml濃H2S〇4中，在冰水浴保護下逐步加入13g KMn〇4,此混合物在35°C下攪拌反應30 min后于85°C進行反應2h，后加水稀釋，使其沸騰反應30min，再攪拌1小時后，加 500ml水和20ml和30%的H2〇2溶液靜置沉淀。混合物過濾后用1:10的稀鹽酸沖洗5次，再用水沖洗至中性。最后將所得產物透析一周純化除去剩余的金屬離子，得到的氧化石墨在室溫條件下超聲剝離30min，配置成濃度大約為0.lmg/ml的氧化石墨稀儲備液。向50ml氧化石墨烯的分散液中加入2mg 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺(EDC)和0.lmg N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)，攪拌30min，使G0平面及邊緣的羧基活化。
[0033] (2)介孔Fe3〇4磁性納米顆粒的制備室溫下將0.02mol Fe(N03) 3.9H20溶于25ml乙二醇中，攪拌3小時后于80°C加熱至形成干的Fe(N03)3—乙二醇凝膠。將lg形成的Fe(N03)3—乙二醇凝膠放在水平管式爐中，以10 °C/min的升溫速率到400°C保持12h后自然冷卻至室溫，將產物分別用純水和酒精洗滌后于70°C干燥箱中干燥12h。將干燥后的產物中加入適量的TMA，超聲lmin后分散在10ml去離子水中，得到濃度約為10 mmol /L的介孔Fe3〇4納米粒子儲備液。[〇〇34] (3)具有熒光顏色可調ZnO量子點的制備室溫下，將0.002molZn(0Ac)2 ? 2H20和0.003mol的L1H ? H20溶于40ml TEG中，持續攪拌直至溶液發冷光，將0.0OOlmol的Mg(0Ac)2 ? 4H20加入到上述溶液中，冰水浴條件下超聲處理5min，純化，配置成10mmol/l的ZnO量子點 (4)(介孔Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si02的制備將15ml環己燒、3.6ml曲拉通X-100和3.6ml正己醇加入燒杯，攪拌15min后加入200ul的濃度10mmol/l的Fe3〇4納米粒子溶液和800ul濃度10mmol/l的ZnO量子點溶液，攪拌10min 后，再加入120ul順4 ? 0H和120ul PDDA溶液(0.075%V/V)。繼續攪拌20min后向系統中加入 80ul TE0S，避光條件下繼續劇烈攪拌24h。最后再向該體系中加入20ml的丙酮，得到(介孔 Fe3〇4_ZnO量子點)@Si02復合納米粒子。將30ulAPS和80ulTHPMP加入到制備的(介孔Fe3〇4 _ ZnO量子點)@Si02復合納米粒子中，攪拌24h，最后得到表面氨基化的(介孔Fe3〇4 -ZnO量子點)@Si〇2復合納米粒子。
[0035] (5)磁性熒光雙功能的氧化石墨烯復合材料的制備將20ml(4)中得到的氨基功能化(介孔Fe3〇4_ZnO量子點)@Si02復合納米粒子加入到 50ml濃度0.lmg/ml羧基活化的G0分散液中反應2 h，使(介孔Fe3〇4_ZnO量子點)@Si02復合納米粒子表面的氨基與G0的羧基共價交聯形成酰胺鍵。然后通過多次清洗和磁分離的步驟，得到目標產物磁性熒光多功能性的G0復合納米顆粒。
【主權項】
1.一種石墨稀納米材料的制備方法，其特征在于，按如下步驟制備:(1)氧化石墨烯的制備將28石墨粉加入258濃1^04、2.58 1(25208和2.58?205的混合液中，80°(:反應311，然后加 500ml水稀釋，并過濾洗滌以除去多余的酸，所得預產物在室溫下干燥過夜，然后加入100ml 濃H2S〇4中，在冰水浴保護下逐步加入13g KMn〇4,此混合物在35°C下攪拌反應30 min后于 85 °C進行反應2h，后加水稀釋，使其沸騰反應30min，再攪拌1小時后，加500ml水和20ml和 30%的H2O2溶液靜置沉淀，混合物過濾后用1:10的稀鹽酸沖洗約5次，再用水沖洗至中性，最 后將所得產物透析一周純化除去剩余的金屬離子，得到的氧化石墨在室溫條件下超聲剝離 30min，配置成濃度大約為0.lmg/ml的氧化石墨稀儲備液；向50ml氧化石墨稀的分散液中加 入2mg 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺(EDC)和0.lmg N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)，攪 拌30min，使GO平面及邊緣的羧基活化；(2 )介孔Fe3〇4磁性納米顆粒的制備室溫下將0.02mol Fe(N03) 3*9H20溶于25ml乙二醇中，攪拌3小時后于80°C加熱至形 成干的Fe(N03)3—乙二醇凝膠，將lg形成的Fe(N03)3—乙二醇凝膠放在水平管式爐中，以10 °C/min的升溫速率到400°C保持12h后自然冷卻至室溫，將產物分別用純水和酒精洗滌后 于70°C干燥箱中干燥12h，將干燥后的產物中加入TMA，超聲lmin后分散在10ml去離子水中， 得到濃度約為10 mmol /L的介孔Fe3〇4納米粒子儲備液；(3)具有熒光顏色可調ZnO量子點的制備室溫下，將0.002molZn(0Ac)2 ? 2H20和0.003mol的L1H ? H20溶于40ml TEG中，持續攪 拌直至溶液發冷光，將0.0OOlmol的Mg(0Ac)2 ? 4H20加入到上述溶液中，冰水浴條件下超聲 處理5min，純化，配置成10mmol/l的ZnO量子點；(4 )(介孔Fe3〇4 -ZnO量子點)OSi02的制備將15ml環己燒、3.6ml曲拉通X-100和3.6ml正己醇加入燒杯，攪拌15min后加入200ul的 濃度10mmol/l的Fe3〇4納米粒子溶液和800ul濃度10mmol/l的ZnO量子點溶液，攪拌10min 后，再加入120ul順4 ? OH和120ul PDDA溶液(0.075%V/V)，繼續攪拌20min后向系統中加入 80ul TE0S，避光條件下繼續劇烈攪拌24h，最后再向該體系中加入20ml的丙酮，得到(介孔 Fe3〇4_ZnO量子點)@Si02復合納米粒子，將30ulAPS和80ulTHPMP加入到制備的(介孔Fe3〇4 _ ZnO量子點)@Si02復合納米粒子中，攪拌24h，最后得到表面氨基化的(介孔Fe3〇4 -ZnO量子 點)@Si〇2復合納米粒子；(5 )磁性熒光雙功能的氧化石墨烯復合材料的制備將2〇1111(4)中得到的氨基功能化(介孔？63〇4-211〇量子點)略102復合納米粒子加入到 50ml濃度0.lmg/ml羧基活化的GO分散液中反應2 h，使(介孔Fe3〇4_ZnO量子點)@Si02復合 納米粒子表面的氨基與GO的羧基共價交聯形成酰胺鍵;然后通過清洗和磁分離的步驟，得 到目標產物磁性熒光多功能性的GO復合納米顆粒。
【文檔編號】C09K11/02GK105969330SQ201610301324
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年9月26日
【發明人】張艷華, 肖巍, 鄧瑩, 于弘
【申請人】重慶文理學院