Способ изготовления индикаторных микрокапсул с использованием магнитных и плазмонных наночастиц Российский патент 2021 года по МПК G01N33/00 B82B1/00 B01J13/02 

Полупроводниковые анализаторы, основанные на изменении электропроводности, широко используются для контроля различных токсичных соединений (в том числе альдегидов). Такие датчики портативны и обладают хорошей стабильностью, но страдают ограниченной селективностью. Требуется модификация оксида металла или селективной мембраны. Коммерчески доступные аналитические наборы предлагают удобный способ полуколичественного определения альдегидов. По сравнению с колориметрией флуорометрия стала высокочувствительным методом определения различных токсичных альдегидов и их производных. Как отличный флуоресцентный материал, углеродные точки (С-точки) являются недорогими и экологически чистыми.

Усиленная металлом флуоресценция (УМФ) - это явление, при котором флуоресценция усиливается, когда флуорофор находится вблизи плазмонных металлических наноматериалов. Внедрение флуоресцентных С-точек и металлических наночастиц в кремнеземные сферы или полимеры заметно усиливает флуоресценцию С-точек в десятки раз и, таким образом, является эффективным подходом для получения более интенсивного отклика флуоресценции. Анализы на основе УМФ являются "сигнальными" и имеют высокий предел флуоресцентного ответа. Однако современные анализаторы на основе УМФ обычно имеют сложные модификации и имеют ограниченные эксплуатационные требования. По-прежнему остается сложной задачей разработка новых анализаторов на основе УМФ, а также их практическое применение.

Получение новых гибридных структур на основе углеродных точек обладающих как оптическими, так и магнитными свойствами, является актуальной задачей и имеет множество вариантов решения. Наночастицы металлов (золота, серебра, платины, палладия), которые обладают выраженным эффектом поверхностного плазмонного резонанса, являются идеальными реагентами для проведения анализа на присутствие в различных средах токсичных альдегидных соединений и их производных на основе флуоресценции, усиленной металлом. Относительно низкая цитотоксичность используемых С-точек, зависимость полосы их люминесценции от длины волны возбуждения и их размер делает углеродные точки отличным материалом для изготовления аналитических систем и приборов. С-точки могут быть легко внедрены в неорганические микроразмерные капсулы для получения гибридных люминесцирующих нанокомпозитных материалов. По сравнению с коммерческими капсулами, кодированными органическими красителями и полупроводниковыми квантовыми точками, маркеры на основе С-точек обладают различными уникальными свойствами. Во-первых, по сравнению с полупроводниковыми квантовыми точками С-точки демонстрируют превосходную стабильность и биосовместимость. Во-вторых, поскольку поверхность С-точек обычно богата гидрофильными группами, такими, как карбоксильные, аминогруппы и гидроксильные группы, они демонстрируют хорошую растворимость и стабильность в воде. В-третьих, С-точки достаточно дешевы и просты в приготовлении. В качестве более экологичной альтернативы металлосодержащим квантовым точкам планируется использовать С-точки, которые имеют зависимость фотолюминесценции от длины волны возбуждения и высокую оптическую стабильность, которая играет немаловажную роль при флуоресцентной визуализации как in vitro, так и in vivo или in situ. Возможность модифицирования поверхности С-точек также расширяет область их применения для анализа. С помощью изменения поверхностных групп можно подготавливать углеродные точки для доставки различных лекарств и изменения оптических свойств точек. Также, наличие в капсуле магнетита дает возможность капсулам обладать способностью к магнитотаксису - движению, связанному с реакцией материала на магнитное поле. Благодаря наличию плазмонных металлических нанокристаллов появляется не только дополнительная возможность для спектрометрического определения концентрации микрокапсул, но и усиление люминесценции плазмонными металлическими нанокристаллами.

Использование неинкапсулированных С-точек ставит ряд задач, справиться с которыми может создание гетероструктур на основе полимерных или неорганических капсул. По сравнению с полимерными капсулами неорганические капсулы, используемые для аналитического отклика на присутствие токсичных соединений, обладают хорошей механической прочностью, однако проницаемость этих неорганических капсул не контролируется, что сильно ограничивает их применение. Следовательно, необходима полимерно-неорганическая композитная капсула, в которой неорганические сферы обладают механической прочностью, чтобы выдержать, например, сушку и осмотическое давление, а фракция полимера позволяет контролировать проницаемость оболочки. Кроме того, внедренные неорганические частицы могут также придавать специфические оптические и магнитные свойства. Учитывая данные свойства, включение функциональных неорганических нанокомпозитов в полиэлектролитные оболочки является одним из простых способов решения вышеупомянутого недостатка как для чистых органических капсул, так и для неорганических капсул, например, способности заключать в капсулу небольшие молекулы и настраивать проницаемость оболочки.

Наиболее близка к заявляемому изобретению и принята в качестве прототипа гетероструктура нанокомпозитных материалов

«Металлсодержащий флуорометрический анализатор на присутствие формальдегида, основанный на использовании выращенных in situ наночастиц серебра на инкапсулированных кремнеземом углеродных точках» ("Metal-enhanced fluorometric formaldehyde assay based on the use of in-situ grown silver nanoparticles on silica-encapsulated carbon dots") (статья Yang W., Zhang G., Ni J. et al. Microchim Acta 187, 137 (2020) https://doi.org/10.1007/s00604-019-4105-21 где С-точки получали следующим образом: 0,5 г цитрата натрия растворяли в 10 мл сверхчистой воды с последующим добавлением 10 мл N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилметилдиметоксисилана, смесь встряхивали до образования однородного раствора. Затем раствор переносили в 50 мл политетрафторэтиленовый автоклав и нагревали при температуре 160°С в течение 6 ч. После охлаждения смеси до комнатной температуры получали прозрачный желтый раствор. Полученные продукты очищали осаждением петролейным эфиром три раза, а затем диализировали в течение 24 ч (пористость 1 кДа) для удаления непрореагировавших реагентов, флуоресцентные углеродные точки диспергировали в этаноле для приготовления исходного раствора (1 г/л). Флуоресцентные кремнеземные SiO₂ сферы были получены методом Штебера: при магнитном перемешивании к 50 мл этанола последовательно добавляли 1 мл исходного раствора С-точек, 0,5 мл раствора аммиака и 0,2 мл тетраэтилортосиликата. Примерно через 2 ч раствор мутнел с появлением белого осадка, указывающего на образование композита C-точки@SiO₂. Затем 2 мл (3-аминопропил) триэтоксисилана добавляли к С-точам@SiO₂, чтобы получить C-точки@SiO₂-NH₂. Раствор интенсивно перемешивали при 60°С в течение 4 ч. Полученный осадок отделяли от раствора центрифугированием на скорости 10 000 об/мин и трижды промывали отдельно этанолом и водой. Раствор C-точек@SiO₂-NH₂ (1 г/л) и 100 мкл свежего раствора AgNO₃ (0,5 мм) смешивали и выдерживали в течение 30 мин, затем добавляли 100 мкл формальдегида в различных концентрациях и 700 мкл сверхчистой воды, и растворы инкубировали при комнатной температуре еще 30 мин. Спектры флуоресценции регистрировали при возбуждении на длине волны 370 нм. Растворы С-точек@SiO₂-NH₂ и AgNO₃ смешивали в оптимальном соотношении (0,1 г/л C-точек@SiO₂-NH₂ и 50 мкМ Ag⁺) и инкубировали в течение 30 мин для получения флуоресцентных анализаторов С-точек@SiO₂-NH₂-Ag⁺. Затем квадратный кусочек нано-губки (1 см × 1 см × 1 см) полностью погружали в раствор для поглощения в течение 5 мин. Избыток раствора в кусочке нано-губки выдавливали, а влажный кусочек нано-губки использовали непосредственно для последующего обнаружения. Образцы формальдегидного газа готовили по методу испарения при нагреве. Сто микролитров водного формальдегида в различных концентрациях (0~6,67 мМ) вводили в газовые пробоотборные мешки (1 л), заполненные воздухом. Затем заполненные воздухом пробоотборные мешки осторожно нагревали для получения однородного газа для испытаний (0~20 ppm). Кусочки нано-губки помещали под УФ-лампу (возбуждение 365 нм) и записывали соответствующие спектры люминесценции.

Прототип имеет следующие недостатки: кроме сложности изготовления, невозможно легко варьировать размер кремнийдиоксидных микросфер, а получаемые микросферы растворяются только в присутствии плавиковой кислоты, что, в свою очередь, совершенно не подходит для аналитического использования в биологических средах.

Техническими задачами, на решение которых направлено предполагаемое изобретение, являются упрощение технологии изготовления и уменьшение влияния используемых веществ на окружающую среду, а также возможность вывода полученных индикаторных микрокапсул из системы после использования.

Настоящее изобретение предлагает получение микрокапсул на основе карбоната кальция, имеющих в своем составе люминесцентные С-точки, магнитные наночастицы и плазмонные металлические нанокристаллы, способ их получения путем смешивания магнитных наночастиц, С-точек, плазмонных металлических нанокристаллов и полиэлектролитов, тем самым подготавливая микрокапсулу для обнаружения токсичных альдегидов и их производных с высокой чувствительностью и селективностью при минимальном количестве стадий обработки образца; позволяющих управлять микрокапсулой магнитным полем с одновременным детектированием люминесценции и локализованного плазмонного резонанса с возможностью определения концентрации.

Пример.

Получение индикаторных микрокапсул с использованием магнитных и плазмонных наночастиц

Синтез С-точек:

Люминесцентные углеродные точки (С-точки) представляют собой углеродные точки, дополнительно стабилизированные аминоэтиламинопропилизобутилом полиэдрического олигомерного силсесквиоксана (ПОСС) основного амина, размером 50 нм, получены методом высокотемпературного автоклавируемого сольвотермального синтеза. 5.5 ммоль лимонной кислоты и 5 ммоль прекурсора ПОСС основного амина растворяют в 10 мл о-ксилола в автоклаве с тефлоновым стаканом. Далее автоклав нагревают в течение 5 часов при температуре 200°С. После охлаждения автоклава до комнатной температуры, продукты реакции отфильтровывают и центрифугируют на скорости 5000 об/мин в течение 10 минут с целью разделения продукта реакции от агломератов крупных частицы.

Синтез сфер карбоната кальция (CaCO₃), легированных магнитными наночастицами состава Fe₃O₄:

В соотношении 1:1 смешивают водный 0,33 Μ раствор CaCl₂ и водный 0,33 Μ раствор Na₂CO₃ с добавлением 200 мкл водного раствора магнитных наночастиц состава Fe₃O₄. Через 30 секунд реакции полученные сферы CaCO₃ центрифугируются 40 секунд на скорости 2500 об/мин. Образовавшийся осадок промывается два раза дистиллированной водой и осаждается центрифугированием в течение 40 секунд на скорости 2500 об/мин, надосадочная жидкость удаляется.

Получение индикаторных микрокапсул: к осажденным сферам CaCO₃, легированным магнитными наночастицами Fe₃O₄, добавляется 1 мл 0,5 Μ раствора NaCl с концентрацией полиэлектролита ПААГ 6 мг/мл (рН 6,5). Полученная дисперсия встряхивается в течение 10 минут. Затем смесь центрифугируется в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин, надосадочная жидкость с избытком полиэлектролита ПААГ удаляется, осадок промывается два раза дистиллированной водой. Далее к сферам добавляется 1 мл 0,5 Μ раствор NaCl с концентрацией полиэлектролита ПСС 6 мг/мл (рН 6,5). Полученная дисперсия встряхивается в течение 10 минут и центрифугируется в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин, надосадочная жидкость с избытком полиэлектролита ПСС удаляется, осадок промывается два раза дистиллированной водой. Послойное формирование оболочки происходит благодаря чередующимся слоям противоположно заряженных полиэлектролитов. После покрытия слоями полиэлектролитов (ПААГ-ПСС) к сферам добавляется 200 мкл водного раствора углеродных точек в ПОСС, прикрепляющиеся к внешнему отрицательно заряженному слою полиэлектролита ПСС за счет электростатического взаимодействия. Раствор встряхивается в течение 10 минут и далее центрифугируется 30 секунд на скорости 4000 об/мин с целью удаления непрореагировавших С-точек вместе с надосадочной жидкостью. К полученному составу добавляется 1 мл 0,5 Μ раствор NaCl с концентрацией полиэлектролита ПААГ 6 мг/мл (рН 6,5). Полученная дисперсия встряхивается в течение 10 минут. Избыток полиэлектролита удаляется с помощью двух стадий отмывки: центрифугирование 30 секунд на скорости 4000 об/мин и добавление 1 мл дистиллированной воды, удаление надосадочной жидкости. Последней стадией получения индикаторных микрокапсул является добавление 200 мкл коллоидного раствора плазмонных металлических нанокристаллов, присоединяющихся к полиэлектролиту за счет электростатического взаимодействия. Полученная дисперсия встряхивается в течение 10 минут. Непрореагировавшие плазмонные металлические нанокристаллы удаляются с помощью центрифугирования в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин с последующим удалением надосадочной жидкости.

Изобретение относится к микрокапсулам для использования в медицине, биологии, экологии и различных отраслях промышленности. Способ изготовления индикаторных микрокапсул с использованием магнитных и плазмонных наночастиц, усиливающих люминесцентные свойства углеродных точек, соединенных с их носителем, заключается в применении центрифугирования для очистки от неприсоединившихся к носителю углеродных точек и добавлении плазмонных наночастиц при завершающей процедуре. В качестве носителя используют пористую неорганическую микросферу кальций карбоната, легированную магнитными наночастицами оксида железа Fe₃O₄. Соединение углеродных точек с носителем производят их внедрением в чередующиеся полимерные слои полиэлектролитов полиаллиламингидрохлорида (ПААГ) и поли(4-стиролсульфоната) натрия (ПСС) на поверхности кальцийкарбонатных микросфер. При завершающей процедуре добавляют плазмонные наночастицы. Изобретение обеспечивает снижение токсичности за счет изоляции полимерной оболочкой и возможность последующего удаления индикаторной микрокапсулы вместе с анализируемой частицей, используя магнитное поле. 1 пр.

Способ изготовления индикаторных микрокапсул с использованием магнитных и плазмонных наночастиц, усиливающих люминесцентные свойства углеродных точек, соединенных с их носителем, с применением центрифугирования для очистки от не присоединившихся к носителю углеродных точек и добавлением плазмонных наночастиц при завершающей процедуре, отличающийся тем, что в качестве носителя используется пористая неорганическая микросфера кальций карбоната CaCO₃, легированная магнитными наночастицами оксида железа Fe₃O₄, получаемая смешиванием в соотношении 1:1 водного 0,33 Μ раствора CaCl₂ и водного 0,33 Μ раствора Na₂CO₃ с добавлением 200 мкл водного раствора магнитных наночастиц состава Fe₃O₄, полученные сферы СаСО₃ центрифугируют через 30 секунд указанной реакции внедрения в течение 40 секунд на скорости 2500 об/мин, образовавшийся осадок промывают два раза дистиллированной водой и осаждают повторным центрифугированием в течение 40 секунд на скорости 2500 об/мин, надосадочную жидкость удаляют, углеродные точки получают сольвотермальным методом из 5.5 ммоль лимонной кислоты и 5 ммоль прекурсора аминоэтиламинопропилизобутила полиэдрического олигомерного силсесквиоксана (ПОСС) основного амина, растворенных в 10 мл о-ксилола в автоклаве с тефлоновым стаканом, нагревают в течение 5 часов при температуре 200°С, продукты реакции отфильтровывают и центрифугируют на скорости 5000 об/мин в течение 10 минут с целью разделения продукта реакции от агломератов крупных частиц, соединение углеродных точек с носителем производят их внедрением в чередующиеся полимерные слои полиэлектролитов полиаллиламингидрохлорида (ПААГ) и поли(4-стиролсульфоната) натрия (ПСС) на поверхности кальцийкарбонатных микросфер, центрифугирование для очистки от не присоединившихся к носителю углеродных точек производят четыре раза после образования каждого полиэлектролитного слоя, при этом к осажденным сферам CaCO₃, легированным магнитными наночастицами Fe₃O₄, добавляют 1 мл 0,5 Μ раствора NaCl с концентрацией полиэлектролита ПААГ 6 мг/мл при рН 6,5, полученную дисперсию встряхивают в течение 10 минут, затем смесь центрифугируют в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин, надосадочную жидкость с избытком полиэлектролита ПААГ удаляют, осадок промывают два раза дистиллированной водой, далее к сферам добавляют 1 мл 0,5 Μ раствор NaCl с концентрацией полиэлектролита ПСС 6 мг/мл при рН 6,5, полученную дисперсию встряхивают в течение 10 минут и центрифугируют в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин, надосадочную жидкость с избытком полиэлектролита ПСС удаляют, осадок промывают два раза дистиллированной водой, добавляют 200 мкл водного раствора углеродных точек в ПОСС, раствор встряхивают в течение 10 минут, центрифугируют 30 секунд на скорости 4000 об/мин с целью удаления непрореагировавших углеродных точек вместе с надосадочной жидкостью, к полученному составу добавляют 1 мл 0,5 Μ раствор NaCl с концентрацией полиэлектролита ПААГ 6 мг/мл при рН 6,5, дисперсию встряхивают в течение 10 минут, избыток полиэлектролита удаляют с помощью двух стадий отмывки - центрифугированием в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин, добавлением 1 мл дистиллированной воды и удалением надосадочной жидкости, при завершающей процедуре добавления плазмонных наночастиц в полученную дисперсию добавляют 200 мкл коллоидного раствора плазмонных металлических нанокристаллов, ее встряхивают в течение 10 минут, после чего непрореагировавшие плазмонные металлические нанокристаллы удаляют с помощью центрифугирования в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин с последующим удалением надосадочной жидкости.