第29卷第6期2017年6月化学研究与应用
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Chemical Research and Application
Vol.29,No.6June ，2〇17
文章编号：1004-1656 (2017) 06-0768-04
巯基光点击化学用于二氧化娃微球表面修饰
刘岩
1
，白晓
\
邓凤梅
4,
李婷婷
\
沈启慧于东冬
2*
，周建光
3
(1.吉林化工学院化学与制药工程学院，吉林吉林132022;.浙江大学医院，浙江杭州310027;
3.浙江大学控制科学与工程学院智能系统和控制研究所分析仪器研究中心工业控制
技术国家重点实验室，浙江杭州310058；.吉林石化炼油厂，吉林吉林132000)摘要:在水体系下，一步法可控制备单分散、粒度分布均一、粒径为0.5 ~2 p m 的二氧化硅微球，并且表面覆
盖大量的巯基，巯基密度能够达到0.7
pmol • g-1,利用巯基-烯光点击化学反应特性，在365 nm 紫光灯照射
下,敞开水溶液中，二氧化硅微球表面的巯基受光子激发，形成自由基，与烯烃双键发生亲核加成反应,完成微 球末端官能团的修饰。
该修饰方法具有简单、可控性强、无副产物、绿色的特点，适合应用于医药领域。
关键词:巯基-端烯反应;光点击化学;微球;表面修饰 中图分类号= 0611. 4 文献标志码:A
S u r f a c e m o d i f i c a t i o n o f S i 02 m i c r o s p h e r e s b y l i g h t c l i c k c h e m i s t r y
LIU Yan 1 ,BAI Xiao 1 ,DENG Feng-mei 4 ,LI Ting-ting 1 ,SHEN Qi-hui 1 * ,YU Dong-dong 2* ,ZH 0U Jian-guang 3
(1. Department of Chemistry and Pharmaceutical Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin 132022,China ；2. Hospital of Zhejiang University, Hangzhou 310027,China ；3. State Key Laboratory of Industrial Control Technology,
Institute of Cyber-Systems and Control,Zhejiang University, Hangzhou 310058 , China ；4. Oil Refinery of Jilin Chemicals Corporation,PetroChina, Jilin 132000,China)
Abstract : In water solution ，Si 〇2 microspheres with narrow size distribution and monodisperse were synthesized in one step. There was so much thiol group on the surface of Si 〇2 microspheres，and the thiol group density was about 0. 7 pmol • g \ Under 365 nm
UV light,thiol was excited and formed free radicals,which reacted with double bonds of alkenes. Finally,the terminated group of microsphere surface was translated into carboxyl. Compared with other modification of group, this method was easy, no byproducts, green,and suitable for the field of medicine.
Key words ： thiol-ene ； light click chemistry ； microsphere ； surface modification
二氧化硅微球因其微结构为球形、具有独特 学材料特性，应用在电子、化工、能源、农业及日常
抗紫外线、提高材料抗老化、提高材料强度等工程
生活等领域[1]。
在医药领域，由于其良好的化学
收稿日期：016-08-)5 ;修回日期:2017-03-12
基金项目：吉林省自然科学基金项目（20130101132JC )资助;吉林省教育厅“十二五”科研计划项目（2013-317)资助；吉林市科技计划项目 (201464057)资助；国家科技支撑计划项目（2012BAB19B07)资助
联系人简介:沈启慧（1978-),男，副教授，主要从事纳米材料的制备与应用研究。
E-mail: qihuishen@ ；于东冬（1973-),女,副主任 医师,主要从事传染病和分析检测技术的研究。
E-mail:ddyu@ zj+u. edu. cn
第6期刘岩，等：巯基光点击化学用于二氧化硅微球表面修饰769
稳定性和生物相容性，这些特性让二氧化硅微球 成为热点而被广泛研究并应用，例如:微型生物传 感器、药物可控释放、DNA检测等。
尤其是以二氧 化硅作为基材的复合材料，具有生物检测、分离和 固定等功能，有望成为新型“智能”材料，在更多领 域发挥着重要的作用[2,3]。
制备二氧化硅微球的方法多种多样，包括:气 相沉积法、化学沉淀法、超重力法、溶胶-凝胶法、微 乳液法[M]。
其中，溶胶-凝胶法最适合制备尺寸 高度可控的单分散二氧化硅微球，通过引发聚合、层层自组装、表面接枝等方法都可以实现微球表 面的功能性修饰，目的都是为了实现微球表面的 活化。
本文采用溶胶-凝胶法，利用巯基硅烷(MPTMS)自身水解缩合而形成表面富含巯基的二 氧化硅微球。
基于巯基与端烯（炔）之间的“光点 击化学”，在水溶液敞开体系下，紫外线诱发微球 与丙烯酸键合，将微球表面官能团调节成羧基。
选择含有特定官能团的端烯（炔）化合物，可简单 方便地对微球表面的官能团进行调变[]，该方法 具有较广阔的应用前景。
1实验部分
1.1试剂与检测仪器
四乙氧基硅烷（TEOS，98%，Sigma)，巯基丙基 三甲氧基硅烷（MPTMS，97%，J&K Chemical LTD)，氨丙基三乙氧基硅烷（APTES，98%，Sigma) ，氯化钾 （分析纯 ，天津大茂化学试剂 ）氨水 (分析纯，天津大茂化学试剂）乙醇(分析纯，天津 大茂化学试剂）丙烯酸(分析纯，天津可密欧化学 试剂）；DTNB(二硫二硝基苯甲酸，99%，TCI);半 胱氨酸（Cys，分析纯，上海国药集团）；三羟甲基氨 基甲烷(Tris，分析纯，上海国药集团）；盐酸（分析 纯，北京化工厂）；本实验用水为Milli-Q制备的超 纯水。
德国Heidolph M R Hei-END磁力搅拌器;湘仪 H1650高转速离心机；美国Pekin Elmer公司 Lambda750型紫外-可见-近红外分光光度计;美国 Pekin Elmer公司Spectrum ONE红外光谱仪;德国 Brnker AXS公司D8Advance型X-射线粉末衍射 仪（操作管压40 kV;管流30 mA;Cu KaL，入= 0.518 416 nm);日本 JEOL公司 JSM-6490LV型扫 描电子显微镜;英国Renishaw公司INVIA激光共 聚焦拉曼光谱仪。
1.2实验步骤
1.2.1二氧化硅微球的制备[6]取一定量的MPTMS加入一定量的水中，用磁力搅拌器剧烈的 搅拌至MPTMS液滴完全消失，呈现透明状。
MPTM S与水的质量比可以为：1 : 20 〜100。
调节溶液 的pH=11，在室温下进行反应12h。
分别用乙醇 和水清洗几次，离心除去上清液后，用乙醇溶剂为 溶剂分散微球，并在室温条件下保存。
如测试需 要的固体样品需要在真空干燥箱内、室温条件下 干燥。
1.2.2二氧化硅微球表面巯基含量的测定工作曲线的绘制:25°C条件下，用Tris-HCl缓冲溶液 溶解半胱氨酸形成梯度标准溶液，其浓度分别为：0.00、0.025、0.05、0.10、0. 15、0.20pmo卜 m L1；取上述各浓度溶液1mL分别加入5 mL预先恒温 于25C水中的DTNB分析溶液，摇勻、25C条件下 反应10 min后立即在波长为412 nm处测定吸光 度值M)，根据检测结果绘制吸光度对巯基浓度的 标准工作曲线。
微球表面巯基含量的测定:将微球配置成一 定质量浓度的溶液，按照上述步骤反应后测定上 清液的吸光度，对照工作曲线计算溶液中巯基的 浓度，再换算成微球表面的巯基含量。
计算公式 为：a = ，其中a为微球表面的巯基含量(pmo卜g-1)，册为微球溶液的巯基浓度（pmol •mL_1)，为微球的质量浓度（g •mL_1)。
1.2.3微球表面修饰羧基将0. 1g二氧化硅微 球分散到50 mL水中，室温磁力搅拌，根据检测结 果缓慢滴加丙烯酸，使丙烯酸与巯基的摩尔比为5 :1，在365 nm紫光灯(8W)的照射下充分反应30 min，离心除去上清液后，水洗三次，用乙醇溶剂为 溶剂分散微球，并在室温条件下保存。
2结果与讨论
2.1巯基功能化二氧化硅微球的制备
如图1所示，MPTMS是一种具有巯基官能团 的硅烷，不溶于水，利用溶胶-凝胶法MPTMS自身 水解聚合形成单体，通过控制反应时间、反应温 度、氨水用量、搅拌速度、电解质浓度等反应条件，制备出粒度范围0.5〜2 pm，单分散的二氧化硅微 球[]。
图2a为微球的SEM图片，该微球的粒径为0.7 pm，呈单分散;粒度分布如图2b，微球粒度分 布均一（RSD= 7. 1%)，MPTMS适合作为硅烷单体 成球。
图1巯基功能化二氧化硅微球的生长示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the preparation of
thiol functionalized SiO2microspheres
770化学研究与应用第29卷
图2硅球的SEM照片（a)，粒度分布曲线（b)
Fig. 2 SEM image(a)and particles size statistics( b) of Si02microspheres
2.2微球表面巯基量的测定
图3a为微球的X R D谱图，在22◦附近出现一 个宽的衍射峰，可以认为微球由无定型二氧化硅 组成，但无法确定微球表面是否存在巯基。
但在 F T-IR图谱（图3b)中，2 555 cm-1出现一个较弱的 吸收峰，可以认为是巯基的特征峰，但由于巯基在 红外波段的吸收较弱，因此无法对巯基的含量进 行定量分析。
此外，1 100 cm-1附近的强吸收峰为 Si-0-S i的振动吸收峰，这是硅骨架的典型特征峰，2 930 cm-1处为亚甲基的吸收峰，来源于MPTMS 的有机链。
同样Raman光谱（如图3c)检测结果 表明在2 582 cm-1处出现巯基的特征峰，并且峰强 相对较高，证明微球表面确实存在大量的巯基。
为确定微球表面的巯基密度，采用DTNB&半 胱氨酸显色反应，测得微球表面的巯基含量为0.7 p m o l*g-1。
以上检测结果表明该合成方法能够在 相对温和的制备条件下，制备表面修饰大量巯基 的Si〇2微球，温和的制备条件可以最大程度的防 止氧化现象的发生，保持巯基的稳定性。
500 1000 1500 2000 2500 3000
Raman Shift/cm
图3 硅球的X R D(a)，FT-IR(b)，拉曼光谱（c)
Fig. 3 XRD pattern (a)，FT-IR(b)and Raman ( c ) spectra of Si02microspheres.
2. 3微球表面光点击反应修饰羧基官能团
点击化学自2001年由Sharpless提出后[5]，由于其高效、可靠、高选择性的特点迅速成为药物和 高分子材料合成的新方法。
巯基-端烯反应，它包 括在光引发剂催化和亲核试剂引发的反应，如下
式1、2;巯基-端炔反应，自由基引发反应，如下式3。
该技术已经渗透到生命、药物、高分子、功能材
料、表面改性等诸多领域[7-9]。
Kopecek等[10]利用 巯基-端烯的反应合成马来酸酐-阿霉素共聚物，通 过共聚物的水解来实现阿霉素的释放，这也是有潜力的抗癌药物新载体。
/=+ photoinitator
L K R2_SH
2◦ /=+ R S H nucleophile
'2
3. Rx~^+ 2 R2-S H---------------------
如图4所示，大量的巯基为光点击反应修饰 微球表面提供了活性位点，在室温敞开环境下，
微
第6期刘岩，等：巯基光点击化学用于二氧化硅微球表面修饰771
球均勻地分散在水体系中，在紫外光照射下（365 nm，8W)，微球吸收光子被激发，裂解形成自由 基，自由基夺取巯基上的一个氢原子，产生巯基自 由基，同时巯基自由基进攻丙烯酸的碳碳双键，活 性中心发生转移，产生烷基自由基，烷基自由基夺 走巯基化合物上的巯基的氢原子，再次产生巯基 自由基，进入循环。
其中第二步产生的巯基自由 基可以引发链的增长也可以发生双基终止。
图4 “光点击”反应示意图
Fig. 4 Schematic diagram ofu light click chemistry”
参考文献：
[1 ]孙立国，赵冬梅，玄立春，等.二氧化硅微球的制备及自
组装[J].黑龙江大学自然科学学报，2012,29( 1):99- 105.
[2]姜兴茂，李亚情，张涛.纳米二氧化硅的制备及在生物
医学领域的应用[J ]•常州大学学报，2015，27 (2) :39
44.
[3 ]张曼曼，王立强，肖丹，等•二氧化硅室温磷光纳米材料
的制备及其细胞成像应用[]•分析化学，2014,42
(11)：1 586-1 591.
[4]姜小阳，李霞•纳米二氧化硅微球的应用及制备进展
[J].硅酸盐通报，2011，30(3) :577-582.
[5 ] Sharpless K B,Finn M G,Kolb H C. Click chemistry ： di
verse chemical function from a few good reactions [ J ]. An-gew Chem Int E d,2001,40：2 004-2 021.
将反应前后微球的ft-i r光谱进行对照，发 现反应后的微球在1 720 cm-1处的强吸收峰可以 归属为一C00H中C= 0的振动吸收峰（图3b)，即羧基的特征峰。
而反应前时，该处根本不能观测 到明显的吸收峰，同时反应前2 555 cm-1处的巯基 特征峰完全消失，以上结果表明，基于巯基-端烯的 光点击化学反应发生在微球表面，并且具有较高 的反应产率。
该方法具备所有点击化学的特点[5,7~10] :1)组 合范围广，含有端烯和其他官能团的化合物均可 参与反应;2)反应条件简单，水体系下，反应速度 快、具有环境友好性;3)反应原料和试剂易得，市 售的端稀化合物品种繁多;4)符合原子经济。
[6]刘岩，于清波，白晓，等•溶胶-凝胶法制备单分散功能
性二氧化硅球[J]•化学研究与应用，2016,28(6):880- 883.
[7 ]刘清，张秋禹，陈少杰，等•巯基-烯/炔点击化学研究进
展[]•有机化学，2012,32(10):1 846-1 863.
[8 ] Hoyle C E, Bowman C N. Thiol-ene click chemistry [ J ].
Angew Chem Int E d,2010,49(9) ：1 540-1 573.
[9] Dfaz D D. Click chemistry in materials synthesis:the be
ginning macromol[ J]. Symp ,2015 ， 358 ( 1): 10-20.
[10 ] Pan H, Sima M, Yang J, Kopecek J [ J ]. Synthesis of long-
circulating, backbone degradable HPMA copolymer-doxo
rubicin conjugates and evaluation of molecular-weight-de
pendent antitumor efficacy. macromol [ J ]. Biosci，2013，13：155-160.
(责任编辑罗娟
)。
