作为纳米天线的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒制造技术

本发明专利技术涉及用作光捕获纳米天线的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒，其将激发能量有效地转移至受体染料并因此放大受体染料的发射。

Dye loaded fluorescent polymer nanoparticles as nanoantennas

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】作为纳米天线的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒本专利技术涉及用作纳米天线的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒。检测单个荧光分子需要专用的显微镜设置，和100W/cm2至5000W/cm2的强激发功率，因为荧光染料的亮度是限制的(Holzmeister,P.；Acuna,G.P.；Grohmann,D.；Tinnefeld,P.ChemicalSocietyReviews2014,43,(4),1014-1028.)。但是，使用强激发功率会增加光损伤和与自发荧光有关的背景，因此需要特殊的显微镜设置和强大的光源。使用低得多的激发功率不仅会减少光损伤和自发荧光背景，而且还能利用对高通量筛选和诊断分析重要的廉价光源。例如，即使使用基于智能手机的设备，也可以检测到比单个染料亮许多倍的荧光纳米颗粒(NP)。到目前为止，在环境光条件下检测单个荧光分子是不可能的。在可见光范围内，在10nm带宽下、在地球表面上的日光的通常光功率为1mW/cm2至5mW/cm2，这与荧光计或酶标仪中使用的照明功率相似。该功率是单分子显微镜通常使用的功率的104分之一至106分之一。最近开发的一种方法提出了金属纳米结构，即所谓的等离激元纳米天线，其可以放大单个分子的激发和发射(Novotny,L；vanHulst,N.Nat.Photonics2011,5,(2),83-90.)。在这种情况下，由于表面等离激元效应而实现了放大，这需要精确控制天线的几何形状以及从发射器到金属表面的距离。因此，在两个金纳米颗粒之间，可以实现至多100倍的扩大(Acuna,G.P.；Moller,F.M.；Holzmeister,P.；Beater,S.；Lalkens,B.；Tinnefeld,P.Science2012,338,(6106),506-510.)。但是，要在环境光功率下检测单个分子，需要对来自高性能非淬灭荧光团例如花菁5或Alexa567的信号进行至少1000倍的放大。另一种方法涉及光捕获概念的使用，其中由于高吸收率的多个供体可以有效地收集光能，然后通过福斯特共振能量转移(FRET)机制将其传递给单个受体。当激发能量可以在供体中迅速迁移到能量受体时，这特别有效。已经开发出使用共轭聚合物、树枝状聚合物、多卟啉阵列、胶束NP、聚合物NP、染料组装体、金属有机骨架、核酸等的FRET系统。文献中报道的基于FRET的系统的天线效应值在3至100的范围内变化。到目前为止，获得的受体发射放大倍数从未达到1000(Peng,H.-Q.；Niu,L.-Y.；Chen,Y.-Z.；Wu,L.-Z.；Tung,C.-H.；Yang,Q.-Z.ChemicalReviews2015,115,(15),7502-7542.)。限制有效光捕获的常见原因是在高局部浓度下供体的自淬灭和/或低效率的供体-供体偶联。最近的工作表明，使用大分子反离子将多种染料包封在聚合物NP中可以最大程度地减少聚集引起的染料自淬灭，并且可以产生每个颗粒最多500的染料的荧光转换(闪烁)(Reisch,A.；Didier,P.；Richert,L；Oncul,S.；Arntz,Y.；Mely,Y.；Klymchenko,A.S.Nat.Commun.2014,5:4089)。其原因是由于激子迁移引起的包封染料的偶联，从而使具有相同染料的单个深色物质可以淬灭整个染料集合体。但是，这些纳米颗粒仅产生开/关荧光切换，而不会产生任何天线效应。该文章并未教导用作能量受体的不同染料(例如花菁)的受体发射的放大。Shulov等人(Shulov,I.；Oncul,S.；Reisch,A.；Arntz,Y.；Collot,M.；Mely,Y.；Klymchenko,A.S.Nanoscale2015,7,(43),18198-18210)描述了在悬浮液中的10nm至20nm的荧光纳米颗粒(NP)。所述NP包含罗丹明染料作为FRET能量供体，其在氟化反离子的帮助下组装，并且包含花菁衍生物(C2-cy5)作为FRET能量受体。但是，在这项工作中，所使用的纳米颗粒仅由不含聚合物基体的染料组成。而且，因为这些NP只能包含不超过400个罗丹明染料，所以这些NP在环境光照条件下不能产生足够高的天线效应以使能量受体被激发。实际上，在使用任何光学材料之前从未实现过在环境光条件下能够检测单个分子的巨大光捕获过程的组成部分的组合。因此，有必要开发新的负载染料的聚合物纳米颗粒，其具有较高的天线效应，并且可以在类似于环境光的条件下被激发。本专利技术的一个主题涉及一种负载染料的荧光聚合物纳米颗粒作为纳米天线，所述纳米颗粒包含：a)选自以下的聚合物：-聚甲基丙烯酸酯或其衍生物，-聚苯乙烯或其衍生物，-脂肪族聚酯或其衍生物，或-上述聚合物与聚乙二醇或带电荷单体的共聚物，b)能量供体，其含量为聚合物的5重量％至50重量％，优选为聚合物的10重量％至30重量％，c)能量受体，其含量为聚合物的0.001重量％至0.04重量％，优选为聚合物的0.002重量％至0.02重量％；所述聚合物形成基体，其中每个纳米颗粒包封1000个至50000个能量供体分子，其中能量供体是供体染料与大氟化阴离子的盐，所述供体染料选自：i)由式(I)表示的罗丹明衍生物其中：R1、R2、R3和R4相同或不同，并且分别代表氢或(C1-C8)烷基，-R5为(C1-C24)烷基，或ii)由式(II)表示的花菁衍生物其中：-n为选自1、2或3的整数；-Ra和Rb相同或不同，并且分别表示(C1-C24)烷基；并且其中所述能量受体是另一种上文定义的式(II)的花菁衍生物与反离子的盐，所述能量供体和所述能量受体是不同的。术语“负载染料的荧光聚合物纳米颗粒”是指其中荧光染料负载在基体中或纳米颗粒表面上的聚合物纳米颗粒。术语“纳米天线”在本文是指可以有效地将来自大量能量供体的光的激发能量转移到纳米颗粒内的几个能量受体，因此可以放大受体的发射的纳米颗粒。观察到，当花菁5衍生物(DiD)位于颗粒内部时，本专利技术的NP产生单个花菁5衍生物(DiD)受体发射的前所未有的1000倍放大(天线效应)。当花菁5衍生物(Cy5-C2)位于颗粒表面时，NP的天线效应仍大于200(即，单个花菁5衍生物Cy5-C2的发射放大>200倍)，这是之前在颗粒表面具有能量受体的已知NP从未达到过的。该结果首次使在环境光条件下，即用1mW/cm2功率密度(这是单分子测量中通常使用的功率密度的104分之一至106分之一)的激发，观察单个分子成为可能。本专利技术的纳米颗粒(NP)的独特功效取决于两个关键因素。第一个是包封在聚合物中的1000个至50000个能量供体的高量子产率，这确保了大部分激发能以最小的能量损失被传递到受体。第二个因素是在小于30fs的时间范围内在包封的能量供体中异常快速的激发能迁移，这确保了从数千个供体通过超过福斯特半径的距离，有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种作为纳米天线的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒，其包含：/na)选自以下的聚合物：/n-聚甲基丙烯酸酯或其衍生物，/n-聚苯乙烯或其衍生物，/n-脂肪族聚酯或其衍生物，或/n-上述聚合物与聚乙二醇(PEG)或带电荷单体的共聚物，/nb)能量供体，其含量为聚合物的5重量％至50重量％，优选为聚合物的10重量％至30重量％，/nc)能量受体，其含量为聚合物的0.001重量％至0.04重量％，优选为聚合物的0.002重量％至0.02重量％；/n所述聚合物形成基体，其中每个纳米颗粒包封1000个至50000个能量供体分子，/n其中能量供体是供体染料与大氟化阴离子的盐，所述供体染料选自：/n(i)由式(I)表示的罗丹明衍生物/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170621 EP 17305763.91.一种作为纳米天线的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒，其包含：
a)选自以下的聚合物：
-聚甲基丙烯酸酯或其衍生物，
-聚苯乙烯或其衍生物，
-脂肪族聚酯或其衍生物，或
-上述聚合物与聚乙二醇(PEG)或带电荷单体的共聚物，
b)能量供体，其含量为聚合物的5重量％至50重量％，优选为聚合物的10重量％至30重量％，
c)能量受体，其含量为聚合物的0.001重量％至0.04重量％，优选为聚合物的0.002重量％至0.02重量％；
所述聚合物形成基体，其中每个纳米颗粒包封1000个至50000个能量供体分子，
其中能量供体是供体染料与大氟化阴离子的盐，所述供体染料选自：
(i)由式(I)表示的罗丹明衍生物



其中：
-R1、R2、R3和R4相同或不同，并且分别表示氢或(C1-C8)烷基，
-R5为(C1-C24)烷基，或
(ii)由式(II)表示的花菁衍生物

其中：
n为选自1、2或3的整数；
Ra和Rb相同或不同，并且分别表示(C1-C24)烷基；
并且其中所述能量受体是另一种上文限定的式(II)的花菁衍生物与反离子的盐，所述能量供体和所述能量受体是不同的。


2.根据权利要求1所述的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒，其中聚合物选自聚己内酯、聚(乳酸)、聚(乙醇酸)、聚(丙交酯-co-乙交酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸)和聚(丙交酯-co-乙交酯-co-PEG)。


3.根据权利要求1或2所述的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒，其中相对于纳米颗粒的总质量，能量供体的含量为50mmol/kg至700mmol/kg，特别是50mmol/kg至300mmol/kg，更特别是150mmol/kg至200mmol/kg。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒，其中大氟化阴离子选自四(五氟苯基)硼酸根(F5-TPB)、四[3,5-双-(三氟甲基)苯基]硼酸根(F6-TPB)、四[3,5-双-(1,1,1,3,3,3-六氟-2-甲氧基-2-丙基)苯基]硼酸根(F12-TPB)和四[全氟叔丁氧基]铝酸根(F9-AI)。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒，其中能量受体的反离子是选自氯离子、溴离子、碘离子、高氯酸根、磺酸根、硝酸根、甲苯磺酸根的无机阴离子，或选自四(五氟苯基)硼酸根(F5-TPB)、四[3,5-双-(三氟甲基)苯基]硼酸根(F6-TPB)、四[3,5-双-(1,1,1,3,3,3-六氟-2-甲氧基-2-丙基)苯基]硼酸根(F12-TPB)和四[全氟叔丁氧基]铝酸根(F9-AI)的有机阴离子。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒，其中：
-能量供体选自罗丹明B十八烷基酯、Cy3、Cy5、Cy3.5或Cy5.5与上述大氟化阴离子的盐；
-能量受体选自Cy5、Cy5.5、Cy7、Cy7.5与上述阴离子的盐，
所述能量供体和所述能量受体是不同的。


7.根据权利要求6所述的负载染料的荧光聚合物纳米颗粒，其中所述纳米颗粒中的能量供体和能量受体形成能量供体/能量受体对，其选自下表：







供体/受体对：


罗丹明B十八烷基酯盐/DiD盐


罗丹明B十八烷基酯盐/Cy5.5盐


DiI盐/DiD盐<...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈·克里姆琴科，卡捷琳娜·特罗菲姆丘克，安德烈亚斯·赖施，博赫丹·安德修克，
申请(专利权)人：斯特拉斯堡大学，法国国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国;FR