[发明专利]一种具有光热转换功能的二氧化硅纳米粒子及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有光热转换功能的二氧化硅纳米粒子及其制备方法与应用，包括以下步骤：(1)将油溶性溶剂与表面活性剂混合均匀，加入水和氨水搅拌得到均相透明溶液；(2)向均相透明溶液中依次加入有机小分子染料、3‑氨基丙基三乙氧基硅烷、正硅酸四乙酯，进行搅拌反应；(3)反应结束后加入醇类溶剂破乳，离心洗涤、干燥后得到具有光热转换功能的二氧化硅纳米粒子。本发明通过一锅法合成有机染料掺杂的二氧化硅纳米粒子，其中有机染料通过静电作用锚定在二氧化硅基质中，染料不易泄露，制备得到纳米粒子具有稳定的光热转换特性。上述二氧化硅纳米粒子可掺杂进用于海水淡化的温敏性水凝胶中，提高海水淡化效率，并通过光开关形式回收淡水。

技术领域

本发明涉及材料制备及海水淡化领域，具体涉及一种具有光热转换功能的二氧化硅纳米粒子及其制备方法与应用。

背景技术

光热转换材料是指能把吸收的光能部分或全部转成热能的一种材料，由于独特的光热特性，使其在癌症治疗、海水淡化和光致驱动器等领域有良好的应用前景。常见的光热转换材料可大致分为四类：贵金属材料(如金和银纳米粒子、纳米棒等)、无机材料(如碳纳米管、石墨烯等)、有机聚合物材料(如聚吡咯、聚苯胺等)和有机小分子材料(如花菁类染料、氟-硼二吡咯等)。其中贵金属材料成本昂贵且光热转换效率不理想，而且在体内应用时难以降解；无机材料虽具有较宽的光谱吸收，但表面能大、易聚集难分散的问题限制了其大规模应用；有机聚合物材料相对合成简单，但材料效果重复性差；有机小分子染料具有结构设计灵活、种类多样等优势，但光漂白(如吲哚菁绿，ICG)及难溶解(如氟-硼二吡咯)等问题限制了其实际应用。

克酮酸菁染料是一种小分子有机染料，其刚性平面的供体-受体-供体(D-A-D)结构赋予了极低的氧光敏能力，且在近红外光区(700-1400nm)具有较高的摩尔吸收系数和强烈且尖锐的吸收峰，是一种性能优良的近红外光热转换剂。但其溶解性尤其是水溶性较差，并且具有较强的溶质变色效应和自聚集等缺陷，导致其在光谱学、生物医学及检测传感等领域的应用受限。对于水溶性差的常规的解决方案是合成带有亲水基团的克酮酸菁染料，或是将其修饰亲水的聚乙二醇链段来形成胶束。带有亲水基团的小分子染料容易受复杂体系中各种物质的干扰，以及因pH变化出现的自聚集现象从而改变光谱吸收特性；而修饰亲水的聚乙二醇连段形成的胶束也具有较强的浓度依赖性，在低于临界胶束浓度(CMC)时会发生解体。

二氧化硅是一种光学透明的无定形物质，其性质稳定，无毒害，已广泛用于生命医学和材料改性领域。利用二氧化硅作为保护层包裹有机染料制备的一系列染料掺杂二氧化硅纳米粒子可以完美地解决染料在水中难以溶解的问题，并避免被体系中染料所敏感的化合物进攻的危险，同时二氧化硅表面又可以进一步修饰各种官能团，赋予纳米粒子多环境适应性等。另一方面，为了防止长期使用中有机染料分子在二氧化硅基质中泄露的问题，一些化学共价固定的染料掺杂二氧化硅纳米粒子也被发开应用。但这些染料大都是荧光染料，而且化学共价固定的合成步骤较为复杂，一般分两步进行，首先是将染料分子赋予高活性官能团(如异氰酸酯)，与带氨基官能团的硅烷偶联剂反应，然后经分离后投入下一步反应中，而分离过程中硅烷偶联剂已发生水解等问题。因此，急需开发一种简单、快速的合成方法，以制备一种性能优良且具有光热转换功能的二氧化硅纳米粒子用于光热转换领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有光热转换功能的二氧化硅纳米粒子及其制备方法与应用，本发明通过一锅法以及顺序加料制备得到具有光热转换功能的二氧化硅纳米粒子，将带有羧基和/或磺酸基的克酮酸菁染料通过静电相互作用锚定在二氧化硅基质中，可有效避免使用过程中染料的泄露。在具有光热特性的同时，二氧化硅纳米粒子表面的羟基可被不同表面改性剂改性，从而制备满足不同应用需求的功能性二氧化硅纳米粒子。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面提供了一种具有光热转换功能的二氧化硅纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

(1)将油溶性溶剂与双亲性表面活性剂混合均匀，加入水和氨水搅拌得到均相透明溶液；