[发明专利]具有金属纳米粒子涂层的水溶性聚合物基材

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂覆有金属纳米粒子的水溶性聚合物基材及其制备和使用方法。

背景技术

直径为约1-100纳米(nm)的金属纳米粒子是用于包括半导体技术、磁性存储、电子设备制造和催化剂的各种应用的重要材料。通过以下方法制得金属纳米粒子：气相蒸发；流动气流中的蒸发；机械研磨；溅射；电子束蒸发；热蒸发；电子束诱发的二元金属叠氮化物的原子化；超声波自由射流中的金属蒸汽的膨胀；反向胶束技术；激光烧蚀；有机金属化合物的激光致离解；有机金属化合物的热解；有机金属化合物的微波等离子体分解，以及其它方法。

众所周知金属纳米粒子具有独特的光学性质。具体地，金属纳米粒子显示显著的光学共振。这种所谓的等离子体共振是由于金属球中的传导电子对于入射电磁场的集合耦合产生的。这种共振可以由取决于相对入射电磁辐射波长的纳米粒子半径的吸收或散射来支配。与这种等离子体共振有关的是金属纳米粒子内部中的强烈的局部场增强。利用这些特殊的光学性质，可以用于制造各种有用的器件。例如，已经制造出基于表面增强的拉曼散射(SERS)的滤光器或化学传感器。

US 6,344,272(Oldenburg等人)描述了由被导电材料包围的非导电内层组成的纳米粒子。非导电层厚度对外部导电壳厚度的比例是颗粒的最大吸光度或散射波长的决定因素。该参考文献指出实现固体金属纳米粒子许多应用的严峻的实践限制不能将等离子体共振设置在所需波长下。例如，直径为10nm的固体金纳米粒子具有集中在520nm的等离子体共振。这种等离子体共振不能通过改变粒径或特殊包埋介质来可控地偏移大于约30纳米。

表面等离子体共振(SPR)是金属和介电体的界面处振动自由电荷的共振激发。当产生并收集SPR谱时，它们可用于相对于两个或多个分子之间的相互作用测定特异性、动力学、亲合性和浓度，其中分子之一附着于固体敏感表面。反应动力学对应于分析物与结合检测分子的互相作用时的缔合和解离速率。亲合性是指分析物结合于检测分子的强度。特异性是指分子与检测分子结合以排斥其它分子的性质。SPR谱已经用于涉及许多分子类型的研究，所述分子包括蛋白质、肽、核酸、碳水化合物、类脂和低分子量物质(例如激素和药物)。

已经研发了SPR基生物传感，使得能够直接测量配体与受体的缔合，而不使用间接标记，例如荧光标记和放射性分子标签。这种无标记直接传感技术减少了进行分析所需的时间和工作量，并且使由使用间接标记引发的分子改变所引起的产生误导结果的风险减到最小。生物传感技术的另一个重要方面是与传统“终点”分析法相反，SPR基生物传感使得能够连续和实时地测量生物分子间相互作用，由此使得能够测量缔合和解离动力学数据。

最近，在已知技术领域已经研发了传感器设备，以利用这些纳米粒子的独特的光学性质。已经使用金纳米粒子悬浮物进行SPR测量，从而通过监测胶体悬浮物的吸光度实时检测生物分子相互作用。

在过去的十年中，为了激发表面等离子体使得能够检测SPR谱，就使用引入这些纳米粒子的悬浮物和薄膜而论，对金属纳米粒子的独特光学性质的兴趣已经有了显著生长。另外，也可以检测到表面增强的拉曼光谱学(SERS)的红外吸收光谱信息和表面增强的荧光的增强的荧光激励。纳米粒子为直径小于100纳米的颗粒。金属纳米粒子在可见光波长光谱中显示出大的吸收谱带，产生彩色的胶体悬浮物。吸光度的物理原理是由于耦合于金属纳米粒子上的导电能带电子的相干振荡的入射光能量。这种入射光的耦合对于离散的纳米粒子和由纳米粒子形成的薄膜(称为金属岛薄膜)是特有的。用普通松散材料获得SPR需要使用棱镜、光栅或光学纤维以提高入射光波矢量的水平分量(即获得所需的耦合)。

发明内容

通过提供具有非连续金属纳米粒子涂层的水溶性聚合物基材，本发明克服了现有技术的限制。“金属”表示元素态金属及其化合物，例如氧化物。“水溶性”表示当长期与水接触时，该聚合物将完全溶解。水溶性聚合物的非限制性类型为具有必要水溶性的那些成膜聚合物，并且包括聚(乙烯醇)、聚(天冬氨酸)、聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(环氧烷)、络合碳水化合物及其组合，例如共聚物、共混物、混合物等。虽然优选的是水溶性聚合物的薄膜，但是其它结构，例如片材、纤维、无纺布、膜和微孔制品也可以用作水溶性聚合物基材。