阈值触发示踪颗粒的制作方法

阈值触发示踪颗粒


技术实现要素：

1.本发明涉及一种阈值触发示踪颗粒，其具有核-壳结构并且至少具有参考功能和报告功能，以及涉及包括该阈值触发示踪颗粒的组合物。另外，本发明涉及一种用所述组合物检测所述多孔介质的物理、化学或生物化学参数而使多孔介质定量化的方法。进一步，本发明还涉及所述阈值触发示踪颗粒的数种用途。
2.确定地质储层的各种条件和参数(如温度、ph值或压力)对于评估地热发电或石油和天然气生产方面的地下利用的盈利能力以及运行设施的管理和维护都是至关重要的。然而，这种储层的不可接近性，特别是如果位于地下数公里处的致密岩层中，任何测量设备都不可能穿透该致密岩层，使得储层表征成为一项复杂的任务。除了紧邻其中参数由直接井下测量技术确定的钻井孔附近之外，地下储层主要由溶质示踪剂勘探。最基本的示踪剂(其中一些早在20世纪初就已使用)主要用于确定流路和流速。更精细的化学示踪剂(通常称为“智能示踪剂”)通过在经历储层内的特定条件时引起的化学转变来检测如温度等储层条件。然而，化学示踪剂必须大量使用，以便在回收点可检测，这是因为由于与储集岩的相互作用和在储集岩上的吸附导致在出口点处仅回收了注入量的一小部分。另外，储层流体通常是高度矿化的，并且可能掩盖示踪剂的信号。此外，根据反应动力学，分子的大多数化学改性不具有鲜明的阈值，并且可能难以区别例如示踪剂在中等温度下的长时间暴露和在高温下的短时间暴露，如s.karmakar等人，energy procedia，2015(76)，223-229所述。智能示踪剂实验的有意义的解释需要如流速、温度、ph或流路的长度等储层参数的先验知识，而这通常是缺乏的。因此，仅基于示踪剂评估的结果不能独立存在。
3.例如，us 2017/000357 a1描述了一种用于估计其中将注入流体引入到井和地下地层中的、由钻井孔穿透的地下地层的性质的方法，其中注入流体包括多种示踪剂。示踪剂是纳米级气泡、液滴或特定材料的固体颗粒。为了确定地下地层的性质，分析了在穿透地下地层之前和之后示踪剂的尺寸和类型分布函数的变化。ep 1 862 791 a2公开了一种在具有特定浓度和校准尺寸的流体(单分散的校准悬浮液)中使用磁性fe2o3纳米颗粒使多孔薄膜定量化的方法。通过测量所述薄膜下游和上游的单分散校准悬浮液的浓度来检测多孔薄膜的泄漏。
4.纳米颗粒在储层表征中的应用有望帮助克服其中的一些困难，同时为智能和多功能勘探工具的开发提供了许多另外的可能性。首要的是，虽然小到足以能够流经多孔岩层，但是纳米颗粒仍然可以浓缩大量的分子，从而使得在使用少很多的量的示踪剂的同时进行检测是可行的，例如m.alaskar等人在journal of petroleum science and engineering,，2015(127)，212-228所述。在该报告中，已经研究了温度敏感的示踪剂，即不可逆热致变色、染料附着的二氧化硅和二氧化硅保护的dna颗粒。
5.然而，当穿过多孔材料时，不能可靠地实现对如压力、温度或其它物理和/或化学参数等参数的准确感测和定量化，或者不能可靠地实现对它们所暴露于的物理、化学和生化条件的准确感测和定量化。此外，分析颗粒中的dna需要昂贵且耗时的程序，并且不能用于在出口点进行地热流体的实时采样以用于监测目的。
6.基于此，本发明的目的为提供一种新型的示踪剂体系，其可用于表征多孔介质，并且其使得能够以可靠且准确以及直接且快速的方式来确定多孔介质的物理、化学或生物化学参数。
7.根据本发明，上述目的通过提供如权利要求1或权利要求3所述的至少具有参考功能和报告功能的示踪颗粒来实现。上述目的还通过如权利要求12所述的包括本发明的示踪颗粒的组合物以及通过如权利要求14所述的用所述组合物检测多孔介质的物理、化学或生物化学参数而使多孔介质定量化的方法来实现。在从属权利要求中阐述了本发明的优选的实施方案。
8.具体地，本发明提供了一种具有核-壳结构并且至少具有参考功能和报告功能的示踪颗粒，其中所述颗粒包括核、介孔壳层和至少一个包封所述核-壳结构的耐扩散阈值触发外壳。根据本发明，参考功能用于识别所述颗粒并且作为相对于变量报告功能的稳定信号，并且被嵌入在示踪颗粒的核或介孔壳层中。选择性地，参考功能可以嵌入在示踪颗粒的核中以及介孔壳层中，特别是如果存在一个以上的参考功能。介孔壳层包括取决于经历的物理、化学和/或生物化学参数而不可逆地改变的报告功能。进一步，根据本发明，包封核-壳结构的外壳在达到物理、化学和/或生物化学参数的特定阈值之前对报告功能的扩散具有耐受性(耐扩散性)，并且是由阈值触发的刺激响应性的，在外壳溶解的阈值时，外壳变得可渗透或暂时可渗透，破裂或与核-壳结构分离，导致报告功能的不可逆的改变。优选地，包封核-壳结构的外壳还对周围流体的分子和/或离子耐扩散。
9.根据本发明，介孔壳层优选为介孔二氧化硅层或介孔聚合物层。
10.在另一方面，本发明提供一种示踪颗粒，其至少具有参考功能和报告功能，其中所述颗粒包括任选的介孔核和至少一个包封所述核的耐扩散阈值触发外壳，其中参考功能用于识别所述颗粒并且作为相对于变量报告功能的稳定信号，并且被嵌入在所述核中。取决于经历的物理、化学和/或生物化学参数而不可逆地改变的报告功能包括在(介孔)核和/或包封所述核的外壳中，其中包封所述核的外壳在达到物理、化学和/或生物化学参数的特定阈值之前对报告功能的扩散具有耐受性(耐扩散性)，并且是由阈值触发的刺激响应性的，在外壳溶解或与所述核分离的阈值时，导致报告功能的不可逆的改变。而且，包封所述核的外壳优选地还对周围流体的分子耐扩散。
11.本发明进一步提供一种组合物，其包括至少一种根据本发明的示踪颗粒或至少两种不同的根据本发明的示踪颗粒的混合物、以及流体，其中所述流体选自由水、水溶液、油、油-水混合物或乳液、生成的气流或天然的气流、液-气混合物和蒸汽组成的组。
12.优选地，根据本发明的组合物包括具有不同粒径的示踪颗粒的混合物。
13.另外，本发明提供一种用根据本发明的组合物检测所述多孔介质的物理、化学或生物化学参数而使多孔介质定量化的方法。特别地，所述方法包括以下步骤：
14.将所述组合物引入到所述多孔介质中，
15.使所述组合物渗透或通过所述多孔介质，其中当达到待检测参数的阈值时，所述示踪颗粒的至少一种报告功能根据所经历的物理、化学或生物化学参数而改变，而所述示踪颗粒的所述参考功能保持不变，并且
16.在离开所述多孔介质之后，对所述示踪颗粒的物理、化学或生物化学修改的报告功能和参考功能进行所述示踪颗粒的至少一次后续分析，其中所述参考功能用于识别所述
示踪颗粒。
17.根据本发明的优选的实施方案，报告功能和参考功能独立地选自由荧光标记、发光标记、等离子体性质标记、或其任意组合组成的组。
18.优选地，示踪颗粒的核为微米颗粒或纳米颗粒，其包括选自由金属、金属氧化物、二氧化硅、碳和聚合物(尤其是聚苯乙烯和乳胶)组成的组中的至少一种。
19.优选地，耐扩散阈值触发外壳由选自由石蜡、脂质、金属、金属合金、吸附聚合物和接枝聚合物刷组成的组的热熔材料构成，其在一定的温度下或一定的温度范围内熔融、软化、溶解或改变结构。
20.根据进一步优选的实施方案，耐扩散阈值触发外壳由选自由吸附聚合物、接枝聚合物刷、配位聚合物和聚合电解质组成的组的聚合材料构成，当其超过或低于一定的ph或一定的离子浓度时溶解或变得可渗透。
21.根据进一步优选的实施方案，耐扩散阈值触发外壳由油溶性物质构成，所述油溶性物质在与油接触时溶解或溶胀。
22.在进一步优选的实施方案中，示踪颗粒包括示出时间依赖性衰减或时间依赖性改变的性质的另外的元素。示踪颗粒还可以通过包括嵌入在所述核和/或所述介孔壳层中的磁性纳米颗粒、优选通过包括如铁系纳米颗粒等铁磁性材料而包括另外的磁性功能。
23.优选地，荧光分子、量子点和磁性纳米颗粒中的至少一种作为参考功能嵌入在所述核中。
24.在本发明的进一步优选的实施方案中，上述示踪颗粒进一步包括带电种(charged species)，其附着于耐扩散阈值触发外壳或集成到(介孔)核和/或介孔壳层中。基于所述另外的带电种(其可以为官能团的形式或功能层的形式)，示踪颗粒的净电荷可以改变，以使如在高度盐化的、酸性或碱性流体中的多孔介质内的吸附或颗粒沉淀(凝聚)等不利现象最小化。这是通过在其形成期间控制颗粒核或壳层或外壳的电荷和/或通过将带电种如官能团或功能层集成到颗粒中和/或附着到其表面来实现的。
25.本发明基于一种用于设计示踪颗粒以表征多孔介质中的状况的新方法，该方法基于多个原理的组合：
26.示踪颗粒具有至少一种嵌入在核和/或介孔壳层中的参考功能，其起到双重作用。一方面，参考功能用于识别(辨认)颗粒，即在用于在回收时检测的信号功能方面，并且用于确定介质中颗粒的浓度(定量)。另一方面，参考功能用于提供可以与报告功能的变化信号比较的稳定信号。根据本发明，参考功能嵌入在核和/或介孔壳层中。术语“嵌入”意指参考功能稳定地包含在示踪颗粒中，并且不会随着时间的推移而泄漏或脱出，并且受到保护而不会退化，特别是在例如地热储层的典型环境条件下，如200℃的范围内的温度。强大的参考功能，防泄漏且稳定，使测量分析直接和独立的不需要另外的数据或模拟。
27.进一步，本发明的示踪颗粒进一步涵盖刺激响应体系，其由鲜明的阈值触发并且引起报告功能的不可逆改变，即不依赖于暴露时间的临界阈值。特别地，根据任何经历的物理、化学和/或生物化学参数而变化的报告功能可以包括在介孔壳层中，或在介孔核中，或在包封核的外壳中，其中核受困于包封外壳中，该外壳在达到物理、化学和/或生物化学参数的特定阈值之前为耐扩散的。在达到特定阈值时，外壳溶解，变得可渗透或暂时可渗透，破裂或与核分离，导致报告功能的不可逆改变。在此，术语“包括”意指一旦外壳溶解、变得
可渗透或与核分离，报告功能将从示踪颗粒释放或将经历不可逆的化学或物理转变。
28.上述原理的组合允许根据本发明的示踪颗粒(体系)用于表征多孔介质，从而能够以可靠、准确和高灵敏度(即，在低至每毫升几纳克的示踪颗粒的浓度范围下进行检测)以及直接且快速的方式来确定多孔介质的物理、化学或生物化学参数。
29.除此之外，当包含另外的带电种时，可以调节总颗粒电荷以使如多孔介质内的吸附或颗粒凝聚、尤其是在高度盐化的、酸性或碱性流体中等的不利现象最小化。根据多孔介质的性质，示踪颗粒的总电荷因此可以调节，以便与多孔介质的电荷相同，从而具有排斥性。
30.现在将结合附图更详细地描述包括优选的实施方案的本发明。附图示出：
31.图1：(a)根据第一实施方案的示踪颗粒，其具有核-壳结构和包封所述核-壳结构的耐扩散阈值触发外壳，(b)根据第二实施方案的示踪颗粒，其具有介孔核和包封所述核的耐扩散阈值触发外壳，以及(c)根据第二实施方案的示踪颗粒，其具有核和包封所述核的耐扩散阈值触发外壳，其中报告功能包括在外壳中。
32.图2：本发明的示踪颗粒的基本功能是一旦达到阈值就释放报告功能。
33.图3：本发明的示踪颗粒的基本原理是一旦达到特定阈值温度就释放报告功能。
34.图4：(a)根据第一实施方案的示踪颗粒，其中包封外壳通过共价键合的、接枝聚合物刷实现，所述聚合物刷在膨胀时释放报告功能，(b)根据第一实施方案的示踪颗粒，其中包封外壳通过共价键合的、接枝聚合物刷实现，所述聚合物刷在折叠时释放报告功能，以及(c)图4(b)的详细视图。
35.图5(a)和(b)：根据第二实施方案的示踪颗粒的基本功能是一旦达到阈值就释放报告功能。
36.图6：一种示踪颗粒，其包括对不同刺激有不同反应的报告功能。
37.图7：用于评价不同温度阈值的不同种类的示踪颗粒的组合。
38.图8：用根据本发明的组合物使多孔介质定量化的方法的原理。
39.图9：(a)核-壳-外壳纳米颗粒的合成阶段的示意图，(b)在超过石蜡外壳的熔点(t》tm)时，染料从纳米颗粒的壳层中释放，然后在外部染料释放后，分析具有低报告/参考比率的颗粒的示意图。
40.图10：(a)嵌入在参考例1的纳米颗粒核中的ru(bpy)
32
的参考信号的荧光光谱，(b)合成例1的纳米颗粒溶液的原位时间分辨荧光光谱，(c)合成例1的纳米颗粒溶液在不同温度下的原位时间分辨荧光光谱，和(d)示出从图10(c)所示的74℃(黑色曲线)和61℃(红色曲线)的加热溶液的荧光光谱得出的信号/参考比率随时间演变的图。
41.图11：合成例1的所得颗粒的sem成像。
42.图12：(a)番红o(在530nm波长激发时，黑色曲线)和ru(bpy)
32
(在452nm波长激发时，红色曲线)的重叠荧光发光，和(b)ru(bpy)
32
(黑色曲线)和番红o(红色曲线)染料溶液的荧光光谱，通过扫描激发波长并且测量在612nm波长处产生的发射来进行。
43.图13：(a)离心管的图片，该离心管包含合成例1的纳米颗粒在离心后的未加热(左)和加热过(74℃，右)的溶液的丸粒和上清液，(b)在530nm激发下，从离心管获得的上清液的荧光发射信号，(c)包含从离心管中的丸粒中取出的再悬浮纳米颗粒溶液的比色皿的图像，和(d)于(c)中显示的溶液的荧光光谱，通过扫描激发波长并且测量在612nm波长处产
生的发光来进行。
44.图14：给出了适用于本发明的荧光染料的非穷举列表。
45.如上所述，根据本发明的阈值触发示踪颗粒(以下也称为“示踪颗粒”)至少具有参考功能和报告功能。示踪颗粒为微米级(即，在1μm～小于1mm的范围内)或纳米级(即，在0.5nm～小于1μm的范围内)。示踪颗粒的直径(粒径)优选为0.5nm～100μm，更优选5nm～10μm，并且特别优选50nm～5μm。直径为0.5nm～100μm的优选的示踪颗粒也称为“纳米颗粒”。根据地质或水文分析问题，颗粒以其纯的形式或以混合物的形式使用，这将在下面更详细地描述。
46.示踪颗粒的直径是指平均粒径，其通过扫描电子显微镜(sem)来确定，特别是对于更小的颗粒通过透射电子显微镜(tem)来确定。另外，动态光散射可以用于获得粒径的估值。对于对称和球状颗粒，粒径表示颗粒直径，对于不对称颗粒，其表示颗粒的最大尺寸(例如，伸长颗粒或管状颗粒的长度)。
47.在颗粒的合成中，可以影响和调节颗粒在流体中的动态浮力或多孔介质的流动或渗透的性质。
48.如上所述，示踪颗粒具有参考功能和至少一种报告功能，用于检测物理、化学或生物化学参数。参考功能将不因物理、化学或生物化学参数而改变，并且用于识别和确定颗粒从多孔介质中出现后的浓度。一旦颗粒通过介质时所经历的条件超过或低于一定的阈值，报告功能就会变化。这种条件可以是物理量，例如温度、压力、光、一定强度或波长的辐射等，或者化学性质，例如特定ph值、离子强度、特定阴离子或阳离子的浓度、特定溶度积或特定化学种(例如，特定的分子、离子或自由基)的浓度。优选地，阈值与特定的温度、ph值或油的存在有关。
49.根据本发明，在示踪颗粒通过多孔介质之后，即在示踪颗粒流过或渗透多孔介质(以下也统称为“通过”)并且离开多孔介质之后，示踪颗粒的最终分析在报告功能上进行。术语“离开”并不意味着示踪颗粒必须在空间上与介质整体分离。相反，“在离开多孔介质之后”应理解为意指示踪颗粒(或颗粒混合物)的分析发生在与应记录待检查介质的物理、化学或生物化学参数的位置不同的位置。因此，根据本发明，关于参数(例如，在岩石中、在地质地层中、在化学反应器中、或在人或动物体内)的信息由示踪颗粒在原位捕获，并且在通过这些位置后在非原位进行分析。
50.根据本发明，因此，可以研究难以或不可能接近并且不与观察者视觉接触的区域和地方，优选在地质地层的内部，即，不在地球的表面上，或者在反应器内部、或人或动物体内。
51.至少具有参考功能和报告功能的示踪颗粒可以具有核-壳结构，其包括核、介孔壳层和包封核-壳结构的耐扩散阈值触发外壳，例如图1(a)所示(第一实施方案)。选择性地，至少具有参考功能和报告功能的示踪颗粒可以包括介孔核和包封核的耐扩散阈值触发外壳，例如图1(b)所示(第二实施方案)。
52.根据本发明，可以采取任何措施来实现报告功能，只要报告功能为与参考功能不同的实体即可。这意味着，报告功能可以通过分析手段与示踪颗粒的参考功能区别开来。优选地，报告功能包括至少一种荧光标记、发光标记、或等离子体性质标记。这些可以单独存在或组合存在。
53.此外，示踪颗粒实现参考功能的可能性也是多种的。然而，这些变形必须满足以下条件。
54.(i)它们必须是明确可辨识和可定量化的。
55.(ii)在颗粒可以经历的外部条件下，参考功能必须是稳定的。
56.优选地，参考功能选自由荧光标记、发光标记、等离子体性质标记、或其任意组合组成的组。特别地，参考功能可以为嵌入在核中和任选地嵌入在介孔壳层中的荧光标记，如荧光分子或量子点，或发光标记。选择性地，参考功能可以通过示出等离子体共振的金属纳米颗粒来实现。
57.进一步，报告功能可以为荧光标记，如荧光分子或量子点，或发光标记，其包括在介孔壳层中(根据第一实施方案)，或包括在介孔核中和/或包封核的外壳中(根据第二实施方案)。选择性地，报告功能可以通过示出等离子体共振或磁性或铁磁性的金属纳米颗粒来实现。然而，报告功能也可以通过其它分子实现，优选以簇的形式，例如金属簇、过渡金属簇(如基于铜、银、金、铁、钴/或镍的簇)、碳簇(例如富勒烯、石墨烯)等，或离子纳米颗粒以及聚合物。如上所述，报告功能为与参考功能不同的实体。这意味着，报告功能可以通过分析手段与示踪颗粒的参考功能区别开来。
58.荧光染料优选用作参考功能以及报告功能，因为它们可以在低浓度下以高信噪比(signal-to-noise ratio)被检测到，并且由于从储层流体中的其它化学物质发出的信号而更不容易被错误检测到。由于给定荧光染料的激发和发射波长的特定范围的组合是罕见的，因此在地热系统以及在其他多孔系统中使用荧光染料形成了几乎唯一的示踪颗粒的指纹。此外，荧光光谱快速、廉价且简单，这对于常规的地热井实时监测任务会特别有利。
59.可以在本发明中使用的荧光染料的实例包括吖啶类、花青类、荧光酮类、荧光素类、噁嗪类、菲啶类、若丹明类、呫吨类、芘类、量子点、有机金属络合染料类、香豆素类、荧光蛋白类、方酸菁类(squaranine)、萘类、噁二唑类、蒽类、芳基甲碱类(arylmethine)、和四吡咯类。市售的荧光染料包括染料(biotium)、draq和cytrak探针(biostatus)、bodipy(invitrogen)、分子探针(invitrogen)、alexa fluor(invitrogen)、dylight fluor(thermo scientific，pierce)、atto和tracy(sigma aldrich)、fluoprobes(interchim)、abberior dyes(abberior)、dy和megastokes dyes(dyomics)、sulfo cy dyes(cyandye)、hilyte fluor(anaspec)、seta、setau和square dyes(seta biomedicals)、quasar和cal fluor dyes(biosearch technologies)、surelight dyes(apc、rpepercp、phycobilisomes)(columbia biosciences)、apc、apcxl、rpe、bpe(phyco-biotech、greensea、prozyme、flogen)、vio dyes(miltenyi biotec)。适用于本发明的这种荧光染料的具体实例在图14所示的表中给出。在这些荧光染料中，如若丹明或若丹明衍生物、特别是若丹明b和若丹明6g等荧光酮类染料，如荧光素等呫吨类染料，以及如番红o和t等吩嗪系染料或其衍生物，或gfp(绿色荧光蛋白)，或如ru(bpy)3(三(2,2-联吡啶)二氯化钌(ll))等联吡啶钌系络合物和化合物，和硒化镉量子点为特别优选的。
60.如上所述，荧光染料可以用于参考功能，其在以下也简称为染料a，以及用于报告功能，其在以下也简称为染料b。然而，当选择染料a和染料b时，必须注意它们的相容性。在具有两个荧光发射体的体系中的检测是基于通过可能的峰值去卷积来分别确定两个发射体的信号峰值强度。然而，由于荧光信号的峰通常较宽，因此这两个信号经常重叠。因此，在
选择发射体时，必须注意这两个信号可以通过它们的激发信号或发射信号来分开。
61.现在参考图1(a)中所示的示踪颗粒，根据第一实施方案，所述颗粒包括核(1)、介孔壳层(2)和包封核-壳结构的耐扩散阈值触发外壳(3)，且优选由这些构成。参考功能嵌入在核(1)中，并且报告功能包括在介孔壳层(2)中，一旦达到物理、化学和/或生物化学参数的阈值(即，超过或低于阈值)，报告功能就改变。在该实施方案中，示踪颗粒的核包含参考功能，使得参考功能嵌入在其中。参考功能可以为嵌入在核中的荧光标记，如荧光分子或量子点，或发光标记。选择性地，参考功能可以通过示出等离子体共振的金属纳米颗粒来实现。
62.虽然在图1(a)中未示出，但参考功能可以选择性地或另外地嵌入在介孔壳层(2)中。
63.如上所述，根据优选的实施方案，荧光染料a可以用于参考功能。然而，例如，金属纳米颗粒同样适用。为了实现参考功能，如上所述，根据本发明，可以想到数种选择，其中以下的变形1～8为优选的。
64.变形1(v1)：
65.在该优选的变形中，在合成期间，将荧光染料a(参见图14中荧光染料的非穷举列表)嵌入(非共价键合)在致密二氧化硅纳米颗粒的基质中，其粒径优选为1nm～1000nm。为此目的，可以使用合成法或反相微乳液合成法。嵌入在二氧化硅中的荧光染料(分子)特别稳定，不受外界影响，因此始终满足参考功能。因此，在该变形中，该核也可以称为“参考核”。如果用波长λa的光照射参考核，则发射波长λa δ且强度ia的光。激发波长λa和所发射的光的相关波长λa δ对于荧光染料(分子)是特定的，因此能够准确地识别，并且使用浓度的校准曲线能使颗粒定量化。该变形的示例性合成可以在下面的参考例1和2中找到。
66.变形2(v2)：
67.在合成期间，将量子点a嵌入在二氧化硅纳米颗粒的基质中，其粒径优选为1nm～1000nm。为此目的，可以使用与变形1(v1)类似的合成。再次，激发波长λa和所发射的光的相关波长λa δ对于量子点是特定的，因此能够准确地识别，并且使用浓度的校准曲线能使颗粒定量化。在下面的参考例1和2中描述了该变形的示例性合成。
68.变形3(v3)：
69.将荧光墨滴a填充到介孔二氧化硅纳米颗粒的空腔中，其粒径优选为1nm～1000nm，并且随后直接用致密二氧化硅壳层密封。为此目的，可以使用合成法或反相微乳液法，如以下参考例3中所述。
70.变形(v4)：
71.在合成期间，将墨分子、等离子体颗粒或金属纳米颗粒嵌入在二氧化硅纳米颗粒的基质中，其粒径优选为1nm～1000nm。为此目的，可以使用与变形1(v1)类似的合成。当用uv-vis光照射参考核时，吸收光谱可以识别核，并且使用浓度校准曲线使颗粒的数量定量化。在下面的参考例1和2中描述了该变形的示例性合成。
72.变形5(v5)：
73.在合成期间，将发光墨分子嵌入在二氧化硅纳米颗粒的基质中，其粒径优选为1nm～1000nm。为此目的，可以使用合成法或反相微乳液合成法。使用发射光谱，可以识别核，并且使用浓度校准曲线使颗粒的数量定量化。在下面的参考例1和2中描述了该变形
的示例性合成。
74.变形6(v6)：
75.核为可以通过吸收光谱识别和定量化的等离子体纳米颗粒。
76.变形7(v7)：
77.核为可以通过荧光光谱识别和定量化的量子点。
78.变形8(v8)
79.在合成期间，将发光墨分子共价结合在二氧化硅纳米颗粒的基质中，或者之后使用化学反应以形成稳定的染料-二氧化硅共价键。粒径优选为1nm～1000nm。为此目的，可以使用合成法或反相微乳液合成法。
80.因此，根据本发明，核优选为包含二氧化硅的微米颗粒或纳米颗粒，其可以容易且廉价地大量制造并且具有窄的尺寸分布(分散性)。然而，核也可以由其它材料构成。
81.作为用于核的另一种材料，优选使用聚合物颗粒，特别是聚苯乙烯或乳胶球，其也易于制造、具有窄的尺寸分布且为球形的形式。另外，还优选使用碳微米颗粒和纳米颗粒。这些也是市售的。
82.另一类非常相关的材料为金属颗粒，如银、金、或铜。例如硫醇或二硫醇的吸附，以及改变等离子体性质的其它分子的吸附，可以显著改变金属纳米颗粒的等离子体性质，从而检测它们，或者使用信号作为参考功能。(i)等离子体吸收的强度、(ii)相应吸收带的宽度和(iii)吸收最大值的位置的等离子体性质的变化也可以通过化学吸附在金属纳米颗粒表面上的硫醇或二硫醇的化学反应来改性。
83.这些颗粒易于制造并且也容易商购获得。
84.颗粒可以具有不同的形状。然而，优选的是，核为球形或由球形颗粒构成(例如，聚苯乙烯、乳胶或二氧化硅球)。
85.除此之外，根据本发明的示踪颗粒(第一实施方案)包括介孔壳层(2)，所述介孔壳层(2)包括报告功能，并且任选地，还包括参考功能以及后述的另外的参考功能。根据本发明，介孔壳层(2)优选为包围(覆盖)核(1)的介孔二氧化硅层或介孔聚合物层。优选地，介孔壳层(2)完全覆盖核(1)。介孔壳层(2)的厚度没有特别限制。然而，该厚度优选为0.4nm～1000nm，而该厚度为1nm～200nm为甚至更优选的。
86.介孔壳层为由具有孔的材料制成的壳层，其它实体如分子、原子或分子的簇、富勒烯或颗粒(优选纳米颗粒)可以(优选可逆地)包括在所述孔中，并且它们可以从所述孔中释放出来。根据要包括的实体，孔径在0.5nm～500nm之间为优选的。
87.根据本发明，介孔壳层(2)包括报告功能。这意味着，报告功能在达到物理、化学和/或生物化学参数的特定阈值之前包含在介孔壳层(2)中。还可以想到的是，介孔壳层(2)在其由上述材料(荧光标记、金属纳米颗粒、簇、离子纳米颗粒和聚合物)构成的范围内作为报告功能。
88.介孔壳层(2)的空腔优选用荧光染料b(参见图14中荧光染料的非穷举列表)填充。该荧光染料b不与壳层的孔结合，并且将会立即逸出到周围介质中。为了防止这种情况，整个颗粒用阈值控制的、耐扩散的外壳(3)包封，该外壳在达到阈值之前不传递荧光分子或任何其它报告功能。只有在达到特定阈值后，外壳才会溶解，变得可渗透或暂时可渗透，破裂或与核-壳结构分离，导致报告功能的不可逆的改变。
89.本发明的示踪颗粒的基本功能如图2所示。通过参考核(1)，对存在的颗粒在任何时候都可进行准确的识别和定量化。在初始状态下，在达到各自的阈值之前，将荧光染料b牢固地包封在核(1)周围的介孔层(2)中。该染料b具有特定的激发波长λb和发射光的相关波长λb μ。如果测量荧光强度ib并且将其与通过核(1)的定量(校准曲线)联系起来，则可以确定初始状态的与浓度无关的强度k
参考
。这是信号b与a的比。
[0090][0091]
如果在稍后的阶段再次测量，并且测量值(k
测量
)等于k
参考
(k
测量
＝k
参考
)，则清楚地确定从未达到特定阈值。
[0092]
在达到阈值后(即，如上所述，通过特定温度、ph或油的存在等)，外壳(3)变得可渗透(参见图2中的附图标记6)或溶解，或者与核-壳结构分离，并且荧光染料b(5)逸出到周围介质中或通过与其反应而不可逆地改变。同时，响应于达到阈值，保留颗粒，该颗粒包括其中仍然嵌有参考功能的核，以及不再包括报告功能或至少以减少的量包括报告功能的介孔壳层(4)。在此之后，有两种可能发生的情况：
[0093]
1.介质中现在游离的荧光染料b(5)和颗粒不会远离，并且在稍后同时测量。当该过程发生在密封容器中或在没有杂质的层流中时，就会发生这种情况。
[0094]
2.介质中现在游离的荧光染料b(5)和颗粒彼此远离，并且在稍后分别测量。当该过程发生在有利于物质的混合物分离的环境中的流动介质中时，就会发生这种情况。
[0095]
在情况1中，将测量来自荧光染料b的更强信号，即同时荧光染料a的参考信号保持不变。荧光染料b的增加的强度是由于当非常高的浓度的荧光团(如荧光染料b)存在于颗粒的介孔壳层中时发生的荧光猝灭效应。当荧光染料b释放到周围介质中时，局部浓度降低，荧光猝灭减弱。来自荧光染料b的总所得信号变得更强。然而，强度的理论上增加并不是关键的。决定性的是荧光染料a的参考信号和荧光染料b的信号之间的比率，也将其称为报告功能与参考功能的比率，简写为：“报告/参考”因此，测量不依赖于浓度(校准曲线)。因此，在情况1中，测量值(k
测量
)变得大于参考值(k
参考
)(k
测量
》k
参考
)。
[0096]
在情况2中，将测量来自荧光染料b的明显更弱的信号，即，而荧光染料a的参考信号保持不变。这是因为荧光染料b高度稀释或同时不在与颗粒相同的位置。因此，在情况2中，测量值(k
测量
)变得小于参考值(k
参考
)(k
测量
《k
参考
)。
[0097]
鉴于上述，当测量强度k时，出现以下选项：
[0098]-k
测量
＝k
参考
：示踪颗粒从未达到特定阈值；
[0099]-k
测量
《k
参考
或k
测量
》k
参考
：示踪颗粒已经达到特定阀值。
[0100]
如上所述，在达到各自的阈值之前，将荧光染料b或任何其它报告功能牢固地包封在核(1)周围的介孔层(2)中。为了实现阈值触发外壳(刺激响应性)，根据本发明，可以想到数种选项。特别地，耐扩散阈值触发外壳优选由选自由石蜡、脂质、金属、金属合金、吸附聚
合物和接枝聚合物刷组成的组的热熔材料构成，其在一定的温度下或一定的温度范围内熔融、溶解、溶胀、改变结构或软化。作为一个替代方案，耐扩散阈值触发外壳优选由选自由吸附聚合物、接枝聚合物刷、配位聚合物和聚合电解质组成的组的聚合材料构成，当其超过或低于一定的ph或一定的离子浓度时溶解或变得可渗透。根据进一步优选的实施方案，耐扩散阈值触发外壳由油溶性物质构成，所述油溶性物质在与油接触时溶解或溶胀。下面将更详细地讨论上述选项。
[0101]
石蜡外壳和温度依赖性：
[0102]
在该实施方案中，包封外壳通过石蜡层来实现，该石蜡层在达到特定温度阈值之前处于固态、对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。通过选择石蜡，可以调节报告功能的特定温度阈值，因为石蜡具有鲜明的熔点。只有当达到温度阈值时，石蜡外壳才会熔融。结果，荧光染料b逸出到周围介质中。在参考例4中描述了示例性合成。
[0103]
上述构成也在图3中示出，例如，示出了其中石蜡外壳在特定温度例如70℃下熔融的一个实例。然而，该概念既不限于该特定温度，也不限于石蜡外壳，而是适用于其它热熔材料和温度。
[0104]
石蜡没有特别限制，并且可以根据要确定的具体特性来选择。例如，可以使用总结在表1中的以下石蜡及其熔点(mp)。
[0105]
在此，还应当注意的是，根据本发明，为了提供可溶于水或其它极性溶剂的示踪颗粒，示踪颗粒可以与表面活性剂、两亲性分子或洗涤剂例如十二烷基硫酸钠(sds)混合。还可以想到的是，示踪颗粒的表面涂布(就被改性而言)有或含有多离子种，如聚合电解质、聚合盐以及本领域已知的可解离的酸基团。所述措施同样适用于下述的其它外壳材料。
[0106]
表1：石蜡的非穷举列表
[0107]
[0108]
金属/金属合金和温度依赖性：
[0109]
在该实施方案中，包封外壳通过金属或金属合金层来实现，该金属或金属合金层在达到特定温度阈值之前处于固态、对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。通过分别选择金属和金属合金，可以调节报告功能的特定温度阈值，因为金属和金属合金具有鲜明的熔点。只有当达到温度阈值时，金属或金属合金外壳才会熔融。结果，荧光染料b逸出到周围介质中。在参考例5中描述了示例性合成。
[0110]
金属/金属合金没有特别限制，并且可以根据要确定的具体特性来选择。例如，可以使用总结在表2中的以下金属和金属合金及其熔点(mp)。
[0111]
表2：金属/金属合金的非穷举列表
[0112][0113]
吸附聚合物和温度依赖性：
[0114]
在该实施方案中，包封外壳通过作为孔阻断剂(pore blocker)的吸附聚合物来实现，该吸附聚合物在达到特定温度阈值之前处于固态、对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。通过考虑其熔点/玻璃化转变点来选择聚合物，可以调节报告功能的特定温度阈值。当达到阈值时，孔阻断剂分别溶解或变成多孔的且可渗透。结果，荧光染料b逸出到周围介质中。在参考例6中描述了示例性合成。
[0115]
脂质双层和温度依赖性：
[0116]
在该实施方案中，包封外壳通过脂质双层来实现，该脂质双层在达到特定温度阈值之前处于固态、对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。通过考虑其熔点来选择脂质，可以调节报告功能的特定温度阈值。当达到阈值时，脂质双层熔融。结果，荧光染料b逸出到周围介质中。在参考例7中描述了示例性合成。
[0117]
接枝聚合物刷和温度依赖性：
[0118]
在该实施方案中，包封外壳通过共价键合的、接枝聚合物刷来实现，该接枝聚合物刷在达到特定温度阈值之前处于初始状态、对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。该实施方案也在图4(a)-(c)中示出。
[0119]
通过选择接枝聚合物刷(7)的种类，可以调节报告功能的特定温度阈值。当达到阈值时，接枝聚合物刷(8)分别折叠和扩展。结果，如图4(a)-(c)所示，荧光染料b(5)逸出到周围介质中。在参考例8中也描述了示例性合成。
[0120]
吸附聚合物和ph依赖性：
[0121]
在该实施方案中，包封外壳通过作为孔阻断剂的吸附聚合物来实现，该吸附聚合物在达到特定ph阈值(高于或低于特定ph阈值)之前处于固态、对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。通过考虑其ph耐受性来选择聚合物，可以调节报告功能的特定ph阈值。当达到阈值时，孔阻断剂分别溶解或变成多孔的且可渗透。结果，荧光染料b逸出到周围介质中。在参考例6中描述了示例性合成。
[0122]
接枝聚合物刷和ph依赖性：
[0123]
在该实施方案中，包封外壳通过作为孔阻断剂的共价键合的、接枝聚合物刷来实现，该接枝聚合物刷在达到特定ph阈值(高于或低于特定ph阈值)之前处于初始状态、对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。通过考虑其ph耐受性来选择接枝聚合物刷的种类，可以调节报告功能的特定ph阈值。当达到阈值时，该刷分别折叠和扩展。结果，荧光染料b逸出到周围介质中。在参考例8中描述了示例性合成。
[0124]
接枝聚合物刷和油检测：
[0125]
在该实施方案中，包封外壳通过作为孔阻断剂的共价键合的、接枝聚合物刷来实现，该接枝聚合物刷在初始状态下例如在不与油接触的水系环境中对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。在初始状态下，聚合物刷伸展并且仅在与油的界面处折叠。当该刷折叠时，荧光染料b逸出到周围介质中。在参考例8中描述了示例性合成。
[0126]
聚合电解质和ph依赖性：
[0127]
在该实施方案中，包封外壳通过作为孔阻断剂的静电吸附的聚合电解质来实现，该聚合电解质在初始状态(高于或低于特定ph阈值)下对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。聚合电解质的选择可以用于设置报告功能的ph阈值。当达到阈值时，聚合电解质溶胀，将荧光染料b释放到周围介质中。例如，聚合电解质对聚苯乙烯磺酸钠(pss)和聚(烯丙基胺盐酸盐)(pah)可以包封并且随后释放包封的内容物作为对ph水平变化的反应。在参考例6中描述了示例性合成。
[0128]
可以用于ph响应性聚合电解质的聚合物的实例为聚苯乙烯磺酸钠(pss)、聚(烯丙基胺盐酸盐)(pah)、聚(甲基丙烯酸)(pma)、聚(丙烯酸)(paa)、n-异丙基丙烯酰胺(nipam)系离子化聚合物、聚合电解质聚(2-乙烯基吡啶)(p2vp)、及其各自的衍生物。
[0129]
聚合电解质和盐度
[0130]
在该实施方案中，包封外壳通过作为孔阻断剂的静电吸附的聚合电解质来实现，该聚合电解质在初始状态(低于盐浓度的特定ph阈值)下对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。聚合电解质的选择可以用于设定报告功能的盐浓度的阈值。当达到阈值时，聚合电解质溶胀，将荧光染料b释放到周围介质中。在参考例6中描述了示例性合成。
[0131]
配位聚合物和ph依赖性：
[0132]
将金属离子静电结合到介孔壳层的改性表面，在其上配位分子形成配位聚合物。以此方式，实现了包封外壳，其在初始状态(高于或低于特定ph阈值)下对于包括在外壳内的荧光染料b为耐扩散的。通过配位分子和金属离子的选择，可以选择报告功能的ph阈值。当达到阈值时，配位聚合物分解，将荧光染料b释放到周围介质中。
[0133]
参考作为报告功能的荧光染料b来描述上述实施方案。然而，也可以使用其它荧光分子或量子点以及发光标记来代替荧光染料b。选择性地，报告功能还可以通过如上所述的示出等离子体性质的金属纳米颗粒、簇、离子纳米颗粒和聚合物来实现。
[0134]
然而，根据本发明，不仅可以验证与特定温度、ph、盐度和油检测相关的上述条件，而且可以检测其它物理、化学或生物化学性质。例如，通过使用刚性和可压碎的外壳结构与可压缩的核相结合，可以检测特定的压力。在这种实施方案中，外壳将在特定压力下破裂，即变得可渗透，并且内部将暴露于周围介质，该介质可以是水性流体。如果现在在例如颗粒内部的水敏感性组分和水之间发生不可逆的化学反应，则该组分将改变至少一种物理或化学性质，那么其可以用作本发明意义内的报告功能。这提供了已经达到了使颗粒在其途中(例如，通过岩石)崩解所需的压力的证据。阈值压力为颗粒在外部压力下破裂或崩解所必须达到的最小压力，该阈值压力非常容易调节，并且可以制造具有不同阈值压力的定制的颗粒。考虑到增加的外壳厚度和粒径，在颗粒崩解之前必须至少达到的压力随着壳层物质而增加。选择性地，代替刚性和可压碎的外壳，介孔壳层可以为可压碎的，即一旦达到阈值压力就会崩解，而外壳由可压缩材料(例如石蜡外壳)制成。
[0135]
此外，如上所述，根据本发明，还可以想到的是，除了从示踪颗粒中释放之外，一旦外壳溶解、变得可渗透或由于与周围介质的分子和/或离子(会与报告功能接触)的相互作用而与核分离，报告功能会经历不可逆的化学或物理转变。
[0136]
进一步，根据本发明，示踪颗粒可以优选为可生物降解的(作为整体)，或者可以包含至少一种可生物降解的组分(即核、壳层、荧光分子或外壳)。特别地，优选的是，示踪颗粒在实际使用期间，如至少一天至10年，更优选至少一天至数个月，保持它们的机械和物理性质，但是在它们使用后由于细胞作用引起的化学性衰变或酶促过程而分解成低重量化合物和无毒副产物。这种可生物降解的材料的实例包括聚酯，如聚己内酯以及相应的芳香族和/或脂族酯，例如聚乳酸，和纤维素系材料，如乙酸纤维素和硝酸纤维素及其衍生物，以及寡糖和多糖及其衍生物。对于报告和参考功能二者，优选的分子可以从允许或认证用于食品、医疗应用和饮料的分子列表中选择。在本发明的另一种实施方式中，颗粒由于与水或酸或油的长期(优选在一天和数个月之间)接触而溶解或化学性衰变。
[0137]
优选地，如果储层是含油的，则所得到的衰变产物为油溶性的，因此从水中迁移到油中，使得水长期保持清洁并且不含示踪颗粒及其衰变化合物。这在油储层和压裂现场调查中是有利的，因为大部分油最终将用于燃烧(例如，在发动机中或在加热应用中)，而剩余的水必然是清洁的。
[0138]
此外，多个化学标记可以结合到相同的示踪颗粒中，即示踪颗粒包括至少两种参考功能，使得能够在报告功能旁添加稳定的背景信号。此外，多个化学标记可以结合到相同的示踪颗粒中，即示踪颗粒包括至少两种报告功能，使得能够在报告功能旁添加稳定的背景信号。结果，各示踪颗粒可以成为具有与不同的刺激响应性的报告功能可比较的固有参考功能的完整系统。因此，报告信号和参考信号之间的比率有助于克服了解回收的示踪剂
的量的需要，并且减少对储层性质的复杂测量和模拟的依赖性。
[0139]
现在参考图1(b)中所示的示踪颗粒，根据第二实施方案，所述颗粒包括介孔核(10)和包封核的耐扩散阈值触发外壳(30)，且优选由这些构成。参考功能嵌入在核(10)中，并且一旦达到物理、化学和/或生物化学参数的阈值(即，超过或低于阈值)就会改变的报告功能(示出为附图标记20)包括在介孔核(10)中。即使在图1(b)中未示出，报告功能也可以选择性地或另外地包括在包封核的外壳(30)中，如图1(c)所示。在此，所述颗粒包括核(50)和包封核的耐扩散阈值触发外壳(60)，且优选由这些构成。参考功能嵌入在核(50)中。一旦达到物理、化学和/或生物化学参数的阈值(即，超过或低于阈值)就会改变的报告功能包括在包封核(50)的外壳(60)中。在这些实施方案中(根据第二实施方案)，除了上述特征以外，示踪颗粒主要对应于根据第一实施方案的示踪颗粒。因此，其参考功能和报告功能以及具体构成的材料的详细描述也适用于第二实施方案，因此在此省略。
[0140]
为了实现参考功能，以下变形为优选的。
[0141]
变形9(v9)：
[0142]
在该优选的变形中，在合成期间，将荧光染料a(参见图14中荧光染料的非穷举列表)嵌入在二氧化硅纳米颗粒的基质中，其粒径优选为1nm～1000nm。为此目的，可以使用合成法或反相微乳液合成法。嵌入在二氧化硅中的荧光染料(分子)特别稳定，不受外界影响，因此始终满足参考功能。为此目的，可以使用与变形1(v1)类似的合成。
[0143]
再次，激发波长λa和发射光的相关波长λa δ对于荧光染料(分子)是特定的，因此能够准确地识别，并且使用浓度的校准曲线能使颗粒定量化。
[0144]
变形10(v10)：
[0145]
代替荧光染料，在合成期间，将等离子体颗粒或金属纳米颗粒嵌入在二氧化硅纳米颗粒的基质中，其粒径优选为1nm～1000nm。为此目的，可以使用与变形1(v1)类似的合成。当用uv-vis光照射参考核时，吸收光谱可以识别核，并且使用浓度校准曲线使颗粒的数量定量化。
[0146]
变形11(v11)：
[0147]
在合成期间，将发光墨分子嵌入在二氧化硅纳米颗粒的基质中，其粒径优选为10nm～1000nm。为此目的，可以使用合成法或反相微乳液合成法。使用发射光谱，可以识别核，并且使用浓度校准曲线使颗粒的数量定量化。
[0148]
除此之外，根据第二实施方案，介孔核(10)可以包括报告功能。特别地，介孔核(10)的空腔优选用荧光染料b(参见图14中荧光染料的非穷举列表)填充。该荧光染料b不与核的孔结合，并且将立即逸出到周围介质中。为了防止这种情况，核(10)用阈值控制的、耐扩散的外壳(30)包封，该外壳(30)在达到阈值之前不传递荧光分子。只有在达到特定阈值后，外壳才会溶解或与核(10)分离，导致报告功能的不可逆的改变。
[0149]
根据第二实施方案的示踪颗粒的基本功能对应于第一实施方案的示踪颗粒的基本功能，并且在图5(a)中示出。在初始状态下，在达到各自的阈值之前，将荧光染料b(20)或任何其它报告功能牢固地包封在介孔核(10)中。在达到阈值后(即，如上所述，通过特定温度、ph或油的存在等)，外壳(30)溶解或与核(10)分离，并且荧光染料b(5)逸出到周围介质中，留下仍然包含参考功能的核(10)。
[0150]
如上所述，该染料b具有特定的激发波长λb和发射光的相关波长λb μ。通过应用上
述方法，可以评估是否已经达到特定阈值。
[0151]
与第一实施方案类似地，耐扩散阈值触发外壳优选由选自由石蜡、脂质、金属、金属合金、吸附聚合物和接枝聚合物刷组成的组的热熔材料构成，其在一定的温度下或一定的温度范围内熔融、溶解、改变结构、或软化。作为一个替代方案，耐扩散阈值触发外壳优选由选自由吸附聚合物、接枝聚合物刷、配位聚合物和聚合电解质组成的组的聚合材料构成，当其超过或低于一定的ph或一定的离子浓度时溶解或变得可渗透。根据进一步优选的实施方案，耐扩散阈值触发外壳由油溶性物质构成，所述油溶性物质在与油接触时溶解。前文已详细地讨论过上述选项。
[0152]
如图1(c)所示，还可以想到的是，报告功能包括在包封核(50)的外壳(60)中。根据该实施方案，将荧光染料a(参见图14中荧光染料的非穷举列表)或任何其它参考功能如金属纳米颗粒嵌入在二氧化硅纳米颗粒的基质中。这作为参考功能，并且由于其特定的激发和发射波长，可以在任何时间准确地识别。另外，通过测量发光强度，如上所述可以实现介质中颗粒浓度的计算。
[0153]
核(50)由荧光脂质或荧光聚合物以阈值控制的、耐扩散外壳(60)的形式包封。该荧光脂质或荧光聚合物用作报告功能。只要没有达到阈值，外壳(60)就稳定地保持在二氧化硅纳米颗粒(50)上。如图5(b)所示，只有在达到特定阈值之后，外壳才会溶解或与核分离，从而由于外壳碎片(61)的分离而导致报告功能的不可逆改变。
[0154]
荧光聚合物没有特别限制，并且可以根据要确定的具体特性来选择。例如，可以分别(如果可用)使用表3中的以下聚合物以及其熔点(mp)或玻璃化转变点(tg)。
[0155]
表3：荧光聚合物的非穷举列表
[0156]
名称mp(℃)聚(丙烯酸-9-蒽甲酯)205-215聚(甲基丙烯酸-9-蒽甲酯)195聚(3,3’,4,4
’‑
二苯甲酮四甲酸二酐-alt-吖啶黄g)》400聚(3,3’,4,4
’‑
二苯甲酮四甲酸二酐-alt-3,6-二氨基吖啶半硫酸盐)》400六臂蒽封端聚(环氧乙烷)(平均mn～10,000)48-53聚(荧光素o-丙烯酸酯) 聚(异硫氰酸荧光素烯丙胺盐酸盐)聚(烯丙胺盐酸盐)：异硫氰酸荧光素50:1 聚(异硫氰酸荧光素烯丙胺盐酸盐)聚(烯丙胺盐酸盐)：异硫氰酸荧光素50:1 聚(荧光素o-甲基丙烯酸酯) 聚[(4,4
’‑
六氟异丙烯)二酞酸酐-alt-吖啶黄g]》400聚[(4,4
’‑
六氟异丙烯)二酞酸酐-alt-3,6-二氨基吖啶半硫酸盐]》400聚[(甲基丙烯酸甲酯)-co-(甲基丙烯酸-9-蒽甲酯)]tg 103聚[甲基丙烯酸甲酯-co-(荧光素o-丙烯酸酯)]tg 156聚[(甲基丙烯酸甲酯)-co-(荧光素o-甲基丙烯酸酯)]tg 148聚[(甲基丙烯酸甲酯)-co-(甲基丙烯酸-2-萘酯)]tg 102聚[(甲基丙烯酸甲酯)-co-(n-(1-萘基)-n-苯基丙烯酰胺)]tg 67聚[(甲基丙烯酸甲酯)-co-(7-(4-三氟甲基)香豆素丙烯酰胺)] 聚[(甲基丙烯酸甲酯)-co-(7-(4-三氟甲基)香豆素甲基丙烯酰胺)] 聚(丙烯酸-2-萘酯)tg 59
聚(甲基丙烯酸-2-萘酯)tg 73.7聚[n-(1-萘基)-n-苯基丙烯酰胺] 聚[n-(1-萘基)-n-苯基甲基丙烯酰胺] 聚(均苯四甲酸二酐-alt-吖啶黄g)》400聚(均苯四甲酸二酐-alt-3,6-二氨基吖啶半硫酸盐)》400聚(均苯四甲酸二酐-alt-溴化乙锭)》360聚(均苯四甲酸二酐-co-硫堇)》400聚(2-乙烯基萘)(平均mn～5,000)tg 130y-peg40k-荧光素 聚[甲基丙烯酸甲酯-co-(荧光素o-丙烯酸酯)] 聚[(甲基丙烯酸甲酯)-co-(荧光素o-丙烯酸酯)] [0157]
然而，耐扩散阈值触发外壳还可以由上述任意其它热熔材料构成，其在一定的温度下或一定的温度范围内熔融或溶解，并且其优选包括荧光染料b。此外，耐扩散阈值触发外壳可以由包括荧光染料b的、选自由吸附聚合物、接枝聚合物刷、配位聚合物和聚合电解质组成的组的聚合材料构成，当其超过或低于一定的ph或一定的离子浓度时，所述聚合材料溶解。另外，耐扩散阈值触发外壳可以由包括荧光染料b的油溶性物质构成，所述油溶性物质在与油接触时溶解或溶胀。
[0158]
根据本发明，示踪颗粒可以进一步包括阳离子、阴离子或其它带电种，其附着于耐扩散阈值触发外壳或集成到(介孔)核和/或介孔壳层中。如上所述，基于这种另外的带电种，可以调节总的颗粒电荷，以使如多孔介质内的吸附或颗粒凝聚、特别是在高度盐化的、酸性或碱性流体中等的不利现象最小化。根据多孔介质的性质，可以因此调节示踪颗粒的总电荷，使其与多孔介质的电荷相同，从而具有排斥性。
[0159]
根据本发明，除了参考功能和报告功能之外，示踪颗粒还可以进一步具有另外的功能。对于这些三功能颗粒，具有上述尺寸(直径)的纳米颗粒也是优选的。该另外的功能可以为计时器功能，其允许基于时间依赖性衰减或时间依赖性变化的性质来确定示踪颗粒从注入到离开多孔介质之后的检测的时间。放射性衰变只是一个实例。化学性衰变、一种异构体向另一种更稳定的异构体的转化、或失去荧光性质的氧化是进一步的实例。
[0160]
该另外的功能也可以是磁性功能。特别地，根据本发明，还优选其第三功能基于磁性(优选铁磁性)的三功能微米颗粒和纳米颗粒。例如，这可以通过示踪颗粒除了报告功能和参考功能之外还包含磁性内含物来实现。优选地，示踪颗粒包括嵌入在核和/或介孔壳层中的铁系纳米颗粒。这便于使用磁体和磁场在出口点处从流体中浓缩和去除示踪颗粒。例如，在离开多孔介质之后，流体可以流经具有磁性并且吸引和保持颗粒的栅格或网格。然而，示踪颗粒可以包括嵌入在核中和/或介孔壳层中的任意其它铁磁材料。例如，代替铁系纳米颗粒，可以提及基于例如镍、铜、钌、钆、铽、镝、所述元素的合金以及已知具有铁磁性的相应氧化物(例如二氧化铬、氧化铕等)的铁磁性纳米颗粒。在参考例9中描述了示例性合成。
[0161]
如上所述，根据本发明，优选的是，荧光分子、量子点和磁性纳米颗粒中的至少一种作为参考功能嵌入在核中。
[0162]
特别地，在优选的实施方案中，示踪颗粒具有以下构造：
[0163]
核为包括二氧化硅、碳、或聚合物(尤其是聚苯乙烯或乳胶)的纳米颗粒，其中参考
功能以荧光染料a(参见图14中荧光染料的非穷举列表)的形式嵌入；
[0164]
介孔壳层为介孔二氧化硅层，其包括荧光染料b(参见图14中荧光染料的非穷举列表)的形式的报告功能；并且
[0165]
包封核-壳结构的外壳由选自石蜡、脂质、金属和金属合金组成的组的热熔材料、或当其超过或低于一定的ph值或一定的离子浓度时溶解或变得可渗透的聚合材料、或在与油接触时溶解的油溶性物质构成。
[0166]
在进一步优选的实施方案中，示踪颗粒具有以下构造：
[0167]
核为介孔二氧化硅纳米颗粒，其中参考功能以荧光染料a(参见图14中荧光染料的非穷举列表)的形式嵌入；
[0168]
介孔二氧化硅纳米颗粒进一步包括荧光染料b(参见图14中荧光染料的非穷举列表)的形式的报告功能；并且
[0169]
包封核的外壳由选自石蜡、脂质、金属和金属合金组成的组的热熔材料、或当其超过或低于一定的ph值或一定的离子浓度时溶解或变得可渗透的聚合材料、或在与油接触时溶解的油溶性物质构成。
[0170]
进一步，示踪颗粒的优选鉴定是通过同时使用颗粒中的两种荧光标记进行识别(双重识别功能)而给出的。因此，示踪颗粒总是可识别为特定注射批次的颗粒。如果在不同的时间或不同的地点引入不同标签的颗粒，人们可以(如果必要的话，甚至几年后)知道这些颗粒来自哪里。例如，如果这些颗粒现在再次逸出，它们携带了关于它们在岩石中经过或停留时间的过程中所经历的环境条件的信息。这样的颗粒可以被引入数十亿次。通过由不同环境条件(温度、压力等的阈值)改变的颗粒的组合，可以同时查询所经历的不同环境条件。因此，分析是可能的，例如，70％的颗粒遇到高于250℃的温度，20％的颗粒遇到高于300℃的温度，另外44％的颗粒遇到低于4.5的ph值。
[0171]
然而，根据本发明的示踪颗粒还可以包括对不同刺激有不同反应的报告功能。这方面的一个实例为在其表面上具有离子螯合物的微米颗粒或纳米颗粒，其与具有发射波长λ2的荧光团共轭。当螯合物不可逆地螯合金属离子时，共轭荧光团的荧光信号发生位移。荧光信号的位移取决于螯合的金属离子，因此不同的螯合离子m1或m2将分别引起从λ2到λ
2*
或到λ2’
的不同位移。该实施方案在图6中示出。在参考例10中描述了用螯合剂使二氧化硅纳米颗粒改性的示例性合成。
[0172]
根据本发明的优选的实施方案，当阈值超过或低于骤然变化的值或窄值范围时，例如荧光染料染色的石蜡外壳的熔融温度
±
10℃，优选
±
5℃，更优选
±
3℃时，示踪颗粒的报告功能改变。
[0173]
还优选的是，根据本发明的示踪颗粒除了核以外还包括多于两个的壳(外壳)。特别地，示踪颗粒可以包括以同心壳的形式包封核的多个耐扩散阈值触发外壳。一个实例为当超过一定温度(例如由于外壳材料的特定熔点)时失去的外壳与当达到特定ph时溶解或变得可渗透的第二内壳的组合。与温度相关的第一阈值触发作为报告功能的具有第一荧光波长的第一荧光染料将被释放到周围介质中。另外，如果周围介质低于或超过特定ph值，则内壳溶解或变得可渗透，从而触发作为报告功能的具有第二荧光波长的第二荧光染料将被释放到周围介质中。
[0174]
在另一方面，本发明提供了一种组合物，其包括至少一种根据本发明的示踪颗粒
或至少两种不同种类的根据本发明的示踪颗粒的混合物，以及流体。通常，穿过多孔介质的流体不仅可以是液体，还可以是气体、凝胶或液-气混合物、乳液、雾(液滴由气体携带)、或气溶胶。因此，流体可以是水、水溶液、油、油-水混合物、或乳液、生成的气流或天然的气流，液-气混合物、和蒸汽。
[0175]
具有参考和报告功能的示踪颗粒，特别是纳米颗粒，可以位于这种混合流体的各组分中。它们可以在一种组分中或在多于一种的组分中，例如在雾的液滴和气相二者中，或仅在其中之一中。
[0176]
流体还可以包含上述添加剂和/或洗涤剂。优选地，气流由空气、工业气体或惰性气体或其混合物组成。
[0177]
原则上，除了报告功能和关于阈值的相关信息之外，所有根据本发明的示踪颗粒还经由其参考功能提供与常规示踪剂关于介质(例如地下电流)的流动行为的相同的信息。因此，根据本发明的组合物优选包括具有不同粒径的示踪颗粒的混合物。当使用具有不同参考信号的不同尺寸时，可以获得关于不同尺寸的示踪颗粒在不同层和孔中的持续时间的信息。
[0178]
根据本发明，还可以组合对不同阈值(例如不同温度)敏感的各种示踪颗粒。例如，可以提及使用10种不同的示踪颗粒，其外壳在10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃和100℃下熔融，其中各示踪颗粒包含不同的参考功能。这允许以10度的增量得出详细的结论，哪些温度被超过，哪些没有被超过，以及多少百分比的颗粒在它们通过多孔介质的途中经历了超过的某个温度，因此，例如，在上述实施方案中失去了它们的外壳。
[0179]
另一实施方案为同时或依次引入对不同阈值(如外壳的不同熔点(即第一温度t1和第二温度t2))敏感的不同示踪颗粒，并且通过时间依赖的色谱分析来观察或分析流动/渗透。这些不同种类的示踪颗粒的组合也在图7中示出。在该情况下，所有颗粒种类的参考功能都是相同的。然而，报告功能将在不同的阈值下释放。以类似的方式，当然也可以同时或依次地分析不同的性质(如ph值、氧气暴露等)。
[0180]
因此，在另一方面，本发明还涉及根据本发明的示踪颗粒的用途，其在岩石、岩层和/或多孔材料或该多孔材料的层的地质检查中用于表征岩石、岩层和/或多孔材料或该多孔材料的层；用于水文学、水勘探、储层勘探、储层监测、油检测、压裂、地热能、泄漏检测中；用于化学的、生物的和/或生物技术的反应器的监测中，用于水箱、蓄水池和供水系统中；或者用于体内医学程序(medical in vivo procedures)中。
[0181]
以下，更详细地描述了用根据本发明的组合物检测多孔介质的物理、化学或生物化学参数来表征多孔介质的方法。根据本发明的方法包括以下步骤：
[0182]
将组合物引入到多孔介质中，
[0183]
使组合物渗透或通过多孔介质，其中当达到待检测参数的阈值时，示踪颗粒的至少一种报告功能根据所经历的物理、化学或生物化学参数而改变，而示踪颗粒的参考功能保持不变，并且
[0184]
在离开多孔介质之后，对示踪颗粒的物理、化学或生物化学改性的报告功能和参考功能进行示踪颗粒的至少一次后续分析，其中参考功能用于识别示踪颗粒。
[0185]
例如，该方法可以用于在岩石、岩层和/或多孔材料或该多孔材料的层的地质检查中表征岩石、岩层和/或多孔材料或该多孔材料的层。岩石是指一种固体的、天然存在的、通
常在微观上异质的矿物、岩石碎片、玻璃或生物残留物的结合体。这些成分彼此之间的混合比例在很大程度上是恒定的，因此不管岩石的详细的组成如何，但在自由观察的情况下，岩石表现均一。可检测的性质变化是由待检测材料的特定的物理、化学或生物化学环境条件引起的。如果示踪颗粒在其通过多孔介质或岩石的途中遇到这样的环境条件(例如：达到至少80℃的温度)，则示踪颗粒的报告功能发生不可逆地改变，其在离开多孔介质或岩石后是可检测的。如图8所示，在离开多孔介质之后，马上检测示踪颗粒的这种性质变化。
[0186]
例如，以如下方式进行检测。在流体的出口点处取样并且用示踪颗粒检查流体。还可以预先富集颗粒，例如通过离心或超速离心、磁性收集或通过沉降。与取样分开地或相结合地，可以例如通过流体流经的光谱仪的流通池中的玻璃窗口，在通过的液体中实时检查性质。示踪颗粒的性质变化可以具有非常不同的性质。这可以特别是如光、紫外辐射或红外辐射或微波辐射等电磁辐射的吸收。但它也可以为如铁磁或超顺磁颗粒和纳米颗粒等的磁性的改变，这可以通过例如氧气作用的氧化变化来实现。然而，它也可以为介电性质的改变，这同样可以通过氧气作用的氧化变化来实现，但也可以通过示踪颗粒或其表面或相关分子的其它化学变化来实现。
[0187]
根据所使用的示踪颗粒的种类，还可以通过nmr和esr(核磁共振或电子自旋共振)检测颗粒性质的变化。同样，可以通过磁共振的endor(电子核双共振)来检测性质变化。
[0188]
然而，如上所述，优选的是，报告功能通过荧光标记实现，其导致荧光性质的改变，所述改变包括以下选项：荧光强度的改变或荧光波长的改变或新的荧光的出现或与之前相比在不同激发波长下荧光的出现。后者对于下述检测是特别优选的。在一定的激发波长下，流经多孔介质后，出现在流经多孔介质前不存在的荧光，或仅有较低的强度。选择性地，在流经多孔介质之前在一定的激发波长下出现荧光，而在流经多孔介质后荧光不再存在，或者仅有较低的强度。
[0189]
在示踪颗粒通过多孔介质之后，必须检查它们的报告功能的变化。在流动法或原位法中，具有示踪颗粒的流体通过传感器或检测报告功能和参考功能的测量装置。例如，这可以通过流经光谱仪或荧光光谱仪中的光学流通池来实现。
[0190]
因此，根据本发明，示踪颗粒或示踪颗粒混合物的分析优选通过光谱、ir光谱、等离子体共振、显微镜、剂量测定、核磁共振、电子自旋共振、endor、荧光光谱、单分子荧光光谱、原子荧光光谱、发光光谱、光致发光光谱、色谱、气相色谱、液相色谱和/或高效液相色谱(hplc)来进行，或者借助于促进报告功能改变的检测的后续反应来进行。
[0191]
一种有利的实用方法是两个分子或分子基团的组合，例如当在蓝色或紫外光谱范围内将它们激发时，二者都发射两种不同波长的荧光。当达到一定的环境条件时，两种不同分子或分子基团之一对多孔介质中可能的环境条件是稳定的，而另一个被破坏或其荧光性质不可逆地改变。如果包含两个分子或分子基团的示踪颗粒在通过多孔介质之后并且达到检测改变所需的条件之后，则表明前者分子的荧光不变，但是后者则不然。因此，还可以精确地定量地确定在通过多孔介质的途中，全部颗粒的多少百分比的颗粒达到了第二分子改变的阈值。
[0192]
根据本发明的方法因此在岩石、岩层和/或多孔材料或该多孔材料的层的地质检查中用于表征岩石、岩层和/或多孔材料或该多孔材料的层；用于水文学、水勘探、储层勘探、储层监测、油检测、压裂、地热能、泄漏检测中；还用于化学的、生物的和/或生物技术的
反应器的监测中；或者用于体内医学程序中。
[0193]
技术上，例如，颗粒水分传感器的使用应起到重要作用。此外，岩石中油的检测(由于(痕量的)油的存在而导致的报告功能的改变)是技术上高度相关的。同样适用于重金属的检测。在此，多孔介质可以是在填埋场附近或饮用水储存的排水半径内的土壤。潜在的应用还在于确保填埋场、危险废物填埋场和其它堆积物的密封或泄漏的位置。如果将此类示踪颗粒在特定位置中引入到存储的货物中，则例如可以在地下水或填埋场废水中发现这样的颗粒，并且可以精确地识别泄漏发生的位置。这也适用于从洗车、放射性或化学污染的管道或水箱的泄漏的长期监测。监测可以极具成本效益和持续性。该方法适合用于多孔介质的非破坏性内部检查及其性质控制(以确保生产期间的品质和性能)、油、天然气、天然资源、地热能、孔隙度的勘探，和岩石的低成本、非破坏性的勘探，例如在隧道领域。
[0194]
根据本发明的方法还特别适合用于化学和生物/生物技术反应器以及水箱、蓄水池和供水系统。在这些应用中，化学和生物/生物技术反应器的内部以及水箱、蓄水池和供水系统的内部被理解为“多孔介质”。
[0195]
作为特殊用途，例如，可以提及在化学反应器中是否超过最高温度的检查。例如，这在例如聚合反应中有极大的吸引力，其中当超过一定温度值时形成热分解产物和碳，这不利地影响所得聚合物的颜色，并且还影响电绝缘性质。利用根据本发明的方法，可以确定此类温度过高是否发生和发生的程度。可以用在报告功能中具有合适的阈值的示踪颗粒确定超过的温度值以及过冲的程度。具体地，基于它们的报告功能，离开反应器之后有多少百分比的颗粒经历超过。
[0196]
研究还可以通过直接地在离开反应器的相应反应产物中的颗粒的光谱来进行，或者通过例如借助超速离心从离开反应器的反应产物中随后提取示踪颗粒来进行，或通过借助磁场来提取铁磁性颗粒来进行。
[0197]
另外，另一种可能性是将根据本发明的方法用于体内医学方法中。将具有示踪颗粒的流体注入人体或动物体内，以便对例如血液、淋巴系统、泌尿系统、消化道、肺和呼吸道、鼻子和鼻窦进行诊断程序。
[0198]
本发明将在以下实施例中进一步说明，但不限于此。
实施例
[0199]
参考例1-经由合成的具有嵌入的荧光分子或量子点的致密二氧化硅纳米颗粒(np)
[0200]
如图9a所示，纳米颗粒可以用核-壳结构来合成，其由石蜡外壳包封。核由致密二氧化硅构成，其中嵌入了荧光染料a(荧光分子或量子点)-在此例如，三(2,2-联吡啶)二氯化钌(ii)六水合物(ru(bpy)
32
)，其在452nm处具有最大吸收，在612nm处具有最大发光。
[0201]
纳米颗粒合成开始于在ru(bpy)
32
的存在下，以正硅酸四乙酯(teos)和(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(atpes)作为二氧化硅前体的改进的合成。在此，将h2o、乙二醇和氢氧化铵溶液的混合物搅拌并且加热至60℃。在达到60℃后，荧光染料与teos一起在一分钟内以稳定的速率逐渐添加。30分钟后，添加atpes。在60℃搅拌下继续合成4小时。现在，已经形成了嵌有ru(bpy)3的致密二氧化硅纳米颗粒。在6000rpm离心下收集颗粒，用水和乙醇洗涤，真空干燥并且称重。然后将它们在高达200℃的温度和高达15巴的压力下在水中储存
72小时以进行稳定性试验。由于ru(bpy)
32
为参考功能，其必须在整个实验过程中保持稳定，因此重要的是确保荧光染料不会随着时间或暴露于高温时而泄漏或脱出。
[0202]
图10(a)示出在高压釜中在从室温和大气压(紫色曲线)到100℃和1.01巴(蓝色曲线)、150℃和4.76巴(红色曲线)、以及200℃和15.55巴(黑色曲线)范围内的不同条件下，在72小时后，四种0.1mg ml-1
的ru(bpy)
32
掺杂的二氧化硅纳米颗粒溶液的发射光谱(激发波长452nm)。荧光光谱证实，所有溶液的发射强度都是相似的，无论它们暴露于何种条件。这证明二氧化硅核在检测的温度和压力范围内有效地包封和保护了信号/参考功能。即，将荧光染料嵌入在核中，不会泄露并且在例如地热储层的典型环境条件下被保护免于降解。
[0203]
上述反应条件的详情也在合成例1中给出。
[0204]
参考例2-经由反相微乳液的具有嵌入的荧光分子或量子点的致密二氧化硅纳米颗粒(np)
[0205]
例如，向7.5ml环己烷、1.8ml正己醇、1.77ml的triton x 100的混合物中添加0.48ml的h2o中的ru(bpy)3(荧光分子或量子点都是可能的)。在搅拌下，添加0.1ml的teos并且搅拌20分钟。然后添加0.06ml的25％氢氧化铵溶液。在搅拌24小时后，已经形成了嵌有ru(bpy)3的二氧化硅纳米颗粒。用14ml的丙酮配制该溶液，并且在6000rpm下离心。随后进行3次洗涤(1
×
丙酮，2
×
乙醇)，真空干燥并且称重。
[0206]
参考例3-经由合成的具有嵌入的荧光染料液滴的二氧化硅纳米颗粒(np)
[0207]
例如，向50ml h2o、50mg溴化十六烷基三甲铵(ctab)、0.344ml的30％氢氧化铵溶液的混合物中添加3mg若丹明b并且搅拌10分钟。逐滴添加0.5ml的aptes、0.5ml的teos和1.5ml乙醇的混合物。12小时后，已经形成了介孔二氧化硅颗粒，在离心和用h2o洗涤3次后，可以将其干燥并且称重。
[0208]
参考例4-石蜡外壳
[0209]
在添加荧光染料b(在此为17mg番红o)后，将干燥的二氧化硅纳米颗粒(50mg)在手套箱中在排除水的氮气气氛下开放储存4小时，以减少纳米颗粒和墨的混合物中的残留水含量。然后添加2.5ml乙腈，将溶液密封并且搅拌12小时。从手套箱中取出样品并且添加0.375ml正十八烷基三甲氧基硅烷以使纳米颗粒的表面改性和官能化。12小时后，将颗粒离心分离，用己烷洗涤并且在真空下干燥。其后，借助超声波将它们分散在40ml己烷中，并且添加375mg石蜡。石蜡的选择决定了所选的温度阈值(参见石蜡的列表)。将混合物超声20分钟并且进一步搅拌20分钟。通过离心收集纳米颗粒并且在真空下干燥。干燥后，将颗粒溶解在水中。为了使石蜡被覆的纳米颗粒可溶于水，添加阴离子表面活性剂(例如，十二烷基硫酸钠(sds))。这会沉积在石蜡的表面上，并且即使用水反复洗涤也不会溶解。这些颗粒现在可以使用了。
[0210]
参考例5-金属外壳
[0211]
二氧化硅纳米颗粒借助具有氨基的氨基丙基三甲氧基硅烷(aptms)在其表面上官能化。然后，添加四(羟甲基)-氯化磷(thpc)包封的金纳米颗粒，其与氨基结合。这些又用作在表面上无电沉积金属的核。例如，通过添加来自硫酸铜(cuso4)的cu
2
离子并且在碱性条件下添加甲醛，可以制造铜外壳，如h.wang等人，j.phys.chem.b，2005，109(39)，18218-18222中所述。
[0212]
参考例6
–
聚合物孔阻断剂
1-基)-1,1,3,3-四甲基脲六氟磷酸盐(hbtu)和羟基苯并三唑(hobt)。15分钟后，添加(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(aptes)与dotaga(tbu)4偶联，以形成dotaga(tbu)4-aptes，然后洗涤，随后通过蒸发溶剂分离。然后通过浓hcl除去t-bu保护基团以暴露羧酸基团，然后在35℃下真空蒸发。dotaga-aptes的产物现在准备用于在二氧化硅纳米颗粒的表面上的自组装。将dogata-aptes溶解在二甲基亚砜(dmso)中，向其中添加纳米颗粒的悬浮液。在典型的硅烷化学反应中，dogata-aptes自组装在二氧化硅纳米颗粒的表面，然后收集并且洗涤。例如，在以下文章中描述了上述改进：a.mignot等人，chemistry a european journal，2013，19(19)，6122-6136和v.l.tran等人，contrast media&molecular imaging，2018(2018)。
[0229]
合成例1
[0230]
将9.5ml的h2o、1.45ml乙二醇(sigma aldrich，99.8％)和0.42ml的28-30％氢氧化铵溶液(merck)的混合物搅拌并且加热至60℃。将25mg三(2,2-联吡啶)二氯化钌(ii)六水合物(ru(bpy)
32
)与0.33ml正硅酸四乙酯(teos，aldrich，99.0％)一起添加，其在1分钟内以稳定速率逐渐滴加。30分钟后，添加入60μl(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(atpes，aldrich，99％)。连续搅拌4小时并且加热至60℃后，形成ru(bpy)
32
掺杂的二氧化硅纳米颗粒(sinp)。
[0231]
通过添加60mg溴化十六烷基三甲铵(ctab，merck，97.0％)并且在30分钟后添加0.33ml的teos和0.66ml的aptes的混合物，在相同的反应罐中进行含有报告功能的二氧化硅壳层的合成。再过90分钟后，用具有包埋在其中的ctab胶束的二氧化硅外层涂布内部ru(bpy)
32
掺杂的sinp。然后收集溶液，在6000rpm下离心，并且用h2o、乙醇和甲醇作为溶剂进行3次洗涤-离心循环。然后将颗粒再悬浮于甲醇中，在搅拌和加热至70℃(ph 0.9)下，通过在120ml甲醇(vwr chemicals,99.9％)、2.48ml h2o和1.24ml盐酸(hcl，fluka 36.5-38％)的混合物中回流16小时来提取ctab胶束，在二氧化硅壳层中留下孔，随后在被包封在石蜡外壳之前用番红o负载。然后通过在6000rpm下离心收集颗粒，并且用甲醇和乙醇洗涤。然后将颗粒真空干燥至少3小时并且称重。
[0232]
所得颗粒的sem成像显示，合成生成了平均直径值为188
±
59nm的圆形颗粒，如图11所示。在标准测量条件下，甚至在浓度低至1.3ng ml-1
，在清洁的水溶液中检测到纳米颗粒的ru(bpy)
32
发光，信噪比为5.3。
[0233]
这些np储存在无水环境中(用干燥氮气或氩气吹扫的干燥器，或在h2o水平低于50ppb的手套箱中)，其中将17mg番红o(acros organics，95％)添加到50mg的np中。2小时后，添加干燥的乙腈，并且将溶液密封以防止从空气中吸水，并且搅拌至少12小时。添加0.375ml正十八烷基三甲氧基硅烷(abcr gmbh，95％)以使纳米颗粒的表面疏水。将溶液进一步搅拌至少12小时，然后通过离心收集np，并且用乙腈(merck，99.5％)和己烷(carl roth，99％)洗涤，随后将其真空干燥。当np干燥时，将它们再悬浮于40ml己烷中，并且根据所需的温度阈值(参见表4)将375mg石蜡添加到混合物中(全部3种石蜡均由aldrich制造，二十四烷99％，三十二烷97％，四十四烷99％)。将混合物超声15分钟并且搅拌15分钟，随后通过离心收集石蜡被覆的np，并且在真空中干燥。当np干燥时，将它们用十二烷基硫酸钠(sds，sigma-aldrich 99.0％)再悬浮于水中，并且用h2o进行2-3次离心洗涤循环，直到洗去残留的番红o并且上清液澄清。然后这些颗粒可供使用。
[0234]
纳米颗粒悬浮液：纳米颗粒可能难以在上述多步合成的步骤中溶解，特别是在将
它们真空干燥或离心之后。为了使颗粒再悬浮，将反应容器或离心管涡旋混合并且超声。需要时，也可应用超声波发生器(sonotrode)(iup200st，hielscher ultrasonics)。该方法通过浸入溶液中的温度传感器来调节，以确保在超声处理期间溶液不超过石蜡的熔点(mp)。同样，在超声浴中进行更长时间的超声，同时使用循环恒温器将浴水保持在室温。
[0235]
荧光光谱：使用cary eclipse荧光光谱仪(agilent technologies，usa)进行荧光光谱。通过用加热液体的循环加热样品架并且将温度探针浸入纳米颗粒溶液中来进行原位加热。
[0236]
评价
[0237]
使用不同的石蜡外壳可以检测到三种不同的阈值温度：二十四烷(ch3(ch2)
22
ch3，mp 49-52℃)、三十二烷(ch3(ch2)
30
ch3，mp 65-70℃)和四十四烷(ch3(ch2)
42
ch3，mp 85-87℃)。通过扫描激发波长并且测量在612nm波长处产生的发光，用荧光光谱进行染料释放过程的监测。虽然如图12(a)所示，ru(bpy)
32
和番红o的发射光谱很大程度上重叠，但激发波长是明显分开的。如图12(b)所示，ru(bpy)
32
和番红o在612nm处均显示出显著的发光，因此可以分别基于各染料的荧光光谱对各染料的离散荧光贡献进行去卷积。对于每批合成的颗粒，计算番红o与ru(bpy)
32
荧光信号的比率(报告功能相对于参考功能，简言之：“报告/参考”)。
[0238]
在将纳米颗粒加热至高于石蜡熔点的温度时，储存在介孔二氧化硅壳层中的番红o释放到溶液中。由于番红o分子不再集中在有限的空间中，光子吸收效率增加并且荧光猝灭降低，因此导致发光增加并且随后导致报告/参考比率提高。
[0239]
图10(b)示出在将二十四烷被覆的纳米颗粒加热至二十四烷的熔点52℃的4小时内进行的原位荧光测量。随着番红o随时间的释放，报告/参考比率从初始比率0.96增加至33.5。在图10(c)中，显示了三十二烷被覆的纳米颗粒进行的类似实验的结果，左侧是加热至61℃(即低于熔点约4℃)的溶液，右侧是加热至74℃(即高于熔点约4℃)的类似浓度的溶液。在4小时的加热内，74℃溶液的报告/参考比率从18.84逐渐增加到30.32。相比之下，对于61℃的溶液，该比率在第一个小时内略有下降，并且稳定在值15.5左右。
[0240]
图10(d)示出74℃溶液(红色曲线)和61℃溶液(黑色曲线)之间的报告/参考比率随时间演变的比较，归一化为初始比率。对于具有二十四烷、三十二烷和四十四烷外壳的颗粒，在加热至高于石蜡外壳的熔点时，报告/参考比率的变化总结示于表4。该表还包括未加热的颗粒和加热到稍低于相关熔点的温度的颗粒的相应比率。
[0241]
表4.在室温下，加热至稍低于和稍高于石蜡外壳的mp时，具有不同石蜡外壳的ru(bpy)
32
核-番红o壳层-石蜡外壳纳米颗粒的参考与报告荧光信号的比率
[0242]
[0243]
作为加热时从纳米颗粒壳层中的选择性染料释放过程的进一步说明，图13(a)示出离心后含有相同浓度(每毫升2mg纳米颗粒)的三十二烷被覆的纳米颗粒溶液的两个离心管。将左边的管保持在室温，而将右边的管加热到74℃。正如肉眼可见的，离心后上清液的荧光光谱(激发波长530nm)示出在加热过的溶液中释放了明显更大量的番红o，而在室温溶液中仅检测到痕量(图13(b))。在两种溶液中均未检测到ru(bpy)
32
。
[0244]
虽然结果表明，在加热到高于石蜡外壳熔点的温度时确实发生了染料释放，但重要的是要注意，在储层渗流后的现场检测将不依赖于染料释放本身的鉴定，而是依赖于回收的纳米颗粒的鉴定。在图13a所示的相同实验中，将纳米颗粒丸粒干燥并且再悬浮以制成类似浓度的新溶液。室温纳米颗粒具有粉红色调，典型的番红o染料，并且显示出报告/参考比率为19.01，而加热过的纳米颗粒具有橙色调，典型的ru(bpy)
32
染料，并且显示出报告/参考比率为0.99(图13(c)和(d))。