層層自組裝制備Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS磁性熒光雙功能材料

王勝男，王秀玲，董淑玲，劉勇健，翁 婷

（蘇州科技大學(xué) 化學(xué)生物與材料工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009；江蘇省環(huán)境功能材料重點實驗室，江蘇 蘇州 215009）

超順磁性納米材料Fe3O4由于具有優(yōu)異的磁性能和相對穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在靶向藥物、磁共振成像、DNA和細(xì)胞分離、免疫測定、熱療等方面的應(yīng)用十分廣泛[1-4]。但因其比表面積較大，團聚效應(yīng)比較明顯，很難直接應(yīng)用，所以對其表面修飾顯得至關(guān)重要。量子點是零維納米半導(dǎo)體材料，由少量原子構(gòu)成，一般情況下它的三維尺度為1 nm-10 nm[5]。因為量子點的熒光性能隨量子點的尺寸而變化，并且激發(fā)光譜寬、熒光發(fā)射光譜窄而對稱，熒光發(fā)射峰位置可調(diào)[6-7]，所以可被應(yīng)用于體內(nèi)和體外細(xì)胞標(biāo)記、生物探針及生物傳感器等領(lǐng)域[8-9]。

隨著社會的發(fā)展，單一功能的材料很多方面不能滿足復(fù)雜的應(yīng)用要求，不可避免會受到一定的限制，所以磁性納米材料和熒光量子點的結(jié)合有著重要的實際應(yīng)用意義。這種雙功能材料具有磁性和熒光性能，已經(jīng)成為生物、醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點[10-11]。目前已經(jīng)有很多學(xué)者合成了磁性熒光雙功能材料并應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。Yi等[12]率先采用反相微乳液法，選用聚氧乙烯酚醚和Igepal CO-520作為表面活性劑，將γ-Fe2O3和CdSe同時包埋在SiO2殼層里面，制備出磁性熒光納米復(fù)合微球。Sun[13]采用偶聯(lián)法制備Fe3O4@CdTe納米復(fù)合材料，應(yīng)用于癌細(xì)胞的免疫標(biāo)記和熒光成像，證明了該復(fù)合材料能有效地識別細(xì)胞類型或器官。

目前國內(nèi)外未見文獻(xiàn)報道過采用層層自組裝技術(shù)制備Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS雙功能材料。以往一貫使用的官能團偶聯(lián)法，由于量子點表面配體容易脫落，會導(dǎo)致熒光淬滅，從而限制了該方法的進(jìn)一步應(yīng)用。層層自組裝技術(shù)可以通過改變聚電解質(zhì)的層數(shù)來調(diào)節(jié)磁性粒子與量子點之間的距離，從而能夠有效地降低磁性粒子對量子點熒光的淬滅，制備出熒光強度高的復(fù)合材料，并且該方法對反應(yīng)物質(zhì)的限制較少，反應(yīng)條件溫和。孫文通等[14]采用層層自組裝技術(shù)在磁性納米粒子表面修飾聚乙二胺和聚天冬氨酸，磁性納米粒子表面的電荷可以通過包覆的層數(shù)和聚電解質(zhì)溶液的pH值調(diào)控。該文采用stober法[15]在Fe3O4粒子表面包覆一層穩(wěn)定的硅層（SiO2）具有良好的抗分解能力和生物相容性，用SiO2包覆的Fe3O4可以反復(fù)使用，不易被氧化，使粒子具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性[16]。通過層層自組裝技術(shù)將聚陽離子電解質(zhì)PDDA修飾到微球表面，得到表面帶大量正電荷的磁性硅球。巰基乙酸不僅作為量子點的修飾劑，而且在CdSe/CdS表面引入大量的負(fù)電荷，從而可以與表面富含正電荷的Fe3O4顆粒靜電吸附，制備出核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS磁性熒光雙功能復(fù)合微球。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：七水合硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O，純度≥99.0%），六水三氯化鐵（FeCl3·6H2O，純度≥99.0%），巰基乙酸（TGA），硒粉（純度為99%），聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA），氨丁三醇（AR）購于 Aldrich公司；氨水（24%），硫粉，硼氫化鈉，液體石蠟，氧化鎘，正己烷，無水乙醇，磷酸二氫鈉，磷酸氫二鈉等試劑購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

儀器：電子天平（YP1201N，上海精密科學(xué)儀器有限公司），磁力攪拌器（JB-3，上海雷磁儀器廠），超聲波清洗儀（KQ-3000E，上海綠宇精密儀器制造有限公司），熒光分光光度計（LS55，美國PerkinElmer公司），恒溫?fù)u床 （HZQ-QB型，蘇州威爾實驗用品有限公司），傅立葉變換紅外光譜儀 （Spectrum BXⅡ型，美國PerkinElmer公司），7410型振動樣品磁力計（美國Lake Shore公司），OLYMPUS DP73型熒光顯微鏡（日本奧林巴斯公司），H-600型透射電子顯微鏡（日本日立公司），X′Pert-Pro MPD型X射線衍射儀（荷蘭帕納科公司）。

1.2 實驗過程

1.2.1 Fe3O4納米微粒的制備[17]采用化學(xué)共沉淀法制備納米顆粒。分別配制濃度為0.5 mol·L-1的FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O溶液，按Fe2+與Fe3+摩爾比為1∶1.75將上述兩種鹽溶液混合均勻后倒入三口燒瓶中，攪拌下通入氬氣。在70℃下反應(yīng)30 min后滴加氨水，調(diào)節(jié)pH為11，在黑色膠狀物質(zhì)生成后繼續(xù)反應(yīng)30 min，冷卻后用無水乙醇和去離子水交替洗滌至中性，放入烘箱烘干備用。

1.2.2 Fe3O4@SiO2磁性納米顆粒的制備 由stober法水解制得Fe3O4@SiO2，取上述合成的Fe3O4納米粒子溶于50 mL 0.1 mol·L-1HCl，超聲分散10 min，磁分離出固體后用去離子水洗滌至中性，再將樣品分散到80 mL乙醇、20 mL H2O和1 mL NH3·H2O的混合溶液中，在攪拌下逐滴加入0.5 mL TEOS，反應(yīng)6 h，所得到的納米粒子用乙醇洗滌后干燥，得到Fe3O4@SiO2磁性納米粒子。

1.2.3 CdSe/CdS量子點的制備及油相轉(zhuǎn)水相 油相量子點根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]中的方法制備并略做改進(jìn)。將40 mL的液體石蠟、9.6 mL油酸和20 mmol的CdO依次加入三口燒瓶，在氬氣保護(hù)下邊加熱邊攪拌。當(dāng)溫度達(dá)到150℃時，CdO完全溶解且變成均勻的黃色溶液。在另外一個三口燒瓶中加入Se粉和液體石蠟，邊通入氬氣邊快速攪拌，加熱到240℃時，溶液的顏色由黃色漸變成橘紅色最后變成紅色。將一定量的Cd溶液慢慢加入到Se溶液中，快速攪拌后得到了紅色CdSe溶液。此時將溫度下降到210℃，然后維持在220℃左右。隨后，將S粉、NaBH4固體及無水乙醇，混合均勻后加熱攪拌，將生成的硫化氫氣體通入CdSe溶液中，反應(yīng)30 min后即可生成核殼型CdSe/CdS量子點。

取一定量上述制備好的CdSe/CdS溶液于小燒杯中，加入30 mL正己烷，置于磁力攪拌器上攪拌，邊攪拌邊加入少量巰基乙酸，直至有沉淀析出。吸出上層溶液，用正己烷洗滌數(shù)次后自然風(fēng)干，風(fēng)干后將其溶于PBS緩沖液中，得到水溶性的CdSe/CdS溶液。

圖1 Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS的制備機理圖

1.2.4 Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS磁性熒光雙功能材料的制備制備機理見圖1。

將一定濃度的Fe3O4@SiO2溶液分散到20 mL（0.2%）的PDDA溶液中，混合超聲后在磁力攪拌器下攪拌20 min，用磁鐵分離洗滌后重新分散在氨丁三醇溶液中。上述步驟重復(fù)三次后將包覆四層聚電解質(zhì)的Fe3O4@SiO2溶液加入到CdSe/CdS溶液中，在搖床上反應(yīng)過夜，用磁鐵分離，洗滌多次后得到Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS磁性熒光雙功能材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR表征分析

紅外表征見圖2。

圖 2 （a）、（b）分別是純 Fe3O4和 Fe3O4@SiO2的紅外譜圖。 由圖 2 可知，（a）、（b）都存在 579 cm-1左右Fe-O鍵的吸收峰，3 433 cm-1和1 638 cm-1左右處為 -OH的伸縮振動和彎曲振動吸收峰，表明存在Fe3O4顆粒。圖2（b）中在1 081 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰為Si-O-Si的伸縮振動吸收峰，表明二氧化硅已經(jīng)成功修飾在Fe3O4上。

2.2 XRD晶體結(jié)構(gòu)分析XRD圖見圖3。

取干燥后的純Fe3O4和Fe3O4@SiO2磁性微球，分別進(jìn)行XRD分析。 由圖3（a）可知，在2θ為30.27°，35.56°，43.26°，53.74°，57.22°，62.88°處出現(xiàn)明顯的特征峰， 分別對應(yīng)反尖晶石型立方相 Fe3O4的（220），（311），（400），（422），（511）和（440）晶面，峰的強度和位置與粉末衍射 PDF 卡（JCP DS No.82-1533）上的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)基本吻合。表明合成的Fe3O4磁性納米顆粒為立方反尖晶石型，且圖中的衍射峰較為尖銳，沒有其他雜質(zhì)峰存在，說明合成的磁性納米粒子結(jié)晶度很好。從圖3（b）可以看出，6個特征峰的位置和寬度基本未發(fā)生改變，說明合成的Fe3O4@SiO2磁性納米顆粒仍然是立方反尖晶石型，晶型沒有發(fā)生改變，F(xiàn)e3O4@SiO2中的SiO2以無定型形式存在。

圖2 Fe3O4（a）、Fe3O4@SiO2（b）的紅外表征

圖3 Fe3O4（a）、Fe3O4@SiO2（b）的 XRD 圖

2.3 熒光發(fā)射光譜

熒光光譜見圖4。

圖4（a）為純的CdSe/CdS量子點熒光發(fā)射光譜圖，當(dāng)激發(fā)波長為360 nm時，其發(fā)射峰位于568 nm處，而接入Fe3O4@SiO2后，其熒光性能減弱且發(fā)射峰發(fā)生了8 nm的藍(lán)移，如圖4（b）所示。引發(fā)這一現(xiàn)象的可能原因是聚陽離子電解質(zhì)PDDA中的季銨基團對CdSe/CdS量子點的影響，這也說明了磁性熒光雙功能納米材料的成功合成。

圖4 CdSe/CdS（a）和 Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS（b）的熒光光譜圖

2.4 磁性能分析

日光磁性表征見圖 5。 圖 5（a）和（b）分別為日光下Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS在磁力架上的側(cè)面圖，可很清楚地看出兩者都具有很強的磁性，能被磁鐵吸附。在具體實驗過程中，可以觀察到Fe3O4@SiO2到Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS呈現(xiàn)出黑色向紅色的變化。圖 5（c）為 Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS 在磁力架上從正面拍攝的圖片，可以看出溶液中的納米粒子紛紛被磁鐵吸引，說明磁性熒光材料已成功合成且具有良好的磁性。

圖5 日光磁性表征圖

圖 6 Fe3O4（a）、Fe3O4@SiO2（b）和 Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS（c）的室溫下VSM表征圖

室溫下 VSM 表征圖見圖 6。 圖 6（a）、（b）、（c）分別為 振 動 樣 品 磁 強 計 測 得 的 Fe3O4、Fe3O4@SiO2、Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS的磁滯回線，其飽和磁化強度分別 53.48、32.44和 20.13 emu·g-1， 修飾過二氧化硅的Fe3O4磁性能明顯減弱是因為表面包覆了一層二氧化硅。Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS雖然飽和強度較低，但是也保留了原始磁性特征，具有良好的磁響應(yīng)性。通過三者的VSM表征圖證明了Fe3O4@SiO2和CdSe/CdS已連接在一起，形成磁性熒光雙功能材料。

2.5 透射電鏡（TEM）分析

TEM圖見圖7。

將產(chǎn)品放于超聲波清洗儀中超聲10 min使其分散均勻，然后將具有碳膜的銅網(wǎng)浸入分散后的產(chǎn)品中，取出烘干后采用透射電子顯微鏡觀測粒子的大小及形貌 。 圖 7 （a）、 （b）、 （c） 分 別 為 制 備 好 的 Fe3O4、Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS的透射電鏡圖。由圖7（a）可看出Fe3O4粒子分散性好，呈球形，粒徑大約35 nm。由圖7（b）可看出二氧化硅包覆后的Fe3O4粒徑在40 nm左右，外觀為球形，其中黑色部分為Fe3O4，周圍灰色區(qū)域為低密度的無定型二氧化硅包覆層。由圖7（c）可看出連接后的復(fù)合材料分散性較好，且粒徑大約50 nm。

2.6 熒光顯微鏡表征

熒光顯微鏡圖見圖8。 取適量CdSe/CdS和Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS溶于無水乙醇中，超聲10 min后，取少量滴在載玻片后自然風(fēng)干。通過熒光顯微鏡拍攝的照片可以看出，純CdSe/CdS量子點熒光性能很好，但是Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS熒光性能有所降低，原因可能是Fe3O4@SiO2對量子點產(chǎn)生一定程度上的淬滅。

圖 7 Fe3O4（a）、Fe3O4@SiO2（b）和 Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS（c）的 TEM 圖

圖 8 CdSe/CdS（a）、Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS（b）的熒光顯微鏡圖

3 結(jié)語

通過化學(xué)共沉淀法制備出Fe3O4納米粒子，進(jìn)一步對其表面改性，制備出二氧化硅包覆的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合微球，采用層層自組裝技術(shù)以聚陽離子電解質(zhì)對硅層表面修飾，聚電解質(zhì)提供正電荷表面進(jìn)而吸附CdSe/CdS量子點制備磁性熒光雙功能微球Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS。通過紅外、XRD、熒光分光光度計、VSM、TEM、熒光顯微鏡等一系列表征，證明該微球粒徑在50 nm左右、室溫條件下、飽和磁強度為20.13 emu·g-1，熒光性能優(yōu)異，且具有可視化、可追蹤化、良好的分散性和生物相容性等優(yōu)點。這種性能優(yōu)異的磁性熒光雙功能復(fù)合材料有望在生命科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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