Fe3O4/CA@CQDs磁性熒光復合材料的制備及表征

董淑玲， 王勝男， 王秀玲， 劉勇健,2

(1. 蘇州科技大學 化學生物與材料工程學院， 江蘇 蘇州 215009；2. 硅湖職業(yè)技術學院， 江蘇 蘇州 215332)

1 引 言

近年來，F(xiàn)e3O4磁性納米材料因其低居里溫度、超順磁性、尺寸可控以及良好的生物相容性等特點，在磁共振成像[1]、腫瘤熱療[2]、免疫測定[3]、蛋白質提純[4]及靶向給藥[5]等眾多領域有著廣泛的應用前景。但單一磁性材料無法實現(xiàn)示蹤標記，在很大程度上限制了其在生物領域的應用。磁性與其他屬性融合的復合納米材料打開了多功能新型納米材料的大門，比如，磁性材料與熒光材料復合，制備出磁性熒光雙功能納米復合材料，能實現(xiàn)磁共振成像和熒光成像，并同時進行磁分離和靶向移動，可用來識別、診斷并治療各種疾病，因此引起了研究者的廣泛關注與研究[6-9]。

根據熒光材料的不同，目前報道的磁性熒光雙功能材料主要有3種[10]。第一種是磁性材料@有機熒光染料[11-12]，有機熒光染料主要有熒光蛋白、羅丹明類、熒光素等，是最早應用于細胞標記的熒光材料。但其熒光穩(wěn)定性差、壽命短、標記效率較低且不能實現(xiàn)多色標記。第二種是磁性材料@半導體量子點，半導體量子點是Ⅱ～Ⅵ族、Ⅲ～Ⅴ族元素組成的納米粒子，常用的有CdTe、CdSe、CdS、ZnS、InP、InAs等，主要采用包覆法[13]、偶聯(lián)法[14-15]、種晶生長法[16]將納米磁性材料和熒光量子點相結合。半導體量子點耐光漂白、發(fā)射波長可調控，但是因有熒光易猝滅、重金屬毒性等缺點，一定程度上阻礙了其在生命科學領域的應用。第三種為磁性材料@稀土金屬，稀土元素摻雜的無機納米晶，因其低毒性、熒光壽命較長等優(yōu)點引起一些研究者的關注[17-18]，但其價格昂貴、資源稀少，在一定程度上限制了其在生物醫(yī)藥等領域的應用。基于以上熒光材料存在的問題，尋找一種熒光性能優(yōu)異且生物相容性好的熒光材料成為科研工作者們急需解決的問題。

隨著納米科技的發(fā)展，出現(xiàn)了新的生物標記物——具有熒光特性的碳量子點(CQDs)[19]。CQDs，一般是指粒徑小于10 nm的準球形結構的碳納米材料，具有易制備、光學穩(wěn)定性好、易功能化等優(yōu)點。與其他熒光材料相比，CQDs在生物學方面的特性，例如低細胞毒性和高生物相容性[20]，使其在生物成像、生物傳感以及生物分子/藥物傳輸?shù)确矫嬗懈叩臐撛趹脙r值[21-23]。

本研究以CQDs為熒光材料，乙二胺為偶聯(lián)劑，通過共價鍵偶聯(lián)法與檸檬酸修飾的Fe3O4磁性納米顆粒連接，首次制備了CQDs磁性熒光納米復合材料Fe3O4/CA@CQDs。

2 實 驗

2.1 實驗試劑與儀器

采用的主要藥品：七水合硫酸亞鐵、六水三氯化鐵購于阿拉丁，AR；氨水、檸檬酸和無水乙二胺購于國藥集團，AR。

實驗中使用的主要儀器：LS55型熒光分光光度計(美國PE)；Spectrum BXⅡ傅里葉變換紅外光譜儀(美國PE)；Xpert-pro MPD型X射線衍射(荷蘭帕納科公司)；DP73型熒光顯微鏡(日本奧林巴斯公司)；TecnaiG220型透射電鏡(美國PEI)；7410型振動樣品磁力計(美國Lake Shore公司)。

2.2 CQDs溶液的制備

采用一步水熱法合成CQDs[24]。稱取2.1 g檸檬酸溶于50 mL去離子水，倒入反應釜，加熱至200 ℃，并保溫5 h，冷卻至室溫后離心，取淡黃色上清液，經透析袋(截留量為1 000)透析24 h(每3 h換1次水)，除去雜質，得到純CQDs溶液。

2.3 Fe3O4磁性納米顆粒的制備

通過化學共沉淀法制備Fe3O4納米粒子[25]。按Fe2+與Fe3+的量比為1∶1.75，將FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O溶液混合均勻，倒入三口燒瓶中，攪拌，氬氣保護，升溫至70 ℃，恒溫一段時間后，氨水調節(jié)pH=11，有黑色膠狀物質生成，繼續(xù)反應30 min，冷卻后用無水乙醇和去離子水交替洗滌至中性，真空干燥后備用。

2.4 Fe3O4/CA磁性納米顆粒的制備

上述制備好的Fe3O4顆粒加入到0.3 mol/L檸檬酸溶液中，調節(jié)溶液pH=5，60 ℃下反應2 h，將得到的黑色沉淀物轉移至燒杯，冷卻后用少量丙酮紊凝，除去未反應的檸檬酸，繼續(xù)用去離子水和無水乙醇交替洗滌數(shù)次，磁鐵分離收集產物，真空干燥，備用。

2.5 Fe3O4/CA@CQDs復合材料的制備

稱取少量Fe3O4/CA磁性納米顆粒于pH=7.4的PBS緩沖溶液中，加入30 mL CQDs溶液，攪拌均勻，超聲分散20 min。再用移液槍吸取適量乙二胺偶聯(lián)劑加入到混合液中，置于恒溫搖床上反應12 h，即得到磁性熒光復合材料Fe3O4/CA@CQDs，產品分離洗滌后放烘箱烘干。合成過程如圖1所示。

圖1 Fe3O4/CA@CQDs的合成路線

3 結果與討論

3.1 紅外光譜分析

圖3為檸檬酸改性前后的Fe3O4紅外光譜表征圖。由圖3曲線a可知，580 cm-1為Fe—O的特征吸收峰，3 449 cm-1和1 636 cm-1為—OH的伸縮振動和彎曲振動吸收峰，說明成功合成了Fe3O4。由曲線b可知，1 630 cm-1和1 398 cm-1附近的吸收峰為典型的羧酸鹽吸收峰，F(xiàn)e—O的特征峰位置未變，證明檸檬酸已經成功修飾在Fe3O4的表面。

圖2 CQDs的紅外光譜

圖3 Fe3O4(a)與Fe3O4/CA(b)的紅外光譜

3.2 熒光光譜分析

圖4為激發(fā)波長360 nm時，CQDs和Fe3O4/CA@CQDs的熒光光譜圖，可看出連接后的復合材料熒光強度降低，但仍具有良好的熒光性能。

圖4 CQDs(a)與Fe3O4/CA@CQDs(b)的熒光光譜

Fig.4 Fluorescence spectra of CQDs(a) and Fe3O4/CA@CQDs(b)

熒光發(fā)射峰由448 nm藍移到444 nm，原因可能是連接后的復合材料相互偶極作用減小，導致偶極矩減小，發(fā)射光譜發(fā)生藍移。

通過積分球法計算出Fe3O4/CA@CQDs的量子產率為20.64%。

3.3 磁性能分析

Fe3O4、Fe3O4/CA和Fe3O4/CA@CQDs的磁化曲線如圖5所示，它們的飽和磁化強度分別為53.52,32.46,20.14 A·m2·kg-1，修飾了檸檬酸的Fe3O4磁性能明顯減弱，F(xiàn)e3O4/CA@CQDs雖然飽和磁化強度較低，但是仍保留了原始磁性特征，具有良好的磁響應性。研究表明，F(xiàn)e3O4磁性納米顆粒的磁性與粒子的尺寸和表面環(huán)境有關，對Fe3O4的修飾和連接上CQDs，都會導致飽和磁化強度降低。

圖5 室溫下Fe3O4(a)、Fe3O4/CA(b)和Fe3O4/CA@CQDs(c)的磁化率曲線。

Fig.5 Magnetization curves at room temperature of Fe3O4(a)， Fe3O4/CA(b) and Fe3O4/CA@CQDs(c).

3.4 XRD分析

圖6中a、b曲線分別為Fe3O4和Fe3O4/CA的XRD圖，其中曲線a和b均在2θ=30.21°、35.69°、43.28°、53.79°、57.36°和62.84°處出現(xiàn)了典型的衍射峰，與Fe3O4的標準卡片進行對照，與晶面(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)的衍射峰一致，可以說明磁性Fe3O4納米顆粒已經成功制備，且檸檬酸修飾后的Fe3O4的晶型并未發(fā)生改變。

圖6 Fe3O4 (a)和Fe3O4/CA(b)的XRD譜

3.5 熒光顯微鏡表征

分別取少量CQDs和Fe3O4/CA@CQDs滴在載玻片上，自然晾干后用熒光顯微鏡進行觀測，結果如圖7所示。純CQDs熒光性能優(yōu)異，連接后的復合材料Fe3O4/CA@CQDs的分散性較好，但熒光性能有所降低，原因可能是Fe3O4/CA對CQDs產生了一定程度的猝滅。

圖7 CQDs(a)和Fe3O4/CA@CQDs(b)的熒光顯微鏡圖

Fig.7 Fluorescence microscopy images of CQDs(a) and Fe3O4/CA@CQDs(b)

3.6 透射電子顯微鏡表征

將產品超聲20 min滴在具有碳膜的銅網上，用紅外光烘干后置于透射電子顯微鏡下測試。Fe3O4/CA和Fe3O4/CA@CQDs的TEM圖如圖8所示。Fe3O4/CA形貌接近球形，分散狀況較好；Fe3O4/CA@CQDs的平均粒徑增大很多，達到30～40 nm左右，為核殼結構。

圖8 Fe3O4/CA(a)和Fe3O4/CA@CQDs(b)的TEM圖

Fig.8 TEM images of Fe3O4/CA(a) and Fe3O4/CA@CQDs(b)

4 結 論

采用一步水熱法合成CQDs，通過乙二胺偶聯(lián)劑與檸檬酸修飾的Fe3O4(Fe3O4/CA)連接，成功制備出Fe3O4/CA@CQDs磁性熒光復合材料。對其結構和性能進行了表征，結果表明，F(xiàn)e3O4/CA@CQDs具有優(yōu)良的磁響應性及相對熒光強度，飽和磁化強度為20.14 A·m2·kg-1，粒徑約為30～40 nm，經過計算，該復合材料量子產率達20.64%。以CQDs作為熒光材料的磁性熒光復合材料，有望在免疫分析、醫(yī)藥傳遞、細胞診斷與分離等生物醫(yī)學領域得到廣泛應用。