習(xí)志江，劉暢，劉婕

(長(zhǎng)江大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

自組裝型金磁復(fù)合顆粒的制備與表征

習(xí)志江，劉暢，劉婕

(長(zhǎng)江大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

基于磁性納米顆粒的磁分離具有操作簡(jiǎn)單、分離速度快、易實(shí)現(xiàn)功能化、不影響分離物質(zhì)的活性等優(yōu)越的理化性質(zhì)和生物相容性。金納米顆粒作探針載體時(shí)可負(fù)載多個(gè)信號(hào)分子，從而對(duì)靶分子的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大。將磁性納米顆粒和金納米顆粒結(jié)合制備的金磁復(fù)合顆粒，既具有快速磁分離的優(yōu)點(diǎn)，又具有金納米顆粒對(duì)靶分子的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的作用。采用自組裝技術(shù)制備了金磁復(fù)合顆粒，并對(duì)所制備的金納米顆粒和金磁復(fù)合顆粒進(jìn)行了各種表征。結(jié)果表明，制備的金納米顆粒大小比較均勻且性能穩(wěn)定，通過(guò)自組裝技術(shù)金納米顆粒成功共價(jià)結(jié)合在Fe3O4@SiO2磁性顆粒表面，所制備的金磁復(fù)合顆粒具有良好的磁響應(yīng)性。

自組裝；磁性納米顆粒；金納米顆粒；金磁復(fù)合顆粒；制備；表征

納米技術(shù)是一門(mén)研究尺寸在1～100nm范圍內(nèi)的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及實(shí)際應(yīng)用的新的科學(xué)技術(shù)，主要包括納米材料、納米器件、納米機(jī)器、納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工組裝以及相應(yīng)的檢測(cè)表征技術(shù)和方法等。其中，納米材料因具有不同于其他材料的優(yōu)異性能以及廣闊的應(yīng)用前景而成為當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，納米材料學(xué)也被稱(chēng)為21世紀(jì)“最有前途的材料學(xué)”。隨著納米技術(shù)與磁學(xué)的結(jié)合，磁性納米材料出現(xiàn)了許多新的性質(zhì)與現(xiàn)象，已成為人們研究的熱點(diǎn)。磁性納米顆粒(magnetic nanoparticles, MNPs)主要包括磁性合金(如CoPt3、FePt)、鐵的氧化物(如Fe3O4、γ-Fe2O3)以及其他磁性復(fù)合物等，其中Fe3O4和γ-Fe2O3應(yīng)用最為廣泛。隨著MNPs合成技術(shù)的發(fā)展，已成功研發(fā)出了各種制備MNPs的方法，如溶劑熱法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法等[1～4]。MNPs具有粒徑小、比表面積大、易表面修飾等特點(diǎn)，還具有特有的磁響應(yīng)性，可在恒定磁場(chǎng)下聚集和定位，在交變磁場(chǎng)下吸收電磁波產(chǎn)熱，已被廣泛應(yīng)用于核磁共振成像、生物標(biāo)記與分離、疾病檢測(cè)與診斷以及藥物載體等領(lǐng)域?；贛NPs的磁分離具有操作簡(jiǎn)單、分離速度快、易實(shí)現(xiàn)功能化、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及不影響分離物質(zhì)的活性等優(yōu)越的理化性質(zhì)和生物相容性[5～7]。由于納米顆粒比表面積很大，其表面活性極高，容易發(fā)生團(tuán)聚和氧化，所以在實(shí)際研究和應(yīng)用中經(jīng)常在其表面進(jìn)行各種功能化修飾。修飾后的納米顆粒，不僅改善了表面性質(zhì)，降低了表面活性，且由于其表面靜電效應(yīng)使顆粒之間發(fā)生排斥作用，氧化和團(tuán)聚現(xiàn)象得到抑制，而且還可以改變其表面功能基團(tuán)，使其帶上一些與生物體比較相容的基團(tuán)，可更好地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

金納米顆粒(gold nanoparticles, AuNPs)是指直徑在1～100nm范圍內(nèi)的金微小顆粒，一般為分散在水中的水溶膠，故又稱(chēng)膠體金。與其他納米顆粒一樣，金納米顆粒也表現(xiàn)出一些獨(dú)特的理化性質(zhì)，如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等。金納米顆粒的表面效應(yīng)使它具有良好的催化性能，已成為納米催化材料的一個(gè)典型代表。而金納米顆粒的小尺寸效應(yīng)導(dǎo)致了它具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)——表面等離子體共振(surface plasma resonance, SPR)，在520nm左右金納米顆粒有強(qiáng)SPR吸收，其吸收峰的等離子共振常隨著尺寸的變化而發(fā)生頻移，使其溶液的顏色發(fā)生從橘紅色到紫紅色的相應(yīng)變化[8]，有利于肉眼觀察。此外，金納米顆粒能迅速、穩(wěn)定地與核酸和蛋白質(zhì)等生物分子結(jié)合，而幾乎不影響這些分子的生物活性[9]，所以金納米顆粒是優(yōu)良的生物分子載體。金納米顆粒標(biāo)記技術(shù)實(shí)質(zhì)上是蛋白質(zhì)等高分子被吸附到金納米顆粒表面的包被過(guò)程，它可以與牛血清白蛋白、免疫球蛋白、糖蛋白、毒素和酶等非共價(jià)結(jié)合。

目前，有許多金磁復(fù)合顆粒(gold-coated magnetic nanocomposites, GMNPs)的研究報(bào)道，其制備方法主要有微乳液法、超聲化學(xué)還原法、自組裝技術(shù)和種子生長(zhǎng)法等[10～13]。相比之下，自組裝技術(shù)不需要復(fù)雜的過(guò)程，能夠簡(jiǎn)便快速合成GMNPs：首先制備金納米顆粒、以及氨基或巰基修飾的MNPs，然后通過(guò)靜電吸附作用或共價(jià)作用將金納米顆粒吸附在MNPs表面。金納米顆粒與巰基和氨基有很強(qiáng)的共價(jià)結(jié)合力，而且通過(guò)靜電吸附作用，帶負(fù)電的金納米顆粒能夠自組裝吸附在氨基修飾的帶正電的MNPs表面。

在傳統(tǒng)檢測(cè)方法中，在探針的一端只標(biāo)記一個(gè)信號(hào)分子，而金納米顆粒作探針載體時(shí)可負(fù)載多個(gè)信號(hào)分子，從而對(duì)目標(biāo)靶分子的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大[9]。因此，將磁性納米顆粒和金納米顆粒結(jié)合制備的金磁復(fù)合顆粒，既具有快速磁分離的優(yōu)點(diǎn)，又具有金納米顆粒對(duì)靶分子的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的作用。下面，筆者采用自組裝技術(shù)制備金磁復(fù)合顆粒，并對(duì)所制備的金納米顆粒和金磁復(fù)合顆粒進(jìn)行了各種表征。

1 制備

1.1 試劑與儀器

1)試劑 六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)、乙酸銨(CH3COONH4)、乙二醇、正硅酸四乙酯(TEOS)、氨水、無(wú)水乙醇、氯金酸(HAuCl4)、二水檸檬酸三鈉、3-巰丙基三乙氧基硅烷(MPTES)等，以上化學(xué)試劑均為分析純。

2)儀器設(shè)備 電子天平(BSA124S，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-914385-Ⅲ，上海新苗醫(yī)療器械有限公司)、超聲清洗機(jī)(KS-2500，寧波科生儀器廠)、恒速攪拌器(S-212，上海申勝生物技術(shù)有限公司)、透射電子顯微鏡(JEM-2200CX，日本Hitachi公司)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(7407，美國(guó)Lakeshore公司)、紫外可見(jiàn)分光光譜儀(UV-1800，日本Shimadzu公司)、Zeta電位與粒度分析儀(Nano-ZS，英國(guó)Malvern公司)等。

1.2 Fe3O4@SiO2磁性納米顆粒的制備

首先采用軟模板法制備Fe3O4磁性納米顆粒[14～16]，然后采用經(jīng)典St?ber法[17～19]并進(jìn)行改進(jìn)后在Fe3O4顆粒表面包覆一層SiO2。

1.3 金納米顆粒的制備與表征

還原法制備金納米顆粒通常是在含有Au(Ⅲ)的溶液中，加入不同種類(lèi)的還原劑，使Au(Ⅲ)被還原而聚集成直徑為納米級(jí)的金納米顆粒。在選用同一種還原劑時(shí)，其粒徑大小可通過(guò)對(duì)還原劑的用量來(lái)控制，用量大小與金納米顆粒的粒徑大小成反比。

圖1 自組裝金磁復(fù)合顆粒制備示意圖

研究采用檸檬酸鈉還原法[20～22]制備金納米顆粒，具體過(guò)程如下：帶冷凝管的燒瓶?jī)?nèi)先加入去離子水，幾分鐘后加入一定量的1%的氯金酸溶液，劇烈攪拌下加熱至沸騰；然后加入適量的檸檬酸鈉溶液，1～2min后溶液變?yōu)樯罴t色；變色后繼續(xù)回流15min，然后讓其自然冷卻至室溫，即得到金納米顆粒混懸液。

分別采用透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)、紫外可見(jiàn)分光光譜儀和Zeta電位與粒度分析儀對(duì)所制備的金納米顆粒的形貌、紫外吸收峰及Zeta電位進(jìn)行表征。

1.4 自組裝型金磁復(fù)合顆粒的制備

圖1為表面巰基修飾的Fe3O4@SiO2顆粒與金納米顆粒自組裝制備金磁復(fù)合顆粒示意圖。

首先，采用3-巰丙基三甲氧基硅烷(3-mercaptopropyltriethoxysilane, MPTES)對(duì)Fe3O4@SiO2顆粒進(jìn)行表面巰基修飾[23～27]。取上述制備的Fe3O4@SiO2顆粒，磁分離后用95%的乙醇溶解并超聲30min，然后倒入三頸燒瓶中；在200r/min和通N2保護(hù)下，逐滴加入一定量的MPTES和氨水，反應(yīng)4h，修飾巰基；用無(wú)水乙醇反復(fù)清洗產(chǎn)物直至無(wú)MPTES的氣味，再用去離子水清洗2遍，最后溶解在95%的無(wú)水乙醇中，獲得表面巰基修飾的Fe3O4@SiO2顆粒。

然后，取上述表面巰基修飾的Fe3O4@SiO2顆粒，超聲30min，逐漸加入制備好的金納米顆粒，放在37℃、180r/min的搖床中，直至磁分離上清液有略微紅色為此，得到自組裝型金磁復(fù)合顆粒。用去離子水反復(fù)清洗5次，最后金磁復(fù)合顆粒分散于去離子水中。

2 表征

采用透射電子顯微鏡(TEM)和振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(Vibrating Sample Magnetometer, VSM)分別對(duì)金磁復(fù)合顆粒的形貌及磁響應(yīng)性進(jìn)行表征。

2.1 金納米顆粒的形貌、紫外吸收峰和Zeta電位

圖2 金納米顆粒TEM圖

圖3 不同稀釋倍數(shù)的金納米顆粒紫外吸收峰

通過(guò)控制檸檬酸鈉的用量，可獲得不同粒徑大小的金納米顆粒。圖2為采用檸檬酸鈉還原法制備的金納米顆粒TEM圖，其形態(tài)基本為圓形且粒徑大小分布均勻(15nm左右)，表明所制備的金納米顆粒大小可控且比較均一。

所制備的金納米顆粒稀釋成不同的倍數(shù)，測(cè)定其紫外吸收，結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出，不同稀釋倍數(shù)的金納米顆粒均在523nm有一吸收峰，其濃度越大，峰值就越大，表明所制備的金納米顆粒具有一致性且性能穩(wěn)定。

Zeta電位是對(duì)顆粒之間相互排

斥力或吸引力的強(qiáng)度的度量，是表征膠體分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。Zeta電位絕對(duì)值越高，體系越穩(wěn)定，即排斥力超過(guò)了吸引力，分散可以抵抗聚集；反之，Zeta電位絕對(duì)值越低，越傾向于凝聚，即吸引力超過(guò)了排斥力，分散被破壞而發(fā)生凝聚[28]。采用不同方法制備的金納米顆粒，其Zeta電位有些為正值，有些為負(fù)值。圖4為金納米顆粒Zeta電位分布圖，從圖4可看出，采用檸檬酸鈉還原法制備的金納米顆粒Zeta電位為負(fù)值，這是因?yàn)椴捎迷摲椒ㄖ苽涞慕鸺{米顆粒表面含有檸檬酸根(C5H7O5COO—)，而且其電位比較高，峰值為-42.7mV，所以金納米顆粒不易發(fā)生凝聚，具有良好的穩(wěn)定性。

圖4 金納米顆粒Zeta電位分布圖

2.2 自組裝型金磁復(fù)合顆粒的形貌及磁響應(yīng)性

圖5 金磁復(fù)合顆粒TEM圖

圖6 Fe3O4@SiO2磁性顆粒和Fe3O4@SiO2@Au復(fù)合顆粒的磁滯回歸曲線

巰基修飾的Fe3O4@SiO2顆粒與金納米顆粒通過(guò)二硫鍵共價(jià)結(jié)合自組裝為金磁復(fù)合顆粒，圖5為其TEM圖。從圖5中可清晰看出，在SiO2表面共價(jià)結(jié)合有許多金納米顆粒，但未形成明顯的核殼結(jié)構(gòu)。

Fe3O4磁性納米顆粒具有磁響應(yīng)性，通過(guò)施加外磁場(chǎng),可以方便、快速地從反應(yīng)介質(zhì)中分離，而且不影響分離物質(zhì)的活性?？刹捎谜駝?dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)定Fe3O4磁性顆粒的磁滯回歸曲線，也可簡(jiǎn)單用磁鐵測(cè)試Fe3O4磁性顆粒的磁性強(qiáng)弱。圖6為Fe3O4@SiO2磁性顆粒和Fe3O4@SiO2@Au復(fù)合顆粒的磁滯回歸曲線，F(xiàn)e3O4@SiO2磁性顆粒具有很強(qiáng)的磁響應(yīng)性；結(jié)合金納米顆粒后的Fe3O4@SiO2@Au復(fù)合顆粒磁性略微有所下降，這是因?yàn)镕e3O4@SiO2磁性顆粒表面吸附了金納米顆粒所致，但仍然具有良好的磁響應(yīng)性可用于磁分離。

3 結(jié)語(yǔ)

Fe3O4磁性納米顆粒易被氧化而失去磁性，而且由于其表面活性高、粒子之間磁偶極相互作用，使得它易發(fā)生團(tuán)聚，因此必須對(duì)其進(jìn)行表面改性。對(duì)Fe3O4磁性顆粒進(jìn)行表面包覆SiO2修飾后，大大增強(qiáng)了其穩(wěn)定性，并提高了它在水溶液中的分散性和生物相容性；同時(shí)如果進(jìn)一步與其他化學(xué)基團(tuán)、納米顆粒等結(jié)合，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)磁性納米顆粒的功能化。金納米顆粒能迅速、穩(wěn)定地與核酸和蛋白質(zhì)等生物分子結(jié)合，而幾乎不影響這些分子的生物活性，是優(yōu)良的生物分子載體。而且，以金納米顆粒作探針載體可以負(fù)載多個(gè)信號(hào)分子，從而對(duì)靶分子的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大。

在貴金屬中，金由于其低活性和易被含有巰基的化學(xué)或生物分子修飾的特點(diǎn)，成為磁性納米顆粒優(yōu)良的包覆材料之一。Fe3O4@SiO2磁性顆粒表面巰基修飾后可以與金納米顆粒通過(guò)二硫鍵共價(jià)結(jié)合自組裝為金磁復(fù)合顆粒。近些年來(lái)，由于金磁復(fù)合顆粒具有良好的生物相容性、快速的磁響應(yīng)性、無(wú)需偶聯(lián)劑而易于和生物分子結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于磁分離、固定化、分子檢測(cè)、靶向藥物和磁共振成像等諸多領(lǐng)域。筆者研究制備了大小比較均勻且性能穩(wěn)定的金納米顆粒，并通過(guò)自組裝技術(shù)成功制備了Fe3O4@SiO2@Au復(fù)合顆粒，盡管其磁性比Fe3O4@SiO2磁性顆粒略微有所下降，但仍然具有良好的磁響應(yīng)性，可用于磁分離。

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[編輯] 洪云飛

2016-10-15

湖北省衛(wèi)生計(jì)生科研基金資助項(xiàng)目(WJ2016-YZ-02)。

習(xí)志江(1977-)，男，博士，講師，現(xiàn)主要從事納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的分子檢測(cè)及靶向治療等方面的研究工作,xizhijiang@163.com。

TB383；R318

A

1673-1409(2017)01-0026-05

[引著格式]習(xí)志江，劉暢，劉婕.自組裝型金磁復(fù)合顆粒的制備與表征[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(1)：26～30.