董淑玲， 王勝男， 王秀玲， 劉勇健,2

(1. 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；2. 硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)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(diǎn)，在磁共振成像[1]、腫瘤熱療[2]、免疫測(cè)定[3]、蛋白質(zhì)提純[4]及靶向給藥[5]等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但單一磁性材料無法實(shí)現(xiàn)示蹤標(biāo)記，在很大程度上限制了其在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。磁性與其他屬性融合的復(fù)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(fù)合，制備出磁性熒光雙功能納米復(fù)合材料，能實(shí)現(xiàn)磁共振成像和熒光成像，并同時(shí)進(jìn)行磁分離和靶向移動(dòng)，可用來識(shí)別、診斷并治療各種疾病，因此引起了研究者的廣泛關(guān)注與研究[6-9]。

根據(jù)熒光材料的不同，目前報(bào)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(jī)熒光染料[11-12]，有機(jī)熒光染料主要有熒光蛋白、羅丹明類、熒光素等，是最早應(yīng)用于細(xì)胞標(biāo)記的熒光材料。但其熒光穩(wěn)定性差、壽命短、標(biāo)記效率較低且不能實(shí)現(xiàn)多色標(biāo)記。第二種是磁性材料@半導(dǎo)體量子點(diǎn)，半導(dǎo)體量子點(diǎn)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(diǎn)相結(jié)合。半導(dǎo)體量子點(diǎn)耐光漂白、發(fā)射波長可調(diào)控，但是因有熒光易猝滅、重金屬毒性等缺點(diǎn)，一定程度上阻礙了其在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。第三種為磁性材料@稀土金屬，稀土元素?fù)诫s的無機(jī)納米晶，因其低毒性、熒光壽命較長等優(yōu)點(diǎn)引起一些研究者的關(guān)注[17-18]，但其價(jià)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(lǐng)域的應(yīng)用?；谝陨蠠晒獠牧洗嬖诘膯栴}，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(biāo)記物——具有熒光特性的碳量子點(diǎn)(CQDs)[19]。CQDs，一般是指粒徑小于10 nm的準(zhǔn)球形結(jié)構(gòu)的碳納米材料，具有易制備、光學(xué)穩(wěn)定性好、易功能化等優(yōu)點(diǎn)。與其他熒光材料相比，CQDs在生物學(xué)方面的特性，例如低細(xì)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?yīng)用價(jià)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(jià)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(fù)合材料Fe3O4/CA@CQDs。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)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(tuán)，AR。

實(shí)驗(yàn)中使用的主要儀器：LS55型熒光分光光度計(jì)(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(dòng)樣品磁力計(jì)(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(yīng)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(jīng)透析袋(截留量為1 000)透析24 h(每3 h換1次水)，除去雜質(zhì)，得到純CQDs溶液。

2.3 Fe3O4磁性納米顆粒的制備

通過化學(xué)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(hù)，升溫至70 ℃，恒溫一段時(shí)間后，氨水調(diào)節(jié)pH=11，有黑色膠狀物質(zhì)生成，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，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(diào)節(jié)溶液pH=5，60 ℃下反應(yīng)2 h，將得到的黑色沉淀物轉(zhuǎn)移至燒杯，冷卻后用少量丙酮紊凝，除去未反應(yīng)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(chǎn)物，真空干燥，備用。

2.5 Fe3O4/CA@CQDs復(fù)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?fù)u床上反應(yīng)12 h，即得到磁性熒光復(fù)合材料Fe3O4/CA@CQDs，產(chǎn)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(jié)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(dòng)和彎曲振動(dòng)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(jīng)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(shí)，CQDs和Fe3O4/CA@CQDs的熒光光譜圖，可看出連接后的復(fù)合材料熒光強(qiáng)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(lán)移到444 nm，原因可能是連接后的復(fù)合材料相互偶極作用減小，導(dǎo)致偶極矩減小，發(fā)射光譜發(fā)生藍(lán)移。

通過積分球法計(jì)算出Fe3O4/CA@CQDs的量子產(chǎn)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(qiáng)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(qiáng)度較低，但是仍保留了原始磁性特征，具有良好的磁響應(yīng)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(guān)，對(duì)Fe3O4的修飾和連接上CQDs，都會(huì)導(dǎo)致飽和磁化強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)卡片進(jìn)行對(duì)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(jīng)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(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖7所示。純CQDs熒光性能優(yōu)異，連接后的復(fù)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(duì)CQDs產(chǎn)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(chǎn)品超聲20 min滴在具有碳膜的銅網(wǎng)上，用紅外光烘干后置于透射電子顯微鏡下測(cè)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(dá)到30～40 nm左右，為核殼結(jié)構(gòu)。

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(jié) 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(fù)合材料。對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4/CA@CQDs具有優(yōu)良的磁響應(yīng)性及相對(duì)熒光強(qiáng)度，飽和磁化強(qiáng)度為20.14 A·m2·kg-1，粒徑約為30～40 nm，經(jīng)過計(jì)算，該復(fù)合材料量子產(chǎn)率達(dá)20.64%。以CQDs作為熒光材料的磁性熒光復(fù)合材料，有望在免疫分析、醫(yī)藥傳遞、細(xì)胞診斷與分離等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。