层层自组装制备Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS磁性荧光双功能材料

王胜男，王秀玲，董淑玲，刘勇健，翁 婷

（苏州科技大学 化学生物与材料工程学院，江苏 苏州215009；江苏省环境功能材料重点实验室，江苏 苏州 215009）

超顺磁性纳米材料Fe3O4由于具有优异的磁性能和相对稳定的化学性质，在靶向药物、磁共振成像、DNA和细胞分离、免疫测定、热疗等方面的应用十分广泛[1-4]。但因其比表面积较大，团聚效应比较明显，很难直接应用，所以对其表面修饰显得至关重要。量子点是零维纳米半导体材料，由少量原子构成，一般情况下它的三维尺度为1 nm-10 nm[5]。因为量子点的荧光性能随量子点的尺寸而变化，并且激发光谱宽、荧光发射光谱窄而对称，荧光发射峰位置可调[6-7]，所以可被应用于体内和体外细胞标记、生物探针及生物传感器等领域[8-9]。

随着社会的发展，单一功能的材料很多方面不能满足复杂的应用要求，不可避免会受到一定的限制，所以磁性纳米材料和荧光量子点的结合有着重要的实际应用意义。这种双功能材料具有磁性和荧光性能，已经成为生物、医学和环境科学等领域的研究热点[10-11]。目前已经有很多学者合成了磁性荧光双功能材料并应用于生物医学领域。Yi等[12]率先采用反相微乳液法，选用聚氧乙烯酚醚和Igepal CO-520作为表面活性剂，将γ-Fe2O3和CdSe同时包埋在SiO2壳层里面，制备出磁性荧光纳米复合微球。Sun[13]采用偶联法制备Fe3O4@CdTe纳米复合材料，应用于癌细胞的免疫标记和荧光成像，证明了该复合材料能有效地识别细胞类型或器官。

目前国内外未见文献报道过采用层层自组装技术制备Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS双功能材料。以往一贯使用的官能团偶联法，由于量子点表面配体容易脱落，会导致荧光淬灭，从而限制了该方法的进一步应用。层层自组装技术可以通过改变聚电解质的层数来调节磁性粒子与量子点之间的距离，从而能够有效地降低磁性粒子对量子点荧光的淬灭，制备出荧光强度高的复合材料，并且该方法对反应物质的限制较少，反应条件温和。孙文通等[14]采用层层自组装技术在磁性纳米粒子表面修饰聚乙二胺和聚天冬氨酸，磁性纳米粒子表面的电荷可以通过包覆的层数和聚电解质溶液的pH值调控。该文采用stober法[15]在Fe3O4粒子表面包覆一层稳定的硅层（SiO2）具有良好的抗分解能力和生物相容性，用SiO2包覆的Fe3O4可以反复使用，不易被氧化，使粒子具有良好的化学稳定性[16]。通过层层自组装技术将聚阳离子电解质PDDA修饰到微球表面，得到表面带大量正电荷的磁性硅球。巯基乙酸不仅作为量子点的修饰剂，而且在CdSe/CdS表面引入大量的负电荷，从而可以与表面富含正电荷的Fe3O4颗粒静电吸附，制备出核壳结构的Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS磁性荧光双功能复合微球。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：七水合硫酸亚铁（FeSO4·7H2O，纯度≥99.0%），六水三氯化铁（FeCl3·6H2O，纯度≥99.0%），巯基乙酸（TGA），硒粉（纯度为99%），聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA），氨丁三醇（AR）购于 Aldrich公司；氨水（24%），硫粉，硼氢化钠，液体石蜡，氧化镉，正己烷，无水乙醇，磷酸二氢钠，磷酸氢二钠等试剂购于国药集团化学试剂有限公司。

仪器：电子天平（YP1201N，上海精密科学仪器有限公司），磁力搅拌器（JB-3，上海雷磁仪器厂），超声波清洗仪（KQ-3000E，上海绿宇精密仪器制造有限公司），荧光分光光度计（LS55，美国PerkinElmer公司），恒温摇床 （HZQ-QB型，苏州威尔实验用品有限公司），傅立叶变换红外光谱仪 （Spectrum BXⅡ型，美国PerkinElmer公司），7410型振动样品磁力计（美国Lake Shore公司），OLYMPUS DP73型荧光显微镜（日本奥林巴斯公司），H-600型透射电子显微镜（日本日立公司），X′Pert-Pro MPD型X射线衍射仪（荷兰帕纳科公司）。

1.2 实验过程

1.2.1 Fe3O4纳米微粒的制备[17]采用化学共沉淀法制备纳米颗粒。分别配制浓度为0.5 mol·L-1的FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O溶液，按Fe2+与Fe3+摩尔比为1∶1.75将上述两种盐溶液混合均匀后倒入三口烧瓶中，搅拌下通入氩气。在70℃下反应30 min后滴加氨水，调节pH为11，在黑色胶状物质生成后继续反应30 min，冷却后用无水乙醇和去离子水交替洗涤至中性，放入烘箱烘干备用。

1.2.2 Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒的制备 由stober法水解制得Fe3O4@SiO2，取上述合成的Fe3O4纳米粒子溶于50 mL 0.1 mol·L-1HCl，超声分散10 min，磁分离出固体后用去离子水洗涤至中性，再将样品分散到80 mL乙醇、20 mL H2O和1 mL NH3·H2O的混合溶液中，在搅拌下逐滴加入0.5 mL TEOS，反应6 h，所得到的纳米粒子用乙醇洗涤后干燥，得到Fe3O4@SiO2磁性纳米粒子。

1.2.3 CdSe/CdS量子点的制备及油相转水相 油相量子点根据文献[18-19]中的方法制备并略做改进。将40 mL的液体石蜡、9.6 mL油酸和20 mmol的CdO依次加入三口烧瓶，在氩气保护下边加热边搅拌。当温度达到150℃时，CdO完全溶解且变成均匀的黄色溶液。在另外一个三口烧瓶中加入Se粉和液体石蜡，边通入氩气边快速搅拌，加热到240℃时，溶液的颜色由黄色渐变成橘红色最后变成红色。将一定量的Cd溶液慢慢加入到Se溶液中，快速搅拌后得到了红色CdSe溶液。此时将温度下降到210℃，然后维持在220℃左右。随后，将S粉、NaBH4固体及无水乙醇，混合均匀后加热搅拌，将生成的硫化氢气体通入CdSe溶液中，反应30 min后即可生成核壳型CdSe/CdS量子点。

取一定量上述制备好的CdSe/CdS溶液于小烧杯中，加入30 mL正己烷，置于磁力搅拌器上搅拌，边搅拌边加入少量巯基乙酸，直至有沉淀析出。吸出上层溶液，用正己烷洗涤数次后自然风干，风干后将其溶于PBS缓冲液中，得到水溶性的CdSe/CdS溶液。

图1 Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS的制备机理图

1.2.4 Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS磁性荧光双功能材料的制备制备机理见图1。

将一定浓度的Fe3O4@SiO2溶液分散到20 mL（0.2%）的PDDA溶液中，混合超声后在磁力搅拌器下搅拌20 min，用磁铁分离洗涤后重新分散在氨丁三醇溶液中。上述步骤重复三次后将包覆四层聚电解质的Fe3O4@SiO2溶液加入到CdSe/CdS溶液中，在摇床上反应过夜，用磁铁分离，洗涤多次后得到Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS磁性荧光双功能材料。

2 结果与讨论

2.1 FT-IR表征分析

红外表征见图2。

图 2 （a）、（b）分别是纯 Fe3O4和 Fe3O4@SiO2的红外谱图。 由图 2 可知，（a）、（b）都存在 579 cm-1左右Fe-O键的吸收峰，3 433 cm-1和1 638 cm-1左右处为 -OH的伸缩振动和弯曲振动吸收峰，表明存在Fe3O4颗粒。图2（b）中在1 081 cm-1处出现的吸收峰为Si-O-Si的伸缩振动吸收峰，表明二氧化硅已经成功修饰在Fe3O4上。

2.2 XRD晶体结构分析XRD图见图3。

取干燥后的纯Fe3O4和Fe3O4@SiO2磁性微球，分别进行XRD分析。 由图3（a）可知，在2θ为30.27°，35.56°，43.26°，53.74°，57.22°，62.88°处出现明显的特征峰， 分别对应反尖晶石型立方相 Fe3O4的（220），（311），（400），（422），（511）和（440）晶面，峰的强度和位置与粉末衍射 PDF 卡（JCP DS No.82-1533）上的标准数据基本吻合。表明合成的Fe3O4磁性纳米颗粒为立方反尖晶石型，且图中的衍射峰较为尖锐，没有其他杂质峰存在，说明合成的磁性纳米粒子结晶度很好。从图3（b）可以看出，6个特征峰的位置和宽度基本未发生改变，说明合成的Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒仍然是立方反尖晶石型，晶型没有发生改变，Fe3O4@SiO2中的SiO2以无定型形式存在。

图2 Fe3O4（a）、Fe3O4@SiO2（b）的红外表征

图3 Fe3O4（a）、Fe3O4@SiO2（b）的 XRD 图

2.3 荧光发射光谱

荧光光谱见图4。

图4（a）为纯的CdSe/CdS量子点荧光发射光谱图，当激发波长为360 nm时，其发射峰位于568 nm处，而接入Fe3O4@SiO2后，其荧光性能减弱且发射峰发生了8 nm的蓝移，如图4（b）所示。引发这一现象的可能原因是聚阳离子电解质PDDA中的季铵基团对CdSe/CdS量子点的影响，这也说明了磁性荧光双功能纳米材料的成功合成。

图4 CdSe/CdS（a）和 Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS（b）的荧光光谱图

2.4 磁性能分析

日光磁性表征见图 5。 图 5（a）和（b）分别为日光下Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS在磁力架上的侧面图，可很清楚地看出两者都具有很强的磁性，能被磁铁吸附。在具体实验过程中，可以观察到Fe3O4@SiO2到Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS呈现出黑色向红色的变化。图 5（c）为 Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS 在磁力架上从正面拍摄的图片，可以看出溶液中的纳米粒子纷纷被磁铁吸引，说明磁性荧光材料已成功合成且具有良好的磁性。

图5 日光磁性表征图

图 6 Fe3O4（a）、Fe3O4@SiO2（b）和 Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS（c）的室温下VSM表征图

室温下 VSM 表征图见图 6。 图 6（a）、（b）、（c）分别为 振 动 样 品 磁 强 计 测 得 的 Fe3O4、Fe3O4@SiO2、Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS的磁滞回线，其饱和磁化强度分别 53.48、32.44和 20.13 emu·g-1， 修饰过二氧化硅的Fe3O4磁性能明显减弱是因为表面包覆了一层二氧化硅。Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS虽然饱和强度较低，但是也保留了原始磁性特征，具有良好的磁响应性。通过三者的VSM表征图证明了Fe3O4@SiO2和CdSe/CdS已连接在一起，形成磁性荧光双功能材料。

2.5 透射电镜（TEM）分析

TEM图见图7。

将产品放于超声波清洗仪中超声10 min使其分散均匀，然后将具有碳膜的铜网浸入分散后的产品中，取出烘干后采用透射电子显微镜观测粒子的大小及形貌 。 图 7 （a）、 （b）、 （c） 分 别 为 制 备 好 的 Fe3O4、Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS的透射电镜图。由图7（a）可看出Fe3O4粒子分散性好，呈球形，粒径大约35 nm。由图7（b）可看出二氧化硅包覆后的Fe3O4粒径在40 nm左右，外观为球形，其中黑色部分为Fe3O4，周围灰色区域为低密度的无定型二氧化硅包覆层。由图7（c）可看出连接后的复合材料分散性较好，且粒径大约50 nm。

2.6 荧光显微镜表征

荧光显微镜图见图8。 取适量CdSe/CdS和Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS溶于无水乙醇中，超声10 min后，取少量滴在载玻片后自然风干。通过荧光显微镜拍摄的照片可以看出，纯CdSe/CdS量子点荧光性能很好，但是Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS荧光性能有所降低，原因可能是Fe3O4@SiO2对量子点产生一定程度上的淬灭。

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

图 8 CdSe/CdS（a）、Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS（b）的荧光显微镜图

3 结语

通过化学共沉淀法制备出Fe3O4纳米粒子，进一步对其表面改性，制备出二氧化硅包覆的核壳结构复合微球，采用层层自组装技术以聚阳离子电解质对硅层表面修饰，聚电解质提供正电荷表面进而吸附CdSe/CdS量子点制备磁性荧光双功能微球Fe3O4@SiO2@CdSe/CdS。通过红外、XRD、荧光分光光度计、VSM、TEM、荧光显微镜等一系列表征，证明该微球粒径在50 nm左右、室温条件下、饱和磁强度为20.13 emu·g-1，荧光性能优异，且具有可视化、可追踪化、良好的分散性和生物相容性等优点。这种性能优异的磁性荧光双功能复合材料有望在生命科学领域得到广泛的应用。

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