磁光双功能纳米材料的研究进展

杨程博 于涵 林美娜 周澳 石广森

1. 引言

近年来，随着社会的进步和科学的发展，对纳米材料的性能提出了更高的要求，单一的纳米材料已经不能满足人们的需求。现代材料发展的趋势是将两种或两种以上单一材料合成为一种性能优良的复合材料，使之既包括单一组分的性能，又包括各组分协同作用产生的综合性能，开创了材料设计方面的新局面。磁光双功能纳米材料是一种将磁性材料和发光材料结合为一体，同时具有磁性和发光性能的复合纳米材料，是当今新材料领域的前沿研究课题。因其具有可控的结构和界面相互作用，从而表现出新的物理和化学性质，这些新颖的性质对未来的科技具有重要的应用价值与研究价值。磁光双功能纳米材料能够进行荧光标记和磁性分离，不仅用外部磁场可以操纵，也可以用荧光成像技术即时观察，与单一纳米材料相比，具有更重要的应用价值。

2. 磁光双功能纳米颗粒的制备

目前，对磁光双功能纳米材料的研究主要是针对磁光双功能纳米颗粒的制备、性质以及应用等方面进行探索研究。作为具有广泛发展前景的磁光双功能纳米材料，磁光双功能纳米颗粒不足以满足未来更多、更新、更高的技术需求，难以满足日益增长的应用需求，迫切需要制备具有新型结构的磁光双功能纳米材料[1]。

核壳结构的磁光双功能纳米材料常以发光物质作为壳层，这些发光物质多数为量子点，有机染料分子和稀土掺杂的无机材料。尽管有机染料广泛应用于生物医学领域，但其具有荧光寿命短、光致漂白、染料分子容易聚集、对细胞潜在毒性等缺点，使其实际应用受限。而半导体量子点固有的毒性和在水中稳定性差、容易聚集、生物相容性差等缺点而未能广泛应用。稀土掺杂纳米发光材料具有发光性能独特，荧光寿命长、量子产率高、毒性低、光化学稳定性高等优点，使之成为生物标记的新类型材料。若将稀土掺杂纳米发光材料作为磁光双功能纳米材料的壳层有助于改善量子点、有机染料分子等发光材料在实际应用过程中的不足之处，使磁光双功能纳米材料具有更加广阔的应用前景。磁光双功能纳米材料多以Fe3O4、γ-Fe2O3等磁性物质作为核壳结构的核层[2]。Dr. Latif U. Khan等人[3]制备了Fe3O4@SiO2-Ag@Y2O3：Eu3+纳米颗粒，研究发现，SiO2层可以有效提高样品的荧光性能。Jia等人[4]制备了CoFe2O4/SiO2/Y2O3：Eu3+纳米颗粒，实验结果表明，SiO2层的存在有效地避免了磁性物质对发光物质荧光性能的影响，得到了同时具有良好磁性和发光性能的纳米颗粒。

3. 磁光双功能一维纳米材料的制备

随着科学技术的不断发展，单一形貌的磁光双功能纳米颗粒很难满足生物医学等领域对磁光双功能纳米材料日益增长的需求和要求。因此，制备具有新颖形貌的磁光双功能一维纳米结构材料是亟待解决的问题。目前，磁光双功能一维纳米结构材料已有报道，主要是以Fe3O4颗粒、稀土配合物或者稀土氧化物纳米颗粒为原料，高分子PVP或者PMMA为模板，采用静电纺丝技术制备磁光双功能一维纳米材料。

Ma等人[5]采用静电纺丝法制备了磁光双功能柔性Janus纳米带，Janus结构实现了将磁性物质和发光物质有效分离，避免了磁性物质对发光性能的影响。陈[6]等人采用静电纺丝法制备了钇铁石榴石（YIG）纳米纤维。在750℃下焙烧得到尺寸均匀的纳米纤维，纤维直径大约为100 nm。

4. 总结

磁光双功能纳米材料同时具有磁性和发光性能，将荧光标记和磁性分离合为一体，既可用外部磁场操纵，也可以用荧光成像技术进行即时观察，在生物成像、荧光标记、生物测定、药物传输、医学诊断治疗、生物标记、食品安全、环境监测等领域具有巨大应用前景。

参考文献：

[1]Xuegang Yu， Yan Shan， Guicun Li， et al. Synthesis and characterization of bifunctional magnetic-optical Fe3O4@SiO2@Y2O3：Yb3+， Er3+ near-infrared-to-visible up-conversion nanoparticles. Journal of Materials Chemistry， 2011， 21： 8104-8109.

[2]Wankui Su， Mingyue He， Jun Xing， et al. Facile synthesis of porous bifunctional Fe3O4@Y2O3：Ln nanocomposites using carbonized ferrocene as templates. RSC Advances， 2013， 3： 25970-25975.

[3]Latif U. Khan， Luis F. M. Zambon， Jacinete L. Santos. Red-Emitting Magnetic Nanocomposites Assembled from Ag-Decorated Fe3O4@SiO2 and Y2O3：Eu3+： Impact of Iron Oxide/Silver Nanoparticles on Eu3+ Emission. Chemistryselect， 2018， 3： 1157-1167.

[4]Yanmin Jia， Zhihua Zhou， YongbinWei， et al. Enhanced photoluminescence of core–shell CoFe2O4/SiO2/Y2O3：Eu3+ composite by remanent magnetization. Smart Materials and Structures， 2013， 22： 125014-125020.

[5]Qianli Ma， Wensheng Yu， Xiangting Dong， et al. Janus Nanobelts： Fabrication， Structure and Enhanced Magnetic-Fluorescent Bifunctional Performance. Nanoscale， 2014， 6： 2945-2952.

[6]陳莹莹， 张溪文， 候建梅， 韩高荣. 静电纺丝法制备钇铁石榴石单晶纳米纤维. 微细加工技术， 2008， 1， 35-39.

项目名称：大学生创新创业训练计划项目，项目名称（项目编号：202010191128）

作者简介：杨程博，男，吉林建筑大学材料科学与工程学院本科生

吉林建筑大学材料科学与工程学院 吉林 长春 130118