MoS2/Fe3O4/Au复合材料制备及多功能生物探针

张婷，吉于今，楚学影

（长春理工大学 物理学院，长春 130022）

随着新型冠状病毒疫情的突发，快速超灵敏检测显得尤为重要。因此，迫切需要开发一种材料能够实现快速和超灵敏的特点。近年来，类似石墨烯结构的MoS2凭着具有良好的生物相容性、比表面积大、荧光淬灭及好修饰等优点，获得广大研究者的关注［1-2］。基于现有的报道，MoS2纳米材料已被广泛用于生物医学领域［3］。2015年MAO K等人［4］首次采用单层MoS2作为荧光猝灭剂，设计一种具有良好的稳定性、选择性的检测方法。2018年，本课题组利用过渡金属二硫化物对人IgG分子实现浓度为1 fM的拉曼检测，检测时间为1 h［5］。也可见到基于过渡金属 MoS2进行心肌肌钙蛋白Ⅰ［6］、抗原 19-9［7］、乙型肝炎病毒［8］等生物分子检测的报道。因此，过渡金属MoS2作为标记物在生物检测上具有很大应用潜能。

Fe3O4磁性纳米粒子具有良好的生物相容性［9］，并可以响应外部磁场，从复杂系统中快速地富集生物分子，进而缩短了生物分子的检测时间。近年来，Fe3O4超顺磁性纳米粒子作为分离、快速捕获目标分子的材料被广泛应用在生物检测中［10］。该方法是一种绿色、经济且简便的技术。其中，大多数为Fe3O4纳米粒子与Ag或Au纳米粒子结合，由于局部表面等离子体共振，金属颗粒纳米间隙的等离子体增强了非弹性散射拉曼信号，使表面增强拉曼散射（SERS）成为可能［11-12］。

由于SERS的荧光背景低、可实现痕量无损检测的优越性，受到普遍关注和重视［13］。但是，其增强机制需要以金属（Au或 Ag）辅助［14］。然而共振拉曼散射（RRS）不需要金属辅助，利用激发波长和电子跃迁吸收波长的重叠，使拉曼散射强度提高106倍，进而提高了灵敏度和选择性，可以选择性地分析复杂体系中相对较少的分子。除此之外，Au纳米粒子具有良好的生物相容性，无需表面修饰，易与生物分子偶联。因此，利用MoS2具有良好共振拉曼信号特点、贵金属Au的生物相容性优势及Fe3O4超顺磁性纳米粒子的磁富集特点与RRS整合，有望制备出一种能实现低浓度高灵敏的快速生物检测的多功能材料。

因此，本文利用水热法、共沉淀法和热还原法结合制备多功能纳米复合材料（MoS2/Fe3O4/Au）。分析了Fe3O4超顺磁性纳米粒子与Au纳米粒子引入后对拉曼光谱的影响。利用VSM对多功能复合材料的磁学性质分析。最后，以多功能材料为基础构建了人IgG拉曼探针，验证了探针的“磁-生物-拉曼”的多功能性。

1 实验

1.1 实验材料

FeCl3·6H2O、FeSO4·7H2O、硫脲和四水 合 钼酸铵购于阿拉丁试剂公司。氢氧化钠购于国药集团化学试剂有限公司。四氯金酸和硼氢化钠购于阿法埃莎有限公司。人IgG购于北京鼎国昌盛生物科技有限公司。去离子水由型号为BYJ-82超纯水机制备。无水乙醇购自于天津市富宇精细有限公司。

1.2 实验方案

1.2.1 多功能材料制备

Fe3O4纳米颗粒制备是根据Tong组实验方案稍作修改获得［15］。将 2.7 g FeCl3·6H2O 和2.7 g的FeSO4·7H2O放入200 mL去离子水中，在通入氮气的情况下，机械搅拌15 min。随后加入2 M NaOH溶液使反应溶液达到pH=10后，继续搅拌30 min。将获得样品置于30 mL排氧的去离子水中待用。

经过多组实验条件的探究，获得最优的制备方案。MoS2/Fe3O4制备过程是先将0.35 g的四水合钼酸铵和0.76 g硫脲放入15 mL去离子水中超声5 min。随后加入制备好的Fe3O4纳米颗粒，继续超声15 min后转移到30 mL的特氟龙反应釜中，200℃下保持8 h。将获得样品磁分离后用水和无水乙醇分别清洗三次，分散在15 mL的去离子水中。

在70℃情况下，将10 mL的MoS2/Fe3O4纳米复合材料与不同比例的四氯金酸（300 μL，3 mL）机械搅拌30 min。随后，加入1 mg/mL的硼氢化钠溶液继续机械搅拌30 min。最后，多功能材料（MoS2/Fe3O4/Au）磁分离并用去离子水和无水乙醇分别清洗三次。

1.2.2 多功能生物探针制备

取200 μL上述制备好的MoS2/Fe3O4/Au多功能材料磁分离后，分散在3 mL的去离子水中。随后，取出200 μL的上述样品与等体积1 nM的人IgG（抗体）混合。在37℃条件下将其放入摇床中轻轻振荡1 h，使多功能材料与抗体偶联获得多功能生物探针。最后将多功能生物探针用去离子水清洗三次，真空冻干24 h。

1.3 表征手段

使用X射线衍射（XRD，D/MAX-Ultima）获得样品结构特征。通过透射电子显微（TEM，TecnaiG220S Twin，USA）对样品的形貌进行表征。拉曼（Raman）光谱是采用 Lab Ram HR共焦拉曼光谱仪获得。利用振动样品磁强计（736-VSM，Ohio，USA）对样品磁性表征。通过型号为JSM-6010LA的扫描电子显微镜获得元素信息（EDS）。利用型号为iS50的傅里叶变换红外光谱仪对样品进行基团分析（FTIR）。

2 结果与讨论

2.1 多功能复合材料的表征

为了确定样品的晶体结构，对不同比例Au的MoS2/Fe3O4/Au多功能复合材料进行XRD表征，结果如图1所示。从图1（a）中可以看出2θ位于13.9°、33.2°、38.7°、58.0°的衍射峰归因于 MoS2的（002）、（100）、（103）和（110）的晶面，与标准卡PDF#37-1492 相对应。位于 29.5°、31.8°、35.4°、42.4°、53.2°、56.9°、62.6°的衍射峰与标准卡 PDF#72-2303的峰值基本吻合，分别对应于Fe3O4超顺磁性纳米粒子的（220）、（311）、（222）、（400）、（422）、（511）、（440）的晶面。然而，在利用300 μL的四氯金酸进行多功能复合材料制备时，由于Au的含量较少，导致XRD图谱中Au的衍射峰很弱。为了复合更多的Au纳米粒子得到理想的复合材料，将四氯金酸的量扩大十倍。从图1（b）中可以观测到除了Fe3O4和MoS2的衍射峰外，还在 38.3°、44.3°、64.7°、77.7°处有四个明显的衍射峰。这四个衍射峰分别来源于Au纳米粒子的（111）、（200）、（220）、（311）晶面，并与 PDF#01-1174标准卡完全吻合，充分说明Au纳米粒子成功与MoS2/Fe3O4复合。结果表明，XRD中并没有其他杂峰，证明所获得样品纯度较高。

为了确定多功能复合材料的形貌，对其进行TEM表征，结果如图2所示。图2（a）显示MoS2/Fe3O4纳米复合材料尺寸约为600 nm。可以清晰地看到MoS2呈现花状纳米结构，黑色小颗粒即为Fe3O4纳米粒子。图2（b）显示复合3 mL四氯金酸后样品（MoS2/Fe3O4/Au）的形貌，其尺寸大小仍在600 nm左右，说明Au纳米粒子复合并没有改变其形貌。从图2（c）中可以看出在300 μL的四氯金酸与MoS2/Fe3O4纳米复合材料时，Au纳米粒子量很少。由于Au的量较少可能会导致共振拉曼散射强度增强不明显，影响生物检测的灵敏度。因此，选用3 mL的四氯金酸含量的制备方案进行应用。本文接下来所有的分析都是基于MoS2/Fe3O4/Au（3 mL的四氯金酸）多功能复合材料进行的。

为了进一步验证多功能材料是否复合成功，对其进行元素分析。图3给出EDS谱，从结果可以观测到，多功能材料中具有Mo、S、Fe、O、Au元素，这与MoS2/Fe3O4/Au多功能材料中元素相对应。

图4给出 MoS2、MoS2/Fe3O4及 MoS2/Fe3O4/Au的共振拉曼谱。E12g和A1g归因于MoS2的面内振动模式与层间振动模式。结果表明，在MoS2基础上引入Fe3O4纳米粒子后，E12g和A1g拉曼振动峰向低波数方向移动，但是拉曼峰的强度并没有发生影响。其中，拉曼峰位移原因是材料复合过程两材料的相互作用导致的。然而，在MoS2/Fe3O4基础上与Au纳米粒子复合后，看出E12g和A1g拉曼峰的强度增强近2倍。因此，Au纳米粒子引入后提高了拉曼散射强度，进而可实现低浓度高灵敏的检测。

图4 MoS2，MoS2/Fe3O4，MoS2/Fe3O4/Au的拉曼谱线

图5是多功能复合材料的磁化曲线，可以清晰看到MoS2/Fe3O4/Au无剩磁及明显的矫顽力，表现出超顺磁性。因此，验证了在MoS2基础上引入超顺磁性Fe3O4纳米粒子可以使其获得超顺磁性。图5给出实验中MoS2/Fe3O4/Au在商用磁铁下1 min内的磁富集过程。实验结果表明1 min即可快速磁富集多功能材料，实现快速靶向生物分子。

图5 MoS2/Fe3O4/Au的磁化曲线（插图为磁分离图片）

2.2 多功能生物探针的研究

本文利用多功能材料（MoS2/Fe3O4/Au）构建了可用于生物检测的多功能生物探针（制备如1.2.2所示），并验证了多功能生物探针的“磁-生物-拉曼”的多功能性。

图6是多功能生物探针的FTIR表征结果，在3 500 cm-1及1 500 cm-1附近观测到酰胺键，且在660 cm-1及1 225 cm-1附近观察到-S-S-键及C=S键，表明抗体已成功偶联到样品上。

图6 多功能生物探针的FTIR光谱图

图7为多功能生物探针拉曼光谱，偶联抗体后的多功能材料仍可以在378.3 cm-1（E12g）和403.6 cm-1（A1g）处观测到 MoS2的拉曼振动峰，说明抗体对共振拉曼信号并没有影响。

图7 多功能生物探针的拉曼光谱图

图8是实验过程中利用商用磁铁（1.2 T）对多功能生物探针磁富集的图片。可以清晰观测到在外部磁场1 min作用后，多功能生物探针被富集到一起。所以，偶联1nM的人IgG生物分子后样品仍表现超顺磁性。

图8 多功能生物探针的磁分离照片

3 结论

本文将水热法、共沉淀法及热还原法相结合，成功获得600 nm左右的多功能复合材料（MoS2/Fe3O4/Au）。从拉曼光谱及磁学性质分析结果得出，在MoS2的基础上引入Fe3O4超顺磁性纳米和Au纳米粒子后，仍可以观测到MoS2的共振拉曼信号并表现出超顺磁性。其中，多功能复合材料在外磁场辅助下1 min即可富集。Au纳米粒子引入后共振拉曼信号强度提高近2倍，提高了拉曼散射的灵敏度。最终，将多功能复合材料与1nM的生物分子（人IgG）偶联，构建了可以在磁辅助下1 min内快速富集、且具有良好的共振拉曼散射信号的“磁-生物-拉曼”多功能生物探针。因此，本材料有望在无矫顽力、无剩磁类传染病防治及癌症等重大疾病的早期检测等领域作为候选材料。