氨丁三醇對磁性熒光雙功能材料Fe3O4/Alendronate@CdSe的影響

翁 婷，王勝男，劉勇健，劉 敏

（蘇州科技大學 化學生物與材料工程學院，江蘇 蘇州215009；江蘇省環境功能材料重點實驗室，江蘇 蘇州 215009）

氨丁三醇對磁性熒光雙功能材料Fe3O4/Alendronate@CdSe的影響

翁 婷，王勝男，劉勇健*，劉 敏

（蘇州科技大學 化學生物與材料工程學院，江蘇 蘇州215009；江蘇省環境功能材料重點實驗室，江蘇 蘇州 215009）

采用化學共沉淀法制備Fe3O4磁性納米顆粒，選用阿倫磷酸鈉（Alendronate）對Fe3O4進行修飾，得到分散性良好、粒徑均一的Fe3O4/Alendronate復合微球，再制備半導體CdSe量子點，以3-巰基丙酸修飾。將Fe3O4/Alendronate復合微球與修飾后的CdSe量子點連接，得到負載型雙功能納米材料Fe3O4/Alendronate@CdSe；同時研究了氨丁三醇（Tris）試劑對該雙功能納米微球性能的影響，得到復合材料Fe3O4/Alendronate/Tris@CdSe。對這兩種納米粒子進行了結構的測定和性能的表征。實驗表明，兩種復合材料都具備良好的磁性和熒光性能，且Tris修飾后與量子點連接的雙功能材料熒光性能更加優越。該Fe3O4/Alendronate/Tris@CdSe復合材料有望廣泛應用于藥物分離、可視化、靶向治療等生命科學領域。

磁性納米微粒；阿倫磷酸鈉；氨丁三醇；量子點；雙功能材料

磁性Fe3O4納米顆粒由于其優異的磁學性能[1-5]可以在外磁場中定位和移動。作為一種磁場敏感材料，已廣泛應用于蛋白質分離和藥物控制釋放[6-8]等許多領域。半導體量子點是一種尺寸一般在2-10 nm的零維納米半導體材料[9-10]。自發現以來，就由于其優異的發光效應而廣受關注，是目前制備熒光探針最好的材料之一[11-12]。

將Fe3O4磁性納米顆粒和量子點鍵合，形成兼具可視化和可追蹤性的磁性熒光納米復合材料。這種復合材料可以應用于生物醫學領域，并已經在細胞成像、活體納米高熱療法、細胞免疫標記、蛋白質探測等方面取得了較好的成果[13-15]。目前已有國內外學者開發制備該復合材料，但是制備方法復雜且成本較高。Jun Ou[16]等用硅層包覆Fe3O4磁性納米粒子，通過石墨烯、殼聚糖將Fe3O4/SiO2與CdTe量子點連接，制備出Fe3O4/SiO2/graphene-CdTe QDs/CS磁性熒光復合材料。筆者所在課題組[17]以甘氨酸和甲基丙烯酸甲酯為修飾劑和聯結劑，并與CdSe/CdS量子點連接，得到具有熒光磁性雙功能的納米微球，并與BSA一起培育證實了該納米復合材料的生物相容性。

文中改進了Fe3O4顆粒的修飾劑，使用阿倫磷酸鈉進行修飾，并用氨丁三醇進行改性，極大地提高了該磁性熒光納米材料的熒光性能，為該納米材料在細胞成像等鄰域的應用提供一定依據。由于Fe3O4比表面積高，聚集效應強，所以阿倫磷酸鈉和氨丁三醇修飾可降低Fe3O4表面能，得到分散性較好的磁性顆粒，同時引入羥基基團，易于與其他物質相連。3-巰基丙酸不僅作為量子點的修飾劑，而且在CdSe表面引入大量的羧基，從而又可作為聯結劑和保護劑，與表面富含羥基的Fe3O4顆粒發生脫水縮合反應，制備出核殼結構的Fe3O4/Alendronate@CdSe和Fe3O4/Alendronate/Tris@CdSe磁性熒光雙功能復合材料。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：阿倫磷酸鈉（AR），氨丁三醇（AR），購于阿拉丁試劑（上海）有限公司；四甲基氫氧化銨（TMAOH，25%），購于 Aldrich 公司；七水合硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O，純度≥99.0%），無水乙醇，六水三氯化鐵（FeCl3·6H2O，純度≥99.0%），一水合氯化鎘（CdCl2·H2O），二氧化硒（SeO2），氨水（24%），3-巰基丙酸（3-MPA）等試劑購于國藥集團化學試劑有限公司。

儀器：超聲波清洗儀（KQ-3000E，上海綠宇精密儀器制造有限公司），電子天平（YP1201N，上海精密科學儀器有限公司），熒光分光光度計（LS55，美國PerkinElmer公司），磁力攪拌器（JB-3，上海雷磁儀器廠），恒溫搖床（HZQ-QB型，蘇州威爾實驗用品有限公司）；7410型振動樣品磁力計（美國Lake Shore公司）；H-600型透射電子顯微鏡（日本日立公司）；OLYMPUS DP73型熒光顯微鏡（日本奧林巴斯公司）；X′Pert-Pro MPD型X-射線衍射儀（荷蘭帕納科公司）。

1.2 實驗過程

1.2.1 Fe3O4納米微粒的制備

按Fe2+與Fe3+摩爾比約為1∶1.6，分別取2.23 g的Fe3O4·7H2O 和3.51 g的FeCl3·6H2O溶于100 mL的水中，并將混合溶液均勻倒入三口燒瓶中，通入氮氣保護，60℃恒溫攪拌，滴加濃氨水至pH=9，繼續反應2 h。蒸餾水洗滌至中性，60℃真空干燥，并研磨成粉。

1.2.2 Fe3O4/Alendronate的制備

用40 mL（7%）的TMAOH溶液浸泡0.2 g的Fe3O4，使羥基富集在Fe3O4表面，用乙醇洗兩次。再加入17 mL的25 mmol·L-1阿倫磷酸鈉水溶液，調節pH值至6.3，持續攪拌12 h，得到產物（記為C1）。

1.2.3 Fe3O4/Alendronate/Tris的制備

取0.1 g上述Fe3O4，加入20 mL的10 mmol·L-1粒子氨丁三醇（Tris）水溶液，持續攪拌 6 h，得到 Tris修飾的磁性納米顆粒（記為C2）。反應原理如下：

圖1 Fe3O4/Alendronate（C1）和 Fe3O4/Alendronate/Tris（C2）的反應原理圖

1.2.4 CdSe量子點的制備[18]

取200 mM的CdCl2·H2O溶于蒸餾水中，加入3-巰基丙酸至溶液的pH值至4.5，得到Cd前體。取200 mM二氧化硒（SeO2）加入另一三口瓶中，100℃下回流，并通入氬氣保護，至完全融化。將其加入到上述Cd前體中，升溫至120℃，反應1 h，所得產物冷卻至室溫，攪拌并過濾，用蒸餾水洗滌三次，離心分離后100℃真空干燥，最后制得橙色的CdSe量子點（記為F）。

1.2.5 磁性熒光雙功能材料的合成

在PBS緩沖液中加入CdSe量子點，加入少量C1磁性微粒，放入30℃恒溫搖床中，反應5 h。得到的產物通過磁場分離提純，得到熒光磁性雙功能分子微球Fe3O4/Alendronate@CdSe（記為C1F）。同樣的方法將量子點與C2連接得到Fe3O4/Alendronate/Tris@CdSe（記為C2F）復合材料。圖2、圖3分別為制備C1F和C2F的機理圖。

圖2 Fe3O4/Alendronate@CdSe（C1F）的制備機理圖

圖3 Fe3O4/Alendronate/Tris@CdSe（C2F）的制備機理圖

2 結果與討論

2.1 FT-IR表征分析

圖4（a）、（b）、（c）分別是純 Fe3O4、C1和 C2的紅外譜圖。由圖 4 可知，（a）、（b）、（c） 都有 583 cm-1左右 Fe-O 鍵的吸收峰；1 631 cm-1和3 433 cm-1處-OH的彎曲振動和伸縮振動峰，表明Fe3O4顆粒存在。（b）圖中在1 634 cm-1處出現的吸收峰為N-H的彎曲振動吸收峰，在2 928 cm-1與2 866 cm-1處出現的吸收峰分別是-CH2-的碳氫反對稱和對稱伸縮振動吸收峰，由此可見阿倫磷酸鈉已修飾到磁性納米粒子Fe3O4的表面。（c）圖中 3 488 cm-1和 3 424 cm-1處形成的雙吸收峰為酰胺鍵的伸縮振動，與-OH的伸縮振動峰發生重疊，形成一個寬峰。1 642 cm-1處為酰胺鍵的彎曲振動吸收峰，1 544 cm-1處為伯胺的彎曲振動峰。綜合說明Fe3O4的表面成功修飾上阿倫磷酸鈉后又與Tris成功反應，得到了Fe3O4/Alendronate/Tris復合物。

2.2 XRD晶體結構分析

圖5中（a）為所制得的Fe3O4納米顆粒的X-射線衍射圖，反尖晶石型立方相 Fe3O4的（213），（278），（398），（391），（510）和（418）晶面分別對應于 2θ=30.27°，35.62°，43.50°，53.78°，57.34°，62.92°的衍射峰。 圖（b）、（c）分別為 C1和 C2的X-射線衍射圖，表明阿倫磷酸鈉和氨丁三醇修飾后的Fe3O4納米顆粒晶型沒有發生改變，也是反立方尖晶石型。

圖4 Fe3O4（a）、C1（b）和 C2（c）的紅外表征

圖5 純 Fe3O4（a）和 C1（b）、C2（c）的 XRD 圖

2.3 磁性能分析

圖6（a）為C1F的水溶液，溶液為橙紅色并均勻分布，說明橙紅色的量子點已經連接在Fe3O4納米粒子表面。圖6（b）通過將裝有C1F溶液的試管放在磁架上，直觀地觀察到磁性熒光顆粒移動到有磁性的一側，說明所合成的復合微粒具有磁響應性。C2F水溶液在有、無磁場下的攝影圖像同C1F所示。圖7為振動樣品磁強計（VSM）測得的 Fe3O4（a）、C1F（b）和 C2F（c）磁性熒光雙功能材料的磁化曲線圖。三者的飽和磁化強度分別為 55.84、15.44、8.97 emu·g-1，表明磁性能有逐漸減弱的現象，這與Fe3O4表面修飾劑的增加有關。說明C1F和C2F均已成功制得。

2.4 透射電鏡（TEM）分析

圖8為所制備的磁性熒光復合顆粒C1F（a）和C2F（b）的透射電鏡分析圖。從圖8中可以看出，磁性熒光納米材料C1F和C2F是一種負載型納米復合物。兩種復合材料都為近球形，且平均直徑都在50 nm左右。并且從圖8中可以直觀地觀察到C2F比C1F連接的量子點多。

2.5 熒光顯微鏡表征

通過熒光顯微鏡對CdSe量子點以及兩種磁性熒光雙功能材料進行拍照表征。紫外藍光為激發濾板，通過300～450 nm范圍內的光，放大倍數為200倍。圖9（a）表明所制備的CdSe量子點具有良好的發光性能。圖9（b）和（c）分別為兩種磁性熒光復合物的熒光顯微鏡分析圖，均顯示出了熒光性能，說明量子點包裹成功。其中C2F熒光性能明顯優于C1F的熒光性能。

2.6 熒光發射光譜

從圖10可知，當激發波長設置為420 nm時，CdSe量子點與磁性粒子復合前后的熒光發射光譜均呈對稱分布且半峰寬較窄。CdSeQDs溶液的最大發射峰在568 nm處，與磁性粒子連接后，熒光波峰發生紅移，且連接Tris之后偏移的更大。產生偏移的原因是磁性納米粒子表面的CdSe QDs粒子間偶極與偶極的相互作用增大，導致斯托克斯位移增大[19]。從圖中可以看出，用Tris修飾后制備的熒光磁性雙功能材料的熒光性明顯高于未經Tris修飾的磁性雙功能材料的熒光性，這與圖8表現的熒光強度一致。

圖6 C1F水溶液在無磁場（a）和有磁場（b）下的攝影圖像

圖7 Fe3O4（a）、C1F（b）、C2F（c）的磁滯回歸線圖

圖8 復合材料 C1F（a）、C2F（b）納米顆粒的 TEM 圖

圖9 CdSe 量子點（a）以及復合材料 C1F（b）、C2F（c）的熒光顯微鏡圖

圖10 CdSe QDs（a）；C1F（b）；C2F（c）的熒光分光光度強度圖

3 結語

該實驗成功制備出Fe3O4/Alendronate@CdSe和Fe3O4/Alendronate/Tris@CdSe兩種復合材料，并通過紅外、XRD、VSM、透射電鏡、熒光顯微鏡以及熒光分光光度計等對這兩種雙功能納米粒子進行性能表征。實驗證明Fe3O4/Alendronate@CdSe和Fe3O4/Alendronate/Tris@CdSe顆粒同時具備超順磁性和熒光性能，且Tris改性后的復合納米粒子的熒光強度明顯增強。這種熒光性能優異的磁性熒光納米復合材料有望在生物醫學領域廣泛應用。

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責任編輯：李文杰

Influence of Tris on bifunctional fluorescent magnetic Fe3O4/Alendronate@CdSe

WENG Ting， WANG Shengnan，LIU Yongjian*， LIU Min
（School of Chemistry，Biology and Materials Engineering，SUST，Suzhou 215009，China；Jiangsu Key Laboratory of Environmental Functional Materials，Suzhou 215009，China）

Fe3O4magnetic nanoparticles were prepared by chemical coprecipitation method,and the Fe3O4/Alendronate composite microspheres with good dispersion and uniform particle size were obtained by modified Alendronate on Fe3O4.Semiconductor CdSe quantum dots were prepared and modified with 3-mercaptopropionic acid.The Fe3O4/Alendronate composite microspheres were connected with the modified CdSe quantum dots,and the bifunctional Fe3O4/Alendronate@CdSe was obtained.The Fe3O4/Alendronate composite microspheres were connected with the modified CdSe quantum dots,and the bifunctional materials of the core-shell structure Fe3O4/Alendronate@CdSe were obtained.The experimental results show that the two kinds of composites have good magnetic and fluorescent properties.Moreover,the fluorescent properties of the bifunctional materials modified by Tris are superior.The Fe3O4/Alendronate/Tris@CdSe composites are expected to be widely used in the field of life science,such as drug separation,visualization,targeted therapy and so on.

magnetic nanoparticles；Alendronate；Tris；quantum dots；bifunctional material

TQ174

A

2096－3289（2017）04－0031－06

2016－12－01

國家自然科學基金資助項目（51103120）

翁 婷（1991-），女，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向：材料化學及應用。

*通信作者：劉勇健（1954-），男，博士，教授，碩士生導師，E-mail：hxx@mail.usts.edu.cn。