MoS2/Fe3O4/Au復合材料制備及多功能生物探針

張婷，吉于今，楚學影

（長春理工大學 物理學院，長春 130022）

隨著新型冠狀病毒疫情的突發，快速超靈敏檢測顯得尤為重要。因此，迫切需要開發一種材料能夠實現快速和超靈敏的特點。近年來，類似石墨烯結構的MoS2憑著具有良好的生物相容性、比表面積大、熒光淬滅及好修飾等優點，獲得廣大研究者的關注［1-2］。基于現有的報道，MoS2納米材料已被廣泛用于生物醫學領域［3］。2015年MAO K等人［4］首次采用單層MoS2作為熒光猝滅劑，設計一種具有良好的穩定性、選擇性的檢測方法。2018年，本課題組利用過渡金屬二硫化物對人IgG分子實現濃度為1 fM的拉曼檢測，檢測時間為1 h［5］。也可見到基于過渡金屬 MoS2進行心肌肌鈣蛋白Ⅰ［6］、抗原 19-9［7］、乙型肝炎病毒［8］等生物分子檢測的報道。因此，過渡金屬MoS2作為標記物在生物檢測上具有很大應用潛能。

Fe3O4磁性納米粒子具有良好的生物相容性［9］，并可以響應外部磁場，從復雜系統中快速地富集生物分子，進而縮短了生物分子的檢測時間。近年來，Fe3O4超順磁性納米粒子作為分離、快速捕獲目標分子的材料被廣泛應用在生物檢測中［10］。該方法是一種綠色、經濟且簡便的技術。其中，大多數為Fe3O4納米粒子與Ag或Au納米粒子結合，由于局部表面等離子體共振，金屬顆粒納米間隙的等離子體增強了非彈性散射拉曼信號，使表面增強拉曼散射（SERS）成為可能［11-12］。

由于SERS的熒光背景低、可實現痕量無損檢測的優越性，受到普遍關注和重視［13］。但是，其增強機制需要以金屬（Au或 Ag）輔助［14］。然而共振拉曼散射（RRS）不需要金屬輔助，利用激發波長和電子躍遷吸收波長的重疊，使拉曼散射強度提高106倍，進而提高了靈敏度和選擇性，可以選擇性地分析復雜體系中相對較少的分子。除此之外，Au納米粒子具有良好的生物相容性，無需表面修飾，易與生物分子偶聯。因此，利用MoS2具有良好共振拉曼信號特點、貴金屬Au的生物相容性優勢及Fe3O4超順磁性納米粒子的磁富集特點與RRS整合，有望制備出一種能實現低濃度高靈敏的快速生物檢測的多功能材料。

因此，本文利用水熱法、共沉淀法和熱還原法結合制備多功能納米復合材料（MoS2/Fe3O4/Au）。分析了Fe3O4超順磁性納米粒子與Au納米粒子引入后對拉曼光譜的影響。利用VSM對多功能復合材料的磁學性質分析。最后，以多功能材料為基礎構建了人IgG拉曼探針，驗證了探針的“磁-生物-拉曼”的多功能性。

1 實驗

1.1 實驗材料

FeCl3·6H2O、FeSO4·7H2O、硫脲和四水 合 鉬酸銨購于阿拉丁試劑公司。氫氧化鈉購于國藥集團化學試劑有限公司。四氯金酸和硼氫化鈉購于阿法埃莎有限公司。人IgG購于北京鼎國昌盛生物科技有限公司。去離子水由型號為BYJ-82超純水機制備。無水乙醇購自于天津市富宇精細有限公司。

1.2 實驗方案

1.2.1 多功能材料制備

Fe3O4納米顆粒制備是根據Tong組實驗方案稍作修改獲得［15］。將 2.7 g FeCl3·6H2O 和2.7 g的FeSO4·7H2O放入200 mL去離子水中，在通入氮氣的情況下，機械攪拌15 min。隨后加入2 M NaOH溶液使反應溶液達到pH=10后，繼續攪拌30 min。將獲得樣品置于30 mL排氧的去離子水中待用。

經過多組實驗條件的探究，獲得最優的制備方案。MoS2/Fe3O4制備過程是先將0.35 g的四水合鉬酸銨和0.76 g硫脲放入15 mL去離子水中超聲5 min。隨后加入制備好的Fe3O4納米顆粒，繼續超聲15 min后轉移到30 mL的特氟龍反應釜中，200℃下保持8 h。將獲得樣品磁分離后用水和無水乙醇分別清洗三次，分散在15 mL的去離子水中。

在70℃情況下，將10 mL的MoS2/Fe3O4納米復合材料與不同比例的四氯金酸（300 μL，3 mL）機械攪拌30 min。隨后，加入1 mg/mL的硼氫化鈉溶液繼續機械攪拌30 min。最后，多功能材料（MoS2/Fe3O4/Au）磁分離并用去離子水和無水乙醇分別清洗三次。

1.2.2 多功能生物探針制備

取200 μL上述制備好的MoS2/Fe3O4/Au多功能材料磁分離后，分散在3 mL的去離子水中。隨后，取出200 μL的上述樣品與等體積1 nM的人IgG（抗體）混合。在37℃條件下將其放入搖床中輕輕振蕩1 h，使多功能材料與抗體偶聯獲得多功能生物探針。最后將多功能生物探針用去離子水清洗三次，真空凍干24 h。

1.3 表征手段

使用X射線衍射（XRD，D/MAX-Ultima）獲得樣品結構特征。通過透射電子顯微（TEM，TecnaiG220S Twin，USA）對樣品的形貌進行表征。拉曼（Raman）光譜是采用 Lab Ram HR共焦拉曼光譜儀獲得。利用振動樣品磁強計（736-VSM，Ohio，USA）對樣品磁性表征。通過型號為JSM-6010LA的掃描電子顯微鏡獲得元素信息（EDS）。利用型號為iS50的傅里葉變換紅外光譜儀對樣品進行基團分析（FTIR）。

2 結果與討論

2.1 多功能復合材料的表征

為了確定樣品的晶體結構，對不同比例Au的MoS2/Fe3O4/Au多功能復合材料進行XRD表征，結果如圖1所示。從圖1（a）中可以看出2θ位于13.9°、33.2°、38.7°、58.0°的衍射峰歸因于 MoS2的（002）、（100）、（103）和（110）的晶面，與標準卡PDF#37-1492 相對應。位于 29.5°、31.8°、35.4°、42.4°、53.2°、56.9°、62.6°的衍射峰與標準卡 PDF#72-2303的峰值基本吻合，分別對應于Fe3O4超順磁性納米粒子的（220）、（311）、（222）、（400）、（422）、（511）、（440）的晶面。然而，在利用300 μL的四氯金酸進行多功能復合材料制備時，由于Au的含量較少，導致XRD圖譜中Au的衍射峰很弱。為了復合更多的Au納米粒子得到理想的復合材料，將四氯金酸的量擴大十倍。從圖1（b）中可以觀測到除了Fe3O4和MoS2的衍射峰外，還在 38.3°、44.3°、64.7°、77.7°處有四個明顯的衍射峰。這四個衍射峰分別來源于Au納米粒子的（111）、（200）、（220）、（311）晶面，并與 PDF#01-1174標準卡完全吻合，充分說明Au納米粒子成功與MoS2/Fe3O4復合。結果表明，XRD中并沒有其他雜峰，證明所獲得樣品純度較高。

為了確定多功能復合材料的形貌，對其進行TEM表征，結果如圖2所示。圖2（a）顯示MoS2/Fe3O4納米復合材料尺寸約為600 nm。可以清晰地看到MoS2呈現花狀納米結構，黑色小顆粒即為Fe3O4納米粒子。圖2（b）顯示復合3 mL四氯金酸后樣品（MoS2/Fe3O4/Au）的形貌，其尺寸大小仍在600 nm左右，說明Au納米粒子復合并沒有改變其形貌。從圖2（c）中可以看出在300 μL的四氯金酸與MoS2/Fe3O4納米復合材料時，Au納米粒子量很少。由于Au的量較少可能會導致共振拉曼散射強度增強不明顯，影響生物檢測的靈敏度。因此，選用3 mL的四氯金酸含量的制備方案進行應用。本文接下來所有的分析都是基于MoS2/Fe3O4/Au（3 mL的四氯金酸）多功能復合材料進行的。

為了進一步驗證多功能材料是否復合成功，對其進行元素分析。圖3給出EDS譜，從結果可以觀測到，多功能材料中具有Mo、S、Fe、O、Au元素，這與MoS2/Fe3O4/Au多功能材料中元素相對應。

圖4給出 MoS2、MoS2/Fe3O4及 MoS2/Fe3O4/Au的共振拉曼譜。E12g和A1g歸因于MoS2的面內振動模式與層間振動模式。結果表明，在MoS2基礎上引入Fe3O4納米粒子后，E12g和A1g拉曼振動峰向低波數方向移動，但是拉曼峰的強度并沒有發生影響。其中，拉曼峰位移原因是材料復合過程兩材料的相互作用導致的。然而，在MoS2/Fe3O4基礎上與Au納米粒子復合后，看出E12g和A1g拉曼峰的強度增強近2倍。因此，Au納米粒子引入后提高了拉曼散射強度，進而可實現低濃度高靈敏的檢測。

圖4 MoS2，MoS2/Fe3O4，MoS2/Fe3O4/Au的拉曼譜線

圖5是多功能復合材料的磁化曲線，可以清晰看到MoS2/Fe3O4/Au無剩磁及明顯的矯頑力，表現出超順磁性。因此，驗證了在MoS2基礎上引入超順磁性Fe3O4納米粒子可以使其獲得超順磁性。圖5給出實驗中MoS2/Fe3O4/Au在商用磁鐵下1 min內的磁富集過程。實驗結果表明1 min即可快速磁富集多功能材料，實現快速靶向生物分子。

圖5 MoS2/Fe3O4/Au的磁化曲線（插圖為磁分離圖片）

2.2 多功能生物探針的研究

本文利用多功能材料（MoS2/Fe3O4/Au）構建了可用于生物檢測的多功能生物探針（制備如1.2.2所示），并驗證了多功能生物探針的“磁-生物-拉曼”的多功能性。

圖6是多功能生物探針的FTIR表征結果，在3 500 cm-1及1 500 cm-1附近觀測到酰胺鍵，且在660 cm-1及1 225 cm-1附近觀察到-S-S-鍵及C=S鍵，表明抗體已成功偶聯到樣品上。

圖6 多功能生物探針的FTIR光譜圖

圖7為多功能生物探針拉曼光譜，偶聯抗體后的多功能材料仍可以在378.3 cm-1（E12g）和403.6 cm-1（A1g）處觀測到 MoS2的拉曼振動峰，說明抗體對共振拉曼信號并沒有影響。

圖7 多功能生物探針的拉曼光譜圖

圖8是實驗過程中利用商用磁鐵（1.2 T）對多功能生物探針磁富集的圖片。可以清晰觀測到在外部磁場1 min作用后，多功能生物探針被富集到一起。所以，偶聯1nM的人IgG生物分子后樣品仍表現超順磁性。

圖8 多功能生物探針的磁分離照片

3 結論

本文將水熱法、共沉淀法及熱還原法相結合，成功獲得600 nm左右的多功能復合材料（MoS2/Fe3O4/Au）。從拉曼光譜及磁學性質分析結果得出，在MoS2的基礎上引入Fe3O4超順磁性納米和Au納米粒子后，仍可以觀測到MoS2的共振拉曼信號并表現出超順磁性。其中，多功能復合材料在外磁場輔助下1 min即可富集。Au納米粒子引入后共振拉曼信號強度提高近2倍，提高了拉曼散射的靈敏度。最終，將多功能復合材料與1nM的生物分子（人IgG）偶聯，構建了可以在磁輔助下1 min內快速富集、且具有良好的共振拉曼散射信號的“磁-生物-拉曼”多功能生物探針。因此，本材料有望在無矯頑力、無剩磁類傳染病防治及癌癥等重大疾病的早期檢測等領域作為候選材料。