自組裝型金磁復合顆粒的制備與表征

習志江，劉暢，劉婕

(長江大學醫(yī)學院，湖北 荊州 434023)

自組裝型金磁復合顆粒的制備與表征

習志江，劉暢，劉婕

(長江大學醫(yī)學院，湖北 荊州 434023)

基于磁性納米顆粒的磁分離具有操作簡單、分離速度快、易實現(xiàn)功能化、不影響分離物質的活性等優(yōu)越的理化性質和生物相容性。金納米顆粒作探針載體時可負載多個信號分子，從而對靶分子的檢測信號進行放大。將磁性納米顆粒和金納米顆粒結合制備的金磁復合顆粒，既具有快速磁分離的優(yōu)點，又具有金納米顆粒對靶分子的檢測信號進行放大的作用。采用自組裝技術制備了金磁復合顆粒，并對所制備的金納米顆粒和金磁復合顆粒進行了各種表征。結果表明，制備的金納米顆粒大小比較均勻且性能穩(wěn)定，通過自組裝技術金納米顆粒成功共價結合在Fe3O4@SiO2磁性顆粒表面，所制備的金磁復合顆粒具有良好的磁響應性。

自組裝；磁性納米顆粒；金納米顆粒；金磁復合顆粒；制備；表征

納米技術是一門研究尺寸在1～100nm范圍內的物質組成體系的運動規(guī)律和相互作用以及實際應用的新的科學技術，主要包括納米材料、納米器件、納米機器、納米結構設計和加工組裝以及相應的檢測表征技術和方法等。其中，納米材料因具有不同于其他材料的優(yōu)異性能以及廣闊的應用前景而成為當今科學研究的熱點之一，納米材料學也被稱為21世紀“最有前途的材料學”。隨著納米技術與磁學的結合，磁性納米材料出現(xiàn)了許多新的性質與現(xiàn)象，已成為人們研究的熱點。磁性納米顆粒(magnetic nanoparticles, MNPs)主要包括磁性合金(如CoPt3、FePt)、鐵的氧化物(如Fe3O4、γ-Fe2O3)以及其他磁性復合物等，其中Fe3O4和γ-Fe2O3應用最為廣泛。隨著MNPs合成技術的發(fā)展，已成功研發(fā)出了各種制備MNPs的方法，如溶劑熱法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法等[1～4]。MNPs具有粒徑小、比表面積大、易表面修飾等特點，還具有特有的磁響應性，可在恒定磁場下聚集和定位，在交變磁場下吸收電磁波產熱，已被廣泛應用于核磁共振成像、生物標記與分離、疾病檢測與診斷以及藥物載體等領域。基于MNPs的磁分離具有操作簡單、分離速度快、易實現(xiàn)功能化、易實現(xiàn)自動化及不影響分離物質的活性等優(yōu)越的理化性質和生物相容性[5～7]。由于納米顆粒比表面積很大，其表面活性極高，容易發(fā)生團聚和氧化，所以在實際研究和應用中經(jīng)常在其表面進行各種功能化修飾。修飾后的納米顆粒，不僅改善了表面性質，降低了表面活性，且由于其表面靜電效應使顆粒之間發(fā)生排斥作用，氧化和團聚現(xiàn)象得到抑制，而且還可以改變其表面功能基團，使其帶上一些與生物體比較相容的基團，可更好地應用于生物醫(yī)學等領域。

金納米顆粒(gold nanoparticles, AuNPs)是指直徑在1～100nm范圍內的金微小顆粒，一般為分散在水中的水溶膠，故又稱膠體金。與其他納米顆粒一樣，金納米顆粒也表現(xiàn)出一些獨特的理化性質，如表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應等。金納米顆粒的表面效應使它具有良好的催化性能，已成為納米催化材料的一個典型代表。而金納米顆粒的小尺寸效應導致了它具有獨特的光學性質——表面等離子體共振(surface plasma resonance, SPR)，在520nm左右金納米顆粒有強SPR吸收，其吸收峰的等離子共振常隨著尺寸的變化而發(fā)生頻移，使其溶液的顏色發(fā)生從橘紅色到紫紅色的相應變化[8]，有利于肉眼觀察。此外，金納米顆粒能迅速、穩(wěn)定地與核酸和蛋白質等生物分子結合，而幾乎不影響這些分子的生物活性[9]，所以金納米顆粒是優(yōu)良的生物分子載體。金納米顆粒標記技術實質上是蛋白質等高分子被吸附到金納米顆粒表面的包被過程，它可以與牛血清白蛋白、免疫球蛋白、糖蛋白、毒素和酶等非共價結合。

目前，有許多金磁復合顆粒(gold-coated magnetic nanocomposites, GMNPs)的研究報道，其制備方法主要有微乳液法、超聲化學還原法、自組裝技術和種子生長法等[10～13]。相比之下，自組裝技術不需要復雜的過程，能夠簡便快速合成GMNPs：首先制備金納米顆粒、以及氨基或巰基修飾的MNPs，然后通過靜電吸附作用或共價作用將金納米顆粒吸附在MNPs表面。金納米顆粒與巰基和氨基有很強的共價結合力，而且通過靜電吸附作用，帶負電的金納米顆粒能夠自組裝吸附在氨基修飾的帶正電的MNPs表面。

在傳統(tǒng)檢測方法中，在探針的一端只標記一個信號分子，而金納米顆粒作探針載體時可負載多個信號分子，從而對目標靶分子的檢測信號進行放大[9]。因此，將磁性納米顆粒和金納米顆粒結合制備的金磁復合顆粒，既具有快速磁分離的優(yōu)點，又具有金納米顆粒對靶分子的檢測信號進行放大的作用。下面，筆者采用自組裝技術制備金磁復合顆粒，并對所制備的金納米顆粒和金磁復合顆粒進行了各種表征。

1 制備

1.1 試劑與儀器

1)試劑 六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)、乙酸銨(CH3COONH4)、乙二醇、正硅酸四乙酯(TEOS)、氨水、無水乙醇、氯金酸(HAuCl4)、二水檸檬酸三鈉、3-巰丙基三乙氧基硅烷(MPTES)等，以上化學試劑均為分析純。

2)儀器設備 電子天平(BSA124S，賽多利斯科學儀器有限公司)、電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-914385-Ⅲ，上海新苗醫(yī)療器械有限公司)、超聲清洗機(KS-2500，寧波科生儀器廠)、恒速攪拌器(S-212，上海申勝生物技術有限公司)、透射電子顯微鏡(JEM-2200CX，日本Hitachi公司)、振動樣品磁強計(7407，美國Lakeshore公司)、紫外可見分光光譜儀(UV-1800，日本Shimadzu公司)、Zeta電位與粒度分析儀(Nano-ZS，英國Malvern公司)等。

1.2 Fe3O4@SiO2磁性納米顆粒的制備

首先采用軟模板法制備Fe3O4磁性納米顆粒[14～16]，然后采用經(jīng)典St?ber法[17～19]并進行改進后在Fe3O4顆粒表面包覆一層SiO2。

1.3 金納米顆粒的制備與表征

還原法制備金納米顆粒通常是在含有Au(Ⅲ)的溶液中，加入不同種類的還原劑，使Au(Ⅲ)被還原而聚集成直徑為納米級的金納米顆粒。在選用同一種還原劑時，其粒徑大小可通過對還原劑的用量來控制，用量大小與金納米顆粒的粒徑大小成反比。

圖1 自組裝金磁復合顆粒制備示意圖

研究采用檸檬酸鈉還原法[20～22]制備金納米顆粒，具體過程如下：帶冷凝管的燒瓶內先加入去離子水，幾分鐘后加入一定量的1%的氯金酸溶液，劇烈攪拌下加熱至沸騰；然后加入適量的檸檬酸鈉溶液，1～2min后溶液變?yōu)樯罴t色；變色后繼續(xù)回流15min，然后讓其自然冷卻至室溫，即得到金納米顆?；鞈乙?。

分別采用透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)、紫外可見分光光譜儀和Zeta電位與粒度分析儀對所制備的金納米顆粒的形貌、紫外吸收峰及Zeta電位進行表征。

1.4 自組裝型金磁復合顆粒的制備

圖1為表面巰基修飾的Fe3O4@SiO2顆粒與金納米顆粒自組裝制備金磁復合顆粒示意圖。

首先，采用3-巰丙基三甲氧基硅烷(3-mercaptopropyltriethoxysilane, MPTES)對Fe3O4@SiO2顆粒進行表面巰基修飾[23～27]。取上述制備的Fe3O4@SiO2顆粒，磁分離后用95%的乙醇溶解并超聲30min，然后倒入三頸燒瓶中；在200r/min和通N2保護下，逐滴加入一定量的MPTES和氨水，反應4h，修飾巰基；用無水乙醇反復清洗產物直至無MPTES的氣味，再用去離子水清洗2遍，最后溶解在95%的無水乙醇中，獲得表面巰基修飾的Fe3O4@SiO2顆粒。

然后，取上述表面巰基修飾的Fe3O4@SiO2顆粒，超聲30min，逐漸加入制備好的金納米顆粒，放在37℃、180r/min的搖床中，直至磁分離上清液有略微紅色為此，得到自組裝型金磁復合顆粒。用去離子水反復清洗5次，最后金磁復合顆粒分散于去離子水中。

2 表征

采用透射電子顯微鏡(TEM)和振動樣品磁強計(Vibrating Sample Magnetometer, VSM)分別對金磁復合顆粒的形貌及磁響應性進行表征。

2.1 金納米顆粒的形貌、紫外吸收峰和Zeta電位

圖2 金納米顆粒TEM圖

圖3 不同稀釋倍數(shù)的金納米顆粒紫外吸收峰

通過控制檸檬酸鈉的用量，可獲得不同粒徑大小的金納米顆粒。圖2為采用檸檬酸鈉還原法制備的金納米顆粒TEM圖，其形態(tài)基本為圓形且粒徑大小分布均勻(15nm左右)，表明所制備的金納米顆粒大小可控且比較均一。

所制備的金納米顆粒稀釋成不同的倍數(shù)，測定其紫外吸收，結果如圖3所示。從圖3可看出，不同稀釋倍數(shù)的金納米顆粒均在523nm有一吸收峰，其濃度越大，峰值就越大，表明所制備的金納米顆粒具有一致性且性能穩(wěn)定。

Zeta電位是對顆粒之間相互排

斥力或吸引力的強度的度量，是表征膠體分散體系穩(wěn)定性的重要指標。Zeta電位絕對值越高，體系越穩(wěn)定，即排斥力超過了吸引力，分散可以抵抗聚集；反之，Zeta電位絕對值越低，越傾向于凝聚，即吸引力超過了排斥力，分散被破壞而發(fā)生凝聚[28]。采用不同方法制備的金納米顆粒，其Zeta電位有些為正值，有些為負值。圖4為金納米顆粒Zeta電位分布圖，從圖4可看出，采用檸檬酸鈉還原法制備的金納米顆粒Zeta電位為負值，這是因為采用該方法制備的金納米顆粒表面含有檸檬酸根(C5H7O5COO—)，而且其電位比較高，峰值為-42.7mV，所以金納米顆粒不易發(fā)生凝聚，具有良好的穩(wěn)定性。

圖4 金納米顆粒Zeta電位分布圖

2.2 自組裝型金磁復合顆粒的形貌及磁響應性

圖5 金磁復合顆粒TEM圖

圖6 Fe3O4@SiO2磁性顆粒和Fe3O4@SiO2@Au復合顆粒的磁滯回歸曲線

巰基修飾的Fe3O4@SiO2顆粒與金納米顆粒通過二硫鍵共價結合自組裝為金磁復合顆粒，圖5為其TEM圖。從圖5中可清晰看出，在SiO2表面共價結合有許多金納米顆粒，但未形成明顯的核殼結構。

Fe3O4磁性納米顆粒具有磁響應性，通過施加外磁場,可以方便、快速地從反應介質中分離，而且不影響分離物質的活性?？刹捎谜駝訕悠反艔娪?VSM)測定Fe3O4磁性顆粒的磁滯回歸曲線，也可簡單用磁鐵測試Fe3O4磁性顆粒的磁性強弱。圖6為Fe3O4@SiO2磁性顆粒和Fe3O4@SiO2@Au復合顆粒的磁滯回歸曲線，F(xiàn)e3O4@SiO2磁性顆粒具有很強的磁響應性；結合金納米顆粒后的Fe3O4@SiO2@Au復合顆粒磁性略微有所下降，這是因為Fe3O4@SiO2磁性顆粒表面吸附了金納米顆粒所致，但仍然具有良好的磁響應性可用于磁分離。

3 結語

Fe3O4磁性納米顆粒易被氧化而失去磁性，而且由于其表面活性高、粒子之間磁偶極相互作用，使得它易發(fā)生團聚，因此必須對其進行表面改性。對Fe3O4磁性顆粒進行表面包覆SiO2修飾后，大大增強了其穩(wěn)定性，并提高了它在水溶液中的分散性和生物相容性；同時如果進一步與其他化學基團、納米顆粒等結合，可進一步實現(xiàn)磁性納米顆粒的功能化。金納米顆粒能迅速、穩(wěn)定地與核酸和蛋白質等生物分子結合，而幾乎不影響這些分子的生物活性，是優(yōu)良的生物分子載體。而且，以金納米顆粒作探針載體可以負載多個信號分子，從而對靶分子的檢測信號進行放大。

在貴金屬中，金由于其低活性和易被含有巰基的化學或生物分子修飾的特點，成為磁性納米顆粒優(yōu)良的包覆材料之一。Fe3O4@SiO2磁性顆粒表面巰基修飾后可以與金納米顆粒通過二硫鍵共價結合自組裝為金磁復合顆粒。近些年來，由于金磁復合顆粒具有良好的生物相容性、快速的磁響應性、無需偶聯(lián)劑而易于和生物分子結合等優(yōu)點，目前已被廣泛應用于磁分離、固定化、分子檢測、靶向藥物和磁共振成像等諸多領域。筆者研究制備了大小比較均勻且性能穩(wěn)定的金納米顆粒，并通過自組裝技術成功制備了Fe3O4@SiO2@Au復合顆粒，盡管其磁性比Fe3O4@SiO2磁性顆粒略微有所下降，但仍然具有良好的磁響應性，可用于磁分離。

[1]Yeon T, Lee S S, Park J.Synthesis of highly crystalline and monodisperse maghemite nanocrystallites without a size-selection process[J].J Am Chem Soc, 2001, 123(51): 12798～12801.

[2] Lin C R, Chu Y M, Wang S C.Magnetic properties of magnetite nanoparticles prepared by mechanochemical reaction[J].Mater Lett, 2006, 60(4): 447～450.

[3] Wan S R, Huang J S, Yan H S, et al.Size-controlled preparation of magnetite nanoparticles in the presence of graft copolymers[J].J Mater Chem, 2006, 16(3): 298～303.

[4] Lan F, Hu H, Jiang W, et al.Synthesis of superparamagnetic Fe3O4/PMMA/SiO2nanorattles with periodic mesoporous shell for lysozyme adsorption[J].Nanoscale, 2012, 4(7): 2264～2267.

[5] Li Z Y, He L, He N Y, et al.Chemiluminescent detect of E.coli O157:H7 using immunological method based on magnetic nanoparticles[J].J Nanosci Nanotechnol, 2010, 10(2): 696～701.

[6] Liu B, Jia Y Y, Ma M, et al.High throughput SNP detection system based on magnetic nanoparticles separation[J].J Biomed Nanotechnol, 2013, 9(2): 247～256.

[7] Mahmoudian M R, Alias Y, Basirun W J, et al.Synthesis, characterization, and sensing applications of polypyrrole coated Fe3O4nanostrip bundles[J].Ceram Int, 2014, 40(7): 9265～9272.

[8] 孫雙姣, 蔣治良.金納米微粒的制備和表征及其在生化分析中的應用[J].貴金屬, 2005，26(3): 55～65.

[9] 鄭靜, 程圭芳, 馮婉娟, 等.納米金和磁性納米顆粒在生物傳感器中的應用[J].化學世界, 2010, 51(5): 310～313.

[10] Cho S J, Idrobo J C, Olamit J, et al.Growth mechanisms and oxidation resistance of gold-coated iron nanoparticles[J].Chem Mater, 2005, 17(12): 3181～3186.

[11] Liu T, Li D S, Yang D R, et al.An improved seed-mediated growth method to coat complete silver shells onto silica spheres for surface-enhanced Raman scattering[J].Colloid Surf A-Physicochem Eng Asp, 2011, 387(1-3): 17～22.

[12] Stoeva S I, Huo F, Lee J S, et al.Three-layer composite magnetic nanoparticle probes for DNA[J].J Am Chem Soc, 2005, 127(44): 15362～15363.

[13] Wu W, He Q G, Chen H, et al.Sonochemical synthesis, structure and magnetic properties of air-stable Fe3O4/Au nanoparticles[J].Nanotechnology, 2007, 18(14): 1～8.

[14] Xi Z J, Huang R R, Li Z Y, et al.Selection of HBsAg-specific DNA aptamers based on carboxylated magnetic nanoparticles and their application in the rapid and simple detection of hepatitis B virus infection[J].ACS Appl Mater Interfaces, 2015, 7(21): 11215～11223.

[15] Xi Z J, Zheng B, Wang C.Synthesis, surface modification, and biolabeling with aptamer of Fe3O4@SiO2magnetic nanoparticles[J].Nanosci Nanotechnol Lett, 2016, 8(12): 1061～1066.

[16] Ma C, Li C Y, He N Y, et al.Preparation and characterization of monodisperse core-shell Fe3O4@SiO2microspheres and its application for magnetic separation of nucleic acids from E.coli BL21[J].J Biomed Nanotechnol, 2012, 8(6): 1000～1005.

[17] He L, Li Z Y, Fu J, et al.Preparation of SiO2/(PMMA/Fe3O4) nanoparticles using linolenic acid as crosslink agent for nucleic acid detection using chemiluminescent method[J].J Nanosci Nanotechnol, 2011, 11(3): 2256～2262.

[18] Li C Y, Ma C, Wang F, et al.Preparation and biomedical applications of core-shell silica/magnetic nanoparticle composites[J].J Nanosci Nanotechnol, 2012, 12(4): 2964～2972.

[19] Sun X J, Liu F T, Sun L, et al.Well-dispersed Fe3O4/SiO2nanoparticles synthesized by a mechanical stirring and ultrasonication assisted stober method[J].J Inorg Organomet Polym Mater, 2012, 22(2): 311～315.

[20] 彭菊村, 盧強華, 吳波英.金納米顆粒水相合成工藝研究[J].稀有金屬材料與工程, 2006, 35(6): 954～958.

[21] 賀聽, 熊曉東, 梁敬博, 等.免疫檢測用納米膠體金的制備及粒徑控制[J].稀有金屬, 2005, 29(4): 471～474.

[22] 周澤淵, 于淑湘, 姜永, 等.氯金酸的濃度對納米金形態(tài)的影響[J].稀有金屬材料與工程, 2008, 37(2): 350～353.

[23] 江紅榮.金磁復合顆粒的制備與表征及其應用于拷貝數(shù)變異分析的初步探索[D].南京: 東南大學, 2013.

[24] 宋娟, 徐強, 張升曉, 等.巰基修飾磁性納米材料富集-原子熒光法測定花蛤中甲基汞[J].魯東大學學報(自然科學版), 2014, 30(4): 320～324.

[25] 賀全國, 吳偉, 楊云, 等.表面巰基化修飾的磁性Fe3O4納米粒子合成與表征[J].精細化工中間體, 2007, 37(2): 63～67.

[26] Zhang S X, Zhang Y Y, Liu J S, et al.Thiol modified Fe3O4@SiO2as a robust, high effective, and recycling magnetic sorbent for mercury removal[J].Chem Eng J, 2013, 226(9): 30～38.

[27] Du J J, Jing C.Preparation of thiol modified Fe3O4@Ag magnetic SERS probe for PAHs detection and identification[J].J Phys Chem C, 2011, 115(36): 17829～17835.

[28] 朱欣星, 安然, 李昌朋, 等.膠原與明膠的結構研究: 方法、結果與分析[J].皮革科學與工程, 2012，24(5): 9～14.

[編輯] 洪云飛

2016-10-15

湖北省衛(wèi)生計生科研基金資助項目(WJ2016-YZ-02)。

習志江(1977-)，男，博士，講師，現(xiàn)主要從事納米技術在醫(yī)學領域的分子檢測及靶向治療等方面的研究工作,xizhijiang@163.com。

TB383；R318

A

1673-1409(2017)01-0026-05

[引著格式]習志江，劉暢，劉婕.自組裝型金磁復合顆粒的制備與表征[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(1)：26～30.