MoS2/Fe3O4/Au復(fù)合材料制備及多功能生物探針

張婷，吉于今，楚學(xué)影

（長春理工大學(xué) 物理學(xué)院，長春 130022）

隨著新型冠狀病毒疫情的突發(fā)，快速超靈敏檢測顯得尤為重要。因此，迫切需要開發(fā)一種材料能夠?qū)崿F(xiàn)快速和超靈敏的特點。近年來，類似石墨烯結(jié)構(gòu)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(yōu)點，獲得廣大研究者的關(guān)注［1-2］?；诂F(xiàn)有的報道，MoS2納米材料已被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［3］。2015年MAO K等人［4］首次采用單層MoS2作為熒光猝滅劑，設(shè)計一種具有良好的穩(wěn)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(xiàn)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(jìn)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(biāo)記物在生物檢測上具有很大應(yīng)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(yīng)外部磁場，從復(fù)雜系統(tǒng)中快速地富集生物分子，進(jìn)而縮短了生物分子的檢測時間。近年來，F(xiàn)e3O4超順磁性納米粒子作為分離、快速捕獲目標(biāo)分子的材料被廣泛應(yīng)用在生物檢測中［10］。該方法是一種綠色、經(jīng)濟且簡便的技術(shù)。其中，大多數(shù)為Fe3O4納米粒子與Ag或Au納米粒子結(jié)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(xiàn)痕量無損檢測的優(yōu)越性，受到普遍關(guān)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(fā)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(jìn)而提高了靈敏度和選擇性，可以選擇性地分析復(fù)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(lián)。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(yōu)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(xiàn)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(jié)合制備多功能納米復(fù)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(fù)合材料的磁學(xué)性質(zhì)分析。最后，以多功能材料為基礎(chǔ)構(gòu)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(xué)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(xì)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(jù)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(yīng)溶液達(dá)到pH=10后，繼續(xù)攪拌30 min。將獲得樣品置于30 mL排氧的去離子水中待用。

經(jīng)過多組實驗條件的探究，獲得最優(yōu)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(xù)超聲15 min后轉(zhuǎn)移到30 mL的特氟龍反應(yīng)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(fù)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(xù)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(lián)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(jié)構(gòu)特征。通過透射電子顯微（TEM，TecnaiG220S Twin，USA）對樣品的形貌進(jìn)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(jìn)行基團分析（FTIR）。

2 結(jié)果與討論

2.1 多功能復(fù)合材料的表征

為了確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)，對不同比例Au的MoS2/Fe3O4/Au多功能復(fù)合材料進(jìn)行XRD表征，結(jié)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(biāo)準(zhǔn)卡PDF#37-1492 相對應(yīng)。位于 29.5°、31.8°、35.4°、42.4°、53.2°、56.9°、62.6°的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡 PDF#72-2303的峰值基本吻合，分別對應(yīng)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(jìn)行多功能復(fù)合材料制備時，由于Au的含量較少，導(dǎo)致XRD圖譜中Au的衍射峰很弱。為了復(fù)合更多的Au納米粒子得到理想的復(fù)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(biāo)準(zhǔn)卡完全吻合，充分說明Au納米粒子成功與MoS2/Fe3O4復(fù)合。結(jié)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(fù)合材料的形貌，對其進(jìn)行TEM表征，結(jié)果如圖2所示。圖2（a）顯示MoS2/Fe3O4納米復(fù)合材料尺寸約為600 nm?？梢郧逦乜吹組oS2呈現(xiàn)花狀納米結(jié)構(gòu)，黑色小顆粒即為Fe3O4納米粒子。圖2（b）顯示復(fù)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(fù)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(fù)合材料時，Au納米粒子量很少。由于Au的量較少可能會導(dǎo)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(jìn)行應(yīng)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(fù)合材料進(jìn)行的。

為了進(jìn)一步驗證多功能材料是否復(fù)合成功，對其進(jìn)行元素分析。圖3給出EDS譜，從結(jié)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(yīng)。

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(nèi)振動模式與層間振動模式。結(jié)果表明，在MoS2基礎(chǔ)上引入Fe3O4納米粒子后，E12g和A1g拉曼振動峰向低波數(shù)方向移動，但是拉曼峰的強度并沒有發(fā)生影響。其中，拉曼峰位移原因是材料復(fù)合過程兩材料的相互作用導(dǎo)致的。然而，在MoS2/Fe3O4基礎(chǔ)上與Au納米粒子復(fù)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(jìn)而可實現(xiàn)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(fù)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(xiàn)出超順磁性。因此，驗證了在MoS2基礎(chǔ)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(nèi)的磁富集過程。實驗結(jié)果表明1 min即可快速磁富集多功能材料，實現(xiàn)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(gòu)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(jié)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(lián)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(lián)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?？梢郧逦^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(lián)1nM的人IgG生物分子后樣品仍表現(xiàn)超順磁性。

圖8 多功能生物探針的磁分離照片

3 結(jié)論

本文將水熱法、共沉淀法及熱還原法相結(jié)合，成功獲得600 nm左右的多功能復(fù)合材料（MoS2/Fe3O4/Au）。從拉曼光譜及磁學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果得出，在MoS2的基礎(chǔ)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(xiàn)出超順磁性。其中，多功能復(fù)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(fù)合材料與1nM的生物分子（人IgG）偶聯(lián)，構(gòu)建了可以在磁輔助下1 min內(nèi)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(lǐng)域作為候選材料。