荧光磁性纳米粒子（精选7篇）
荧光磁性纳米粒子 篇1
胃癌通常是指发生在胃上皮组织的恶性肿瘤。胃癌具有起病隐匿、易转移与复发、预后差等特点。胃癌及癌前病变的症状隐匿且无特异性，因此早期胃癌很难发现。如何追踪和定位到胃癌细胞是胃癌早期诊断和治疗的关键。
骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,MSCs)是具有多向分化潜能的成体干细胞，在合适的诱导条件下可以分化为成骨、软骨、肌肉、脂肪和神经等组织细胞。MSCs由于具有取材便捷、体外扩增能力强、基因转染效率高和低免疫原性等优点，已成为当前干细胞领域中的研究热点，可作为组织工程中的种子细胞和基因治疗的靶细胞，临床应用前景广阔[1]。近来研究表明MSCs具有肿瘤组织定向趋化能力[2]。Elzaouk Lina等发现携带IL-12基因的MSCs能够抑制黑素瘤生长[3]:Hata N等揭示MSCs靶向胶质瘤的分子机制[4];Li Ming-hua等发现MSCs具有向肝癌迁移的能力[5]:Zischek Christoph等报道了MSCs具有向胰腺癌归巢的能力[6]。
本实验室的研究首次发现MSCs具有向胃癌迁移的能力。硅包裹的荧光磁性纳米粒子(fluorescent supermagnetic nanoparticles FSMNPs)兼具有量子点和磁粒子的特质，无毒性，能够高效标记MSCs，并且可以通过荧光成像和核磁共振成像双模式动态检测MSCs的标记情况，因此FSMNPs是可作为一种安全的、理想的生物探针。本研究将胃癌细胞MGC803注射入裸鼠皮下，筛选并建立胃癌模型。FSMNPs标记的MSCs尾静脉注射入胃癌小鼠模型体内，2w后，荧光成像和核磁共振成像观测均显示标记的MSCs定位在肿瘤部位。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实验动物和细胞
所用SD大鼠与裸鼠来自于上海斯莱克实验动物有限责任公司。骨髓间充质干细胞的原代分离纯化依据于Zhu Heng,et al.所报道的文献[7]。选取第3代至第5代MSCs完成以下实验。MGC803胃癌细胞购自上海中科院细胞库。
1.1.2 纳米粒子
荧光磁性纳米粒子是根据Rong He,et al.报道合成的[8]。
1.1.3 试剂与耗材
CCK8试剂盒购自碧云天公司，Hoechst 33258购自Invitrogen公司，亚铁氰化钾购自Sigma公司;细胞皿购自美国Corning公司。
1.1.4 仪器:
细胞培养箱，Thermo HEPA Class 100;光学显微镜，Olympus IX71;酶标仪，Thermo multiskan MK3;共聚焦显微镜，Leica TCS SP5;透射电子显微镜，JEOL JEM2010;核磁共振仪，GE HDX 3.0T;动物荧光成像系统，BIO-REAL。
1.1.5 培养基
DMEM培养基，胎牛血清购自Gibico公司;胰酶、青霉素和链霉素购自碧云天公司。
1.2 方法
1.2.1 FSMNPs对MSCs的安全性评价
CCK8毒性试验是将不同浓度的FSMNPs与MSCs共培养，不同时间段检测MSCs存活率的变化。对照试验培养的MSCs不加入FSMNPs。对照组与实验组平行重复5次。取约1×104细胞接种96孔板中，在含10%的胎牛血清的DMEM培养液中，5%CO2,37℃环境下培养。待细胞贴壁并且80%融合后，除空白对照外，其余每个孔加入含50μg/m L FSMNPs的培液100ml共培养3h，每孔更换新鲜培液100ml，持续培养5d，每天定时检测并记录细胞的吸光值:每孔加入10μl WST-8溶液，孵育1h后，选择480nm的波长，在酶标仪上测定各孔的光吸收值并计算5个平行孔的平均值。存活率计算公式如下:
存活率(%)=A480(sample)/A480(control)*100
1.2.2 FSMNPs标记MSCs
普鲁士蓝染色:MSCs除去培养液后PBS反复冲洗，0.25%胰蛋白酶消化后接种于放置了盖玻片的6孔板内，待细胞生长至80%时，加入50μg/m L FSMNPs标记细胞。6h后PBS洗去悬浮的粒子，2.5%戊二醛固定、2%亚铁氰化钾水溶液和6%盐酸溶液等量混合，加入细胞作用30min，除去培液后取出盖玻片置于载玻片上。封片后光学显微镜下观察染色情况。
共聚焦成像:MSCs爬片后加入50μg/m L FSMNPs标记细胞，6h后PBS冲洗细胞，2.5%戊二醛固定30min，蒸馏水充分洗3次，1mmol/L Hoechst 33258与细胞孵育5min后吸弃培养液，取出盖玻片置于载玻片上。封片后在同一视野、不同激发光作用下，收集细胞胞核与细胞内FSMNPs的荧光信号。
透射显微镜成像:被FSMNPs标记的MSCs消化离心，2.5%戊二醛4℃固定24h，细胞样品用二甲基胂酸钠缓冲液洗涤，1%四氧化锇固定，乙醇梯度脱水，包埋于环氧树脂中。细胞样品的超薄切片置于铜载网中在透射显微镜下观测。
1.2.3 FSMNPs标记的MSCs体内靶向胃癌
取MGC803至对数生长期的细胞用0.25%胰酶消化后，收集制成2×107个/m L的细胞悬液备用。每只裸鼠取1个注射点，用以上细胞液0.5mL注射于前肢腋下。接种后每天观察有无肿瘤形成成及注射点有无破溃红肿，约4w后，在注射部位裸鼠的前肢下方形成约1cm3肿瘤，裸鼠的胃癌模型由此建立。荧光成像检测方法:FSMNPs标记后的MSCs尾部静脉注射入携带肿瘤的裸鼠体内，2w后，利用BIO-REAL动物荧光成像系统观测活体荧光成像，随后，安乐死裸鼠收集脏器包括心、肝、脾、肺、肾和肿瘤块再进行一次荧光扫描。未被标记的MSCs移植入裸鼠模型体内作为平行对照。核磁共振成像检测方法:移植被标记的MSCs 2w后麻醉裸鼠，采用GE HDX3.0T MRI机，使用3英寸表面线圈扫描。取轴位扫描，自旋回波T2加权像(TSE-T2WI)下收集3.0 T的磁场强度下磁共振信号。以上动物实验都重复3次，最后显示的是具有代表性的实验结果。
2 结果与分析
2.1 FSMNPs表征
如图1所示，本实验室制备所得的FSMNPs是被二氧化硅包被Cd Se量子点和磁粒子的微球，平均直径约为50nm，硅壳厚度约为20nm。FSMNPs具有优越的荧光性能和磁性能，由荧光光谱曲线可以看出，FSMNPs发射光谱为对称的高斯分布，半峰宽大约30nm;由磁滞回线可以看出，FSMNPs具有超顺磁性，磁响应强度约为2.0 emu·g-1。
A:PL intensity of as-prepared FSMNPs with red fluorescent signals;B:Magnetic intensity curve of as-prepared FSMNPs;C:high-resolution TEM picture of prepared FSMNPs.
2.2 FSMNPs安全性评价
毒性试验结果表明，如图2A所示，FSMNPs的浓度低于100μg/m L对细胞几乎没有毒性作用，从第2d到第5d，细胞的存活率是依次递增的。但是，MSCs对于FSMNPs在第1d产生应激反应，约30%MSCs发生凋亡，随后的4d,MSCs以5%的速率扩增并在第5d达到90%的存活率。因此，一定浓度下的FSMNPs具有良好的生物安全性。
2.3 体外标记MSCs
共聚焦荧光图片显示(图2B)，细胞核被Hoechst 33258染成蓝色，FSMNPs(呈现红色)分布于MSCs细胞核周围的细胞质中。普鲁士蓝染色(图2C)显示FSMNPs以蓝色颗粒的形式分散于细胞质中。TEM图片(图2D)能够观测到细胞的微结构例如内质网、线粒体、高尔基体等，进一步确定了FSMNPs在细胞中的定位。图2D显示细胞内吞FSMNPs进入细胞，同时FSMNPs也存在于胞内体和溶酶体内，细胞核无FSMNPs的存在。我们的实验结果表明FSMNPs能够高效标记MSCs，并不影响细胞形态和细胞活性。
2.4 体内观测FSMNPs标记MSCs靶向胃癌
裸鼠胃癌模型建立后尾静脉注射MSCs,2w后，用BIO-REAL成像系统扫描MSCs迁移情况，图3A所示，平行实验中，非标记MSCs注射的裸鼠无信号输出，FSMNPs标记MSCs的裸鼠在肿瘤部位有较强的荧光信号。随后，安乐死裸小鼠，取出心、肝、脾、肺、肾和肿瘤块再进行一次扫描，结果显示(图3B)相对于未标记的平行组分，被标记组分的肿瘤呈现出荧光信号，表明被标记的MSCs积聚在此部位，除了肝(具有代谢异物的能力)，其他脏器如心、脾、肺、肾都没有荧光信号。此外，我们对另一组FSMNPs标记MSCs移植后的胃癌裸鼠模型进行MRI扫描，图3C所示，在肿瘤部位3.0 T的磁场强度下有清晰的磁共振信号。综上所述，FSMNPs能够作为荧光探针和MRI探针标记MSCs并且MSCs在体内具有靶向胃癌的能力。
3 讨论
本研究发现MSCs在体内能高度特异性的向胃癌发生部位迁移;FSMNPs作为一种双模式的新探针，可以代替传统的基因融合，有机荧光染料和单一功能的纳米材料[9,10,11]。此外，FSMNPs具有硅外壳，能形成稳定的核壳结构，生物相容性好，对MSCs几乎没有毒性，并能够高效标记MSCs，不影响细胞形态和活性;通过活体成像和核磁共振成像系统能够对FSMNPs标记的MSCs移植后的迁移情况进行实时监测，为胃癌的早期诊断与治疗提供了一条崭新的途径。
(A)The MSC survival rate under treating with different concentration of FSMNPs and different culture time;(B)Cell nucleuses of FSMNP-labeled MSCs were visible by Hoechst 33258 staining(200×);(C)FSMNPs were endocytosed by using Prussian blue staining to detect their location(200×);(D)TEMpicture showed MSC was forming pseudopodia to wrap FSMNPs and internalized FSMNPs were located inside the lysosome(6 000×).
(A)Fluorescence imaging of the mouse models after injection of MSCs with or without FSMNPs;(B)Fluorescence imaging of the internal organs of mice after injection of MSCs with or without FSMNPs;(C)The MRI imaging of MSCs labeled with FSMNPs homing to tumor site.The arrows indicated the tumor site with FSMNPs.
MSCs具有取材便捷、体外扩增能力强、基因转染效率高、转染后稳定表达、可自体回输从而避免了免疫排斥反应等特点,被认为是基因工程的理想种子细胞[12],近几年,有文献报道利用MSCs靶向肿瘤的特性抑制胶质瘤[13]、黑色素瘤[3]、胰腺癌[6]和肾细胞癌[14]的生长。本实验证明MSCs具有靶向胃癌迁移的能力,这为以MSCs为载体的胃癌靶向基因治疗提供了理论依据。然而,目前关于MSCs向胃癌细胞靶向迁移的分子机制尚未明确,有待于深入研究。
荧光磁性纳米粒子 篇2
近些年来, 生物纳米材料以其性能的多样性、稳定性, 结构的特殊性以及应用的广泛性引起了越来越多研究者的关注, 尤其是尺寸可控的单分散磁性纳米粒子 (如FePt合金、Fe3O4、γ-Fe2O3等) , 在细胞分离[1,2]、靶向药物输送[3,4]、磁共振成像[5,6]等方面展现了广阔的应用前景。随着生物医学的发展以及人们生活水平的提高, 对生物材料的要求也越来越严格, 但是单一的磁性材料只能实现靶向无法实现示踪, 这在很大程度上限制了磁性纳米材料的应用范围。针对单一磁性材料的这些缺陷, 各国研究小组 (如Kim课题组) 都在致力于将磁性材料与荧光材料复合为一体, 以实现磁性和荧光的集成。这种双重功能生物纳米材料将磁性纳米粒子的磁学特性与具有生物标记功能的荧光特性有效地结合起来, 使其兼具磁响应性、荧光可示踪性和表面功能性, 在靶向药物载体、细胞分离和标识、磁共振成像以及生物传感器等众多领域具有广阔的应用前景, 也为研究者开发新材料提供了设计思路和方向。
在众多磁性材料中, 具有超顺磁性的Fe3O4纳米粒子在外加磁场中显示出相对较好的磁响应性, 当撤去磁场后磁性很快消失表现为无磁性记忆, 因此它可以应用于固定化酶、靶向给药、免疫分析、环境监测等诸多领域。但Fe3O4磁性纳米粒子本身不具备明显的标记功能, 而发光性好且性能稳定的荧光纳米材料在生物标记领域的快速发展引起了研究者的重视, 于是将Fe3O4磁性材料和荧光材料的功能集于一种纳米复合体系中成为了研究的热点, 这也将更大程度地拓宽Fe3O4在生物医药领域中的应用。
目前, 这种纳米复合体系中的荧光材料既可以是无机荧光材料也可以是有机荧光材料, 其选择主要遵循以下原则: (1) 具备较高的发光效率和合适的波长; (2) 合成方法简单; (3) 易于与磁性材料实现良好连接; (4) 生物相容性良好。近几年研究较多的发光材料有:有机荧光材料、发光量子点、具有光学活性的金属纳米粒子以及稀土元素离子等。许多研究者已采用多种方法制备出不同类型和结构的多功能纳米复合材料, 并对它们的应用进行了深入探究。本文就当前基于Fe3O4纳米粒子的磁性荧光双功能复合材料的研究进展做一综述。
1 磁性材料@量子点
量子点是由Ⅱ-Ⅵ或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的半导体纳米颗粒, 它们的尺寸小于或者接近激子波尔半径 (一般直径不超过10nm) , 具有明显的量子效应, 可以简单地通过改变粒径实现单一波长激发产生不同波长的荧光, 从而获得连续的激发光谱。量子点具有量子效率高、发射光谱半高宽窄、激发与发射峰之间的Stokes位移大以及光漂白抗性强等优点, 凭借优良的光谱特征和光化学稳定性而引起了人们的关注, 可应用于细胞成像[7]、免疫荧光检测[8]、药物释放等方面[9]。常用的发光量子点有CdSe、CdTe、InP、InAs等纳米粒子。将磁性纳米粒子与量子点通过特定的方法相结合以制备具有磁性和荧光双重功能的纳米复合微粒是目前国内外研究的一大热点。
据报道, Kim课题组成功地制备了一种全无机双功能纳米复合物[10], 这种复合物是用多晶型的CdSe量子点包覆在单晶型的钴金属核表面形成的。金属钴核的平均直径约11nm, 硒化镉壳的平均厚度为2~3nm。从发射光谱上可以看到单独的CdSe的Stokes跃迁为20nm, 复合物的Stokes跃迁为40~50nm。随后他们采用有机模板来制备具有介孔结构的二氧化硅微球, 成功地将磁性Fe3O4纳米粒子和量子点同时镶嵌在介孔二氧化硅的孔隙中, 从而制备了多功能的磁性Fe3O4荧光微球 (见图1) , 并进一步验证了载药的可行性[11]。
Cao等[12]以乙二胺为模板, 通过Fe3O4纳米粒子在CdTe量子点种子上优先生长, 制备了掺杂CdTe量子点的Fe3O4磁光复合纳米线, 如图2所示。这种磁光复合材料的发射峰相比纯CdTe发生了蓝移, 并在紫外灯下呈黄色。
有研究小组尝试将磁性纳米粒子和半导体量子点分别通过有机溶剂加以改性, 力求得到性能更优异的复合材料。例如, Xu课题组将硫醇改性的Fe3O4纳米粒子和巯基乙酸改性的CdTe半导体量子点通过化学键合的方法连接在一起, 制得了Fe3O4@CdTe磁光复合材料[13]。该复合材料的平均直径为30nm, 具有良好的磁光响应性能, 如图3所示。
与以上研究中采用化学键合的方法不同, Huang课题组采用溶胶-凝胶和静电自组装相结合的方法成功制备了CdSe@SiO2@Fe3O4复合材料[14]。首先将具有超顺磁性的纳米Fe3O4粒子作为核包埋在SiO2壳层内以形成SiO2@Fe3O4的核壳结构;再用γ-氨丙基三甲氧基硅烷对SiO2壳层的表面进行氨基改性处理;然后利用静电自组装的机理将经巯基乙酸处理后的CdSe量子点与SiO2@Fe3O4结合, 成功制备出CdSe@SiO2@Fe3O4多功能磁性荧光纳米复合微球。该复合微球具备较好的超顺磁性和发光性能, 并且可以通过调节二氧化硅壳层的厚度改变CdSe粒子的附着量, 进而实现对其发光强度的控制。
2 磁性材料@镧系稀土离子掺杂化合物
镧系元素掺杂化合物一般由无机晶体场和以固溶体形式存在于无机晶体场中的三价镧系离子激发中心组成。无机晶体场不仅可以固定镧系离子的基质晶体, 而且具有敏化离子荧光的功能。镧系稀土离子掺杂化合物的特征峰是由镧系离子决定的, 当掺杂不同离子和基质时可以发出不同颜色的光。同时, 镧系稀土离子掺杂化合物还有相对较高的光化学稳定性及较长的荧光寿命。此外, 与荧光半导体相比, 它还具有低毒性特点。近年来稀土元素掺杂的无机纳米晶体被认为是在生物标记方面的具有诱人前景的荧光材料[15,16], 因此一些研究者在制备多功能磁性荧光复合微粒时更偏向于使用稀土元素离子来与磁性纳米粒子复合[17,18]。
一些课题组用水热法合成了Fe3O4微球并通过溶胶-凝胶法包覆了介孔二氧化硅层, 之后在二氧化硅层上沉积了一层YVO4∶Eu3+荧光粉, 从而合成出具有三明治结构的磁光复合物[19]。这种复合物可用于药物投递系统, 而药物的释放量可以通过改变光辐射的强度来控制。此外, 还可以采用溶剂热法制备稀土元素掺杂YPO4∶RE (RE=Tb, Eu) 纳米球, 然后采用共沉淀法在此结构的表面形成Fe3O4壳, 最终获得Fe3O4@YPO4∶RE多功能复合纳米微粒 (图4) 。动物实验证实该复合微粒具有良好的荧光标记效果和药物缓释能力[20]。
有研究者指出当稀土元素和一些磁性纳米粒子混合在一起时会产生荧光猝灭效应, 从而限制该类材料的进一步应用。针对此问题, Yang等通过尝试制备中间保护层来有效隔离稀土元素与磁性纳米粒子之间的直接接触从而保护其荧光效应[21]。他们首先将水热法制备的Fe3O4纳米球包裹于无孔的二氧化硅内, 然后再通过溶胶-凝胶法在此结构的表面生成一层具有有序介孔结构的二氧化硅, 最后再将稀土铕离子掺杂的YVO4 (YVO4∶Eu3+) 固定在外层的二氧化硅壳上。通过此方法制备的多功能复合微粒表现出较强的荧光效应。
3 磁性材料@有机荧光染料
有机荧光染料是指在吸收可见光或紫外光后能把吸收的光转换为波长相对较长的荧光发射出来从而呈现出各种鲜艳颜色的染料。在最近几年中, 有机荧光染料在民用及工业领域 (如有机荧光颜料与涂料、化学及电化学发光体中的有机荧光发光光源、化学分析、分子印迹及信息储存、生物医学的示踪及标记等) 都得到了广泛应用。目前应用相对较广泛的有荧光蛋白、罗丹明类、荧光素及其衍生物等。
采用杂凝聚和无皂乳液聚合相结合的方法, 可以制备出具有高度单分散性且以包含磁性纳米粒子 (Fe3O4) 的SiO2为核、以有机荧光染料为壳的多功能纳米复合微球[22]。在这种结构中引入SiO2是为了能在磁性纳米粒子的表面成功地包裹一层具有荧光效应的有机聚合物。例如, 应用这种简单可重复的方法制备的具有良好光化学稳定性的超顺磁纳米复合颗粒Fe3O4@SiO2@dye@SiO2, 在其结构内部SiO2层起到了提高磁性纳米颗粒与有机荧光染料结合能力的作用;而外层的SiO2赋予复合材料较高的荧光响应性, 而且荧光强度的调节可以通过进一步改变外层SiO2的厚度来实现[23]。该复合材料的荧光强度还可以通过在制备过程中增加染料的浓度来提高。Mou等[24]将绿色荧光染料FITC (Fluorescein isothiocyanate) 包裹在具有介孔结构的SiO2内, 制备了具有规则的六角孔结构的纳米复合结构, 并且将其成功地应用于纤维细胞的标记。在此基础上, 他们又成功制备出具有磁性和荧光双重功能的SiO2纳米复合结构, 将单分散的纳米Fe3O4粒子作为核包裹在SiO2壳层内 (Fe3O4@SiO2) , 同时又将有机荧光染料分散在上述结构框架的孔隙中。该复合结构具有较好的超顺磁性, 并可用于多种细胞的标记。
Moon等[25]制备了分散性好、尺寸均一且可调的Fe3O4@mSiO2核壳结构 (图5) , 该结构的整体尺寸小于100nm, 并将有机荧光素FITC和RITC (Rhodamine isothiocyanate) 引入二氧化硅的壳层中以实现可被标记的功能。他们还将这种多功能微球注射入老鼠体内的肿瘤部位, 验证了其具有可被定位、标记的功能。
虽然有机荧光材料被广泛应用于蛋白质和细胞的标记, 但其存在荧光特征谱较宽、发光谱较窄, 光化学稳定性差, 发出的荧光光子平均数量少, 易光漂白和光解而产生对生物体具有杀伤作用的产物等不足之处, 因此很难实现两种以上荧光分子的多色标记。
4 结语
功能性磁光纳米复合材料可以把磁性纳米粒子的超顺磁性及荧光材料的标记功能有效地集于一身, 同时实现靶向定位、荧光成像、药物缓释等功能, 因此该复合体系在肿瘤的靶向治疗、细胞的分离与识别以及磁共振成像等领域具有诱人的应用前景。理想的磁性荧光纳米复合微粒应该能产生较强的荧光, 并具有比饱和磁化强度较高、微粒尺寸小、粒径分布窄、化学稳定性好且制备工艺简单等特点。由磁性Fe3O4纳米粒子与稀土元素离子复合制备的纳米复合微粒因具有优良的发光性能和简单的制备工艺而有望成为未来材料研发的热点和重点。虽然目前有关磁性荧光纳米复合微粒的制备方法很多, 相关研究报道也层出不穷, 但对临床应用效果的评价却很少, 因此在对磁光纳米复合材料进行优化制备的同时还应更注重评价其应用性能。
摘要：以磁性Fe3O4纳米粒子为切入点, 综述了Fe3O4纳米粒子与发光量子点、镧系稀土离子掺杂化合物以及有机荧光材料复合而得到的纳米复合微粒的制备方法、复合方式、性能特点等;总结了基于Fe3O4纳米粒子的磁光双功能复合材料在材料科学与生物医学等方面的应用, 并展望了磁光纳米复合材料的应用前景。
荧光磁性纳米粒子 篇3
近年来, 磁性纳米粒子因其具有表面电位高、比表面积大、超顺磁性和易分离等性质, 对污水中多种无机离子及有机物有较强的吸附能力或螯合作用, 随之借助于具有诸多优点的超导磁分离技术, 可将吸附污物的纳米粒子从污水中分离出来, 从而达到净化污水的目的, 此项技术已成为最有发展前途的新型污水处理技术之一。
中国科学院研究生院教师孙正滨、中国科学院理化技术研究所段宣明研究员段宣明研究员等通过化学合成的方法, 在常温下制备了聚合物包覆Fe3O4磁性纳米粒子, 尝试将其应用于印染厂污水净化, 以期为印染类污水处理提供新方法。
荧光磁性纳米粒子 篇4
电化学发光(Electrochemicaluminescence,ECL)技术由于具有背景噪音低,灵敏度高、所用仪器简单、易精确控制和自动化等优点,已经成为分析科学中一种重要而有价值的研究方法[1]。磁性微纳米材料作为一种新型的功能材料,因特殊的磁导向性、超顺磁性,其表面可连接生物活性功能基团等特点,其与ECL技术联用,可以增强电化学发光强度和灵敏度,为ECL技术研究开辟了一个广阔的空间,如磁性纳米材料结合ECL技术已实现了炭疽孢子、血小板衍生生长因子β链二聚体和Ramos肿瘤细胞的检测[2,3,4]。近年来,发展新的电化学发光试剂和建立新的电化学发光体系,已成为电化学发光研究的热点,本文以BG-Fe、BPG-Fe、PAA-Fe、PE-Fe和COOH-MNPs五种不同功能化磁性纳米粒子为研究对象,寻找一种能显著增强Ru(bpy)2+3/TPA体系ECL强度的最优功能化磁性纳米粒子,以期降低电化学发光检测中被检测物的最低检测限,为电化学发光广泛应用于物质检测提供参考。
2 实验部分
2.1 仪器、试剂及供试材料
CHI800电化学工作站;MPI-A型毛细管电泳电化学发光检测仪(西安迈瑞分析仪器有限公司),检测池采用特制的毛细管电泳电化学发光检测池。
分析纯Ru(bpy) 3Cl2·6H2O、三丙胺(TPA)(美国SigmaAldrich公司)。支持电解质为100mmol/L Na2HPO4-NaH2PO4溶液(pH=7.4),配制溶液所用水均经Milli-Q超纯水系统(美国Millipore公司)纯化。
供试功能化磁性纳米材料主要包括:(1) BG-Fe:BPEI保护Graphene (石墨烯)+COOH-Fe3O4 (30nm);(2)BPG-Fe:BPEI保护Graphene+聚苯胺+COOH-Fe3O4 (30nm);(3) PAA-Fe:PAA-Graphene+Fe3O4;(4) PE-Fe:BPEI-Graphene+Fe3O4;(5) COOH-MNPs。其中BPEI为聚乙烯亚胺,PAA为聚丙烯酸。
空白液和对比液的配制:空白液含10μM、1mMTPA、100mMPBS溶液;对比液分别为含有5μg/mL (磁微球聚合物中Fe3O4的浓度)的5种不同的功能化磁性纳米粒子。
2.2 实验步骤
2.2.1 电极制备
工作电极采用特制磁铁可拆卸的金电极,使用前需经砂纸小心打磨,然后依次用1.0和0.3μm粒径的氧化铝粉末打磨,直至呈光滑镜面后超声清洗。
参比电极为3 cm长的银丝,一端焊接铜丝作为导线。用砂纸擦拭银丝部分后浸入到3M硝酸溶液中去除银丝表面的氧化层。5分钟后取出,冲洗晾干后置于0.1 MHC1溶液中电镀(室温,电流为20μA,电镀时间24 h)。等银丝表面均匀覆盖上一层黑灰色的AgCl层后,把制备好的Ag/AgCl参比电极插入到一个充满饱和KCl溶液的玻璃管中,玻璃管底部用一根直径为100μm的铂丝穿孔便于电子传递。
三电极体系的对电极采用一段长度约为4 cm的铂丝。
2.2.2 磁性材料预处理
将制备好的各种磁性纳米材料经离心富集。取1 mL磁性材料,加1 mL乙醇后离心(5000rpm,5min)重复5次,再用超纯水离心清洗5次,以去除其中的各种聚合物及未转化的FeCl3,最后上清液在磁铁吸附条件下去除。
2.2.3 测定方法
金电极每次在使用前分别用1μm和0.3μm三氧化二铝粉抛光,在二次水中充分超声洗涤后,然后在0.1M的H2SO4溶液中用CHI 800电化学分析仪在-0.2 V-1.6 V的电位区间内循环扫描,直到三个金电极特征峰显现并电流稳定,取出电极后用二次水清洗和氮气吹干。在磁铁吸附电极的情况下,分别对空白液以及对比液进行循环伏安法扫描和检测ECL强度。测试参数为:放大级数为3倍,光电倍增管电压为800V,采样时间:10T/S。
2.2.4 条件优化
2.2.4. 1 磁极方向的影响
取5μg/mL可显著增强/TPA体系ECL强度的最优功能化磁性纳米粒子在空白液中经磁铁正反两面富集后,观察磁性纳米粒子的发光情况。
2.242富集时间的影响
取μg/mL可显著增强/TPA体系ECL强度的最优功能化磁性纳米粒子在空白液中经电极依次富集5 min、20 min、30 min后,观察磁性纳米粒子ECL强度的变化情况。
2.2.4. 3 磁微球浓度的影响
检测可显著增强/TPA体系ECL强度的最优功能化磁性纳米粒子在1、2、5、7、10μg/mL不同浓度下的ECL强度。
3 实验结果
3.1 最优功能化磁性纳米粒子的筛选
(图A、B、C、D、E依次为BG-Fe、BPG-Fe、PAA-Fe、PE-Fe和COOH-MNPs五种磁性粒子对/TPA体系ECL强度的影响情况,黑色曲线是空白液的ECL强度;红色曲线是含不同功能化磁性粒子的对比液的ECL强度)。
不同功能化的磁性纳米粒子对/TPA体系ECL强度的增强和淬灭情况见图1。其中BG-Fe、BPG-Fe、PAA-Fe、PE-Fe四种磁性粒子能增强/TPA体系ECL强度,增强幅度依次为30%、13%、73%、42%;COOH-MNPs磁性粒子可淬灭该体系ECL强度,淬灭幅度为23.2%。考虑到BG-Fe、BPG-Fe、PE-Fe磁性粒子增强的幅度较PAA-Fe的幅度弱,且前三者磁性纳米粒子由于外面具有聚合物聚乙烯亚胺,而聚乙烯亚胺本身就能够增强ECL强度,因此不能充分说明是否单纯是BG-Fe、BPG-Fe、PE-Fe磁性粒子的作用。综上考虑,本文认为PAA-Fe是较理想的、能显著增强ECL强度的磁性纳米粒子,并进一步对PAA-Fe磁性纳米粒子的使用条件进行了优化。
3.2 磁极方向的影响
(红色是磁铁正面、蓝色是磁铁负面、黑色是空白)
5μg/mL的PAA-Fe功能化磁性纳米粒子经磁铁正、负面下富集后磁性纳米粒子的发光情况见图2,由图看出不同的富集面PAA-Fe功能化磁性纳米粒子增强ECL强度的幅度不同,可能是由于正反面与磁铁的南北极没有统一下来,而后续的验证是在磁铁负面富集的情况下进行。
3.3 富集时间的影响
(红色:5min;蓝色:20min;绿色:30min;黑色:空白)
5μg/ml的PAA-Fe功能化磁性纳米粒子在电极上不同的富集时间对ECL强度的影响见图3,由图可看出随着富集时间的延长,PAA-Fe功能化磁性纳米粒子促进ECL强度增强的幅度有所减弱,但所有富集时间的试验组的ECL强度均比空白组的高。
3.4 磁微球浓度的影响
不同PAA-Fe功能化磁性纳米粒子浓度对ECL强度的影响见图4,由图可看出不同浓度MNPS对ECL强度的影响不大,其中浓度在7μg/mL时ECL强度最强。
4 讨论
鉴于新型功能化磁性纳米材料为电化学发光研究带来的新机遇,本研究以BG-Fe、BPG-Fe、PAA-Fe、PE-Fe和COOH-MNPs五种不同功能化磁性纳米粒子为研究对象,通过电化学发光检测技术筛选出能够显著增强ECL的MNPs,本文研究结果表明,PAA-Fe是五种新型功能化磁性纳米供试材料中最理想的增强ECL的磁性纳米粒子,可能是由于PAA-Fe粒径在几十纳米尺寸范围内,比表面积比较大,增大了发光试剂的结合量;加之其表面石墨烯材料既降低了磁性纳米粒子的表面活性,抑制了氧化和团聚的现象,同时也增强了电化学发光反应在磁性材料表面的电子船体,因此进一步增强了/TPA体系的ECL强度[5,6]。
另外,PAA-Fe功能化磁性纳米粒子具有超顺磁性,分离方便迅速,背景干扰较小,反应都是在液相中进行,信号均匀准确,下一步以PAA-Fe功能化磁性纳米粒子作为磁分离的固相载体,结合电化学发光检测技术,探讨如何在免疫分析、DNA检测等实际分析应用中降低检测靶标的最低检测限具有更重要的应用价值[7]。
摘要：考察了五种不同功能化磁性纳米粒子对Ru(bpy)2+3/TPA体系电化学发光(ECL)强度的影响,并对其中能显著增强ECL强度的磁性纳米粒子的使用条件进行了初步的优化。通过电化学发光检测技术发现BG-Fe、BPG-Fe、PAA-Fe、PE-Fe四种磁性粒子可增强Ru(bpy)32+/TPA体系的ECL强度,增强幅度依次为30%、1 3%、73%、42%;COOH-MNPs磁性粒子可淬灭该体系的ECL强度,淬灭幅度为23.2%。实验结果表明,浓度为7μg/mL的PAA-Fe磁性纳米粒子经磁铁富集,在电极上富集5min是其促进ECL强度增强的最优条件。本研究对基于功能化磁性纳米粒子开发新的电化学发光试剂和建立新的电化学发光体系具有重要意义。
关键词：电化学发光,磁性纳米粒子,电化学发光试
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荧光磁性纳米粒子 篇5
磁性纳米粒子由于其超微尺寸,表现出许多不同于常规磁性材料的特性,如超顺磁性、高矫顽力、小尺寸效应、量子隧道效应和居里温度降低等[1,2],在生物分离[3]、靶向给药[4]、微波吸收材料[5]和磁性高分子微球[6]等领域得到越来越多的应用。磁性纳米Fe3O4粒子由于具有低毒、制备简单、价格低、性能稳定的优点,成为应用的首选,但其粒子尺寸小、比表面积大、表面原子数增多及表面能高,使这些原子表面具有很高的活性,极不稳定。磁性纳米Fe3O4粒子间还存在范德华力、磁力、双电子层力的相互作用[7],使纳米粉体添加到其它基体材料中时极易吸附团聚,很难再机械分散,对其光、电、磁等应用性能的发挥产生不利影响[8,9]。此外,磁性纳米粒本身具有亲水疏油特性,在制备磁性高分子微球或磁性材料时,基体材料大多为磁性纳米粒难以相亲相容的有机物或高聚物,影响了磁性纳米粒的使用,因此需要对磁性纳米Fe3O4粒子进行分散和表面有机改性。
超声波细胞粉碎机由于其发出的超声波在液体中的超强分散效应,使液体产生空化作用,可将改性液体中团聚的磁性颗粒分散或破碎,磁性粒子经粉碎分散后与液体中的有机改性剂结合,完成表面改性。目前这方面的研究还未见有报道。
本实验以油酸为表面有机改性剂,辅以超声波粉碎和分散团聚磁性粒子,研究了油酸用量、超声时间及改性时pH值对有机改性效果的影响,并用红外光谱分析验证改性的结果。
1 实验
1.1 药品与仪器
纳米Fe3O4,粒径20nm,纯度99%,南京艾瑞普纳米材料有限公司;油酸,分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司;盐酸,分析纯,上海埃希尔化工产品有限公司;氢氧化钠,分析纯,上海高信化玻仪器有限公司;无水乙醇,分析纯,上海试剂四厂昆山分厂;pH试纸,上海三爱思试剂有限公司;JY92-Ⅱ超声波细胞粉碎机及隔音箱,宁波新芝生物科技股份有限公司;DFZ系列真空干燥箱,上海华连医疗器械有限公司;FA1104分析天平,上海精科天平;XW-80A漩涡混合器,常州诺基仪器有限公司;生物倒置显微镜及图像采集系统,Olympus,日本;傅里叶变换红外光谱仪(TF-IR),复旦大学分析测试中心。
1.2 改性指数的测定
由于未改性前的纳米Fe3O4密度大且亲水,分散于水中静置一段时间后会全部沉降,而改性后纳米Fe3O4由于表面经过改性处理,粒子表面疏水性会增强,根据表面改性结果的不同,置于水中后会有不同含量的纳米粉体漂浮或悬浮在水中。因此,可将改性指数定义为:
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由式(1)可以判断产品改性结果的理想程度,称取改性烘干的纳米Fe3O4共5g并置于含有50mL水的离心管中,漩涡混合均匀,自然状态下静置24h,倒出上层漂浮改性纳米Fe3O4粒子及水溶液,于70℃烘干,称重,计算改性指数值。改性指数H越大,说明改性效果越好,在有机物中的相容分散性也越好。
1.3 改性操作方法
吸取0.5mL油酸于50mL无水乙醇溶液中混合均匀,得到油酸乙醇溶液;准确称取10g纳米Fe3O4,加入油酸乙醇溶液中搅拌混匀;将装有纳米Fe3O4和油酸乙醇溶液的三角烧瓶固定于超声波细胞粉碎机隔音箱内的固定台上,关闭隔音箱门,设定超声次数为15次,每次2min,间隔时间为15s,超声功率为500W。超声完成后取出,放入70℃的真空干燥箱中干燥24h,即得表面有机改性的纳米Fe3O4粒子。通过改变油酸用量、超声次数、油酸乙醇混合溶液的pH值作一系列实验,测定改性指数。
2 结果与讨论
2.1 油酸用量对改性效果的影响
按上述改性操作方法,固定超声次数、每次时间、间隔时间和超声功率,在中性pH值(pH=7)的条件下分别用0mL、0.25mL、0.5mL、0.75mL、1mL油酸进行实验,改性后测得的改性指数值如图1所示。
从图1中可以看出,随着油酸用量的增加,改性指数逐渐增大,当油酸用量为0.5mL时改性效果最好,改性指数达到0.81,此后又开始逐渐降低。分析认为,主要是由于当油酸用量少时纳米粒子表面结合包覆的油酸分子少,油酸分子不足以完全包覆纳米Fe3O4粒子,致使纳米Fe3O4粒子部分表面仍暴露在外,具有一定的亲水性,静置一段时间后便沉入水中。当油酸用量过多时,油酸分子容易形成胶束甚至双分子的单层或多层胶囊,此时胶束或胶囊的体积远大于纳米Fe3O4粒子,因此油酸分子不能紧密吸附在纳米Fe3O4粒子表面,从而导致纳米Fe3O4粒子易于沉淀,改性不佳,在水中静置时不能稳定漂浮,最终沉降下来,改性指数降低。当油酸用量适中时,油酸分子正好完全包覆纳米Fe3O4粒子,改性效果最佳,故纳米Fe3O4粒子改性时较合适的油酸用量为0.5mL。
2.2 超声时间对改性效果的影响
按上述改性操作方法,固定油酸用量为0.5mL,在中性pH值(pH=7)的条件下改变超声次数分别为0次、5次、10次、15次、20次进行实验,每次均为2min,间隔时间为15s,超声功率为500W,改性后测得的改性指数值如图2所示。
超声波细胞粉碎机是利用超声波在液体中的分散效应,使液体产生空化的作用,从而使液体中的固体颗粒或细胞组织破碎,利用工作/间歇的超声方式可增强破碎效果。从图2中可以看出,当超声次数为15次时,油酸对纳米Fe3O4粒子表面的改性效果最好,改性指数达到0.85。分析认为,当磁性纳米Fe3O4粒子未经超声分散和分散时间不足时,部分颗粒吸附团聚在一起,此时即使表面包覆有油酸分子,但整个颗粒较大,在水中因重力作用会很快下沉,随着超声时间的延长,各个团聚颗粒完全分散,细小的纳米颗粒表面充分结合油酸,疏水性增强,最终改性指数达到最大值。但当超声次数超过15次后,团聚颗粒已被分散完毕,继续超声反而会使改性好的纳米粒子表面吸附结合好的部分油酸分子洗脱,导致改性指数减小。因此,油酸改性纳米Fe3O4粒子时合适的超声次数为15次,共30min。
2.3 pH值对改性效果的影响
按上述操作方法,固定油酸用量为0.5mL,超声次数为15次,每次2min,间隔时间为15s,超声功率为500W,在pH值分别为3、5、7、9、11的条件下进行实验,改性后测得的改性指数值如图3所示。
从图3中可以看出,pH值对改性效果有一定的影响,在酸性偏强或碱性偏强的环境中对改性效果均不利,在pH值接近8的弱碱性环境中改性指数最大,为0.82。分析认为,这主要是由于油酸中的羧酸(-COOH)是阴离子表面活性剂,在酸性条件下羧酸中的H+电离较困难,势必影响到油酸中羧基与纳米Fe3O4粒子表面的结合,酸性越强,这种抑制作用越明显,结合的油酸越少,改性指数越小。在弱碱性环境中,纳米Fe3O4粒子表面吸附OH-形成[Fe3O4-OH]-粒子,该粒子表面易于让油酸(R-COOH)结合,形成油酸铁粒子[R-COO-Fe3O4]-。当碱性过强时,油酸开始与碱反应,从而能与纳米Fe3O4粒子结合的油酸偏少,造成改性不足,改性指数减小。因此,油酸改性时适宜的pH值应为7.5左右。
2.4 纳米Fe3O4粒子有机改性后的形态检测
按上述操作方法,在油酸用量为0.5mL、pH=7.5、超声次数为15次、每次2min、间隔时间为15s的条件下对纳米Fe3O4进行改性,测得改性指数为0.87。图4为改性前(a)和改性后(b)纳米Fe3O4粒子的形貌图。从图4可以看出,改性前分散于乙醇中的纳米Fe3O4粒子颗粒明显较大,团聚较多,分散性差,改性后的纳米Fe3O4粒子由于经过超声分散和表面有机处理,在无水乙醇中的分散性明显提高,几乎无团聚发生,但由于磁性纳米粒本身属于单磁畴结构,颗粒间具有磁相互吸引作用而容易形成网状、链状的结构,这种现象通过表面改性是无法解决的。
2.5 红外光谱分析验证
图5为纳米Fe3O4粒子、油酸[CH3(CH2)7HC=CH-(CH2)7COOH]和油酸包覆的纳米Fe3O4(Ferrofluid)粒子的红外光谱图。由图5可知,Fe3O4材料中的Fe-O特征吸收峰波段在570～375cm-1之间[10],红外光谱吸收线中Fe3O4纳米粒子在560cm-1处的吸收峰即为铁氧键(Fe2+-O2-)的特征吸收峰,627cm-1处的较弱吸收峰为Fe3O4中微量亚铁氧键(Fe3+-O2-)的特征吸收峰。油酸的红外光谱吸收线上2855cm-1、2926cm-1处分别为油酸中-CH2-基和-CH3基的伸缩振动峰,1711cm-1处有一较强的吸收峰,这是典型的羰基(C=O)伸缩振动峰,即为油酸中羧酸(-COOH)的羰基,1461cm-1处为油酸中不饱和双键-HC=CH-的伸缩振动峰。
对比改性前的纳米Fe3O4粒子,油酸改性后纳米Fe3O4粒子的光谱线上在2920cm-1和2851cm-1处有明显的伸缩振动峰,表明纳米Fe3O4粒子表面结合有油酸的-CH2-基和-CH3基。1405cm-1处为纳米Fe3O4粒子表面结合油酸中的烯烃键(-CH=CH-)后发生峰值蓝移的结果,说明油酸的包覆作用没有改变油酸中的-CH=CH-键。而改性后的光谱线中并未见到油酸羧基(-COOH)附近的特征吸收峰,说明羧基发生了漂移。在1603cm-1处出现了新的特征吸收峰,这是由于羧酸中羧基(-COO-)的酸性质子被其它阳离子取代后偶合在一个碳原子上的C=O键和C-O键被“均化”为等价的2个介于单双键之间的化学键,与纳米Fe3O4粒子的表面发生了化学结合,即通过化学反应实现包覆改性,这与文献[11]的报道一致。油酸结合纳米Fe3O4粒子的结构模型如图6所示。
由以上分析可知,改性后的纳米Fe3O4粒子表面通过化学结合包覆了油酸,且油酸在包覆过程中没有发生分解或其它化学反应。
3 结论
在超声辅助条件下用油酸对纳米Fe3O4粒子进行了改性。在油酸用量为0.5mL、超声时间为15次、每次2min、间隔时间为15s、pH值约为7.5的条件下改性效果最好,改性指数达到0.87。红外光谱分析证实改性后的纳米Fe3O4粒子表面包覆了油酸分子,表现出其特有的吸收峰,油酸通过羧基的“均化”与纳米Fe3O4粒子的表面进行化学结合实现了包覆,且没有发生分解或其它化学反应。
摘要：采用超声粉碎分散团聚磁性纳米Fe3O4粒子,用油酸对分散好的磁性粒子表面进行改性。结果表明,在纳米Fe3O4中油酸用量为0.5mL、超声次数为15次、每次2min、间隔时间为15s、pH值为7.5的条件下,改性效果最好,改性指数为0.87。红外光谱分析证明,油酸通过-COOH的“均化”与纳米Fe3O4粒子的表面结合实现了包覆改性,无分解和其它化学反应发生,改性效果良好。
关键词：纳米Fe3O4粒子,油酸,超声粉碎,有机改性,红外光谱
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荧光磁性纳米粒子 篇6
磁性纳米材料因具有独特的超顺磁性,广泛应用于生物、 医药、环境、催化、吸附等方面[13,14,15,16,17,18]。但因其粒径小,比表面积大,易发生团聚或氧化,从而严重影响它的催化和吸附性能, 因此磁性纳米材料一般负载在其他材料或者表面修饰一些特定基团,防止纳米材料发生氧化和团聚,同时也可进一步提高磁性纳米材料的吸附性能[19]。利用枝状聚乙烯亚胺作为修饰剂,水热法制备了性能稳定的四氧化三铁纳米材料,考察了制得的纳米材料对染料废水中刚果红的吸附性能,以求寻找去除染料刚果红的高效吸附材料。
1实验部分
1.1主要材料和试剂
刚果红,枝状聚乙烯亚胺(分子量25000,99%),阿拉丁; FeSO4·7H2O、氨水、盐酸、氢氧化钠均为分析纯,实验用水为超纯水。
1.2主要仪器
紫外可见分光光度计(UV-2450),日本岛津;精密pH计(PHS-3C),上海虹益仪器仪表有限公司;双功能水浴恒温振荡器,江苏大地自动化仪器厂;FT-IR光谱仪(Nicolet170SX), 麦迪逊,威斯康星州,美国;X射线粉末衍射仪(D8Advance), 布鲁克;场发射扫描电镜(纳米材日立S-4800),日本日立公司;透射电子显微镜(JEM 1200EX),日本电子株式会社。
1.3 PEI-Fe3O4纳米粒子的制备
PEI-Fe3O4纳米粒子依照参考文献[19]进行制备,部分进行了改动。准确称取6.9849g FeSO4·7H2O溶解于31mL超纯水中,然后逐滴加入25mL氨水,磁力搅拌10min,然后加入20mL 100g/L的PEI溶液,搅拌均匀后转移至100mL的反应釜中,在134℃反应3h。反应完毕后,冷至室温,依次用蒸馏水、无水乙醇洗涤至中性,40℃下真空干燥,备用。
1.4吸附实验
吸附采用静态法在恒温水浴振荡器中进行。 将25mg PEI-Fe3O4纳米粒子加入到50mL 10mg/L的刚果红溶液中, 在180r/min转速下恒温振摇24h,用Nd-Fe-B强力磁铁将PEI-Fe3O4纳米粒子与溶液分离,然后取上层清液于498nm处检测。溶液的pH值用HCl或NaOH溶液调节。刚果红的吸附容量由其初始浓度和平衡浓度通过式(1)计算。
式中,c0和ce分别为刚果红染料的初始浓度和平衡浓度, mg/L;qe为平衡吸附容量,mg/g;m为PEI-Fe3O4纳米粒子的质量,g;V为溶液的体积,L。
2结果与讨论
2.1 PEI-Fe3O4纳米粒子的表征
为了证明PEI-Fe3O4纳米粒子的形成,采用FT-IR、 XRD、SEM和TEM等表征手段对所制得的纳米材料进行了官能团、晶形、形貌和粒径大小测定。如图1(a)所示,586cm-1对应于PEI-Fe3O4纳米粒子的Fe—O的伸缩振动,3440和1631cm-1对应于PEI上的氨基(—NH2),2930和2850cm-1对应于PEI上亚甲基(—CH2—),1120cm-1对应于C—N的伸缩振动,这表明了PEI已成功地修饰在Fe3O4纳米粒子的表面。从图1(b)中可以看出,(220)、(311)、(400)、(422)、 (511)和(440)6个晶面的特征衍射峰均出现,表明形成了面心立方晶体结构的Fe3O4。SEM和TEM[图1(c)和1(d)]测定所制得的PEI-Fe3O4纳米粒子为球形,粒径大约为20nm左右。
2.2 pH值对刚果红吸附效率的影响
溶液的初始pH值对染料分子的结构和吸附剂的表面电荷影响较大。由于刚果红在pH值为3.0~5.0时溶液颜色变化较大,故选择pH值在5.0~9.0范围内考察对刚果红吸附效果的影响。如图2所示,随着溶液初始pH值从5.0升高到9.0,PEI-Fe3O4纳米粒子对刚果红的吸附容量逐渐降低,在pH值为5.0时吸附容量最大。吸附容量的降低原因在于随着pH值升高,PEI-Fe3O4纳米粒子表面氨基质子化程度降低,表面正电荷减少,与阴离子染料刚果红排斥作用增加,同时pH值升高,溶液中OH-数量增多,OH-与阴离子染料刚果红产生竞争吸附,所以去除效率下降。最终确定PEI-Fe3O4纳米粒子吸附刚果红的最佳pH值为5.0。
2.3吸附动力学
如图3(a)所示,PEI-Fe3O4纳米粒子对刚果红的吸附容量随着吸附时间的增加而增加,具体表现为吸附初始阶段吸附容量增加较快,10h后吸附趋于平缓,24h之后吸附平衡。 为了保持吸附平衡,后续吸附时间确定为24h。
分别用准一级动力学模型式(2)和准二级动力学模型式(3)对所得实验结果进行拟合。
式中,qe和qt分别为吸附平衡时和吸附时间为t时的吸附容量,mg/g;k1是准一级速率常数,min-1;k2是准二级速率常数,g/(mg·min)。
PEI-Fe3O4纳米粒子对刚果红吸附的准二级相关系数(R2=0.9997)大于准一级相关系数(R2=0.8926),且计算得到的平衡吸附量qe,cal(19.84mg/g)与实验值qe,exp(19.67mg/g) 非常接近,相关系数R2大于0.999,表明吸附过程伴随着化学反应。由此可见,PEI-Fe3O4纳米粒子对刚果红的吸附符合准二级动力学模型。
2.4吸附等温线
刚果红的初始浓度范围为10~200mg/L,研究刚果红与PEI-Fe3O4纳米粒子之间的相互作用机理,结果见图3(b)。 在低浓度时PEI-Fe3O4纳米粒子对刚果红的吸附容量随着平衡浓度的增加而迅速增加,当平衡浓度达到80mg/L时,吸附量最大,吸附达饱和。
分别用Langmuir和Freundlich两种吸附等温模型来对实验数据进行拟合,其中Langmuir吸附等温式对数据拟合的相关系数R2大于0.9948,并且吸附刚果红的最大理论吸附量(85.47mg/g)与实验所得值(73.56mg/g)更为接近,说明相对于Freundlich吸附等温模型,代表单分子层吸附过程的Lang- muir吸附模型更符合本实验的吸附数据。相对于某些磁性吸附材料,比如Fe3O4/C(48.1mg/g)[15]、m-Cell/Fe3O4/ACCs (66.09mg/g)[18]、GO/Fe3O4(45.27mg/g)[20]、Fe3-xLaxO4(79.1mg/g)[21]、ZnFe2O4(16.58mg/g)[22],所制备的PEI- Fe3O4纳米粒子具有最高的理论吸附容量。
2.5红外光谱分析去除机理
通过红外光谱分析PEI-Fe3O4纳米粒子吸附刚果红前后表面官能团的变化,了解PEI-Fe3O4纳米粒子吸附刚果红作用机制及吸附活性位点。从图4a、b可知,吸附刚果红后的PEI-Fe3O4纳米粒子的Fe—O和PEI的特征吸附峰没有发生变化。 对照图4b和c,刚果红的特征吸收峰3440cm-1(N—H)、1773cm-1(—C—O)、1600cm-1(C= C)、1440cm-1(苯环上C—C)、1177cm-1(S = O)、828cm-1(—C6H6)在吸附后的PEI-Fe3O4纳米粒子上仍然保留,只是吸收强度明显降低,这表明刚果红分子吸附在PEI-Fe3O4纳米粒子的表面。 而1558、1226和1054cm-1波数处对应于N—H变形振动吸收峰、C—N伸缩振动吸收峰以及苯环上S = O吸收峰消失, 表明这些官能团协同参与了刚果红的吸附及刚果红在吸附后结构发生了改变[23,24],因此,化学吸附是PEI-Fe3O4纳米粒子吸附刚果红的主要方式,这可以从反应动力学结果得到验证, 但也不排除静电作用力引起的吸附。
3结论
PEI-Fe3O4纳米粒子对刚果红的吸附行为符合准二级吸附动力学模型,吸附机理符合Langmuir吸附等温方程。红外光谱分析表明吸附刚果红的主要方式是化学吸附。PEI- Fe3O4纳米粒子具有很好的磁性,易于从溶液中分离,可望作为优良的吸附剂用于吸附去除染料废水中刚果红。
摘要：通过水热法制备了枝状聚乙烯亚胺(PEI)修饰的Fe3O4纳米粒子,并借助傅立叶转换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显示镜(SEM)和透射电子显示镜(TEM)对该材料进行表征,同时考察了PEI-Fe3O4纳米粒子对水中刚果红的吸附性能。结果表明,PEI-Fe3O4纳米粒子对刚果红的吸附符合准二级动力学方程和Langmuir吸附等温模型,红外光谱分析表明刚果红吸附的主要方式是化学吸附。PEI-Fe3O4纳米粒子对刚果红的最大吸附容量为85.47mg/g,优于文献报道的其他磁性吸附材料,可望作为一种优良的吸附剂去除染料废水中刚果红。
荧光磁性纳米粒子 篇7
量子点 (Quantum dots, QDs) 又称半导体纳米微晶体[3], 通常由Ⅱ-Ⅵ族[4]或Ⅲ-Ⅴ族[5]元素组成, 直径为2～6nm, 是一种能接受激发光、产生荧光的半导体纳米颗粒。量子点的光学特性与在免疫荧光分析中经常采用的传统有机染料或镧系配合物等相比具有明显的优越性: (1) 不同粒径尺寸的量子点具有不同的颜色, 激发量子点的激发波长范围很宽, 且连续分布, 所以可以用同一波长的光激发不同尺寸的量子点, 而多种染料的荧光 (多种颜色) 却需多种波长的光加以激发; (2) 被激发的量子点发射的荧光谱峰狭窄而对称, 半高峰宽通常只有40nm甚至更小, 这样就允许同时使用不同光谱特征的量子点, 而发射光谱不出现交叠, 使生物分子的多组分检测变得容易; (3) 量子点探针的荧光强度比最常用的罗丹明6G染料高20倍, 稳定性是它的100倍以上[6]。目前研究较多的量子点有CdS、CdSe、CdTe、ZnS等。
关于磁性/发光双功能纳米复合材料的研究近四五年才见诸报端[7,8,9,10,11,12]。磁性荧光量子点是一种既具有发光性能又具有磁性的纳米材料, 它可标记生物大分子, 与生物分子容易实现分离和检测, 在蛋白质分离和细胞分离检测中具有广泛的应用前景[13,14,15]。目前研究双功能磁性荧光复合物的合成方法主要有以下几种: (1) 磁性纳米颗粒直接与量子点结合, 该方法简单、易操作, 但制得的粒子荧光性和磁性都较差; (2) 层层自组装制备磁性荧光微球, 该技术可用于不同形状和尺寸的胶体的制备, 但实验过程繁琐、费时, 并且实验后产品的纯化也是需要解决的问题; (3) 核壳结构的磁性荧光二氧化硅微球, 该微球是以磁性荧光物质为核, 包埋物质为壳的复合物。聚苯乙烯微球、二氧化硅及多孔硅是常用的包埋材料[16]。已有大量文献报道用二氧化硅包裹纳米Co[17]、Fe2O3/CdSe/ZnS多功能纳米微球[18]、纳米Ag[19]等。
本实验选用Fe3O4为磁性材料、CdTe为荧光材料, 采用逐步杂凝聚法制备Fe3O4/CdTe磁性荧光纳米复合颗粒。逐步杂凝聚法是一种利用静电吸引作用使稳定液中微粒逐步凝结的合成方法[20,21], 步骤简单, 易操作, 且制得的微粒内部连接紧密。Fleming等已引用该方法成功连接了聚苯乙烯纳米粒与二氧化硅微粒[22]。在磁性材料与量子点的结合试验中尚未尝试过该方法。本实验首先采用化学共沉淀法制得Fe3O4 纳米颗粒, 用油酸修饰形成磁流体, 最后加入一定量的非离子型表面活性剂使之形成阴离子型水基磁流体。CdTe量子点采用水相合成法制备, 并以巯基乙酸为稳定剂进行修饰, 制得的量子点表面带羧基。最后用阳离子型高分子聚合物聚乙烯亚胺 (PEI) 连接经修饰的Fe3O4磁流体和CdTe量子点, 合成了既具有磁性能又具有荧光性能的Fe3O4/CdTe磁性荧光纳米复合物颗粒。
1 实验
1.1 试剂与仪器
氢氧化钠 (分析纯) , 氯化镉, 无水乙醇 (分析纯) , 硼氢化钠 (NaBH4, 99%) , 碲粉, 巯基乙酸 (TGA, 99%) , 无水乙醇 (分析纯) , 氮气, FeCl3·6H2O (分析纯) , FeSO4·7H2O (分析纯) , 油酸 (分析纯) , 壬基酚聚氧乙烯醚, 聚乙烯亚胺 (PEI) 。
电子天平 (YP1201N, 上海精密科学仪器有限公司) , 强力电动搅拌器 (JB90-D型, 上海华琦科学仪器有限公司) , 超声波清洗仪 (KQ-50E, 上海绿宇精密仪器制造有限公司) , 荧光分光光度计 (Perkin LS55, 美国) , 紫外分光光度计 (TU-1901, 北京普析通用仪器制造有限公司) , 磁力搅拌器 (JB-3, 上海雷磁仪器厂) , 微机差热天平 (HCT-2, 北京恒久科学仪器厂) , 透射电镜 (H-600-Ⅱ, 日立) , EDS能谱 (JEOL-2010 HRTEM, 日本) , 傅里叶变换红外光谱仪 (Avatar360, 美国) , 振动样品磁强计 (Lake Shore 7410, 美国) 。
1.2 CdTe量子点的制备
(1) Te前体的制备
分别称取Te粉0.0835g、NaBH4 0.0508g, 加入到小瓶中, 封闭瓶口, 在0℃反应8h后, 黑色Te粉基本消失, 下层为白色Na2B4O7结晶, 上层为无色NaHTe溶液。
(2) Cd前体的制备
称取1.25×10-3mol CdCl2·2.5H2O (0.2828g) , 溶于100mL蒸馏水, 加入三口烧瓶中。快速搅拌, 加入219μg TGA, 反应液迅速呈白色混浊状。混合均匀后滴加1mol/L NaOH至澄清, 再继续滴加调节pH=9, 通N2脱氧30min。
(3) CdTe量子点的制备
在适当的搅拌速度下, 向Cd前体溶液中加入上述制得的无氧NaHTe溶液, 溶液迅速变为亮橙色。将反应液加热至96℃, 冷凝回流。反应120min后停止加热。将得到的产品冷却待用。
1.3 Fe3O4磁流体的制备
参照文献[23,24]的方法, 分别配制浓度为0.5mol/L的FeCl3和FeSO4溶液, 将两种溶液按n (Fe2+) ∶n (Fe3+) ≈1.75∶1混合均匀倒入三口瓶, 边搅拌边通氮气, 同时缓慢滴加NaOH溶液至黑色胶状物质生成。继续搅拌15min, 缓慢滴加NaOH, 调pH值约为9, 加热60min后停止。产品静置1周后, 经80℃熟化, 然后加入一定量的油酸, 继续反应60min。冷却至一定温度, 再加入一定量的非离子表面活性剂 (壬基酚聚氧乙烯醚) , 并搅拌至充分反应。
1.4 Fe3O4/CdTe磁性荧光复合纳米颗粒的合成
加2mL去离子水至上述制得的阴离子型磁流体中, 搅拌均匀。磁分离后, 去除上层清液。把磁粒再分散于4mL去离子水中, 搅拌均匀, 磁分离, 去除上层清液, 再分散于2mL去离子水中。将此2mL磁流体加入4mL PEI溶液中, 搅拌15min后, 用4mL去离子水把磁粒洗2次, 去除上层清液, 最后分散于2mL水中。
取一定量上述制得的CdTe溶液与1×10-3mol/L的NaCl溶液, 置于一烧杯中, 定容至20mL, 搅拌混合均匀。取2mL磁流体与12mL NaCl溶液 (1×10-3mol/L) 混合均匀, 加入CdTe、NaCl混合液中, 静置24h。图1为Fe3O4/CdTe颗粒的合成路线。
2 表征与分析
2.1 TEM分析
图2为Fe3O4/CdTe纳米复合物颗粒的TEM照片。通过透射电镜分别对CdTe QDs及Fe3O4/CdTe的粒径尺寸及表观形貌进行分析, 可以观察到不规则近似球状的Fe3O4粒子周围很明显地包裹着许多CdTe QDs (呈球形, 平均粒径为 (5±2) nm) ;产品在水中分散较均匀, 平均尺寸约为 (30±5) nm。
2.2 能谱分析
图3为Fe3O4/CdTe纳米颗粒的X射线能量分散谱图 (EDS) 。从图3可以看出, Fe、O、Cd、Te元素的峰值明显, 表明这些元素为产品中的主要成分。其余含量较高的C、Si、O元素是由于载片的影响, S来自CdTe 量子点表面修饰的巯基乙酸。由于EDS对O元素不灵敏, 所以虽然图3中O含量很高, 但并不表示与Fe3O4的Fe、O式量比相矛盾。
2.3 红外光谱分析
图4为Fe3O4磁流体修饰前后及连接量子点后的红外光谱图。图4 (a) 为纯Fe3O4, 3138cm-1和582cm-1处分别对应-OH的伸缩振动峰 (Fe3O4颗粒表面吸附性较强且有微弱的亲水性, 易吸附H2O分子) 和Fe-O的弯曲振动吸收峰。1630cm-1处为-OH的弯曲振动峰。图4 (b) 为表面活性剂修饰后的Fe3O4, 3436cm-1处出现的新吸收峰表明存在缔合羧酸, 1118cm-1处为C-O-C的不对称伸缩峰, 896cm-1处为端基-CH2CH2OH的CH2平面摇摆振动峰, 1622cm-1处为苯环振动峰。这些吸收峰的出现证实油酸与壬基酚聚氧乙烯醚已经包裹在Fe3O4纳米颗粒上。比较修饰前后的Fe3O4特征吸收峰, 由582cm-1分裂成了624cm-1和458cm-1, 说明由于油酸和壬基酚聚氧乙烯醚的键合作用, 使Fe-O键的强度发生了改变。图4 (c) 为连接量子点后的谱图, 本实验用PEI连接Fe3O4与CdTe量子点, 2928cm-1、2856cm-1处新出现的吸收峰分别对应为PEI亚甲基 (-CH2) 的不对称伸缩振动峰与对称伸缩振动峰。1126cm-1处为-C-N键的变形振动峰, 它与C-O-C的不对称伸缩振动峰发生了重叠。同时, 在700～1000cm-1之间也出现了新的吸收峰, 这是烯烃-C=C-的面外变形振动峰。峰形不明显的原因是烯烃基团含量较少。将图4中的吸收峰结合TEM分析, 表明PEI成功地连接了Fe3O4纳米颗粒与CdTe量子点。
2.4 热重分析
图5为Fe3O4/CdTe纳米复合物颗粒的热重分析曲线。由室温升至120℃的阶段失重率为4.1%, 表明复合物表面结合有少量水分;120～300℃的阶段失重率为9.5%, 推测为纳米复合物颗粒中的PEI发生分解;300～500℃的阶段失重率为6.3%, 推测为紧贴在Fe3O4纳米粒子表面的油酸及壬基酚聚氧乙烯醚发生分解。当温度达到500℃后, 纳米复合物颗粒的质量趋于恒定。
2.5 荧光发射光谱及紫外-可见吸收光谱分析
图6为纯CdTe量子点 (a) 和Fe3O4/CdTe纳米复合物颗粒 (b) 的荧光发射光谱图。在激发波长为400nm时, 纯CdTe量子点溶液的发射峰位于565.5nm处, 半峰宽为20nm;Fe3O4/CdTe纳米颗粒溶液的发射峰位于558nm处, 较纯CdTe量子点蓝移了7.5nm, 发射光谱的半峰宽稍宽, 为22nm, 且荧光强度略有降低。两者的发射光谱均分布对称, Fe3O4/CdTe的半峰宽较纯CdTe量子点稍宽, 但两者都相对较窄。
图7为CdTe量子点 (a) 和 Fe3O4/CdTe纳米复合物颗粒 (b) 的紫外-可见吸收光谱图。从图7中可以看出, 经连接后的Fe3O4/CdTe纳米颗粒其最大吸收峰发生了蓝移, 且吸收值相对于纯CdTe量子点较低, 在400～600nm范围内的吸收曲线相对平坦。
发射峰与吸收峰蓝移的现象已有相关的报道[25,26], 经分析, 认为导致这种现象的原因是, CdTe量子点通过PEI与经表面活性剂修饰后的磁性Fe3O4连接后, 其所处的环境与水溶液中的纯CdTe量子点有较大差别, 经连接后的环境极性较小, 从而使得CdTe量子点周围分子的定向极化率减小, Stokes位移减小;并且在连接过程中, CdTe量子点表面的巯基乙酸大量从量子点表面离去, 使得CdTe量子点发生光氧化[27], 这些都导致了蓝移现象。
本实验以罗丹明B为参比物质 (荧光量子效率为90%) , 经计算得出CdTe/Fe3O4的荧光产率为0.186, 表明该磁性荧光纳米复合物有较强的荧光性能。
2.6 磁性能分析
图8为室温时振动样品磁强计 (VSM) 测得的Fe3O4 (a) 和Fe3O4/CdTe纳米复合物颗粒 (b) 的磁化曲线。由图8可以看出, 磁滞回线均经过原点, 无磁滞现象, 剩磁和矫顽力均为零, 表现出超顺磁性。Fe3O4纳米颗粒的饱和磁化强度 (Saturation magnetization) 为49.536emu/g, 而Fe3O4/CdTe磁性荧光纳米复合物颗粒饱和磁化强度为15.745emu/g。纳米复合物颗粒的磁化强度比纯Fe3O4降低了许多。这是由于在Fe3O4磁性颗粒外包裹了量子点及其它非磁性基团, 从而对复合物的磁性产生影响, 导致磁化强度下降。
图9 (a) 为日光下Fe3O4/CdTe纳米复合物颗粒分散在水中时所拍摄的照片, 可以看出纳米颗粒在水中均匀分散。图9 (b) 为试管放到入磁架后所拍摄的照片, 溶液中的Fe3O4/CdTe纳米颗粒都移动到有磁铁的一边, 在直观上表明了Fe3O4/CdTe纳米颗粒具有良好的磁响应性。
3 结论