一种磁性荧光双功能纳米材料及其制备方法与流程

本发明涉及新型纳米材料领域，具体涉及Fe₃O₄/CA@CdTe磁性荧光双功能材料及其制备方法。

背景技术：

近年来，纳米级磁性复合微球越来越受到人们的关注。由于其具有磁性强、制备过程相对简单，生物相容性好和表面易功能化等特点，在如环境分离分析、细胞分离、生物传感、药物转运、磁致热治疗肿瘤和磁共振成像等众多领域都具有广阔应用前景，倍受材料科学界广泛的关注和研究。

荧光标记，作为生物医学领域的一种重要的技术被广泛地应用于免疫分析，基因分析，药物筛选，活体及细胞荧光成像等领域。常用的荧光团有机染料分子( 如FITC、Cy3、Cy5和罗丹明类等)，此类常规的有机荧光染料非常容易淬灭，因而无法长期的追踪及观察标记细胞，而荧光量子点（QDs）的发射光强是有机荧光染料的20倍，其稳定性也比有机荧光染料强100倍以上。这些特殊的光学性质使得量子点在分子生物学、生物化学、蛋白质组学、基因组学、药物筛选、生物大分子的相互作用等研究中有极大的应用价值。

磁性荧光微球，作为同时兼有磁性微粒的快速分离特点和量子点的荧光特性，已经广泛应用于细胞分离、免疫检测、靶向治疗等领域。

然而，合成磁性－荧光复合纳米材料存在一定技术难度，其主要问题是：磁性核对其表面荧光团有极强的猝灭作用，而荧光团也极大削弱了磁性核的强磁性，从而使得复合材料的磁性和荧光强度都相对较弱。

发明人团队曾研发过Fe₃O₄/CA@CdSe/CdS磁性荧光双功能材料，但由于荧光量子点CdSe/CdS是油相转水相的，与水性体系的Fe₃O₄/CA融合并不是太好，且CdSe/CdS是核壳结构，微观尺寸较大，空间位阻较大，其表面的羧基基团仅与Fe₃O₄/CA表面的羧基基团通过偶联剂乙二胺连接；同时CdSe/CdS合成需要氮气保护、温度要求高、操作复杂、成本高、容易制备失败，目前CdSe/CdS量子产率只能达到40%左右，量子产率是衡量荧光性能最直接的标准。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种Fe₃O₄/CA@CdTe磁性荧光双功能纳米材料，Fe₃O₄磁性纳米颗粒表面包埋CA壳，在磁粒表面引入大量的-OH和-COOH，羟基直接与CdTe荧光量子点的羧基连接，羧基通过连接剂与CdTe荧光量子点的羧基连接，两者间连接性更好，具有理想的磁性与荧光性双功能。

本发明通过以下技术方案实现：

一种磁性荧光双功能纳米材料，由以下组成，

Fe₃O₄/CA磁性纳米粒子：Fe₃O₄磁性纳米颗粒的球形表面经柠檬酸修饰形成具有羧基和羟基为末端的分子；

CdTe荧光量子点：CdTe表面通过巯基乙酸修饰带有羧基基团；

所述Fe₃O₄磁性纳米粒子末端羟基直接与CdTe荧光量子点的羧基连接，Fe₃O₄磁性纳米粒子末端羧基通过乙二胺与CdTe荧光量子点连接，形成Fe₃O₄/CA@CdTe磁性荧光纳米材料。

本发明进一步改进方案是，CdTe荧光量子点粒径在2~10 nm。量子点粒径此范围内，量子点性能较好，稳定，不易淬灭。

一种磁性荧光双功能纳米材料的制备方法：

（1）制备Fe₃O₄/CA磁性纳米粒子，用柠檬酸对Fe₃O₄磁性纳米颗粒的球形表面进行修饰，使其表面富含羧基和羟基为末端的分子；

（2）制备CdTe荧光量子点：控制CdTe粒径在2~10 nm范围内，并用巯基乙酸修饰，使其表面带有羧基基团；

（3）在Fe₃O₄/CA磁性纳米粒子和CdTe荧光量子点的反应体系中加入乙二胺，Fe₃O₄磁性纳米粒子末端羟基直接与CdTe荧光量子点的羧基连接，Fe₃O₄磁性纳米粒子末端羧基通过连接剂与CdTe荧光量子点连接，形成Fe₃O₄/CA@CdTe磁性荧光纳米材料。

本发明进一步改进方案是，以FeCl₃·6H₂O和FeSO₄·7H₂O为原料采用共沉淀法制备Fe₃O₄磁性纳米颗粒。

本发明更进一步改进方案是，步骤（2）制备CdTe荧光量子点具体工艺包括，

（1）Te前体的制备，分别取重量比(1.5～1.7) : 1的Te粉和NaBH₄加入封闭瓶中，用针筒注入蒸馏水，在瓶塞早插入针管使反应产生的H₂顺利排出，控制温度在0～2 ℃反应6～10 h，获得上层NaHTe溶液待用；

（2）Cd前体的制备，按每100 mL蒸馏水取0.2～0.3 g的CdCl₂·2.5H₂O溶于蒸馏水中，快速搅拌下加入200～220 μL巯基乙酸，混合均匀后用NaOH调节溶液pH值至8～11，用N₂将溶液在密闭体系中脱氧；

（3）CdTe量子点的制备，取（1）制备的NaHTe溶液加入搅拌中的（2）溶液内，各反应物的摩尔比为Cd²⁺ : NaHTe : TGA=1: (2～2.5) : (0.4～0.6)，反应液加热至90～100 ℃反应120 min，冷凝回流，然后加入无水乙醇使量子点絮凝出来，过滤，将固体溶于水即得到纯净的CdTe量子点，取量子点加入正己烷搅拌至CdTe量子点全部溶解，然后将溶液高速离心分离, 留取上层清液，取过量的巯基乙酸加入清液中，继续搅拌30～60 min后静置得到巯基乙酸稳定的CdTe沉淀，移去上清液, 并用正己烷洗涤2～3 次，将沉淀风干后溶于乙醇溶液, 即得到水溶性的透明CdTe溶液。

CdTe采用操作简单、成本低的一锅反应合成，而且制备温度要求低，且制备无需氩气保护，量子产率高达60%以上。

本发明更进一步改进方案是，步骤（3）制备Fe₃O₄/CA@CdTe磁性荧光纳米材料具体工艺，称取Fe₃O₄/CA于称量瓶中，加入适量的去离子水溶解，超声30-60 min，再取巯基乙酸修饰过的CdTe溶液和乙二胺，加入上述超声后的Fe₃O₄/CA溶液中，控制pH在6～8之间，温度控制在30-60 ℃，摆幅在30-50 mm，摇床反应6-12 h，各反应物的摩尔比为Fe₃O₄/CA:CdTe溶液：乙二胺= 1 : (2～2.5) : (1～1.5)。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

1. 本发明通过在磁性纳米颗粒表面包埋CA壳，一方面在磁粒表面引入大量的-OH和-COOH，获得了稳定性和分散性均较好的水溶性纳米粒子；另一方面，CA属于无机小分子，用它作壳层，可以降低壳层厚度，进而大大降低了磁性衰减、磁性颗粒团聚以及磁性粒子对荧光的猝灭作用。因此,所得磁性荧光纳米粒子既有磁性颗粒的超顺磁性，又有量子点优异的荧光特性，在外加磁场的作用下可以达到靶向作用和收集分离，荧光性能可以实现可视追踪的目的。

2.荧光量子点CdSe/CdS合成需要氩气保护、操作复杂、制备温度高、成本高、容易制备失败，目前产率只能达到40%左右，而量子产率是衡量荧光性能最直接的标准，本发明CdTe采用操作简单、成本低的一锅反应合成，而且制备温度要求低，且制备无需氩气保护，量子产率高达60%以上。

3.本发明CdTe是水性量子点，而CdSe/CdS是油性量子点转水相，根据相似相溶原理本发明容易与水性体系融合，特别是在生物应用中，生物体是水性环境，所以CdTe有更广阔的应用前景。

4.单核结构的CdTe与核壳结构的CdSe/CdS微观尺寸相比，本发明CdTe更小，空间位阻小，更容易与其他官能团结合，所以会与磁性纳米颗粒表面的羟基基团复合。

附图说明

图1为磁性荧光纳米复合材料(Fe₃O₄/CA@CdTe)的合成路线图；

图2为磁性荧光纳米复合材料(Fe₃O₄/CA@CdTe)的分子结构图；

图3为纯Fe₃O₄(a)和Fe₃O₄/CA纳米磁性颗粒(b)的红外图谱；

图4 为Fe₃O₄（a）纳米颗粒和Fe₃O₄/CA纳米颗粒（b）的XRD谱图；

图5为(a) CdTe量子点和(b) Fe₃O₄/CA@CdTe的荧光图谱；

图6为(a) CdTe QD和(b) Fe₃O₄/CA@CdTe荧光显微镜图；

图7为Fe₃O₄(a)、Fe₃O₄/CA (b)和Fe₃O₄/CA@CdTe(c)纳米颗粒的TEM图；

图8为(a) Fe₃O₄; (b) Fe₃O₄/CA和(c) Fe₃O₄/CA @CdTe的磁滞回归线图。

具体实施方式

实施例中采用的条件可根据实际情况进一步调整，未注明的实施条件为常规实验条件。

一、本发明中的磁性荧光双功能材料Fe₃O₄/CA@CdTe的具体制备

实施例1

1、采用化学共沉淀方法制备Fe₃O₄磁性纳米颗粒

以六水氯化铁 FeCl₃·6H₂O和FeSO₄·7H₂O为原料，按Fe³⁺与Fe²⁺比约为1.75:1溶解在40 mL蒸馏水中，通入高纯氩气，升温至80℃且剧烈搅拌，接着逐滴加入新配置的NaOH溶液，调节溶液pH至11左右，此时溶液呈现黑色胶状。

2、柠檬酸（CA）修饰Fe₃O₄磁性纳米颗粒

将上述产物继续熟化30 min，在通氩气的情况下，滴加0.307 g柠檬酸，调节pH至5左右，温度降至60 ℃，继续反应2 h得到黑色沉淀物，把三口烧瓶里的物料倒入到烧杯中，冷却一会后加入少量丙酮紊凝，在磁铁的帮助下进行磁性分离，并用无水乙醇和蒸馏水洗涤数次，产物在60 ℃的烘箱中烘干备用。

Fe₃O₄磁性纳米颗粒制备，以及柠檬酸修饰Fe₃O₄磁性纳米颗粒过程是一种公开的制备工艺。

3、制备荧光量子点CdTe，表面修饰带有羧基基团，粒径在2~10 nm

（1）Te前体的制备

分别取80 mg Te粉、50 mg NaBH₄加入封闭瓶中，用针筒注入1 mL蒸馏水。然后在瓶塞上插入一个针管使反应产生的H₂可以顺利排出去。控制温度在0 ℃反应8 h，可以观察到黑色Te粉消失，上层为无色NaHTe溶液，下层为Na₂B₄O₇白色沉淀。

（2）Cd前体的制备

取0.2854 g CdCl₂·2.5H₂O溶于100 mL蒸馏水加入三口烧瓶中，快速搅拌下加入219 μL巯基乙酸(TGA),混合均匀后用1 mol/L NaOH调节调节溶液pH值至8-11,用N₂将溶液在密闭体系中脱氧30 min。

（3）CdTe量子点的制备

在适当的搅拌速度下，向溶液中加入步骤（1）新制备的无氧NaHTe溶液，各反应物的摩尔比为Cd²⁺:NaHTe:TGA=1:2.4:0.5，将反应液加热到96 ℃反应120 min后停止加热，将得到的产品冷却，然后加入无水乙醇使量子点絮凝出来，过滤，将固体溶于水即得到纯净的CdTe QDs。取一定量上述量子点于小烧杯中, 加入30 mL正己烷, 置于磁力搅拌器上搅拌，至CdTe QDs全部溶解，将溶液用高速离心机进行离心分离, 留取上层清液。取过量的巯基乙酸加入清液中, 继续搅拌30 min。静置得到巯基乙酸稳定的CdTe沉淀, 移去上清, 并用正己烷洗涤2～3 次。将沉淀风干后溶于乙醇溶液, 即得到水溶性的透明CdTe溶液。

4、将表面富有功能化羟基和羧基的柠檬酸磁性纳米颗粒（Fe₃O₄/CA）与表面修饰有羧基基团的荧光量子点CdTe连接，得到磁性荧光纳米材料(Fe₃O₄/CA@CdTe)

称取0.1 g的Fe₃O₄/CA于称量瓶中，加入适量的去离子水溶解，超声30-60 min。再取800 μL巯基乙酸修饰过的CdTe溶液和适量的0.1 mol/L的偶联剂乙二胺，加入上述超声后的Fe₃O₄/CA溶液，控制pH在6-8之间，温度控制在30-60 ℃，摆幅在30-50 mm，摇床反应6-12 h。

如图1为磁性荧光纳米复合材料(Fe₃O₄/CA@CdTe)的合成路线图；图2为磁性荧光纳米复合材料(Fe₃O₄/CA@CdTe)的分子结构图。

实施例2

Te前体的制备取75 g Te粉、50 g NaBH₄,控制温度2 ℃反应6 h；Cd前体的制备，按每100 mL蒸馏水取0.2 g的CdCl₂·2.5H₂O溶于蒸馏水中，快速搅拌下加入200 μL巯基乙酸；CdTe量子点的制备Cd²⁺ : NaHTe : TGA=1: 2 : 0.6；制备Fe₃O₄/CA@CdTe磁性荧光纳米材料时各反应物的摩尔比为Fe₃O₄/CA:CdTe溶液：乙二胺= 1 : 2 :1.5；其余如实施例1。

实施例3

Te前体的制备取85 g Te粉、50 g NaBH₄,控制温度1 ℃反应10 h；Cd前体的制备，按每100 mL蒸馏水取0.3 g的CdCl₂·2.5H₂O溶于蒸馏水中，快速搅拌下加入220 μL巯基乙酸；CdTe量子点的制备Cd²⁺ : NaHTe : TGA=1: 2.5: 0.4；制备Fe₃O₄/CA@CdTe磁性荧光纳米材料时各反应物的摩尔比为Fe₃O₄/CA:CdTe溶液：乙二胺= 1 : 2.5 :1；其余如实施例1。

二、磁性荧光纳米材料Fe₃O₄/CA@CdTe的性能研究

以实施例1得到的Fe₃O₄/CA@CdTe磁性荧光纳米材料为例，通过红外、荧光光谱分析、荧光显微镜、透射电镜、磁性能测定研究了该材料的各方面性能。

图3所示，(a)是纯Fe₃O₄，3433 cm^-1和1631 cm^-1是-OH的伸缩振动和弯曲振动吸收峰,578 cm^-1是Fe₃O₄的Fe-O特征吸收峰。(b)是Fe₃O₄/CA，578 cm^-1处为Fe₃O₄的特征振动峰；3414 cm^-1为CA中-COOH伸缩振动吸收峰；1618 cm^-1和1395 cm^-1是羧酸盐-COOM(M是金属离子)的特征吸收峰，说明柠檬酸中的羧基基团与Fe₃O₄磁性纳米粒子表面的-OH反应，可见柠檬酸跟在Fe₃O₄表面发生化学吸附。由此可以判定CA已经成功包覆到Fe₃O₄磁性纳米颗粒的表面上。

图4所示为Fe₃O₄ (a)纳米颗粒和Fe₃O₄/CA纳米颗粒(b)的XRD谱图，Fe₃O₄纳米颗粒是立方晶系结构，由图可见衍射峰分布在30.1°，35.5°，43.2°，54.0°，57.1°，62.8°，分别对应于尖晶石型立方相Fe₃O₄的(220)，(311)，(400)，(422)，(511)和(440)晶面，峰的位置、强度结果与粉末衍射JCPDS卡上的标准Fe₃O₄相的数据基本吻合。(b)从图中同样可以看出，六个特征衍射峰的位置基本上没有发生改变，而强度和宽度变化也不大，说明修饰了柠檬酸的Fe₃O₄依然是立方尖晶石型。

图5所示(a) CdTe量子点和(b) Fe₃O₄/CA@CdTe的荧光图谱，荧光波峰略向波长较大的方向发生的偏移，即发生了红移。引发这一现象的可能原因是复合物粒子间的相互偶极作用增大，使其斯托克斯(Stokes)位移增大。图6为(a) CdTe QD和(b) Fe₃O₄/CA@CdTe荧光显微镜图，由图发现最终产物的分散效果很好且荧光性能依然很强。

图7所示为Fe₃O₄(a)、Fe₃O₄/CA (b)和Fe₃O₄/CA@CdTe(c)纳米颗粒的TEM图，可见CA修饰后的Fe₃O₄颗粒分散效果很好，颗粒大小均匀，形貌规则，似球形，Fe₃O₄/CA@CdTe平均粒径大约为40 nm左右。

图8所示为(a) Fe₃O₄; (b) Fe₃O₄/CA和(c) Fe₃O₄/CA @CdTe的磁滞回归线图，在T=300 K(室温条件)时，测得(a)Fe₃O₄、(b)Fe₃O₄/CA和(c)Fe₃O₄/CA@CdSe/CdS的饱和磁化强度分别为58.55 A·m²·kg^-1、53.45 A·m²·kg^-1和35.29 A·m²·kg^-1。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。