CN102410994B

CN102410994B - 一种磁性双模式光学探针及其制备方法

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Publication number: CN102410994B
Application number: CN2011102113142A
Authority: CN
Inventors: 王著元; 崔一平; 郭峰; 宗慎飞
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: CN102410994A

Abstract

本发明是一种磁性双模式光学探针及其制备方法，该探针集荧光和表面增强拉曼散射（SERS）信号两种光学信号于一体，同时兼具磁场可控特性。该磁性双模式光学探针包括分散于水溶液中的纳米粒子，每个纳米粒子包括核体、内包裹层和外包裹层，所述核体为掺杂有磁性纳米粒子的二氧化硅纳米球，所述内包裹层为生长在核体表面且吸附有表面增强拉曼散射SERS标记物的金属纳米壳，外包裹层为掺杂有荧光材料的二氧化硅壳，所述荧光材料为有机荧光染料或其它可产生荧光的材料，该磁性双模式光学探针以金属壳层为SERS基底；以掺杂有荧光材料的二氧化硅外壳为荧光来源，该探针在激发光照射下，产生SERS和荧光信号，同时具有磁场可控特性。

Description

一种磁性双模式光学探针及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料学和生物分析化学领域，具体涉及一种磁性双模式光学探针及其制备方法，该磁性双模式光学探针集荧光和表面增强拉曼散射（SERS）信号两种光学信号于一体，同时兼具磁场可控特性。该制备方法操作简单、可重复性好、成本低廉并且环境友好。

背景技术

光学探针，利用它们对客体的标记作用并引起光信号的变化，可以直接探究客体基团或分子水平的奥秘。近年来，随着微纳结构材料和光学检测等技术的飞速发展，光学探针在生物医学领域的重大应用前景引起了人们的广泛关注。各种功能的光学探针层出不穷，极大地提高了探测的灵敏度和分析的选择性，有效地解决了其它一些手段难以解决的问题，已成为深入了解各种生理参数、生物分子的变化、进而揭示生理功能的重要工具。

各种活体探测技术中，荧光探测技术发展最快，并在生物传感、药物研发、肿瘤诊断治疗等领域中得到广泛应用。近年来，新型荧光探针的出现，大大提高了荧光探测的灵敏度和信噪比，促进了荧光检测手段的应用。比如，Lakadamyali等人在宽场显微镜下用pH敏感的荧光探针标记流感病毒，对病毒从细胞膜至细胞核的过程进行了跟踪，Rieder等人对活细胞有丝分裂进行了实时观察，在56分钟内记录了一个细胞分裂的全过程，为研究活细胞生命活动复杂过程提供了清晰的图像。尽管荧光技术已经广泛应用于生命科学领域并取得了显著的成果，但它仍然存在光漂白、发射谱宽等问题，制约了其在某些探测领域中的进一步应用。

作为近几年兴起的另一种光学探测技术，表面增强拉曼散射（SERS）技术由于结合了传统拉曼散射和等离子激元波增强的优势，在其诞生后的短短几年内就得到了飞速发展。SERS突破了传统拉曼散射存在的散射截面低而带来的瓶颈，避免了荧光光谱成像中存在的光漂白以及荧光标记的毒性等问题，是当前国际上备受瞩目的研究焦点，已成功地应用于材料分析、生物分子探测、蛋白质相互作用研究等领域。SERS技术由于具有可以避免荧光标记中的光漂白，降低对细胞的毒性，提供丰富的光谱信息等优势，成为人们研究的热点。尽管关于SERS探针的结构和制备方法已有大量报道，但能适用于生物活体的探针并不多，并且制备方法较为繁琐，灵敏度、稳定性和生物兼容性尚有待进一步提高。

磁性纳米材料具有磁性，在外加磁场的作用下，这种纳米材料标记于生物分子容易实现分离和检测，在生物医学领域中具有广泛的应用前景。而且由于它在磁场环境中可以快速聚集，因此为实现靶向性给药提供了可能。近年来，人们对磁性荧光材料应用于生物标记的研究倍加重视，发展了各种结构的磁性荧光标记用以实现生物分子的分离检测或细胞成像。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的第一目的为：提供一种磁性双模式光学探针，该光学探针集荧光和表面增强拉曼散射（SERS）两种光学信号于一体，同时兼具磁性，灵敏度高，稳定性和生物兼容性好；本发明的第二目的为：提供一种该磁性双模式光学探针的制备方法，该制备方法操作简单、可重复性好、成本低廉并且环境友好。

技术方案：本发明的磁性双模式光学探针包括分散于水溶液中的纳米粒子，每个纳米粒子包括核体、内包裹层和外包裹层，所述核体为掺杂有磁性纳米粒子的二氧化硅纳米球，所述内包裹层为生长在核体表面且吸附有表面增强拉曼散射SERS标记物的金属纳米壳，外包裹层为掺杂有荧光材料的二氧化硅壳，

所述荧光材料为有机荧光染料或其它可产生荧光的材料，该磁性双模式光学探针以金属壳层为SERS基底；以掺杂有荧光材料的二氧化硅外壳为荧光来源，该磁性双模式光学探针在激发光照射下，产生SERS和荧光信号，同时具有磁场可控特性。

本发明的磁性双模式光学探针的制备方法包括以下步骤：

步骤1）. 制备四氧化三铁纳米粒子水溶液；

步骤2）. 制备掺杂有四氧化三铁纳米的二氧化硅核壳纳米球，四氧化三铁/二氧化硅纳米球；

步骤3）. 在步骤2）得到的四氧化三铁/二氧化硅核壳纳米球表面生长一层金属壳，形成四氧化三铁/二氧化硅/金属复合纳米球；

步骤4）. 在步骤3）得到的四氧化三铁/二氧化硅/金属复合纳米球上吸附SERS标记物；

步骤5）. 在步骤4）得到的复合纳米球表面生长一层掺杂有荧光材料的二氧化硅壳层，即得磁性双模式光学探针。

所述步骤1）中制备的磁性纳米粒子水溶液，是采用化学共沉淀法或有机相中高温裂解的方法制备具有超顺磁性的四氧化三铁纳米粒子水溶液。

所述步骤3）中的金属壳为金纳米壳或银纳米壳。

所述步骤4）的SERS标记物为易于通过化学键插入或静电作用吸附到金属表面的拉曼标记物，该SERS标记物具有较大拉曼散射截面。

所述步骤5）中的荧光材料为有机分子荧光染料或其它可产生荧光的材料。

有益效果：与现有技术相比，本发明的磁性双模式光学探针及其制备方法具有如下优点：

1、本发明利用生长在二氧化硅球体表面的金属壳作为SERS基底，与传统的以单个金属纳米粒子为增强基底的SERS探针相比，SERS信号明显增强；

2、本发明的制备方法操作简单、可重复性好、成本低廉并且环境友好，磁性纳米粒子、荧光材料和SERS标记物也只需要极少量就可以完成探针的制备；

3、本发明的光学探针外壳层为二氧化硅壳层，生物兼容性好，并易于被生物分子修饰而具有更多的生物探测功能；

4、本发明的光学探针具有SERS和荧光两种光学信号，同时可被外加磁场控制，灵敏度高，易于实现光学探针的多功能，在药物靶向运输，生物对象分离和操控，生物传感及探测等应用领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是磁性双模式光学探针的纳米粒子的结构示意图；其中有：1是磁性纳米粒子、2是二氧化硅纳米球、3是金壳、4是SERS标记物、5是掺杂有荧光材料罗丹明6G 、6是二氧化硅壳。

图2是以罗丹明6G为荧光材料，以4-巯基苯甲酸（4MBA）分子为SERS标记物，以金壳作为SERS基底的磁性双模式光学探针溶液的荧光光谱，激发波长为515 nm；

图3是以罗丹明6G为荧光材料，以4MBA分子为SERS标记物，以金壳作为SERS基底的磁性双模式光学探针溶液的SERS光谱，激发波长为633 nm；

图4是以罗丹明6G为荧光材料，以4MBA分子为SERS标记物，以金壳作为SERS基底的磁性双模式光学探针在Hela细胞中的SERS光谱。

具体实施方式

本发明的磁性双模式光学探针包括分散于水溶液中的纳米粒子，每个纳米粒子包括核体、内包裹层和外包裹层，所述核体为掺杂有磁性纳米粒子的二氧化硅纳米球，所述内包裹层为生长在核体表面且吸附有表面增强拉曼散射SERS标记物的金属纳米壳，外包裹层为掺杂有荧光材料的二氧化硅壳，

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1和实施例2以金纳米壳作为SERS基底，以4-巯基苯甲酸（4MBA）作为SERS标记物，以罗丹明6G作为荧光材料，以Fe₃O₄纳米粒子作为磁性纳米介质为例进行说明。

实施例1

制备以Fe₃O₄纳米粒子为磁性纳米粒子，以金壳为SERS基底，以罗丹明6G为荧光材料，以4MBA分子为SERS标记物的磁性双模式光学探针，该方法包括如下步骤：

1）制备具有超顺磁性的磁性纳米粒子。在40 ml的去离子水中加入5.4 g的氯化铁（0.02 mol）和2g的氯化亚铁（0.01 mol）并加热到80℃。随后快速加入8 ml的氨水，并剧烈搅拌1个小时。取3 g的柠檬酸钠溶于10 ml的水，滴加入上述溶液中，并加热到90℃，持续反应90分钟。然后用磁铁进行分离，离心水洗两次后，溶于10 ml的水中。所得磁性纳米粒子的大小约为10 nm。

2）制备Fe₃O₄SiO₂纳米粒子。20 ml的酒精加入到锥形瓶中，加入8ml的去离子水，混合搅拌5分钟。然后依次加入0.2 ml步骤1）中得到的Fe₃O₄纳米粒子、0.8 ml的TEOS溶液和0.5ml的氨水。搅拌12小时后，离心清洗3次，溶于20 ml的酒精中备用。所得的二氧化硅纳米粒子中包裹有Fe₃O₄纳米粒子。

3）制备Fe₃O₄SiO₂Au纳米粒子。首先制备金种子溶液：100 ml的锥形瓶中放入50 ml的水，然后加入0.5 ml的NaOH溶液，搅拌15分钟后，加入0.03ml的四羟甲基氯化磷水溶液，反应10分钟后，加入4 ml的2% 的氯金酸溶液，继续反应十分钟。然后制备生长溶液：在50 ml的水中，加入1 ml的0.2 M的碳酸钾溶液和1.5 ml的氯金酸溶液，搅拌20分钟后得到生长溶液。接着，取10 ml的金种子溶液，加入2 ml Fe₃O₄SiO₂粒子，过夜搅拌后离心洗涤，得到金种子吸附的Fe₃O₄SiO₂粒子（Fe₃O₄SiO₂Au_seed）。最后，取20 ml的生长溶液，向其中加入0.001 ~ 0.4 ml数量不等的Fe₃O₄SiO₂Au_seed溶液，然后加入0.08 ml的甲醛，搅拌30分钟后离心洗涤，重分散于2 ml的去离子水中，即得Fe₃O₄SiO₂Au纳米粒子。

4）在上述Fe₃O₄SiO₂Au纳米粒子水溶液中加入0.1~0.5 ml的4MBA酒精溶液（10^-3 M），混合搅拌30分钟。

5）在步骤4）得到的纳米粒子溶液中依次加入罗丹明6G水溶液（10^-3 M）、0.01~0.1 ml TEOS和0.1~0.5ml的氨水，混合搅拌4-5小时后离心洗涤。即得磁性双模式光学探针。

如图1所示，该磁性双模式光学探针，包括分散于水溶液中的纳米粒子，每个纳米粒子包括核体、内包裹层和外包裹层，核体为掺杂有磁性纳米粒子1的二氧化硅纳米球2，内包裹层为生长在二氧化硅纳米球2表面，并吸附有SERS标记物4MBA 4的金壳3，外包裹层为掺杂有荧光材料罗丹明6G 5的二氧化硅壳6。

该磁性双模式光学探针的荧光通过荧光光谱仪探测，激发波长为515 nm。探测SERS光谱时，将该光学探针滴于硅片上，并固定在共焦拉曼光谱仪上，测得光谱。激光源为633 nm的氩离子激光器，样品上的照射功率为1.2 mW，积分时间为30 s。该标记既有荧光又有信噪比很高的SERS信号，两种光学信号可以通过选择不同的激发波长进行切换，适用于生物成像和靶分子探测。同时，该光学探针具有较好的磁场可控性，在外加磁场下可以较快的聚集于特定的区域，适用于生物分子的分离和提取。

实施例2

磁性双模式光学成像探针在活细胞中的荧光以及SERS特性（以金纳米壳作为SERS基底，以4-巯基苯甲酸（4MBA）作为SERS标记物，以罗丹明6G作为荧光材料，以Fe₃O₄纳米粒子作为磁性纳米介质为例）

1）将宫颈癌细胞（HeLa）置于培养基中进行体外培养（37℃，5% CO₂）。24小时后，将磁性双模式光学探针的水溶液按体积比（3：1）加入细胞培养基中，轻轻摇匀，并且重新置于培养箱内。探针通过被细胞吞噬而进入细胞内部。1.5小时之后，吸出培养基，用磷酸盐缓冲液（PBS）清洗细胞3次以去除未被细胞吞噬而残留在培养基中的光学探针，待用。

2）将用缓冲液冲洗过的细胞置于共焦显微镜的载物台上，以515 nm为激发波长，以540 nm～640 nm为接收波长范围，得到其细胞荧光成像图，细胞在吞噬双模式成像探针之后仍然保持良好的形态。

3）选定一个细胞区域测量细胞内的SERS光谱，选用633 nm为激发波长，积分时间为 60 s。测得的SERS光谱如图4所示。可以看出，磁性双模式光学探针在活细胞内仍然保持了很高的SERS灵敏度。

该磁性双模式光学探针可以通过吞噬等方式进入活细胞内部，具有良好的化学稳定性和生物兼容性。在活细胞内部仍然保持了其荧光和SERS两种光学信号的特性，适用于生物成像领域。

实施例3

制备以Fe₃O₄纳米粒子为磁性纳米粒子，以银壳为SERS基底，以亚甲基蓝为荧光材料，以5，5-二硫代双（2-硝基苯甲酸）（DTNB）分子为SERS标记物的磁性双模式光学探针，该方法包括如下步骤：

1）制备具有超顺磁性的磁性纳米粒子。在40 ml的去离子水中加入5.4 g的氯化铁（0.02 mol）和2g的氯化亚铁（0.01 mol）并加热到80℃。随后快速加入8 ml的氨水，并剧烈搅拌1个小时。取3 g的柠檬酸钠溶于10 ml的水，滴加入上述溶液中，并加热到90℃，持续反应90分钟。然后用磁铁进行分离，离心水洗两次后，溶于10 ml的水中。

2）制备Fe₃O₄SiO₂纳米粒子。20 ml的酒精加入到锥形瓶中，加入8ml的去离子水，混合搅拌5分钟。然后依次加入0.2 ml步骤1）中得到的Fe₃O₄纳米粒子、0.8 ml的TEOS溶液和0.5ml的氨水。搅拌12小时后，离心清洗3次，溶于20 ml的酒精中备用。

3）制备Fe₃O₄SiO₂Ag纳米粒子。40 ml的水加入到锥形瓶中并加热到80℃。然后，加入20 mg的硝酸银（AgNO₃）水溶液，搅拌2分钟后，加入0.1~0.5ml的甲醛溶液，30分钟后，加入0.5ml步骤2）得到的Fe₃O₄SiO₂溶液。30分钟后，将所得溶液离心洗涤，溶于10 ml的去离子水中。该粒子的表面生长了一层银纳米粒子。

4）在上述Fe₃O₄SiO₂Ag纳米粒子水溶液中加入0.1~0.5 ml的DTNB酒精溶液（10^-3 M），混合搅拌30分钟。

5）在步骤4）得到的纳米粒子溶液中依次加入0.1~0.5ml的亚甲基蓝水溶液（10^-3~10^-5 M）、0.01~0.1 ml TEOS和0.1~0.5ml的氨水，混合搅拌4-5小时后离心洗涤。即得磁性双模式光学探针。

如图1所示，该磁性双模式光学探针，包括分散于水溶液中的纳米粒子，每个纳米粒子包括核体、内包裹层和外包裹层，核体为掺杂有磁性纳米粒子1的二氧化硅纳米球2，内包裹层为生长在二氧化硅纳米球2表面，并吸附有SERS标记物DTNB 4的银壳3，外包裹层为掺杂有亚甲基蓝5的二氧化硅壳6。

上述方法制成的磁性双模式光学探针的荧光通过荧光光谱仪探测，激发波长为400 nm。探测SERS光谱时，将光学成像探针滴于硅片上，并固定在共焦拉曼光谱仪上。激光源为633 nm的氩离子激光器，样品上的照射功率为1.2 mW，积分时间为30 s。该标记既有荧光又有信噪比很高的SERS信号，两种光学信号可以通过选择不同的激发波长进行切换，适用于生物成像和靶分子探测。同时，该光学探针具有较好的磁场可控性，在外加磁场下可以较快的聚集于特定的区域，适用于生物分子的分离和提取。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种磁性双模式光学探针，其特征在于该磁性双模式光学探针包括分散于水溶液中的纳米粒子，每个纳米粒子包括核体、内包裹层和外包裹层，所述核体为掺杂有磁性纳米粒子的二氧化硅纳米球，所述内包裹层为生长在核体表面且吸附有表面增强拉曼散射SERS标记物的金属纳米壳，外包裹层为掺杂有荧光材料的二氧化硅壳，

2.一种如权利要求1所述的磁性双模式光学探针的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：

步骤1）.制备四氧化三铁纳米粒子水溶液；

步骤2）.制备掺杂有四氧化三铁纳米的二氧化硅核壳纳米球，四氧化三铁/二氧化硅纳米球；

步骤3）.在步骤2）得到的四氧化三铁/二氧化硅核壳纳米球表面生长一层金属壳，形成四氧化三铁/二氧化硅/金属复合纳米球；

步骤4）.在步骤3）得到的四氧化三铁/二氧化硅/金属复合纳米球上吸附SERS标记物；

步骤5）.在步骤4）得到的复合纳米球表面生长一层掺杂有荧光材料的二氧化硅壳层，即得磁性双模式光学探针；

所述步骤3）中的金属壳为金纳米壳或银纳米壳；

3.如权利要求2所述的磁性双模式光学探针的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中制备的磁性纳米粒子水溶液，是采用化学共沉淀法或有机相中高温裂解的方法制备具有超顺磁性的四氧化三铁纳米粒子水溶液。

4.如权利要求2所述的磁性双模式光学探针的制备方法，其特征在于，所述步骤5）中的荧光材料为有机分子荧光染料或其它可产生荧光的材料。