MPEG修飾的納米氧化鐵粒子的合成及清洗工藝

盛 典，張寶林，涂志江，謝松伯，王 茗

(桂林理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 廣西有色金屬及特色材料加工省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西 桂林 541004)

MPEG修飾的納米氧化鐵粒子的合成及清洗工藝

盛 典，張寶林，涂志江，謝松伯，王 茗

(桂林理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 廣西有色金屬及特色材料加工省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西 桂林 541004)

以MPEG為溶劑、還原劑及修飾劑，F(xiàn)e(acac)3為鐵源，通過高溫?zé)岱纸夥ㄖ苽淞顺槾判匝趸F納米粒子(SPIONs)。采用飽和食鹽水清洗方法對(duì)合成的粒子進(jìn)行收集，經(jīng)透析除去其表面殘留的NaCl。采用XRD，TEM，HRTEM，SQUID，ICP-MS，TGA，F(xiàn)T-IR，納米粒度與Zeta電位分析儀對(duì)樣品進(jìn)行表征。結(jié)果表明:經(jīng)透析處理后氧化鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為NaCl的6.9×104倍，制備的SPIONs具有高的結(jié)晶度及單分散性，在300K下，具有超順磁性，飽和磁化強(qiáng)度為53.7A·m2·kg-1；具有惰性端基的MPEG修飾于SPIONs表面，為其提供了良好的水分散性。采用鹽橋法萃取清洗工藝可清除過量的MPEG，有利于SPIONs更好的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

氧化鐵納米粒子；超順磁性；飽和食鹽水；透析；鹽橋法

近年來，磁性納米顆粒在催化劑[1]、藥物載體[2,3]、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[4]、磁共振成像[5]等學(xué)科領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。納米Fe3O4作為尖晶石型鐵氧體中一個(gè)重要的成員[6]，因其低毒、易合成及用途廣泛而成為研究焦點(diǎn)。

高溫?zé)岱纸夥ㄊ窃诤蟹€(wěn)定劑的高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑中熱分解鐵有機(jī)化合物制備磁性納米顆粒的一種有效方法[7]。其中，鐵有機(jī)化合物主要有Fe(CO)5，F(xiàn)e(acac)3等。Taeghwan等[8]在高溫下通過分解Fe(CO)5制得了高結(jié)晶度的單分散球形γ-Fe2O3納米粒子。Gonzalez等[9]在500℃下分解用乙醇稀釋的Fe(III)和Fe(II)鹽來合成γ-Fe2O3納米粒子。Xu等[10]在高沸點(diǎn)溶劑中高溫?zé)岱纸釬e(acac)3合成出了7～10nm的Fe3O4納米粒子。高溫?zé)岱纸夥梢酝ㄟ^改變起始反應(yīng)物的摩爾比、反應(yīng)溫度和時(shí)間來控制納米顆粒的尺寸及形貌，使制備的磁性納米粒子具有粒徑分布窄，尺寸和形貌可控等優(yōu)點(diǎn)[11]。Jana等[12]用氯仿和丙酮、Sun等[13]用乙醇清洗合成的氧化鐵納米粒子，這些清洗劑的生物毒性影響氧化鐵納米粒子在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

聚乙二醇(PEG)是一種通過空間位阻穩(wěn)定機(jī)制，吸附于顆粒表面，形成微胞，使顆粒間產(chǎn)生排斥作用，從而達(dá)到分散的目的的非離子型表面活性劑[14]，因其具有生物相容性好、無毒、免疫原性低等特點(diǎn)，可通過腎排出體外，在體內(nèi)不會(huì)有積累，常用來修飾蛋白質(zhì)、多肽、酶等生化藥物和生物醫(yī)用材料[15,16]。本研究選用PEG[17]衍生物——具有端甲基的MPEG作為氧化鐵納米粒子的修飾劑，創(chuàng)新性地采用飽和食鹽水取代了丙酮、己烷清洗過量的修飾劑，避免了因清洗而造成的有機(jī)試劑殘留，以更有利于今后在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑

乙酰丙酮鐵(Fe(acac)3)，98%，梯希愛化成工業(yè)發(fā)展有限公司；聚乙二醇單甲醚(MPEG-1000)，分析純，阿拉丁試劑；氯化鈉(NaCl)，分析純，西隴化工有限公司；透析袋(截留分子量8000～14000，Biosharp，USA)。

1.2 磁性納米粒子的合成

稱取20g MPEG-1000轉(zhuǎn)入50mL三口燒瓶中，在磁力攪拌下加熱到120℃，并保溫1h除水。降溫至80℃，再加入0.74g Fe(acac)3，在80℃下，攪拌10min，使之充分混合。

分別采用分段加熱和直接加熱方式合成SPIONs。實(shí)驗(yàn)A：加熱到200℃反應(yīng)30min，再升溫至280℃反應(yīng)30min；實(shí)驗(yàn)B：加熱到200℃反應(yīng)60min。整個(gè)實(shí)驗(yàn)是在Ar氣保護(hù)下進(jìn)行的，氣流量為200mL/min，并接上冷凝回流裝置，實(shí)驗(yàn)加熱裝置是程序控溫爐，升溫速率為10℃/min。反應(yīng)結(jié)束后，停止加熱，將裝置整個(gè)移出加熱爐，置于空氣中降溫，待燒瓶中溶液溫度降到60℃左右，將產(chǎn)物A，B倒入燒杯中密封放置(分別記作樣品A及樣品B)。

1.3 鹽橋法萃取清洗

配置飽和NaCl溶液(常溫下溶解度36.5g/100g)，分別將樣品A，B和飽和NaCl溶液以1∶5的體積比混合，超聲分散，用磁性分離方法將粒子收集在燒杯底部，棄去上層溶液。用飽和食鹽水如上所述反復(fù)清洗樣品3～4次，直至上層溶液澄清。將清洗好的樣品粒子分散于去離子水中，并進(jìn)行透析處理(透析2～3天，每隔12h換一次水)用以除去吸附在粒子表面的NaCl。

1.4 表征儀器

采用X’Pert Pro X射線粉末衍射儀表征樣品的物相；Agilent 7500cx電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定濃度；JEOL-2010透射電子顯微鏡觀察樣品的形貌、粒徑以及分散狀態(tài)；Nicolet Nexus 470傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定樣品的紅外譜圖；ZEN3690納米粒度與Zeta電位分析儀測(cè)定樣品的Zeta電位和流體力學(xué)粒徑；MPMSXL-7超導(dǎo)量子干涉儀測(cè)定樣品的磁性能；Q500熱重分析儀測(cè)定樣品的有機(jī)物含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射分析

樣品A用飽和食鹽水清洗后的樣品分成兩份，一份進(jìn)行透析處理，另一份不做處理，將兩份樣品在常溫25℃下鼓風(fēng)干燥烘干，對(duì)得到的粉末進(jìn)行X射線衍射分析。通過圖1中a，b兩條譜線對(duì)比可知，透析處理后的NaCl衍射峰消失，說明透析后樣品基本沒有NaCl殘留。

圖1中b曲線在(220)，(311)，(400)，(422)，(511)和(440)處出現(xiàn)衍射峰，與標(biāo)準(zhǔn)的Fe3O4圖譜(JCPDS No．01-085-1436)相一致，說明所制備的樣品中含有Fe3O4晶相。根據(jù)Debye-Scherrer公式D=Kλ/(βcosθ)計(jì)算，式中：D為晶粒尺寸；K為晶粒的形狀因子，取0.90；λ為入射線波長(zhǎng)，取0.15405nm；β，θ分別表示(311)晶面衍射峰的半高寬和衍射角，β=0.588，得SPIONs的平均晶粒為14.0nm。

圖1 MPEG中分段加熱合成SPIONs的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of SPIONs synthesized in MPEG

2.2 ICP-MS測(cè)試

為確定樣品A經(jīng)清洗透析處理后樣品中殘留的NaCl的清除程度，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定透析后的樣品中Fe，Na等元素的含量。結(jié)果表明，Na元素的含量為2.03×10-2μg/mL；Fe元素的含量為2.57×103μg/mL。從結(jié)果可以看出，Na元素和Fe元素含量相差5個(gè)數(shù)量級(jí)，氧化鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為NaCl的6.9×104倍，可以確定，經(jīng)透析后樣品中的NaCl已基本清除。

2.3 TEM分析

圖2為樣品A，B經(jīng)鹽橋萃取清洗透析工藝后的SPIONs TEM圖。從圖2可看出，在MPEG中制備的SPIONs分散性較好，無團(tuán)聚現(xiàn)象。對(duì)圖2(a)，(b)中100個(gè)粒子的粒徑進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)得出SPIONs平均粒徑分別為(4.4±0.9)nm，(12.2±3.1)nm。圖2(b)與XRD分析中計(jì)算的平均粒徑基本符合，表明合成的SPIONs是單個(gè)晶體。

圖2 MPEG中一階段加熱(a)和分段加熱(b)合成的SPIONs的TEM照片和粒徑分布圖以及單個(gè)SPIONs晶粒HRTEM圖(c)Fig.2 TEM images and size distribution of SPIONs synthesized in MPEG by one-step heating (a)， two-step heating (b) and HRTEM image of a single crystal of SPIONs(c)

從分段加熱方式反應(yīng)得到粒子的高分辨圖(圖2(c))中可看出，晶格點(diǎn)陣整齊有序地網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步表明制備的納米粒子為單晶且具有很高的結(jié)晶度，點(diǎn)陣距離0.0472，0.0311nm分別對(duì)應(yīng)的是(111)和(220)晶面[18]，并且此結(jié)果也與標(biāo)準(zhǔn)的Fe3O4XRD卡片(JCPDS 01-085-1436)中的0.0484nm(111)，0.0296nm(220)基本相符。

由圖2(a)，(b)對(duì)比可以看出，分段加熱方式在200℃時(shí)，生成的納米粒子粒徑較小，形成晶核，第二階段280℃隨著反應(yīng)溫度的升高，晶粒均勻生長(zhǎng)[19]，生成粒徑較為均勻且晶形良好的SPIONs。

2.4 FT-IR表征

圖3中譜線a和b分別是樣品A經(jīng)鹽橋萃取清洗透析工藝后的SPIONs和純MPEG的紅外譜圖，對(duì)比譜線a，b，在譜線a中1384cm-1和599cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，1384cm-1為—COO—基團(tuán)的不對(duì)稱伸縮峰，該基團(tuán)是在高溫合成SPIONs過程中有機(jī)溶劑MPEG部分—CH2OH被氧化形成的[20,21]，599cm-1為Fe—O的特征吸收峰[20]。譜線a和b中3417cm-1處是—OH基團(tuán)的吸收峰，2875cm-1處是C—H基團(tuán)的吸收峰，1100cm-1處是C—O—C基團(tuán)的吸收峰，1628cm-1處是C=O基團(tuán)的吸收峰[21]。根據(jù)以上紅外分析，說明SPIONs表面修飾上MPEG。

圖3 MPEG中合成的SPIONs和MPEG的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of SPIONs synthesized in MPEG and MPEG

2.5 熱重分析

圖4 MPEG中合成的SPIONs(a)和純MPEG(b)熱重曲線Fig.4 TGA curves of SPIONs synthesized in MPEG (a) and pure MPEG (b)

由此分析可以得出，在SPIONs表面的有機(jī)物，分為兩種：一種是物理吸附于粒子表面；一種是與氧化鐵粒子表面鍵合，這種有機(jī)基團(tuán)與SPIONs結(jié)合較為穩(wěn)定，也是影響粒子化學(xué)性能的主要因素。

2.6 磁性能分析

圖5為樣品A經(jīng)鹽橋萃取清洗透析工藝后的SPIONs在300K下的磁滯回線。從圖5中可以看出MPEG修飾的SPIONs具有超順磁性，飽和磁化強(qiáng)度為42.6A·m2·kg-1。SPIONs熱重分析的失重率為20.7%。由此可以計(jì)算出除去有機(jī)物后氧化鐵的飽和磁化強(qiáng)度為53.7A·m2·kg-1。制備的SPIONs具有較小的矯頑力(小于20A·m-1)，這正是磁性納米粒子粒徑小到一定程度，出現(xiàn)超順磁性的體現(xiàn)。結(jié)果表明所制備的SPIONs具有超順磁性和較高的飽和磁化強(qiáng)度。

圖5 MPEG中合成的SPIONs磁滯回線Fig.5 M-H curve of SPIONs synthesized in MPEG

2.7 Zeta電位和流體力學(xué)粒徑

樣品A經(jīng)鹽橋萃取清洗透析工藝后的SPIONs在水中分散放置一個(gè)月，無團(tuán)聚和沉淀現(xiàn)象，說明制備的SPIONs能夠穩(wěn)定分散在水中。圖6為SPIONs于去離子水和食鹽水中的DLS圖和Zeta電勢(shì)圖。由圖6可見，SPIONs分散于去離子水中的流體力學(xué)粒徑為46nm，Zeta電位為-9.1mV。說明以MPEG修飾合成的SPIONs流體力學(xué)粒徑較小且其表面呈一定的負(fù)電性，能夠在水中形成穩(wěn)定的膠體溶液。在用飽和食鹽水清洗樣品的過程中，樣品A與飽和食鹽水以1∶5的比例超聲混合后其流體力學(xué)粒徑為2318nm，即產(chǎn)生了粒子的聚集。SPIONs與15mmol/L NaCl溶液以1∶5的比例超聲混合后的Zeta電位為0.4mV，接近電中性。圖7為MPEG中合成的SPIONs分散于飽和食鹽水的示意圖。由圖7可見，SPIONs在與NaCl混合時(shí)，氧化鐵與陽離子Na+結(jié)合形成了鏈狀或網(wǎng)狀的鹽橋[23]，SPIONs聚集在一起，使其流體力學(xué)粒徑增大，在水中不能穩(wěn)定分散，易被磁鐵吸附。在進(jìn)行透析處理除去NaCl后，SPIONs能穩(wěn)定分散在水中，說明SPIONs與Na+相結(jié)合產(chǎn)生的作用是可逆的。

圖6 SPIONs于去離子水(1)和飽和食鹽水(2)中的的DLS圖(a)和Zeta電勢(shì)圖(b)Fig.6 DLS plots (a) and Zeta potential (b) of SPIONs dispersed in water(1)and SPIONs dispersed in saturated salt water(2)

圖7 MPEG中合成的SPIONs分散于飽和食鹽水的示意圖Fig.7 Illustration of SPIONs synthesized in MPEG dispersing in saturated salt water

圖8為SPIONs分散于不同環(huán)境下被磁鐵吸附的對(duì)比效果圖，MPEG中合成SPIONs在飽和食鹽水中可以被磁鐵收集，過量的MPEG留在清液中而被去除。由于透析除去了殘留在表面的NaCl，經(jīng)透析處理后的SPIONs，能夠穩(wěn)定分散在水中，粒子不能被磁鐵吸附分離，而是出現(xiàn)一種穩(wěn)定的磁流體狀態(tài)。

圖8 SPIONs分散于飽和食鹽水(a)和清洗后的SPIONs分散于去離子水(b)被磁鐵吸附的對(duì)比效果圖Fig.8 Comparison images of SPIONs dispersed in saturated salt water (a) and SPIONs after washing in water (b)

3 結(jié)論

(1)以MPEG為溶劑、還原劑及修飾劑，F(xiàn)e(acac)3為鐵源，通過高溫?zé)岱纸夥ㄖ苽涞某槾判匝趸F納米粒子(SPIONs)。在200℃/60min，200℃/30min-280℃/30min制備的粒子粒徑分別為(4.4±0.9)，(12.2±3.1)nm。

(2)紅外分析結(jié)果表明具有惰性端基的MPEG有機(jī)基團(tuán)修飾于SPIONs表面，為其提供了良好的水分散性。磁性能測(cè)試表明所制備的SPIONs在300K下具有超順磁性。

(3)MPEG修飾的SPIONs表面呈負(fù)電性，與陽離子Na+形成鏈狀或網(wǎng)狀的鹽橋而聚集在一起，即采用鹽橋法萃取清洗工藝可清除過量的MPEG，這種SPIONs與Na+相結(jié)合產(chǎn)生的作用是可逆的，可以用透析的方法清除殘留的NaCl。

(4)經(jīng)過透析處理的SPIONs表面殘留的NaCl已基本被清除。本工藝避免了使用有機(jī)溶劑甲苯、丙酮或酒精清洗之后存在的有機(jī)物殘留問題，使得制備的SPIONs能更好地應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。

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Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles Coated with MPEG and Washing Method

SHENG Dian，ZHANG Bao-lin，TU Zhi-jiang，XIE Song-bo，WANG Ming

(Ministry-province Jointly-constructed Cultivation Base for State Key Laboratory of Processing for Nonferrous Metal and Featured Materials, Guangxi Zhuang Autonomous Region,College of Materials Science and Engineering,Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China)

The superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) were synthesized by thermal decomposition of iron(Ⅲ) acetylacetonate (Fe(acac)3) in methoxy polyethylene glycol (MPEG), which was used as solvent, reducing and modifying agent. The SPIONs were collected through washing with saturated salt water. Dialysis was used to remove the residual NaCl on the surface of SPIONs. The samples were characterized using XRD, TEM, HRTEM, SQUID, ICP-MS, TGA, FT-IR, and particles & Zeta potential analyzer. The results show that the residual NaCl on the surface of the samples is removed successfully after dialysis treatment. The prepared SPIONs, having high crystallinity, show superparamagnetic behavior at 300K with saturation magnetization of 53.7A·m2·kg-1. The surfaces of SPIONs are modified with MPEG which provides good water dispersibility. Excessive organic solvent is removed by salt bridge extracting method. The prepared SPIONs may have potential applications in the biomedical field.

iron oxide nanoparticle;superparamagnetic;saturated salt water;dialysis;salt bridge method

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.008

O614.81+1

A

1001-4381(2015)02-0047-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51162003)

2013-06-05;

2013-12-25

張寶林(1967- )，男，博士，教授，主要從事生物納米材料方面的研究，聯(lián)系地址：廣西桂林市七星區(qū)建干路12號(hào)桂林理工大學(xué)(541004)，E-mail: baolinzhang@ymail.com