生物醫用小粒徑四氧化三鐵納米團簇的制備及性能研究

劉一丹，左顯維，錢仕飛，宋玉哲，韓根亮，何永成，魏廷軒

(1.甘肅省傳感器與傳感技術重點實驗室，蘭州 730000； 2.甘肅省科學院傳感技術研究所，蘭州 730000；3.蘭州大學物理科學與技術學院，蘭州 730000)

0 引 言

目前，生物醫學領域越來越受到人們的關注，而磁性納米材料由于其獨特的磁響應性在藥物靶向傳遞、高溫磁熱療、蛋白富集、定量免疫檢測以及核磁共振成像等方面有突出的應用價值[1-3]。作為由磁性納米晶粒組裝得到的三維簇狀材料，磁性納米晶團簇與納米粒子相比，擁有更強的磁飽和強度、獨特的介孔框架結構、更好的結構穩定性以及更高的表面活性，從而得到了研究者的廣泛關注。合成四氧化三鐵納米團簇(Fe3O4NCs)的方法主要有微乳液法[4]、共沉淀法[5-6]、溶劑熱法[7]、高溫熱分解法[8]、水熱法[9-11]和多元醇法[12-17]。而為了滿足磁性納米材料在生物醫學領域的應用，需要小粒徑、超順磁、表面富含活性基團以及生物相容性良好的納米團簇，以上傳統的制備方法均無法達到。因此，亟需發展一種簡單有效的制備方法來制備這種性能優異的生物醫用型納米團簇。我們發現多元醇法利用高沸點和親水性的多元醇作為溶劑，可以在比較高的溫度下進行反應，制備得到的Fe3O4NCs親水性好、結晶程度高、飽和磁化強度好。但是這種制備方法需要很長的反應時間，制備效率低，且制備得到的團簇粒徑較大，表面官能團較少，從而限制了其后續的應用。為了解決這些問題，我們采用微波輔助加熱以及表面活性劑包覆對多元醇法進行改進，提出了一步制備生物醫用型納米團簇的方法。微波加熱升溫速度快，在反應初期容易形成大量晶核，有利于形成粒徑較小的納米團簇，同時能夠提高反應速率，縮短反應時間[18-19]。分子鏈上含大量羧基的聚丙烯酸(PAA)有很好的耐高溫性，這是其他小分子包覆劑無法達到的，它可以促進納米團簇在水中的分散性，同時增加其表面的官能團。本文選用對微波有高吸收系數的乙二醇為溶劑、水合三氯化鐵為鐵源、乙酸胺為沉淀劑、檸檬酸鈉為還原劑、聚丙烯酸為包覆劑，通過微波輔助多元醇法制備出了水相分散均一穩定、結晶程度高、超順磁性、飽和磁化強度高、富含官能團且粒徑可控的小尺寸Fe3O4NCs。

1 實 驗

1.1 試劑及儀器

試劑：乙二醇，國藥集團化學試劑有限公司，分析純；乙酸胺，天津化學試劑一廠，分析純；檸檬酸鈉，天津化學試劑一廠，分析純；水合三氯化鐵，國藥集團化學試劑有限公司，分析純；聚丙烯酸，Sigma，分析純；去離子水。

儀器：超聲波清洗機，昆山市超聲波儀器有限公司；單模微波合成儀(Discover SP)，美國CEM公司；冷凍干燥機(SCIENTZ-12N)，寧波新芝生物科技股份有限公司；高速落地冷凍離心機(himac CR22N)，日本日立公司；超聲波細胞破碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 測試與表征

利用日本JEM-2010高分辨透射電鏡(TEM)觀察團簇的形貌；采用X射線衍射儀確定樣品的晶體結構；使用傅立葉變換紅外光譜儀FT-IR(美國)對樣品表面的羧基官能團進行表征；利用Zeta電位儀(Nano ZSE)測量樣品的表面電學性能；利用振動樣品磁強計(VSM)測定樣品的磁學性能，其中溫度為300 K，外加磁場的強度為-8～636.8 kA/m。

1.3 Fe3O4NCs的制備

稱取0.135 g 水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)，0.193 g乙酸胺(NH4OAc)溶于5 mL乙二醇中，超聲30 min后加入0.1 g聚丙烯酸(PAA)和0.1 g檸檬酸鈉，繼續超聲，直到混合液變為亮紅色。將混合液倒入10 mL微波反應管中，設定加熱溫度為240 °C，時間為45 min，進行微波反應。反應完畢后，得到黑色液體。用乙醇與去離子水交替離心洗滌3次，最終得到Fe3O4NCs。

2 結果與討論

2.1 微波反應溫度對Fe3O4NCs的影響

溫度是影響反應進程的重要動力學因素，升高溫度有助于越過反應勢壘，加速反應進程。圖1是反應時間為30 min，且實驗過程中其他條件不變，不同反應溫度下Fe3O4NCs的TEM圖。可以看出，當反應溫度為200 ℃時，沒有明顯的顆粒物產生，出現一些枝狀物質；溫度升高到220 ℃時，出現顆粒物，并且隨著反應溫度的升高，枝狀物逐漸減少，顆粒物逐漸增多，小團簇逐漸形成。240 ℃時團簇形貌較均一，且比在260 ℃反應時得到的形貌要好。因此高溫有利于團簇的形成，從節能角度與形貌最佳考慮，我們選用240 ℃為最佳反應溫度。

圖1 不同反應溫度下Fe3O4NCs 的TEM

2.2 微波反應時間對Fe3O4NCs的影響

反應時間是影響Fe3O4NCs的重要因素，因此，我們考察了反應時間對團簇結構的影響。圖2是反應溫度為240 ℃時，不同反應時間下Fe3O4NCs的TEM圖。可以看出，當反應時間為15 min時，沒有團簇產生，隨著反應時間的延長，團簇逐漸形成，反應時間為45 min時團簇形貌最佳。當反應時間延長到60 min時團簇開始解體。在反應初期，微波加熱使溶液快速升溫，Fe3O4晶核會大量形成，并成長為納米Fe3O4顆粒，但由于加熱時間較短，納米Fe3O4顆粒并沒有來得及形成團簇；隨著微波加熱時間延長到45 min，納米顆粒在溶液中生長，并有自發團聚成團簇結構的趨勢，從而形成Fe3O4NCs。當顆粒完全組裝成團簇后，再延長時間，由于陳化機制[20]，尺寸較小的顆粒溶解，尺寸較大的顆粒繼續生長，顆粒的表面能減小，顆粒間團聚作用力減弱，團簇結構由致密轉變為松散結構，甚至趨于解體。

圖2 不同反應時間下Fe3O4NCs的TEM

2.3 前驅體溶液狀態對 Fe3O4納米團簇的影響

在實驗過程中，我們發現除了微波反應溫度與反應時間對Fe3O4NCs的形貌有影響外，前驅體溶液狀態對Fe3O4NCs的生成有決定性因素。在微波反應開始時，前驅體溶液經歷了從淡黃色、橘紅色到亮紅色的轉變。圖3a是前驅體溶液為橘紅色時通過微波反應得到Fe3O4NCs的TEM圖，我們發現團簇中帶有片狀雜質，團簇結構不明顯且結晶性差。 圖3b是前驅體溶液為亮紅色時通過反應得到團簇的TEM圖，背景干凈清晰，團簇分布均一，結晶性好。前驅體溶液從橘紅色到亮紅色的轉變，是反應物溶解是否完全的標志，只有反應物完全溶解，溶液變為亮紅色，才能通過微波反應成功制備出粒徑均一、形貌較好且結晶程度高的Fe3O4NCs。

2.4 最終優化條件下材料的性能表征

在最優條件下，我們對所得材料的各項性能進行了表征。圖4a是微波反應得到 Fe3O4NCs 的X射線衍射光譜圖。如圖所示，在30.00、 35.48、 43.14、 53.44、 57.04和 62.58°處分別有6個衍射峰，這6個峰分別是 Fe3O4的反尖晶石結構中的220、311、400、422、511和440晶格面所產生的特征峰(JCPDS.19-0629)[21-23]。由圖可以看出Fe3O4納米顆粒晶化較完全，結晶程度高。四氧化三鐵納米顆粒的粒徑可由Scherrer公式求得：

式中：D為晶粒尺寸，k為比例常數，λ為X射線波長，β為衍射峰的半高峰寬，θ為入射角。用Scherrer公式計算(311)晶面對應的平均晶粒度，得出晶粒尺寸分布在5 nm左右，遠小于TEM圖中觀察到的納米粒子尺寸，說明此方法的確形成了團簇狀的材料。另外，在衍射角為20.00°左右的位置出現了無定形的聚合物包峰，說明在Fe3O4NCs表面有聚合物的包覆。圖4b是Fe3O4NCs的傅里葉紅外圖譜。圖中602 cm-1處的峰為(Fe-O)的振動吸收峰[24]，3 400 cm-1處的寬峰為(-OH)的伸縮振動峰，1 663 cm-1處的峰為(C=O)的伸縮振動峰，這兩個峰的出現說明了樣品中存在羧基，且羧基上的兩個氧原子與 Fe 結合后波峰進行了紅移。在2 948 cm-1處的峰為聚丙烯酸主鏈上(-CH2-)的反對稱伸縮振動峰，進一步證實了聚丙烯酸(PAA)的存在，說明 Fe3O4NCs 表面成功修飾上了PAA。圖4c 是Fe3O4NCs 的Zeta電位圖。從圖中可以看出，我們制備的Fe3O4NCs Zeta電位值為-30 mV，原因是其表面包覆 PAA 的羧酸官能團帶負電。圖4d 是微波輔助加熱法所制備樣品的磁滯回線(H-M)。由曲線可以看出，隨著外磁場H的增大，晶粒的磁化方向漸漸趨于一致，磁化強度M快速增大，直至達到飽和，所制備樣品的飽和磁化強度為53 Am2/kg，樣品的矯頑力幾乎為0。我們可以得出微波輔助加熱所制備的樣品具有超順磁性。這是因為組成團簇的初級納米粒子的粒徑小于超順磁臨界尺寸(20 nm)，受表面效應和小尺寸效應影響，團簇仍表現出超順磁性[25]。

圖3 不同前驅體溶液狀態下Fe3O4NCs的TEM圖

圖4 Fe3O4NCs的結構及性能表征圖

2.4 不同前驅體濃度下的Fe3O4NCs的形貌與磁化曲線

通過改變前驅體濃度，我們還可以得到不同大小的Fe3O4NCs。圖5a為小濃度下前驅體溶液反應后得到Fe3O4NCs的TEM圖，圖5b是它對應的磁滯回線(H-M)。圖5c為兩倍前驅體溶液濃度下反應后得到Fe3O4NCs的TEM圖，圖5d是它對應的磁滯回線(H-M)。由圖5a、圖5c可以看出微波輔助多元醇法制備得到的Fe3O4NCs粒徑均一，分布良好，平均粒徑分別為30和80 nm，并且團簇的大小隨著前驅體溶液濃度的增加而增大。由樣品的磁化曲線也可以看出不同尺寸的Fe3O4NCs均具有較高的飽和磁化強度，分別為53和65 Am2/kg，隨著粒徑的增大，其飽和磁化強度也相應地增大。由此可以得出，相比于其他方法制備的PAA包覆Fe3O4NCs，我們的這種微波輔助多元醇一步制備法能夠制備出高飽和磁化強度的包覆材料，有效解決了由于包覆使材料飽和磁化強度降低的問題。

圖5 小粒徑Fe3O4NCs的TEM圖

3 結 論

采用改進的多元醇法成功一步制備出了結晶程度高、粒徑均一、超順磁性以及高飽和磁化強度的PAA包覆的小尺寸生物醫用型Fe3O4NCs，并且通過微波輻射加熱的方式將反應時間由數小時縮短至45 min，大大地提高了制備效率，節約了能源。微波加熱方式可以實現快速并且均勻的加熱，樣品的粒徑分布均勻與否主要決定于樣品的成核和生長過程是否同步，微波加熱可以使樣品受熱均勻，因此制備得到的Fe3O4NCs粒徑分布均一，且微波加熱升溫迅速，在反應初期易形成大量晶核，有利于形成粒徑較小的納米顆粒。此外，制備所得的Fe3O4NCs表面包覆有PAA層，可以提高Fe3O4NCs的空間位阻力和靜電斥力，阻止Fe3O4NCs的團聚，同時可以提高其生物相容性。我們相信這種生物醫用型納米團簇會在生物醫藥領域有非常重要的應用價值。