超順磁氧化鐵納米顆粒的可控制備及其磁感應熱性能分析
——介紹一個大學化學綜合實驗

張廷斌，盧俊杰，邱瀅，張歡，劉曉麗，彭明麗，樊海明,＊

1西北大學化學與材料科學學院，西安 710127

2西北大學生命科學與醫學部，西安 710069

磁性材料的醫療應用在我國已有悠久的歷史，最早在《神農本草經》中記載用于治療周痹、風濕等疾病[1]。而隨著納米技術的發展，磁性納米材料由于其獨特的磁學特性、良好的生物安全性、易于表面修飾等特點，被廣泛用于磁熱療、磁共振成像及藥物遞送等領域[2-4]。在眾多的磁性納米材料中，超順磁氧化鐵是一類極具代表性的生物醫用磁性納米材料，可在室溫無外磁場的條件下形成穩定的磁溶膠分散體系[5]。而當施加梯度靜磁場時，超順磁氧化鐵顆粒會沿磁場方向定向聚集；在施加交變磁場時，超順磁氧化鐵可產生磁感應熱[6]。2011年，基于磁感應熱效應的磁熱療技術在歐盟獲批用于治療惡性腦膠質瘤；2019年，在美國進行了前列腺癌治療的臨床注冊[7]。近期，基于超順磁氧化鐵的磁感應熱效應還被用于神經功能調控[8]、藥物控制釋放[9]及遠程調控生物酶活性等[10,11]。

磁感應熱基本原理是磁性納米材料在交變磁場下反復磁化反轉，該過程導致磁滯損耗而產熱，其磁熱轉換效率通常用比吸收速率(specific absorption rate，SAR)來表征[12,13]。超順磁氧化鐵的磁熱性能不僅與自身的磁學性質、尺寸和磁各向異性等相關，還與交變磁場參數如磁場強度和磁場頻率等密切相關[14]。深入了解超順磁氧化鐵的磁感應熱基本原理，掌握超順磁氧化鐵的合成、磁學性質表征以及磁感應熱性能的測試技術，對培養綜合型化學人才具有重要作用。

近年來，本課題組致力于醫用磁性納米材料的制備及腫瘤磁熱療應用[10,15]，并且將科研成果中操作性強的研究內容納入本科教學實驗。本綜合實驗在介紹磁感應熱基本原理的基礎上，不僅設計了不同尺寸超順磁氧化鐵高溫熱解可控制備、鐵含量的測定、磁學性能及磁熱性能表征，還探究了交變磁場強度及納米顆粒尺寸對超順磁氧化鐵SAR的影響。學生不僅鍛煉了基本的化學實驗操作，而且初步了解了氧化鐵的磁感應熱基本原理。

1 實驗目的

(1) 了解超順磁氧化鐵納米顆粒的磁學特征、研究現狀及應用前景。

(2) 學習和掌握不同尺寸超順磁氧化鐵納米顆粒的高溫熱分解制備與鐵含量測定方法。

(3) 掌握超順磁氧化鐵納米顆粒磁熱性能的測定方法。

(4) 了解超順磁氧化鐵納米顆粒尺寸對其磁熱性能的影響。

(5) 熟悉施加磁場強度與超順磁氧化鐵磁熱性能的關系。

2 實驗原理

2.1 高溫熱分解法制備超順磁氧化鐵的原理

高溫熱分解法是目前制備單分散磁性納米顆粒的常規方法。在穩定劑存在下，金屬前驅體在高沸點有機溶劑中熱分解，經單體-成核-生長三個階段，形成大小均一、形貌可控的納米顆粒[16]。由于高溫熱分解法的前驅體、溶劑以及穩定劑均為有機長鏈化合物，該方法制備的納米顆粒表面通常富含脂肪長鏈，因而具有疏水性，需要借助生物相容性良好的親水性配體進行水相轉移，以實現磁性納米顆粒在水相中穩定分散。常見的鐵有機前驅體包括堿式氧化鐵、五羰基鐵、油酸鐵和乙酰丙酮鐵等；常見的穩定劑包括油酸、油胺及脂肪酸等；高沸點溶劑常選用十八烯、二十烯及三辛胺等。本實驗選用堿式氧化鐵為前驅體，油酸為穩定劑，十八烯為溶劑。

2.2 超順磁氧化鐵的磁感應熱原理

磁性材料磁感應產熱機制主要來自克服交變磁場下的磁化反轉能壘而產生的能量損耗，即弛豫過程產生的熱損耗。對于超順磁氧化鐵納米顆粒，該弛豫過程可以簡化為由奈爾(Néel)和布朗(Brown)弛豫。Néel弛豫是超順磁氧化鐵納米顆粒的磁矩方向隨外磁場方向變化所產生的損耗，其弛豫時間為τN；Brown弛豫是納米顆粒在外磁場作用下的物理旋轉與周圍液體產生摩擦而引起損耗，其弛豫時間為τB(圖1)。

圖1 奈爾(Néel)弛豫和布朗(Brown)弛豫機理

依據上述原理，超順磁氧化鐵納米顆粒磁熱性能SAR值的理論計算如公式1所示[17]。

式中，μ0為真空磁導率；Ms是磁性納米顆粒的飽和磁化強度；r為顆粒半徑；H為磁場強度；f是磁場頻率；ρ表示材料密度；kB為玻爾茲曼常數；T代表溫度；τ為弛豫時間，其大小由τN和τB共同決定(見公式2)。

由公式1可知，SAR值不僅與顆粒自身物理化學特性如顆粒尺寸、飽和磁化強度等參數有關，還與交變磁場的磁場參數如磁場強度(H)和磁場頻率(f)相關。

當測量同一磁性氧化鐵納米顆粒SAR值時，由于顆粒自身特性的參數如弛豫時間τ、Ms、r等不變，同時磁場f固定，其SAR值與磁場H的平方成正比，即SAR∝H2。因此，可將公式1簡化為公式3[18]。

式中，a為常數，與磁性材料的特性，磁場頻率等相關；H為交變磁場強度。

而在同一交變磁場下測量不同尺寸磁性氧化鐵納米顆粒SAR值時，磁場f和H固定，而Ms和τ均隨r的改變而變化。因此，磁性氧化鐵納米顆粒SAR值隨r的變化規律十分復雜。一般來說，對于超順磁氧化鐵納米顆粒其Ms值隨尺寸增大而增加，因此SAR也會隨r的增大呈現增大的趨勢[14]。

本實驗將分別從施加外磁場和材料自身物化特性兩個方面來探究其對超順磁氧化鐵納米顆粒SAR的影響，從而加深學生對磁感應熱機制的理解。一方面，通過測量單一尺寸超順磁氧化鐵在不同H下的SAR值，分析其與磁場H的關系；另一方面，通過測量不同尺寸超順磁氧化鐵的SAR值，進一步分析SAR隨r的變化趨勢。

2.3 超順磁氧化鐵納米顆粒磁熱性能的測試方法

超順磁氧化鐵納米顆粒的磁熱性能SAR是指在單位時間內，單位質量的鐵在交變磁場中產生的熱量，單位是瓦特/克(Watt·g-1)。SAR值可通過量熱法測定，實驗計算公式如下：

式中，C為溶劑/分散相的比熱容(水的比熱容C= 4.18 J·g-1·°C-1)；ΔT/Δt是溫度隨時間變化曲線的初始斜率；mFe是Fe在所測定溶液中的質量。

3 儀器和試劑

儀器：三口燒瓶、溫度控制器(配合加熱套)、磁子、燒杯、錐形瓶、容量瓶、空氣冷凝管、移液器、離心機、搖床、磁熱儀(Supermag M5，西安超磁納米生物科技有限公司)、X射線衍射儀(D8 VENTURE，德國Bruker)、透射電子顯微鏡(Talos F200X，美國FEI)、振動樣品磁強計(BKT-4600，北京新科高測科技有限公司)、紫外-可見分光光度計(U-3310，日本日立)、分析天平、高斯計。

試劑：堿式氧化鐵(FeO (OH)，95%)、油酸(90%)、十八烯(99%)、3,4-二羥基苯乙酸(DHCA，98%)均購自西格瑪奧德里奇(上海)；濃硝酸、30%雙氧水均為MOS級，購自德國Merck公司；鄰菲羅啉、鹽酸羥胺、硫酸高鐵銨、乙酸、乙酸鈉、正己烷、丙酮、四氫呋喃均為分析純，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

4 實驗內容

4.1 超順磁氧化鐵納米顆粒水溶液的制備與基本表征

16 nm超順磁氧化鐵(記為SPIO-2)的制備[10]：將355 mg的堿式氧化鐵(4 mmol)和5.7 g的油酸(20 mmol)加入至含有20 g十八烯(79 mmol)的50 mL三口燒瓶中，在氬氣氛圍內攪拌30 min后，首先將反應溫度升高至110 °C，并保持30 min以去除反應體系中的水分；隨后將反應體系升溫至180 °C，保持1 h；最后，再將反應溫度升高至320 °C反應1 h。移去加熱套，冷卻至室溫。加入乙醚將超順磁氧化鐵納米顆粒沉降，8000 r·min-1離心10 min，得到黑色超順磁氧化鐵沉淀物，再用正己烷溶解(10 mL)和丙酮沉降(20 mL)，離心洗滌2-3次后，將磁納米顆粒分散在10 mL的正己烷里。

其他尺寸超順磁氧化鐵的制備方法：保持堿式氧化鐵(4 mmol)和十八烯(79 mmol)的反應劑量不變，僅改變油酸的劑量即可制備出不同尺寸的顆粒，例如采用16 mmol油酸可獲得8 nm左右的顆粒(SPIO-1)，而24 mmol油酸對應獲得20 nm左右的顆粒(SPIO-3)。

稱取50 mg DHCA，加入至含有20 mL四氫呋喃三口燒瓶中，通氬氣并攪拌；將體系溫度升高至45 °C后，加入20 mg·mL-1的超順磁氧化鐵THF溶液1 mL；將反應體系溫度升至50 °C后，保持5 h。反應結束后，將反應液以4000-6000 r·min-1條件下離心10 min，收集磁性納米顆粒，并加入去離子水得到分散在水溶液中的超順磁氧化鐵，放置于4 °C冰箱保存。

利用透射電子顯微鏡(TEM)觀察超順磁氧化鐵納米顆粒的尺寸形貌。實驗過程如下，將所制備的磁性顆粒用去離子水稀釋50-200倍；取10 μL滴加于200目鍍碳支持膜上，待樣品干燥后上機觀察。通過X射線衍射儀(XRD)表征所制備超順磁氧化鐵的晶體結構。具體過程是稱取10 mg粉末狀顆粒，將其平鋪在玻璃板上；使用Cu靶Kα射線以0.05 (°)·min-1速度(慢掃)從15°掃描至90°，得到XRD衍射圖譜。

4.2 鄰菲羅啉比色法測定鐵含量

量熱法測定SAR過程中需要明確溶液中超順磁氧化鐵的濃度，該濃度通常用鐵含量來表示。本實驗采用鄰菲羅啉比色法測定溶液的鐵含量，并配制0.2 mg Fe/mL的超順磁氧化鐵溶液。

1) 試劑準備。

① 鄰菲羅啉溶液(0.1%，新配制)；

② 10%鹽酸羥胺溶液(新配制)；

③ 乙酸-乙酸鈉緩沖溶液：取136 g乙酸鈉溶于100 mL水中，加入120 mL純乙酸混合并用水稀釋至500 mL；

④ 鐵標準溶液(50 μg·mL-1)：稱取0.216 g的NH4Fe(SO4)2·12H2O于250 mL燒杯中，加入20 mL濃度為6 mol·L-1的鹽酸溶液將其完全溶解，隨后加水稀釋并用500 mL的容量瓶定容，得到質量濃度為50 μg·mL-1的鐵標準溶液；

⑤ 超順磁氧化鐵待測液：取0.1 mL的超順磁氧化鐵溶液于50 mL燒杯中，加入4 mL MOS級濃硝酸及1 mL 30% MOS級雙氧水消解過夜；隨后將其在150 °C的加熱板上繼續消解2 h，當所剩溶液體積為0.5 mL時，停止加熱；待燒杯冷卻后，用2%的稀硝酸將其定容至10 mL。

2) 鐵標準曲線的繪制：分別取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.6、2.0 mL的鐵標準溶液于9個50 mL容量瓶中，加入1 mL 10%鹽酸羥胺溶液，并將該混合液超聲5 min，隨后分別加入2 mL 0.1%鄰二氮菲溶液和5 mL醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(pH = 5)避光靜置30 min，加水稀釋并定容至50 mL，測定其在510 nm的吸光度值，并繪制繪制標準曲線。

3) 超順磁氧化鐵溶液中鐵含量的測定：移取1 mL超順磁氧化鐵待測液于50 mL容量瓶中，加入1 mL 10%鹽酸羥胺溶液，將該混合液超聲5 min，隨后分別加入2 mL 0.1%鄰二氮菲溶液和5 mL醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(pH = 5)，避光靜置30 min，加水稀釋并定容至50 mL，測定其在510 nm的吸光度值。

4.3 超順磁氧化鐵納米顆粒的磁學性能表征

超順磁氧化鐵納米顆粒的磁學性能表征是用振動樣品磁強計(VSM)在室溫下測量的。稱取10 mg超順磁氧化鐵納米顆粒，放入振動桿中。利用標準樣品標定磁場后，測定納米顆粒在磁場(M：0 Oe →+20000 Oe → 0 Oe → -20000 Oe → 0 Oe，磁場步長為400 Oe)下的磁感應強度(H)，得到磁滯回線(M-H曲線)，利用磁滯回線可計算出磁性顆粒的剩磁和矯頑力等材料磁學特性參數。

4.4 超順磁氧化鐵納米顆粒的磁熱性能表征

配制鐵離子濃度為0.2 mg·mL-1的磁性氧化鐵納米顆粒溶液，移取1 mL于1.5 mL EP管中，將其置于磁熱儀線圈中心；同時將測溫光纖探頭置于液面下，具體裝置如圖2所示[19]。施加頻率為345 kHz，場強范圍為200-400 Oe的交變磁場650 s；實時記錄溶液樣品的溫度，并繪制時間與溫度的變化曲線。每個場強設置3個平行樣品。SAR的計算方法如下：分別計算磁場處理前30、60和90 s后曲線的斜率，選取其中最大的斜率分別代入至公式4，即可得到所制備超順磁氧化鐵的平均SAR值。本實驗注意事項：(1) 不可將金屬制品靠近運行狀態下磁熱儀的線圈，以防觸電，加熱損傷；(2) 測試不同樣品的磁熱性能時，樣品擺放的位置應保持一致。

圖2 超順磁氧化鐵納米顆粒的磁熱性能測試示意圖

5 結果與討論

5.1 材料合成與表征

高溫熱分解法所制備的超順磁氧化鐵納米顆粒具有尺寸可控、粒徑均一的特點。在本實驗中，利用堿式氧化鐵為前驅體，油酸為穩定劑，十八烯為溶劑，通過調整前驅體和穩定劑的比例制備了三種不同尺寸的超順磁氧化鐵納米顆粒，該方法工藝成熟，操作簡單且結果穩定[10]。反應體系在110 °C是為了去除體系中的水，避免在后續高溫過程中微量水的爆鳴現象；反應體系在180 °C時，能夠形成堿式氧化鐵和油酸的復合物；當反應溫度繼續升高的過程中，由于復合物的分解，晶核快速形成并均勻生長，得到黑色的氧化鐵納米顆粒；此階段溶液逐漸由透明變得渾濁，顏色不斷加深，最終呈棕黑色。此外，本實驗在氬氣環境下進行，避免反應過程中反應物及產物的氧化反應。由于熱分解法所制備的磁性納米顆粒表面富含油酸，因此在正己烷中具有良好的溶解性。本實驗選用水溶性好的DHCA分子作為配體對磁性納米顆粒表面的油酸進行配體交換，使其在水中均勻分散，形成穩定的水溶液，為后續的生物醫學應用奠定了基礎。

我們首先對所制備的16 nm超順磁氧化鐵納米顆粒(SPIO-2)進行基本材料表征。利用TEM對制備的磁性氧化鐵納米顆粒進行材料的尺寸與形貌表征。結果如圖3A所示，所制備的磁性顆粒基本為球形，尺寸均一；根據粒徑統計結果，顆粒的平均粒徑約為15.9 nm。X射線衍射儀(XRD)結果見圖3B，所制備磁性顆粒樣品的衍射峰與標準立方反尖晶石結構的Fe3O4卡片(JCPDS No.19-0629)吻合且沒有其他的雜質峰；進一步使用Jade軟件分析2θ = 35.480°處的峰，結果顯示，樣品的晶面間距為0.2528 nm，半峰寬為0.463°，對比標準立方尖晶石Fe3O4卡片(JCPDS No.19-0629)在2θ = 35.422°處峰的晶面間距(0.2532 nm)相差僅為0.0004 nm；最后通過軟件上的Debye-Scherrer公式計算得出晶粒直徑為17 nm，這與我們通過TEM觀察到的尺寸相近；上述結果說明我們制備的樣品純度高、結晶性能好。

圖3 SPIO-2的TEM圖(A)及XRD結果(B)

接下來，我們利用TEM對所制備的其他尺寸磁性氧化鐵納米顆粒(SPIO-1和SPIO-3)進行材料的尺寸與形貌表征。結果如圖4顯示，所制備的磁性顆粒基本為球形，尺寸均一；其中，SPIO-1的平均粒徑約為7.6 nm，SPIO-3的平均粒徑約為20.2 nm。

圖4 SPIO-1 (A)和SPIO-3 (B)的TEM圖

振動樣品磁強計(VSM)在室溫下對所制備磁性顆粒的磁學特性進行磁滯回線表征。圖5為所制備氧化鐵納米顆粒的磁滯回線圖譜。從圖中可以看出，不同尺寸氧化鐵納米顆粒的磁滯回線均經過零點，所以該樣品在室溫下沒有剩磁和矯頑力，說明所制得的氧化鐵納米顆粒為超順磁性。同時，其Ms隨尺寸的增大而增大(表1)。以上表征的實驗結果表明，本實驗成功制備了三種尺寸的超順磁氧化鐵納米顆粒。

圖5 不同尺寸超順磁氧化鐵納米顆粒室溫下的磁滯回線

表1 不同尺寸超順磁氧化鐵納米顆粒的飽和磁化強度值

除上述所制備的不同尺寸超順磁氧化鐵納米顆粒，學生也可以利用VSM測定其他材料的磁滯回線，并判斷其是否具有超順磁性，例如前驅體、不同晶相氧化鐵納米材料等。

5.2 鄰菲羅啉比色法測定鐵含量

由于超順磁氧化鐵的濃度是計算其SAR值的重要參數，通常用溶液中Fe含量來表示。本實驗利用鄰菲羅啉比色法對所制備超順磁氧化鐵納米顆粒水溶液中的Fe濃度進行測定。首先繪制鐵標準曲線，如圖6所示；然后將所制備超順磁氧化鐵待測液在510 nm處的吸光度值代入到上述鐵標準曲線回歸方程中，經計算后得到樣品的Fe濃度。為便于后續磁熱性能表征，用去離子水將三種尺寸超順磁氧化鐵納米顆粒水溶液的Fe濃度均標定至0.2 mg·mL-1。

圖6 鐵標準曲線

5.3 磁熱性能表征

磁熱儀是利用串聯諧振電路產生交變磁場的裝置。對于固定線圈，交變磁場的頻率固定不變，但強度隨著電流的變化而變化。本實驗首先利用高斯計測定了345 kHz所對應的線圈在不同電流強度下產生的磁場強度，結果見表2。

表2 不同電流強度對應的交變磁場強度

我們首先研究超順磁氧化鐵納米顆粒磁熱性能與磁場強度之間的關系。在本實驗中，我們分別選取電流為17、20、24、28和31 A所對應的磁場強度，即H1：203 Oe，H2：243 Oe，H3：298 Oe，H4：344 Oe和H5：404 Oe，以SPIO-2為例，分析了場強對超順磁氧化鐵SAR值的影響規律。將裝有1 mL超順磁氧化鐵溶液(鐵離子濃度為0.2 mg·mL-1)的離心管，置于磁熱儀線圈中心；啟動交變磁場并實時記錄溶液樣品的溫度，所得升溫曲線見圖7A。圖中可以觀察到所有樣品溶液的溫度在施加磁場的條件下均隨時間快速升高，且磁場強度越高，溶液的升溫越快。分別計算樣品在不同磁場下前30、60和90 s處升溫曲線的斜率；比較并選取最大數值代入至公式4，計算出超順磁氧化鐵在不同磁場強度下的SAR值，H1-H5樣品的平均SAR值分別為159.8、258.0、369.5、494.3和659.2 Watt·g-1(圖7B)。實驗結果與升溫曲線一致，SAR值隨著磁場強度的增強而隨之增大。

圖7 SPIO-2在不同磁場強度下的升溫曲線(A)和SAR值結果(B)

最后，我們將交變磁場強度的平方(H2)與對應的SAR值進行線性擬合，獲得線性方程(y= 0.0041x,x=H2)，其中R2= 0.9994，說明在實驗磁場強度范圍內，所制備超順磁氧化鐵的SAR與H2具有良好的線性關系(圖8)，該結果與理論一致[18]。

圖8 超順磁氧化鐵納米顆粒SAR值與H2的線性關系圖

我們進一步探究了超順磁氧化鐵納米顆粒尺寸(r)對其磁熱性能的影響。在這個實驗中，我們將磁場強度和頻率分別設置為298 Oe和345 kHz。將裝有1 mL不同尺寸超順磁氧化鐵樣品溶液(鐵離子濃度均為0.2 mg·mL-1)的離心管，置于磁熱儀線圈中心，測試樣品的磁熱性能。根據升溫曲線結果，所有樣品溶液的溫度均隨時間快速升高，且r越大，溶液的升溫越快(圖9A)。按照上述方法，分別計算出不同尺寸超順磁氧化鐵在同等磁場條件下的SAR值。如圖9B所示，SPIO-1、SPIO-2及SPIO-3樣品的平均SAR值分別為244.0、354.0和515.5 Watt·g-1。上述結果表明，在本實驗的納米顆粒尺寸范圍內，超順磁氧化鐵的SAR隨其r的增大而增大。

圖9 (A) 不同尺寸超順磁氧化鐵納米顆粒在相同磁場下的升溫曲線；(B) 不同尺寸超順磁氧化鐵納米顆粒的SAR值結果

本實驗中施加外磁場參數一致且三種超順磁氧化鐵納米顆粒的組分、形貌均相同，僅顆粒r不同。依據公式1，超順磁氧化鐵納米顆粒的SAR值與r和Ms相關。值得一提的是，超順磁氧化鐵納米顆粒的Ms同時也與r正相關，VSM測量結果顯示所制備超順磁氧化鐵納米顆粒的Ms隨r的增大而增大(表1)。綜合上述結果，可以得出超順磁氧化鐵納米顆粒的SAR值隨r的增大而增大，與我們實驗結果一致。

6 實驗教學組織形式

本綜合實驗開設之初即被納入面向我校化學與材料科學學院大三學生開設的化學生物學創新實驗中，已經運行2輪。本實驗以30人以下的小班教學為宜，小組形式開展，每組4-6人。建議整個綜合實驗分3個階段完成：(1) 理論課，介紹超順磁氧化鐵納米顆粒的高溫熱分解制備及其磁感應熱原理等，2學時；(2) 實驗課，超順磁氧化鐵納米顆粒的制備與基本表征，約16學時；(3) 實驗課，超順磁氧化鐵納米顆粒的磁熱性能分析，約8學時。此外，本實驗要求學生課前進行文獻調研，并根據實驗目的和實驗內容做好預習并撰寫預習報告。

7 結語

本實驗利用經典的高溫熱分解法制備了三種不同尺寸的超順磁氧化鐵納米顆粒，并對其形貌、鐵含量、磁學性質和磁熱性能進行了表征，同時分別從顆粒尺寸及交變磁場強度兩個方面分析了其對超順磁氧化鐵磁熱性能的影響規律。該實驗在學生已有的實驗基礎(紫外-可見分光光度計測定鐵含量測定)上，不僅能夠拓展學生對于納米材料合成、磁學性質表征等實驗操作能力，初步掌握超順磁氧化鐵SAR的測定方法，還能夠讓學生了解超順磁氧化鐵的磁感應熱原理，熟悉交變磁場強度、顆粒尺寸與超順磁氧化鐵磁熱性能之間的關系；進而激發化學專業本科學生對于磁性納米材料科學前沿的探索熱情。此外，本實驗內容操作簡單、現象明顯、實驗結果穩定，已在我校化學與材料科學學院進行了2年的試點推廣，收到了良好的教學效果。