CuxFe1－xO·Fe2O3磁流体纳米微粒的制备与性能分析

季 业，邵慧萍，林 涛，郭志猛

(北京科技大学新材料技术研究院，北京100083)

CuxFe1－xO·Fe2O3磁流体纳米微粒的制备与性能分析

季 业，邵慧萍，林 涛，郭志猛

(北京科技大学新材料技术研究院，北京100083)

为增强磁流体在肿瘤治疗中的靶向性，本研究在制备磁流体过程中加入Cu2+，利用超声乳化法制备纳米CuxFe1－xO·Fe2O3颗粒，采用壳聚糖作为表面活性剂制备出分散均匀、稳定性好的水基磁流体，研究了不同的Cu2+加入量和不同的壳聚糖用量对磁流体磁性能的影响.结果表明：壳聚糖成功包覆于磁性CuxFe1－xO·Fe2O3颗粒的表面;不同Cu2+加入量制得的粉末同属立方晶系;当实验原理方程式中的x= 0.1、壳聚糖溶液用量为20 mL(每50 mL质量分数为1%的CuxFe1－xO·Fe2O3溶液)时进行表面改性制得的纳米磁流体具有较高的比饱和磁化强度及稳定性，静置30 d后，无明显沉降及分层现象，其比饱和磁化强度为56.43 A·m2·kg－1.

CuxFe1－xO·Fe2O3;超声乳化;磁流体;壳聚糖

磁流体是一种既具有液体流动性、又具有固体磁性材料磁性的新型功能材料［1］.由于其特殊的性质，引起了广大学者的广泛关注，在密封［2－4］、润滑［5］、生物医疗［6－7］、水资源保护［8］、矿物筛选［9］、传感器［10］和光纤［11］等方面得到了重要的应用.近年来随着科技的不断进步，在生物医疗领域中铁磁流体以其良好的生物相容性和稳定性，在靶向给药［12－13］、细胞分离和细胞内热疗［14－16］等方面取得了重大的研究进展.Fe3O4水基磁流体之所以能广泛应用，是由于它可以作为磁靶向药物传递系统(MTDDS)的载体，同药物一起制成稳定体系，在特定磁场作用下，使药物定位于靶区并释放，从而在病变部位发挥疗效.与此同时，铁磁流体原本就是磁性药物的重要材料也是原因之一.

为使药物更加准确、迅速地输送到特定靶部位而充分发挥治疗作用，可以在磁流体的制备过程中加入67Cu.67Cu为放射性元素，半衰期为61.83 h，衰变方式为β－衰变.再加上铜与铁元素同属于过渡族金属元素，原子半径及电负性将近，将Cu2+取代部分Fe2+制成CuxFe1－xO·Fe2O3磁流体理论上可提高治疗效果，有很好的应用前景［17］.壳聚糖(Chitosan)是甲壳素用浓碱处理后脱去乙酰基而得到的产物，是天然高分子中唯一的碱性多糖.壳聚糖所具有的生物相容性、生物降解性以及广谱抗菌性决定了其在生物医学领域(如药物传递、癌症临床诊断和医用敷料［18－20］等)具有广泛的用途.纳米CuxFe1－xO·Fe2O3颗粒细小，分散在载液中容易产生团聚而出现沉降现象，因此，采用生物相容性良好的壳聚糖作为表面活性剂进行表面改性，可保证所得磁流体的稳定性和生物亲和性.

本文主要通过超声乳化法制备CuxFe1－xO· Fe2O3纳米颗粒.为了安全考虑，在制备过程中使用非放射性铜元素的化合物二水合氯化铜为原料，研究Cu2+的最佳用量.并采用不同量的壳聚糖对纳米CuxFe1－xO·Fe2O3颗粒进行表面改性，得到分散均匀、稳定性好、比饱和磁化强度高的纳米CuxFe1－xO·Fe2O3磁流体.

1 实验

1.1 实验试剂

采用壳聚糖改性，制备生物亲和性磁流体所用的化学药剂详见表1.

表1 实验试剂

1.2 实验方法

采用超声乳化法制备CuFe O·FeO磁性颗粒的实验原理见式(1):

由于亚稳态的 Fe2+容易发生氧化转变为Fe3+，从而使n(Cu2++Fe2+)/n(Fe3+)物质的量之比偏离理论值1∶2，导致制得的粉末磁性能下降，所以，在制备过程中把(Cu2++Fe2+)与Fe3+的物质的量比提高到 2∶3［17］.将浓度0.15 mol·L－1的Cu2+和Fe2+的盐溶液以不同比例(方程式中x=0、0.05、0.1、0.2)混合，再将浓度为0.15 mol·L－1的Fe3+盐溶液按n(Cu2++ Fe2+)/n(Fe3+)=2∶3的比例加入其中，利用JJ－1型精密电动搅拌器混合均匀.将溶液用TC－2000P型自动温控加热炉加热到70℃后，用过量的NH3·H2O作为沉淀剂，加入至上述混合溶液中，在BILON－1000型超声波材料乳化分散器中反应完全.待反应结束后将得到的粉末用超声分散于去离子水中，多次洗涤至pH值呈中性.将所得3种Cu2+与Fe2+比例不同(方程式中x=0、0.05、0.1、0.2)的产物置于65℃电热鼓风干燥箱中干燥后待用.将壳聚糖溶解于质量分数1%的醋酸溶液中制成质量分数1%的壳聚糖溶液.取0.5 g干燥后的粉末超声分散于50 mL去离子水中制成溶液.将一定量壳聚糖溶液(10、15、20、25、35、50 mL)缓慢地加入到该溶液中，超声分散10 min，得到方程式中的x取值不同且包覆壳聚糖量不同的磁性流体.

采用日本理学公司的D/MAX RB型X射线衍射仪(XRD)分析了干燥后不同x取值的磁性颗粒的晶体结构.利用傅里叶红外分光光度计(FT－IR)，采用溴化钾压片法测定磁性CuxFe1－xO·Fe2O3颗粒的官能团.采用LDJ9600型振动样品磁强计(VSM)测量了磁性颗粒以及磁流体中磁性粒子的磁滞回线、比饱和磁化强度和矫顽力.

2 结果与讨论

2.1 XRD谱

图1为x取值不同时制得粉末的X射线衍射谱.从图中可以看出当x=0时，Fe3O4晶体的特征衍射峰明显，所有的标记峰与标准数据库的峰一致(JCPDS:65－3107)，对应于立方晶系的晶面.当x=0.1和0.2时，可分析得到衍射谱中出现了面心立方晶系的 CuFe2O4(JCPDS:25－0283).这是由于Cu2+的添加，部分Cu2+占据了Fe2+的位置，形成了CuFe O·FeO.

图1 Cu2+与Fe2+不同比例的X射线衍射谱

2.2 红外光谱(FT－IR)

由图2磁性粒子包覆前(a线)的红外光谱图可以看出:583 cm－1附近出现的强吸收峰为磁性CuxFe1－xO·Fe2O3的特征吸收峰.包覆后(b线)磁性粒子的红外光谱中，3390 cm－1附近是壳聚糖中—NH2和—OH伸缩振动重叠而成的宽峰; 1019 cm－1则归因于壳聚糖中C—O的振动吸收; 1402 cm－1是壳聚糖中—CH3的C—H变形振动吸收，这是由于壳聚糖没有完全脱去乙酰基导致的.因此可以认为壳聚糖对磁性CuxFe1－xO·Fe2O3粒子的包覆是成功的.

图2 包覆前a(x=0.1;CTS：0 mL)和包覆后b(x= 0.1;CTS：20 mL)的磁性粒子红外光谱图

2.3 CuxFe1－xO·Fe2O3微粒的磁性能分析(VSM)

图3为未进行表面改性时，制备的不同x值的CuxFe1－xO·Fe2O3磁性微粒的磁滞回线图，表2为对应的磁性能表.从图中可以看出，随着x值的增大CuxFe1－xO·Fe2O3磁性颗粒的饱和磁化强度降低.这是因为，随着Cu2+的加入，一部分Cu2+取代了Fe2+八面体间隙的位置，形成了部分面心立方结构的CuFe2O4.由于此结构的微粒磁性弱于Fe3O4，使得其饱和磁化强度降低.x=

0.05 和0.1时的比饱和磁化强度与x=0相比，虽有降低，但程度不大.x=0.2时，饱和磁化强度大幅下降，矫顽力也明显升高.x=0.05和0.1相比较比饱和磁化强度相当.由于放射性的铜元素可用于肿瘤的诊断与治疗，所以在磁性能相当的情况下选择含铜量大的配比可提高治疗效果.

图3 未进行表面改性的不同x值的粒子磁滞回线图

表2 不同x值的粒子磁性能表(未进行表面改性)

为了使制得的磁性颗粒在水中分散均匀，稳定性好，实验中加入了表面改性剂壳聚糖.图4为壳聚糖加入量一定时(25 mL)，x值不同的CuxFe1－xO·Fe2O3磁性颗粒的磁滞回线图，粒子的磁性能在表3中列出.从图4可知，随着x值的增大CuxFe1－xO·Fe2O3磁性颗粒的饱和磁化强度降低，这与图2中所得的趋势相同.其次，经过壳聚糖表面改性后的磁性微粒饱和磁化强度比改性前有所降低，剩余磁化强度和矫顽力也有所减小.这是因为，磁性微粒改性后的表面层与表面活性剂形成化学键，使表面层失去铁磁性.

将实验制得的x取值不同(x=0、0.05、0.1、0.2)、表面活性剂用量不同(10、15、20、25、35、50 mL)的磁流体样品静置30 d后观察可以得到:壳聚糖用量为10、15和50 mL的磁流体均有不同程度的沉降，而用量为20、25、35 mL的样品悬浮良好、未出现分层现象、稳定性较高.所以，选取当x=0.1时、壳聚糖用量分别为20、25、35 mL的样品利用振动样品磁强计测定其磁性能.

图4 表面改性后不同x值的粒子磁滞回线图(CTS：25 mL;x=0;0.05;0.1;0.2)

表3 不同x值的粒子磁性能表(壳聚糖用量25 mL)

图5为表面活性剂用量不同时CuxFe1－xO·Fe2O3磁性颗粒的磁滞回线图.从图5及表4可以看出，随着壳聚糖溶液体积的增加，比饱和磁化强度逐渐降低，3种情况下制得的磁流体剩余磁化强度相当.表面活性剂用量对磁流体磁性有着重要影响，加入的过多或过少均影响其磁性.太多，在颗粒表面形成多层包覆，颗粒相互粘结而变大，并降低了磁性颗粒的稳定性;太少，则不足以形成完整的包裹层或包覆层较薄，表面活性剂间产生的斥力不足以克服磁引力和范德华力的作用而发生磁颗粒团聚，同样会使磁颗粒变大，这样得到的磁性颗粒磁性虽强但流体稳定性很差.结合磁性能测试结果和磁流体稳定性的综合评价，壳聚糖用量为20 mL时为最佳.

3 结论

1)本实验通过超声乳化法成功制备了纳米CuxFe1－xO·Fe2O3颗粒，并采用壳聚糖对纳米CuxFe1－xO·Fe2O3颗粒进行表面改性，制备出分散均匀、稳定性好的纳米CuxFe1－xO·Fe2O3磁流体.

2)通过对磁流体的稳定性和CuxFe1－xO·Fe2O3颗粒磁性能的综合分析可知:当x=0.1，壳聚糖用量为20 mL时制得的纳米CuxFe1－xO·Fe2O3磁流体具有较高的比饱和磁化强度及稳定性，其饱和磁化强度为56.43 A·m2·kg－1.其在交变磁场下磁热效应的研究和生物相容性实验将在后续的研究中进一步开展.

图5 不同壳聚糖用量的磁流体粒子磁滞回线图(x= 0.1;CTS：20、25、35 mL)

表4 不同壳聚糖用量的粒子磁性能表(x=0.1)

［1］李德才.磁性液体理论及应用［M］.北京:科学出版社，2003.

［2］QIAN Ji-guo，YANG Zhi-yi.Characteristics of a magnetic fluid seal and its motion in an axial variable seal gap［J］.Journal of China University of Mining＆Technology，2008，18(4):634－636.

［3］KIM Y S，NAKATSUKA K，FUJITA T，et al.Application of hydrophilic magnetic fluid to oil seal［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1999，201 (1/2/3):361－363.

［4］LI Xue-hui，LIU Zhong-fan，AN Hong，et al.Preparation of nano-magnetic fluid using plasma technique and its application in safety valves［J］.Surface＆Coatings Technology，2007，201(9/10/11):5371－5373.

［5］SHEN Cong，HUANG Wei，MA Guo-liang，et al.A novel surface texture for magnetic fluid lubrication［J］.Surface＆Coatings Technology，2009，204(4):433－439.

［6］KIM M，JUNG J，LEE J，et al.Amphiphilic comblike polymers enhance the colloidal stability of Fe3O4nanoparticles［J］.Colloids and Surfaces B:Biointerfaces，2010，76(1):236－240.

［7］JORDAN A，SCHOLZ R，MAIER H K，et al.Presenta-tion of a new magnetic field therapy system for the treatment of human solid tumors with magnetic fluid hyperthermia［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2001，225(1/2):118－126.

［8］柴波，张文军，李德忠.纳米磁流体及其在水资源保护中的应用前景［J］.环境科学与技术，2004，27 (z1):159－161.

［9］WALKER M S，DEVERNOE A L.Mineral separations using rotating magnetic fluids［J］.International Journal of Mineral Processing，1991，31(3):195－216.

［10］PISO M I.Applications of magnetic fluids for inertial sensors［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1999，201(1/2/3):380－384.

［11］SEO J W，PARK S J.An experimental study of light modulator using magnetic fluid for display applications［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1999，192(3):499－504.

［12］Lübbe A S，ALEXIOU C，BERGEMANN C.Clinical applications of magnetic drug targeting［J］.Journal of Surgical Research，2001，95(2):200－206.

［13］ZHAO Yuan-bi，QIU Zu-min，HUANG Jia-ying.Preparation and analysis of Fe3O4magnetic nanoparticles used as targeted-drug carriers［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2008，16(3):451－455.

［14］CHEN S，CHIANG C，HSIEH S.Simulating physiological conditions to evaluate nanoparticles for magnetic fluid hyperthermia(MFH)therapy applications［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2010，322(2):247－252.

［15］ZHAO Dong-lin，WANG Xiu-xia，ZENG Xian-wei，et al.Preparation and inductive heating property of Fe3O4－chitosan composite nanoparticles in an AC magnetic field for localized hyperthermia［J］.Journal of Alloys and Compounds，2009，477(1/2):739－743.

［16］JORDAN A，SCHOLZ R，WUST P，et al.Magnetic fluid hyperthermia(MFH):Cancer treatment with AC magnetic field induced excitation of biocompatible superparamagnetic nanoparticles［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1999，201(1/2/3): 413－419.

［17］HUANG Yu-qiang，KIM J H，PARK S I，et al.Preparation of nanometric CuxFe1－xOFe2O3for treatment of tumor［J］.Journal of Applied Physics，2003，93 (10):8444－8446.

［18］JAYAKUMAR R，PRABAHARAN M，NAIR S V，et al.Novel carboxymethyl derivatives of chitin and chitosan materials and their biomedical applications［J］.Progress in Materials Science，2010，55(7):675－709.

［19］JAYAKUMAR R，MENONA D，MANZOORA K，et al.Biomedical applications of chitin and chitosan based nanomaterials:A short review［J］.Carbohydrate Polymers，2010，82(2):227－232.

［20］雷万学，韩春亮，赵雪萍，等.季铵盐型壳聚糖衍生物的合成与抗菌性能［J］.河南教育学院学报(自然科学版)，2010，19(2):18－21.

Preparation of nano-CuxFe1－xO·Fe2O3magnetic particles and performance analysis

JI Ye，SHAO Hui-ping，LIN Tao，GUO Zhi-meng
(Advanced Material＆Technology Institute，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

In order to increase the magnetic fluid in target-based in cancer treatment，the Cu2+was studied in the preparation procedure.Nano-CuxFe1－xO·Fe2O3magnetic particles were prepared by means of ultrasonic emulsion method，and then dispersed into water with chitosan as surfactants to make CuxFe1－xO·Fe2O3magnetic fluid.The influence of Cu2+addition and chitosan on the magnetic properties was studied.The results show that the surface of CuxFe1－xO·Fe2O3nanoparticle is wrapped with chitosan.The CuxFe1－xO·Fe2O3nanoparticles with different of the Cu2+addition are cubic system.It is conducive to obtain the CuxFe1－xO· Fe2O3magnetic fluid with a high saturation magnetization and stability when the condition for x=0.1 and chitosan solution dosage is 20 ml(every 50 ml of the CuxFe1－xO·Fe2O3solution(1%by weight)).Rest for 30 days，there is no obvious phenomenon of settled and stratified，and the saturation magnetization is 56.43 A·m2·kg－1.

CuxFe1－xO·Fe2O3;ultrasonic emulsion;magnetic fluid;chitosan

TQ 138.1 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)05－0085－05

2010－11－24.

教育部留学回国人员科研启动基金资助项目.

季 业(1987－)，女，硕士研究生.

邵慧萍，E-mail:shaohp@ustb.edu.cn.

(编辑 程利冬)