水溶性Fe3O4/Au纳米复合粒子制备及性能研究

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(1.哈尔滨医科大学 附属第四医院分子影像科,黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工业大学 化工学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

水溶性Fe3O4/Au纳米复合粒子制备及性能研究

吴丽娜1,刘立洵2,范丽馨1,王志江2,王可铮1,孙夕林1,申宝忠1

(1.哈尔滨医科大学 附属第四医院分子影像科,黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工业大学 化工学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

本文针对可用作MRI/CT双模式成像分子探针的Fe3O4/Au纳米粒子制备方法存在工艺繁琐，工业扩大化后能耗大等缺点，发展了一种绿色、简便的可控自组装工艺，分析了纳米复合材料的微观结构特征，研究了材料的等离子体共振特性和磁学特征。结果表明：(1)发展的层层自组装方法可以使磁性纳米粒子Fe3O4与具有高X射线吸收的Au粒子组装在一起，两者结合牢固，长时间超声振荡后仍然没有脱落；(2)中心核为Fe3O4纳米团簇的结构特征使复合粒子具有高饱和磁化强度，克服了以往报道的Fe3O4/Au复合纳米粒子磁化强度低的缺点；(3)金粒子均匀分布在Fe3O4纳米团簇表面，因为粒子间距缩短增强了粒子间的耦合作用，使得等离子体共振谱发生了宽化和红移。

Fe3O4/Au纳米复合粒子；层层自组装；化学键合；超顺磁；等离子体共振

0 前言

多模式成像是当前国际公认的分子影像学发展趋势之一，开发具有多种成像能力的分子探针是分子影像学研究中的热点和重点之一[1-2]。超小型超顺磁性纳米氧化铁粒子(USPIO)是一种优质的磁共振对比剂，当USPIO的粒径小于临界尺寸30 nm后，USPIO呈现超顺磁性的磁学特征，具有高饱和磁化强度、可逆的磁化过程以及显著的T2加权成像等优点，是一种性能优异的MRI医学造影剂材料[3]。纳米金也是一种生物成像材料，具有丰富的表面修饰途径和良好的稳定性，尤其生物相容性优异，我们的前期研究结果表明，纳米金粒子呈现强X射线衰减特性，性能明显优于临床使用的碘造影剂值，并且稳定性优异，以干粉形式可长期储存，证实纳米金是一种很有前途的CT造影剂[4]。其它研究也有报道纳米金的安全无毒特性，可以用来治疗某些疾病和作为CT成像对比剂。当前报道的方法多采用Fe3O4纳米粒子做为晶核，然后使Au3+离子原位行核在Fe3O4粒子外表面沉积生长，这种制备途径需要严格控制还原剂种类、Au3+离子浓度和反应环境，而且制备过程繁琐，只能微量制备[5-6]。针对此问题，本研究通过对材料进行合理设计和组装，制备了Fe3O4/Au纳米粒子，这种材料兼具有Fe3O4的超顺磁特征以及纳米金的表面等离子体共振特性，可作为MRI/CT双模式成像分子探针。

1 材料与方法

1.1 实验试剂

氯金酸、三甘醇、柠檬酸钠、硼氢化钠、3-巯丙基三甲氧基硅烷购买于美国ALDRICH公司，乙酰丙酮铁购买于比利时ACROS公司。

1.2 实验方法和步骤

(1)Fe3O4纳米团簇合成

将乙酰丙酮铁(500 mg)和三甘醇(20 mL)加入到三颈瓶中，然后将装置缓慢加热，使溶剂沸腾，并在沸腾状态保持回流30 min。用磁性分离技术分离产物。称取分离出的Fe3O4粒子(120 mg)溶于一定量的甲醇(80 mL)溶液中，在搅拌的条件下，向上述溶液中缓慢滴加硅烷偶联剂3-巯丙基三甲氧基硅烷30 μL，反应结束后，采取磁性分离，得到团簇产物。

(2)Au溶胶制备

称取氯金酸(2.0 mg)溶解于超纯水(10 mL)中，量取柠檬酸三钠(1.5 mg)溶解于等量的超纯水中，两种水溶液混合；将硼氢化钠(0.2 mol/L，0.6 mL)快速注入到上述溶液中，溶液由透明变为了酒红色，表明A u溶胶已经生成。

(3)Fe3O4/Au复合纳米粒子制备

将Fe3O4团簇的溶液置于超声振荡装置中，然后滴加一定比例的Au溶胶，超声振荡30 min后，磁性分离获取产物。制备过程中，Fe3O4粒子与Au溶胶的浓度比分别为120∶1、60∶1和30∶1，制备的样品编号相应记为F1、F2和F3。

1.3 微观结构分析

采用Tecnai G20透射电子显微镜(TEM)观察样品的尺寸、形貌、粒径分布及微观结构。采用Rigaku D/max-γB旋转阳极X射线衍射仪(XRD)分析物相。

1.4 光、磁性能表征

利用UV-2550型紫外-可见光光度计(UV-vis)分析样品的吸收光谱，进行材料表面等离子体共振特性分析。采用Quantum Design的物理性质测量系统(PPMS)分析样品的磁性能。

2 结果分析

2.1 微观形貌分析

采用透射电镜对Fe3O4/Au纳米粒子的微观形貌进行观察，样品F1、F2和F3的TEM像如图1所示。Fe3O4/Au粒子呈现类榴莲状，内部为Fe3O4纳米粒子簇，在外层附着了电子显微镜下衬度较高的Au纳米粒子，三种样品的透射电镜图像还显示出随着Au纳米粒子投料比的增大，Au纳米粒子在Fe3O4纳米粒子簇表面的附着量逐步增加。

图2为Fe3O4/Au纳米复合粒子样品F1及Fe3O4纳米粒子的XRD图谱。Au纳米粒子与Fe3O4纳米粒子簇结合前后，Fe3O4纳米粒子的XRD图谱没有明显差异，这表明自组装反应过程没有改变Fe3O4的结构特征，很好的保存了材料原有的物理性质。Au粒子在磁性纳米粒子簇体表面附着后，在XRD图谱中出现了一个对应于Au材料的衍射峰，表明形成的复合物中含有两种组分，Fe3O4/Au复合纳米粒子可以通过自组装的方式制备。

图1 Fe3O4/Au复合纳米粒子样品(A)F1、(B)F2和(C)F3的透射电镜图像

图2 Fe3O4/Au复合纳米粒子F1的X射线衍射图谱

2.2 吸收光谱行为

图3给出Fe3O4粒子、Au胶体粒子和Fe3O4/Au复合纳米粒子的紫外-可见光吸收光谱。从图示可以看出，Au胶体粒子在520 nm处具有明显的吸收峰存在。当Au胶体粒子与Fe3O4纳米团簇结合在一起形成Fe3O4/Au纳米复合粒子后，处于520 nm处的可见光吸收峰呈现明显的吸收峰红移以及宽化的现象，随着Au在纳米复合粒子中含量的升高，吸收峰红移和宽化的现象越来越显著。

图3 Au胶体粒子、Fe3O4粒子以及Fe3O4/Au纳米复合粒子的紫外-可见光吸收光谱

2.3 磁性能分析

图4为不同比例的Au和Fe3O4纳米粒子所制备的纳米复合粒子样品F1、F2和F3的磁滞回线。可以看出，单一的Fe3O4纳米粒子具有的饱和磁化强度为66.02 emu/g，负载Au胶体粒子后样品的饱和磁化强度降低，随着Au负载量的增加，降低的幅度增大。其中，F1样品的饱和磁化强度为58.56 emu/g，F2样品为51.79 emu/g，F3样品为48.49 emu/g。所有样品的磁滞回线过原点，无剩磁和矫顽力，这表明制备的纳米复合粒子很好的保持了组装单体-Fe3O4的超顺磁性能，即使负载Au胶体粒子后，依然保存了较高的饱和磁化强度。

图4 复合纳米粒子样品F1～F3和Fe3O4纳米粒子的磁化曲线

3 讨论

通过上述实验结果分析，可以发现通过本论文发展的层层自组装方式可以使磁性纳米粒子Fe3O4与具有高X射线吸收的Au粒子组装在一起，并且附着在外层的Au胶体粒子与内部Fe3O4粒子簇牢固结合，即使经历制备过程中和后期清洗的长时间超声振荡仍然无脱落，这应该归因于在设计自组装过程中，使用硅烷偶联剂3-巯丙基三甲氧基硅烷作为桥梁层，3-巯丙基三甲氧基硅烷中的甲氧基基团通过水解缩合后的Si-O-Fe键与Fe3O4紧密结合，露在最外端的巯丙基基团与Au胶体粒子以Au-S键合的方式紧密结合，3-巯丙基三甲氧基硅烷的纽带作用，很好的将分别具有MRI增效和CT信号增强的Fe3O4与Au紧密地结合在一起，并且这种方法制备流程简单，方法快捷，利于大产量制备和生产。

Au胶体粒子具有独特表面等离子共振效应，其具体表现为在520 nm处有明显的可见光吸收峰[7]。这种吸收峰具体形态取决于Au胶体粒子聚集程度以及粒子之间的电磁场耦合，在Fe3O4/Au纳米复合粒子的吸收峰中呈现显著的红移和宽化，这主要是因为Au胶体粒子被固定于Fe3O4纳米团簇的表面，胶体粒子之间的距离大大缩短，增加了胶体粒子之间的电磁耦合，在这种耦合作用下，使得复合粒子的可见光吸收峰红移和宽化。

超顺磁性Fe3O4分布于组织后，扰乱了周围介质的磁场，引起质子去相位，进而缩短了组织的T2值，使组织信号降低，是一种优质的T2 MRI造影剂。磁性Fe3O4粒子的磁化强度制约着MRI的信号强度，一般而言，磁性物质的饱和磁化强度越大，T2弛豫率R2较大，促进组织的T2弛豫，信号强度变大，信噪比提高[8]。当前报道的核壳型结构Fe3O4/Au最大饱和磁化强度一般在20 emu/g以下，主要是因为复合结构中外层Au壳层占据了较大比重。低的饱和磁化强度导致材料MRI造影信号减弱，大大限制了分子探针材料在分子影像中的应用[9]。采用本研究报道和设计的方法制得的Fe3O4/Au纳米复合粒子具有较高的饱和磁化强度，数值在45 emu/g以上，具有良好的应用前景。

CT信号强度主要与Au粒子的比表面积有关，已有文献报道，在同种浓度下，小粒径的Au胶体粒子比大粒径呈现更高的X射线衰减信号和较佳的CT成像的效果[4]。在本报道中，我们为了提高Au的比表面积而采用将颗粒状Au附着在磁性团簇体表面的方式，这种方式可提高Au的裸露面积，提高Au粒子的CT衰减信号。

4 结论

采用硅烷偶联剂作为纽带的层层自组装的方式可以使具有MRI造影增效的Fe3O4纳米粒子和CT增效的Au粒子紧密地结合在一起，并且Au胶体粒子在磁性团簇表面的负载量可通过调节两者初始用量实现。纳米复合粒子具有高的水溶性、强饱和磁场强度，并且Au粒子处于复合结构的最外层，既可发挥CT造影增效，又可与各种其他药物分子相连，有望作为一种新型的诊疗一体化探针平台。

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SynthesisandPropertiesofWaterSolubleFe3O4/AuHybridNanoparticles

WU Li-na1,LIU Li-xun2,FAN Li-xin1,WANG Zhi-jiang2,WANG Ke-zheng1,SUN Xi-lin1,SHEN Bao-zhong1

(1.Department of Radiology,the 4th Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150001,China;2.School of Chemical Engineering and Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

To address the issue that Fe3O4/Au hybrid nanoparticles as the dual-functional MRI/CT probes are currently synthesized in a complex and energy consuming means,a facile and efficient layer-by-layer assembly technique has been developed to fabricate Fe3O4/Au hybrid nanoparticles. Their microstructure, superparamagnetic and plasmonic resonance properties were characterized and studied.Experimental Results showed:(1)Analysis on microstructure indicates that gold nanoparticles had tightly linked with magnetic Fe3O4nanoparticle clusters which can endure long period of ultrasound vibration;(2)The structure with a core of Fe3O4nanoparticle clusters endowed the prepared hybrid nanoparticles with a high saturation magnetization,which well overcome the shortcomings of reported Fe3O4-based hybrids with poor magnetization;(3)Gold nanoparticles attached on the surface of Fe3O4nanoparticle clusters without aggregation.Because the distances of gold nanoparticles were reduced compared to their colloidal state,the plamonic resonance peak showed a characteristic of red-shift and broaden.

Fe3O4/Au hybrid nanoparticles;layer-by-layer;superparamagnetic;plasmonic resonance

2014-05-21修订稿日期2014-06-25

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12511325)

吴丽娜(1982～)，女，博士，副研究员，主要研究方向为分子影像探针。

R445

A

1002-6339 (2014) 04-0305-03