生物医用小粒径四氧化三铁纳米团簇的制备及性能研究

刘一丹，左显维，钱仕飞，宋玉哲，韩根亮，何永成，魏廷轩

(1.甘肃省传感器与传感技术重点实验室，兰州 730000； 2.甘肃省科学院传感技术研究所，兰州 730000；3.兰州大学物理科学与技术学院，兰州 730000)

0 引 言

目前，生物医学领域越来越受到人们的关注，而磁性纳米材料由于其独特的磁响应性在药物靶向传递、高温磁热疗、蛋白富集、定量免疫检测以及核磁共振成像等方面有突出的应用价值[1-3]。作为由磁性纳米晶粒组装得到的三维簇状材料，磁性纳米晶团簇与纳米粒子相比，拥有更强的磁饱和强度、独特的介孔框架结构、更好的结构稳定性以及更高的表面活性，从而得到了研究者的广泛关注。合成四氧化三铁纳米团簇(Fe3O4NCs)的方法主要有微乳液法[4]、共沉淀法[5-6]、溶剂热法[7]、高温热分解法[8]、水热法[9-11]和多元醇法[12-17]。而为了满足磁性纳米材料在生物医学领域的应用，需要小粒径、超顺磁、表面富含活性基团以及生物相容性良好的纳米团簇，以上传统的制备方法均无法达到。因此，亟需发展一种简单有效的制备方法来制备这种性能优异的生物医用型纳米团簇。我们发现多元醇法利用高沸点和亲水性的多元醇作为溶剂，可以在比较高的温度下进行反应，制备得到的Fe3O4NCs亲水性好、结晶程度高、饱和磁化强度好。但是这种制备方法需要很长的反应时间，制备效率低，且制备得到的团簇粒径较大，表面官能团较少，从而限制了其后续的应用。为了解决这些问题，我们采用微波辅助加热以及表面活性剂包覆对多元醇法进行改进，提出了一步制备生物医用型纳米团簇的方法。微波加热升温速度快，在反应初期容易形成大量晶核，有利于形成粒径较小的纳米团簇，同时能够提高反应速率，缩短反应时间[18-19]。分子链上含大量羧基的聚丙烯酸(PAA)有很好的耐高温性，这是其他小分子包覆剂无法达到的，它可以促进纳米团簇在水中的分散性，同时增加其表面的官能团。本文选用对微波有高吸收系数的乙二醇为溶剂、水合三氯化铁为铁源、乙酸胺为沉淀剂、柠檬酸钠为还原剂、聚丙烯酸为包覆剂，通过微波辅助多元醇法制备出了水相分散均一稳定、结晶程度高、超顺磁性、饱和磁化强度高、富含官能团且粒径可控的小尺寸Fe3O4NCs。

1 实 验

1.1 试剂及仪器

试剂：乙二醇，国药集团化学试剂有限公司，分析纯；乙酸胺，天津化学试剂一厂，分析纯；柠檬酸钠，天津化学试剂一厂，分析纯；水合三氯化铁，国药集团化学试剂有限公司，分析纯；聚丙烯酸，Sigma，分析纯；去离子水。

仪器：超声波清洗机，昆山市超声波仪器有限公司；单模微波合成仪(Discover SP)，美国CEM公司；冷冻干燥机(SCIENTZ-12N)，宁波新芝生物科技股份有限公司；高速落地冷冻离心机(himac CR22N)，日本日立公司；超声波细胞破碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 测试与表征

利用日本JEM-2010高分辨透射电镜(TEM)观察团簇的形貌；采用X射线衍射仪确定样品的晶体结构；使用傅立叶变换红外光谱仪FT-IR(美国)对样品表面的羧基官能团进行表征；利用Zeta电位仪(Nano ZSE)测量样品的表面电学性能；利用振动样品磁强计(VSM)测定样品的磁学性能，其中温度为300 K，外加磁场的强度为-8～636.8 kA/m。

1.3 Fe3O4NCs的制备

称取0.135 g 水合三氯化铁(FeCl3·6H2O)，0.193 g乙酸胺(NH4OAc)溶于5 mL乙二醇中，超声30 min后加入0.1 g聚丙烯酸(PAA)和0.1 g柠檬酸钠，继续超声，直到混合液变为亮红色。将混合液倒入10 mL微波反应管中，设定加热温度为240 °C，时间为45 min，进行微波反应。反应完毕后，得到黑色液体。用乙醇与去离子水交替离心洗涤3次，最终得到Fe3O4NCs。

2 结果与讨论

2.1 微波反应温度对Fe3O4NCs的影响

温度是影响反应进程的重要动力学因素，升高温度有助于越过反应势垒，加速反应进程。图1是反应时间为30 min，且实验过程中其他条件不变，不同反应温度下Fe3O4NCs的TEM图。可以看出，当反应温度为200 ℃时，没有明显的颗粒物产生，出现一些枝状物质；温度升高到220 ℃时，出现颗粒物，并且随着反应温度的升高，枝状物逐渐减少，颗粒物逐渐增多，小团簇逐渐形成。240 ℃时团簇形貌较均一，且比在260 ℃反应时得到的形貌要好。因此高温有利于团簇的形成，从节能角度与形貌最佳考虑，我们选用240 ℃为最佳反应温度。

图1 不同反应温度下Fe3O4NCs 的TEM

2.2 微波反应时间对Fe3O4NCs的影响

反应时间是影响Fe3O4NCs的重要因素，因此，我们考察了反应时间对团簇结构的影响。图2是反应温度为240 ℃时，不同反应时间下Fe3O4NCs的TEM图。可以看出，当反应时间为15 min时，没有团簇产生，随着反应时间的延长，团簇逐渐形成，反应时间为45 min时团簇形貌最佳。当反应时间延长到60 min时团簇开始解体。在反应初期，微波加热使溶液快速升温，Fe3O4晶核会大量形成，并成长为纳米Fe3O4颗粒，但由于加热时间较短，纳米Fe3O4颗粒并没有来得及形成团簇；随着微波加热时间延长到45 min，纳米颗粒在溶液中生长，并有自发团聚成团簇结构的趋势，从而形成Fe3O4NCs。当颗粒完全组装成团簇后，再延长时间，由于陈化机制[20]，尺寸较小的颗粒溶解，尺寸较大的颗粒继续生长，颗粒的表面能减小，颗粒间团聚作用力减弱，团簇结构由致密转变为松散结构，甚至趋于解体。

图2 不同反应时间下Fe3O4NCs的TEM

2.3 前驱体溶液状态对 Fe3O4纳米团簇的影响

在实验过程中，我们发现除了微波反应温度与反应时间对Fe3O4NCs的形貌有影响外，前驱体溶液状态对Fe3O4NCs的生成有决定性因素。在微波反应开始时，前驱体溶液经历了从淡黄色、橘红色到亮红色的转变。图3a是前驱体溶液为橘红色时通过微波反应得到Fe3O4NCs的TEM图，我们发现团簇中带有片状杂质，团簇结构不明显且结晶性差。 图3b是前驱体溶液为亮红色时通过反应得到团簇的TEM图，背景干净清晰，团簇分布均一，结晶性好。前驱体溶液从橘红色到亮红色的转变，是反应物溶解是否完全的标志，只有反应物完全溶解，溶液变为亮红色，才能通过微波反应成功制备出粒径均一、形貌较好且结晶程度高的Fe3O4NCs。

2.4 最终优化条件下材料的性能表征

在最优条件下，我们对所得材料的各项性能进行了表征。图4a是微波反应得到 Fe3O4NCs 的X射线衍射光谱图。如图所示，在30.00、 35.48、 43.14、 53.44、 57.04和 62.58°处分别有6个衍射峰，这6个峰分别是 Fe3O4的反尖晶石结构中的220、311、400、422、511和440晶格面所产生的特征峰(JCPDS.19-0629)[21-23]。由图可以看出Fe3O4纳米颗粒晶化较完全，结晶程度高。四氧化三铁纳米颗粒的粒径可由Scherrer公式求得：

式中：D为晶粒尺寸，k为比例常数，λ为X射线波长，β为衍射峰的半高峰宽，θ为入射角。用Scherrer公式计算(311)晶面对应的平均晶粒度，得出晶粒尺寸分布在5 nm左右，远小于TEM图中观察到的纳米粒子尺寸，说明此方法的确形成了团簇状的材料。另外，在衍射角为20.00°左右的位置出现了无定形的聚合物包峰，说明在Fe3O4NCs表面有聚合物的包覆。图4b是Fe3O4NCs的傅里叶红外图谱。图中602 cm-1处的峰为(Fe-O)的振动吸收峰[24]，3 400 cm-1处的宽峰为(-OH)的伸缩振动峰，1 663 cm-1处的峰为(C=O)的伸缩振动峰，这两个峰的出现说明了样品中存在羧基，且羧基上的两个氧原子与 Fe 结合后波峰进行了红移。在2 948 cm-1处的峰为聚丙烯酸主链上(-CH2-)的反对称伸缩振动峰，进一步证实了聚丙烯酸(PAA)的存在，说明 Fe3O4NCs 表面成功修饰上了PAA。图4c 是Fe3O4NCs 的Zeta电位图。从图中可以看出，我们制备的Fe3O4NCs Zeta电位值为-30 mV，原因是其表面包覆 PAA 的羧酸官能团带负电。图4d 是微波辅助加热法所制备样品的磁滞回线(H-M)。由曲线可以看出，随着外磁场H的增大，晶粒的磁化方向渐渐趋于一致，磁化强度M快速增大，直至达到饱和，所制备样品的饱和磁化强度为53 Am2/kg，样品的矫顽力几乎为0。我们可以得出微波辅助加热所制备的样品具有超顺磁性。这是因为组成团簇的初级纳米粒子的粒径小于超顺磁临界尺寸(20 nm)，受表面效应和小尺寸效应影响，团簇仍表现出超顺磁性[25]。

图3 不同前驱体溶液状态下Fe3O4NCs的TEM图

图4 Fe3O4NCs的结构及性能表征图

2.4 不同前驱体浓度下的Fe3O4NCs的形貌与磁化曲线

通过改变前驱体浓度，我们还可以得到不同大小的Fe3O4NCs。图5a为小浓度下前驱体溶液反应后得到Fe3O4NCs的TEM图，图5b是它对应的磁滞回线(H-M)。图5c为两倍前驱体溶液浓度下反应后得到Fe3O4NCs的TEM图，图5d是它对应的磁滞回线(H-M)。由图5a、图5c可以看出微波辅助多元醇法制备得到的Fe3O4NCs粒径均一，分布良好，平均粒径分别为30和80 nm，并且团簇的大小随着前驱体溶液浓度的增加而增大。由样品的磁化曲线也可以看出不同尺寸的Fe3O4NCs均具有较高的饱和磁化强度，分别为53和65 Am2/kg，随着粒径的增大，其饱和磁化强度也相应地增大。由此可以得出，相比于其他方法制备的PAA包覆Fe3O4NCs，我们的这种微波辅助多元醇一步制备法能够制备出高饱和磁化强度的包覆材料，有效解决了由于包覆使材料饱和磁化强度降低的问题。

图5 小粒径Fe3O4NCs的TEM图

3 结 论

采用改进的多元醇法成功一步制备出了结晶程度高、粒径均一、超顺磁性以及高饱和磁化强度的PAA包覆的小尺寸生物医用型Fe3O4NCs，并且通过微波辐射加热的方式将反应时间由数小时缩短至45 min，大大地提高了制备效率，节约了能源。微波加热方式可以实现快速并且均匀的加热，样品的粒径分布均匀与否主要决定于样品的成核和生长过程是否同步，微波加热可以使样品受热均匀，因此制备得到的Fe3O4NCs粒径分布均一，且微波加热升温迅速，在反应初期易形成大量晶核，有利于形成粒径较小的纳米颗粒。此外，制备所得的Fe3O4NCs表面包覆有PAA层，可以提高Fe3O4NCs的空间位阻力和静电斥力，阻止Fe3O4NCs的团聚，同时可以提高其生物相容性。我们相信这种生物医用型纳米团簇会在生物医药领域有非常重要的应用价值。