磁性复合粒子Fe3O4@mSiO2-NH2的制备、性能及应用研究

磁性复合 粒子 Fe3O4mSiO2-NH2的制备、性能 及应用研究 摘 要 作为同时具备磁性和纳米尺度特性的特殊纳米粒子， Fe3O4 在越来越多的领域表现 出 巨大的应用潜力。 首先 通过 高温分解 和修饰的 Stober 方法 制备 表面包覆介孔二氧化硅 的 Fe3O4 粒子 并 采用 硅烷试剂 对其 表面修饰 ； 然后 采用 X 射线衍射 (XRD)、 红外光谱 (FT-IR)、 扫描电子显微镜 (SEM)、 振 动样品磁强计 (VSM)和 BET 等 技术对 所制备的粒子 进行 结构 、形貌和性能 表征 ； 最后探索粒子吸附重金属离子的能力。结果表明 ， 粒子在 包覆前后分别 为 立方体和球形 ， 尺寸分别在 40-70 nm和 220-260 nm， 降低前驱体浓度 和反应时间可获得更薄的 SiO2 壳 ； 复合粒子 平均 孔径 和 表面积分别为 2.6 nm 和 675 m2g -1； 另外 复合 粒子磁性得以保留且 对 Fe3+具有较大吸附 量， 达 20.66 mgg-1。 本课题 研究 结果 对 磁性 复合 粒子 在 水质处理 方面的 应用 具有重要指导意义 。 关键词 ： 磁性复合粒子 ； 高温分解法 ； 介孔二氧化硅 ； 表面功能化 ； 磁分离 Research of preparation、 properties and application for Fe3O4mSiO2-NH2 Abstract Fe3O4, as a kind of nanoparticles with magnetic properties and nanoscale features are used in more and more fields, expressing their great potential application. Firstly, we prepared magnetite by thermal decomposition of iron( ) acetylacetonate, modifying it with oleic acid in order to improve the dispersion and stability of nanoparticles and provide possibilities for post-process. Secondly, Fe3O4 nanoparticles were coated by a layer of mesoporous silica using modified Stober method for the application in water treatment. Then structural and magnetic properties were characterized by XRD, SEM, FT-IR, vibrating sample magnetometer (VSM) and BET techniques. Finally， the abilities of particles in removing heavy metal ions was researched. Obtained results revealed that decreasing the precursor concentration and the reaction time decreases the thickness of the silica shell. Before and after coating, particles were cubic and spherical with average size of 40-70 nm and 220-260 nm respectively. The asprepared composite particles had an average pore size of 2.6 nm and a high surface area of 675 m2g -1. After silica coating, the Fe3O4mSiO2 maintained the magnetic properties and had a relatively large adsorption capacity for Fe3+; up to 20.66 mg of Fe per g of adsorbent. These results demonstrate the special structure and properties of nanocomposites and imply the prospective application in water treatment. Keywords： Magnetic composite particles； Thermal decomposition； Mesoporous silica； Surface functionalization； Magnetic separation 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 磁性纳米粒子的性质及合成 1 1.1.1 磁性纳米粒子的性质 1 1.1.2 磁性纳米粒子的制备 2 1.2 磁性纳米粒子的表面功能化 6 1.2.1 有机材料功能化 6 1.2.2 无机材料功能化 12 1.2.3 小结 14 1.3 磁性纳米粒子的应用领域 15 1.3.1 磁性纳米粒子在医学领域的应用 15 1.3.2 磁性 纳米粒子在催化领域的应用 16 1.3.3 磁性纳米粒子在环境领域的应用 17 1.4 本论文的选题意义和主要研究内容 18 第 2 章 Fe3O4mSiO2-NH2 磁性粒子的制备及表征 . 19 2.1 实验材料及实验仪器 19 2.1.1 实验材料 19 2.1.2 实验仪器 19 2.2 Fe3O4mSiO2-NH2 复合粒子的制备 20 2.2.1 制备油酸稳定的 Fe3O4 纳米粒子 . 20 2.2.2 介孔二氧化硅包覆 Fe3O4 . 20 2.2.3 表面氨基功能化 . 21 2.3 制备 粒子的表征方法 21 2.3.1 XRD 测定 21 2.3.2 红外光谱测定 21 2.3.3 扫描电子显微镜 22 2.3.4 Zeta 电势 测定 22 2.3.5 磁性测定 22 2.3.6 氮气吸附与脱吸附测定 22 2.4 结果与讨论 23 2.4.1 XRD 表征 23 2.4.2 红外光谱 分析 24 2.4.3 扫描电子显微图像 25 2.4.4 Zeta 电势 分析 29 2.4.5 磁性 分析 30 2.4.6 氮气吸附与脱吸附 分析 31 2.5 小结 33 第 3 章 Fe3O4mSiO2-NH2 磁性复合粒子的应用 . 34 3.1 实验材料及实验仪器 34 3.1.1 实验材料 34 3.1.2 实验仪器 34 3.2 Fe3O4mSiO2-NH2 吸附实验 34 3.2.1 吸附条件的确定 34 3.2.2 饱和吸附量的确定 34 3.2.3 Fe3+吸附动力学研究 . 35 3.2.4 吸附 Fe3+的再生 35 3.3 结果与讨论 35 3.3.1 复合粒子添加量的确定 37 3.3.2 吸附等温线 38 3.3.3 动力学研究 39 3.3.4 吸附剂的再生 39 3.4 小结 40 第 4 章 结论 41 致 谢 42 参考文献 43 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 近年来 ， 已有大量关于磁性纳米粒子 发展 的 研究 1。 磁性纳米粒子 的 物理化学性质 、 胶体稳定性和生物学行为 主要取决于 合成条件的 精确控制和其表面功能化 。 具备 优异 的 物理化学和表面性质的磁性纳米粒子已在众多 领域 中得到应用 ， 例如药物传递 、 温热疗 法 、 磁共振成像 、 组织工程及修复 、 生物传感 、 生物化学分离 和生物催化 2。 Fe3O4 作 为 磁性纳米粒子的典型代表 ， 已经 在 多 种领域受 到广泛关注 。 此种铁氧体由氧离子构成 密排 的立方晶格 而 铁离子填充在间隙 构成的反尖晶石晶体 结构 。 Fe3O4 的磁化强度源自 八面体和四面体间隙 中 铁离子 的 反铁磁耦合 ， 另外 亚铁离子的磁矩负责整个晶体的磁化 强度。 1.1 磁性纳米粒子的性质及合成 1.1.1 磁性纳米粒子的性质 (1) 超顺磁性 超顺磁性 是铁磁或亚铁磁纳米粒子具有的特征磁学性质 。在温度 影响下， 纳米粒子 的 磁化强度 在其尺寸足够小时 可以任意翻转方向。 磁性纳米 粒子具有各不相同的临界尺 寸， 例如，对于 Fe3O4 磁性纳米颗粒而言， 在 20 nm 时可出现 磁化强度翻转 现象 。 两次 翻转之间的间隔被称作 Nell 弛豫时间。在外界磁场作用下，纳米粒子的磁化时间远远大 于 Nell 弛豫时间 ， 故 其磁化强度整体上近似为零 (超顺磁性 )。在此状态下，纳米粒子像 顺磁性物质一样可被外界磁场磁化 ,但其磁化率远大于顺磁性物质。 (2) 高矫顽力 矫顽力是铁磁性材料体现其可承受外界磁场 并 不消磁的衡量标准 。铁磁材料的 矫顽 力即 是 使其磁化强度变为零所需的磁场强度。高矫顽力的铁磁材料被称作硬磁材料 可 用 于制作永磁铁。磁性材料的矫顽力受其 尺寸的影响， 当粒径大于单磁畴临界值时，矫顽 力最小为多畴结构。 此外 ， 矫顽力随着粒径的减小而增大，在 单磁畴临界值时数值最大。 此时若使其退磁则需较大的反向磁场。 (3) 磁化率 磁化率是材料磁性能的衡量标准。 其同时受到 温度和磁性纳米颗粒所含电子数奇偶 性的影响。当存在自旋未配对即 电子为奇数时，磁化率遵守居里定律。电子数奇偶性也 使得粒子具有不同的温度特性。 磁性材料性能显著 ， 纳米技术的发展更使得其在越来越 第 1 章 绪论 2 多的领域中得以应用 。 鉴于其在磁性生物分离 、 药物 靶向 传递 、 多相催化和水处理 等领 域的应用 ，简 单 介 绍 磁性纳米粒子制备方法。 1.1.2 磁性纳米粒子的制备 制备磁性纳米粒子的主要途径如下 : 一 . 物理方法 :气相沉积 和 电子束平印术 。 但 这些方法不可制备纳米级磁性 粒子 。 二 . 化学方法 :溶胶 -凝胶法 3、 化学共沉淀法 4、 热分解方法 5、 生化学分解法 、 水 热合成法 6、 电化学方法 7和利用纳米容器合成等。 三 . 微生物方法 :通常简单、通用且高效 ，可控制材料的组成和粒子几何性质。 (1) 溶胶 -凝胶法 溶胶凝胶法也被称作化学溶液沉积，基于溶液相中前躯体的羟基化和凝结作用生成 纳米尺度溶胶。溶胶凝结和无机聚 合产生三维金属氧化物网络组成的凝胶， 热处理凝胶 即 可得到结晶 态。 通过确定羟基化和凝结的条件及生长动力学过程可以容易地控制凝胶 的特征与结构。 pH 值 、 温度 、 前驱体的性质与凝结作用 和溶剂的性质对合成过程影响 尤为明显。此种方法的优点是可以很好地控制粒子的结构和尺寸 (低粒度分布 )。 在溶液相添加表面活性剂可 优化 合成过程 ， 故可充分地 控制成核与生长 且 避免不溶 金属粒子的聚集 ，同时提高 纳米粒子的分散 性。但 添加表面活性剂可能改变纳米粒子的 表面形貌与电荷，尽管不改变晶体结构 8。另外 多元醇 也可用于 控 制粒子生长以确保高 结晶度并 防止粒子间的聚集 。实际上，悬浮在多元醇中的金属前驱体 在搅拌情况下加热 到沸点即有纳米粒子形成。多元醇由于其优良 的属性 和 高介电常数 通常作为无机化合物 的溶剂，且它们的沸点较高 9-11，可 为制备无机化合物提供较宽的温度处理范围。 若同 时 添加少量的 Pt 和 Ag 盐 即 可促进 异相成核以形成 小尺寸 的 粒子。 (2) 化学共沉淀法 水溶液中 发生 的共 沉淀过程 是合成铁氧化物纳米粒子最简单有效的方法 (平均直径 通常低于 50 nm)12,13。此种方法基于 水单相液体介质中的化学反应，可控制成核与氢氧 化铁核的生长。 在合成过程中添加碱使得氢氧化铁和氢氧化亚铁共沉淀， 然后通过磁倾 析和离心分离氢氧化铁凝胶沉淀， 之后采 用 浓酸或浓碱处理以静电稳定铁磁流体。 或者 添加 合适的表面活性剂，如 在油酸中加热氢氧化铁沉淀可 以 空间稳定 Fe3O4 或其它铁氧 体 。 化学共沉淀法基本原理是 在含有 可溶解的 两种或 两种 以上阳离子的 前驱体 盐溶液 中 添加 沉淀剂或者 加热至特定的温度 使 其水解以形成不相溶的氧氧化物、 水合氧化 物或 盐 第 1 章 绪论 3 类， 随之 洗去 溶剂和原溶液中 的 离子， 再通过 热分解或者干燥 步骤即可获得相应 的 铁 氧 化物 纳米粒子 。 Fe3+ + Fe2+ + 8OH Fe3O4 + 4H2O (1-1) 此方法 制备的 Fe3O4 纳米粒子的物理化学性质 取决于水介质中亚铁盐与铁盐的化学 配比和 其它的实验条件，如离子强度和介质 pH 值 、 氧气 、 盐的属性 、 温度 、 碱性介质 的属性和浓度 、 表面活性剂的属性等 。 采用此方法可获得粒径、 磁响应性和表面性质适 宜的 Fe3O4 纳米粒子 。 另外 Fe3O4纳米粒子在实验室环境下十分不稳定 ， 易被氧化为 Fe2O3 或溶解在酸性介质中 ，故 合成操作必须在无氧条件下进行 以避免氧化 。由此也可推测 Fe3O4 在氧气氛围中 可 通过氧化或退火处理制备 Fe2O3 纳米粒子 ， 其在酸碱条件中化学 稳定 而不需考虑氧气的影响 。 共沉淀方法是一种具有多种优点的传统经典制备 Fe3O4 纳米粒子的方法 ， 如工艺成 熟且简单 且 可以很好地控制成本 。 但 采用此方法会导致制备的 Fe3O4 纳米粒子中不可避 免地含有外来杂质 ， 同时在合成与纯化步骤中需将水溶液调至较高 pH 值 ， 尤需注意的 是所获得的 Fe3O4 纳米粒子粒径分布范围较宽 ， 需经第二次的尺寸筛选 ，很难制备均一 单分散的纳米粒子， 且不可对 Fe3O4 纳米粒子的尺寸和形貌实现理想的控制 。 另外实验 所产生的 高 pH 值 废水 需 经 相应的处理以保护环境 。 (3) 水热法 水热法是 在高温高压下以水为介质使用反应器或反应釜合成磁性纳米粒子 14。 高温 可以促进新生成粒子的快速成核与生长 ， 可制备小尺寸的纳米粒子 。水热条件下获得纳 米粒子主要采用两种途径： 1)水解和氧化， 2)中和金属氢氧化物混合物。优化实验参数 后 ，如反应时间、 温度 、 反应物浓度和化学计量比 、 溶剂属性 、 前驱体 、 络合强度和晶 种的添加，采用水热法即可控制纳米粒子的几何形状。 为合成铁氧化物纳米粒子 ， 发展了一种 采用热羟基化技术的 wrap-bake-peel实验过 程 (图 1-1)， 此方法基于 升温条件下的材料相转变。制备过程主要涉及以下步骤： (1)在 机械搅拌的情况下，通过加热 (80 ) 0.02 M FeCl3 水溶液 12 h 合成 -FeOOH， (2)在纳米 粒子 表面包覆二氧化硅壳制备 -FeOOH/SiO2 核壳纳米粒子 ， (3)在空气 环境 中加热煅烧 核壳结构 ， 然后以 NaOH 超声刻蚀二氧化硅以获得空心纳米胶囊 。 在制备过程中，二氧 化硅壳 可 以 防止粒子聚集并 避免在纳米胶囊形成过程中形成的表面孔的坍塌。根据 不同 的 热处理条件可制备 Fe3O4 纳米粒子或其它磁性材料 。 另外，水热合成也可用于制备独 第 1 章 绪论 4 特的铁氧化物纳米粒子结构，如铁氧化物纳米立方体和纳米空心球等。无位错单晶粒子 也可通过此方法获得，此过程形成的颗粒与其它方法相比具有较好结晶性，因此水热合 成倾向于制 备结晶度高的 铁氧化物纳米粒子 15。 图 1-1 Wrapbakepeel 过程制备纳米胶囊 Fig.1-1 Wrap-bake-peel procedure for preparation of nanocapsules. (4) 高温分解法 有机溶液相分解方法已在铁氧化物制备中广泛应用， N-亚硝基苯基羟胺 铁 Fe(cup)3、 乙酰丙酮铁 Fe(acac)3或者 Fe(CO)5 分解之后加以氧化处理可获得高质量 且 单分散的铁氧 化物纳米粒子 ， 但 通常需要较高的温度和复杂的操作 。 Sun 和 Zeng16报导了一种制备尺寸可控 且 单分散 Fe3O4 的普通分解方法 ，在乙醇、 油酸和油胺的参与下， 基于 Fe (acac) 3 在 高温 (265 )苯基醚中的反 应。 可 通过晶种诱导 生长方法， 即 以较小的 Fe3O4 纳米粒子为晶种合成直径达 20 nm的较大单分散 Fe3O4 纳 米粒子并将其分散在非极性溶剂中。此过程不需要尺寸选择操作且可以容易地大规模生 产。 此外 在 250 下 退火后氧化 2 h 可以容易地将 Fe3O4 纳米粒子组装体转变为 -Fe2O3 纳米粒子 。 通常情况下直接分解单一 Fe(cup)3 前驱体 即 可获得 -Fe2O3 纳米粒子 17。 Fe(CO)5 热分解产生铁纳米粒子 ， 加 以化学试剂 氧化后 也 可获得单分散 -Fe2O3 纳米粒子 18。 例 如 ， Hyeon et al.19报导了在 100 且有 油酸参与的条件下热分解五羰基铁 制备 高结晶度 和单分散铁纳米粒子 的方法 ， 且 不需经尺寸选择操作 。 另外 使用温和的氧化剂氧化三甲 胺也 可 以 可控 地 氧化所 获 得铁纳米粒子以获得单分散的 -Fe2O3 纳米晶体 。通过控制实 包覆 SiO2 加热 还原 - FeOOH - FeOOH/SiO2 Fe2O3/SiO2 Fe2O3 Fe3O4/SiO2 Fe3O4 NaOH移除 SiO2 NaOH移除 SiO2 第 1 章 绪论 5 验条件可将粒子尺寸控制在 4-16 nm。 尽管热分解方法在合成 低 粒度分布且高度单分散 的 纳米 粒子方面有很多优点 ， 其最大的不足在于所制备的纳米粒子通常只能溶解在非极 性溶剂中 。 (5) 微乳液法 微乳液是 指两种或两种以上互 不 相 溶 相的 热力学稳定的各向同性 的分散液，在表面 活性剂存在的情况下 形成的透明或 半透明、热力学稳定、粒径约为 1-100 nm 的分散体 系。 表面活性剂分子在油水界面形成单层，疏水尾链 分布 在油相， 亲水头基分布在水相。 在双组分系统中可以形成不同种类的自组装结构，从球形和圆柱形胶束到层状和连续 微 乳液并可 和油相或水相共存。从这点上看，微乳液和反向胶束方法 均 可用来制备形状和 尺寸可控的铁氧化物纳米粒子。 油包水微乳液 中 明确的水相纳米液滴 由 连续油相中的表面活性剂分散形成 。 Vidal-Vidal et al20已报导了一步微乳液方法制备 Fe3O4 纳米粒子的方法 。表面 以 油胺单 分子层 (或油酸 )包覆的球形纳米粒子具有 3.5 0.6 nm的窄粒度分布 ， 结晶良好且具有较 高的饱和磁化强度 (未包覆 -76.3 Am2/kg、 油酸 包覆 -35.2 Am2/kg、 油胺包覆 - 33.2 Am2/kg)。 另外，结果表明油胺 在合成过程中 作为沉淀剂和 包覆剂。但是环己 胺只作沉淀剂且不能 防止粒子聚集。 Chin 和 Yaacob 报导了水 /油微乳液制备磁性铁氧化物纳米粒子 (低于 10 nm)的方法 ，进一步与 Massarts21实验过程相比 ， 可发现 通过微乳液技术 制备的纳米粒 子尺寸更小 且 饱和磁化强度更高 22。但 表面活性剂 仍不能完全阻止粒子聚集， 仍 需多步 洗涤操作和进一步的稳定化处理。 上述 制备铁氧化纳米粒子的方法各有优劣， 微乳液方法和高温分解方法过程通常 需 要复杂或者 较高 的 温度条件 。 作为替代的另一种方法 ，在高温水溶液和高蒸汽压下的 水 热合成包括密闭容器中结晶物质的多种湿化学科技 。其有两个明显优点： 1)反应过程中 的高压可避免组分的挥发 ； 2)反应过程中的高温可提高纳米粒子的磁力性能。 就纳米粒 子的尺寸与形貌控制而言，热分解和水热合成方法似乎更为合适 。为获得水溶性和生物 相容性的铁氧化物纳米粒子，通常采用共沉淀方法，但是此方法在粒子形状 、 粒度分布 和防止粒子聚集方面效果不佳。作为 具有时效竞争力的替代方法，超声化学方法也可用 于制备具有不同寻常磁性能的铁氧化物纳米粒子。另外值得注意的是，出于对环境保护 的考虑已经 有多种绿色化学合成方法和生物合成方法被提出 。环境保护和生态 友 好的合 成方法，例如细菌合成铁氧化物纳米粒子 就 是一大突破。 第 1 章 绪论 6 合成的纳米粒子往往不能 稳定分散或者不可进一步功能化 。 所以接下来介绍获得表 面功能化的铁氧化物纳米粒子的方法和 研究 情况 。常用方法涉及 有机和无机方法 。 1.2 磁性纳米粒子的表面功能化 1.2.1 有机材料功能化 在磁性液体的制备和贮存过程中 ，稳定性至关重要。有机化合物经常在铁氧化物纳 米粒子的制备过程或后处理中被用于表面钝化以防止粒子聚集。 磁性铁氧化物纳米粒子 在没有任何表面活性剂包覆的情况下具有表面积体积比很大的疏水表面，并且纳米粒子 之间的疏水相互作用会导致粒子聚集成较大团簇，使得粒子尺寸增加。另外，为了拓展 铁氧化物纳米粒子在生物方面的应用范围，一些生物大分子也被用于强化纳米粒子的生 物相容性。 近年来 ， 已有关于特定功能性质的纳米结构材料的设计和控制合成 的研究工作 。 在 铁氧化物纳米粒子表面涂覆有机化合物 在 多个领域具有潜在 的应用前景 。 其中 有机化合 物功能化的铁氧化物纳米粒子结构由两个主要部分组成 ：保留磁性铁氧化物的磁力性质 的部分和保留有机化合物 性质 的部分 。 通常来说，如果铁氧化物总是被假定为核，其结 构可大致分为三类：核 -壳 、嵌合体 和核 a-壳 -核 b 结构。如图 1-2 所示，以有机材料涂 覆铁氧化物纳米粒子 产生核壳结构。在这些结构中，任何种类的铁氧化物纳米粒子均可 作核，例如 Fe3O4 或 -Fe2O3。 同样的 ， 壳也可由任一 种类材料组成包括有机材料 。 矩 阵结构具有两种典型例子 ： 嵌合体 和壳 -核型。相对而言，壳核结构由有机化合物纳米 粒子核与铁氧化物纳米粒子壳组成。铁氧化物纳米粒子可能通过化学键相互作用与有机 核相连。 嵌合体 结构具有 有 机分子包覆大量均一铁氧化物纳米粒子构成的壳层。在可以 嵌入纳米粒子的不同 矩阵 结构 中，聚合物由于其较为广泛的属性而备受关注。此外，有 机分子涂覆核壳结构的壳层可以功能化铁氧化物纳米粒子以形成 核 a-壳 -核 b 结构。 核 a 可能是聚合物或生物分子，同样的核 b 可以是相同或不同的功能材料。 而且 包含铁氧 化物纳米粒子的多组分有机导电材料 可被修饰 以获得除新型电 、 磁和光学性质以外的理 想机械性质 。 第 1 章 绪论 7 图 1-2 有机材料功能化磁性纳米粒子的典型结构 Fig.1-2 Typical structures of magnetic nanoparticles functionalized by organic materials. 有机化合物功能化的铁氧化物纳米粒子不仅 可 提供基本的磁性纳米粒子具备的磁 性特征 ， 而且具备功能有机材料的良好生物相容性和生物降解性 等优点 。 此外有机分子 可以为纳米粒子提供功能反应基团 ， 如醛基 、 羟基 、 羰基和氨基等 。 尤为重要的是这些 官能团为进 一步 的应用可以连接到生物活性物质 ， 如抗体 、 蛋白质 、 DNA 和酶等。 目 前最常用的有机修饰分子可分为 有机小分子 、 大分子或聚合物和生物分子 。 (1) 小分子和表面活性剂 为获得稳定的胶体溶液和进一步拓展 其应用范围，合理的表面功能化和溶剂选择在 获得足够的排斥力从而 防止粒子聚集方面至关重要。小分 子或表面活性剂功能化的铁氧 化物纳米粒子 主要由以下三种组成 ：油溶性、 水溶性和 两亲性。油溶性 是指功能化的纳 米粒子表面含有对溶剂环境弱相互作用的 基团 ，通常是疏水基团，如脂肪 烃 和 酯 基。 相 反地，水溶性纳米粒子是指功能化的纳米粒子表面含有对溶剂环境强相互作用的化学基 团，通常是亲水基团，如铵盐，多元醇和甜菜碱。 两亲性 是指功能化小分子或表面活性 剂的主链同时具有疏水和亲水区域，使得其功能化的纳米粒子具备油溶性和水溶性，如 硫酸甜菜碱。 其中 油溶性 功能化方法被用来防止或减少铁氧化物纳米粒子的聚集和提高稳定性 以产生单分散性，例如 长链有机物常被用于 修饰 铁氧化物纳米粒子 ，典型的例子有油酸 (CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CO2H)，其具有 18 个碳的末端 链和中间部分的顺式双键。这种 结构 被假定为有效稳定的必须部分， 事实证明 硬脂酸 (CH3(CH2)16CO2H)在 18 个碳的尾 链中没有双键则不能稳定铁氧化物纳米粒子 23-25。 油酸在铁氧体合成中被大量应用 ， 因 为它可以形成致密的保护层故而可得均一且单分散的粒子 。 与裸 露 铁氧化物纳米粒子相 比 ， 功能化的纳米粒子直径会增加 0-5 nm， 但 其饱和磁化强度几乎不变 。 核 a-壳 -核 b 核 -壳 矩阵 嵌合体 壳 -核 第 1 章 绪论 8 许多作者已经报导磁性铁氧化物纳米粒子涂覆或分散在油溶性有机分子中 的方法 。 Shaoo et al26已经报导了平均直径为 6-8 nm、 表面涂覆以油酸 和 烷基磷酸 的磁性纳米粒 子， 发现烷基磷酸和磷酸酯 可以用于获得热力学稳定的磁性纳米粒子分散液。有机分子 的配体可以形成拟双层结构，其中第一层与纳米粒子表面稳定结合。此研究表明烷基磷 酸和磷酸酯与铁氧化物纳米粒子有效结合， 且 烷基磷酸和磷酸酯 配体的良好生物相容性 可以促进包覆的磁性纳米粒子在医学上的应用，如磁共振成像和其它生物用途。 虽然 油 溶 性 种 类功能化的铁氧化物纳米粒子相对容易制备和控制 ， 但 目前主要的研究重点是水 溶性种类的功能化铁氧化物纳米粒子的合成 ， 以 及 同时 具有水溶性 (水溶液中良好分散 不聚集 )、 生物相容性 (无毒不影响抗体，蛋白质等活性 )和生物降解性 粒子的合成 。 因 水 溶性的功能化铁氧化物纳米粒子可在生物分离和生物监测方面大量应用。 制备水溶性功能化的铁氧化物纳米粒子有多种方法 。 一种是 在合成过程中 直接添加 生物相容的 有机小分子 ， 如氨基酸 、 柠檬酸 、 维生素和环糊精等 。 最近 Xia et al.27报导 了一种制备水溶性 Fe3O4 纳米粒子的简便方法 ，在水介质中涂覆以聚乙二醇醚 (NP5)和环 糊精 (CD)层。另外，作者还通过单个功能化纳米粒子 (核壳结构 )建立了球形纳米聚合结 构 (嵌合体 结构 )，并且可以通过改变 NP5 和 CD 的浓度来调节 核壳 结构 。这些 Fe3O4 纳 米粒子的 介孔聚集体可用于磁性载体技术。 虽然 此种直接的方法有许多优点， 但 由于小 分子没有良好的稳定性尤其是在酸碱环境中 ， 它经常会分解并且导致功能化的纳米粒子 聚集。另外，功能化铁氧化物纳米粒子的形貌经常呈现为聚集的团簇。 另外一种方法是将油溶性转变为水溶性的功能化纳米粒子 ， 其中配体交换反应是实 现此目的的主要方法 28。配体交换是 一种众所周知的改变纳米粒子表面性质的实验方法。 此过程需在纳米粒子 溶液中添加过量配体， 其 将替代纳米粒子表面原有的配体。特别是 通过巯基自组装对贵金属纳米粒子的配体交换反应 ， 已经应用多年 29,30。但 最近有 一些 课题组报导了采用配体交换方法改变铁氧化物纳米粒子的表面性质，如 Sun et al.31 在 油酸和油胺的参与下通过乙酰丙酮铁和 1.2-十六 烷 二醇 的高温液相反应制备了粒径在 3-20 nm 范围内的单分散 Fe3O4 纳米粒子 。 而且此疏水纳米 粒子通过与 双极性表面活性 剂混合可以制备纳米 粒 子水溶液 。 Lattuada and Hatton32 报导了通过配体交换反应以各 种带有活性羟基基团的包覆剂替换原本出现在纳米粒子表面的油酸配体 。 还发现通过简 单改变含有成核粒子溶液的升温速率即可调节粒子尺寸在 6-11 nm范围的变化 而不需 经 过晶种生长过程 。 此为制备各种涂覆有不同分子刷的单分散 和 水溶性 的 磁性纳米粒子提 第 1 章 绪论 9 供了一种简单灵活的方法 。 但是配体交换反应通常出现的复杂操作 和交换速率难以控制 等问题仍亟待解 决 。 另外 ，由于硅烷试剂的生物相容性、高密度的 表面功能末端基以及 可以和其它金属、 聚合物和生物分子 33,34连接的优点， 其通常也被用于直接修饰铁氧化物纳米粒子表面 。 通常情况下，硅烷涂覆的铁氧化物纳米粒子仍然保持裸 露 纳米粒子的物理特点， 即 高饱 和磁化强度， 在涂覆之后 饱和磁化强度减少通常低于 10 emug-1。 3-氨 基 丙基三乙氧基 硅烷 (APTES)、 对氨基 苯基三乙氧基硅烷 (APTS)和巯 基 丙基三乙氧基硅烷试剂 (MPTES) 通常用作提供氨基和巯基官能团 。 硅烷试剂修饰铁氧化物纳米粒子表面的物理化学机理 如图 1-3 所示 35。铁氧化物纳米粒子表面羟基与硅烷试剂的羟甲基反应生成 Si-O 键同 时剩余的末端功能基 团可以固定其它物质 。 图 1-3 磁性纳米粒子表面修饰硅烷试剂的物理化学机理 Fig.1-3 Physicochemical mechanism in modifying magnetic nanoparticles with silane. 通过修饰的共沉淀方法可制备 平均直径为 255 nm的 Fe3O4 纳米粒子 ，并且分别采 用 APTES 和 MPTES 修饰表面以获得氨基包覆和硫醇化的 Fe3O4 纳米粒子 。结果表明表 面功能化的纳米粒子在平均尺寸上略有增加但几乎保留原有的饱和磁化强度， APTES 倾向于保持磁性纳米粒子的形貌，但 MPTES 具有突出的减色效应， 尽管其在饱和磁化 强度上变化很小。这一发现对磁性纳米 粒子在生物结合、 目标载体和生物传感应用具有 重大意义。另外，硅烷可赋予铁氧化物纳米粒子高稳定性和水溶性，同时在表面形成保 护层以隔绝弱酸和弱碱环境。而且硅烷配体交换反应可以 使疏水铁氧化物纳米粒子转变 为亲水 的 纳米粒子 36。 Silane -2H2O 2Silane H2O -3CH3OH Iron Oxide NPs -2H2O 第 1 章 绪论 10 (2) 聚合物 尽管大多数研究都在关注有机小分子和表面活性剂的包覆方法 ， 但 近期由于聚合物 分子包覆可以提高排斥力以平衡作用于纳米粒子的磁力和范德华作用力而受到广泛关 注。 另外聚合物包覆铁氧化物纳米粒子表面为其在诸多领域的应用奠定 基础。聚合物功 能化的铁氧化物纳米粒子 由于独特的 物理或化学性质而被大量研究。为在基础和应用领 域中利用这些材料，必须可以通过化学方法调控此类纳 米粒子试样的性质。已在多种情 况下显示，通过筛选钝化和活性聚合物 或反应条件可以制备性质可控且理想的纳米粒子。 聚合物涂覆材料可以分为合成与天然两类 。 表 1-1 列举了一系列 用于 功能化铁氧化 物纳米粒子的 合成 和天然材料 以及 它们各自的优点。在 聚合物 功能化之后 ， 铁氧化物纳 米粒子的饱和磁化强度将会降低。 表 1-1 有机大分子及其功能化磁性纳米粒子的优点 Table.1-1 Organic macromolecules and advantages in modifying magnetic nanoparticles. 目前聚合物 功能化铁氧化物纳米粒子主要有两种 发展方向 ：引入功能聚合物以拓展 应用领域和制备形状明确且组分可控的单分散纳米粒子 。 另外 ， 聚合物也通常用于弥补 有机小分子和表面活性剂 在获得表面功能化的铁氧化物纳米粒子时的不足 。 因此 ，除了 之前的研究重点，如何制备具有化学稳定性和良好生物相容性的功能化铁氧化物纳米粒 子仍存在巨大挑战。有机材料的正确选择可以提供合理的结构以获得精确 控制的功能化 聚合物 优点 天然聚合物 葡萄糖 淀粉 明胶 壳聚糖 与铁氧化物纳米粒子表面的良好极性作用提 高血液循环时间，稳定性和生物相容性 提高生物相容性，适应于药物传递和 MRI 作为凝胶化试剂，亲水乳化剂，生物相容 无毒，碱性，亲水，用于非病毒基因传递且 生物相容 增强亲水性和水溶性，提高生物相容性和血 液循环时间 防止聚集，单分散 提高生物相容性和生物降解性，人体低毒性 提高稳定性和生物相容性 用于热感应药物传递和细胞分离 提高稳定性，生物相容性和生物结合 聚乙二醇 聚乙烯醇 聚乳酸 海藻酸盐 聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯酸 合成聚合物 第 1 章 绪论 11 纳米粒子。 Frankamp et al. 37,38 提出一种可通过枝状物调节自组装 过程 直接控制铁氧化 物纳米粒子之 间的磁相互作用 的 方法 。随着 枝状物的产生， 其 组装体 使得粒子间距离提 升 2.4 nm左右。间距的增加 有效降低了粒子间的偶极作用 从 而调节整体的磁性行为。发 现阻断温度与粒子间距离的关系为：当间距较小时，阻断温度明显依赖于此，但当间距 增大时二者关系减弱。总体而言，铁氧化物纳米粒子表面功能化处理的其它方法 同样 尤 为重要。 (3) 生物分子 各种各样的生物分子 ， 如蛋白质 、 多肽 、 抗体 、 生物素和蛋白等也可 通过 功能末端 基以化学作用直接或间接修饰铁氧化物纳米粒子表面 以 赋予 纳米粒子特定识别 功能 。生 物分子功能化的铁氧化 物纳米粒子可明显提高粒子的生物相容性。此类磁性纳米粒子对 蛋白质、 DNA、 细胞和生物化学 产品等的分离十分有效。 合理的表面化学处理可将 生物分子 固定在铁氧化物纳米粒子上。 Zhang et al. 39 报 导了制备人体血清蛋白 (HAS) 包覆的 Fe3O4 磁性 纳米粒子 的 微乳液方法 。制备过程如 下：以棉油作为油相， HAS 和 Fe3O4 溶液的混合物作为水相且以司班 -83 作为乳化剂 ， 超声上述两溶液的混合物 15 分钟 后在 130搅拌的条件下快速逐滴 加入棉油中。 HAS 包覆的磁性纳米粒子直径约为 200 nm。 相比之下 ，生物分子表面功能化方法主要分为两步： 1)合成小分子或聚合物功能化 的纳米粒子 ； 2)以化学键或物理吸附作用连接生物分子。另外，单个超顺磁性铁氧化物 纳米粒子核在周围水质子的自旋相变的更为高效，同时强化旋转 -旋转弛豫时间 (T2 弛豫 时间 )， 所以纳米粒子 可 作为磁弛豫开关 40(MRS)。基于此现象， Perez 与其同事 41 开 发了 生物相容的磁传感器作为 MRS 以检测在分散磁性粒子自组装成 纳米组装体过程中 的 分子间相互作用 。 MRS 技术可用于高效检测不同种类的分子间相互作用 (DNA-DNA、 蛋白质 -蛋白质、 蛋白质 -小分子和酶 的 反应 )和 测量 磁性 弛 豫灵敏度 。 另外 ， 还可 检测浑 浊介质和全细胞裂解 产 物中的磁性变化而不需经蛋白质纯化。此优异 的磁性纳米传感器 可应用在多种生物领域，如同质分析、小型化微流体系统试剂、 磁力显微镜探针和体内 成像。例如，低聚核苷酸功能化的铁氧化物纳米粒子在目标核苷酸的参与下聚集，导致 周围水质子的 T2 弛豫时间 测量值偏大。进一步发现碱基在目标链的插入 导致弛豫时间 增加 2-5 ms， 但是单碱基错配导致 T2 增加 1-20 ms， 表明此系统有可能用于选择性检测 基因变异 。 第 1 章 绪论 12 1.2.2 无 机材料功能化 虽然在合 成有机材料功能化的铁氧化物纳米粒子方面已有明显进步，但对形状、稳 定性、 生物相容性 、 表面结构和磁性质的同时控制仍是挑战。另一方法，无机化合物功 能化的铁氧化物纳米粒子可明显增强裸 露 纳米粒子的 抗氧化性质 ， 同时大大拓展其相关 应用领域。此外 ， 无机化合物功能化的铁氧化物纳米粒子很有可能应用于催化 、 生物标 记和生物分离 。 应用的无机包覆材料 主要 包括二氧化硅 、 金属 、 非金属 、 金属氧化物和 硫化物 。 此复合 纳米粒子可大致分为两部分 ： 保留铁氧化物磁性质 的组分和保留无机材 料 性质 的组分 。 由于 结构和界面相互作用 可控 ， 纳米复合 粒子 展示出新颖的物理和化学性质 ， 此为 技术应用的必须条件 。 如图 1-4 所示，如果铁氧化物纳米粒子一直作为核， 无机化合物 功能化的铁氧化物纳米粒子 可分为五类：核壳 、 嵌合体 、 壳核 、 核壳核和哑铃 结构 。 许 多研究已表明 核壳结构 复合纳米粒子 的出现 ， 如 Fe3O4Au 纳米粒子 双层结构包括 Fe3O4 核和外层金壳。通常超顺磁性胶体粒子可能用于生物分离或生物检测 。铁氧化物 纳米粒子反应活性随着粒径减小而明显增加，但小尺寸的粒子在生物环境中可能会很快 被降解。因此基体分散的 铁氧化物纳米粒子可在不同情况下制备且可明显提高裸露纳米 粒子的尺寸 。嵌合体结构一般产生 于 带有铁氧化物纳米粒子的中空二氧化硅球 结构 ，且 此壳核结构 可由 单个的铁氧化物 内层相连构成。另外 ， 核 a 壳核 b 结构复合纳米粒子可 通过逐层技术获得且可克服以上缺点。 核 a 可能是金属纳米粒子、 聚合物 或 量子点，同 样的， 核 b 可能是相同或不同的材料。 此类复合纳米粒子有望大大拓展铁氧化物纳米粒 子的应用范围。哑铃结构一般通过铁氧化物 (或无机化合物纳米粒子 )在无机化合物晶种 (或铁氧化物纳米粒子 )上的外延生长形成 。 图 1-4 无机 材料功能化磁性纳米粒子的主要结构 Fig.1-4 Main structures of magnetic nanoparticles functionalized with inorganic materials. 核 a-壳 -核 b 核 -壳 矩阵 嵌合体 壳 -核 哑铃 第 1 章 绪论 13 此部分介绍如何通过无机化合物层包覆铁氧化物纳米粒子或连接其它无机材料以 将磁性和其它性质结合的方法 。 在此 列举一些典型的近期实例以详细讨论每种可行的方 法 、 相应性质及复合纳米粒子的应用 。 仅以二氧化硅材料做详细描述 。 (1) 二氧化硅 二氧化硅是制备功能铁氧化物纳米粒子的常见化合物 ， 二氧化硅包覆的铁氧化物纳 米粒子有如下优点 ： 1)此涂层不仅在溶液中提供铁氧化物 纳米粒子稳定性，而且避免粒 子间相互作用和防止聚集 ； 2)此复合纳米粒子具备良好生物相容性，亲水性和稳定性 ； 3)制备尺寸可控的复合纳米粒子技术成熟，壳厚度变化相对容易控制。另外 ， 二氧化硅 涂层可为多种应用实现 其它 生物配体的连接。例如 Ashtari et al.42 报导了基于氨基修饰 的二氧化硅包覆的 Fe3O4 纳米粒子恢复单链 DNA 的有效方法。 目前 ， Stober 方法 、 溶胶 -凝胶方法 和喷雾热解方法是以二氧化硅包覆铁氧化物纳米 粒子的首要选择。通常情况下，二氧化硅涂层会增加粒子尺寸同时改变复合纳米粒子的 磁性质。值得注意的是，通过改变氨水浓度和硅酸四乙酯与水的比例可调节二氧化硅厚 度在 5-200 nm 范围 ，而且通过水环境中的羟基可很容易在铁氧化物纳米粒子表面形成 二氧化硅涂层，尤其是采用 Stober 方法和溶胶 -凝胶方法 。 如此一来 ， 磁性纳米粒子将 更好地分散且减少聚集 。 目前的研究重点是进一步扩大二氧化硅功能化的铁氧化物纳米 粒子 的功能和获得结构可控及尺寸稳定性良好的磁性复合物 。 因此，为进一步扩大 二氧化硅功能化的铁氧化物纳米粒子的功能 ， 如 量子点和其它 光学材料 的相应功能 。 Ma et al.43 报导了以溶胶 -凝胶和修饰的 Stober 方法合成 FexOySiO2 核壳结构的纳米粒子 。 首先通过二氧化硅涂覆超顺磁性铁氧化物纳米粒子 使 磁 性 核与周围环境 隔离 。接下来在第二层二氧化硅壳掺杂染料分子以提高光学稳定性 和多方面表面功能化。结果表明涂覆 10-15 nm厚的二氧化硅壳 饱和磁化强度减少约 35 emug-1，阻断温度和矫顽力也有所减少。 在 许多技术方法已 被 成功应用，但 获得 结构可 控及尺寸稳定性良好的磁性复合物 仍存在挑战。 Lu et al.44 报导了溶胶 -凝胶 方法制备均 一 二氧化硅包覆的铁氧化纳米粒子， 且 可通过控制 添加到 异丙醇中的前驱体 (TEOS) 用 量调节壳厚度 。 通过共价结合有机化合物与溶胶 -凝胶前驱体将荧光染料掺入二氧化硅 壳中 。 这些多功能纳米粒子在许多领域有潜在应用 ， 因为它们可以同时被外界施加磁场 操作和被传统荧光显微镜原位表征 。微乳液 制备 方法是 另一种制备包覆以均一二氧化硅 且 壳 厚度可控的纳米粒子的方法 ，也被称作油包水微乳液操作，主要有 三种组分 ：水 、 第 1 章 绪论 14 油 和表面活性剂 45。 二氧化硅壳在 1.8-30 nm 间变化 ， 均匀的 SiO2Fe3O4 核壳结构纳 米粒子已通过反相微乳液合成 。 喷雾热解方法是最近出现的一种简单、 快速获得具备相关性质的纳米粒子实验方法。 特别是利用喷雾过程中 影响 纳米粒子形成的各因素间的微妙关系可能会获得连续的 粒 子 三维 网络结构 或者中空结构。此外 喷雾热解 也已被用于二氧化硅包覆，但是复合纳米 粒子的结构一般是嵌合体类型，如 含有 铁氧化物 核 的中空二氧化硅球 。 从以上例子可以 看出二氧化硅功能化铁氧化物纳米粒子是一个简便过程 。在 二氧化硅包覆铁氧化物纳米 粒子这一方面已取得了巨大进步 ，一些研究成果甚至已被商业应用 46,47。 (2) 金属 、 非金属 、 金属氧化物和硫化物 另外一种保护铁氧化物纳米粒子的简单方法是引入 单金属或非金属壳 ，如金 、 银 、 铂 、 钯 、 铁等。其中金、银 功能化会降低铁氧化物纳米粒子的饱和磁化强度，而铜、 钯、 铂等 的 结果可能会相反， 饱和磁化强度的降低与否 取决于所用材料的质量磁化率。另外 ， 通过控制还原和重复次数可以控制 金属或非金属功能化的铁氧化物纳米粒子 直径。通常 情况下，制备金属功能化的铁氧化物纳米粒子有两种方法： 1)