（分析化学专业论文）磁性纳米复合微粒的制备及表征.pdf

。 一 t l ；i si na n a l y t i c a lc h e m i s t r y a t h e ： s y n t h e s i sa n d c h a r a c t e r i z a t i o no fc o m p o s i t e m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s b yz h um e n g m e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gg a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 8 l- h 一薹。 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 此 恧。 学位论文作者签名：攀专灸 日期： 切。妒耳7 同铲日 学位论文版权使用授权书，o 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年留 学位论文作者签名：霖专襄 签字醐册。p 耳- 7 洲刃 导师签名：承岛 签字日期：矽。坪7 困扩因 专 - 东北大学硕士学位论文摘要 磁性纳米复合微粒的制备及表征 摘要 随着生物医学和生物工程相关领域研究的发展，功能性复合纳米微球的制备越来越 受到人们的关注，探索复合纳米微球的功能化以及将这些微球应用于药物靶向、生物大 分子分离、生物传感器和固定化酶等方面是聚合物微球研究的一个重要方向。在这种研 究背景下，本文的研究工作主要围绕着功能性磁性复合纳米微球的制备及表征展开，具 体涉及四氧化三铁磁性纳米粒子( f e 3 0 4 ) 的制备及其表面改性，磁性二氧化硅纳米微 粒( f e 3 0 4 s i 0 2 ) 的制备，金磁纳米微粒( f e 3 0 机札) 的制备等研究。结果如下： ( 1 ) 采用化学共沉淀法制备了磁性f e 3 0 4 纳米粒子。研究了影响化学共沉淀法制备 f e 3 0 4 纳米粒子的各种因素。结果表明铁盐总浓度、铁盐浓度比例、p h 值和反应温度均 影响产物的性能。在优化的条件下制备了粒径大约3 5n n l 的f e 3 0 4 纳米粒子。用扫描电镜 ( s e m ) 、x 射线衍射( m ) 、激光粒度仪等对产物的形貌、结构和粒径进行了表征， 用一定时间内磁力吸附悬浮液的透光率对f e 3 0 4 纳米粒子的磁响应性进行了表征。 ( 2 ) 用柠檬酸钠对f e 3 0 4 纳米粒子进行了表面改性，制备了稳定的磁流体。研究了 柠檬酸钠浓度对f e 3 0 4 纳米粒子改性效果的影响，结果表明在一定范围内加大柠檬酸钠 用量可以使f e 3 0 4 纳米粒子分散的稳定性逐渐增强。以f e 3 0 4 纳米粒子为种子，用改进的 s t o b e r 法制备了粒径1 0 0a m 左右的f e 3 0 4 s i 0 2 复合微粒，结果表明通过调节柠檬酸钠对 f e 3 0 4 纳米粒子的改性程度、控制正硅酸乙酯( t e o s ) 的用量等可以调控f e 3 0 4 s i 0 2 复 合微粒的粒径。用s e m 和激光粒度仪对f e 3 0 4 s i 0 2 复合微粒的形貌和粒径进行了表征， 用一定时间内磁力吸附悬浮液的透光率对f e 3 0 4 s 1 0 2 复合微粒的磁响应性进行了表征。 ( 3 ) 采用种子生长法制备了粒径1 0 0n l l 左右的f e 3 0 4 a u 复合微粒。包覆过程中加 入巯基丙酸钠( m p a 。n a ) ，提高了复合微粒的稳定性。简单分析了氯金酸( h a u c h ) 的浓度和f e 3 0 4 种子量对产物性能的影响。结果表明制备得到的磁性纳米粒子表面被金 覆盖，紫外谱图可明显观察到纳米金特有的吸收峰。用s e m 和激光粒度仪对f e 3 0 4 a u 复 合微粒的形貌和粒径进行了表征，用一定时间内磁力吸附悬浮液的透光率对f e 3 0 4 a u 复 合微粒的磁响应性进行了表征。 关键词：f e 3 0 4 ；表面修饰；磁性纳米复合微粒；f e 3 0 v s i 0 2 ；f e 3 0 4 a u i i t、0 lj丫 - 一。 - l ， - ， ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fc o m p o s i t e m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s a bs t r a c t w i t ht h er e s e a r c hi nt h ef i e l do fb i o m e d i c i n ea n db i o e n g i n e e r i n g ，p e o p l ea r ee x p l o r i n g v a r i o u sf u n c t i o n a lc o m p o s i t em i c r o s p h e r e sw h i c hc a ns e r v ea s i n t e l l i g e n tt o o l sf o rd r u g d e l i v e r y ，b i o m a c r o m o l e c u l e sp u r i f i c a t i o n ，b i o s e n s o ra n de n z y m ei m m o b i l i z a t i o n , e r e b a s e d o nt h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p o s i t em i c r o s p h e r e s ，o u rw o r k sf o c u s e do nt h e p r e p a r a t i o no ff u n c t i o n a l i z e dm a g n e t i cc o m p o s i t em i c r o s p h e r e s ，w h i c hi n v o l v e si nt h r e ep a r t s ， i e t h ep r e p a r a t i o na n ds u r f a c em o d i f i c a t i o no fm a g n e t i t en a n o p a r t i c l e s ，p r e p a r a t i o no f f e 3 0 4 s i 0 2n a n o p a r t i c l e s ，p r e p a r a t i o no ff e 3 0 f f a un a n o p a r t i c l e s t h er e s u l t sa r el i s t e da s f o l l o w s ： ( 1 ) m a g n e t i t en a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db yc h e m i c a lc o p r e c i p i t a t i o n p r o c e s s d i f f e r e n tr e a c t i o np a r a m e t e r si n c l u d i n gr e a c t a n tc o n c e n t r a t e ，m o l a rr a t i o ，p ha n dr e a c t i o n t e m p e r a t u r ew e r ef o u n dt od r a m a t i c a l l yi n f l u e n c et h ep r o p e r t i e so ft h ep r o d u c t s f i n a l l y ， m a g n e t i t en a n o p a r t i c l e so fa b o u t3 5m nw e r eo b t a i n e db yu s i n gp r o p e rr e a c t i o nc o n d i t i o n s t h ec h a r a c t e r i z a t i o nr e s u l t so fx r d ，s e ma n dl a s e r g r a n u l a r i t yi n s t r u m e n tc o n f i r m e dt h a t m a g n e t i t ep a r t i c l e sw e r ep r e p a r e d t h em a g n e t i cp r o p e r t yw a sc h a r a c t e r e db yt r a n s m i t t a n c eo f s u s p e n s i o ni ng i v e nt i m ea n dm a g n e t i cf i e l d j ( 2 ) s t a b l em a g n e t i cf l u i dw a sp r e p a r e db yt r e a t i n gm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw i t ht r i s o d i u m c i t r a t ea q u e o u ss o l u t i o n u s i n gt h em o d i f i e dm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sa s s e e d s ，f e 3 0 4 s i 0 2 w e r ep r e p a r e dv i aam o d i f i e ds t o b e rm e t h o d i tw a sf o u n dt h a tt h e s i z eo ff e 3 0 d s i 0 2 p a r t i c l e si sr e l a t e dw i t ht h ea m o u n to ft e o sa n dt h ee x t e n to f m o d i f i c a t i o no ff e 3 0 4p a r t i c l e s t h ep a r t i c l e s m o d a l i t ya n ds i z ew a st e s t e dw i t hs e ma n dl a s e rg r a n u l a r i t yi n s t r u m e n t t h e m a g n e t i cp r o p e r t yw a sc h a r a c t e r e db yt r a n s m i t t a n c eo fs u s p e n s i o ni ng i v e nt i m ea n dm a g n e t i c f i e l d ( 3 ) f e 3 0 d a uc o m p o s i t ep a r t i c l e sw e r ep r e p a r e dv i as e e d g r o w t hm e t h o d i nt h ec o a t i n g p r o c e s s ，m p a - n aw a si n j e c t e dt om a k ef e 3 0 a a up a r t i c l e sm o r es t a b l e t h ei n f l u e n c eo f c o n c e n t r a t i o no fh a u c ha n df e 3 0 4s e e d sn u m b e ro nf e 3 0 4 a up a r t i c l e s p r o p e r t i s ew e r e a n a l y s e d t h eu v - v i ss p e c t r as h o wa b s o r p t i o np e a ki ne v i d e n c e ，w h i c hi sc h a r a c t e rp e a ko f n a n o g o l d ，p r o v e dt h ep r o d u c e dp a r t i c l e s s u r f a c e sw e r ew r a p p e db ya u t h ep a r t i c l e s m o d a l i t ya n ds i z ew a st e s t e dw i t hs e ma n dl a s e rg r a n u l a r i t yi n s t r u m e n t t h em a g n e t i c p r o p e r t yw a sc h a r a c t e r e db yt r a n s m i t t a n c eo fs u s p e n s i o ni ng i v e nt i m ea n dm a g n e t i cf i e l d k e yw o r d s ：f e 3 0 4 ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；m a g n e t i cn a n o c o m p o s i t e s ；f e 3 0 d s i 0 2 ；f e 3 0 4 a u i l l r -jfi l i l - 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创i ：生声明i 摘要 a b s t r a c t i t 第l 章绪论1 1 1 引言。1 1 2 纳米粒子概述：。l 1 3 磁性纳米粒子。2 1 3 1 磁性纳米粒子的性质2 1 3 2 磁性纳米粒子的应用3 1 3 3 磁性f e 3 0 4 纳米粒子的制备方法。5 1 4 表面修饰的磁性纳米复合微粒7 1 4 1 磁性纳米微粒的修饰材料8 1 4 2 纳米粒子的表面修饰方法l o 1 5 磁性纳米复合材料与生物分子的偶联1 3 1 5 1 羧基与生物分子的偶联1 3 1 5 2 氨基与生物分子的偶联1 3 1 5 3 羟基与生物分子的偶联1 3 1 5 4 生物素标记法。1 3 1 6 本课题的选题背景和意义1 4 1 6 1 选题背景1 4 1 6 2 本课题的意义15 第2 章f e 3 0 4 纳米粒子的制备与表征1 6 2 1 引言1 6 2 2 实验部分1 6 2 2 1 实验试剂1 6 i v i 1，-。 - ，ii - r f 东北大学硕士学位论文目录 2 2 2 实验仪器1 6 2 2 3 化学共沉淀法制备f e 3 0 4 纳米粒子一17 2 3 结果与讨论1 7 2 3 1f e 3 + f e 2 + 摩尔比例的影响。j 一1 7 2 3 2 铁盐总浓度的影响1 8 2 3 3p h 值的影响：2 0 2 3 4 反应温度的影响2 1 2 4f e 3 0 4 纳米粒子的表征。：2 2 2 4 1 形貌与粒径的测定2 3 2 4 2 成分与结构分析2 4 2 4 3 磁响应性的测定2 5 2 5 本章小结。2 6 第3 章f e 3 0 4 s 1 0 2 复合微粒的制备与表征2 7 3 1 引言：2 7 3 2 实验部分一2 8 3 2 1 实验试剂一：2 8 3 2 2 实验仪器2 8 3 2 3f e 3 0 4 纳米粒子的表面改性2 9 3 2 4f e 3 0 4 s i 0 2 复合微粒的制备2 9 3 3 结果与讨论。2 9 3 3 1f e 3 0 4 纳米粒子的表面改性2 9 3 3 2f e 3 0 4 s i 0 2 复合微粒的制备3 1 3 4f e 3 0 4 s i 0 2 复合微粒的表征3 4 3 4 1 形貌与粒径的测定：3 4 3 4 2 磁响应性的测定一3 5 3 5 本章小结3 6 第4 章f e 3 0 4 a u 复合微粒的制备与表征3 7 4 1 引言。3 7 4 2 实验部分3 8 v ， i j 士 、 i 苫 东北大学硕士学位论文目录 4 2 1 实验试剂3 8 4 2 2 实验仪器3 8 4 2 3 种子生长法制备f e 3 0 4 a u 复合微粒3 9 4 3 结果与讨论。3 9 4 3 1m p a - n a 的作用3 9 4 3 2h a u c h 浓度的确定4 0 4 3 3 磁性种子的量的确定4 1 4 3 4m p a o n a 用量的影响4 2 4 4f e 3 0 d a u 复合微粒的表征4 3 4 4 1 形貌与粒径的测定4 3 4 4 2 光学性质的测定4 4 4 4 3 磁响应性的测定4 5 4 5 本章小结4 5 第5 章结论。4 7 参考文献4 9 致谢。5 6 j k 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 纳米材料是上世纪8 0 年代中期发展起来的一种具有全新结构的材料，由于它具有 一 与传统材料极不相同的性能【1 - 2 1 ，因此人们认识到这一领域将是二十一世纪材料研究的 热点。随着研究的不断深入，对纳米材料的认识不断加深和丰富，对它的研究也逐渐集 中在具有一定功能的纳米结构材料方面。 对于应用纳米技术制备具有某种性质的材料来说，有必要建立可靠的和可以预期结 果的合成纳米材料的手段。制备具有纳米结构的表面包覆的颗粒材料的技术则是一种行 之有效的手段。表面包覆的颗粒材料是指在颗粒表面包覆上一层或多层无机或有机材 料。具有纳米结构的表面包覆的颗粒材料指被包覆材料是纳米粒子，也可以指包覆层处 于纳米尺寸范围，或者两者都处于纳米尺寸范围。由于颗粒的包覆技术在材料改性和增 加材料新功能方面有很大优势，具有实用及潜在的应用价值，因而已广泛地应用于现代 材料合成中。从基础研究及学术的角度来看，特别是对于胶体和界面研究，表面包覆的 颗粒材料可作为研究胶体相互作用和稳定性的模型体系。1 9 9 3 年，美国商业部估计颗 粒产品对美国经济有1 万亿美元的贡献。杜邦公司认为在今天的市场上，具备设计和制 备具有所需表面性质颗粒的能力将会有十分强的竞争力。 1 2 纳米粒子概述 纳米粒子一般是指颗粒尺寸在1 - - - 1 0 0 衄1 范围内的超微粒子。纳米粒子处于由微观 世界向宏观世界的过渡区域，只能用高倍电子显微镜才能观察到，故有人给纳米粒子下 了一个定义：用电子显微镜才能看到的微粒称为纳米粒子。 纳米粒子之所以能引起如此广泛的关注，是因为当物质的尺寸减d , n 纳米范围时， 具有了一般材料所不具有的表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应等特 性【纠】。由此导致了纳米粒子的光、磁、电、热、力以及化学活性等性质与本体物质有 显著差异。 由于纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，纳米粒 子的表面原子存在许多悬空键，表面的官能团的密度及选择吸附能力变大。因而，极易 与其他原子结合以趋于稳定，具有很高的化学活性。尤其是当粒子小于1 0n n - i 时，粒子 成为能给电子和取电子的化学活性体，常被用作高性能、高效率的催化剂，称为“纳米 】- 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 反应器 。纳米粒子的化学性质十分活泼，倾向于聚集以降低表面能，这种不稳定性限 制了纳米粒子的制备和应用。一些研究者从大自然中得到启发，他们发现趋磁性细菌中 f e 3 0 4 纳米粒子可长期稳定存在于细胞的胞质膜，而膜中的磷脂、胆固醇、蛋白质是天 然的表面活性剂，因此，仿生模拟的做法是在表面活性剂、高分子体系中制备和使用纳 米粒子。 纳米粒子有特殊的光学性质，对光的吸收较本体大大增强，反射降低，是高效的光 热、光电转换材料。胶体金的摩尔消光系数比酞菁还强，是最好的有机染料的3 倍。纳 米粒子吸收峰的等离子共振常随着尺寸的变化发生频移。s c h a t z 5 】用电动力学方法计算 了连接d n a 的胶体金发生团聚时光学性质的变化。研究中发现胶体金的共振光散射的强 度与粒径之间有很好的数量关系，即粒径为1 0 9 5r i m 的最强共振散射峰位于5 8 0n m ， 此波长的共振光散射强度i 的三次方根与纳米金粒径d 成正比。 一些纳米粒子具有特殊的磁性：如f e 、c o 、n i 的团簇表现为超顺磁性，而本体 为铁磁性；n a 、k 的团簇是铁磁性，而本体却表现为超顺磁性。最近研究发现信鸽、 蜜蜂、蝴蝶和趋磁细菌等生物之所以具有天生辨别方向的能力，正是由于这些生物体内 有强磁性氧化物的纳米粒子。 1 3 磁性纳米粒子 底1 3 1 磁性纳米粒子的性质 磁性纳米微粒除了具有上述纳米微粒所共有的效应及性质外，还具有不同于常规磁 性材料的特性【w 】。其原因是与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单 畴尺寸、交换作用长度以及电子平均自由程等大致处于1 1 0 0n m 量级，当磁性体的尺 寸与这些特性物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质，如量子尺寸效应、表面效应、 小尺寸效应及宏观量子隧道效应等，这些效应使磁性纳米粒子具有不同于常规材料的 光、电、声、热、磁等特性。 近年来，人们致力于各种单分散、尺寸可控、形状各异、性质稳定的磁性纳米材料 的合成及应用【8 】。是因为这些材料在工业、医学、生物等多个领域都有广泛的应用。如 在工业方面，磁性纳米粒子可用于高密度磁记录磁头的制备；在生物技术领域，用磁性 纳米粒子制成的各种制剂已广泛用于生物样品的分离、磁共振成像、免疫检测以及药物 靶向释放等领域。在已报道的各类磁性纳米材料中，由于f e 3 0 4 纳米材料较之其它磁性 纳米材料不仅具有制备工艺简单，价格低廉，饱和磁化强度高等特点，而且，由于对人 - - - 7 i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 体不产生毒副作用，无免疫原性，可随人体代谢排出体外，并易穿过各种生理屏障到达 指定部位，因此，在生物工程和临床诊断方面体现出其它材料无可比拟的优势，已成为 国际上的热门研究课题。 1 3 2 磁性纳米粒子的应用 磁性纳米颗粒在免疫检测、药物靶向、肿瘤磁热治疗、磁分离等方面的应用，已成 为当前生物医学领域的热门研究课题【9 】。 1 3 2 1 在免疫检测方面的应用 免疫检测发展到今天，如何提高免疫检测的灵敏度，如何能尽快得到可靠的检测结 果已成为人们不断追求的目标。将磁性纳米粒子用于免疫检测，有助于人们实现这个目 标。由于磁性纳米粒子可通过表面修饰提供足够多的表面结合位点以与抗体等生物分子 结合，进而可实现生物组分的识别。并且，在外加磁场的作用下能快速富集，在短期内 能得到浓缩、纯净的样品，减少了检测中不必要的麻烦，有助于缩短检测时间，提高检 测效率。 由于磁性微粒超强的富集和快速的分离能力、较高的比表面积以及表面结合抗体对 相应抗原的特异性识别作用，可以用来进行抗体抗原分离和酶标法( e l i s a ) 检测，与 传统的e l i s a 相比，具有更高的检测灵敏度，操作更为简单；还可以对小分子药物进 行免疫检测，结合免疫荧光、光纤传感、电磁分离、流式细胞仪、流动注射等【1 0 j 技术， 可以实现在线快速检测。t h e r t z 等人【l l 】构建了一种三明治夹心结构：利用超顺磁性纳米 粒子标记的单克隆抗t s h ( 促甲状腺激素) 表面病毒抗体来检测t s h 。实验结果表明， 施加外加磁场可以增加磁性复合物的组装密度，进而大大提高检测的灵敏度使之达到 o 0 2p g m l ，比未加磁场提高了整整1 0 0 倍。f a n 等【1 2 】建立了磁性微粒介导的化学发光 免疫检测，在磁性微粒上固定抗体，与待测物中的抗原结合，加入胶体金标记的二抗， 形成抗体一抗原一抗体的夹心复合物后，将标记在磁性微粒上的金在酸性条件下氧化形 f成a u ”，并利用a u 3 + 催化的鲁米诺发光系统来检测人i g g ，其灵敏度达1 0 。2m o l l ，可 1 用于免疫检测和核酸杂交检测中。n a mj w a m i n 等【1 3 】利用磁性微粒和胶体金上d n a 的 放大作用建立了蛋白质的超灵敏检测方法，在磁性微粒上固定针对p s a ( 前列腺特异性 抗原) 靶物的特异性抗体，在标记有双链寡核苷酸探针的胶体金上同时固定有针对p s a 抗体的二抗，因此可与磁性微粒结合并从溶液中分离出来，将胶体金上互补的寡核苷酸 探针变性解离，由于胶体金上标记大量的d n a 片段，因此可对待测物起到放大作用。 洪霞等【1 4 】利用f e 3 0 4 葡聚糖纳米微粒建立了磁性微粒介导的免疫层析试纸条，若能利用 - 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 高灵敏的磁测仪可对样品进行定量测定，为后续开发磁性微粒免疫层析试纸条奠定了基 础。 1 3 2 2 在药物靶向方面的应用 在生物医学领域【1 5 1 ，磁性纳米粒子经过表面修饰而带有一定的电荷或功能基团，可 与特异性抗体结合，作为药物载体用于药物的运输。这种载体能借助于外加磁场的导向 作用，将药物运送到人体预定的病变部位进行控制释放，这样既可以减少毒副作用，又 可降低药物用量，大大提高了药物效率。动物临床实验证实，f e 3 0 4 磁性纳米粒子是应 用于这种技术的最有前途的载体，它在治疗结束后可以通过肝脏和脾脏自然排泄。 纳米磁性药物一般由磁性纳米材料、高分子骨架材料和药物三部分组成。高分子骨 架材料需具有一定的通透性，以便于药物释出，对人体无毒性，在人体组织内能被降解。 通常所采用的材料为氨基酸聚合物类( 如白蛋白、明胶、霉和多肽类) 、聚多糖类( 如 淀粉、葡聚糖、阿拉伯胶等) 以及其它乙基纤维素、聚乙烯醇、硅酮等。对于磁性纳米 材料则要求其粒径越小越好，一般在1 0 - - 一3 0n m 为宜，同时还要求具有非常良好的磁效 应和灵敏度，在外加磁场的感应下能定向移动和富集。磁性纳米粒子所包裹的药物一般 套应具备以下特性：药物有一定的水溶性，不与磁性材料和骨架材料起化学反应。 1 3 2 3 在肿瘤磁热治疗方面的应用 ；近年来，应用于肿瘤治疗的磁靶向热疗法引起了人们越来越多的关注。热疗的主要 毒问题是要将热限制于癌灶，不损伤正常组织。这一目标可通过将磁性材料导入癌灶，利 用低频交变磁场中的磁滞生热原理来实现【1 6 】。这种方法不仅适用于浅表肿瘤的治疗，也 适用于深部肿瘤的治疗。在低频交变电磁场( i m h z ) 下，磁性粒子作为一个整体按照 外磁场的周期旋转( b r o w n i a n 松弛) ，同时，磁核心的磁向量逆能量障碍进行重排( 摩 擦效应，n e e l 机制) 而产生热【l7 1 。一般都可将器官或组织加热到4 0 4 6 ，这个温度 范围足以杀死肿瘤细胞。磁热治疗特别适用于那些难以进行加热的部位的肿瘤治疗，如 脑瘤的治疗。 1 3 2 4 在磁分离方面的应用 自从1 9 7 3 年r o b i n s o n 等人f 墙】首先将生物酶固定于二氧化硅( s i 0 2 ) 与纤维素包埋 的氧化铁纳米颗粒之后，有关超顺磁性纳米( 或亚微级) 颗粒的制备及其表面修饰得到 了蓬勃的发展，并引发了生物分离技术上的一次革命。利用磁性纳米颗粒来分离生物分 子有以下几点好处：( 1 ) 分离速度快，效率高，可重复使用；( 2 ) 操作简单，不需要 昂贵的仪器；( 3 ) 不影响被分离物质的活性。根据需要分离物质的要求，将颗粒表面 修饰上相对应的特异性抗体( 或d n a 片段) ，然后将其加入溶液中搅拌吸附，最后通 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 过外加磁场将其从溶液中分离，通常将分离出的磁性纳米复合颗粒解离后，可重复使用。 目前，可被磁性纳米粒子分离的生物分子包括病毒、蛋白质、基因、细胞等。已广泛地 应用于微生物学、分子生物学、免疫学等诸多领域。 1 3 2 5 在其它方面的应用 纳米粒子的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能 力强等优异性质，为纳米粒子作为催化剂提供了必要的条件，使其在化工催化方面【1 9 1 有着重要的应用。纳米粒子由于其巨大的表面和界面，对外界环境如温度、光、湿度等 十分敏感，外界环境的变化会迅速引起表面或界面离子价态和电子运输的变化，是用于 传感器方面最有前途的材料。如利用纳米f e 2 0 3 载体的温度效应引起电阻变化，可制成 温度传感器。另外用纳米旺f e 2 0 3 制成的气敏材料，具有响应速度快、选择性强、灵敏 度高、稳定性好等特点，在无掺杂条件下，对c 2 h 5 0 h 、h 2 和c h 4 等气体具有一定的 灵敏度。磁性纳米粒子还可以应用于临床磁共振成像方面。 1 3 3 磁性f e 3 0 4 纳米粒子的制备方法 f e 3 0 4 是具磁性的黑色晶体，又称磁性氧化铁，化学稳定性好，是电的良导体。f e 3 0 4 纳米粒子粒径非常小，一般分布在5 - 10 0a m 左右，由于小尺寸效应和表面效应而使 得它具有常规晶粒所不具备的磁特性，当其粒径d 1 6a m 时，各向异性减小到与热运动 能相比拟，易磁化方向作无规律的变化，便产生了超顺磁性【2 0 1 。从f e 3 0 4 粒子的晶体结 构来看，具有尖晶石构型【2 ，可表示成f e ( 1 l i ) f e ( i i ) f e ( i i i ) 0 4 ，属立方晶系，晶格是 复杂的面心立方，氧原子构成密集的面心结构，f e 2 + 和f e 3 + 离子通过氧离子的超交换作 用而使得f e 3 0 4 粒子产生亚铁磁性。 目前，见诸报道的纳米f e 3 0 4 的液相制备方法主要有化学共沉淀法【2 2 1 、溶胶一凝胶 法【2 3 】、水解法、水热法【2 4 。2 6 1 、微乳液法等。 1 3 3 1 化学共沉淀法 该法是最早采用的液相化学反应合成金属氧化物纳米颗粒的方法，也是目前最普遍 使用的方法，它是按方程式： f e 付+ 2 f e ”+ 8 0 h 一- - f e 3 0 4 + 4 h 2 0 ( 1 1 ) 为原理进行的。通常是将一定比例的三价铁盐与二价铁盐混合溶液直接加入到强碱性的 水溶液中，铁盐在强碱性水溶液中瞬间水解结晶形成f e 3 0 4 纳米晶体。 化学共沉淀法得到的f e 3 0 4 纳米粒子主要为球形结构【2 7 1 ，粒子大小均匀，通过对反 应条件( f e 3 + f e 2 + 的摩尔比，溶液的p h 值，搅拌速度，反应温度等) 的改变，可以得 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 到粒径大小不同、磁性不等的纳米粒子，粒径分布范围较小，普遍分布在5 - 1 0n l t l 之 间，具有较高的比饱和磁化强度和极低的矫顽力，适用于磁性流体的制备。 采用该方法制备f e 3 0 4 纳米粒子时，沉淀在洗涤、过滤、干燥时易产生团聚现象， 重现性差。通过在沉淀混合液中加入有机分散剂和络合剂，可以提高粒子的分散性，获 得粒径较小的f e 3 0 4 纳米粒子。许多化学家对共沉淀法进行了改进。中国矿业大学的任 欢鱼【2 8 】采用乙醇一水作为溶剂制备的纳米f e 3 0 4 不易发生团聚。由于乙醇一水溶液有较 高的介电常数，增加了初始颗粒间的静电排斥力，颗粒不容易发生聚集，在陈化过程中， 乙醇分子的乙氧基能取代胶团表面的非架桥羟基，减小颗粒的吸引，从而减小了粒子的 团聚倾向。 1 3 3 2 水解法 水解法制备磁性f e 3 0 4 纳米粒子的方法主要包括m a s s a r t 水解法f 2 卯和滴定水解法【3 0 】 两种。 ( 1 ) m a s s a r t 水解法 此法是在有两种或多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，这种多元体系的溶液经过沉淀 毒反应后，可得到各种成份均一的沉淀。通常是将f e 3 + 和f e 2 + 的硅酸盐或氯化物溶液以一 定比例混合后，用过量的氨水或氢氧化钠在一定温度和p h 值下，高速搅拌进行沉淀反 应，然后将沉淀过滤、洗涤、烘干，制得纳米f e 3 0 4 粉体。此种方法得到的f e 3 0 4 粒子 各外形很不规则，呈现球形、椭圆形及立方形等多种形态。 此种方法以厦门大学为代表，采用m a s s a r t 合成法制备了直径在8n i t l 左右的f e 3 0 4 磁性纳米粒子【3 。得到的粒子的形貌呈现从球形到立方体形的多种形态，并且粒径分布 较宽。 ( 2 ) 滴定水解法 该方法是将稀碱溶液滴加到摩尔比为2 ：1 的三价铁盐与二价铁盐混合溶液中，使铁 盐溶液的p h 值逐步升高，达到6 至7 时，水解生成f e 3 0 4 纳米晶体。由滴定水解法制 备得到的f e 3 0 4 纳米粒子主要为球形结构，粒子大小均匀，粒子的直径均在5 1 0n n l 之间。磁性和纳米颗粒的尺寸与m a s s a r t 水解法基本相同，所不同的是，颗粒比较均匀， 多呈球形。 1 3 3 3 溶胶一凝胶法 此法是最近十几年 制备金属氧化物或金属 可得到氧化物超微粒子 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 反应温度和时间等。通过调节工艺条件，可以制备出粒径小、粒径分布窄的超微粒子。 由于溶胶一凝胶法较其它方法具有可在低温下制各纯度高、粒径分布均匀、化学活性大 的单组分或多组分分子级混合物，以及可制备传统方法不能或难以制得的产物等优点， 而使其得到了广泛的应用。 溶胶一凝胶法虽然均能制备出颗粒尺寸小、分散均匀、具有较高磁学性能的铁酸盐 超微粒子，且易于实现高纯化，但工艺复杂，条件苛刻，且还需经过高温锻烧步骤，生 产成本较高，限制了其在工业上的应用。 1 3 3 4 水热法 高温高压下，在水溶液或蒸汽等流体中合成欲制备的氧化物，再经分离和热处理得 到纳米粒子。此法具有原料易得、粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控及成本相对较 低等优点。其反应原理为： 3 f e z + + 2 s 2 0 3 z - + 0 2 ( a q ) + 4 0 h 一- - f e 3 0 4 ( s ) - i - - s 4 0 6 2 一+ 2 h 2 0( 1 2 ) f a nr t 3 2 】等在高压釜中放入1 3 9gf e s 0 4 ，1 2 4gn a 2 s 2 0 3 ，1 4m l 蒸馏水，缓慢滴 加1 0m l1 0m o l l 的n a o h 溶液，不断搅拌，反应温度为1 4 0 ，1 2h 后冷却至室温， 得到灰黑色沉淀，经过滤、热水和无水乙醇洗涤，在7 0 真空干燥4h ，得到5 0i l l n 球 形多面体f e 3 0 4 晶体，产率高于9 0 ，但是在照片中可看到明显的团聚体。杨华、黄可 龙p 列等用水热法制备f e 3 0 4 纳米粒子，用超声波法分散，制得粒径1 0 0l l l n 以下，单一 相的水基磁流体，但是团聚体粒径不均一。 水热法利用液相相转化制备纳米级f e 3 0 4 ，反应温度相对较低，但需使用高压设备， 尚未实现工业化规模生产，仍处于实验研究阶段。 1 3 3 5 微乳液法 微乳液1 3 4 是由油、水、表面活性剂( 有时存在助表面活性剂) 组成的透明、各向同 性、低粘度的热力学稳定体系，其中不溶子水的非极性物质作为分散介质，反应物水溶 液为分散相，表面活性剂为乳化剂，形成油包水( w o ) 或水包油( o w ) 型微乳液。 这样反应空间仅限于微乳液滴这一微型反应器的内部，可有效避免颗粒之间的进一步团 聚。因而得到的纳米粒子粒径分布窄、形态规则、分散性能好且大多为球形。可通过控 制微乳化的液体中水的体积及各种反应物的浓度来控制粒子的成核、生长，以获得各种 粒径的单分散纳米粒子。 1 4 表面修饰的磁性纳米复合微粒 由于磁性纳米微粒的表面能较大，微粒处于高度的热力学不稳定状态，它通过微粒 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 之间的强磁偶极矩相互作用，有相互聚集使系统自由能降低的趋势；某些磁性纳米微粒 如f e 、f e 3 0 4 微粒在空气中极易被氧化，导致微粒变性；磁性纳米微粒表面的功能基团 少，影响了它在生物医药方面的应用。因此相对于单组分的磁性纳米粒子而言，磁性纳 米复合物通常具有更好的物理、化学性质，并呈现更广阔的应用潜力，故而受到了越来 越多的关注。磁性纳米粒子通过表面修饰，能有效地改变表面电荷、功能性质和反应活 性，并能进一步增强粒子的稳定性和分散性。目前，通常采用表面包覆的方式来克服磁 性纳米微粒自身的缺点，同时改进、提高和增加磁性纳米微粒的性能。 1 4 1 磁性纳米微粒的修饰材料 磁性纳米微粒的修饰材料大致包括表面活性剂、高分子材料、生物大分子材料和无 机材料四大类。 1 4 1 1 表面活性剂 在磁性纳米材料表面包覆表面活性剂，使表面活性剂吸附在微粒表面，形成微胞状 态，由于表面活性剂的存在而产生了微粒间的排斥力，使得微粒间不能接触。磁性纳米 微粒表面包覆表面活性剂后，可以改善微粒的分散性、提高微粒表面活性并可改善微粒 与其它物质之间的相容性【3 5 。3 7 1 。华中科技大学陶晋【3 8 】在磁性纳米f e 3 0 4 粒子表面包覆油 酸钠进行改性，使在水相中团聚的f e 3 0 4 粒子在苯乙烯中分散得非常好，获得了有机相 鹰磁流体。 1 4 1 2 高分子材料 最受人关注的稳定的磁性纳米复合材料当属磁性一高分子纳米复合材料。其合成路 径也可分为两类：表面聚合及表面吸附。由于高分子可经过共聚或表面改性，使表面含 有各种功能基团( 如c o o h