（分析化学专业论文）新型磁性分子印迹纳米复合体系用于生物大分子识别的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 蛋白质印迹是制备对模板蛋白具有特异选择性功能的分子印迹技术。因受 蛋白质性能的限制，进展相对缓慢，技术尚不成熟，仍需要改进常规的制备和 分析方法来适应蛋白质的物理性质( 如大小，相容性、构象灵活性、水溶性) ， 以提高其稳定性，选择性，位点可接近性，和降低成本效率等。 本工作结合磁性分离速度快和分子印迹技术的预定选择性的优点，以及纳 米结构材料比表面积大传质速度快的优势，采用表面印迹技术首次合成了四种 新型的平均粒径1 0 0 - 4 0 0a m 核一壳型的磁性分子印迹纳米复合体系，并用于 生物大分子的分离识别研究。四种新型的磁性分子印迹纳米复合体系包括： 识别牛血红蛋白的核一壳型磁性分子印迹聚合物纳米粒子，即采用溶胶一凝胶 法制备二氧化硅包覆壳的磁性四氧化三铁纳米粒子，以间氨基苯硼酸作为功能 单体和交联剂，通过过硫酸铵氧化，在二氧化硅修饰的四氧化三铁表面形成聚 间氨基苯硼酸分子印迹聚合物薄层；新型牺牲共价键合牛血红蛋白超顺磁性 纳米印迹聚合物，即以共沉淀法合成的f e 3 0 4 磁性纳米粒子为载体，将其表面硅 烷化修饰氨基基团，利用戊二醛双醛基的特性将其修饰到磁性纳米粒子表面， 而另一端醛基与蛋白质上的氨基基团以亚胺共价键键合，再利用间氨基苯硼酸 进行聚合，合成表面印迹有蛋白质分子的核一壳型超顺磁性纳米聚合物纳米球： 新型磁性牛血红蛋白表面印迹聚苯乙烯纳米粒子，即在包覆二氧化硅壳的磁 性四氧化三铁纳米粒子的表面通过硅烷化试剂接枝聚合聚苯乙烯，通过表面印 迹技术合成出较大粒径的特殊表面形态的超顺磁性表面印迹聚苯乙烯纳米粒 子；超顺磁性的高分散性聚苯乙烯，即用油酸和十二烷基苯磺酸钠为双层表 面活性剂表面修饰f e 3 0 4 磁性纳米粒子，制成稳定的水分散性纳米f e 3 0 4 可聚合 磁流体，在f e 3 0 4 磁流体存在下，将苯乙烯与甲基丙烯酸通过乳液聚合方法制备 了磁性高分子纳米球，再使用间氨基苯硼酸对其进行表面印迹。 通过透射电子显微镜、x 射线衍射、热重分析、振动样品磁强计研究了分子 印迹磁性纳米材料的形态、吸附、识别性能，探讨了分子印迹聚合物对模板蛋 白的识别机理。吸附结果表明聚间氨基苯硼酸包覆分子印迹聚合物的磁性纳米 粒子对模板蛋白质具有高吸附能力和相对低的非特异吸附。这些印迹磁性纳米 粒子克服了整体印迹材料阻碍蛋白质分子扩散的缺点，壳层上具有特异识别位 i 中文摘要 点的分子印迹纳米粒子对模板蛋白质有特殊的选择性和高稳定性，并且能够使 蛋白质分子在较短时间内达到扩散吸附平衡，并可在夕t - j r l 磁场下实现快速磁性 分离。这些结果证明表面为印迹聚合物修饰的超顺磁性分子印迹纳米复合物在 化学和生化分离、细胞筛选、生物传感器、药物传输等领域中具有很好的应用 前景，并能够实现蛋白质组学中高丰度蛋白质的去除和低丰度蛋白质的富集。 基于上述，本工作结合磁性纳米技术、分子印迹技术、电磁学、分析化学 等诸多领域的优势，为研究新型多功能性分子印迹聚合物提供了新的研究思路， 并对磁性分子印迹纳米粒子在蛋白质分离和富集的应用作了初步探讨。 关键词磁性纳米粒子蛋白质分子印迹聚间氨基苯硼酸薄层选择性吸附 i i a b s t r a c t a b s t r a c t p r o t e i nm o l e c u l a ri m p r i n t i n gi sa l le f f e c t i v et e c h n i q u ef o rt h ec r e a t i o no fs p e c i f i c r e c o g n i t i o ns i t e sf o rt e m p l a t ep r o t e i ni nap o l y m e rn e t w o r k i th a so n l yl i m i t e d s u c c e s sa n di t sp r o g r e s sh a sb e e ns l o wd u et os o m ei n h e r e n tl i m i t a t i o n so fp r o t e i n t e m p l a t e t h e r e f o r e ，m o r ei n v e s t i g a t i o n sa r er e q u i r e dt of u r t h e ri m p r o v es e l e c t i v i t y , s t a b i l i t y , a c c e s s i b i l i t yt or e c o g n i t i o ns i t ea n dc o s t e f f e c t i v e n e s so ft h ep o l y m e r , a n d t h ec o n v e n t i o n a lp r e p a r a t i o na n da n a l y s i so fm o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r s ( m i p ) h a s t ob em o d i f i e dt oa c c o m m o d a t et h e p h y s i c a lp r o p e r t i e s o fp r o t e i n ( e g s i z e ， c o m p l e x i t y ，f l e x i b i l i t ya n ds o l u b i l i t y ) i nt h i sw o r k ，c o m b i n i n gs p e e d i n e s so fm a g n e t i cs e p a r a t i o n ，s e l e c t i v i t yo fm o l e c u l a r i m p r i n t i n gt e c h n i q u ea n dh i g hs u r f a c e - t o v o l u m er a t i oa n dg o o dm a s st r a n s p o r to f n a n o - s t r u c t u r e dm a t e r i a l s ，f o u rk i n d so fn o v e lc o r e s h e l l m a g n e t i cm o l e c u l a r l y i m p r i n t e dn a n o c o m p o s i t es y s t e mw i t ha na v e r a g ed i a m e t e ro fa p p r o x i m a t e l y10 0 - - 4 0 0n i nw e r es y n t h e s i z e df o rs e p a r a t i o na n dr e c o g n i t i o no f b i o m a c r o m o l e c u l e sf o rt h e f i r s tt i m eu s i n gs u r f a c ei m p r i n t i n gt e c h n i q u e f o u rk i n d so fn o v e lm a g n e t i c m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dn a n o - c o m p o s i t es y s t e m i n c l u d e ：c o r e - s h e l lm a g n e t i c m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rn a n o p a r t i c l e sf o rr e c o g n i t i o no fb o v i n eh e m o g l o b i n t h em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e db yt h ec h e m i c a lc o p r e c i p i t a t i o no ff e 2 + a n df e ”i na na m m o n i as o l u t i o n s u b s e q u e n t l y , s i l i c aw a sc o a t e do nt h ef e 3 0 4 n a n o p a r t i c l e su s i n gas o l - g e lm e t h o dt o o b t a i ns i l i c as h e l lm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s s u b s e q u e n t l y , 3 - a m i n o p h e n y l b o r o n i ca c i d ( a p b a ) ，w h i c hi s t h ef u n c t i o n a la n d c r o s s - l i n k i n gm o n o m e r , a n dp o l y ( a p b a ) t h i nf i l m s w e r ec o a t e do n t ot h e s i l i c a - m o d i f i e df e 3 0 4s u r f a c et h r o u g ho x i d a t i o nw i t ha m m o n i u mp e r s u l f a t ei na l l a q u e o u ss o l u t i o ni nt h ep r e s e n c eo ra b s e n c eo fp r o t e i n n o v e ln a n o i m p r i n t e d p o l y m e ru s i n gc o v a l e n t l yb o n d e dt e m p l a t em e t h o d f e 3 0 4m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s s y n t h e s i z e db yc h e m i c a lc o p r e c i p i t a t i o nw e r es u r f a c em o d i f i e d a m i n o p r o p y l s i l a n z e d m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw a s f i r s ta l d e h y d ef u n c t i o n a l i z e dw i t hg l u t a r a d e h y d ea n dt h e n r e a c t e dw i t hb h bb yac o v a l e n t l yb o n dt h r o u g hi m i n e g r o u p s c o r e s h e l l s u p e r p a r a m a g n e t i cn a n o - p o l y m e rn a n o s p h e r e s w e r e s y n t h e s i z e d b y i i i a b s t r a c t p o l y ( a p b a ) - c o a t e dt h i nf i l m ；n o v e lb o v i n eh e m o g l o b i ns u r f a c e - i m p r i n t e d p o l y s t y r e n en a n o p a r t i c l e sw i t hm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y p o l y s t y r e n ew a s 孕心e do nt h e t h es u r f a c eo fs i l i c a c o a t e dm a g n e t i ci r o no x i d en a n o p a r t i c l e st h r o u g hs i l y l a t i o n r e a g e n t t h el a r g e rp a r t i c l es i z eo fs u p e r p a r a m a g n e t i cs u r f a c e - i m p r i n t e dp o l y s t y r e n e n a n o p a r t i c l e sw i t ht h es p e c i a ls u r f a c em o r p h o l o g yw e r ep r e p a r e dt h r o u g hs u r f a c e i m p r i n t i n gt e c h n i q u e ；s u p e r p a r a m a g n e t i cm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y s t y r e n e n a n o p a r t i c l e sw i t hh i g hd i s p e r s i o n s u r f a c e - m o d i f i e df e 3 0 4m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s w e r es y n t h e s i z e du s i n go l e i ca c i da n ds o d i u md o d e c y l b e n z e n e s u l f o n a t e ( s d b s ) a s d o u b l e s u r f a c es u r f a c t a n t ，w h i c hc a np r e p a r en a n o s i z e df e 3 0 4m a g n e t i cf l u i dw i t ha s t a b l ea q u e o u sd i s p e r s i o n t h em a g n e t i cp o l y m e rn a n o s p h e r e sw e r ep r e p a r e db y e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o nb yu s i n gs t y r e n ea n dm e t h y l a c r y l i ca c i da st h em o n o m e r w i t ht h ee x i s t e n c eo f m a g n e t i cf l u i da n dt h e ni m p r i n t e dt h i nl a y e ro f p o l y ( a p b a ) w a s c o a t e do nt h e i rs u r f a c e t h em o r p h o l o g y , a d s o r p t i o n ， a n d r e c o g n i t i o np r o p e r t i e s o ft h e m a g n e t i c m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dn a n o m a t e r i a lw e r ei n v e s t i g a t e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ( t g a ) ，a n d v i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) ，a n dt h er e c o g n i t i o nm e c h a n i s mo ft e m p l a t e p r o t e i ni d e n t i f i c a t i o nw a sd i s c u s s e d t h ep r o t e i na d s o r p t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t p o l y ( a p b a ) m i p - c o a t e dm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sh a v eh i g ha d s o r p t i o nc a p a c i t yf o r t e m p l a t ep r o t e i na n dc o m p a r a t i v e l yl o wn o n - s p e c i f i ca d s o r p t i o n d u et o s p e c i f i c r e c o g n i t i o ns i t e sf o rt e m p l a t ep r o t e i no nt h ei m p r i n t e ds h e l lm a k et h i sn a n o p a r t i c l e s w i t hs p e c i f i cs e l e c t i v i t ya n dh i g hs t a b i l i t y , t h ei m p r i n t e dm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sc o u l d e a s i l yr e a c ht h ea d s o r p t i o ne q u i l i b r i u ma n dm a g n e t i cs e p a r a t i o nu n d e ra ne x t e r n a l m a g n e t i cf i e l d ，t h u so v e r c o m i n gt h ed r a w b a c ko fm o n o l i t hm a t e r i a l so fh i n d e r i n g p r o t e i nm o l e c u l e sf r o md i f f u s i o n a 1 lt h e s er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h et h ei m p r i n t e d p o l y m e rc o a t e dm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sc a nb eo n eo ft h em o s tp r o m i s i n gc a n d i d a t e s f o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n s ，w h i c hi n c l u d ec h e m i c a la n db i o c h e m i c a ls e p a r a t i o n ，c e l l s o r t i n g , r e c o g n i t i o ne l e m e n t si nb i o s e n s o r s ，a n dd r u gd e l i v e r ya n dh a sp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nt h es e p a r a t i o na n dd e t e c t i o no fb i o m a c r o m o l e c u l e ss oa st oe n a b l e l l i g ha b u n d a n c eo fp r o t e i nt ob er e m o v e da n dl o wa b u n d a n c eo fp r o t e i nt ob ee n r i c h e d i np r o t e o m i c s i v a b s t r a c t b a s e do nt h ea b o v e ，c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fm a g n e t i cn a n o t e c h n o l o g y , m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n o l o g y , e l e c t r o m a g n e t i c s ，a n a l y t i c a lc h e m i s t r ya n ds of o r t h ， t h i sw o r kp r o v i d e sn e wr e s e a r c hi d e a sf o rt h es t u d yo fn o v e lv e r s a t i l em o l e c u l a r l y i m p r i n t e dp o l y m e r i nt h i sw o r k , t h ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i cm o l e c u l a r l yi m p r i n t e d n a n o p a r t i c l e s i nt h ef i e l do fp r o t e i ns e p a r a t i o na n de n r i c h m e n tw e r ei n i t i a l l y a t t e m p t e d k e y w o r d sm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ；p r o t e i n m o l e c u l a r i m p r i n t i n g ； p o l y ( 3 - a m i n o p h e n y l b o r o n i ca c i d ) t h i nf i l m s ；s e l e c t i v ea d s o r p t i o n v 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 李啉 2 od 尸年6 月夕日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的e p , 帚i 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 李琳 2 0d 罗年o r 月夕日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文颧型确，l 生分手伽乏纳米黔体乐用于生钥大分掀剔痢研宏系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库 。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解直五盔堂图翌焦苤王堡查! 焦旦堂鱼诠塞丝笪堡塑选! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：化孚学阮 作者签名： 李琳 学号：| | 2 - 0 o6o t 35 。 日期：2 d 矽年6 月尸日 第一章绪论 第一章绪论 第一节磁性纳米粒子 1 1 1 纳米材料 1 1 1 1 纳米材料概述 随着科学技术的发展，人类的认知领域由宏观世界逐渐发展到微观世界， 2 0 世纪8 0 年代末期诞生并崛起了一个崭新的科学领域纳米科学。纳米科学 是研究尺寸在o 1 纳米至几百纳米之间物质组成体系的运动规律和相互作用以 及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科学研究的领域是人类过去 从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，即介观领域，开辟了人类认识世界的 新层次，也使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平。这标志着人类 的科学技术进入了一个新时代，即纳米时代。纳米科学以许多现代先进科学技 术为基础，是一门交叉综合学科，一个融前沿基础学科和高科技为一体的完整 体系。 “纳米 ( n a n o ) 不仅仅局限于狭义空间尺度上的意义，而是一种全新的思 维方式和认识方法、研究手段和应用技术。纳米科学作为一门受到越来越多关 注的新兴科学，发展速度之迅猛，作用和影响之深远，令人瞩目和震惊，已经 广泛应用于化学、生物、医学、材料、电子等许多学科领域，初步形成了纳米 化学、纳米材料学、纳米生物医学、纳米电子学等一系列既相对独立又互相联 系的分支学科，纳米材料也因其不同于块状材料的优异性能及广泛的应用前景 而成为当今科学研究的热点之一。 1 1 1 2 纳米材料分类 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的材料，或由它 们作为基本单元构成的复相材料。广义的纳米材料包括零维的纳米粒子、一维 的纳米线、二维的纳米薄膜和超晶格等( 表1 1 ) ；狭义的纳米材料通常指纳米 粒子，尺寸在l - - 1 0 0n i n 之间，此范围处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域， 从通常关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的 宏观系统，是一种典型的介观系统，特殊的结构使其具有特殊的性质。 1 第一章绪论 1 1 1 3 纳米粒子的一般性质 随着物质的超细化，尺寸进入到纳米量级时，其表面电子结构和晶体结构 发生变化，其本身和由它所构成的纳米颗粒产生了普通颗粒所不具备的表面效 应、小尺寸效应、量子效应以及宏观量子隧道效应，从而使纳米材料与常规材 料相比较，派生出一系列优异的物理、化学性质。 1 1 1 3 1 表面与界面效应 纳米粒子尺寸小，表面大，界面多。表面效应是由于球形颗粒的比表面积 与直径成反比，随着粒径的变小，比表面积显著增加。大的比表面使处于表面 的原子数越来越多，同时表面能迅速增加。由于表面原子所处的环境和结合能 与内部原子不同，表面由于周围缺少相邻的原子，有许多悬空键。因为表面能 及表面结合能很大，它易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活 性，从而使表面原子具有高活性，引起纳米粒子表面原子运输和构型变化。 1 1 1 3 2 小尺寸效应 当粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深 度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳 米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特 性均随尺寸减小而发生显著变化。例如，当晶粒尺寸与光波波长相当时，光吸 收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；随着晶粒尺寸的减小，颗粒由 多畴变为单畴，由铁磁性颗粒变为超顺磁颗粒；磁有序态变为磁无序态，超导 相向正常态转变，声子发生改变等。 2 第一章绪论 1 1 1 3 3 量子尺寸效应 当粒子尺寸降到某一值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离 散能级的现象，纳米半导体微粒存在不连续的最高占据分子轨道、最低未被占 据分子轨道能级和能级变宽的现象均称为量子尺寸效应。纳米粒子的量子尺寸 效应表现在光学吸收光谱上则是其吸收特性从没有结构的宽谱带过渡到具有结 构的分立谱带。当能级间距大于某个相应数值时，必然导致纳米粒子磁、光、 声、热、电以及超导电性与宏观特性有显著不同，引起颗粒的磁化率、比热容、 介电常数和光谱线的位移。 1 1 1 3 4 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的一些宏观性质， 例如磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷等亦具有隧道效应，它们可以 穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。 1 1 2 磁性纳米粒子 1 1 2 1 磁性分离技术概述 磁性分离技术是当今在生物化学和生物医学工程领域中发展起来一种新的 分离技术。磁性分离是依据物质的磁性差异，在磁场作用力的驱动下，把磁性 组分从非磁性组分混合物中分离出来的一种分离技术。由于生物体系中的绝大 多数生物分子都是无磁性的，为了给欲分离的目标生物分子赋予磁性，需要预 先制备一种磁性载体颗粒作为运载工具，借助于磁性分离装置，对目标生物分 子进行负载、运载和卸载等分离操作，从而实现目标生物分子的磁性分离过程。 由于磁性分离的简单方便，使得这一技术得到了深入发展。目前，在生物和医 学领域，磁性分离已在细胞分离、免疫检测、靶向药物、固定化酶及亲和分离 等诸多方面展现出重要的应用前景。 理想的磁性分离载体应当具有超顺磁性，即无外磁场时无剩磁，以防止磁 性聚合物颗粒之间由于磁性相互吸引而造成使用过程中的分散问题。它要求分 离载体粒径分布窄、磁性强且大小均一，无磁性颗粒泄漏。同时载体须具有一 定的机械强度和较稳定的化学性质。 3 第一章绪论 1 1 2 2 磁性纳米粒子概述 磁性纳米粒子( m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ，m n p s ) 是2 0 世纪8 0 年代出现的一 种新型材料，磁性纳米粒子的发现使材料性能发生了质的飞跃。磁性纳米粒子 的磁单畴尺寸、顺磁磁性临界尺寸、交换作用长度等在l l o o1 1 i n 范围内，具 有奇异的超顺磁性和较高的矫顽力。磁性纳米粒子的种类很多，较常用的有金 属合金、氧化铁、铁氧体、氧化铬等。 磁性纳米粒子通过表面共聚和表面改性的方法，能与有机物或高分子聚合 物或无机材料相结合形成核一壳结构的磁性复合微球。它既具有磁性，又具有 表面活性基团，能进一步和细胞、酶、蛋白质、抗体及核酸等多种生物分子偶 联。在外加磁场的作用下，磁性纳米粒子能够很方便地与底液分离，具有操作 简便和分离效率高的优点。此外，磁性纳米粒子具有大的比表面积，为修饰多 种高密度分子探针提供了基础，在细胞分离、蛋白质纯化及d n a 分离检测等领 域显示出广阔的应用前景【卜5 1 。 1 1 2 3 氧化铁磁性纳米粒子 应用最多的磁性纳米材料是氧化铁磁性纳米粒子( y f e e o a 、f e 3 0 4 ) 。氧化 铁磁性纳米粒子包括磁铁矿( m a g n e t i t e ) f e 3 0 4 磁性纳米粒子和磁赤铁矿 ( h e m a t i t e ) 7 - f e 2 0 3 磁性纳米粒子( 图1 1 ) 。 f e 3 0 4 是亚铁磁性的黑色晶体，又称磁性氧化体，是电的良导体。f e 3 0 4 是 f e ( i i ) 一f e ( i i i ) 混合氧化态的化合物或f e ( i i i ) 酸盐，化学式为 f e ( i i ) f e ( i i i ) f e ( i i i ) 0 4 ，习惯上仍用f e 3 0 4 表示。f e 3 0 4 是由f e 、f e 、o 通过离 子键而组成的复合离子晶体，具有反尖晶石结构，氧离子形成面心立方最紧密 堆积，两种铁离子分别占据四面体间隙和八面体间隙。 ) - f e 2 0 3 的颜色及条痕均为褐色，具有强磁性。，- f e 2 0 3 是等轴晶系，属五角 三四面体晶类，多呈粒状集合体，致密块状。磁赤铁矿主要是磁铁矿在氧化条 件下经次生变化作用形成。磁铁矿中的f e 2 + 完全为v d + 所代替( 3 f e 2 + _ 2 f e 3 + ) ， 所以有1 3f e 2 + 所占据的八面体位置产生了空位。 4 第一章绪论 c ) 图11 时磁铁矿晶体形态：b ) 磁铁矿晶体内部结构( 太个的红球代表氧离子，蓝色和黄 色小球是八面体和四面体中的铁离子) ；c ) 赤铁矿晶体形态。 1 l2 4 磁性纳米粒子的特殊性质 ( 1 ) 超顺磁性 超顺磁性是指在外加磁场下有很好的磁响应性，当撤消磁场后没有剩磁和 矫顽力为零的现象。纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态。无外加 磁场时，原子做无规则热振动，由于粒子太小，热运动抵消磁性能，因而磁矩 无规则取向，宏观没有表现出磁性 外加磁场作用下，每个原子磁矩取向规则， 从而产生磁性；去除外磁场后热运动又抵消磁性能，恢复到磁畴的无规则取 向状态。不同磁性材料进入超顺磁性的临界尺寸各不相同。 ( 2 ) 高矫顽力 当磁性纳米粒子的尺寸处于单畴临界尺寸时，每个粒子( 单个磁畴) 相当 于一个很小的永磁铁，要想使永磁铁去磁，必须使每个粒子的整体磁矩反转， 5 第一章绪论 这需要加一个很大的反向磁场，因此此时纳米粒子表现出非常高的矫顽力【6 】。 ( 3 ) 磁化率 顺磁性材料的磁化率x 随温度升高而减小，满足居里- # y 斯定律： z = 矗 d 式中z 为磁化率，c 为居里常数，r 为绝对温度，疋为一具有温度量纲的常数， 反映了磁性原子之间尚有一定的相互作用。然而具有超顺磁性的纳米粒子，其 磁化率不仅仅与温度有关，还和纳米粒子中电子的奇偶数密切相关。当电子数 为奇数时，磁化率服从居里- # y 斯定律；而当电子数为偶数时，磁化率不再服 从居里一外斯定律，而是与热运动的动能成正比【7 】。由于磁性纳米粒子特殊的磁 性性质，使得这些粒子在磁记录材料、磁性液体、生物医学、传感器、催化、 永磁材料、颜料、雷达波吸波材料以及其它领域有着广阔的应用前景。 1 1 2 5 磁性纳米粒子的制备方法 生化及医学等领域对m n p s 的物理、化学及药理学性质如化学组成、粒度 大小、晶体结构、磁功能、表面形貌、吸附性、溶解性及低毒性都有严格要求。 研究高分散、粒度分布均匀，并能方便地进行表面化学修饰的氧化铁m n p s 的 合成方法具有重要的意义。磁性纳米粒子的制备是其应用的基础，目前制备技 术已经日趋成熟。它可以控制颗粒尺寸的大小、分布、成份组成，甚至性能， 并且发展了许多种合成和制备方法，通常可分为化学法和物理法( 表1 2 ) 。 表1 2 磁性纳米粒子制备方法 化学法 制备方法基本原理方法特点合成粒子 6 第一章绪论 水解法利用金属盐溶液在水解剂中 发生水解，经加热分解后制备 氧化物磁性纳米粒子。实验上 用水解法制备f e 3 0 4 纳米粒子 的方法育两种，一种是m a s s a r t 水解法，另一种是滴定水解 法。 制得的粒子纯度高、粒径f e 3 0 4 小、粒度分布窄。由滴定 水解法制得的f e 3 0 4 纳米 粒子为球形结构，粒径分 布比较窄。而由m a s s a r t 水解法得到的f e 3 0 4 纳米 粒子的外形不很规则，且 粒径分布比较宽。 溶胶一凝胶向金属醇盐或无机盐溶液中反应温度低，制备的纳米l i m n 2 0 4 、f e 6 5 n i 3 l c 0 4 、 ( s 0 1 g e l ) 法 加入溶剂、催化剂、螯合剂等，粒子粒径小、粒径分布f e 6 5 n i 3 5 、c 0 1 , f e 2 + 。0 4 、 经水解、缩聚形成无流动性的窄、化学活性大、形貌可y f e 2 0 3 、f e 3 0 4 金属氧化物或金属氢氧化物控，可以制各混合纳米粒 均匀溶胶，再于一定的条件下子，但成本较高、工艺周 浓缩成透明凝胶，然后经加热期长，颗粒表面容易携带 ( 或冷冻) 干燥、焙烧，去除有凝胶基体组织成分。 机成分，得到纳米粒子。 微乳液 将金属盐和一定的沉淀剂形 成微乳状液，在较小的微区内 控制胶粒成核和生长，经过热 处理后得到纳米粒子。根据连 续相的不同可分为正相微乳 液( o w ) 、反相微乳液( w o ) 和双连续相微乳液。 可以通过调整微乳液的 组成和结构，实现对粒子 尺寸、形态、结构及物性 的调控，反应物分别以胶 束中的微小液滴形式供 给，从而抑制了因局部过 饱和导致的微粒团聚现 象，制得的粒子分散性 好。实验装置简单、操作 方便、能耗低、应用领域 广、颗粒表面附着的活性 剂难以除去、产最较少。 a - f e 、铁纳米粒子、过渡 金属( f e 、c o 、n i ) 一类金 属( b 、p ) 非晶态合金纳米 粒子，如f e b 、c o b 、 f e c o - b 、f e - n i b 、c o p t b 和c o f e 2 0 4 、钡铁氧体、 f e 3 0 4 7 第一章绪论 溶剂热法该法实在水热法的基础上发溶剂热条件下，存在着溶f e 3 0 4 展起来的，即在密闭容器内，剂的快速对流与溶剂的 以有机物或非水溶媒为溶剂，有效扩散，消除了物料的 在一定温度和溶液自生压力质量传输；反应条件非常 下，原始混合物进行反应合成温和，可以合成亚稳相， 粒子。反应驱动力是可溶的前发展新的合成路线；相对 驱物或中间产物与稳定新相低温环境有利于生长极 间的溶解度差。少缺陷、热应力小、完美 的晶体，并能均匀地进行 掺杂以及易于控制产物 晶体的粒度；能有效避免 表面羟基的存在。 多元醇还原采用高温液相还原法( 2 0 0 c ) ， 粒子高度分散、粒径单一p t 3 c o 、c o 、f e p t 法 通过调节两种不同表面活性性好、粒径分布较窄。 剂的含量，制备出粒径均匀、 尺寸分布在l 5n m 的钴磁性 纳米粒子。利用羰基铁和乙酰 丙酮合铂在高温液相中的还 原反应制取直径4n m 的f e p t 磁性纳米粒子，在表面活性剂 的保护下粒子呈现单分散状 态。 8 第一章绪论 化学气相沉以挥发性的金属氢化物、卤化 积法( c v d ) 物或金属有机物为原料，通过 热源、电子柬、激光气化或诱 导蒸发成气相，或用适当的气 体( 高纯h e ) 作载体，在气相中 进行化学反应，在液氮冷却的 衬底上沉积，形成所需要的材 料。 设备简单，反应条件易控 制，产物易精制，只要控 制反应气体和气体的稀 薄程度就可得到少团聚 或不团聚的超细粉末，颗 粒分散性好、粒径小、分 布窄，能连续稳定生产， 且能耗少，可工业化生 产。 用金属氯化物与氧气或 水蒸汽反应可制取 a = f c 2 0 3 纳米粒子；以 f e c p 2 d 2 一a r 为物源体系 制取a f c 2 0 3 粒子；以含 f e ，c o 的s i 0 2 气凝胶为 催化剂，合成了碳包覆铁 钴磁性纳米粒子 等离子蒸发由载气携带的原料进入等离 法子室，经过高频磁场电离气体 所产生的等离子体加热，反应 生成纳米粒子。 制备的磁性纳米粒子纯 度较高、成分可控，粒度 分布窄、磁性能良好、可 制备纳米粒子的种类多。 f c = c o 、f e n i 、c o n i 、 f e c o - n i 多种方法结将两种或者两种以上的方法可以克服单一应用一种将电化学方法与微乳液 合使用相结合制备磁性纳米粒子。方法制备磁性纳米粒子法结合，用f e 作阳极， 时易团聚等缺点。p t 箔作阴极，以阳离子表 面活性剂溶液作电解液， 制得不同形状及大小的 t = f e 2 0 3 纳米粒子。将溶 胶凝胶法和超声技术结 合在一起，以一种新的二 价铁醇盐为前驱体分别 制备f e 3 0 4 和7 - f e 2 0 3 纳 米颗粒。利用非溶剂媒一 温度控制一诱导结晶伴随 超声波作用的方法制备 磁性纳米颗粒 9 第一章绪论 1 1 2 6 磁性纳米粒子的表面改性 氧化铁m n p s 相互之间由于磁性吸引和范德华力作用产生团聚现象，为了 有效地稳定氧化铁m n p s ，通常需要在其表面引入高密度的保护分子作为稳定 剂。磁性纳米粒子保护层可以是无机材料、有机分子或聚合物。 由于纳米颗粒的表面疏水性及大的体表比，它在生物体内容易团聚，吸附 血浆蛋白，容易被网状内皮系统( r e s ) 清除【8 】，所以需要对纳米颗粒进行表面 改性，增大亲水性，延长循环半衰则9 1 。表面涂层不仅能增加颗粒的稳定性，还 可以与多种生物配位体结合 1 0 】。可用于表面改性的物质很多，一般为有机物， 也有无机物和蛋白质或抗体等( 表1 3 ) 。纳米颗粒表面改性的方法通常是将纳 米颗粒置于有机物溶液中，搅拌或超声波作用后，在某温度下保温一段时间，最 后通过离心和再次超声得到磁性微球【1 1 1 3 】。有些在纳米颗粒制备的同时进行表面 改一l 生【1 4 1 。 1 0 第一章绪论 表1 3 用于磁性纳米颗粒表面改性的聚合物分子及其优点与应用 第一章绪论 聚乙烯基吡咯烷酮f e 3 0 4 防止团聚，增加单分散性。 聚( 2 二甲基胺) 乙基) 甲基f e 3 0 4 防止团聚，增加单分散性。 丙烯酸酯 聚(