（生物医学工程专业论文）功能化碳包覆磁性纳米复合材料的合成、表征及性质研究.pdf

a b s t r a c t d u et ot h e h i 。曲s u r f a c e - t o - v o l u m er a t i o ，r e l a t i v e l yg r e a t s a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o nv a l u e sa n de a s i l ys u r f a c ef u n c t i o n a l i z a t i o no ft h em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e ， i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ei m m o b i l i z a t i o no fp r o t e i n sa n de n z y m e s ，d r u gd e l i v e r y a n dt a r g e t i n g ，c e l ls e p a r a t i o n ，b i o i m a g i n ga n ds oo n s u r f a c e m o d i f ya r e o f t e n e m p l o y e dt op a s s i v a t et h es u r f a c eo ft h en a n o p a r t i c l e sd u r i n go ra f t e rt h es y n t h e s i st o a v o i da g g l o m e r a t i o n c a r b o ns e e m st ob ea ni d e a lc o a t i n go w i n gt oi t sl o w e rr e a c t i v i t y , m u c hh i g h e r c h e m i c a la n dt h e r m a ls t a b i l i t ya sw e l la sb i o c o m p a t i b i l i t y a m i n e - m o d i f i e dc a r b o n m i c r o s u b - m i c r o t u b e st h a t e n c a p s u l a t em a g n e t i t e c o r e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d b e f o r e h o w e v e r , i tw a sf o u n dt h a tt h ed i m e n s i o no fm a g n e t i cp a r t i c l e si sv e r yl a r g es o t h a tc a n n ta p p l i e sm a g n e t i cc o m p o s i t en a n o p a r t i c l e sf o ri nt h eb i o l o g i c a l i nt h i s p a p e r , c a r b o nc o a t e ds u p e r p a r a r n a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e db y h y d r o t h e r m a lm e t h o db a s e do nt h er e a c t i o no ff e 玎o c e n ea n d2 ，4 ，6 - t r i c h l o r ob e n z o i c a c i d ( t c b a ) i nt h eo n e - s t e ps y n t h e t i cp r o c e s s ，a sc o n f i r m e db ys e m 、t e m 、x r d 、 x p s 、e d s 、z p o t e n t i a l 、v s ma n ds oo n m o n o d i s p e r s ec a r b o x y lf u n c t i o n a lc a r b o n c o a t e dm a g n e t i cn a n o c o m p o s i t e s ( c c m n p ) f a b r i c a t e db yt h i sm e t h o di sv e r yu n i f o r mi ns i z eo f c a 6 0a ma n di n h e r i ts u p e r p a r a m a g n e t i c t h ee x i s t e n c eo fc a r b o x y lg r o u p sr e v e a l st h a ta f t e r t h eh y d r o t h e r m a lr e a c t i o n ，w h i c hf a c i l i t a t et h es u r f a c et ob i n db i o m o l e c u l e si nf u t u r e a p p l i c a t i o n t h ec o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 、t h ed e c o m p o s i t i o no faf e r r o c e n e h e x a b r o m o b e n z e n em i x t u r ei no r g a n i c s o l v e n ti nt h ep r e s e n c eo fa m m o n i a u s i n gas o l v o t h e r m a lm e t h o dh a sb e e np e r f o r m e d t op r e p a r ec m t se n c a p s u l a t e dw i t hm a g n e t i t ec o r e s a m m o n i ai nt h er e a c t i o ns y s t e m p l a y sak e yr o l ei nt h ef o r m a t i o no ft h em i c r o t u b em o r p h o l o g ya n dw a st h es o u r c eo f t h es u r f a c ef u n c t i o n a l i z a t i o ng r o u p s t h es u r f a c eo ft h eo b t a i n e dm e - c m t si s a b s t r a e t f u n c t i o n a l i z e d 、析t l la m i n og r o u p st h r o u g ht h es y n t h e t i cp r o c e s si no n es t e p f i t ch a s b e e nc o n j u g a t e dt ot h en h 2 - h - c m t sb yat h i o u r e ab o n d ，w h i c hc o n f i r m st h e r e a c t i v i t yo ft h ea m i n og r o u p so nt h es u r f a c eo ft h em i c r o t u b e s t h ei n s i d em a g n e t i t e c o r e sa r ew e l lp r o t e c t e db yt h ec a r b o ns h e l l e t c h i n gb yh c is o l u t i o nt or e m o v et h e i n s i d ec o r e sg i v e sr i s et oh o l l o wc m t s 2 、 c a r b o x y l m o d i f i e d c a r b o ne n c a p s u l a t e dw i t h m a g n e t i t e c o r e sw e r e s y n t h e s i z e db yd e c o m p o s i n gaf e r r o c e n e t c b ai nh y d r o t h e r m a lm e t h o di no n e - s t e p p r o c e s s m o n o d i s p e r s ec c m n pf a b r i c a t e db y t h i sm e t h o di s v e r yu n i f o r m ， m o n o d i s p e r s e a n d ，h i g hp u r i t y , i n h e r i tt h er e a c t i v i t ya n ds t a b i l i t y h i g i ls u r f a c ec h a r g e c o u l dp r o v i d es t a b i l i t yf o rt h en a n o p a r t i c l e sa g a i n s ta g g r e g a t i o na n dc l u s t e r i n g t h em o s t i m p o r t a n tc o n t r i b u t i o no ft h i sw o r ki st oi n t r o d u c eas i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o db y w h i c ht h es u r f a c eo ft h ec a r b o ni sf u n c t i o n a l i z e dw i t t lc a r b o x y lg r o u p s a n dt h e m e t h o dh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e so v e ro r d i n a r yo n e s ，t h u so p e n i n gt h ew a y sf o rt h e c o n t r o l l e dm a s sp r o d u c t i o no fc a r b o nc o a t e dm a g n e t i c - m e t a ln a n o p a r t i c l e s 3 、t h e s en a n o p a r t i c l e sc o v a l e n t l yb o u n d 、析t l lh e p a t i t i sbs u r f a c ea n t i b o d y ( h b s a b ) w e r eu s e dt od e t e c th e p a t i t i sb s u r f a c ea n t i g e n ( h b s a g ) i ne n z y m e - l i n k e d i m m u n o s o r b e n ta s s a y ( e l i s md u et ot h ea m i n og r o u pa n dt h eh i g hc a r b o x y lg r o u p d e n s i t yo nt h e i rs u r f a c e s c a r b o x y lf u n c t i o n a lc c m n p a st h ec a r r i e r , as e n s i t i v es a n d w i c h m e t h o dt od e t e c tt h eh b s a bw a se s t a b l i s h e da n d h r p - l a b e l e da n t i h b s a ga n t i b o d y k e y w o r d s ：m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e ，c a r b o nn a n o p a r t i c l e s ，i m m u n o s o r b e n ta s s a y i i i 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人c ：静虢甫 1 年口臼雪户j 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ， ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) 剖黜身 唧年厂月。尸日l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纳米技术及纳米材料简介 随着科学技术的发展，人类的认知领域由宏观世界逐渐拓展到微观世界，从 而形成了一门新的科学技术纳米科学技术( n a n o s e i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) ，纳米 科学技术是研究尺寸在o 1 1 0 0n i l 之间物质组成的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。 纳米科技发展速度之迅猛，作用和影响之深远，令人瞩目和震惊，在短短一、 二十年间，已经广泛渗透于化学、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【l - 3 】。 纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物体交界的过渡域，是介于宏观物质与微 观原子或分子间的过渡亚稳态物质，随着物质的超细化，其表面电子结构和晶体 结构发生变化，产生了普通颗粒所不具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量 子隧道效应以及表面与界面效应附】，从而使纳米材料与常规材料相比较，具有 一系列优异的理化性质。 1 1 1 量子尺寸效应 当微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能 级，吸收光谱阀值向短波方向移动，这种现象称为纳米材料的量子尺寸效应。根 据久保理论金属超微粒子的能级间距6 为：6 = e f 3 n 其中，廓为费米能级，为金属微粒中的价电子数。能级的平均间距与物体 的微粒子中的自由电子总数成反比，当n 趋近于无穷大时，即对大颗粒或宏观 物体而言，能级间距趋近于零，电子处于能级连续变化的能带上，表现在吸收光 谱上为一连续谱带。对于纳米微粒，n 的数值较小，使得能级间距有某一定值， 能级发生了分裂，其吸收光谱变成具有分立结构的线状光谱。当能级间距大于热 能，磁能，静电能，光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须考虑量子尺寸效应， 这会导致纳米粒子磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。 1 1 2 小尺寸效应 第一章绪论 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。如磁有序态向无序态、超导相向正常相的转变以及声 谱改变等，这种现象称为小尺寸效应。 1 1 3 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。人们发现纳米粒子的一些宏观 性质，例如磁化强度、磁通量及电荷等亦具有隧道效应，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。宏观量子隧道效应与量子尺寸效应一 起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带、磁盘进行信息 储存的最短时间。 1 1 4 表面与界面效应 纳米粒子尺寸小，表面积大，界面多。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，例如粒径为1 0 衄时，比表面积为9 0 m 2 g ：粒径为5n i n 时，比表面积为1 8 0m 2 g ；粒径下降到2n l t l 时，比表面积猛 增到4 5 0m 2 g 。随着比表面的增大，处于粒子表面的原子数越来越多，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，表面原于周围缺少 相邻的原子，有许多悬空键，表面能及表面结合能很大，易与其它原子相结合而 稳定下来，故具有很大的化学活性，从而使这些表面原子具有高的活性，易引起 纳米粒子表面原子运输和构型变化。 将纳米材料的以上的理化特性将应用于医学领域即纳米生物医学技术，它成 为纳米科技领域最引人注目、最有生命力的发展方向之一。其主要研究内容有i 在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构与功能的关系，获取生命信息，开发物 质潜在的信息结构潜力；按照人们的意愿合成、制备具有特定功能的生物学大分 子，使基因工程变得更加可控；在分子水平上认识和理解病变机理；研制可以直 接插入活细胞内进行探测的纳米级微型探测器和分子机器人，以大幅度提高医学 诊断、疾病检测与治疗的精度和效果；制备以及应用生物医用纳米材料等等。纳 米生物医学中的纳米材料的种类极其繁多，具体功能和应用目的也各异，例如， 2 第一章绪论 具有很好生物相容性的纳米碳材料、主要用于药物控制释放载体及介入性诊疗的 纳米高分子材料以及大量的无机功能纳米材料等等。其中无机功能纳米材料中用 于标记的纳米材料，在使用中具有稳定性和可控性好、灵敏度高、可同时进行多 重标记、简便等优点，而且，基于纳米技术可方便地开发出多功能纳米标记材料。 随着各种微观表征、表面分析仪器与应用技术的快速发展，关于这类材料的研究 成果日新月异。其中纳米碳材料和磁性纳米材料是研究得较多的两大类。 1 2 磁性纳米材料的概述 纳米磁性材料是2 0 世纪8 0 年代出现的一种新型材料。纳米磁性材料的发现 使材料性能发生了质的飞跃。软磁性材料进入纳米微晶态时具有高磁导率、低损 耗、高饱和磁化强度等优异性能；磁性纳米颗粒当其尺寸达到某一临界尺寸或者 临界尺寸之下时表现出超顺磁性。纳米磁性材料可以用于润滑剂、磁制冷材料、 纳米信息存储材料等【4 】，此外，基于纳米磁性颗粒的合成高分子磁性微球在药物 载体和医疗诊断等生物医学方面的应用前景越来越引起人们的重视【7 1 1 1 。磁性纳 米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于磁相关的特征物理长度恰 好处于纳米数量级，例如，超顺磁性、高矫顽力和低居里温度等。磁单畴尺寸， 超顺磁临界尺寸，交换作用长度以及电子平均自由路径等大致处于l 1 0 0n m 数 量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现出反常的磁性质。 1 2 1 磁性纳米材料的合成方法简介 磁性纳米材料可应用在磁流体【1 2 1 、彩色成像【1 3 】、磁记录材料以及生物医 学 1 5 , 1 6 领域，如蛋白质固定、细胞分离、靶向药物等方面 1 7 , 1 8 1 。单纯的磁性纳米 粒子易于团聚、生物兼容性差【1 9 】，因此，制备超小粒径、分散性好的磁性纳米颗 粒具有十分重要的应用价值。 一般要满足的基本要求口o 】； ( 1 ) 无毒性； ( 2 ) 在生物环境中足够的化学稳定性； ( 3 ) 在血液中合适的循环时间； ( 4 ) 生物降解产物无害。 另外，对其磁学性能也有一定的要求： 3 第一章绪论 ( 1 ) 具有高磁化率，使材料的磁性较强【2 1 1 ，一般为铁磁性纳米颗粒； ( 2 ) 颗粒尺寸为乱1 5n m 2 2 1 ( 当颗粒直径小于1 5n m 时，就变为单磁畴磁体 而具有超顺磁性并且饱和磁化强度很高【2 3 1 ) ； ( 3 ) 具备超顺磁性【2 4 1 等。 作为磁性纳米粒子家族中的重要一员，f e 3 0 4 纳米粒子的制备倍受关注。由 于其毒性低、原料易得及较高的磁饱和强度，f e 3 0 4 纳米粒子是目前研究得最多 的磁性纳米粒子之一。制备f e 3 0 4 ，y f e 20 3 超顺磁的方法主要包括有共沉淀法 2 5 - 3 0 】、溶胶凝胶法【3 1 3 4 1 、微乳剂法【3 5 3 8 1 、多元醇澍3 9 。4 3 1 、高温分解法 4 4 4 5 1 、水 热法【4 6 1 。 共沉淀法是液相化学反应合成金属氧化物纳米颗粒最早采用的方法。通过简 单的添加和改变反应条件，例如化学还原、光还原，氧化、水解等，沉淀反应还 可以演化成多种形式。另外，改变反应体系的其它参数，如温度和浓度，也会影 响产物的溶解度。但是，这种简单的沉淀反应不能保证得到的产物一定都是纳米 颗粒或是单分散的颗粒。成核和生长的过程决定了沉淀反应产物的尺寸和形貌。 当沉淀反应一开始，大量的小晶核就形成了( 成核) ，但是它们很快就聚集在一 起，形成更大的热力学稳定的颗粒( 生长) 。 溶胶凝胶法是另一类重要的制备纳米复合材料的方法。该方法不仅可以用 来制备无机氧化物纳米材料，还可以制备有机无机的杂化复合材料。传统的溶 胶凝胶法一般采用有机金属醇盐为原料，通过水解、聚合、干燥等过程得到固 体材料，最后再经适当热处理得到纳米材料。由于采用金属醇盐为原料，使该方 法成本较高。此外，凝胶化过程较慢，因此一般合成周期较长。一些不容易通过 水解聚合的金属如碱金属较难牢固地结合到凝胶网络中，从而使得该方法制得的 纳米复合氧化物种类有限。 一般情况下，研究将两种互不相溶液体在表面活性剂作用下形成的热力学稳 定的、各向同性、外观透明或半透明、粒径l 1 0 0n m 的分散体系称为微乳液。 在微乳体系中，用来制备纳米粒子的一般是w o 型体系，该体系一般由有机溶 剂、水溶液、活性剂、助表面活性剂4 个组分组成。w o 型微乳液中的水核中 可以看作微型反应器( m i c r o r e a c t o r ) 或称为纳米反应器，反应器的水核半径与 体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系，若令w = i - 1 2 0 】【表面活性 剂】，则由微乳法制备的纳米粒子的尺寸将会受到w 的影响微乳反应器作为一种 4 第一章绪论 新的制备纳米材料的方法，具有实验装置简单，操作方便，应用领域广，并且有 可能控制微粒的粒度等优点。 热分解法制备f e 3 0 4 纳米粒子是目前较好的制备单分散磁性纳米粒子的方 法，由于反应温度高，反应物纯净，往往得到结晶度高，磁饱和强度较好的磁性 纳米粒子。比较常用的前躯体是铁的有机配合物，例如五羰基铁f f e ( c o ) 5 ) ，油 酸铁( f e ( o l e a t e ) 5 ) ，乙酞丙酮铁( f e ( a c a c ) 5 ) 等。在上个世纪，热分解法使用比较多 的前躯体是五羰基铁，但是由于五羰基铁毒性比较大，因此在现在的实验中慢慢 减少了使用的频率。目前使用较多的为油酸铁和乙酞丙酮铁。 水热法是指在特制的密闭反应容器( 高压釜) 里，采用水溶液作为反应介质， 通过反应容器加热，创造一个高温高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质 溶解并且重结晶。与其他制备方法相比，水热法具有比较明显的优点，水热合成 反应在较低的温度下( 一般低于2 5 0 。c ) 进行，通过控制热液条件，如反应温度， p h 值，反应物浓度及表面活性剂的量等可以控制晶体的组成、尺寸和形状。恫 时水热合成中的再结晶过程使得产物有很高的纯度，并且反应中所需的仪器设备 较为简单，反应过程也较为简便 4 l 4 3 1 。对于制备f e 3 0 4 粒子来说，水热法有较 为明显的优点，一是相对高的温度有利于产物磁性能的提高，二是在封闭容器中 进行，产生相对高的压强并避免了组分挥发，提高产物纯度。 1 2 2 磁性纳米复合材料 当f e 3 0 4 纳米粒子平均粒径3 0n l n 时具有超顺磁性；通过适当的反应条 件，现已能够制备出几到几十纳米的f e 3 0 4 纳米晶，但要制得分散性能优良的纳 米粒子还有一定困难【4 9 1 。 纳米颗粒本身表面疏水性及大的体表比，使得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【5 0 】，所以需要对纳米颗粒进行表面改 性，增大亲水性，延长循环半衰期【5 1 】。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。由两种或两种以上的无机纳米材料构建的多 功能纳米结构，或是由纳米颗粒与高分子材料或是二氧化硅等无机材料组成的复 合物近年来成为研究的重点。复合物中的核壳结构因其壳能有效的改变核的性 质，使得这种复合粒子表现出壳的表面性质，同时保持了核的独特性质，例如电、 光、磁等，从而实现单体系多功能的同时应用【5 2 1 。其中，磁性微球根据其组成材 5 第一章绪论 料的不同可分为磁性高分子微球、磁性生物大分子微球和磁性无机微球等。其中 磁性高分子微球和磁性生物大分子微球研究较多，制备磁性复合微球的方法主要 包括分散聚合瞪3 1 、乳液聚合【5 4 1 、无皂乳液聚合醐、细乳液聚合 5 6 - 5 s l ，尽管大 部分的研究集中在高分子微球中，但是碳包裹磁性粒子近来引起人们的关注。 纳米碳材料具有很好的生物相容性性在近期的研究中得到证实，碳包覆金属 纳米颗粒由于表层由碳组成，而碳是一种安全无毒的前驱体材料。随着1 9 9 1 年 发现可填充物质的碳纳米管以来，碳壳或碳纳米管包覆第二相物质的纳米颗粒已 引起研究者的极大兴趣。由于碳壳或碳纳米管可以在很小的空间禁锢金属物质， 可避免环境对纳米材料的影响，解决了纳米金属粒子在空气中不能稳定存在的问 题；另外由于碳包覆层的存在，有望提高某些金属与生物体之间的相容性，因而 在医学方面具有广阔的应用前景，如：固定化酶；靶向药物；免疫分析；磁控栓 塞等方面。核一壳结构碳纳米颗粒的主要制备方法有电弧放电法【5 9 1 、化学气相沉 积法【6 0 】、热解法【6 、爆炸法【6 2 1 、液相浸渍法【6 3 1 和水热法1 6 4 等。 s u n 等 6 4 1 通过水热方法，以葡萄糖为碳源，制备了不同金属氧化物内核的核 一壳结构碳纳米颗粒。此外，也有报道将聚合物单体在纳米颗粒表面原位聚合， 形成聚合物包覆核一壳结构，再通过高温热处理获得碳壳层【6 5 1 。l u 等碉以有机 表面活性剂为碳源，制备了碳包覆的磁性纳米颗粒。 1 2 3 磁性纳米复合材料表面官能团的引入 正如上述提到的，一个磁性粒子的保护层不仅可以粒子，而且可以防止粒子 沉降，还有一点可以为粒子表面提供活性官能团以便更好的应用。磁性纳米复合 材料根据其组成材料的不同可分为磁性高分子微球、磁性生物大分子微球和磁性 无机微球等。前两者表面官能团引入的研究较多，如i m a n l 6 7 等人采用紫外光照 射法在磁性聚苯乙烯微球表面产生羧基；s h i n k a i 6 8 】等人用3 - 氨丙基三乙氧基硅 烷与铁氧化物在甲苯中反应，引入氨基。但碳材料由于高度的石墨化结构使其表 面反应活性很低具有高的化学惰性，这一特点使其在催化和生物医药领域有广泛 的应用前景。但是碳材料表面的高疏水性限制了其应用范围，表面修饰改性是有 效的解决办法【6 9 1 。 磁性载体表面带有反应性官能团( 如- - o h ，- - c o o h ，一n h 2 等) ，通过适 当的处理，可以在磁性载体的表面引入所期望的配基，使其表面活化以达到提高 6 第一章绪论 选择性的目的。通常在碳管表面引入功能化基团的方法，如浓硝酸回流删或y 射 线辐射p 1 1 ，可以使碳管表面的碳一碳双键被氧化从而形成羧基或羟基，但同时管 壁的结构也会被破坏，碳管的力学或电学性质也会受到影响【7 2 , 7 3 】。水( 溶剂) 热 反应可以在较低的温度下制备碳材料，碳源中的有机基团如果在反应后还能够保 留下来( 如淀粉和葡萄糖分子中的羟基) 畔】，则在制备过程中就能够完成碳材料 的表面功能化，避免了常规方法对材料结构的破坏。 1 3 磁性纳米复合材料的应用 磁性纳米材料由于具有的小粒径、超顺磁性以及毒副作用小等性质被广泛应 用于工业领域、生物医学、电子信息等领域。主要应用的领域有工业领域包括磁 性液体、磁记录材料、磁光材料、催化剂；生物医学方面应用归纳起来可以分为 疾病的诊断、疾病的治疗、药物载体和生物分离等。在此，本论文主要介绍磁性 纳米材料在生物医学方面的应用。 1 3 1 疾病的诊断 当磁性纳米粒子的粒径小至一定尺寸时表现出超顺磁性，即在较弱的磁场中 可以产生较大磁性，而当外磁场撤消后磁性又迅速消失，利用这种性质磁性纳米 粒子可用作磁共振成像造影剂。j a r d a n 等【7 4 】根据具有超顺磁性的物质在病变和正 常组织间的分布量不同、利用磁性物质对x 射线的阻挡作用及在外磁场作用下 的磁化率效应，制得各种造影剂，为最大程度地提高病灶与周边结构的对比度、 临床定性或定量诊断提供客观依据，基于这个依据，可以进行癌症诊断。另外 j o s e p h1 7 5 1 和w a d g h i r i 【7 6 】用磁性纳米颗粒偶联与脑内老年斑特异性结合的淀粉样蛋 白，通过核磁共振的方法对老年痴呆症进行了早期诊断研究。目前d y ( 镝) d t p a 、g d ( 钆) d t p a 是应用最为广泛的g d 类小分子细胞外间歇非特异性分 布造影剂【7 7 1 。 1 3 2 靶向药物 用纳米磁性材料治疗是先制成载药磁性纳米微粒。载药磁性纳米微粒是由药 物、磁性颗粒及骨架材料组成，其在外磁场引导下通过静脉、动脉导管和口服给 药或直接注射等途径选择性到达并定位于肿瘤靶区，药物以受控的方式释放，然 7 第一章绪论 后在肿瘤组织细胞或亚细胞水平发挥药效，而对正常组织无影响或影响较小，从 而达到降低药量、减小毒性、提高疗效的目的【7 舡8 0 1 。w i d d e r 等【8 1 , 8 2 1 用体内模型 证实了蛋白质磁性微球的药物靶向效应。以磁性微球为药物载体，在外磁场的作 用下，通过动脉注入到肿瘤组织，把载体定向到肿瘤部位( 靶位) ，使所含药物得 到定位释放，集中在病变部位发生作用，其优点是高效、速效、生物相容性。例 如z h a n g 等8 3 1 在磁性纳米f e 2 0 3 微粒表面包覆蛋白质并携带药物，注射入人体血 管，通过磁场导航运输到病变部位释放药物，可减少肝、脾、肾等由于药物产生 的副作用。他们也报道利用磁性粒子携带药物治疗恶性肿瘤，在药效增加的同时， 副作用很小。当纳米粒子小到一定程度时，甚至可以突破血脑屏障，治疗脑部疾 病。 1 3 3 疾病的治疗 载药磁性纳米颗粒中的纳米磁性粒子对电磁波有特殊吸收率，在交变磁场 ( a l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l d ，a m f ) 作用下定位于靶区的纳米磁性粒子能强烈吸收电 磁波能量而迅速升温至有效肿瘤治疗温度，从而抑制肿瘤组织生长，甚至使肿瘤 消失，而无磁性粒子的正常组织则不受损伤 s 4 , s 5 】。s h i n k a i 等用卵磷脂包裹纳米 f e 3 0 4 制成磁性脂质体，表面偶联能与癌细胞特异性结合的单克隆抗体，注射进 血液后经磁场导向至肿瘤部位，通过抗原与抗体的特异性相互作用与癌细胞结合 后，施加高频磁场，即可使癌细胞的温度升至4 2 4 5 ，从而将其杀死，获得了 良好的癌症治疗效果。 1 3 4 免疫检测 由于磁性纳米颗粒性能稳定，较易制备，可与多种分子复合使粒子表面功能 化，如果磁性颗粒表面引接具有生物活性的专一性抗体，在外加磁场的作用下， 利用抗体和细胞的特异性结合，就可以得到免疫磁性颗粒，利用它们可快速有效 地将细胞分离或进行免疫分析，具有特异性高、分离快、重现性好等特点，同时 磁性纳米颗粒外层的分子或官能团与抗原或抗体进行偶联标记，通过抗体与抗原 的特异性识别，进而对标记物进行定性和定量检测而达到免疫分析的目的。 利用磁性纳米粒子在磁场被撤离以后，布朗驰豫过程和n e e r 驰豫过程的区 别的原理，采用超导量子干涉仪( s u p e r c o n d u c tq u a n t u mi n t e r f e r ed e v i c e ，s q u i d ) 8 第一章绪论 作为磁场传感器，提出的磁驰豫剩磁免疫检测方法( m a r u a ) ，可以快速、灵敏 地进行免疫检测。例如，l a n g e 等【8 6 】采用直接或三明治固相免疫法和s q u i d ， 研究在确定抗原，抗体相互作用免疫检测中的应用，结果表明特异性键合的磁性 纳米颗粒的驰豫信号依赖于抗原的用量，这种磁弛豫( r e l a x a t i o n ) 免疫检测方法得 到的检测结果与广泛使用的酶联免疫吸附法( e l i s a ) 方法相当。 1 3 5 生物分离 通过表面修饰连接上多种功能基团，从而可以进行纳米颗粒与生物活性物质 ( 如蛋白【8 7 1 、维生素p 4 1 、d n a 8 8 1 ) 偶联，这些生物活性物质可在反应介质中进一 步识别相应的特异性物质，再利用磁性纳米颗粒的独特性能，从而达到分离或检 测目的。t a y l o r 等【8 9 1 报道直接用f e 3 0 4 分离d n a 效果不理想，而应用纳米f e 3 0 4 表面覆盖一层硅后的磁性纳米复合材料可成功地分离黄麦粒中的d n a 。k o n d oa 等【州在超细的含羧基热敏磁性微球上，用碳二亚胺法将牛血清白蛋白共价结合， 形成热敏性磁性免疫微球，高效率地从抗血清中免疫亲和纯化抗牛血清白蛋白。 抗体连接在粒子表面可因受体作用而被细胞表面的抗原所吞噬，细胞破裂以后， 用磁柱选择性分离磁珠，从而净化和比较那些通过不同受体被吞噬的特殊成分， 以研究它们促进免疫表达和反应的相对能力【9 1 1 。 9 第一章绪论 1 4 本课题的提出和研究内容 由于磁性纳米颗粒和碳纳米材料的特殊性质，在磁性纳米材料优越的磁学性 质基础上，结合碳纳米材料的表面惰性和表面功能化修饰，进而连接某些抗原抗 体进行免疫检测，达到对特定疾病的早期诊断目的，使该类纳米材料在生物医学 领域具有很高的研究价值，且应用前景非常可观。但如何更简便的合成单分散、 粒径可控以及表面功能化的磁性纳米复合材料还需深入研究。 本论文利用水热法的特点主要有三个方面优势： 1 、制备f e 3 0 4 超顺磁颗粒可以在密闭容器中进行得到提高产物纯度的优 势，且相对高的温度有利于产物磁性能的提高， 2 、水( 溶剂) 热反应可以在较低的温度下相对于c v d 等方法制备碳材料， 且碳源中的有机基团如果在反应后还能够保留下来。 所以利用水热法在合成过程中同步功能化，且在水热条件下二茂铁也可以产 生f e 3 0 4 。文献已经报道了用碳氯团簇合成碳材料，结合课题组研究基础【9 2 】本研 究选用了三氯苯甲酸，一方面可以保留羧基官能团，另一方面提供了磁性材料碳 壳层的来源。以此为基础，本研究用水热法得到碳包覆f e 3 0 4 磁性纳米材料。 研究工作具体包括以下内容： ( 1 ) 氨水变化量对表面胺基功能化的碳包覆f e 3 0 4 纳米材料制备的影响课题 组前期用水热法，合成原料为六溴苯作为碳源、二茂铁作为铁源、在氨 水参与下合成了表面氨基化的核壳磁性纳米复合材料，着重考察了氨水 变化量对产物的影响，如形貌、磁性、表面官能团、表面碳元素的组分； 验证了形成机理中氨水所起的作用。 ( 2 ) 表面羧基功能化的碳包覆f e 3 0 4 纳米颗粒的制备与表征 以本身具有羧基的三氯苯甲酸为碳源，以二茂铁为铁源，水热合成了具有超 顺磁性的表面羧基功能化的碳包覆f e 3 0 4 纳米颗粒。产物经透射电镜、扫描电镜 表征，所得的羧基化的磁性碳纳米球，其直径约为5 0n m ，单个碳纳米球粒子中 包覆了数个5n m 左右的f e 3 0 4 核，且表面含有羧基。经x 射线衍射表征并与标 准数据库对照，证实产物主要为碳包覆的f e 3 0 4 ；经x 射线衍射光电子能谱表征 及r a m a n 数据相互印证表明，产物外围碳壳层主要是石墨碳和部分无定形碳； 经高分辨透射电镜表征该核壳结构的纳米复合材料内部核为f e 3 0 4 ，外层为碳； 1 0 第一章绪论 x 射线衍射光电子能谱数据和红外光谱数据证实碳壳层表面带有羧基，其性质由 z 电位和羧基表面密度由t b o 方法测试验证。 ( 3 ) 表面氨基羧基功能化的碳包覆f e 3 0 4 纳米颗粒在免疫分析中的应用 利用两种粒子的磁性快速分离反应过程中的偶联分子( 抗原抗体) ，偶联中 使用粒子的氨基和羧基的活性官能团，外层碳壳层的强磁性表面化学惰性的优 点，相比传统的高分子微球大大降低了非特异性吸附，从而降低了本体信号，实 现高灵敏度。本研究合成的表面功能化的磁性纳米复合材料有望成为取代传统免 疫磁性粒子的检测载体。 第二章氨水浓度的变化对氨基功能化的碳包覆氧化铁亚微微米管制备的影响 第二章氨水浓度的变化对氨基功能化的碳包覆氧化铁亚微微 米管制备的影响 2 1 引言 由于碳纳米材料的化学稳定性很高，对其进行表面功能化和修饰改性多需分 步进行。b i a n c o 等在碳纳米管的表面先连接含有氨基的小分子，并进一步与氨基 反应修饰了不同官能团【9 3 】。t o u r 等在芳香偶氮盐溶液中加热处理碳纳米管，得到 了一系列侧壁芳香基团功能化的纳米管 9 4 1 。l u o 等制备了纳米f e 3 0 4 填充的碳微 管，其直径在几百纳米到1 5 微米之间，长度可达几微米f 9 5 】。受l u o 组报道启发， 本课题组通过在水热体系加入氨水，一步法制备了表面氨基功能化的填充强磁性 纳米f e 3 0 4 的碳亚微微米管，解决了惰性碳纳米材料需分步修饰的难题。本研究 在前期工作基础上，通过调解氨水的量，深入研究了氨水对产物形态和性质的影 响，阐明了反应机理。利用f i t c 与氨基反应，荧光标记了去除f e 3 0 4 的空心氨基 功能化的磁性碳亚微微米管，不仅直观验证了该纳米材料的核壳结构，也证明 了其表面修饰了丰富的氨基官能团。 2 2 实验部分 2 2 1 实验仪器及材料 2 2 1 1 实验仪器 仪器名称及型号生产厂家 电子分析天平( b s 11 0 5 ) 电热恒温鼓风干燥箱( d h g 9 1 4 0 a 型) 超纯水机( m i l l i qa c a d e m i c ) 冰箱( e l e c t r o l u xb c d 2 5 2 t ) 数控超声波清洗器( k q 一2 5 0d b ) 红外光谱仪 激光粒度分析仪 激光共聚焦显微镜 1 2 北京赛多利斯仪器有限公司 上海精宏实验设备有限公司 m i l l i p o r e 伊莱克斯公司 昆山市超声仪器有限公司 n i c o l e t 月朔厨3 6 0 m a l v e m 日本o l y m p u s 第二章氨水浓度的变化对氨基功能化的碳包覆氧化铁亚微微米管制备的影响 二茂铁 六溴代苯 甲苯 乙醇 n ，n 一二甲基甲酰胺( d m v ) 氨水 a r 9 7 ，a r a r a r a r 3 0 ，a r 2 2 2 实验步骤 称取2 0m g 二茂铁( 约o 1m m 0 1 ) 和2 8m g 六溴代苯( 约o 0 5m m 0 1 ) ，将 二者溶解于2 0m l 溶剂中，控制氨水的量( o 、0 2 、0 4 、0 6 、0 8 、1 0 、1 2 、1 4 、 1 6 、1 8 、2 0m l ：浓度：3 0 ) ，搅拌均匀；将该溶液转移至容积为2 5 砌的聚 四氟乙烯反应罐中，用不锈钢釜密封。将反应釜在2 5 0 下恒温反应2 4h ，自 然冷却至室温。收集黑色固体产物，离心或磁性分离后，用甲苯和乙醇各洗两次， 制得f e 3 0 4 填充的碳微米管( m a g n e t i t e - e n c a p s u l a t e dc a r b o nm i c r o t u b e s ， n h 2 一m e c m t s ) ，并干燥保存。所得产物下述简称氨基化实心碳微管。 2 3 结果与讨论 2 3 1 结构表征 2 3 1 1 扫描电镜( s e m ) 图2 1 是本课题组前期工作，优化了反应温度、溶剂、时间等实验参数后的 产物实心碳微管的扫描电镜照片。图2 1 a 显示视野中9 0 以上是碳微米管， * 一氨水球鹰化计氢功能m 的碳包箍氧化铁惭微米* 制备目 表明反应具自很高的产率，长度可达0 1 05 毫米，直径在o5 15 微米之旬；图 2l b 足图2l a 的局部放大图，清晰表明制各的微米级碳管形状为长直形，部分 产物呈“竹节”状；碳微管表面较光滑。 图2 1 水热法制备的