（生物医学工程专业论文）磁性纳米复合颗粒的合成及其应用研究.pdf

东南大学2 0 0 3 级博士论文 产物看上去似乎由不同半径的小碳球连接在一起，构成一串串链状物质，其中n i 纳米 颗粒被包埋在各个小碳球中 ( 2 ) c f e 3 0 4 复合纳米颗粒的制备：通过预先对f e 3 0 4 颗粒表面进行油酸修饰，成功的将 f e 3 0 4 包埋在碳球中。t e m 表征结果显示所得产物粒径在1 0 0 - 2 0 0 纳米之间，为超顺磁 性物质，其饱和磁化强度为1 2 4e m u g 。x r d 与穆斯堡尔谱图的表征结果表明：虽然磁 性纳米颗粒经过1 7 0 c 反应，但其结构没有改变，仍然是f e 3 0 4 纳米颗粒。当f e 3 0 4 表 面没有修饰油酸分子时，产物中就不会出现c f e 3 0 4 复合颗粒，但其存在不会影响碳微 球的生成。最后，作者成功地将c y 3 与f i t c 标志的i g o 分子连接在以上颗粒表面。 3 、较为系统的研究了p s f e 3 0 与p m m a f e 3 0 4 两种磁性复合纳米颗粒的制备，并在此基 础上进一步合成了s i 0 2 ( p m m a f e 3 0 4 ) 纳米复合颗粒，最后考察了该颗粒在d n a 富集 与纯化中的应用，主要取得如下结论： ( i ) 当以苯乙烯分子为反应单体对磁性颗粒进行包埋时，不管是细微乳液法，还是分散聚 合法，所得复合颗粒的产率与其中的磁性纳米颗粒含量均较低( 典型反应中，分别为 o 2 9 与o 0 9 ) ，此时产物主要由游离的f e 3 0 4 纳米颗粒与粒径在5 0 0 纳米左右的空白 苯乙烯微球构成。而以甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 为反应单体时，所得复合颗粒的产率与其 中的磁性纳米颗粒含量要明显高于苯乙烯为单体时所得产物，分别达到1 2g 与8 7 ， 此时复合颗粒的平均粒径在7 0 纳米左右，呈类球型的聚集态结构。 ( 2 ) 当将以上两种单体混合使用时，不管其比例如何，t e m 照片均显示产物由两种颗粒构 成：一种是以f e 3 0 4 纳米颗粒为主的聚集态，另一种为空白的苯乙烯聚合体。这表明不 能简单的通过两种单体的混合使用，来改善产物的结构与产率。 ( 3 ) 为了改善p m m a f e 3 0 4 复合纳米颗粒的表面性质与外观，作者在以上颗粒的基础上进 一步包埋了s i 0 2 。结果表明：可以通过控制p m m a f e 3 0 4 颗粒浓度与t e o s 加入量来 调节s i 0 2 的壳厚，典型的反应中，其粒径为3 0 0 纳米。 ( 4 ) 与第二章s i 0 2 f e 3 0 4 复合颗粒相比，当f e 3 0 预先包埋上p m m a 可以大大地提高s t 6 b e r 反应中磁性颗粒的加入量，其浓度可以由前面的0 1 7 f i e 3 0 4 纳米颗粒) 上升到3 g 几( p m m a 伊e 3 0 4 纳米颗粒) ，为未来的批量生产奠定了较好的基础究其原因，可能 与p m m a 高聚物在f e 3 0 4 周围产生的空间位阻有效防止了f e 3 0 4 纳米颗粒因离子强度增 强所导致的团聚现象有关。 ( 5 ) s i 0 2 ( p m m a f e 3 0 4 ) 纳米颗粒能较好的应用于d n a 链的分离与富集，对d n a 链的非 特异性吸附较小，在p c r 中对t a p 酶的活性无明显影响。 摘要 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d i e so nt h es y n t h e s i sa n da p p l i c a t i o no f m a g n e t i cn a n o c o m p o s i t e s p h d e a n d i d a t e ：w a n gz h i f e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh en o n g y u e n a m eo ft h eu n i v e r s i t y ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a tp r e s e n t , c o n s i d e m b l ee f f o r th a sb e e nd e v o t e dt ot a i l o rt h es u r f a c ep r o p e r t i e so ft h e n a n o p a r t i c l e si no r d e rt om e a tt h e i ra p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h a ti s n a n o a n g i n e e r i n go f p a r t i c l e s u r f a c e s 。i na d d i t i o n , a so n eo ft h ei m p o r t a n tn a n o m a t e r i a l s ，m a g n e t i cn a n o p a r t i c l eh a st h e p r o m i s i n ga p p l i c a t i o nd u et ot h e i rp r o p e r t i e s c o n s i d e r i n gt h ea b o v er e a s o n s ，w ef o c u s e do l w r e s e a r c h0 1 1t h es y n t h e s i sa n da p p l i c a t i o no fm a g n e t i cn a n o c o m p o s i t 卺， 。a n dt h ed i s s e r t a t i o n c o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： i nc h a p t e r2 ，p d f e ，0 4a n dp d ( s i 0 2 f e 3 0 4 ) w i t hc o r es h e l ls t r u c t u r ew e r ep r e p a r e dw i t ht h e a t t e n t i o nt os o l v et h es e p a r a t i o np r o b l e mo fn a n o c a t a l y s tb yt h em a g n e t i cs e p a r a t i o nt e c h n i q u e a n dm a n ym e r i tr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ： 1 f i r s t l y ，p d f e 3 0 4 ( 8n m ) a n dp d ( s i o j f e 3 0 4 ) ( 1 2 0n m ) n 柚o c o m p o s i 协：w e r ep r e p a r e d r e s p e c t i v e l yb yt w op r o c e d u r e s “i ns i t ur e d u c t i o no fp d “a n d t h ea s s e m b l yo fp d n a n o p a r t i c l ep r e p a r e db e f o r e h a n d a n dt h e nt h ec a t a l y t i cb e h a v i o r so f t h eo b t a i n e dm a g n e t i c n a n o c o m p o s i t e s w e r em e a s u r e db yt h eh e c kr e a c t i o no f t h ec r o s s c o u p l i n go f a c r y l i ca c i d w i t hi o d o b c n z e n e t h er e s u l t ss h o w at h a tt h o s ep a r t i c l e sp e r f o r m e dt h eg o o dc a t a l y t i c b e h a v i o ra n dc o u l db es e p a r a t e de a s i l yf r o mt h ep r o d u c tm i x t u r e ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e m a g n e t i cs u p p o r ts u c ha sf e 3 0 ( a n ds i 0 2 f e 3 0 4h a sn oo b v i o n si n h i b i t i o no nt h ec a t a l y t i c s i t ep d f o re x a m p l e ，t h et o fo f p d ( s i 0 2 f e 3 0 4 ) c a t a l y s ti nf i r s tr u nr e a c h e d3 7 4 9h - 1 a l s o i tw a sf o u n dt h a tt h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo f p d f e 3 0 4 n a n o p a r t i c l ed e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f r u nt i m e sd u et ot h ec o n g l o m e r a t i o no f p a r t i c l e s a n dp dn a n o p a g i c l ea t t a c h e dt os i 0 2 f e 3 0 4 b yt h es t r o n gc o o r d i n a t i o no f - n h 2g r o u pw i t ht h ep a l l a d i u ms u r f a c el e a c h e de a s i l yw i t ht h e i n c r e a s eo f r o nt i m e s i ns p i t eo f t h o s ep r o b l e m s ，t h ea b o v ew o r kl a i dt h eg o o df o u n d a t i o no n t h ef u t u r er e s e a r c ho f n a n o c a t a l y s t 2 d u r i n gt h ep r e p a r a t i o no f p d ( s i 0 2 f e 3 0 4 ) n a n o p a r t i c l e s , t h ea u t h o rf o u n dt h en e wm e t h o dt o p r e p a r ep dn a n o p a r t i c l e sw i t ht h es i z eo f 2 5n l nb ym i x i n gc n c h ：c o o k a n dn a 2 p d c l 4 ( 2 ：1 ) f o r1 2 h h e r ec n c h 2 c o o kw o r k sa sr e d u c i n ga g e n ti n s t e a do f t h ec o n v e n t i o n a ln a b t ha n d n 2 h h 2 0t or e d u c ep d 2 + b e s i d e st h ea c t i o nt oe f f e c t i v e l ys t a b i l i z ep a l l a d i u mn a n o p a r t i c l e s h i - 东南大学2 0 0 3 级博士论文 i nc h a p t e r3 m en e wa p p r o a c ht op r e p a r ec a r b o ne n c a p s u l a t e dm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e ( c e m n ) s u c ha sc ( a u f e ) 、c n ia n dc f e 3 0 4b yt h eb y d m t h e r m a lr e a c t i o nw a sp r o p o s e d a n dt h e i rs u r f a c e sw e r em o d i f i e db yp dn a n o p a r t i c l ea n dt h eb i o m o l e c u l a rr e s p e c t i v e l y t h e r e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o w i n g s ： 1 t h ep r e p a r a t i o no fc ( a u f e ) a n dc n in a n o c o m p o s i w d ；rw a sf o u n dt h a to n l y n a n o p a r t i c l e sd i d n tf a v o rt h ef o r m a t i o no fc f e d u et ot h eo x i d a t i o no ff en a n o p a r t i c l e d u r i n gt h er e a c t i o n i nt h i sw o r k , f e a un a n o p a r t i e l e sp r e p a r e db yr e v e r s em i c e l l e s ，i n s t e a d o ff en a n o p a r t i c l e w e r eu s e da st h en u c l e if o r t h eg r o w t ho fc a r b o ns p h e r e t h er e s u l t s i n d i c a t et h a ta f t e rt h er e a c t i o nc a r b o n s p h e r e sc o n t a i n i n gs o m e e m b e d d e df e a u n a n o p a r t i c l e sw i t ht h es a t u r a t i o no f1 4 6e m u ga r co b t a i n e da n dt h et y p i c a lp a r t i c l es i z ei s 2 0 0 姗a n dt h ed i a m e t e ro ft h ep r o d u c ti si n f l u e n c e dm o r eb yt h er e a c t i o nt i m et h a no t h e r p a r a m e t e r s ( s u c ha st h ec o n c e n v a t i o no f g l u c o s e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f f e a un a n o p a r t i c l e s ) i na d d i t i o n , n i n a n o p a r t i c l e s w i t h o u tf u r t h e rm o d i f i c a t i o nh a v eb e e ns u c c e s s f u l l y e n c a p s u l a t e di nc a r b o nc o a t i n g , a n dt h em o r p h o l o g yo ff i n a lp r o d u c ta p p e a r sl i k ec a t e n u l a t e b e a d s 2 t h ep r e p a r a t i o no fc f e 3 0 4n a n o c o m p o s i t p ；：d u r i n gt h es t u d y , i tw a sf o u n dt h a tf e 3 0 4 n a n o p a r t i c l ew i t h o u ta n ys u r f a c em o d i f i c a t i o nc o u l d n tb ei n c o r p o r a t e di n t oc a r b o ns p h e r e i n o r d e rt oe n c a p s u l a t ef e 3 0 4n a n o p a r t i c l ei nc a r b o n o u sc o a t i n g , i t ss u r f a c es h o u l db e h y d r o p h o b i em o d i f i c a t i o ni na d v a n c e ，w h i c ha l s op r e s e n t st h es t r a t e g yt op r e p a r eo t h e rm e t a l o x i d e cn a n o c o m p o s i t i o n t h er e s u l t ss h o w nt h en a n o e o m p o s i l e s i ss u p e r p a r a m a g n e t i cw i t h t h ea v e r a g ed i a m e t e r so f1 0 0 2 0 0 啪a n dt h es t r u c t u r eo f f e 3 0 4n a n o p a r t i c l eh a sn oc h a n g e d u r i n gt h er e a c t i o n f i n a l l y ，t h es u r f a c eo fc f e 3 0 4c a nb em o d i f i e db yt h eb i o m o l e c u l es u c h a s i g g i nc h a p t e r4 ，t h ep r e p a r a t i o no fp s f e 3 0 4a n dp m m a f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sb ye m u l s i o no r d i s p e r s i o np o l y m e r i z a t i o nw e r es t u d i e d ，a n dt h e ns i o g ( p m m a f e 3 0 4 ) n a n o c o m p o s i 部w a s o b t a i n e d b yc o a t i n g s i l i c o no np m m a f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e s f i n a l l y ，t h ea p p l i c a t i o no f s i 0 2 ( p m m a f e 3 0 4 ) p a r t i c l ei nd n ai s o l a t i o nw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sw e r es h o w na s f o l l o w i n g s ： 1 b o t ht h ey i e l da n dt h ef e 3 0 4n a n o p a r t i c l ec o n t e n to fp s f e 3 0 4n a n o c o m p o s i ? 1 ；，r e p a r e db y e m u l s i o no rd i s p e r s i o np o l y m e r i z a t i o nw e r el o w ( o 2 9a n d0 0 9 ，r e s p e c t i v e l y ) ，a n dt h e p r o d u c tm a i n l yc o n s i s t e do ft w ol y p c so fp a r t i c l e ：f r e ef e 3 0 4n a n o p a r t i e l a sa n d b l a n kp s p a r t i c l e sw i t ht h es i z eo f5 0 0t i m h o w e v e r , w h e nm m a w a su s e d ，b o t ht h ey i e l da n dt h e f e 3 0 4 n a n o p a r t i c l ec o n t e n to ft h eo b t a i n e dp m m a f e 3 0 4n a n o c e m p o s i 岱i n c r e a s e dg r e a t l y a n dr e a c h e d1 2ga n d8 7 r e s p e c t i v e l y 。p m m a f e 3 0 4n a n o c o m p o s i t e sa p p e a r sl i k et h e a g g r e g a t i o nw i t ht h es i z eo f 7 0m - i v - 2 w h e nt h em i x t u r eo f 卿a n dm m ai n s t e a do fm m at oc o a tf e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sw a s p o l y m e r i z e d , t h et e m r e s u l t ss h o w nt h a tt h ep r o d u c ti ss i m i l a rt ot h a to ft h er e a c t i o nw h e n p u r es t y r e n ew a su s e d , w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ec o m b i n a t i o no fs t y r e n ea n dm m d i d n th e l p t oi m p m v et h em o r p h o l o g ya n dt h ey i e l do f p o l y m e r - c o a t e df e 3 0 4n a n o p a r t i c l e 3 i no r d e rt om o d i f yn m o r p h o l o g ya n ds u r f a c ep r o p e r t i e so ft h en a n o c o m p o s i t 廿- p m m a f e 3 0 4w a sf u r t h e rc o a t e db ys i 0 2 t h er e s u l t ss h o wt h a ts i 0 2 ，p m m ，f e 3 0 w i t ho b v i o u s c o r es h e l ls t n l c t u r ew a so b t a i n e da n dt h et y p i c a ls i z eo f 3 0 0n l n t h et h i c k n e s so f s i l i c o nc a n b ea d j u s t e db yc o n t r o l l i n gt h ea m o u n to ft e o sa n dt h ec o n c e n t r a t i o no fp m m a f e 3 0 4 p a r t i c l e 4 i nc o m p a r i s o nw i t ht h ep r e p a r a t i o no fs i o g f e 3 0 4n a n o c o m p o s i t e s ，i nc h a p t e r 2 ，t h ec o a t i n g o ff e 3 0 4b yp m m ap o l y m e rb e f o r e h a n dc a r li n c r e a s et h ec r i t i c a lc o n c e n t r a t i o no fm a g n e t i c n a n o p a r t i c l ef r o mo 1 7t o3g ，ld u r i n gs t o b e rp r o c e s s t h er e a s o nf o rt h ea b o v ep h e n o m e n ai s t h a tt h es t e r i cp r o t e c t i o np r o v i d e db yp m m ap r e v e n tm a g n e t i cn a n o p a r t i c l ef r o mt h e a g g r e g a t i o nt h a tu s u a n yc o m e sf r o mt h ei n c r e a s i n go fi o n i cs t r e n g t hd u r i n gt h eh y d r o l y z a t i o n o f t e o s 5 s i 0 2 ( p m m a f e 3 0 4 ) n a n o c o m p o s i 圯s h a sf e wm l s p e c i f ka d s o r p t i o nf o rd n aa n dn o i n h i b i t i o no nt a pe f l z y m ed u r i n gp c rr e a c t i o n - v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：三鱼 日期：毛丝：塾2 6 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：王矗立导师签名：竖蔓缝日期：西，圳 第一章绪论 1 引言 第一章绪论 纳米科技的概念最早是由美国加州理工学院的教授理查德费因曼于1 9 5 9 年提出的【1 】， 主要指在1 - 1 0 0n m 这个尺度上，研究物质的特性和相互作用。根据应用领域的不同，可以 将其分为三个大的方面：第一个是纳米材料，第二个是纳米装置，第三个是纳米区域的探测、 研究和表征分析，其中纳米区域的探测、研究和表征分析是整个纳米科技的基础，而纳米材 料与纳米装置是纳米科技的两个重要方面【2 5 】。目前，该领域已迅速发展成为一个多学科的 研究热点。 科技界通常将粒径介于1 1 0 0n m 之间的粒子称之为纳米粒子，而广义的纳米材料是指三 维尺寸中至少有一维处于纳米尺寸，如薄膜、纤维、超细粒子、多层膜及纳米微晶材料等。 最近也有部分学者提出【2 】：评判纳米材料不仅是其尺寸大小，而更重要的是它必须具有与 普遍大块材料所不同的纳米特性。当材料尺寸达到纳米级时，其特性既不同于原子，也不同 于结晶体，因而表现出奇特的小尺寸效应、表面与界面效应及量子尺寸效应，并由此派生出 大块固体材料所不具备的许多特殊性质。 磁性材料是一种具有千年历史的传统材料。研究表明当其尺寸进入纳米尺度后，所得磁 性纳米材料将呈现出一些奇异的物理现象如：矫顽力的变化、超顺磁性、居里温度的下降等 【6 - 1 l 】。 当磁性纳米颗粒的尺寸处于单磁畴结构时，其磁化过程完全由旋转磁化进行，即使不磁 化也是永久性磁体，其矫顽力比相同的宏观材料大l o o o 倍，因此用它可作永久性磁性材料。 此外，其单磁畴结构及矫顽力很高的特征，使得它做磁记录材料时，可以提高信噪比，改善 图象质量。当磁性材料的粒径进一步d , n 以上的l 临界半径时，由于各向异能减小到可以与热 运动能相比拟，因此，此时颗粒的磁化方向就不再固定在一个易磁化方向。结果易磁化方向 j 。 纩一f 么 t l 厂一 一 图1 1 分别为典型的宏观磁性物质( 左) 与磁性纳米颗粒( 超顺 磁性，右) 的磁滞回线曲线u 0 。 这种作无规律的变化导致了磁性纳米颗粒表现出超顺磁性。图1 1 显示出两者的磁化曲线区 东南大学2 0 0 3 级博士论文 别，与宏观磁性物质相比，其磁化退磁磁化过程的曲线呈“s ”形状，矫顽力为零，磁化 强度m p 可以用朗之万公式来描述： m - j c o r k 带潮 式中：竹一团簇中的原子敷j 一平均原子磁矩； h - - 磁场强度 居里温度t c 为磁性物质的重要参数，通常与交换积分成正比，并与原子构形和间距有关。 一般可以定性地认为，随粒径的下降，其居里温度也有所下降。所以磁性纳米颗粒的居里温 度要比宏观的低。从磁化率的角度看，纳米颗粒的磁性与它所含总电子数的奇偶性密切相关。 当电子数为奇数时，粒子的磁化率服从居里- 夕 斯定律，量子尺寸效应使吸收率遵从d 3 规律。 当电子数为偶数时，妒k s t ，并遵从d 2 规律。一般情况下，纳米颗粒的磁化率z 值是宏观粒子 的2 0 倍2 e 芷 11 。 正因为以上这些奇特的物理性质，磁性纳米颗粒作为纳米材料的重要组成部分，目前已 成为材料、信息、生物、化学等领域的一个研究热点。下面结合磁性纳米颗粒的应用、制各 及表面修饰等几个方面，对近几十年来的研究工作做一个回顾与总结。 2 磁性纳米颗粒的应用 鉴于以上的物理特性，目前，磁性纳米颗粒正被广泛的应用于各个领域：从磁密封，磁 墨汁、磁记录介质、催化剂载体到生物领域 1 2 - 2 9 ，且随着制各技术的提高其应用范围还在 逐渐扩大 2 4 2 6 。需要说明一点，磁性纳米颗粒一般不具有通用性，随着应用范围的不同， 要求颗粒本身具有各自的特性。比如；在数据存储方面，要求处于开关状态的磁性纳米颗粒 受外界影响较小，特别是温度的变化。而当其在生物医药上应用时，一般要求其具有超顺磁 性，剩余磁化强度为零，并且还必须具备较好的生物相容性、无毒副作用、易表面修饰、颗 粒较小及在中性的水溶液中能稳定存在等特点。下面着重介绍一下磁性纳米颗粒作为催化剂 载体及在生物领域中的应用。 2 1 磁性纳米颗粒在催化剂中的应用： 纳米催化剂由于具有较高的“原子利用率”及优秀的催化性能等优点，目前正引起催 化工作者的广泛关注。但要想把处于纳米尺寸的催化剂特别是贵金属催化剂直接应用到工业 生产中，暂时还面临着种种困难，其中之一就是如何在反应结束后将其从反应产物中分离。 而传统的过滤技术要求催化剂的粒径至少在3 u m 以上，因此如何开发出新的分离方式已成为 催化剂工作者面临的一个重要挑战。1 9 9 9 年，w e n d yt e u n i s s e n 等首次提出利用磁分离技术 来解决以上问题 1 8 1 。以超顺磁性的纳米颗粒为催化剂载体，然后在其表面包埋一层催化活 - 2 第一章绪论 性物质如p d 等贵金属，当反应结束时可以利用外加磁场将其分开。由于是超顺磁性的，当外 加磁场撤除后，催化剂又可以重新分散在反应溶剂中。 虽然以上研究思路较好，但由于该领域涉及到纳米材料与催化学科两个领域，到目前为 此该研究工作还仅停留在w e n d yt e t m i s s e n 与s h i kc l l it s a n g 两个人的工作上 1 8 2 0 。前者首 先利用多孔的a 1 2 0 3 为载体制各了n j f e 磁性纳米颗粒，然后以甲烷为碳源生成了c n i f e ( 碳包 埋n i f e ) 复合纳米颗粒，最后将a 1 2 0 3 溶解获得了磁性催化剂载体，但该方法步骤较为烦琐、 产量较低。为此，后者对n i f e 磁性纳米颗粒的制备进行改进。成功的利用喷雾法制备了尺寸 在l o 纳米的c n i f e 复合颗粒并在此基础上负载了p d ，评价结果显示所得催化剂的活性是相同 p d 负载量的传统催化剂两倍【2 0 】。 2 2 磁性纳米粒子在生物医学领域的应用 磁性纳米粒子在生物领域中有着许多重要的应用，从使用形式上看可以将其分为作用于 人体内与人体外两个方面，而从具体功能上可以将其归纳以下四个方面：磁分离、药物输运 载体、肿瘤热疗与磁共振成像对比增强剂 2 1 2 9 。 2 2 1 硪分离 自从1 9 7 3 年r o b i n s o n 等人首先将生物酶固定于二氧化硅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 2 1 1 ， 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 ) 不影响分离物 质的活性。表1 1 中列举了目前部分已商品化磁性纳米复合颗粒的粒径、组成及表面官能团， 其中最为成功的是d y n a b e a d s 磁性纳米复合颗粒，目前已广泛地应用于微生物学、分子生物 学、免疫学等诸多领域。图1 2 为磁性纳米颗粒分离生物分子的典型工作示意图据首先根据 盘 图1 2 磁性纳米颗粒分离生物分子的 工作示意图【6 】 ( 渊m c 础c ”骧蠹猾n c - r i a ! f e e d 、：2 ：i ，；! ；：；：h 。譬。6 。甜。， 图1 3 磁性纳米颗粒在药物运输系统 中的工作示意图【6 】。 一3 门v l b 东南大学2 0 0 3 级博士论文 表1 1 部分商品化的磁性纳米复合颗粒的粒径、组成与表面官能f f ：l 1 4 】 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 片段等) ，然后将 其加入溶液中搅拌吸附，最后通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、 基因与细胞等。而实现生物分子或者生物个体在磁性纳米表面的标记往往需要先对磁性纳米 表面进行修饰，通常是在粒子的表面包覆一层生物相容性如葡萄糖、聚乙烯醇等，这些分子 一方面可以使磁性纳米粒子在溶液中形成稳定的胶体分散体系，更主要的是将磁性纳米粒子 与生物分子或细胞的靶部位连接起来。比如，可以通过表面修饰抗体或者生物大分子如激素、 叶酸等将磁性纳米粒子连接到细胞表面的特异性靶部位。一旦磁性纳米粒子与需要分离的生 物物质产生特异性连接，接着可以通过梯度磁场将其从原本的溶液中分离出来 2 1 2 3 。 - d 第一章绪论 2 2 2 药物输运载体 磁场相对于生物体、人体组织而言具有穿透性。因此可以利用磁性纳米粒子作为药物载 体，将药物输运到人体的病灶部位，目前研究较多的为抗癌药物。这样药物将集中于靶部位， 增加了对靶部位的治疗效果，同时减弱了对全身的毒副作用。图1 3 就是一个简单的药物靶 向输运系统的示意图。将一永磁体置于人体靶位外部，靶部位内产生梯度磁场，磁性药物载 体通过循环系统经过靶部位时即被磁场作用滞留于靶部位处。载药的磁性载体往往具有核壳 结构，中间是磁性纳米粒子的核，外部是一层生物相容性的壳，药物或者连接于壳的外部， 或者分散于壳内壳的材料一般是聚合物( p v a ，葡萄糖) 、s i 0 2 ，或者脂质体等【2 7 】。 2 2 3 肿瘤热疗 磁致热疗就是在肿瘤病灶部位引入磁性介质，在外加的交变磁场作用下将温度升高到 4 1 以上而杀死周围肿瘤细胞。在1 9 7 9 年g o r d o n 等提出了磁性液体热疗或细胞内热疗 2 8 1 ， 他们认为将磁性液体注入靶( 病灶或组织) 部位中，由于细胞的吞噬和融合作用，磁性粒子 会进入细胞中，而且随着细胞的分裂，母细胞内的磁性粒子会进入子细胞，再将靶置于功率 足够大，频率足够高的交变磁场中，随着细胞内部的磁性粒子的产热，靶细胞会因局部的热 效应而死亡，从而达到治疗效果。 2 2 4 磁共振成像对比增强莉 m l u 技术是利用生物体内不同组织在外加磁场下产生不同的磁共振信号来成像，磁共 振信号的强弱取决于组织内水分子中质子的驰豫时间，磁性纳米颗粒中束成对电子自旋产生 的局部磁场能够缩短或增加临近水分子质子的驰豫时间，从而增大临近区域的磁共振信号强 度，提高影像的对比度。研究表明，改变质子周围的局部磁场，t l 和( 或) t 2 驰豫时间就会 发生一定的改变【2 9 】 3 磁性纳米颗粒的制备及表面修饰： 通过前面的介绍可以知道，磁性纳米颗粒的应用对材料的制备及表面性质要求较高，往 往是后者制约前者的推广因此，近年来大家在这个方面做出了大量的工作 3 2 - 1 0 7 ，甚至 还为此专门召开了每年一度的国际会议如：“s c i e n t i f i ca n dc l i n i c a la p p l i c a t i o n so f m a g n e t i c c a r r i e r s ”。在人们所熟知的大量磁性材料中，可选作磁性微粒的仅有少数几种：主要为金属 氧化物f e 2 锄，m e f e z 0 4 ( m e = c o 、m n 、n i ) 、f e 3 q ，化合物钕铁硼、钐钴等、金属f e 、c o 、 n i 、以及合金f e - c o 、n i f e ，它们的饱和磁化强度按上述次序递增，但是其稳定性( 即抗 氧化能力) 却依次递减。由于稳定性的问题，人们在选择一些高饱和磁化强度的磁性微粒时， 往往采纳工艺条件十分苛刻的路线，这在一定强度上限制了这些饱和磁化强度高但稳定性低 5 - 东南大学2 0 0 3 级博士论文 的材料的应用。此外，考虑到材料对人体的毒副性及材料的来源等方面，目前研究较多的为 前两种材料。因此，下面的论述主要围绕这两种材料的制备与表面修饰进行。 3 1 磁性纳米颗粒的制各； 目前，材料科学的一个发展趋势就是将传统材料改造，制备成尺寸与形状均一的纳米颗 粒，以满足应用上的特殊要求。通过严格控制反应条件，利用均相溶液或将反应前体分解( 气 溶胶或气体状态) 来控制颗粒的长大过程。最为典型的反应产物包括；金溶胶、硫化物、金 属氧化物或氢化物的制备。而磁性纳米颗粒的制备也可以从这两个方面加以阐述： 3 1 1 通过均相溶液沉淀制备 均相溶液为磁性颗粒的制各提供了一个简单、有效的合成环境。图1 4 给出了一般均相 沉淀所涉及的两个过程，即l a m e r 模式 3 0 】：( 1 ) 晶核的形成，当反应物或反应中间物的浓度 达到临界值时，便形成晶核i ( 2 ) 晶核的长大过程，通过反应物或反应中间物向晶核表面的 两l p 。矗曲瞄岫 乃r 。刚一 鼍南： 1 陆一 图1 4 通过均相溶液制备纳米颗粒的一般过程，i 代表了l a m e r 模式一晶核的形成与长大过程、i i 与i 代表其它模式一晶核 的形成与相互碰撞成大颗粒的过程 2 4 扩散与吸附，晶核逐渐长大直到最终颗粒。根据该模式，要得到单一分布的颗粒，其晶核的 形成与长大过程必须分开，且在晶核的长大过程，尽量避免更多的晶核形成。但也有部分科 学家提出 3 1 】，除l a m e r 模式，还应存在i i 、两种路径，即晶核间也可以通过互相碰撞长 大成更大的颗粒，而不是单纯的依靠反应物或反应中间物向晶核表面的扩散与吸附使得晶核 长大。以上谈到的晶核是在反应中原位形成，为了得到所需的颗粒，也可以人为的在反应体 系中加入晶核。 目前通过以上途径来制各磁性颗粒的方法有以下几种：共沉淀法、微乳液法、直接还原 法、多羟基合成法及高温分解有机前体法。 6 - t口里曰el口x己。里暑n 第一章绪论 3 1 1 1 共沉淀法： 共沉淀法是制备f e 3 0 4 磁纳米颗粒最直接、简单的方法，常用方法有以下两种：( 1 ) 通过 不同氧化剂将氢氧化亚铁的悬浮液部分氧化得到，常用氧化剂如氧气、硝酸盐及双氧水等， 所得颗粒的粒径一般在3 0 1 0 0 n m 3 2 1 ，反应方程式如下： f e ( 2 + 岛f e 3 。+ 凰o( 1 ) ( 2 ) 将酸性的、古一定比例铁盐与亚铁盐的混合溶液滴加到碱性溶液，并老化得到，该方法 所得粒子为圆形且大小均一，反应方程式如下： f