（食品科学专业论文）Fe3O4纳米颗粒的制备及其急性毒性.pdf

中文摘要 纳米材料义称为超微颗粒材料，是由纳米粒子组成，既非微观系统亦非宏观系统，而是 一种典型的介观系统。纳米颗粒具有明显不同于块状固体的物理和化学性能，因而呈现出体 积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观虽子隧道效应等等独特的性能，使得人们把纳米材 料科学作为多学科交叉的生长点和跨世纪“热点”的研究领域。把无机纳米粒子f e 3 0 。与双 歧杆菌胞外多糖结合上利用纳米粒子对细胞没有毒性或者毒性很小、不易受体内和细胞内 各种酶的降解与消化等特点以及由其表面敛府产生的巨人的表面能可牢司地吸附生物粒子， 从而提高胞外多糖的生物利用率。本课题作为“纳米铁双歧杆菌胞外多糖对胃癌细胞抑制作 用与机理的研究”这一国家自然科学基金的子课题，即是制备出f e 3 0 4 纳米颗粒并对其影响 因素予以讨论，从而为抗肿瘤功能性食品及药物的研究开发奠定理论基础。 本课题采用共沉淀法制备出f e 3 0 4 纳米颗粒，对其影响冈素及其影响原闻做以讨论，并 采用油酸钠作为表面活性剂进行表面改性处理，对比了未经改性和j 经油酸钠改性的纳米颗粒 的稳定性，主要结果如f ： ( 1 ) 在制各纳米f e 3 0 4 的过程中，通氮气的条件至关重要，均匀持续的搅拌是保证颗粒粒 径的有效方法，碱溶液的滴加方式对生成的颗粒有着很明显的影响，其制备过程的1 ：艺条件 为：制备温度可以取3 0 5 0 c 之间，反应结束的口h 取1 0 1 2 之间，f e ”f e ”= 1 ：2 ，铁盐的 浓度为0 1 m o l l ，搅拌速度为2 0 0 0 r m i n 。得到的纳米颗粒粒径为15 n m 左右。 ( 2 ) 对f 0 3 0 4 纳米颗粒的分散性进行了研究，超声波虽然能起到一定的分散作用，但其分 散能力有限，延长振荡时间超过2 m i n ，对分散程度没有太人的改善：用h c i 将p h 值调至3 左右，其分散效果比超声波分散效果好，可以采用超声波振荡后在酸性溶液中进行分散。 ( 3 ) 油酸钠是一种阴离子表面活性剂，在酸性条件f 有利y - 其分散。纳米颗粒的改性条件 为：p h = 5 时，油酸钠的添加封为湿粉质量的2 0 ，添加温度为8 0 ，得到粒径为1 5 n m 的 颗粒。 ( d ) 经油酸钠改性的纳米颗粒在较低的浓度、较低的离心速度和p h 6 4 的情况f 稳定性 较好。 纳米颗粒在理化性质发生巨变的同时，生物学效廊的性质和强度也可能发生质的变化， 其生物安全性正在逐渐受到人们的关注。纳米颗粒的表面积、数目、化学性质、表面包被情 况、新鲜度及试验动物的品系、种属等等方面的筹异均影响纳米颗粒的毒性作用，本实验将 自制的未经改性和经油酸钠改性的f e 3 0 4 纳米颗粒对i c r 小鼠的口服急性毒性进行了研究。 得出了以r 结论： ( 1 ) 改性与未经改性的纳米颗粒配成p v p 4 0 的胶体溶液，p v p 4 0 作为对照组，得到i c r 小鼠1 2 服的半数致死量l d 5 0 均大于3 7 6 7 m 州k g 体重。 ( 2 ) 经两周观察，未见小鼠死亡情况，纳米颗粒对小鼠的肝脏与肺脏均有不同程度的伤害 作用。对习十脏的影响较人，且经过改性的纳米颗粒的伤害作用相对较小。 关键词纳米材料：f e 3 0 4 纳米颗粒；表面活性剂；油酸钠：急性毒性 t h ep r e p a r a t i o na n da c u t et o x i c i t yo ff e 3 0 4n a n o p a r t i c l e a b s t r a c t n a n o s i z e dm a t e r i a li sa l s oc a l l e du l t r a m i c r o p a r t i c l em a t e r i a l ，c o m p o s e do fn a n o p a r t i c l e s i t n e i t h e rb e l o n g st om i c r o - s y s t e mn o rm a c r o - s y s t e m ，b u tb e t w e e nt h e m i th a sm a n yp a r t i c u l a r c h a r a c t e r i z a t i o n s ，s u c ha sv o l u m ee f f e c t ，s u r f a c ee f f e c t ，q u a n t as i z ee f f e c t ，m a c r o s c o p i c a lq u a n t a t u n n e le f f e c ta n ds oo nb e c a u s eo fi t sp h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c e sd i f f e r e n tf r o mn u b b l y s o l i d m a n yr e s e a r c h e sh a v ef o c u s e do ni t sa p p l i c a t i o ni nc r o s s e ds u b j e c ts u c ha sb i o m e d i c a lf i e l d c o m b i n i n gf e s 0 4n a n o p a r t i c i e sa n de x o p o l y s a c c h r i d e sf r o mb i f i d o b a c t e r i u me n h a n c e st h e i ru s i n g e f f i c i e n c yb e c a u s en a n o p a r t i c l e sa r el i t t l et o x i c a lo rn o ta n dn o te a s i l yd e g r a d e db ye n z y m ea n d p o s s e s sg o o da b s o r p t i o n a sas u b - q u e s t i o nf o rd i s c u s s i o no fn a t i o n a ln a t u r a lf u n d ，t h i sa r t i c l ew a s t op r e p a r ef e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sa n dd i s s c u s st h e i ri n f l u e n c i n gf a c t o r si no r d e rt oe s t a b l i s ht h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o ra n t i c a n c e ra n da n t i t u m o u rf o o da n dm e d i c i n e ， t h i sa r t i c l ef o c u s e do nt h ep r e p a r a t i o no ff e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sb yc o p r e c i p i t a t i o na n dt h e i r m o d i f i c a t i o nb ys o d i u mo l e a t e a tt h es a m et i m e ，t h es t a b i l i z a t i o no fn o n m o d i f i e da n dm o d i f i e d n a n o p a r i e l ew a sa l s os t u d i e d t h er e s e a r c hr e s u l t so b t a i n e dw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n t i n u o u sn i t r o g e na n dc e a s e l e s sa g i t a t i n ga n dt i t r a t i o nm e t h o do fa l k a l iw e r ea l lo f i m p o r t a n c ef o rt h ew e l l p r o p o r t i o n e ds i z e t h et e c h n i c a lc o n d i t i o nw a s ：t e m p e r a t u r ew a sb e t w e e n 3 0a n d5 0c e n t i g r a d e ，f i n a lp hv a l u ew a sb e t w e e n1 0a n d1 2 ，t h er a t i oo ff e ”a n df e ”w a so 5 ， c o n c e n t r a t i o no ff e r r i t ew a s0 1 m o l l ，s t i r r i n gv e l o c i t yw a s2 0 0 0 r m i n t h es i z eo fo b t a i n e d p a r t i c l e sw a s 15 a m ( 2 ) d i s p e r s i v er e s u l t si n d i c a t e dt h a tu l t r a s o n i ch a dl i m i t e ds e p a r a t ea b i l i t ye v e nm o r et h a n2 m i n u t e s b u ta c i dh a db e t t e re f f b c ta tp hv a l u e3 c o m b i n i n gu l t r a s o n i ca n da c i dt r e a t m e n tw a s f e a s i b l ef o rb e t t e rd i s p e r s i o n ( 3 ) s o d i u mo l e a t e ，a sak i n do f a n i o ns u r f a c ea c t i v er e a g e n t ，i t sm o d i f i c a t i o nc o n d i t i o nw a s ：p h v a l u ew a s5 ，t h eq u a n t i t ya c c o u n t e df o r2 0 o ft o t a lw a t e r i s hn a n o p a r t i c l ep o w d e r , t h et e m p e r a t u r e w a s8 0c e n t i g r a d e ( 4 ) t h em o d i f i e dn a n o p a r t i c l e sh a db e t t e rs t a b i l i t i e su n d e rl o w e rc o n c e n t r a t i o na n dl o w e r c e n t r i f u g a lr a t ea n dp hv a l u eh i g h e rt h a n6 4 w i t ht h et r e m e n d o u sc h a n g e si np h y s i c h e m i c a lc h a r a c t e r i z a t i o na n dp r o p e r t ya n di n t e n s i t yo f b i o - e f f b c t t h eb i o s e c u r i t yo fn a n o p a r t i c l e sh a v eb e e np a i da t t e n t i o nt o m a n yf a c t o r ss u c ha s s u r f a c ea r e a ，a m o u n t ，c h e m i c a lc h a r a c t e r i z a t i o n ，s u r f a c e - c o a t e dc o n d i t i o n ，f r e s h n e s sa n dv a r i e t y a n dc a t e g o r yo fe x p e r i m e n t a la n i m a la l la f f e c tt h e i rt o x i ci n t e n s i t y t h i sa r t i c l es t u d i e dt h ea c u t e t o x i c i t yo f f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e so f n o n m o d i f i e da n dm o d i f i e do n1 c r - m o u s eb yd o u c h i n gs t o m a c h t h er e s e a r c hr e s u l t so b t a i n e dw e r ea sf o i l o w s ： ( 1 ) m o d i f i e da n dn o n - m o d i f i e dn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e dc o l l o i df l u i db yp v p - 4 0a n dt h e i r l d s ow a sh i g h e rt h a n3 7 6 7 m g k go r a l l yo ni c rm o u s e 英文摘要 ( 2 ) t h em i c ea l ls u r v i v e da f t e rt w ow e e k s n a n o p a r t i c l e sw a sh a r m f u lt ol i v e ra n dl u n gt os o m e e x t e n t ，e s p e c i a l l yt ol i v e r t h em o d i f i e dn a n o p a r t i c l e sw a sl i t c l et o x i c a l k e yw o r d s ：n a n o s i z e dm a t e r i a l ；f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e ；s u r f a c ea c t i v er e a g e n t ；s o d i u mo l e a t e ； a c u t et o x i c i t y p o s t g r a d u a t ec a n d i d a t e ：d o n gj i n y i n g m a j o r ：f o o ds c i e n c e s u p e r v i s o r ：p r o f l i un i n g - v 1 i i - 1 引言 纳米是一种氏度单位，一纳米等 二十亿分之米，千分之一微米，人约是三、四个原子 的宽度。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成，一般是指结构单元或某一一维尺 度在0 1 l o o n m 范围内，是处在原子簇和宏观物体的过渡区域，从通常的关于微观和宏观物 体的过渡区域以及从通常的微观_ 乖【j 宏观的观点看，这样的系统既非微观系统亦非宏观系统， 而是一种典型的介观系统。 纳米科学技术是2 0 世纪8 0 年代末期诞生并正在崛起的新科技，其所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，开辟了人类认识世界的新层次。剑了9 0 年代，纳 米结构的形成和控制已经成为世界范围内研究的热点，人们认识到从分子层次到纳米、微米、 宏观阎体层层高度有序的结构，可以导致材料的高性能化和多功能化。纳米材料作为一种新 材料，是纳米科技发展的重要基础，是未来信息技术羽l 生物技术笆多种学科深入发展的重要 物质基础，目前的研究重点仍然是发展和完善纳米材料的制备技术，以及与其它学科进行交 叉汇合而产生新学科的生长点，进一步研究其应用，从而为其更加j “泛的应用提供一定的理 论依据。 1 1 纳米颗粒材料的发展概述 纳米颗粒被誉为2 1 世纪盼新材料，其概念在2 1 世纪中叶被科学界提山扁得到了r 泛的 重视和深入的发展。1 9 5 9 年诺贝尔奖获得者f e y m a n 在加州理j ：学院召开的美国物理学会年 会上预言：如果人们可以在更小的尺度上制备并控制颗粒的性质，将会打开个崭新的世界。 这一预言被科学界视为纳米材料萌芽的标志。直到6 0 年代中期，人们才真正有效地对分立的 纳米颗粒进行研究。8 0 年代两方国家的科学家f j 开始意识到纳米技术已经来临并着手开始研 究。1 9 9 0 年7 月，在美国巴尔基摩召开了国际第一届纳米材料科学技术会议m a r l os c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , 简称n s n 正式把纳米材料科学作为材料科学的一个分支公布于世。它标恣着一门 崭新的科学技术一一纳米科学技术的正式诞生。在会上正式提出了纳米材料学、纳米生物学、 纳米屯子学和纳米机械学的概念，井决定出版纳米结构材料、纳米生物学、纳米技术 等学术刊物。从此，纳米科技在世界范嗣内引起了人们极大的兴趣和荧注。 纵观世界纳米科技的发展历程，纳米科技将成为未来高科技发展的一个蘑要基础，它的 进步将带动整个科学技术的进步，同时也是知识雨技术创新的源泉，新理论、新规律的建立 和发现必将推动基础科学的发展。我国纳米科技的发展儿乎与世界同步。1 9 9 0 年国际第一届 纳米科技会议以至而后的一些有关的重要国际会议，均有中国学者参加。2 0 世纪9 0 年代初， 纳米科技的研究内容列入了国家重点自然科学基金、攀登计划和国家重点科技攻关项目，从 而推动了纳米科技的发展。2 0 0 3 年3 月2 2 目，由中国科学院、北大清华共组的国家纳米科 学中心在中国科学化学所成立。其当前所研究的主要方向之一，就是纳米科技在医学和生命 科学上的应用。 1 2 纳米颗粒的基本性质 纳米粒子处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种介观粒子。由丁- 粒径小，粒子 内存在各种缺陷，甚至还有不同的贬稳态共存，所以，纳米颗粒特殊的结构特点使其产生了 一系列不同于宏观块状固体的特性，在电、光、磁、催化、医学等方面具有非常重要的应用 前景，受到人们的普遍关注。 纳米材料具有三个共同的结构特点( 钱军民，2 0 0 2 ) ：( 1 ) 纳米尺度的结构单元或特征维度尺 寸在纳米数量级( 1 l o o n m ) ：( 2 ) 存在大量的界面或自由界面 ( 3 ) 各纳米单元之间存在着或强 或弱的相互作用。纳米材料的这些特点决定了它具有四个方面的效应并由此派生出许多传统 固体所不具有的特异性。 1 2 1 体积效应 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数少，相应的质量小，因此许多现象就不能用通 常具有无限个原子的块状物质加以说明了这种特殊的现象称之为体积效应。它表现为，当 纳米颗粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏磁 性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。 1 2 2 表面效应 表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大而引起的 性质上的变化。表1 1 给出了纳米粒子尺寸与表面原子数的芙系： 表1 - 1 粒径与表面原子数的荚系 t a b l e1 - 】r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i z ea n dn u m b e ro f s u r f a c ea t o m s 随着粒径减小，表面原子数迅速增加，而表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同 有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子结合而稳定，故具有很大的化学活性，使得 表面能增加( 1 w a n s g ah ，1 9 9 8 ) 。 纳米颗粒的表面效应( 徐辉碧，2 0 0 4 ) 主要从如f 方面对物质性质产生影响：表面能增加： 提供数目众多的表面反应活性中心。这种大的比表面积和表面原于配何不足，使得它与相同 材料的犬块材料相比具有较强的吸附。吸附分为两类，一类是物理吸附，即吸附剂与吸附相 之间是是以范德华之类较弱的物理力结合；另一类是化学吸附，即吸附剂与吸附相之间是以 强化学键结合。弱的物理吸附很容易脱落，强的化学吸附不容易脱落。 1 2 3 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到接近或小于某一定值时( 粒子波尔半径) ，费米能级附近的电子能级由 准连续能级变为分立能级，并且纳米颗粒存在不连续的最高被l i 据分子轨道能级和最低来被 占据分子轨道能级，使得间隙变宽，这种现象称为量子尺寸效席( w a n gy 1 9 9 1 ) 。 当晶体的尺寸很小，与电子或空穴的德布罗意波长相当时，载流子的运动被局限在一个 小小的晶格范围内，类似于盒子中的粒子，是一种新的物质运动状态，有别于分子、原子的 运动状态。相对于块状固体中大晶体内的电子而言，在这种局限运动状态，电子的动能增加， 原本连续的导带和价带发生能级分裂、能隙变宽，使颗粒的发射能级增加，光学吸收发生红 移( 如图1 - 1 所示) 。量子尺寸效戍不仅引起纳米颗粒的光学性质发生变化，而且其电学性质也 有明显的差别。随着纳米颗粒粒径的减小，有效带隙增火( m a l i km a ，1 9 9 9 ) 。 茸睹枷缸群州咖r 撕坶阳t 俄f ， _ 一 - 一 a _ 喇m 棚枷d， 竺- 挈罱茹”= 一一” 一 一! 皤西脚二淼： i 卜 h “州掩 州t k = h 图1 - 1 量子尺寸效应示意图 f i g u r e1 - 1s k e t c ho f q u a n t as i z ee f f e c t 1 2 4 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯串势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们一直发现一些宏观量，例如 纳米颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越 宏观系统的势垒面而发生变化，称为宏观的量子隧道( l e g g e t aj 1 9 8 7 ) 。这一效应与量子尺寸 效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也确定了采用磁带磁盘进行储存的最短 时间，即量子隧道效应。 综上所述，纳米粒子具有体积效麻、表面效应、景子尺寸效应、宏观量子隧道效麻。从 而显示出许多奇异的物理化学性质在诸多方面有着，1 。泛的廊片j 前景，逐渐成为人们研究的 熟点。 一。2 誊鲨翌= = 鎏望塑垡一 1 3 纳米颗粒的制备技术简介 纳米颗粒的制备方法分为两大类；物理方法和化学方法，物理方法包括低温粉碎法、超 声波粉碎法、高能球磨法、冲击波破碎法以及蒸汽快速冷却法、热离子法等。化学方法包括 液相法和气相法。气相法如气体冷凝法、活性氮一熔融金属法，溅射法、流动液面上真空蒸 镀法、电加热蒸发法等适合于制备纳米金属颗粒，而目前麻用较多的是采州液相法来制备- 1 3 1 水热法 水热反应是高温高压下在水溶液或蒸气等流体中进行的有关化学反应的总称，水热反应 包括水热氧化、水热沉淀、水热合成、水热还原、水热分解、水热结晶等类型。刘索琴( 2 0 0 0 ) 等人利用此方法合成了锰锌铁氧体纳米晶。该法具有原料易得、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。f a nr ( 2 0 0 1 ) 等用此法得蛰 s o n m 准球型多面体f 3 q 纳米 晶体磁产率高于9 0 。其反应原理为： 3 f e + 2 s 2 0 3 。+ 0 2 ( a q ) 十4 0 h f 旬0 4 ( s ) + s 4 0 e 。+ 2 h 2 0 水热法合成可总结有如下特点； ( 1 ) 在水热条件卜反应物反应性能发生改变、活性提高，使其有可能代替囿相合成以及难 于进行的其它合成井由此产生一系列新的合成方法。 ( 2 ) 水热条件下中间态、介稳态以及特殊物相易于形成，使其能合成与开发一系列特种介 稳结构、特种凝聚态的新合成产物。 ( 3 ) 自够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的物质、高温分解相在水热低温 条件下晶化生成。 ( 4 ) 水热的低温、等压、溶液条件，有利丁生长极少缺陷、取向好、完美的晶体合成产 物结晶度高，更易于控制产物晶体的粒度。 ( 5 ) 水热条件下的环境气氛易于调节有利于低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成， 并能均匀地进行掺杂。 1 3 2 微乳液法( 又称反相胶束法) 微乳液法是指两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，也就是双亲分子将 连续介质分割成微小空间而形成微型反应器，反应物在其中反应生成同相，由于成核、晶体 生长、聚结、团聚等过程受到微反应器的限制，从而形成包裹有一层表面活性剂，并且有一 定凝聚态结构和形态的纳米颗粒。该法实验装置简单，能耗低，容易操作；所得纳米粒径分 布窄，且单分散性、界面性和稳定性好；与其他方法相比粒径易于r 控制适用面广t 但该法 工艺操作难控制、产量有限。 a r m r o ( 1 9 9 3 ) 、l e ekm ( 1 9 9 2 ) 、z h o u ( 2 0 0 1 ) 、张柏仁等人( 1 9 9 8 ) 均用此法合成了纳米f e 3 0 4 颗粒。 1 3 3 空气氧化法 t a w a u r a ( 2 0 0 0 ) 等人在高温、氮气保护的中性环境中，空气氧化f e s o t 伴随加碱的进行， 以制各f e 3 0 4 纳米颗粒，但是该法伴有微晕副产物一f e o o h 和y f e o o h 的存在。孟哲芍人 ( 2 0 0 3 ) 在宝温下，p h = 1 0 左右的环境中，采_ = j 氧化诱导、空气氧化f e ( o h ) 2 悬浮液，成功制 各出高纯度、磁性强、球形分布的f e 3 0 4 超细粉体。影响反应的因素包括物料配比，氧化温 度和时间等。刘德贤( 1 9 9 8 ) 等人利用此法合成了f e 3 0 4 磁性颗粒，并对其进行了改性。 1 3 4 沉淀法 沉淀法包括直接沉淀法、共沉淀法、均相沉淀法及醇盐水解法。直接沉淀法仅用沉淀操 作从溶液中制备纳米颗粒。均相沉淀法通过控制溶液中沉淀剂的浓度使之缓慢增加，从而 使溶液中的沉淀均匀出现。共沉淀法在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，让所有离子完 全沉淀。为了获得均匀的沉淀，通常将含有多种阳离子的盐溶液慢慢加入到过量的沉淀剂中 进行搅拌，使所有离子的浓度大人超过沉淀的平衡浓度尽量使各组分按比例同时析出来。 金属醇盐水解法利用金属有机醇盐能溶于有机溶剂，并可能发生水解生成氢氧化物或氧化物 沉淀的特性而制备粉料，其优点是有机溶剂作醇盐溶剂，使得粉体浓度高。但沉淀法制备纳 米粒子时，沉淀剂的过滤、洗涤、溶液的p h 值、浓度、水解速度等等均影响微粒的尺寸大 小，其工艺操作简单，成本较低，产品的纯度高，组成均匀，可适合下人规模生产。丁明( 1 9 9 8 ) 等人利用中和沉淀法合成了f e 3 0 颗粒。 1 3 5 溶胶一凝胶法 溶胶凝胶法通常是在有机金属化合物或禽硅的有机物前驱体溶液中引入有机相聚合物， 在适当的条件下形成稳定的溶胶，然后经过蒸发干燥转变成凝胶。或在无机物溶胶中加入单 体，然后进行聚合形成聚合物，无机纳米复合材料。也可以将金属醇盐或无机盐经溶液、溶胶、 凝胶而固定化，再将凝胶低温热处理变为氧化物或其他固体的方法。路金林( 2 0 0 4 ) 等人用此 法合成了纳米t i 0 2 s n 0 2 粉体。 溶胶一凝胶法化学均匀性好、纯度高、颗粒比较细、胶粒尺寸比较小、可容纳不溶性 组分或不沉淀组分，但是烘干后的球形凝胶颗粒臼身烧结温度低，凝胶颗粒之间烧结性差， 即材料烧结性不好、干燥时收缩大。 1 4 纳米颗粒的毒理学研究 纳米颗粒在理化性质发生巨变的同时，其生物学效应的性质和强度也可能发生质的变 化，因此纳米颗粒的生物安全性正在逐渐受到人们的关注。 近几年来纳米颗粒的毒理学研究逐渐从传统的实验如肺功能测定笛向其他一些生物学 终点转变，如颗粒引发的呼吸道和心血管系统炎症、反应的氧化应激、细胞信号转导的改变 以及炎症介质的激活和释放情况等。尤其是纳米颗粒的大表面积更为颗粒的表面因子与一些 生物材料如蛋白质、细胞等之间的催化反应提供了特定的界面。研究也在动物整体实验、动 物器官外移植、细胞甚至弧细胞等不同水平展开。 以往一直认为二氧化钛( t i 0 2 ) 是低毒粉尘在许多粉尘的毒理学实验中，t i 0 2 往往被用 作无毒的对照粉尘。但是f e r i n 等( 1 9 9 2 ) 研究发现纳米t i 0 2 ( 平均直径为2 0 n m ) 目l 起的丈鼠肺 部炎症比相同空气质量浓度的微米级t i 0 2 ( 平均直径为2 5 0 n m ) 更为严重。这一报道改变了人 们对颗粒毒性问题的认识：即使是无毒或低毒的细颗粒材料，其纳米颗粒也可能会变得有毒。 因此，此类曾经被认为是无毒或者低毒的纳米颗粒以及箕它的纳米颗粒成了毒理学研究的燕 点。 目前纳米颗粒毒理学研究的一个主要方向是肺毒理研究。研究发现纳米颗粒可以沉积在 肺中，引起肺部损害。t i 0 2 ( l ixy ，1 9 9 6 ) 、a 1 2 0 3 ( o b e r d o e s t e l l 9 9 5 ) 、g 2 0 s ( w o l i f , 1 9 8 8 ) 等惰性 颗粒以及一些有机材料如聚苯乙烯颗粒在肺部的吸收、转移、分布引起肺部反应的程度大多 随着粒径的不同而不同。纳米颗粒能够引起更严重的肺部炎症、上皮细胞增生、纤维化及肿 瘤，甚至极高的死亡率( o b d o r s t e r , 1 9 9 5 ) 。 纳米颗粒对其他系统的毒性也逐渐受到重视。对其在心血管、消化、神经系统中的沉积 和损害情况进行了研究发现，纳米颗粒除了在肺部被巨噬细胞吞噬或逃脱其监视而被上皮细 胞吸收或进入间质外，仍有少部分可以转移至肺外组织如肝、脾、肾甚至骨髓，且颗粒直径 越小，转移分数越大( k r e y l i n g ，2 0 0 2 ) 。进入肠道的纳米颗粒吸收效率也比同材料的微米级颗粒 高，且吸收的颗粒可以经过淋巴管进入血液循环进入到肝( 主要聚集在枯否细胞) 及脾( 脾小 结) ( j a n i ，1 9 8 9 ) 。纳米颗粒还可能通过血脑屏障影响中枢神经系统( o b e r d o r s t e r , 2 0 0 4 ) 。但是， 这些纳米颗粒肺外转移和沉积的证据并不能表明其对沉积部位产生了损害，有待于进一步研 究。 1 5 纳米颗粒毒性作用的影响因素 1 5 1 纳米颗粒性状的差异 1 5 1 1 颗粒的表面积 纳米颗粒粒径较小位于表面的原子占相当人的比例，表面积急剧变大。较高的表面积 引言 使处于表面的原子越来越多，不饱和键数目多于微米级颗粒，同时表面能迅速增加，使这些 表面原子具有很高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。表面积可能是反应超微粒子 毒性的一个重要参数。b r o w n 等( 2 0 0 2 ) 将不同剂量下不同粒径的颗粒表示成表面积，发现表 面积与肺部炎症指标多形核白细胞几乎成一过零点的直线。所以认为表面积可能是引起炎症 的变量。 1 5 1 2 颗粒的数目 诸多纳米颗粒与微粒毒性比较的研究中，大多数是给予等质量的颗粒，这就意味着给予 纳米颗粒和微粒的数目大有不同，纳米颗粒的数目可以大丁- 微粒数目3 4 个数量级，且注入 1 天后滞留的纳米颗粒比微粒多5 0 ( f e r i n 1 9 9 2 ) 。 f e n n 等研究发现当t i 0 2 纳米颗粒与微粒数目小于1 1 0 ”时，肺中保留颗粒数才开始呈 指数上升。原冈之一就是低于肺部负荷时，纳米颗粒的清除率非常高而极少进入间质，而一 旦超过负荷( 颗粒数超过1 1 0 ”) ，肺部开始出现颗粒超负荷，肺部保留数目开始增多。当t i 0 2 微粒数达到1 1 0 ”时，同样有极高的保留率，这说明颗粒数目比颗粒大小更能决定吸收的 多少。 1 5 1 3 颗粒的化学性质 人群吸入高剂量m g o 纳米颗粒及微粒，未观测到肺部炎症反麻。而吸入z n o 纳米颗粒 及微粒2 0 h 后可检测到炎症细胞因子、肺部微环境的细胞反应( d o u f o r d ，1 9 9 7 ) 。而两者在实验 方法上并没有显著的差异。这也提示，除了颗粒大小、数目、表面积、物理性质之外，化学 性质对颗粒毒性也有影响。 1 5 1 4 颗粒的表面包被情况 纳米颗粒被包被后，颗粒的表面特性如不饱和键数目发生改变或者包被物本身产生毒作 用，使得颗粒毒性表现发生改变。将同一直径的纳米t i 0 2 用矽甲烷修饰成亲脂性注入大鼠 后发现亲脂性颗粒引起的肺部炎症反应程度比亲水性颗粒轻。但是也有相反的结论： h e i n i r i c h ( 1 9 8 9 ) 给大鼠注入2 m g 被修饰成亲脂性的t i 0 2 颗粒引起急性毒性死亡。颗粒表面吸 附的许多物质如过渡金属元素、细菌等物质可通过氧化应激增加毒性作用。纳米颗粒表面包 被物质的有无以及包被物的成分等均可改变颗粒的毒性表现。 1 5 1 5 颗粒的新鲜度 颗粒的新鲜与否可以影响其毒性。新鲜聚四氟乙烯烟尘的毒性比旧烟尘大，因为陈旧颗 粒容易聚集而使毒性减i $ ( o b e r d o r s e ，1 9 9 5 ) 。 当然，其他如纳米颗粒的暴露频度、持续时间、暴露浓度、接触方式等也是影响其对人 体毒作用的因素。 1 5 2 实验动物的差异 1 5 2 1 品系间的差异 纳米颗粒在不同品系的啮齿类动物中引起的肺部反麻不同。同等处理条什f ，人鼠比小 鼠的肺部反应更严重，进而发生进展性的上皮改变和纤维增生。吸入1 0 m m 3 纳米t i 0 2 可以 引起大鼠和小鼠肺清除能力的损害，但是仓鼠不受其影响( b e r m u d e z ，2 0 0 4 ) 。 1 5 2 2 种属间差异 近年来一些报道指出颗粒引起灵艮类动物及人类的肺部反应与啮齿类动物特别是大鼠 有所不同。例如大鼠慢性吸入颗粒物，颗粒土要沉积在肺泡腔，而人类主要集中在肺间质区。 沉积的解剖部位不同，引起的反应结果也不一样。大鼠与其他非啮齿类哺乳动物相比，肺泡 巨噬细胞中保留的粉尘比倒更人，肺清除颗粒的速度更快。这些研究结果表明纳米颗粒在不 同种属动物间的毒性表现将会不同。 由此可见，纳米颗粒较之常规颗粒，其毒性发生了改变。不同种属动物间实验结果的 差异使得纳米颗粒毒理学研究结果很难外推至人。此外，还需要更多的从细胞和分子水平对 纳米颗粒的毒性进行描述。当前依靠质量浓度鉴定评价其安全性远远不能满足纳米颗粒人人 增加及应用的需求。 1 6 纳米颗粒在生物医学领域的应用研究 1 6 1 荧光标记生物探针 量子点( 孟磊，2 0 0 4 ) e p 半导体纳米微晶粒，它是一种直径在1 】0 0 n m 之间，能够接受激 发光产生荧光的半导体纳米颗粒。传统的有机荧光物质因激发光谱范围较窄、发射峰较宽且 脱尾而在实际应用中受到限制。量子点标记生物探针是近几年来出现的最引人注目的纳米粒 荧光标记生物探针，是一种将纳米技术、生物技术和荧光分析检测技术紧密融合为一体的非 传统荧光分祈方法。它具有激光发射波长较宽、发射峰尖锐、发射波艮可以通过纳米颗粒粒 径进行调节等优点。 林章碧( 2 0 0 3 ) 直接在水溶液中合成尺度较均一的被巯基丙酸包覆的c d t e 纳米粒子，在 选定的口h 值条件下通过静电相互作用使纳米粒子与带止电荷的生物分子木瓜蛋白酶相 结合，并通过光谱数据和t e m 图像证实结果。此简便、快速的方法可使纳米粒子选择性的 标记目标生物分子，该生物荧光探针可以作为灵敏的检测试剂或细胞内的示踪剂，也可以用 于细胞表面的标记研究。 m a t t o u s s i 佗0 0 0 ) 等用经二氢硫辛酸修饰的c d s e z n s 量子点与带有高电荷亮氮酸拉链端 b 引言 e 岂! ! ! ! ! g 自! ! ! 一i | ! 自! ! 目鼍_ 自| ! ! _ _ e ! ! ! ! ! _ s 目s ! _ ! ! ! 目e 目目| ! ! ! ! ! ! ! 暑 基的二组分重组蛋白一麦芽糖结合蛋白一碱性亮氨酸拉链融合蛋i 白( m b p z b ) 进行自组装结 果表明：量子点与m b p z b 之间发生了有效的非共价键结合，而且每一个量子点能够与几个 m b p z b 分子结合，新的复合物保留了m b p z b 的功能，它能够结合到支链淀粉亲和树腊上， 用水溶性的麦芽糖取代支链淀粉，结合以后，光致发光的量子产率从来结合前的1 0 提高到 了2 0 3 0 。 p a t h a k ( 2 0 0 1 ) 采用荧光原位杂交方法，用c d s e z n s 量子点标记的寡聚核苷酸探针进行了 染色体异常或突变的研究。认为c d s e z n s 量子点用作生物探针的荧光标记物是非常理想的， 稳定性好，标记抗体蛋白质或d n a 等生物探针时不损害它们的生物活性，荧光杂质少，荧 光量子产率高。 1 6 2 靶向药物载体 通常的治疗药物都存在毒副作用，而抗肿瘤药物则更是存在严重的全身毒副作用，经过 长时间的研究，科学家们提供了许多方法实现局部病变和局部治疗的目的。其中磁导向给药 系统占了较大的比例，其特点在于能够克服药物在体内输送的过程中遇到的各种生理屏障。 磁性递药体系作用于药物的靶向过程主要是通过血液作用于纳米粒子的力与磁场产生的磁力 之间的竞争来实现的。 l u b b e ( 1 9 9 6 ) 等人研究了大鼠和裸小鼠对空白及载药磁性纳米粒的耐受性，以及载药磁性 纳米粒的药效。结果表明，在试验条件一f 动物对不同浓度的空白及载药磁性纳米粒子均未表 现出任何毒副作用，也不能测定出l d 5 0 值，只有在非常高的剂量f ，动物在一两天内表现出 嗜睡。而且在移植的肾癌_ 乖【| 结肠癌模型上，载药纳米粒子能使肿瘤完全的缓解。 l m l a c a v a ( 2 0 0 4 ) 等人研究了用葡聚糖包裹平均粒径为9 ，4 n m 的磁性纳米颗粒对寿命为 2 4 个月的瑞士小鼠的毒性情况。经1 小时、1 天、2 天、7 天、2 8 天、3 个月和6 个月的不 同时间进行观察试验，未见肝脏及脾脏组织出现坏死细胞及形态变化，从而证实了磁性纳米 粒子的生物兼容性及生物医学应用的可行性。 嵌段共聚物胶束是由两亲性嵌段共聚物在水溶液中白发形成，其粒释 i g 或者i n i g 时，反应体系就生成大量的晶核，当i n 1 0 时，晶核均匀生长，最后得到单分散的胶体粒子。 因此可以预测，适当调节原料的加入方法，使得体系过饱和比突然增大，可以翘速形成大量 晶核，控毒4 温度，使得晶核以接近一致的速率生长，可以得到单分散或者粒度分布较窄的纳 米颗粒。 另外，从两种方法进行控制的角度考虑：调节液相合成的反应物的比例和加入量，其本 质是调节反应体系的过饱和度，通过对两种方法的过饱和比的分析表明，增加等量的铁离子 - 1 6 - 材料与方法 或氢氧根离子，共沉淀法过饱和比的增加略小于沉淀氧化法过饱和比的增加，也就是说，沉 淀氧化法对反应物的比例和量的变化更敏感一些。希望合成方法在较宽范围变化的初始条件 下得到比较一致的结果，而共沉淀法对初始条件的变化反应灵敏度较小，冈此选择共沉淀法。 从工艺的复杂性角度考虑，沉淀氧化法需较长的时间，产物的纯化和分离较为复杂。而 共沉淀法则不然，可以适当加大f e 2 + 的比例达到一定的除氧目的，因此较为容易控制，控制 一定的反应温度，反应在很短时间内完成，产物可以在磁场参与下清洗分离。因此选用共沉 淀法可以简化工艺。 另外，化学共沉淀法是液体混合反应，反应存在丁容器的各个部分，无需额外的分散力 就可以达到很高的分散度易于实现自动化，适于生产。 综合上述有关纳米颗粒的制备工艺，采j j 化学共沉淀法制备f e 3 0 4 纳米颗粒。 2 2 1 2 化学共沉淀法制备f e 。0 纳米颗粒的工艺路线 用共沉淀法来制各f e ，0 4 纳米颗粒的离子反应方程式为： f e 2 + + 2 f e 3 + + 8 0 h 一一f e 3 0 4 - 1 - 4 h 2 0 以此为依据，通过控制反应的诸多条件，来生成纳米f e ，0 4 。在整个的制备过程中，共 沉淀反应是在氮气的保护条件下进行的，这一条件至关重要。因为在通氮气的情况下，保证 了反应是在无氧的条件下进行的这样才能保证生成的产物是f e 3 0 4 ；否则f e 2 + 将被氧化为 f e ”而使反应不能正常进行：同时，即使生成f e 3 0 4 ，它也会按下式被氧化( d ，k k i m ，2 0 0 1 ) ： f e 3 0 4 + o 2 5 0 2 + 4 5 h 2 0 3 f e ( o h ) 3 在实验现象表现为产物由黑色变为黄色，这将导致不能生成f e 。0 。或者生成的f e s o 纯 度很低。 另外，乙醇水溶液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：在熟化过程中，乙醇分子的乙氧基能够取代胶团表面的非架桥羟基( 高濂，2 0 0 1 ) ，减小颗 粒问的吸引，减小颗粒间的吸引，减少颗粒团聚的机会通过多次醇洗可以除去颗粒表面多 余的离子，提高f e 3 0 4 纳米颗粒的纯度。另外，乙醇还可以降低水的表面张力，起到助表面 活性荆的