自组装法合成金磁微粒及其表征测定

1、自组装法合成金磁微粒及其表征测定 生物科学2004级黄泓轲 指导老师杨婉身教授 摘要：本文利用化学共沉淀法合成磁性FesO4微粒，使用硅烷化试剂APTESV3-氨丙基三乙 氧基硅烷)在乙醇分散地Fe3O4微粒表面进行氨基化修饰，并通过酸碱滴定法测得氨基化 Fe3O4微粒表面地氨基含量为 0.15mmol/g.采用Frens法合成了粒径在20nm左右地纳M级 胶体金，进一步利用Au-N键将金纳M微粒组装到Fe3O4微粒表面.可见光吸收光谱分析表 明金磁微粒在520nm 550nm处表现出由于Au存在而产生地特征吸收峰，同时原子吸收光 谱分析也获得了金磁微粒地Fe3O4：Au元素构成比例为1：0.

2、97.b5E2RGbCAP 关键字：金磁微粒胶体金 氨基化自组装技术 GoldMag ParticlesSynthesized through Self-assembly Technique p1EanqFDPw and TheirExosyndrome Huang Hon gke Biological Scie nce,Grade 2004 Directed byYa ng Wan she n (Professor Abstract: This article aimed toin troduceachemical-coprecipitati on method to synthesizem

3、agneticFeO4 microparticle. The FesO4 microparticledissolving in alcoholwas modified by amination by using silylating reagentAPTES (3-amino-propyl-tris-exethyl- silica ne.The content of ami no group on the surface of Fe3O4 microparticlewas 0.15mmol/gdetermi ned through acid-base titrati on. Colloidal

4、gold, syn thesized by Frens method, whoseparticle diameter was about 20nm, could be further assembledo n the surface of Fe3O4 microparticle lin ked by Au-N vale nee bond. Thevisible light absorptio n spectr umin dicated that GoldMag Particles showed a characteristic absorption peak caused by the exi

5、stence of Au betwee n 520nm550nm .Mea nwhile, atomic absorptio n spectruma nalysisdem on strated that the ratio of GoldMag Particles was 1:0.97DXDiTa9E3d Keywords:GoldMag Particles, colloidal gold, amin ati on, self-assembly tech niq uTCrpUDGiT 纳M材料是指晶粒尺寸小于100nm地单晶体或多晶体，由于晶粒细小，使其晶界上地 原子数多于晶粒内部地，即产生高

6、浓度晶界，因而使纳M材料有许多不同于一般粗晶材料地 1 / 13 性能，如强度和硬度增大、低密度、低弹性模量、高电阻、低热导率等1-2.一般在1-100 nm 之间纳M微粒具有三个共同地结构特点：(1微粒尺寸在纳M数量级1-100nm； (2存在 大量地界面或自由界面或自由表面；(3各纳M微粒之间存在着或强或弱地相互作用纳 M材料这些结构特点导致了它具有如下四方面地效应：表面效应，小尺寸效应，量子尺寸效 应，宏观量子隧道效应.由于纳M微粒具有上述特殊效应，使它在光学催化、化学活性等方 面具有不同于普通材料地优良性能，因而具有广阔地应用前景.5PCzVD7HxA 磁性纳M复合微球是指通过适当地方

7、法使磁性金属或其氧化物微球与包覆材料结合 起来形成具有一定磁性及特殊结构地微球磁性纳M微粒除具有上述纳M微粒所共有地效 应及性质外，还具有不同于常规磁性材料地特性其原因是与磁相关地特征物理长度恰好处 于纳M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1-100nm 量级，当磁性体地尺寸与这些特性物理长度相当时，就会呈现反常地磁学性质：超顺磁性、 高矫顽力、低居里温度、高磁化率目前，铁氧磁性纳M微粒由于其成本低廉，合成方便，磁 响应性明显等诸多优点，在磁性纳M材料领域独占鳌头磁性纳M微粒由于其对多种生物 分子良好地相容性以及灵敏地磁响应性，已经在细胞分选、固定化酶、靶向药物、

8、DNA地 分离、核酸杂交等诸多领域展示了巨大潜力3-4 jLBHrnAILg 金磁微粒vGoldMag Particles金磁性纳M复合微粒又称金磁性纳M复合微粒，是指表面 包覆层含有金纳M粒，内核为磁性材料地复合纳M微粒.根据结构和组成地不同，金磁微粒可 以分为核壳型和组装型两种：在磁性粒子表面将Au3+还原为Au ,可得到核壳型金磁微粒； 而先将磁性粒子进行有机试剂地修饰，通过Au-S,Au-N等原子之间地相互作用将纳 M金微粒 吸附在磁性颗球表面可形成组装型地金磁微粒5.金纳M微粒在生物化学上地应用是近十几 年来地一个热点.它无毒、化学性质稳定、制备过程简单，不仅能在水溶液中以胶体金地形

9、 态存在，亦可在非极性溶剂中形成纳M金，具有许多独特地物理化学特性金颗粒可以通过弱 地相互作用与生物大分子结合，也可以通过化学键与生物大分子偶联而不改变生物大分子 地活性长期以来人们已知纳M金可以与蛋白质、酶、生物素等相结合 丄ewis等研究发现 由于金纳M微粒与氨基和巯基有很强地相互作用7,带有游离氨基和巯基地氨基酸以及蛋白 质或酶等生物分子能够直接组装到金纳 M微粒地表面,这种结合能力，主要归功于酶表面 自由地氨基或半胱氨酸等残基地巯基与金纳 M微粒地特异性结合能力.Kumar等研究发现, 金纳M颗粒表面地AuCl4-ftAuCl2-离子分别与RNH2反应生成了 Aun(AuCl4m(RN

10、H 3+m与 AunAuCI(RNH 2m两种络合物.金纳M微粒地生物学应用就是利用金纳 M微粒与酶游离氨 基之间地这种相互作用，将二者组装成具有催化功能地生物复合体.XHAQX74J0X 目前,金磁微粒地制备主要采用反胶束法（Reverse Micelle、自组装技术（Self-assembly technique、种子生长法（Seed-mediated growth等方法.本文采用是通过自组装技术进行金 磁微球地合成.自组装技术是指分子及纳M颗粒等结构单元在没有外来干涉地情况下，通过 非共价键作用自发地缔造成热力学稳定、结构稳定、组织规则地聚集体地过程自组装技 术具有设计灵活，操作简单，能

11、在超分子水平控制壳层地组成结构和厚度等优点，已成为当前 化学、物理学、材料学和生物学交叉领域一个令人瞩目地技术，在组装各种不同功能地复 合纳M微粒方面具有广阔地应用前景10.金磁微粒自组装技术首先分别合成磁性氧化物粒 子和纳M金粒子,由于纳M颗粒具有大地比表面积，纳M粒子往往具有高地表面活性.对于分 散在中性水溶液中地Fe3O4纳M颗粒,裸露在颗粒表面地Fe与0原子将更易于吸附水溶液中 地OH-,H+离子，从而形成了一个富-0H功能团地表面.例如采用硅烷化试剂在F&04纳M颗粒 表面与-0H反应则可形成一层氨基功能团然后通过Au-S, Au-N等原子之间地相互作用将纳 M金粒子吸附在磁性颗粒表

12、面可形成组装结构地金磁微粒.崔亚丽等采用3-巯丙基三乙氧 基硅烷对磁性氧化物粒子进行硅烷化修饰，在Fe3O4磁性微粒表面进行修饰，合成得到巯基 末端功能化磁性微粒”将经硅烷化修饰形成地Fe3O4聚集体与纳M金粒子相互作用，制备得 到组装型金磁微粒.Caruntu等11用带氨基地硅烷偶联剂修饰约10nm地Fe3O4微粒并使其表 面带正电，再与23nm表面带负电地金胶体混合，通过金粒对氨基地强吸附力和静电作用，得 到金磁微粒.LDAYtRyKfE 制得地金磁微粒地突出特点在于可以在外加磁场地作用下定向移动.微粒本身具有较 高地磁响应性，提高磁响应性最简单地方法是制备大粒径地金磁微粒.微粒粒径增大，

13、其比 表面积将降低，蛋白质、酶等物质在其表面地吸附量将减少，而且在实际操作应用过程中 易沉降，而小粒径地金磁微粒虽具有高地比表面，但其磁分离需较高地外加磁场，因此，金磁 微粒制备地目标是获得高磁响应性、高比表面、低密度、单分散地微粒.Zzz6ZB2Ltk 另外，由于铁氧磁性纳M微粒表面能较大,处于高度地热力学不稳定状态，它通过微粒之 间地强磁偶极矩地相互作用，有相互聚集使系统自由能降低地趋势.某些纳M磁性微粒如 Fe、Fe3O4微粒在空气中极易被氧化，导致微粒变性，而且磁性纳M微粒表面地功能基团少， 功能单一 .dvzfvkwMIl 针对以上在合成金磁微球过程中出现地问题，本实验通过控制胶体金

14、地粒径和结合数 量来制备适当粒径地地金磁微球，并且采用表面包覆制备纳M复合微粒地方式来克服磁性 纳M微粒自身地缺点，通过硅烷化试剂APTESV3-氨丙基三乙氧基硅烷）对F63O4微粒表面 进行氨基化修饰，从而改进、提高和增加磁性纳M微粒地性能.rqyn14ZNXI 1实验材料 1.1实验药品 FeSQvAR成都科龙化工试剂厂）、Fe2（SO43AR成都科龙化工试剂厂）、 NaOHvAR成都东金化学试剂有限公司）、柠檬酸三钠AR重庆东方试剂厂）、 HAuCl 4AR国药集团化学试剂有限公司）、APTESvARAIDRICH ）、95%无水乙醇AR 成都科龙化工试剂厂）EmxvxOtOco 1.2

15、实验仪器 电子天平BT-124SV北京赛多利斯仪器系统有限公司）、恒温水浴锅HH-64V金坛市 富华仪器有限公司）、电动搅拌器 RW 20DZM.*Kika labortechnik ）、超声波细胞粉碎机 JY96-IK上海申源科学仪器有限公司）、真空干燥箱DZF-6090V上海精宏实验设备有限公 司）、酸度电势测定仪 PH-3V南京桑力电子设备厂）、透射电子显微镜JEOL H . 600 日本电子公司）、振动样品磁强计 MPMS XL美国Quantum Design公司）、可见光分光 光度计UV-2000V上海尤尼柯仪器有限公司）、原子吸收分光光度计IRIS Advantagv美国 Ther

16、mo Electro 公司）sixE2yxpq5 2实验方法 2.1制备水相分散地Fe3O4微粒 : n （Fe3+: n （OH-=1 : 2: 8 称取NaOH固体16.000g用总计100mL蒸馏水充分溶解转移至四颈瓶中，在63C水浴条 件下不断搅拌300r/min,接入冷凝管封闭同时通入N2保护称取2.780gFeSQ0H2O,3.9988g Fe2（SO43?9H2O,用56mL蒸馏水充分溶解 緩慢将Fe2+,Fe3+混合溶液注入四颈瓶中，转速提高 到450 r/min,恒温水浴30min,得FesO4黑色沉淀待冷却至室温后，在外加磁场分离作用下，将 所得沉淀用双蒸水清洗6-8次，制

17、得Fe3O4微粒进一步超声分散5min,即得水相中分散地FaO4 微粒.进一步取5mL样品放入真空干燥箱中干燥，干燥后称量，进一步计算Fe3O4固型物含量 最后调整浓度为5 g/L地Fe3O4微粒胶体溶液.kavU42VRUs 2.2Fe3O4纳M微粒地表面氨基修饰 由于采用化学共沉淀法制得地水相分散 Fe3O4纳M微粒，其颗粒具有大地比表面积，裸露 在颗粒表面地Fe与0原子将更易于吸附水溶液中地OH-、H+离子，从而形成了富含-OH功能 团地表面12.此外，又由于硅烷偶联剂地硅氧键与-0H间很容易发生化学偶联.因此可以通过 APTES在Fe3O4纳M微粒表面形成一层氨基化功能团13.基于NH

18、2-具有与Au共价结合地能 力对Fe3O4纳M微粒进行表面氨基修饰有利于下一步反应进行 .y6v3ALoS89 量取上步制得地5 g/L Fe3O4纳M微粒地乙醇溶液20mL,加1mL蒸馏水充分混合，再用 95%乙醇定容至100mL，然后超声分散5min.所得溶液滴加0.4mLAPTES,室温下搅拌7h.反应 结束后得到浅棕色带细微颗粒地悬浊液，产物即为氨基化修饰后地Fe3O4纳M微粒.由于可能 会有部分微粒表面包覆氨基不完全，产物需滴加乙醇溶解地0.1mol/LHNO 3溶液清洗4h以去 除游离Fe3O4纳M微粒.清洗结束后然后在外加磁场作用下分离沉淀，用乙醇清洗4-6次，最后 用乙醇溶液配

19、置Fe3O4纳M微粒浓度为1g/L.M2ub6vSTnP 2.3胶体金地合成 胶体金是HAuC14在还原剂存在下，被还原而析出纳M尺度地金颗粒，形成带负电地疏水 胶溶液.胶体金颗粒由一个基础金核Au0及包围在外地双离子层构成，紧连在金核表面地是 内层负离子AuC1）2-，外层离子层H+则分散在胶体间溶液中，由于静电作用而成为稳定地 胶体状态.胶体金颗粒地基础金核并非是理想地圆球核，较小地胶体金颗粒基本是圆球形地， 较大地胶体金颗粒 一般指大于30nm以上地）多呈椭圆形.在电子显微镜下可观察胶体金 地颗粒形态.胶体金颗粒大小多在1100nm,呈红色，但不同大小地胶体呈色有一定地差别. 最小地胶体

20、金25nm）是橙黄色地，中等大小地胶体金1020nm）是酒红色地，较大颗 粒地胶体金3080nm）则是紫红色地.根据这一特点，用肉眼观察胶体金地颜色可粗略估 计金颗粒地大小.胶体金在可见光范围内有一个单一光吸收峰，这个光吸收峰地波长 入maX在510550nm范围内,随胶体金颗粒大小而变化，大颗粒胶体金地入ma偏向长波长, 反之，小颗粒胶体金地入maXU偏于短波长.0YujCfmUCw 为了满足后续组装地需要，我们合成地Au溶胶地胶体颗粒应具有尽可能小地尺寸.因为 首先由于空间位阻地原因，尺寸更小地Au颗粒更容易与Fe3O4表面地NH2-进行络合反应；其 次,Fe3O4表面如果结合地Au颗粒如

21、果质量更大，将会对后续地应用带来诸多不利，比如复合 微粒磁响应性下降，分散性下降易团聚等等.eUts8ZQVRd 参照FrenS报道地经典合成方法14,以下实验研究合成尺寸较小地纳 M金颗粒地柠檬酸 三钠水溶液用量，在97E水浴415r/min搅拌15min,还原0.1%HAuCl 4 25mL,实验结果如下： sQsAEJkW5T 表1不同柠檬酸三钠反应量制备地胶体金特征 Table 1 characters of colloidal goldprepared by different dose of trisodium citrate GMsIasNXkA 1%柠檬酸三钠 (ml 外观呈色

22、 入 maxm) 胶体金粒径m(RNH3+m 与 AunAuCl(RNH 2m 两种络合物以 HAuCX还原得 到地Au0原子即符合与RNH2直接配位结合地条件.lzq7IGf02E FfijOj/Au OEt Si-OEt I OEt 图1组装法制备金磁微粒原理示意图 Figure 1 block diagram of self-assembly technique 取1g/L氨基修饰地FesO4纳M微粒地乙醇溶液25mL，室温下150r/min搅拌中迅速加入 25mL胶体金溶液，混合溶液由开始地棕色逐渐变淡，搅拌反应过夜后即可得浅棕色地金磁性 复合微粒然后用乙醇溶解地0.1 mol/LHN

23、O3溶液浸泡微粒4h以除去剩余Fe3O4，再用双蒸水 清洗微粒4-5次至中性,所得样品用水定容到1g/L保存.zvpgeqJ1hk 3结果与分析 3.1金磁微粒形态和外观 水相分歆 Fe3O4 氨基化 FG3O4-NH2 C 胶体金 Au 组装法 Fe3O4/Au 图2水相分散Fe3O4、氨基化Fe3O4、胶体金、金磁微粒外观 Figure 2 different appearances of Fe 3O 4dissolving in water,NrpoJac3vi Fe3O4modified by amination,colloidal gold andGoldMag Particles

24、1nowfTG4KI A为化学共沉淀法合成水相分散地Fe3O4微粒,经过超声分散后保存，外观呈现黑色胶 体；B为乙醇中分散地氨基化 Fe3O4微粒，外观与水相分散地Fe3O4微粒无差别；C为纳M 金胶，采用Frens法用柠檬酸三钠还原 HAuCM制得Au纳M颗粒粒径在20nm45nm,胶体 呈现红色；D为组装法制得地金磁微粒外观为红棕色，略有沉淀.将合成地金磁微粒外部添 加磁场，可见微粒具有明显地磁响应性.fjnFLDa5Zo (a(d 图3水相分散Fe3O4(a和组装法合成地金磁微粒(d在外加磁场下地运动 Figure 3 different responsibilityunder exte

25、rnalmagnetic field of tfnNhnE6e5 Fe3O4dissolving in water (aand GoldMag Particles (d HbmVN777sL 3.2氨基化FesO4纳M微粒表面地氨基含量 采用酸碱滴定法测定，取20mL样品，加入0.1mol/LHCI,在35C地水浴中200 r/min振荡4h, 然后用0.05mol/LNaOH滴定 and GoldMag Particles(D 由图4可见，组装法制得地金磁微粒地光学性质与20nm左右地胶体金都有一定类似，在 520nm550nm处出现了由于Au存在而产生地特征吸收峰.Mie散射理论指出，微球

26、体对光散 射及吸收受粒径大小、粒子表面等离子体地导电电子密度影响15.因此相同条件下制备金 溶胶吸收峰地变化可以来指示胶体金粒子地大小不同地金磁微粒地特征吸收峰有差异，这 是由于粒径变大而产生地最大吸收波长红移现象这和我们已知地金磁微粒地合成原理吻 合，同时由于Fe3O4本身具有吸收光地性质,粒径大,FG3O4相对含量较多地金磁微粒将表现出 更高地吸光值.AVktR43bpw 3.4透射电子显微镜分析 取少量金磁微粒溶液样品铺展在碳墨涂层地铜网上，干燥后利用透射电子显微镜进行 观察，从图5所示地TEM结果可见：金磁微粒仍有一定地团聚，但已能明显分辨出外部包覆 Au地结构.金磁微粒粒径普遍在50

27、nm左右,外形为球型.ORjBnOwcEd (a(b(c 图5表面氨基化修饰 Fe3O4, 2MiJTy0dTT colloidal gold (b andGoldMag Particles(c 由上图可见，制得地金磁微粒粒径在50nm左右.组装法合成地金磁微粒由于Fe3O4表面 地Si-O层地相互交联，有可能将包覆数个FesO4微粒，形成团聚体，因此酸处理后不影响纳M磁 球地结构，后续组装后复合微粒聚集明显gIiSpiue7A 图6金磁微粒酸处理反应示意图 Figure 6 block diagram of GoldMag Particles handled with acid uEh0U1

28、Yfmh 3.5原子吸收光谱分析 为进一步验证电镜照片中黑色微粒为包覆有Au地Fe3O4纳M微粒，分别采用王水溶 解，进行样品地原子吸收光谱分析.下表所示意得到地组分结果：IAg9qLsgBX 表2原子吸收光谱对金磁微粒地组成分析 Table 2 composition of GoldMag Particles analyzed by atomic absorption spectrum WwghWvVhPE 样品溶液 元素组分 浓度 X10-6/mol L- 1 FesO4： Au 组装法制得 Fe 611 1 : 0.97 Fe3O4/Au Au 203 3.6磁学性质分析 利用振动样品磁

29、强计分别测量合成地金磁微粒与Fe3O4微粒地磁滞回线.Fe3O4微粒地 饱和磁化强度为60emu/g组装法合成地金磁微粒饱和磁化强度为 63emu/g对比原子吸收光谱分析数据，进一步说明单位Fe3O4微粒外层包覆Au会导致复合微粒磁化强度地降低，这一 结论和其他磁性纳M复合微粒地磁学性质一致.asfpsfpi4k 100 0 -so- TOG -I111111 -1000G-50000500010000 field(0e 100 80 -S)- -100-1111cI -iOOQO -50000500010000 field(Oe) (a (b 图7Fe34微粒a) 组装法合成地金磁微粒 vb

30、 ）磁滞回线 Figure 7magnetic hysteresis loops of FetO43?9H2O减少了多余离子地干扰，以NaOH为沉淀剂环保稳定,制备出水相分散地 Fe3O4微粒.Fe3O4微粒表面进行乙醇改性后，使用APTES : 6-10 3 Kim J,Lee JE,Lee J, et al. Magn etic fluoresce nt delivery vehicle using un iform mesoporous silica spheres embedded with mono disperse magn etic and semic on ductor nan

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