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复合磁性Fe3O4 纳米粒子制备及其初步生物

分类号密级

复合磁性Fe3O4纳米粒子制备及其初步生物

传感应用

研究生姓名:吴伟

指导教师姓名、职称:贺全国副教授

学科专业:生物医学工程

研究方向:功能纳米材料

湖南工业大学

二○○七年十二月十八日

分类号密级

复合磁性Fe3O4纳米粒子制备及其初步生物

传感应用

Composite Magnetite Nanoparticles’

Preparation and Preliminary Biosensing

Application

研究生姓名:吴伟

指导教师姓名、职称:贺全国副教授

学科专业:生物医学工程

研究方向:功能纳米材料

湖南工业大学

二○○七年十二月十八日

湖南工业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,是本人在导师的指导下,独立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,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者签名:日期:年月日

湖南工业大学论文版权使用授权书

本人了解湖南工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文;学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。

作者签名:导师签名:日期:年月日

摘 要

为了使纳米颗粒满足不同的应用要求而对其表面进行各种修饰、加工等后处理,即所谓颗粒表面的纳米工程(Nanoengineering of particle surfaces),已是目前纳米领域一个研究热点。而作为纳米材料的一个重要组成部分,磁性Fe3O4纳米颗粒又有着广泛的应用前景。本论文正是从以上两个方面考虑,选择了“基于Fe3O4磁性纳米复合颗粒的制备与应用研究”作为研究方向,从以下几个角度开展了工作:

1、制备了磁性Fe3O4纳米粉体,研究了干燥处理对其形貌、结构和磁学性质的影响;合成了氨基功能化和巯基功能化的两种表面功能化的磁性Fe3O4纳米粒子,对其形貌、结构和磁学性质进行了比较研究,主要取得以下结论:

1)用改进的的共沉淀法制备了粒径为25 nm左右的磁性Fe3O4纳米粒子,采用不同温度真空干燥以及自然晾干两种常规方法对磁性

Fe3O4纳米粒子进行干燥处理。真空干燥获得的磁性粉体的粒径由于表面吸附自由水和团聚粒子间吸附水的蒸发而减小,但粒子更易产生团聚,而采用自然干燥处理的Fe3O4纳米粉体在结构和形态方面保持最好; T=70℃真空干燥处理获得的Fe3O4纳米粉体的磁学性质保持最好;Fe3O4纳米粉体的磁学性能与干燥温度和方式有关。

2)分别采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和3-巯丙基三乙氧基硅烷(MPTES)将Fe3O4纳米粒子表面修饰上氨基(-NH2)官能团和巯基(-SH)官能团,获得了表面功能化的磁性Fe3O4纳米粒子。功能化后的磁性粒子粒径略有增加,较好的保留了原始结构和磁性特征;APTES较易结合到Fe3O4纳米粒子上,易于保持Fe3O4纳米粒子的形态,而MPTES减色效应相对较强,保持原始磁性特征稍差。

2、提出了一种基于超声化学法制备Fe3O4/Au和Fe3O4/Pt两种贵金属功能化的磁性复合纳米粒子的新路线,并对这些复合粒子的光学性质和磁学性能进行了研究;提出了利用甲酸纳与羧酸银的特异性反应原理,成功合成了磁性Fe3O4/Ag复合粒子,并对其结构和性能进行了研究。三种贵金属功能化的Fe3O4磁性纳米粒子粒径均控制在30 nm左右,主要取得以下结论:

1)Fe3O4/Au复合粒子在常温下表现出较好的顺磁性特征,并具有较为稳定的光学吸收特点,并且其饱和磁化强度可以达到63.5 emu/g,为其在生物医学领域中的应用奠定了基础。

2)利用甲酸纳与羧酸银的特异性反应原理,成功合成了磁性

Fe3O4/Ag复合粒子,其核壳结构明显,相应的调控简单,光学性能稳定。

3)磁性Fe3O4/Pt复合纳米粒子用常规方法难以获得,超声化学法反应速率高,大大缩短了传统制备方法的反应时间,并且有利于粒子的分散,合成的Fe3O4/Pt复合纳米粒子分散性好,形貌均一。

3、采用液相合成路线制备组装了金支持的磁性纳米粒子多相沉积膜,纳米尺度的结构可控,由于膜本身呈现多孔结构并负载有粒径约为500 nm左右的纳米微球,因此其比表面积大大增加,且其饱和磁化强度可以达到12.3 emu/g, 在气体传感器、电极等领域应用前景广阔。

4、以4.2章节中合成的Fe3O4/Au磁性纳米粒子为载体,实现

Fe3O4/Au-单抗的制备,并通过酶标显色的原理进一步实现对其检测,结果表明Fe3O4/Au纳米粒子是良好的抗体载体,拥有较高的抗体固定化效率,此外,Fe3O4/Au纳米粒子拥有较高的饱和磁化强度,在外磁场中拥有很好的响应性, 这种新材料符合生物传感检测应用的要求。

关键词:Fe3O4纳米粉体,Fe3O4/M (M=Au, Ag, Pt)磁性复合纳米粒子,表面金属化,超声合成,金支持的磁性纳米粒子多相沉积膜,载体,免疫测定

ABSTRACT

At present, considerable effort has been devoted to tailor the surface

properties of the nanoparticles in order to meet their application requirement, which is “Nanoengineering of particle surfaces”. In addition,

as one of the important nanomaterials, magnetite nanoparticle has lots of

promising applications due to their properties. Considering the above

reasons, our research focused on the preparation and application of

magnetite-based nanocomposites, and the thesis consists of the following

contents:

Chapter 1 summarized magnetic nanoparticles’ preparation; their

surface functionalization and their latest advances for biosensing application.

Chapter 2 and chapter 3 reported the magnetite nanopowders preparation and related surface modification, and corresponding properties

and structure were investigated. Silane bridged surface tailoring was

employed to obtain amino-coated and thiolated magnetite NPs, corresponding properties and structure were compared. And major results

were detailed as follows:

1. Magnetite nanopowders of ca. 25 nm were prepared by modified

chemical coprecipitation, corresponding properties and structure were thoroughly studied when they were treated under different drying conditions. The results revealed that the nanopowders after vacuum drying

tended to agglomerate more easily than others when the grain average

diameter was decreased because of the evaporation of the surface and

inter-particles adsorptive water, but the structure and morphology were maintained better than others after ambient air drying. Among all drying treatments samples, the magnetic property was maintained best when the

vacuum drying temperature was kept at T=70℃. Thus the drying treatments and methods were closely related to morphology and magnetic

property of the magnetite nanopowders.

2. Silane bridged surface tailoring of magnetite was employed to

obtain amino-coated and thiolated magnetite NPs via corresponding

3-aminopropyltriethyloxysilane (APTES) and

mercaptopropyltriethoxysilane (MPTES) modification, respectively. The results prove that the surface functionalized magnetic particles have slight dimensional increase in average diameter, and the functionalized NPs retain almost original saturation magnetization. The APTES modification is prone to maintain the morphology of the parent Fe3O4 NPs as compared with the MPTES coating; the MPTES coating has a more outstanding hypochromic effect comparably though it caused a slight decrease on the saturation magnetization.

Chapter 4 described a new approach to prepare two noble mental functionalized magnetic nanoparticles (Fe3O4/Au and Fe3O4/Pt) by sonochemical synthesis. Meanwhile, their optical and magnetic properties were investigated. Based on a specific reaction of sodium formate and silver acetate, the Fe3O4/Ag magnetic nanoparticles were successfully synthesized, and the corresponding structure and properties also were investigated. The diameter of three magnetite metallized nanocomposites was around ca. 30 nm. The three nanoparticles were characterized and proven some results follows:

1. Magnetic nanoparticles of Fe3O4/Au presented better paramagnetic properties at room temperature, and possessed a very high saturation magnetization of about 63 emu·g-1. In addition, Fe3O4/Au nanoparticles had

a steady optical absorption. These properties can readily extend to biochemical applications.

2. The Fe3O4/Ag magnetic nanoparticles were prepared by the specific reaction of sodium formate and silver acetate, and they presented obvious characteristics of core-shell structure, and possessed steady optical properties, thus their preparation is facile.

3. It is hardly obtained Fe3O4/Pt magnetic nanoparticles via traditional methods, but the sonochemical method is a time-consuming and effective alternative. The sonication was beneficial to form new phase, and had a shear effect for agglomeration, which was prone to prepare the high monodispersive nanoparticles. As-prepared Fe3O4/Pt magnetic nanoparticles through sonolysis processed a good dispersion, and their morphology was uniform.

Chapter 5 demonstrated a new approach to prepare gold-support heterogeneous magnetite nanoparticles deposition films by aqueous

synthesis. The films demonstrated a porous morphology of high surface area-to-volume ratio because of close-packed functionalized magnetite NPs with the diameter of ca. 500 nm on the reduced gold substrate, and their saturation magnetization is determined about 12.3 emu·g-1. They can be possibly used in many regions such as gas sensor, electrode, etc.

Chapter 6 reported that the Fe3O4/Au magnetic nanoparticles were used as carrier, and then antibody were immobilized onto the Fe3O4/Au nanoparticles for preparing the Fe3O4/Au-IgG composites. An enzyme immunoassay principle for detecting the antibody was proposed. After antibody loading, the results shown that the Fe3O4/Au nanoparticles bio-composites processed a high immobilization capacity of antibody. In addition, they still retained a very high saturation magnetization; these advantages permit possibilities of biomolecules’ separation and detection.

Key Words Magnetite nanopowders,Fe3O4/M (M=Au, Ag, Pt) magnetic nanoparticles, Surface metallization, Sonochemical synthesis, Gold-supported heterogenous magnetite nanoparticles deposition films, Carrier, Antibody, Enzyme immunoassay

目录

摘 要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................... III 第一章绪论 .. (1)

1.1 引言 (1)

1.2 磁性纳米粒子的制备方法 (1)

1.2.1 均相制备法 (2)

1.2.2 非均相制备方法 (3)

1.3 磁性纳米粒子表面功能化 (5)

1.3.1 有机分子功能化 (5)

1.3.1.1有机分子功能化铁氧化物纳米粒子的结构特点 (5)

1.3.1.2有机小分子功能化 (5)

1.3.1.3有机高分子功能化 (7)

1.3.1.4生物分子功能化 (9)

1.3.2 无机物功能化 (10)

1.3.2.1无机物功能化铁氧化物纳米粒子的结构特点 (10)

1.3.2.2 SiO2功能化或类SiO2功能化 (11)

1.3.2.3 金属单质功能化或非金属单质功能化 (12)

1.3.2.4 金属氧化物或硫化物功能化 (14)

1.4 磁性纳米粒子在生物传感器中的应用 (15)

1.3.1 应用于磁控生物传感器 (15)

1.3.2 应用于蛋白质和DNA检测的生物传感器 (17)

1.3.3 应用于酶传感器 (19)

1.3.4 应用于特定细菌和病毒检测的生物传感器 (20)

1.3.5 应用于其它生物传感器 (21)

1.4 本论文的研究思路 (23)

第二章磁性Fe3O4纳米粉体的制备及表征 (24)

2.1引言 (24)

2.2 实验部分 (24)

2.2.1试剂及仪器 (24)

2.2.2 表征方法 (25)

2.2.3 实验原理 (25)

2.2.4 四氧化三铁的制备及干燥 (25)

2.3 结果与讨论 (26)

2.3.1 制备后产物的分析 (26)

2.3.2 不同干燥温度对产物结构和性能的影响 (27)

2.3.2.1 纳米粉体粒子形貌的影响 (27)

2.3.2.2 纳米粉体粒子结构的影响 (29)

2.3.2.3 纳米粉体粒子间吸附水含量的影响 (30)

2.3.2.4 纳米粉体磁性的影响 (31)

2.3.3 可能存在的机理 (32)

2.4 本章总结 (34)

第三章表面功能化磁性Fe3O4纳米粒子的制备与磁性比较 (35)

3.1引言 (35)

3.2 实验部分 (35)

3.2.1试剂及仪器 (35)

3.2.2 表征方法 (36)

3.2.3 实验原理 (36)

3.2.4共沉淀法制备Fe3O4纳米粒子 (37)

3.2.5 APTES(MPTES)修饰Fe3O4纳米粒子 (37)

3.3 结果与讨论 (38)

3.3.1 形貌分析 (38)

3.3.2 成分分析 (38)

3.3.3结构分析 (40)

3.3.4光学性能 (41)

3.3.5磁学性能 (42)

3.4 本章总结 (43)

第四章磁性Fe3O4/M(M = Au,Ag,Pt)复合纳米粒子的制备与表征 (44)

4.1 引言 (44)

4.2 Fe3O4/ Au磁性复合纳米粒子的超声合成与表征 (45)

4.2.1 实验部分 (45)

4.2.1.1仪器材料与试剂 (45)

4.2.1.2 表征方法 (46)

4.2.1.3 实验原理 (46)

4.2.1.4 改进的共沉淀法制备Fe3O4纳米粒子 (46)

4.2.1.5 APTES修饰Fe3O4纳米粒子 (47)

4.2.1.6 Fe3O4/Au的制备 (47)

4.2.2 结果与讨论 (47)

4.2.2.1 Fe3O4/Au的制备过程的研究 (47)

4.2.2.2 Fe3O4/Au的光学性能 (53)

4.2.2.3 Fe3O4/Au的磁学性能 (54)

4.2.3 小结 (56)

4.3 Fe3O4/ Ag磁性复合纳米粒子的制备与表征 (56)

4.3.1 实验部分 (56)

4.3.1.1仪器材料与试剂 (56)

4.3.1.2 表征方法 (56)

4.3.1.3 实验原理 (56)

4.3.1.4 Fe3O4/Ag的制备 (57)

4.3.2 结果与讨论 (57)

4.3.2.1 Fe3O4/Ag的制备过程的研究 (57)

4.3.2.2 Fe3O4/Ag的光学性能 (59)

4.3.2.3 Fe3O4/Ag的磁学性能 (60)

4.3.3 小结 (61)

4.4 Fe3O4/ Pt磁性复合纳米粒子的超声制备与表征 (61)

4.4.1 实验部分 (61)

4.4.1.1仪器材料与试剂 (61)

4.4.1.2 表征方法 (61)

4.4.1.3 实验原理 (61)

4.4.1.4 Fe3O4/Pt的制备 (62)

4.4.2 结果与讨论 (62)

4.4.2.1 Fe3O4/Pt的制备过程的研究 (62)

4.3.2.2 Fe3O4/Pt的光学性能 (65)

4.4.2.3 Fe3O4/Pt的磁学性能 (66)

4.4.3 小结 (67)

4.5 本章总结 (67)

第五章金支持的磁性沉积膜的液相合成 (68)

5.1 引言 (68)

5.2 实验部分 (68)

5.2.1仪器材料与试剂 (68)

5.2.2 表征方法 (69)

5.2.3 金支持的磁性Fe3O4纳米粒子沉积膜的制备 (69)

5.3 结果与讨论 (70)

5.3.1 金支持的磁性沉积膜的结构,组成与表征 (70)

5.3.2 金支持的磁性沉积膜的磁学性质 (74)

5.3.3形成机理分析 (74)

5.4 本章总结 (75)

第六章磁性Fe3O4/Au复合纳米粒子-抗体的制备及检测 (76)

6.1引言 (76)

6.2 实验部分 (76)

6.2.1试剂及仪器 (76)

6.2.2 表征方法 (77)

6.2.3 Fe3O4/Au磁性纳米粒子-单抗的制备 (77)

6.2.4 封闭与清洗 (78)

6.2.5 HRP修饰检测 (79)

6.2.5 对照实验 (80)

6.3 结果与讨论 (80)

6.3.1 Fe3O4/Au磁性纳米粒子的光学性能与形貌 (80)

6.3.2 Fe3O4/Au磁性纳米粒子-抗体吸附固定效率的检测 (81)

6.3.3 Fe3O4/Au磁性纳米-抗体的酶标检测 (81)

6.4 本章总结 (84)

第七章总结与展望 (85)

参考文献 (87)

硕士期间发表论文与申请专利情况 (103)

致谢 (105)

湖南工业大学硕士学位论文:复合磁性Fe3O4纳米粒子的制备及其初步生物传感应用

第一章绪论

1.1 引言

生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。在20世纪60年代,Clark等[1]人首先实现了使用pH值或氧电极来检测通过酶解尿或葡萄糖的产物,这也标志着生物传感器的诞生。一般生物传感器由生物识别元件(感受器)、信号转换器(换能器)与信号检测元件(检测器)三大部分组成。而纳米粒子一般是指直径为几个到一百个纳米的粒子,由于其独特的尺寸结构,使得纳米粒子具有四大基本效应,即表面效应(Suface Effect),量子尺寸效应(Quantum Size Effect),体积效应(Volume Effect)和宏观量子隧道效应(Macroscopic Quantum Effect)。磁性纳米粒子则是近年来发展起来的一种新型材料,磁性纳米粒子不但具有普通纳米粒子所具有的四个基本效应,还具有异常的磁学性质,如超顺磁性、高矫顽力、低居里温度与高磁化率等特性[2~6]。将其结合到生物分子(如核酸、蛋白质、肽等)表面上时,产生的生物共轭物种由于尺寸依赖性和维度与生物大分子类似,很适合作为活性磁共振成像、药物释放与运输的大循环载体和组织工程的结构构架,同时又能用在分子识别和标记、DNA传感器和生物芯片中,因此磁性纳米粒子在核酸分析、临床诊断、靶向药物、细胞分离和酶的固定化等领域的应用已经成为研究的热点。研究发现,利用磁性纳米粒子的这些性质并应用到生物传感器中,显著提高了生物传感器检测的灵敏度,缩短了生化反应的时间,提高了检测的通量,为生物传感器领域开辟了广阔的前景[7~12]。然而磁性纳米粒子由于具有较高的比表面积,因此具有强烈的聚集倾向,所以通过表面修饰以降低纳米粒子的表面能是得到具有可溶性或可分散性的纳米粒子的重要手段之一。同时,适当的表面修饰或表面功能化还可以调节磁性纳米粒子与其他材料的相容性和反应特性,从而赋予其某些特殊的功能。

1.2 磁性纳米粒子的制备方法

磁性纳米粒子的制备方法有物理法、生物法以及化学法。物理法以机械球磨法为代表,制得的纳米粒子尺寸分布较宽,一般不适用于生物传感器的研制中。与物理法相比,生物法制得的纳米粒子体现出更明显的优势,尤其是生物相容性方面。而且磁性纳米粒子广泛存在于各种生物体如细菌(球菌、螺菌等)以及蚂蚁、蜜蜂、鸽子[13~15]

1

第一章 绪论

等体内,但该方法细菌培养困难,粒子提取过程十分烦琐,因此目前磁性纳米粒子的制备主要依赖于化学法。磁性纳米粒子的化学制备方法又可分为均相制备法和非均相制备方法,前者主要包括共沉淀法和高温分解法,后者有微乳液法、溶胶-凝胶法、超声化学法、水热法、激光分解法和电化学沉淀法等。

1.2.1 均相制备法

在纳米粒子的制备过程中,一般可以采用图1-1所示的Lamer“成核扩散控制模型”实现对纳米粒子单分散性的控制[16,17]。在均相反应体系中,纳米粒子的形成过程主要包括两个过程:(1)成核过程,当反应物或反应中间物的浓度达到临界值时,便形成晶核;(2)生长过程,通过反应物或反应中间物向晶核表面的扩散与吸附,晶核逐渐长大直到最终颗粒。这两个过程通常强烈的依赖于反应体系中组成粒子物质的浓度和溶解度的差值。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[18],除Lamer 模式,还应存在Ⅱ、Ⅲ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。

图1-1 均相反应体系制备纳米颗粒的过程,Ⅰ代表Lamer模式、Ⅱ与Ⅲ代表其它模式Fig. 1-1 The process of preparing magnetic nanoparticles by homogeneous phase reaction system:Ⅰwas representative of the Lamer mode,Ⅱ and Ⅲ were representative of the other

mode

采用均相制备方法制备磁性纳米粒子目前常用的方法主要是共沉淀法和高温分

解法。共沉淀法是通过水溶液中同时水解不同价离子的方法实现磁性纳米粒子的制备[19~22]。其主要特点是:对设备的要求低,反应可以在较温和的条件下进行,所用的原

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湖南工业大学硕士学位论文:复合磁性Fe3O4纳米粒子的制备及其初步生物传感应用

材料为廉价的无机盐,工艺流程简单,完善后易于扩大到工业化生产,且反应过程中成核容易控制,反应产物纯度高,粒子分散性比较好。但在制备过程中要求考虑影响粉末粒径和磁学性能的因素较多,如反应物浓度、反应温度、沉淀剂的浓度与加入速度、搅拌情况和pH值等,工艺参数需要严格进行控制,否则得到粒子的粒径分布范围很宽。如Massart等将物质的量之比为2∶1 的三价铁盐与二价铁盐混合溶液直接加到强碱性的水溶液中,铁盐在强碱性水溶液中瞬间水解、结晶,形成Fe3O4微粒,主要形成机理为:2Fe3++Fe2++8OH-→Fe3O4+4H2O[19]。高温分解法是通过在高沸点有机溶剂中加热分解有机金属化合物如Fe(acac)3、Fe(CO)5、Co2(CO)8、FeCup3(acac、Cup 分别指乙酰丙酮与N-亚硝基苯胲)等来制备纳米粒子的一种方法[23~25]。通常可以采用两种投料方式来制备直径均一的纳米粒子:一种方式是将反应原料快速注入到含有表面活性剂的高温溶剂中实现纳米粒子的快速成核,再通过对反应温度和时间的控制得到不同的尺寸的同时具有窄粒度分布的纳米粒子;另一种方式是将反应原料在低温条件下预先混合,然后缓慢加热至反应开始,在粒子生产过程中通过不断补加反应原料来维持体系中恒定的过饱和浓度,最后得到窄粒度分布的纳米粒子。经过尺寸选择性处理粒径分布可减小到5%左右。因此,高温分解法制备的磁性纳米粒子具有粒度分布窄,尺寸和形貌可控等特点。如Kyoungja Woo等采用在连续通风的条件下热分解Fe(CO)5制得平均粒径大小为11nm的氧化铁纳米粒子[23]。

中国科学院高明远课题组研究人员借鉴了最新发展的磁性纳米晶体高温热分解制备方法,通过选用高沸点的强极性溶剂α-吡咯烷酮作为反应传热介质,成功地通过一步反应制备出具有高结晶度和高磁学性能的水溶性磁性Fe3O4纳米晶体。随后,又进一步将反应原料从昂贵的、高毒性的有机金属铁盐扩展到廉价无毒的FeCl3?6H2O,不仅成功地得到了尺寸形貌可控的磁性纳米晶体材料,还深入探索了以FeCl3?6H2O为单一原料制备Fe3O4纳米晶体的机理。该研究不仅具有重要的科学意义,同时也为高质量的磁性纳米晶体提供了简便的制备方法,从而为磁性纳米晶体材料在生物医学领域的应用提供了更广泛的前景[26]。

1.2.2 非均相制备方法

非均相制备方法由于存在反应微区,因此粒子的生长过程不仅受到自身生长动力学的影响,还受到反应微区造成的影响。如在反相胶束法制备纳米粒子中表面活性剂将自发形成胶束,构成微区,对粒子的形成造成一定的影响;又如超声化学法中由于超声空气产生的气泡也构成微区,也对粒子的形成有着一定的影响。采用均相制备方

3

第一章 绪论

法制备磁性纳米粒子目前常用的方法主要是微乳液和反相胶束法、超声化学法以及水热法。

微乳液和反相胶束法是利用水(电解质水溶液)、油(碳氢化合物)和表面活性剂三元体系形成的微乳液或反相胶束作为反应所制备纳米粒子的方法[27~30]。根据体系中油水比例及微观结构主要可分为油包水型(W/O)和水包油型(O/W)两类。表面活性剂一方面可以有效地阻止纳米粒子的聚集和进一步生长,从而实现对粒子尺寸的有效控制;另一方面可以为粒子提供可溶解性或可分散性。表面活性剂的形状及其极性基团的大小对胶束的形状有重要的影响,这为制备各种形貌的无机纳米粒子提供了可能。微乳液和反相胶束法在粒度控制方面由于具有明显的优势,已广泛用于制备Cu、Co、Ag、CdS、Fe3O4等不同类型的纳米粒子。

超声化学法是利用超声波的空化作用瞬间产生的高温(≥5000K)、高压(≥20Mpa)以及冷却速率(1010K/s)等极端条件促使氧化、还原、分解和水解等反应的进行来制备纳米粒子[31, 32]。超声波对化学反应起作用的主要原因在于超声波所产生的“超声波汽化泡”,它形成局部的高温高压环境和具有强烈冲击力的微射流。超声波空化作用与传统搅拌技术相比,更容易实现介质均匀混合,消除局部浓度不均,提高反应速度,促进新相的形成,而且对团聚还可以起到剪切作用,有利于微小颗粒的形成。超声波技术的应用对体系的性质没有特殊的要求,只要有传输能量的液体介质即可,对各种反应介质都有很强的通用性。如A.Gedanken等利用该方法制备出了在空气中稳定而且粒径大小可控的Fe-Fe3C磁性纳米晶[31]。

水热法是在特制的密闭反应容器(高压釜)里,采用水溶液为反应介质,通过对反应容器加热,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、反应并重结晶,从而得到理想的产物[33, 34]。水热法具有两个优点,一是相对高的温度(130~250℃)有利于磁性能的提高。二是在封闭容器中进行,产生相对高压(0.3~

4MPa),避免了组分挥发,有利于提高产物的纯度和保护环境。由于反应是在高温高压下进行,所以对设备的要求较高。如Arvind Varma等采用该方法通过一步反应制备了磁性氧化铁纳米粒子[34]。

4

湖南工业大学硕士学位论文:复合磁性Fe 3O 4纳米粒子的制备及其初步生物传感应用

5

1.3 磁性纳米粒子表面功能化

1.3.1 有机分子功能化

1.3.1.1有机分子功能化铁氧化物纳米粒子的结构特点

核壳型镶嵌型

壳核型

壳核壳型

图1-2 有机分子功能化的磁性铁氧化物纳米粒子结构图 Fig. 1-2 The structure of organic molecules functionalized magnetic iron oxide

nanoparticles

有机分子功能化的磁性铁氧化物纳米粒子一般由两部分组成:具有导向性的核层(磁核)和具有亲和性、生物相容性的壳层,其结构一般有4种类型,即:核-壳型、镶嵌型、壳-核型和壳-核-壳型(如图1-2)。核-壳型是磁性铁氧化物纳米粒子组成核,有机分子材料组成壳层; 镶嵌型是磁性铁氧化物纳米粒子均匀地镶嵌于有机分子微球的孔穴中;壳-核型是有机分子材料为核, 磁性铁氧化物纳米粒子组成壳层;壳-核-壳型是结构的外层和内层均为有机分子材料,中间层为磁性铁氧化物纳米粒子吸附或键合在表面。

这种采用有机分子功能化的磁性铁氧化物纳米粒子不但具有磁性纳米粒子的基本特性,而且具有良好的生物相容性和生物降解性,并且有机分子材料可以提供多种具有反应活性的功能基团,如-CHO 、-OH 、-COOH 、-NH 2等,可与具有活性的物质进行连接。

1.3.1.2有机小分子功能化

有机小分子功能化后的铁氧化物纳米粒子按表面性质不同可以分为油溶性,水溶性及两亲性三种类型(相对于水强极性溶剂而言)。油溶性类型是指功能化后的铁氧化物纳米粒子表面含有对溶剂环境极弱吸引的分子,一般是疏水基团,如脂肪酸,烷基酚(n =6-10,线性或支链)等进行的功能化处理;水溶性类型是指功能化后的铁氧化物纳米粒子表面含有对溶剂环境强吸引的化学基团,一般是亲水基团,如铵盐,多醇,甜菜缄等进行的功能化处理;两亲性类型是指功能化后的铁氧化物纳米粒子表面同时具有引起表面活性的亲水与疏水化学基团物质,这种物质在主链上一般具有负电荷和正电荷,如磺基甜菜缄等进行的功能化处理。

第一章 绪论

油溶性功能化是为了防止或减缓铁氧化物纳米粒子的团聚行为,如铁氧化物纳米粒子常常被分散到类似于十六烷基长链物质中,如油酸(oleic acid,

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CO2H)这种长链状物质在中间存在着顺式的双键,会形成“纽结”(kink),这种“纽结”会起到稳定铁氧化物纳米粒子的作用,反之亦然,像硬脂酸(stearic acid,CH3(CH2)16CO2H)这类物质就不具有稳定铁氧化物纳米粒子的作用[35]。油溶性功能化后粒子平均粒径增加范围一般在0到5 nm之间,对粒子的磁学性质影响相对较弱。Sahoo等[36]研究了油酸、月桂酸(lauric acid)、十二烷基磷酸(dodecylphosphonic acid)、十六烷基磷酸(hexadecylphosphonic acid)、联十六烷基磷酸(dihexadecylphosphonic acid)等一系列功能化的油性Fe3O4纳米粒子,功能化后粒径增加不超过2 nm,他们发现烷基磷酸或烷基磷酸盐有利于使磁性铁氧化物纳米粒子的热动力学稳定,有利于粒子的分散,该研究结果对获得稳定的准核壳结构的功能化铁氧化物纳米粒子有着很大的启示意义。

相对而言,获得油溶性功能化的铁氧化物纳米粒子相对较易,目前的研究热点主要是制备具有水溶性(能在水溶液中很好分散,不产生团聚)和生物相容性(对蛋白质、抗体、生物素、DNA等毒性小,能维持其活性)的磁性铁氧化物纳米粒子,并将其应用到生物分离中。

使用有机小分子功能化可以使纳米粒子具有生物相容性,一种方法是在制备磁性纳米粒子的过程中直接加入生物相容性的有机小分子,如氨基酸[37],柠檬酸[38, 39],维生素[40, 41],环糊精[42, 43]等。但是这种方法得到的功能铁氧化物纳米粒子稳定性较差,表面功能小分子容易分解,导致粒子重新团聚,极大限制了其应用范围,如Portet等[44]发展了一种单体有机分子作为功能化材料,其优点是可以实现均一化包覆铁氧化物纳米粒子,可用于蛋白质的吸附,但缺点是稳定性难以控制。

另一种方法是将油溶性的铁氧化物纳米粒子转变为具有水溶性的纳米粒子,典型的方法是采用配体交换反应实现。如Sun等[45]用双极性表面活性剂11-氨基十一酸四甲基铵置换3-20 nm 的Fe3O4表面的油酸、油胺得到了水溶性的磁性纳米粒子,粒子在水中能够很好的分散,观察不到团聚的现象。Bourlinos等[46]用甜菜碱型的双极性表面活性剂与辛酸功能化的超细(4 nm)γ-Fe2O3纳米粒子进行置换,获得了水溶性的铁氧化物纳米粒子。Fan等[47]用羧基化的联吡啶季铵盐置换γ-Fe2O3纳米粒子表面功能化的油酸和油胺,获得了具有生物相容性的纳米粒子,并在此基础上用氨基化的生物素与粒子表面的季铵盐反应得到可用于生物素分离的磁性铁氧化物纳米粒子。当然置换反应也存在着一些缺点,比如操作复杂,置换程度难以控制等问题在进一步的研究和生物应用中急需解决和完善。

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湖南工业大学硕士学位论文:复合磁性Fe 3O 4纳米粒子的制备及其初步生物传感应用

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在有机小分子功能化研究的另一个重要的研究热点是对铁氧磁性纳米粒子进行硅烷化修饰,如有机硅烷及其衍生物中3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES )与3-巯丙基三乙氧基硅烷(MPTES )常被用来为铁氧化物纳米粒子表面提供官能团以便与生物分子进行偶联或者进行进一步的包覆工作[48, 49]。这类表面功能化修饰对铁氧化物纳米粒子的饱和磁化强度(Ms )的影响较小,粒径增幅不大,一般修饰后的的Ms 值的减少量一般都小于10 emu·g -1,如Sheng 等[50]制备的原始Fe 3O 4的Ms 值为67.15 emu·g -1,APTES 功能化修饰后Ms 值为63.54 emu·g -1,该类型功能化对进一步研究中的磁学性质影响较少,如我们就利用APTES 功能化的Fe 3O 4纳米粒子进行贵金属的进一步包覆的研究工作,效果良好[51]。

1.3.1.3有机高分子功能化

由于通过小分子功能化的铁氧化物纳米粒子在稳定性、抗氧化性和生物相容性等方面还存在一些问题,目前采用的解决方法是利用具有生物相容性的高分子对粒子进行表面功能化,常采用进行功能化铁氧化物纳米粒子制备的有机高分子如表1-1所示。和采用小分子功能化一样,有机高分子功能化会导致复合粒子磁化饱和强度的降低。

表1-1功能化铁氧化物纳米粒子的常见有机高分子物质及优点

Table 1-1 The common organic macromolecules and their advantages of functionalized iron oxide nanoparticles 常用表面功能化物质

优 点 参考文献 天然 高分子 葡聚糖

(Dextran )

增强粒子在胶体中的稳定性和抗凝血能力 [52-54] 淀粉(Starch)

生物相容性较好,可用于MRI ,药物定向输运

[55, 56] 明胶(gelatin )

可用于胶凝剂, 亲水乳化剂,具有生物相容性

[57] 壳聚糖

(chitosan )

具有亲水性和生物相容性 [58] 合成 高分子

聚乙二醇

(PEG )

生物相容性提高,抗凝血能力增强 [54, 59-61] 聚乙烯醇

(PVA )

粒子团聚程度显著降低,有利于单分布粒子的制备 [62, 63] PEG-聚乳酸

(PEG-PLA )

生物相容性好,具有抗凝血能力,应用范围广 [64] 聚甲基丙烯酸

(PMMA ) 可用于对热敏感的药物定向输运以及细胞分离 [65, 66]

第一章 绪论

8聚丙烯酸(PAA ) 具有生物相容性,提高胶体稳定性并可用于生物连接 [67]

有机高分子功能化铁氧化物纳米粒子的制备涉及两个方向,一是单纯从扩展铁氧化物纳米粒子的应用范围出发。如Gupta 等[59]采用反相微乳液法制备了亲水性的PEG 功能化Fe 3O 4纳米粒子,粒子的大小可控,PEG 可赋予铁氧化物纳米粒子亲水性、柔性、抗凝血性以及抗巨噬细胞吞噬性等,因此应用范围广泛。而另一个方向主要是功能化铁氧化物纳米粒子的设计,其研究内容集中在两个方面,一是制备铁氧粒子含量高,尺寸均一的聚合物磁性微球;另一方面是发展具有明确核壳结构的Iron oxide/聚

合物复合粒子[53]。

第一个方面采用的方法主要是单体聚合法或者以聚合物微球中的微孔进行原位合成。如Zhang 等[60]先合成了N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸-丙烯酸羟乙酯共聚物水凝胶微球,然后采用共沉淀法在微球内部原位制备了Fe 3O 4纳米粒子(8 nm ),得到了每克微球中Fe 3O 4含量高达0.724g 的镶嵌型磁性微球。第二个方面采用的方法主要是原子自由基转移聚合法(ATRP )。如Burke 等[69]以聚异丁烯、聚乙烯、聚苯乙烯和四乙烯胺四元共聚物为分散剂和稳定剂并通过原位加热分解Fe(CO)5制备了核壳结构粒径为20±4 nm 的有机高分子功能化的铁氧磁性纳米粒子,高分子壳厚在2 nm 左右,另外还可在单个磁粒表面原位引发单体聚合,得到单个铁氧化物纳米粒子@有机高分子的核壳结构。功能化后粒子饱和磁化强度(Ms )降低,其矫顽力(Hc )与铁氧化物核的粒径有关,但还缺少这方面深入研究的相关描述。采用ATRP 方法可以在铁氧化物纳米粒子表面制备有机高分子功能壳的关键是将能够产生自由基的有机分子通过化学键连接在粒子表面。

当然,采用有机高分子功能化铁氧化物纳米粒子的目的仍然是弥补有机小分子功能化铁氧化物纳米粒子存在的不足,在上述有机高分子功能化铁氧化物纳米粒子的制备的两个方向外,如何提高铁氧化物纳米粒子的稳定性,生物相容性仍然是目前的研究热点之一。Benjemin 等[70]采用树枝状聚合物PAMAM 修饰铁氧磁性纳米粒子,大大提高了其稳定性,并间接实现了铁氧化物纳米粒子的分散性的调控(如图1-3所示),研究显示功能化复合纳米粒子之间的距离增加,会引起磁阻温度(T B )降低,而矫顽力(Hc )则与剩磁的减少量多少有关。

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