（无机化学专业论文）fe3o4复合纳米粒子的制备及其生物应用.pdf

摘要 磁性纳米粒子在生物磁分离、免疫层析技术、酶固定化、靶相药物、肿瘤治疗和磁 成像等生物技术领域有着广泛的应用前景。但是通常磁性纳米粒子由于粒子间磁偶极相 互作用而容易聚集；许多常用的磁性纳米粒子女i f e 3 0 4 等其表面易被氧化并且生物相容 性不理想。对磁性纳米粒子进行表面修饰形成磁性复合纳米粒子可以对磁偶极相互作用 产生屏蔽，并且提高粒子的抗氧化能力和改善其生物相容性。常用的磁性纳米粒子表面 修饰物可以是有机小分子、高分子材料和无机材料( 如二氧化硅等) 。有机小分子和高 分子修饰层在外力作用和有机溶剂中容易发生形变甚至被破坏，并且很多有机单体有一 定的毒性。而无机二氧化硅修饰不仅具有良好的化学稳定性和生物相容性，同时发展成 熟的硅化学技术为磁性纳米粒子的表面修饰和进一步的功能化提供了便利，因此，二氧 化硅磁性复合纳米粒子已经成为近年来研究的热点之一。对于二氧化硅磁性复合粒子的 合成，传统方法有溶胶凝胶法和乳液法，可以对粒子外部形态、表面性质和磁性物质含 量等进行有效的控制。近年来，随着研究工作的不断深入，又出现了气溶胶法、高温烧 结法。了解二氧化硅磁性复合粒子的各种合成方法，对现有材料的工艺改进、新型材料 的设计合成以及材料的生物应用具有重要的意义。本论文利用超声化学合成法、化学共 沉淀法、溶胶凝胶法结合合成磁性复合纳米粒子，通过改变其中的各种因素来控制粒子 的溶液中的聚集程度，然后对复合粒子进行了功能性修饰。 本论文中的主要工作分以下三个部分： 1 通过共沉淀法制备f e 3 0 4 磁性纳米粒子，并对纳米粒子的表面进行了修饰，合成 丑s i 0 2 p v p f e 3 0 4 复合纳米粒子，讨论了加入表面活性剂和分散方式的不同对纳米粒子 形貌的影响，并对合成的纳米粒子做了x r d ，i r ，t e m ，t g ，v s m 分析，结果表明在 超声条件下反应，并加入一定的表面活性剂可得到形貌规则、粒径可控的核壳纳米粒子。 2 采用交联剂在超声作用下制备磁性5 氟尿嘧啶核壳纳米粒子，首次以 s i 0 2 p v p f e 3 0 4 为载体，戊二醛为交联剂，将5 氟尿嘧啶负载于纳米粒子表面，所得粒 子的药物包封率在5 9 8 0 之间。用红外光谱和透射电子显微镜对纳米粒子进行了结构 和形貌表征。用紫外可见分光光度计对5 氟尿嘧啶核壳纳米粒子在磷酸盐缓冲溶液中 ( p h = 7 4 ) 的载药率和释药率进行了测试。体外研究结果表明，该药物载体对5 氟尿嘧啶 的缓释作用明显，释放周期比较长，可作为理想的磁靶向药物控释体系。 3 将荧光标记物异硫氰酸若丹明b 与3 氨乙基三甲氧基硅烷( a p s ) 合成反应前驱 体，首次用超声化学合成法将该反应前驱体在正硅酸乙酯水解修饰f e 3 0 4 纳米粒子时包 入粒子外层的s i 0 2 层中，制成表面具有胺基的核壳结构磁性荧光复合微球。采用t e m 、 荧光分光光度计、荧光显微镜、v s m 、p l 等测试手段对核壳结构磁性荧光复合微球进 行了表征，结果表明f e 3 0 4 经包覆后，获得了粒径大小可控，形貌规则呈球状的纳米粒子。 并且该粒子在经s i 0 2 包覆后仍然具有磁性和荧光性能，可用于核磁共振造影成像。 关键词：f e 3 0 4 ：5 氟尿嘧啶；核壳结构纳米粒子；药物载体；异硫氰酸若丹明b ；磁性 荧光复合微球 a b s t r a c t m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s h a v et h e i r p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i n b i o s e p a r a t i o n ， i m m u n o c h r o m a t o g r a p h ya s s a y ，e n z y m ei m m o b i l i t y ，t a r g e td r u g ，m a g n e t i cf l u i dh y p e r t h e r m i a a n dm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n ge t c b u ti ng e n e r a l l y ，m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw i l la g g r e g a t e b ym a g n e t i cd i p o l e d i p o l ei n t e r a c t i o n ；t h es u r f a c eo fg r e a tv a r i e t yo fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ( s u c ha sf e 3 0 4 ) u s u a l l yc a nb eo x i d a t e da n db i o c o n s i s t i o no ft h a ti sp o o r m o d i f i c a t i o no ft h e m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sf o r m i n gm a g n e t i cc o m p o s i t ep a r t i c l e s w i l ls c r e e n m a g n e t i c d i p o l e - d i p o l ei n t e r a c t i o n ，i m p r o v er e s i s t o x i d a t i o na n db i o c o n s i s t i o n i ng e n e r a l l y ，t h e r ea r e o r g a n i cs m a l lm o l e c u l e ，p o l y m e ra n di n o r g a n i cm a t e r i a l s ( s u c h a ss i 0 2 ) u s e dm o d i f y i n g s u r f a c eo fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s t h em a g n e t i cc o m p o s i t ep a r t i c l e sm o d i f i e dw i t ho r g a n i c s m a l lm o l e c u l ea n dp o l y m e rw i l lb ed e s t r o y e db yf o r c eo ro r g a n i cs o l v e n t ，a n dt h eo r g a n i c m o l e c u l eu s u a l l yi st o x i c h o w e v e r ，m o d i f i e dw i t hi n o r g a n i cs i 0 2n o to n l yh a v eb e t t e r c h e m i c a ls t a b i l i t ya n db i o c o n s i s t i o n ，b u ta l s of a c i l i t yi nm o d i f i c a t i o nb e c a u s eo fm a t u r e s i l i c o nc h e m i s t r yt e c h n o l o g y t h e r e b y ，s i 0 2m a g n e t i cc o m p o s i t ep a r t i c l e si so n eo fh o t s p o t s i ni n t e r n a t i o n a li n v e s t i g a t i o n i nt r a d i t i o n a l l y ，t h e r ea r es o l - g e la n de m u l s i o np r o c e s st o c o n t r o lt h es h a p e ，s u r f a c ep r o p e r t ya n dq u a n t i t yo fm a g n e t i cm a t e r i a l so fs i 0 2m a g n e t i c c o m p o s i t ep a r t i c l e s t h i sd e c a d e ，a e r o s o lp y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o np r o c e s s h a v e b e e n a p p e a r e dw i t hd e v e l o p i n gi ni n v e s t i g a t i o n i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt or e a l i z es y n t h e s e so ft h e c o m p o s i t ep a r t i c l e s ，t h a tt oi m p r o v et e c h n i c sc u r r e n t l y ，d e v i s en e w m a t e r i a l sa n da p p l yi n v a r i e t yo ff i e l d s i n t h i st h e s i sw ep r e p a r et h es i 0 2m a g n e t i cc o m p o s i t ep a r t i c l e si n c o p r e c i p i t a t em e t h o d ，s o n o c h e m i s t r ya n dt h es t 6 b e rp r o c e s st h a ti st h em o s tc l a s s i c a ls o l g e l p r o c e s s ，c o n t r o lt h et h ee x t e n to fa g g r e g a t eo ft h ep a r t i c l e si nv a r i o u sc o n d i t i o n s ，a n dt h e n m o d i f yt h es u r f a c eo ft h ec o m p o s i t ep a r t i c l e s t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i si st o t a l l yd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ： 1 f i r s t l yf e 3 0 4m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db yc o p r e c i p i t a t em e t h o da n d s u r f a c em o d i f i c a t i o nw a sp e r f o r m e db yp v pa n ds i 0 2 t h e nw eg o ts i o g p v p f e 3 0 4 n a n o p a r t i c l e s w ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fs u r f a c t a n t sa n dd i s p e r s i n gm e t h o do n t h e m o r p h o l o g yo fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s t h ec o r e s h e l ls t r u c t u r en a n o p a r t i c l e s w e r ev e r i f i e db y x r d ，t e m ，i r ，t ga n dv s m t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es p h e r i c a lm o r p h o l o g y , s i z e t u n a b l en a n o p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e db yu l t r a s o n i cv i b r a t i o nm e t h o dw i t ht h ep r e s e n c eo f s u r f a c t a n t s 2 m a g n e t i cf l u o r o u r a c i l - l o a d e ds i 0 2 ，c p v pn a n o p a r t i c l e s w e r ep r e p a r e db yu s i n g5 - f ua s am o d e ld r u g ，s i 0 2 p v p f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sa sc a r r i e rf o rt h ef i r s tt i m ea n dg l u t a r a l d e h y d ea s i i i c r o s s - l i n k i n ga g e n tu n d e ru l t r a s o n i ct r e a t m e n t t h ed r u gc o n t e n ti sb e t w e e n5 9 8 0 t h e p r o p e r t i e s o fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi n f r a r e ds p e c t r u m ( i r ) a n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n ( t e m ) t h ed r u gc o n t e n ti nv i t r or e l e a s ea n da c c u m u l a t i v er e l e a s e p e r c e n t a g ei np h o s p h a t eb u f f e r ( p h = 7 4 ) s o l u t i o ni si n v e s t i g a t e db yu v - v i ss p e c t r u m t h e r e s u l t ss h o w5 一f uc o u l db er e l e a s e ds l o w l yf r o mt h en a n o p a r t i c l e sw i t hal o n g e rr e l e a s e p e r i o d t h em a g n e t i c 5 一f u - l o a d e d n a n o p a r t i c l e s a r ea p o t e n t i a l c a n d i d a t ea sa m a g n e t i c - t a r g e t i n gs y s t e mf o rd r u g - c o n t r o l l e dr e l e a s e 3 t h er h o d a m i n eb i s o t h i o c y a n a t e ( r b i t c ) i s c o m p o s i t e d w i t h 3 - a m i n o p r o p y l t r i e t h o x y s i l a n e ( a p s ) a sp r e c u r s o r s ，t h e nt h ep r e c u r s o r sh y d r o l y s e sa n dc o a tt h e f c 3 0 4c o r e st o g e t h e rw i t ht h et e o s t h ep a r t i c l e sa r em a g n e t i c f l u o r e s c e n tc o m p o s i t e ，a n d a m i d o c y a n o g e ni si n t r o d u c e do n t ot h ep a r t i c l es u r f a c e t h ec o r e - s h e l ls t r u c t u r en a n o p a r t i c l e s w e r ev e r i f i e db yx r d ，t e m ，p l , f l u o r e s c e n c es p e c t r aa n a l y s i sa n dv s m t h er e s u l t si n d i c a t e t h a ta f t e rt h ef e 3 0 4i sc o a t e dw i t hs i 0 2 ，t h en a n o p a r t i c l e si sc l o s ea n dn e a t ，t h ep a r t i c l e ss i z e i sh o m o g e n e o u sw i t ht h i c k n e s s c o n t r o l l e ds h e l l ，m a g n e t i ca n df l u o r e s c e n tc a p a b i l i t y , w h i c h c o u l db eu s e da sm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gc o n t r a s t k e yw o r d s ：f e 3 0 4 ；5 - f l u o r o u r a c i l ；c o r e s h e l ln a n o p a r t i c l e s ；d r u gc a r r i e r ；r h o d a m i n eb i s o t h i o c y a n a t e ；m a g n e t i c f l u o r e s c e n tc o m p o s i t e i v 学位论文原创性声明和使用授权说明 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 论文作者签名： 眵扔、托 e l 期：如岵年g - 月如日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保有学位论文的印 刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影e | 】、缩印、数字 化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校呵以公开学位 论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 日期：潮r 日期： 拐力 勃叶脯叶 v 轹 ： 签 名 师 签 教 者 导 佑 指 第一章绪论 第一章绪论 1 1 磁性铁氧化物纳米粒子及其复合物的研究现状 磁性纳米粒子的研究始于2 0 世纪7 0 年代，国内在2 0 世纪8 0 年代以来日渐活跃。 过去的二十多年，生物医药领域出现了大量不同尺度、形状和复合的磁性纳米粒子，很 多应用仍依赖于氧化铁粒子( f e 2 0 3 或f e 3 0 4 ) ，且粒子直径从几个纳米到几百纳米可调。 f e 3 0 4 纳米粒子由于小尺寸效应和表面效应而使得它具有常规晶粒所不具备的磁特性， 当粒径小于1 6 n m ，便产生了超顺磁性。磁性纳米粒子由于在外加磁场作用下可以迅速 富集，定向移动，并有磁滞生热等性质，因此在生物磁分离【1 ，2 1 、酶固定化【3 j 、靶相药物 【4 1 、肿瘤治疗和磁成像等生物技术领域有着广泛的应用前景。但是通常磁性纳米粒子由 于粒子间磁偶极相互作用而容易聚集，胶体稳定性差；许多常用的磁性纳米粒子如f e 3 0 4 磁性纳米粒子表面易被氧化并且生物相容性不理想，在未经表面处理之前水溶性不能达 到临床使用的要求，比表面积和比表面能大，易团聚，使粒径增大【5 j ，并且粒子间存在 强的磁偶极子作用使其呈现铁磁性。由于粒子之间的磁性吸引加上范德华力引起的絮 凝，不利于在人体中使用，这些是磁性纳米粒子在生物技术领域应用推广所必需解决的 问题。因此要在表面进行包被修饰，形成磁性复合纳米粒子可以对磁偶极相互作用产生 屏蔽，提高粒子的抗氧化能力，改善其水溶性并提高分散性和生物相容性，并在此基础 上实现粒子功能化。 目前常用的磁性纳米粒子表面修饰物可以是有机小分子、高分子材料和无机材料。 有机小分子和高分子修饰层在外力作用和有机溶剂中容易发生形变甚至被破坏，并且很 多有机单体有一定的毒性。普通高分子材料由于分子量较大，所以包被后粒径较大且不 好控制，而无机二氧化硅修饰不仅具有良好的化学稳定性和生物相容性，同时发展成熟 的硅化学技术为磁性纳米粒子的表面修饰和进一步的功能化提供了便利，因此，二氧化 硅磁性复合纳米粒子已经成为近年来研究的热点之一。目前已有一些人研究并报道了磁 性纳米粒子表面的硅烷修饰l 叫，主要采用了正硅酸乙酯( t e o s ) 和氨基硅烷偶联剂。正 硅酸乙酯( t e o s ) 水解后在磁性纳米粒子表面形成一层网状交联的s i 0 2 层，生物相容 性较好，并且偶联后表面s i 0 2 的硅烷醇键可使磁性纳米粒子在水溶液中稳定分散，在较 长时间内不团聚沉淀；若使用氨基硅烷修饰，则包被后在粒子表面引入胺基功能团，也 可改变表面电性提高分散性，并可进一步偶联抗体。但是目前对于粒子表面包被后粒度 的控制以及对表面修饰后粒子的功能化应用性研究报道较少，因此进一步改善磁性纳米 湖北大学硕士畦文 粒子的水溶性，提高修饰后粒度的可控性，开发多功能的磁性纳米粒子，并使其具有生 物活性和特异性，建立修饰后偶联生物分子的模型，进行应用性研究是今后磁性纳米粒 子发展的一个重要方向1 1 ”。 1 2 铁氧化物纳米粒子的合成方法 1 2 1共沉淀法 溶液中合成f c 3 0 。有两种主要方法：一是在碱和氧化剂存在下，使f c “氧化得到 f c 3 04 j ；二是在碱性条件下共沉淀f e “和f c 3 离子混合物，f e 2 + 和f e h 的摩尔比为1 ：2 。纳 米粒子的大小、形状和成分可通过所用的铁盐的类别( 盐酸盐、硫酸盐、硝酸盐或磷酸 盐) 来控制：另外，通过调节p h 值、温度和介质离子强度能够防止粒子聚沉，并将粒子 尺寸控制在一个数量级上( 25 0 r i m ) 。该法的优点在于操作简单，对环境要求较低：缺点 在于在收集和洗涤产物嘞0 4 的过程中容易再次团聚和被氧化，造成产物中纳米粒子粒 径分布较宽，形貌不太规则，台有f e 2 0 3 等现象，不利于进一步的生物医学应用。因此 一般会加入其他试剂作为保护层，或者和其他方法联用来保持其化学稳定性提高其分 散性m 。l t 如s h c p a t o v y c h 等用共沉淀法制得f e 3 0 4 后立即加入柠檬酸继续反应，经洗涤 后自d a p 2 v p q 得n f e 3 0 4 纳米线( 图1 1 ) n 这目前最常用的制各方法，适用于工业化 太生产，尤其在生物化学及生物医学等领域有很广泛的应用。 黼4 4 - , 1 - b 骥黪 图1 - 1 在液体池中合成磁铁矿纳米线( a ) p 2 v p q 保护的磁铁矿纳米线构造图( b ) 9 1 f i g u r e l - 1l i q u i dc e l lu s e d f o r t h es y n t h e s i so f m a g n e t i t en a n o w i r e s ( a ) a n ds c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o no f t h es t r u c t u r eo f m a g n e t i cn a n o w i t c ss t a b i l i z e db yp 2 v p q ” 12 2 微乳液法 微乳液是两种不相混溶的液体通过表面活性剂分子作为界面膜，形成热力学稳定、 各向同性的分散体系。微乳液分为水分散在油中( w o ) 和油分散在水中( 0 w ) 两种体系， 其中w o 体系被j 泛用于纳米粒子的制备。分散性盘f 、大小均一的氧化铁纳米粒子可通 第章绪论 过形成胶束的铁前体和w o 乳液反应1 1 q 得到。例如表面话性剂丁二酸2 一乙基己基硫酸 钠( a 0 1 懵于正己烷中形成w o 反相微乳液体系【“i ，f e 2 + 和f e n 盐溶于反相微液滴的亲 水核中，在n 2 存在下，加入n a o h 得到直径较小( ( 1 5 n m ) 、高分散的氧化铁纳米粒子。 微乳液合成也能得到两亲嵌段共聚物保护的磁性纳米粒子【删。微乳液合成的优点是纳米 粒子的大小可通过水和表面活性剂的比例1 7 1 来控制，缺点是没有共沉淀法和热分解法的 产量高。并且，微乳液合成的氧化铁纳米粒子只溶于有机溶剂，因此在医学领域的应用 受到限制，通常需要在氧化铁纳米粒子的表面修饰上亲水分子使氧化铁纳米粒子溶于 水，才能应用于生物、医学领域。 1 2 - 3 热分解法 通过非水解过程制各氧化铁纳米粒子的方法中，虽典型的方法是在热的表面活性剂 中分解合适的铁化合物前体。例如将铁和n 亚硝基一b 一苯核铵配合物( f e ( c u p b ) 的辛胺溶 液注射到热的三辛胺中，得到包覆单层胺的7 f e 2 0 3 纳米粒子。油酸包覆的t f c 2 仉纳米 粒子由f c ( c o ) s 分解得到，通过改变f c ( c o ) 5 和油酸的比例，控制氧化铁纳米粒子大小在 4 - 1 6 m i “i 。在油胺和苯甲基醚存在时，高温分解f c ( c o b 后，加入三氯一s - = 嗪得到亲水 性、单分散性f e 3 0 4 纳米粒子【州。y u 等将f e c l 3 6 t 2 0 溶于乙烯基乙二醇和十二烷胺中， 加入n a o h 后高温加热得到单分散性单晶f c 3 0 4 空球( 图1 2 ) i s l 。0 3 纳米粒子可以通 过铁三乙酰丙酮酸酯配合物( f c ( a c a c ) ，1 热分解得到i l “。高温热分解制备氧化铁纳米粒 子分散性好通常只溶于有机溶剂。但g a o 等1 1 咀f e ( a c a c ) 3 和无机铁盐f c c l 3 6 h 2 0 为前 体，2 一吡咯烷酮为溶剂，用高温热解法制备了适宜生物体系、水溶性好的f e 3 0 4 纳米粒子， 可作为磁麸振成像( m a g n e t i c f c s o n a l l c e i m a g i n g ，m r d 造影剂。 o 圆 图1 2f e 3 0 4 空球的合成示意图“” h g u r e l - 2 s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f t h e f o r m a t i o no f f c 3 0 4h o l l o w m i c r o s p h e r e s 1 2 4 水热法 用水热法合成是将所用反应物加入到聚四氟乙烯不锈钢反应釜经高温高压的环境 反应，反应步骤简单，合成时间比其他方法要长。但是用此法得到的纳米粒子粒径分靠 非常窄大小可控，粒子纯度高，形貌也很好控制。j i n g 等将q a o h ，( n 地) ，f e ( c 2 0 4 ) 3 ，s d s 北大学碗十论女 混合均匀后加入到反应釜中高温高压反应2 天，得到平均粒径为7 6 砌的纺锤a - f c 2 0 3 1 1 8 。 l i 等将f e c l 3 ，乙烯基乙二醇，醋酸钠和聚乙烯乙二醇混合，2 0 0 c 反应3 天后得到亲水 性f e 2 0 3 纳米晶。乙烯基乙二醇做为高沸点溶剂使铁盐分解成铁氧化物，醋酸钠电荷稳 定剂防止粒子团聚，聚乙烯乙二醇为表面活性剂，也是用于防止粒子团聚i “i 。具体的机 理虽然至今没有解释，但是这种多组分物质混合得到目标产物的方法已经开始显示其潜 在的发展活力。近年来，在此基础上发展的新技术主要有：微波水热法、超临界水热合 成、反应电极埋孤法。 125 超声波化学合成法 由于超声波在化学中的应用，形成了一门新兴学科一声化学。上世纪8 0 年代，声化 学对化合物的合成、聚合物的降解、颗粒物质的分散具有重要作用。但迄今为止对超声 波之所以能产生化学效应的原因尚不十分清楚。一个普遍接受的观点是空化作用，即在 液体介质中，徽泡的形成和破裂过程中，伴随能量的释放。空化现象产生的瞬间，形成 了强烈的振动波，液体中空气泡的快速形成和突然崩溃产生了短暂的高能微环境，据计 算在毫微秒的时间间隔内可达5 0 0 0 k 以上的高温和约1 0 7 p a 的高压，产生高速射流，使得 在普通条件下难以发生的化学变化有可能实现。同时通过声的吸收，介质和容器的共振 性质引起的二级效应，如乳化作用、宏观的加热效应等来促进化学反应的进行。在纳米 材料制备中超声波可以有效地促进产物的生成，控制颗粒的尺寸和分栉，获得的产物 粒径小且分布均匀。利用该技术现己合成的纳米结构材料有金属、氧化物、碳化物等。 ra b u m u c h 等i 驯将f “a c a c ) 2 在a r i 护下，超声反应后加入p v a 得到溶胶，在磁场下蒸 发溶剂后得到树状f c 3 0 4 ( 图i - 3 ) 。g c d a n k e n 等将f e ( c o k 和s d s 于宣温下在手套箱中超声 3 小时，得到稳定的f c 3 0 4 水溶胶口“。 图1 3树状f 。3 0 4 的光学显微镜照片1 ”1 f i g u r e l - 3o p t i c a l m i c r o s c o p e i m a g eo f d e n d r i t es t n l c t u r e so f d i f f e r e n ts i z e s ( 2 0 】 豁。疆毋 第一章绪论 1 2 6 其他合成方法 近年来，还有其他合成铁氧化物纳米粒子的方法报道。比如用溶胶一凝胶法【2 2 】，多 元醇还原法【1 1 1 ，化学气相合成法，溶剂热澍2 4 1 等。 1 3 铁氧化物纳米粒子的表面修饰 由于纳米微粒所具有的特殊的表面结构，所以在粒子间存在着有别于常规粒子( 颗 粒) 间的作用能( f n ) 。这种纳米作用能就是纳米微粒的表面因缺少临近配位的原子， 具有很高的活性，而使纳米微粒彼此团聚的内在属性，其物理意义应是单位比表面积纳 米微粒具有的吸引力。它是纳米微粒几个方面吸附的总和：纳米微粒间氢键、静电作用 产生的吸附、纳米微粒间的量子隧道效应、电荷转移和界面原子的局部产生的吸附、纳 米微粒巨大的比表面积产生的吸附。纳米作用能，是纳米微粒易团聚的内在因素。要得 到分散性好、粒径小、粒径分部窄的纳米微粒，必须削弱或减小纳米作用能。当采取适 当方法对纳米微粒进行分散处理时，纳米微粒表面产生溶剂化膜作用能( f s ) 、双电层 静电作用能( f r ) 、聚合物吸附层的空间保护作用能( f p ) 等。在一定体系里，纳米微 粒应是处于这几种作用能( 力) 的平衡状态：当f n f s + f r + f p 时，纳米微粒易团聚；当 f n f s + f r + f p 时，纳米微粒易分散。要使纳米微粒分散，必须增强纳米微粒间的排斥作 用能：( 1 ) 强化纳米微粒表面对分散介质的润湿性，提高溶剂化膜的强度和厚度，增 强溶剂化排斥作用；( 2 ) 增大纳米微粒表面双电层的电位绝对值，增强纳米微粒之间 的静电排斥作用；( 3 ) 通过高分子分散剂在纳米粒子表面的吸附，产生并强化立体保 护作用。 磁性纳米粒子比表面积和比表面能大，憎水性表面，由于其憎水性也进一步导致粒 子团聚形成大的簇状物，这些簇状物显示出强的磁偶极一偶极相互吸引，当两个大粒子 靠近，它们中每一个在临近产生磁场。这些残余磁性粒子粘在一起相互磁化导致团聚， 加上絮状沉淀的范德华力影响，表面修饰时必不可少的，以改善并提高分散性和生物相 容性，通过与其它材料复合及偶联靶向配体等使粒子功能化。目前用于磁性纳米粒子表 面包覆的主要集中于有机大分子、聚合物类；无机物；有机一无机复合类；靶相配体修 饰类等。常用的修饰方法有两种：一种是在制备f e 3 0 4 磁性纳米粒子时将表面活性剂或 聚合物加入，即对其进行原位修饰，防止粒子的聚集，此种方法制得的粒子一般是单分 散的且在溶液中较为稳定；另外一种常用的方法是用表面活性剂或聚合物对己制备好的 f e 3 0 4 磁性纳米粒子进行表面修饰，形成核壳结构，采用这种方法修饰后粒子表面还可 5 湖北大学硕士论文 以继续偶联很多具有生物活性的功能分子，但一般粒子直径较大，目前研究的的磁性纳 米粒子表面修饰后者居多。 1 3 1 用有机大分子、聚合物来进行表面修饰 近年来有很多关于油副2 5 1 、月桂酬2 6 1 、十二烷基硫酸盐【1 引、柠檬酸盐【9 】等在有机溶 剂中稳定磁性粒子表面衍生作用的报道，人们发现烷基膦酸盐和硫酸盐可用来被用作获 得磁性粒子热力学稳定的分散剂。y a n g 等比较了用油酸和月桂酸两种不同的有机大分子 在对f e 3 0 4 表面进行修饰时对的影响，结果发现，后者制备的粒子比用前者的粒径大两倍 【2 7 1 。这些有机大分子表面都具有电荷，人们认为他们与磁流体表面形成了类似双层的结 构，第一层紧紧结合在其表面，通过电荷间的相互排斥来达到使纳米粒子分散稳定的目 的。 与此同时随着聚合物微球制备技术的逐步成熟，功能型聚合物微球的研究日渐活 跃。环境响应聚合物微球由于其物理化学性质及胶体性质可随环境改变( 如温度、p h 值、 压力、电场、磁场等) ，具有广泛的应用前景。磁性聚合物纳米粒子是指通过适当的方 法使聚合物与无机磁性物质结合起来形成的具有一定磁性的聚合物复合纳米粒子，在外 界磁场作用下能方便、快速的与介质分离。作为保护剂的聚合物分为天然聚合物和合成 聚合物两大类。典型的合成聚合物包括聚乙烯、聚甲氧基乙基丙烯酸酯【2 8 瑚】、聚苯乙烯 1 3 0 m , 3 2 1 、聚甲基异丁烯酸酯1 3 3 1 、聚丙烯酰胺【蚓、聚咯烷1 3 5 】、聚乙烯基乙醇【2 0 期、聚乙二 醇【3 7 1 、聚乙烯基吡咯烷酮【3 8 1 、聚丙烯耐3 9 1 、氧化膦p e g i 训、p e g 磷脂、聚甲基丙 烯酸【4 2 1 、聚( 3 乙烯基吡啶) 【4 3 1 、聚( e 己内酰胺) 【4 4 1 、聚( 2 ( 二甲基胺) 乙基) 甲基丙烯酸【4 5 1 、 聚( n 异丙基丙烯酰胺丙烯酸2 羟乙基丙烯酸酯) i 蛔、热敏感聚合物聚( n 异丙基丙烯酰 j 按) 4 7 1 、两亲嵌段聚合物【4 8 ，4 9 5 0 】等。磁性聚合物纳米粒子的制备方法有很多种，目前合成 这种纳米粒子的方法有两种：一是共混法，将磁性粒子分散于高分子溶液中，再进行乳 化处理得到纳米粒子；二是单体聚合法，以磁核为中心，引发单体聚合形成高分子壳层， 主要方法有包埋法、悬浮聚合法、乳液聚合法、分散聚合法及原子转移自由基聚合法等。 通过不同的聚合方法可以得到不同粒径的聚合物纳米粒子，合成不同粒径的聚合物纳米 粒子将能够满足磁性聚合物纳米粒子在不同领域的不同需求。天然聚合物包括茁霉多糖 【5 1 】、羧甲基葡聚糖【5 2 1 、壳聚糖【5 3 5 4 1 、吏链淀粉、葡聚糖、脱乙酰壳多糖和磷酸胆碱。许 多细胞( 包括巨噬细胞) 表面的膜多糖或糖蛋白在细胞的相互作用中扮演了重要的角色， 如红细胞表面的低聚糖可使其避免巨噬细咆的识别。糖或糖的衍生物( 如半乳糖、岩藻 糖、甘露糖、6 一氨基一甘露糖等) 修饰纳米颗粒可实现对白细胞、肺泡囊和肝细胞等的 6 第一章绪论 靶向作用，如半乳糖修饰的纳米颗粒易被肝实质细胞摄取，而甘露糖修饰则易被l 洳胞 摄取。用a 一羧甲基壳聚糖作为乳化剂和表面修饰材料，采用超声乳化法制备聚乳酸纳米 颗粒，可制成载药纳米颗粒。结果表明，a 羧甲基壳聚糖可与某些肿瘤细胞表面的多糖 受体结合，从而提高药物的肿瘤靶向性。阴离子多糖类的肝素也可作为亲水性链段与聚 甲基丙烯酸甲酯形成两亲性共聚物纳米颗粒，肝素的抗凝活性作用可以阻止血液成分对 纳米颗粒的黏附以及对抗血浆蛋白质对药物的竞争，从而延长循环时间。 1 3 2 用无机物来进行表面修饰 金属核壳结构的氧化铁纳米粒子近期引起许多科学家的兴趣，含有两个或多个不同 纳米尺寸功能性的复合纳米材料由于在一个实体里同时具有多个性质，因可控的结构和 界面相互作用，这些纳米复合材料能展现出新的物理和化学性质，这对未来的科技应用 非常重要。核壳纳米结构及交换偶合的磁性纳米复合材料是两种众所周知的复合体系。 与单一成分相比，显示了增强的光、磁及催化性质，这些微粒可以发展作为电子、生物 和催化领域中有价值的纳米尺寸的构筑基元。量子点具有发光效率高、尺寸可控、发射i 谱窄、发光范围宽等优点，并且，量子点不易被光氧化。与传统的荧光分子相比，量子： 点在亮度上提高了2 0 倍，光稳定性提高了1 0 0 倍，光谱宽度只有荧光分子的1 3 。但是荧： 光量子点在水中稳定性差，容易聚集，生物相容性差，毒性大，通过量子点与无机材料 复合，即可以充分发挥量子点在荧光检测方面具有的灵敏度高、可以多色编码，多道检1 测等优点，又克服了量子点在生物应用方面的局限。因此，近几年来，如何把量子点与1 磁微粒装载在一个体系中引起了科学工作者的大量兴趣，期望应用于生物中同时荧光标 记和磁分离光通讯员和磁搬运。同时，这些包覆层不仅提高了氧化铁纳米粒子在溶 液中的稳定性，也有利于该纳米粒子在表i 面键合多种生物配体。 2 0 0 4 年，r o s e n z w e i g 等人通过形成巯基一金属键将单层量子晶键合到巯基修饰的 磁微粒表面，首次报道了荧光、磁性复合的纳米材料【5 5 】。微粒由具有超顺磁性的丫f e 2 0 3 为核，单层c d s e z i l s 量子晶连接在磁微粒表面。这种复合纳米微粒能够应用于生物分离 领域，包括荧光检测和磁分离。随后，涌现出了大量关于合成荧光和磁性双功能的复合 纳米微粒的报道。这种微粒能应用于生物侈i 学领域，包括癌细胞、细菌和病毒的磁分离、 检测。r o g a c h 等, h i 驯又首次报道了发光半导体j j 磁性纳米微粒同时封装形成多功能微胶 囊。合成的微胶囊可以被荧光检测，又可以通过磁场进行分离。吉林大学李铁津研究组 1 5 喈艮道了应用l b l 方法在f e 3 0 4 表面层层细装c d t e 纳米晶制各磁、荧光复合纳米微粒。 f e 3 0 4 和c d t e 之间的距离及沉积c d t e 的数鲐都i 叮以通过控制沉积的层数来控制。 7 湖北大学硕l ：论文 w i k k i a m s 等a t s 8 1 报道了在氧化铁纳米微粒表面包覆a u 壳层的方法，指出核壳纳米微粒 的形态和光学性质依靠于a u + 还原的量。 这种多功能的磁性复合纳米微粒除了磁性粒子与半导体纳米晶复合外，还可以引入 其他很多种功能纳米微粒。s h i 等用电弧放电法合成了触2 0 3 f e 2 0 3 f e 【5 9 】。z h a n g 等用 气相沉积法合成了m 9 0 腰e 3 0 4 核壳纳米粒子【删。h a oz e n g 等a 1 6 1 1 制备了双绕磁心核壳结 构的f e 5 8 p t 4 2 f e 3 0 4 纳米微粒，作者利用高温溶剂热的方法首先制备了4n mf e p t ，然后采 用种子生长法在其表面生长了f e 3 0 4 壳层结构，壳层厚度可以通过加入种子的量进行调 节。由于核壳之间的交换耦合作用，合成的微粒的磁矫顽力可以通过核壳部分的尺寸来 调控。h v e o n 等人设计合成了p 州i 双金属纳米微粒【6 2 】，通过比较合成的p d f n j 纳米微粒 与相同尺寸的p d 纳米微粒在催化性质上的差异，发现复合纳米微粒的催化效能有很大提 ，高，这种结构即节约原料( a t o m e c o n o m i c a l ) ，又可以提高催化效能。s u n 等人通过氧化铁 在金种子上的晶体外延生长合成了哑铃结构的a u - f e 3 0 4 纳米微粒【6 3 1 。a u 与f e 3 0 4 之间的 纳米接触使得a u 表面d a l s m o n 红移，使小粒径的f e 3 0 4 ( 8 n m 或更小) 磁化增长减慢。应 用这种结构，a u 端可以作为引入巯基封端的功能分子；f e 3 0 4 端可以作为高敏感磁传感 器检测微粒的磁信号。t a n g 去年合成出t a g - f e 3 0 4 【6 4 1 ，将其包覆在c 薄膜表面形成了无 毒，生物相容性的界面，成为一种固定和检测蛋白质、d n a 、酶、生物组织、活体肿瘤 细胞的新方法。m a n d a l 贝j j 合成了金、银含量可控的a u f e 3 0 4 、a g f e 3 0 4 i 矧。 氧化铁纳米粒子表面的羟基很容易与商品化的硅烷试剂反应，生成表面包覆二氧化 硅的复合纳米粒子。表面二氧化硅层有生物相容性