CN101708866B - 一种超顺磁性水溶性铁酸锰纳米粒子的制备方法 - Google Patents

一种超顺磁性水溶性铁酸锰纳米粒子的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超顺磁性水溶性铁酸锰纳米粒子，利用高温液相热解法制备，是通过使用以苯环为核的树枝状聚合物为模板剂，多元醇既作为有机溶剂又作为表面活性剂，使有机铁化合物和有机锰化合物溶于模板剂的多元醇溶液中，进行梯度加热和分段反应，制得了平均粒径在5～8nm、分散性好、表现出较好的超顺磁性的尖晶石结构的铁酸锰纳米粒子。本发明的制备方法简单、原料易得、成本低廉、条件温和、对设备的要求低及生产过程环保、副产物无公害，可大规模工业化生产。

Description

一种超顺磁性水溶性铁酸锰纳米粒子的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种超顺磁性水溶性铁酸锰纳米粒子及其应用。 
背景技术
磁性是物质的基本属性，磁性材料是古老而用途十分广泛的功能材料，它与信息化、自动化、机电一体化、国防和国民经济等方方面面都紧密相关。随着科学技术的发展和应用的需要，人们对材料的兴趣和研究也到越来越小的尺度范围，磁性纳米材料逐步产生、发展、壮大而成为最富生命力并且应用前景广泛的新型磁性材料。 
磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，通常磁性材料的磁结构是由许多磁畴构成的，畴与畴之间由畴壁分隔开，通过畴壁运动和磁矩转动实现磁化。在纳米材料中，由于粒径很小，几乎每个晶粒都呈现单磁畴结构。而磁性纳米材料的磁学性质之所以反常，就是由于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量(1-100nm)：磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸、交换作用长度、以及电子平均自由路程等，在1～100nm范围内时，纳米材料就具有了奇异的超顺磁性和较高的矫顽力。 
在生物医学领域，磁共振成像(MRI)技术主要是利用生物体不同组织中水分子质子在外加磁场影响下产生不同的共振信号来成像，信号的强弱取决于组织内水的含量和水质子的弛豫时间。水占人体总重的2/3以上，人体各种组织、器官的水含量存在着差异。许多疾病的病变过程都会导致水含量的改变，并通过质子共振成像表现出来。磁共振成像可获得丰富的诊断信息，与计算机断层照相术(computer assisted tomography，CT)及核素成像相比没有放射引起的电离损害。同时磁共振成像由于还具有高分辨率、多成像参数、可任意层面断层等优点，已经得到了迅速发展和广泛应用，将医学成像技术推上了新的高峰，成为当今医学诊断最强有力的工具 
磁共振成像造影剂(MRI contrast agent/media也叫磁共振成像对比剂)是一类能够提高MRI诊断的敏感性和特异性、增强信号对比度，并提高软组织图像分辨率的磁性物质。应用于人体的MRI造影剂，首先必须满足药物的基本要求，如具有生物相容性、低毒性、良好的水溶性和足够的稳定性等，此外，还应具备以下特性：1)高弛豫率，2)组织或器官选择性，3)低毒性，4)在体内有适当的存留时间而又易于从体内排除。 
目前处于研究阶段的磁共振成像造影剂有很多，如已应用于临床诊断的Gd-DTPA、Feridxe(菲立磁)、Resovsti、Mn-DPDP等。铁酸盐类的磁性纳米粒子在磁共振造影剂的研究中也广受欢迎。而超顺磁性造影剂相对Gd-DTAP具有组织特异性更高，更安全的特点，是近年来磁共振成像造影剂的研究热点。 
目前用于生物医学上的绝大多数磁性纳米粒子都是在碱性溶液中以铁盐为前躯体通过共沉淀的方法制备得到的，但是，这种方法得到的纳米粒子在物理性质上存在缺点，如宽的尺寸分布、差的晶态、低的饱和磁化率和极易团聚。在有机相中通过高温降解的方法则能制备出高晶态和窄尺寸分布的单分散的纳米粒子，但是这种方法得到的磁性纳米粒子由于表面包裹着疏水的表面配体，仅仅溶于非极性溶剂，这样就限制了其在生物领域的应用。为了成功地解决合成更好的磁性纳米粒子的问题，有必要发展一种新的制备适合生物医学应用的水溶性磁铁矿纳米粒子的合成技术。 
已有研究指出，通过多元醇制备出水溶性的磁性纳米粒子，其尺寸小于10nm，具有窄的尺寸分布和高的磁化率。这种方法是在多元醇中通过加热盐得到磁性纳米粒子。不像在有机相中高温降解的方法得到的磁性纳米粒子，由于其表面配位有亲水的多元醇分子，这种新的方法制备的磁性纳米粒子相当稳定，不用任何的表面修饰，就可以长期稳定存在于水溶液中。 
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术所存在的缺陷，提供一种水溶性铁酸锰纳米粒子，这种纳米粒子分散性好、粒径小且粒径均一、饱和磁化率高、驰豫能力强、生物兼容性好，又具有制备方法作简便、成本低廉和环保等优点。 
本发明的另一个目的在于将上述水溶性铁酸锰纳米粒子应用于制备超顺磁性磁共振造影剂。 
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下： 
一种水溶性铁酸锰纳米粒子，通过高温液相热解法制备，包括如下步骤： 
(1)将以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物溶解于多元醇中，配制成浓度为1～50mmol/L的模板剂溶液； 
(2)将摩尔比为(1.8～2.2)：1的有机铁化合物和有机锰化合物加入模板剂溶液中，有机锰化合物的摩尔数为模板剂摩尔数的1～20倍； 
进行无氧操作，将反应体系在惰性气体保护下加热到100～130℃并保温1～1.5h以排去反应器中水份；继续升温至200～220℃，保温反应1.5～2.5h；再将温度升到245～265℃时，保温反应0.5～1.5h；惰性气体可选用氮气、氦气或氩气； 
(3)冷却后，离心分离反应体系，取沉淀。 
将得到的沉淀用洗涤，并于15～30℃真空干燥10～20小时。可用无水乙醇洗涤。 
作为模板剂的是苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物，其三维结构如图1所示，主要结构包括内层核心(引发核，即苯环)、中间枝和末端基团，其中，中间枝以酰胺基团为支化单元向外扩展，酰胺基团的重复单元数为4～8(表示苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物的代数)，即第四代产品(4G)至第八代产品(8G)树枝状聚合物中的任一种。表面的末端基团为胺基。 
聚酰胺-胺类树枝状聚合物(PAMAM)为近年来Tomalia等人首先合成的一类新的大分子化合物。PAMAM树枝状聚合物具有：1)纳米级尺寸、完美的 单分散性和规整的三维结构；2)分子内部有大量的酰胺基团；3)末端的氨基基团与酯基基团(易于结构改造和改性)等特性，对其的研究已涉及纳米材料、分子催化、电致和光子发光、分子器件、免疫分析、生物传感器等方面。 
所述多元醇既为溶剂又是还原剂，选自丙三醇、二甘醇、三甘醇和四甘醇中的任一种，优选四甘醇。 
所述有机铁化合物选自三乙酰丙酮铁、二乙酰丙酮铁、草酸铁和乙酸铁中的任一种，优选三乙酰丙酮铁。所述有机锰化合物选自二乙酰丙酮锰、草酸锰和乙酸锰中的任一种，优选二乙酰丙酮锰。 
有机铁化合物和有机锰化合物优选为同一类型的有机盐。即：有机锰化合物为二乙酰丙酮锰，有机铁化合物为三乙酰丙酮铁或二乙酰丙酮铁；或者有机锰化合物为草酸锰，有机铁化合物为草酸铁；或者有机锰化合物为草酸锰，有机铁化合物为草酸铁。 
本发明以苯环为核的树枝状聚合物为模板剂，利用树枝状聚合物内部的氮原子和氧原子与金属离子产生配位作用，将金属离子引入到树枝状聚合物的内部空腔及其表面，得到粒径较小的金属纳米粒子。 
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 
1)本发明通过使用以苯环为核的树枝状聚合物为模板剂及梯度加热和分段反应相结合的工艺，制得了平均粒径在4～10nm、分散性好、表现出较好 的超顺磁性的尖晶石结构的铁酸锰纳米粒子。 
2)本发明的制备方法简单、原料易得、成本低廉、条件温和、对设备的要求低及生产过程环保、副产物无公害，可大规模工业化生产。 
附图说明
图1为以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物的三维模型图； 
图2为以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物的第四代产品(4G)的化学结构式； 
图3为实施例1所制备的水溶性的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)照片； 
图4为实施例1～3所制备的水溶性的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的X-射线衍射(XRD)谱图； 
图5为实施例1所制备的水溶性的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子在25℃时的磁滞回线图； 
图6为实施例1所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的磁共振成像测试结果，即不同浓度的MnFe2O4纳米粒子水溶液的T2加权成像图； 
图7为实施例1所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的水溶性照片； 
图8为以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物的第五代产品(5G)的化学结构式； 
图9为实施例2所制备的水溶性的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电镜(TEM)照片； 
图10为以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物的第六代产品(6G)的化学结构式； 
图11为实施例3所制备的顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电镜(TEM)照片； 
图12为实施例4所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电镜(TEM)照片； 
图13为实施例5所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电镜(TEM)照片。 
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进-步说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。 
作为模板剂的是苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物，其三维结构如图1所示，主要结构包括内层核心(引发核，即苯环)、中间枝和末端基团(端基反应基团)，其中，中间枝的酰胺基团的重复单元数为4～8(表示苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物的代数)，即第四代产品(4G)至第八代产品(8G)树枝状聚合物中的任一种。 
实施例1 
(1)称取0.25mmol第四代(4G，其化学结构式如图2所示)以苯环为核的聚酰胺一胺类树枝状聚合物，加入20ml四甘醇中，在室温超声搅拌使其完全溶解，配制成浓度为12.5mmol/L的模板剂溶液； 
(2)然后将2mmol的三乙酰丙酮铁和1mmol的二乙酰丙酮锰加入上述模板剂溶液中；进行无氧操作，在惰性气体(氮气)保护下加热反应体系，当温度升到100～110℃时，氮气排水1h；接着继续升温，当温度升到200～210℃时，保温反应2h；再接着继续升温，当温度升到245～255℃时，保温反应1.5h小时； 
(3)反应完成，自然冷却到室温，离心分离反应体系，将得到的沉淀用无水乙醇进行淋洗再离心，直至离心后的上清液澄清；最后将得到的沉淀于25℃真空干燥20小时。 
制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电镜(TEM)照片如图3所示，由图可见，所制备的铁酸锰纳米粒子的平均粒径为7±1nm，且分散性好、无团聚。 
X-射线衍射(XRD)谱图如图4，由图可见：所制备的产物为尖晶石结构的MnFe2O4纳米粒子。 
在25℃室温条件下的磁滞回线图如图5，由图可见：本实施例所制备的MnFe2O4纳米粒子表现出超顺磁性。 
图6为本实施例所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的磁共振成 像测试结果，即不同浓度的MnFe2O4纳米粒子水溶液的T2加权成像图，从图中可以看出随着浓度的增大，T2加权成像的信号逐渐增大，即图像逐渐变暗。 
图7为本实施例所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的水溶性照片，由图可见，这种纳米粒子有很好的水溶性，可在水中形成浅黄色到浅棕色溶液，如图7b；而且该纳米粒子不溶于环己烷，将水、环己烷与该纳米粒子混合，待分层后，纳米粒子溶解于水相，形成浅黄色到浅棕色溶液，而上层的有机相为无色透明，如图7c；且溶于水中的纳米粒子在磁体吸附的情况下向磁体的方向靠拢聚集，液体变为近于无色透明，如图7a。 
实施例2 
本实施例所用的模板剂为0.25mmol的第五代(5G，其化学结构式如图8所示)以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物，加入20ml丙三醇中，在室温超声搅拌使其完全溶解，配制成浓度为12.5mmol/L的模板剂溶液；其余同实施例1。 
图9为本实施例所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电镜(TEM)照片，由图可见，得到平均粒径为7±1nm，且分散性好、无团聚的MnFe2O4纳米粒子。X-射线衍射(XRD)谱图如图4。 
实施例3 
本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处只是所用的模板剂为0.25mmol的第六代(6G，其化学结构式如图10所示)以苯环为核的聚酰胺 -胺类树枝状聚合物。 
图11为本实施例所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电镜(TEM)照片，由图可见：本实施例可以得到平均粒径为7±1nm，且分散性好、无团聚的MnFe2O4纳米粒子。X-射线衍射(XRD)谱图如图4。 
实施例4 
本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处只是所用的模板剂为0.25mmol的第七代(7G)以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物。 
图12为本实施例所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电镜(TEM)照片，由图可见：本实施例可以得到平均粒径为7±1nm，且分散性好、无团聚的铁酸锰纳米粒子。 
实施例5 
本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处只是所用的模板剂为0.25mmol的第八代(8G)以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物。 
图13为本实施例所制备的超顺磁性水溶性MnFe2O4纳米粒子的透射电镜(TEM)照片，由图可见：本实施例可以得到平均粒径为6±1nm，且分散性好、无团聚的MnFe2O4纳米粒子。 
实施例6 
本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处只是四甘醇用量为10ml，配制的模板剂溶液的浓度为25mmol/L。透射电镜检测结果表明：本实 施例可以得到平均粒径为7±1nm，且分散性好、无团聚的铁酸锰纳米粒子。 
实施例7 
本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处只是，四甘醇用量为5ml，配制的模板剂溶液的浓度为50mmol/L。透射电镜检测结果表明：本实施例可以得到平均粒径为6.5±1nm，且分散性好、无团聚的铁酸锰纳米粒子。 
实施例8 
本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处只是有机锰化合物的摩尔数为模板剂摩尔数的8倍，即：模板剂的用量为0.25mmol，三乙酰丙酮锰的用量为2mmol，三乙酰丙酮铁的用量为4mmol。 
透射电镜检测结果表明：本实施例可以得到平均粒径为8±1nm，且分散性好、无团聚的铁酸锰纳米粒子。 
实施例9 
本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处只是有机锰化合物的摩尔数为模板剂摩尔数的10倍，即：模板剂的用量为0.25mmol，三乙酰丙酮锰的用量为2.5mmol，三乙酰丙酮铁的用量为5mmol。 
透射电镜检测结果表明：本实施例可以得到平均粒径为7.5±1nm，且分散性好、无团聚的铁酸锰纳米粒子。 
实施例10 
本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处只是有机锰化合物的摩尔数为模板剂摩尔数的12倍，即：模板剂的用量为0.25mmol，三乙酰丙酮铁的用量为3mmol，三乙酰丙酮铁的用量为6mmol。 
透射电镜检测结果表明：本实施例可以得到平均粒径为7.5±1nm，且分散性好、无团聚的铁酸锰纳米粒子。 
实施例11 
本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处只是有机锰化合物的摩尔数为模板剂摩尔数的14倍，即：模板剂的用量为0.25mmol，三乙酰丙酮锰的用量为3.5mmol，三乙酰丙酮铁的用量为7mmol。 
透射电镜检测结果表明：本实施例可以得到平均粒径为8±1nm，且分散性好、无团聚的铁酸锰纳米粒子。 
另外，实验结果表明：上述各个实施例中所用的四甘醇可被丙三醇、二甘醇或三甘醇等同替代；氮气可被氩气、氖气或氦气等同替代；三乙酰丙酮铁可被二乙酰丙酮铁、草酸铁或乙酸铁等同替代，二乙酰丙酮锰可被草酸锰或乙酸锰等同替代；且有机铁化合物和有机锰化合物优选为同一类型的有机盐。 

Claims (2)

1.一种超顺磁性水溶性铁酸锰纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物溶解于多元醇中，配制成浓度为1～50mmol/L的模板剂溶液；
(2)将摩尔比为(1.8～2.2)∶1的有机铁化合物和有机锰化合物加入模板剂溶液中，有机锰化合物的摩尔数为模板剂摩尔数的1～20倍；将反应体系在惰性气体保护下加热到100～130℃并保温反应1～1.5h；继续升温至200～220℃，保温反应1.5～2.5h；再将温度升到245～265℃时，保温反应0.5～1.5h；
(3)冷却后，离心分离反应体系，取沉淀；
所述以苯环为核的聚酰胺-胺类树枝状聚合物，包括内层的引发核、中间枝和末端基团，中间枝的酰胺基团的重复单元数为4～8；
所述多元醇为丙三醇、二甘醇、三甘醇和四甘醇中的任一种；
所述有机锰化合物为二乙酰丙酮锰，所述有机铁化合物为三乙酰丙酮铁或二乙酰丙酮铁；
或者所述有机锰化合物为草酸锰，所述有机铁化合物为草酸铁；
或者所述有机锰化合物为乙酸锰，所述有机铁化合物为乙酸铁。
2.权利要求1所述的超顺磁性水溶性铁酸锰纳米粒子的制备方法，其特征在于，将步骤(3)得到的沉淀洗涤，并于15～30℃真空干燥10～20小时。
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