CN101901659A - 一种表面修饰官能团的磁性纳米粒子的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面修饰官能团的磁性纳米粒子的制备方法，属于无机先进纳米材料制备工艺技术领域。该方法的步骤包括：以三价铁的可溶性盐溶液和醋酸钠(钾)配制乙二醇溶液，超声至溶液澄清，然后加入表面修饰剂，使用搅拌及超声等方式使混合物以均一悬浮液存在，经密闭体系中的溶剂热反应，得到尺寸可控并具有丰富表面官能团修饰的磁性纳米粒子，经洗涤、干燥，得粉末产品。本发明方法所制得的产品在保证粒径均一、磁学性能良好的同时，具备表面官能团丰富，表面电性可调节的特点。此外，制备方法便捷、高效，并具备普适性、可控性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种多种表面官能团修饰的磁性纳米粒子的制备方法，属于无机先进纳米材料制备工艺技术领域。
技术背景
近十几年，磁性纳米材料受到了人们的极大关注，它在机械，电子，光学，化学和生物学领域有着广泛的应用前景。通过在纳米磁性粒子表面接枝多种具备不同性质的功能化基团，使得纳米材料在实现多功能化同时具备易分离、可识别等优点。因此，磁性纳米粒子的制备及表面修饰在当前纳米科学研究中占据重要的地位，其关键技术是控制磁性粒子的尺寸和表面性质。目前存在的制备方法中，对尺寸控制并不困难，但表面官能团修饰及表面电性控制技术仍待改进。通过对纳米磁性粒子进行表面修饰，既可以改善其生物相容性，又赋予它各种特殊功能。通常可经过共聚、接枝或表面改性，使磁性粒子表面带有羟基、羧基、氨基等功能基团，然后再与蛋白质、抗体、抗原等连接，应用于细胞分离、靶向药物、磁共振成像和免疫分析等方面。目前，磁性纳米微粒表面修饰及电性控制是化学和生物医学的一个热门研究课题。
有研究报道了一些表面官能团修饰的磁性纳米粒子的制备与应用，他们分别是在特定制备条件下得到了某种表面修饰磁性粒子(Chem.Eur.J.2006，12，6341-6347；Chem.Mater.2004，16，2344-2354；Bioch.Eng.J.2008，40，408-414；Adv.Drug Delivery Rev.2010，62，284-304；Mater.Sci Eng.C.2010，30，484-490；J.Am.Chem Soc.2005，127，7316-7317)，制备方法不具备普适性。目前未见通过一步溶剂热法在简易、通用条件下制备具备不同表面性质的磁性纳米粒子的相关报道。因此发展新的便捷、普适制备方法，获得具有特定尺寸、表面有机官能团修饰、表面电性可控、粒径分布较窄等特点的磁性纳米粒子，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过一步溶剂热法控制合成不同表面性质的磁性纳米粒子的方法。
本发明为一种表面修饰的磁性纳米粒子的制备方法，磁性纳米粒子产物的直径为30-300nm，粒径均一，分散度良好，磁学性能良好，表面官能团丰富，表面电性可控，所述制备方法便捷、高效，并具备普适性、可控性的优点。通过所述的制备方法，根据需求将多种具有不同活性基团的有机分子接在磁性粒子表面，使得纳米磁性粒子上修饰有丰富的有机官能团，如氨基、亚氨基、羟基及羧基等，提高其环境的适配性，使其具备更高的实际应用价值。本发明提及的制备方法没有采用有机分子连接的常见方法，而是将官能团直接嵌入纳米磁性微球，使得产品的官能团修饰牢固，具有较好的稳定性。此外，通过控制表面修饰剂的加入量能够定量控制磁性微球表面电性的正负及强弱，使其在生物医药及生物分离等领域具有更宽的应用范围。
本发明的技术方案如下：一种通过一步溶剂热法控制合成表面官能团修饰的磁性纳米粒子的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a.将三价铁的可溶性盐和醋酸钠或醋酸钾溶于乙二醇制得均一透明混合溶液，三价铁的可溶性盐在乙二醇溶液中的浓度范围为：0.05-0.50mol/L，醋酸钠或醋酸钾在乙二醇溶液中的浓度范围为：0.50-1.50mol/L；
b.将具备特征官能团的表面修饰剂(如乙二胺EDA，聚乙烯亚胺PEI，聚乙二醇PEG，葡萄糖酸钠SG，聚丙烯酸等)加入步骤a所得溶液中，搅拌、超声得到均一悬浊液，特征官能团为如氨基、亚氨基、羟基及羧基等；
c.将步骤b所得溶液移入有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜进行溶剂热反应，温度范围为150-220℃，反应时间为6-96小时，保持反应体系压力在2-8个大气压范围内，反应结束自然冷却至室温；
d.反应釜中下层沉淀即为目标产物，用去离子水或无水乙醇离心洗涤，去掉产物中溶剂，室温干燥后即可得到表面官能团(如氨基、亚氨基、羟基和羧基等)修饰的磁性纳米粒子。
三价铁盐与醋酸钠或醋酸钾摩尔比范围为：1∶3-1∶9，最佳比例为1∶6；三价铁盐与乙二胺摩尔比范围为：1∶4.1-1∶40.5，最佳比例为：1∶21；三价铁盐与聚乙烯亚胺(M.W＝70,000，50％水溶液)的摩尔比范围为：1∶0.001-1∶0.005，最佳比例为：1∶0.0029；三价铁盐与聚乙二醇(M.W＝1000)的摩尔比范围为：1∶0.14-1∶1.4，最佳比例为1∶0.56；三价铁盐与葡萄糖酸钠的摩尔比范围为：1∶0.62-1∶6.18，最佳比例为：1∶2.48。
根据需求将带有不同活性基团的有机分子与三价可溶性盐、醋酸钠(或醋酸钾)均匀混合，以乙二醇为溶剂，经过一定温度和时间的溶剂热反应，将有机官能团直接嵌入到磁性微球表面，得到粒径均一、磁学性能良好、表面官能团丰富，表面电性可调节的磁性纳米粒子。
本发明的方法是在溶剂热的中温高压条件下进行的一步反应过程，其中无水醋酸盐的加入、乙二醇溶液中反应物的浓度、表面修饰剂的种类和加入量、反应温度及时间均会影响磁性纳米粒子的尺寸、磁学性能和表面性质。本方法在制得尺寸可控，磁学性能良好的反应产物同时，实现了纳米粒子表面的活性基团和电性可调。本发明制备的表面修饰的磁性纳米粒子可应用于生物大分子(如RNA，DNA，蛋白质等)分离、药物靶向输运、吸附等领域，并且对与表面电性、表面形貌及尺寸等有关的细胞内吞机制和药物载体尺寸的研究具有重要基础意义。
附图说明
图1-4分别是本发明实施例1中表面氨基修饰的磁性纳米粒子TEM图、SEM图、振动磁强图和zeta电位图；
图5是本发明实施例2中表面氨基修饰(表面修饰剂乙二胺的量与实施例一中的不同)的磁性纳米粒子zeta电位图；
图6-9分别是本发明实施例3中表面亚氨基修饰的磁性纳米粒子TEM图、SEM图、振动磁强图和zeta电位图；
图10-13分别是本发明实施例4中表面羟基修饰的磁性纳米粒子TEM图、SEM图、振动磁强图和zeta电位图；
图14-17分别是本发明实施例5中表面羧基修饰的磁性纳米粒子TEM图、SEM图、振动磁强图和zeta电位图；
图18-20分别是本发明实施例6中表面氨基修饰的磁性纳米粒子TEM图、振动磁强图和zeta电位图；
图21-22是本发明实施例7中使用硝酸铁为铁源制备的表面氨基修饰的磁性纳米粒子的TEM图和振动磁强图；
图23是本发明实施例8中使用硫酸铁为铁源制备的表面氨基修饰的磁性纳米粒子的TEM图；
图24是本发明实施例9中使用硫酸铁铵为铁源制备的表面氨基修饰的磁性纳米粒子的TEM图；
图25是本发明实施例1、3、4、5中四种不同表面修饰的磁性纳米粒子和标准四氧化三铁样品(PDF#39-1346)的XRD图，其余实施例制备纳米磁性粒子的XRD图也与标准四氧化三铁XRD谱图吻合良好。
具体实施方式
下面结合几个实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1：
(1)分别称取1.00g(0.0037mol)六水三氯化铁和2.00g(0.024mol)无水醋酸钠溶于20ml乙二醇中制得均一溶液。
(2)取5mL乙二胺溶液作为表面修饰剂，小心加入上述溶液，使用搅拌和超声保证混合均匀。
(3)将混合溶液转移至容积为40ml有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，以乙二醇填充溶液体积至40mL，置入烘箱进行溶剂热反应，温度为200℃，反应时间为24h，反应结束自然降至室温，离心收集下层沉淀产物。
(4)用无水乙醇或去离子水在转速4500r/min下离心10min洗涤产物3次。
最终得到表面氨基修饰的磁性氧化铁粒子，其形貌尺寸均一(直径100-150nm)，磁学性能良好(磁饱和强度82.14emu/g)，表面带负电(zeta电位-11.5mV)。
参见图1-4。
实施例2：
按照实施例1的方法，换用3mL乙二胺溶液作为表面修饰剂，最终得到表面氨基修饰的磁性氧化铁粒子，其形貌尺寸、磁学性能与实施例一产物相仿，表面带负电，但表面电性随修饰剂的加入量不同而改变(zeta电位-4.9mV)。参见图5。
实施例3
按照实施例1的方法，换用2g聚乙烯亚胺50％水溶液作为表面修饰剂，所制备的40mL悬浊液溶剂热反应12h，最终得到表面亚氨基修饰的磁性氧化铁粒子，其形貌尺寸均一(直径50-70nm)，磁学性能良好(磁饱和强度74.39emu/g)，表面带正电(zeta电位36.2mV)。
参见图6-9。
实施例4：
按照实施例1的方法，换用1.5mL聚乙二醇(分子量1000)溶液作为表面修饰剂，所制备的40mL悬浊液溶剂热反应12h，最终得到表面羟基修饰的磁性氧化铁粒子，其形貌尺寸均一(直径150-200nm)，磁学性能良好(磁饱和强度71.13emu/g)，表面带负电(zeta电位-16.0mV)。
参见图10-13。
实施例5：
按照实施例1的方法，称取1.35g(0.0050mol)六水三氯化铁和3.60g(0.0436mol)无水醋酸钠溶于20ml乙二醇中制得均一溶液。取1.0g葡萄糖酸钠作为表面修饰剂。所制备的40mL悬浊液溶剂热反应24h，最终得到表面羧基修饰的磁性氧化铁粒子，其形貌尺寸均一(直径100-120nm)，磁学性能良好(磁饱和强度20.20emu/g)，表面带负电(zeta电位-27.6mV)。
参见图14-17。
实施例6：
按照实施例1的方法，称取1.35g(0.0050mol)六水三氯化铁和2.00g无水醋酸钾溶于20ml乙二醇中制得均一溶液。取5mL乙二胺作为表面修饰剂。所制备的40mL悬浊液溶剂热反应24h，最终得到表面氨基修饰的磁性氧化铁粒子，其形貌尺寸均一(直径100-120nm)，磁学性能良好(磁饱和强度78.76emu/g)，表面带负电(zeta电位-19.7mV)。
参见图18-20。
实施例7：
按照实施例1的方法，称取1.65g硝酸铁和2.00g无水醋酸钠溶于20ml乙二醇中制得均一溶液。取5mL乙二胺作为表面修饰剂。所制备的40mL悬浊液溶剂热反应18h，最终得到表面氨基修饰的磁性氧化铁粒子，其形貌尺寸均一(直径15-30nm)，磁学性能良好(磁饱和强度78.15emu/g)，表面带负电(zeta电位-19.9mV)。
参见图21-22。
实施例8
按照实施例1的方法，称取1.30g硫酸铁和2.00g无水醋酸钠溶于20ml乙二醇中制得均一溶液。取5mL乙二胺作为表面修饰剂。所制备的40mL悬浊液溶剂热反应18h，最终得到表面氨基修饰的磁性氧化铁粒子，其形貌尺寸均一(直径20-40nm)。
参见图23。
实施例9
按照实施例1的方法，称取1.60g硫酸铁铵和2.00g无水醋酸钠溶于20ml乙二醇中制得均一溶液。取5mL乙二胺作为表面修饰剂。所制备的40mL悬浊液溶剂热反应18h，最终得到表面氨基修饰的磁性氧化铁粒子，其形貌尺寸均一(直径20-30nm)。
参见图24。
Claims (3)
1.一种通过一步溶剂热法控制合成表面官能团修饰的磁性纳米粒子的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a.将三价铁的可溶性盐和醋酸钠或醋酸钾溶于乙二醇制得均一透明混合溶液，三价铁的可溶性盐在乙二醇溶液中的浓度范围为0.05-0.50mol/L，醋酸钠或醋酸钾在乙二醇溶液中的浓度范围为0.50-1.50mol/L；
b.将具备特征官能团氨基、亚氨基、羟基或羧基的表面修饰剂加入步骤a所得溶液中，搅拌、超声得到均一悬浊液；
c.将步骤b所得溶液移入有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜进行溶剂热反应，温度范围为150-220℃，反应时间为6-96小时，保持反应体系压力在2-8个大气压范围内，反应结束自然冷却至室温；
d.反应釜中下层沉淀即为目标产物，用去离子水或无水乙醇离心洗涤，去掉产物中溶剂，室温干燥后即可得到表面官能团修饰的磁性纳米粒子。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，具备特征官能团的表面修饰剂为乙二胺EDA，聚乙烯亚胺PEI，聚乙二醇PEG，葡萄糖酸钠SG或聚丙烯酸。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，三价铁盐与醋酸钠或醋酸钾摩尔比范围为1∶3-1∶9，三价铁盐与乙二胺摩尔比范围为1∶4.1-1∶40.5，三价铁盐与聚乙烯亚胺的摩尔比范围为1∶0.001-1∶0.005，三价铁盐与聚乙二醇的摩尔比范围为1∶0.14-1∶1.4，三价铁盐与葡萄糖酸钠的摩尔比范围为1∶0.62-1∶6.18。
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