CN102049052A - 一种单分散、均一单核担载的氧化硅包裹疏水纳米晶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种单分散、均一单核担载的氧化硅包裹疏水纳米晶的制备方法。与已有合成方法相比，本发明(1)通过有效控制SPION的单分散性，获得高产率的单一内核担载SPION @ SiO2纳米核壳结构；(2)采用微量注射泵精确控制TEOS的引入速度，不仅有效地避免了SiO2的均相形核和颗粒间的团聚问题，而且提高了制备方法的可重复性。所制备的单分散功能复合纳米核壳结构在核磁共振成像和未来的医药诊治领域将具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种单分散、均一单核担载的氧化硅包裹疏水纳米晶的制备方法，属于无机材料及材料制备技术领域。
背景技术
超顺磁性纳米颗粒(superpara magneticiron oxidenanoparticles：SPIO N)是医学临床广泛使用的T2加权核磁共振成像造影剂，在疾病诊治领域中具有重要作用。近年来，科研人员发展了一种热解有机前驱体制备超顺磁性纳米颗粒的方法(J.Park，K.J.An，Y.S.Hwang，J.G.Park，H.J.Noh，J.Y.Kim，J.H.Park，N.M.Hwang，T.Hyeon，Nat.Mater.2004，3，891.)，然而，使用该方法制备的纳米晶表面包覆一层疏水性表面活性剂，限制了其在磁共振成像造影领域的应用。众所周知，二氧化硅表面修饰纳米颗粒技术具有诸多优势，既可以赋予功能纳米颗粒以亲水特性，又赋予其进一步生物功能修饰的潜力。因此，氧化硅包裹超顺磁性纳米颗粒的功能复合纳米核壳结构(SPION @ SiO2)是未来多功能癌症诊治纳米系统的良好起点，如果可以有效控制SPION @ SiO2功能复合纳米核壳结构的尺寸在应用所需的尺寸范围(尺寸要求小于100nm)，将会在未来癌症诊治中发挥重要作用。然而目前文献表明，高效制备尺寸小于100nm的氧化硅包裹异质纳米晶复合结构仍然面临着巨大挑战。
目前，对疏水超顺磁性纳米颗粒进行表面SiO2修饰技术最有效的合成方法是反微乳液包裹法(S.T.Selvan，T.T.Tan，J.Y.Ying，Adv.Mater.2005，17，1620.)，但是已有研究表明该方法至少存在四个重要问题难以解决：(1)二氧化硅均相形核现象难以有效抑制；(2)颗粒间团聚较严重；(3)获得高产率的二氧化硅包裹单核磁性纳米晶(SPION @ SiO2)复合结构的关键因素不明；(4)制备过程的可重复性差。因此，亟待寻找一种高效制备单分散、均一单核担载的二氧化硅包裹超顺磁性氧化铁纳米颗粒功能复合纳米核壳结构的合成方法。
发明内容
本发明是在已有反微乳液法包裹疏水功能纳米晶技术的基础上，通过详细研究影响包裹过程的各种工艺参数，获得高质量SPION @ SiO2纳米核壳结构的改进方法。该合成方法的改进之处有以下几点：
首先，阐明了前驱体(正硅酸四乙酯：TEOS)的引入速度和超顺磁性纳米颗粒的浓度是影响体SiO2均相形核的两个重要因素；其次，提出了SPION在反微乳液体系中的单分散性是抑制多重核结构产生的关键因素；然后，在合理控制体系中SPION浓度基础上，采用注射泵(型号：WZS-50F6)精确控制TEOS的引入速度，有效地避免了手动引入前驱体造成体系局部浓度过大而产生SiO2均相形核及体系团聚问题。采用改进的合成方法，可以高效制备单分散、均一单核担载的二氧化硅包裹超顺磁性氧化铁纳米颗粒功能复合纳米核壳结构，该方法具有较高的可重复性，同时也为高效制备类似的核壳结构提供了借鉴。
制备小于50nm SPION @ SiO2复合纳米结构的工艺如下：
8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520(英文全称：Polyoxyethylene(5)nonylphenylether，CAS编号：68412-54-4，购自：Sigma-Aldrich公司)用170mL环己烷溶解，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，超顺磁性纳米颗粒浓度范围为0.085～0.688mg/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，伴随磁力搅拌；用注射泵把0.5～3.7mL TEOS以0.15～30mL/h速度引入体系中。整个体系密封并在室温下反应2～4天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，再加入适量无水乙醇，采用磁分离方法收集产物；重复该清洗4次，即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。所制备的纳米颗粒可在无水乙醇中良好分散。
材料的组成、结构、形貌及性能和用途的描述：本发明中所制备的小于50nmSPION @ SiO2功能复合核壳结构的形貌为球形纳米颗粒，核壳结构的内核为单一的超顺磁性颗粒，包裹层为亲水的SiO2。所制备的纳米功能复合结构尺度可以有效地控制在50nm以下，且具备进一步功能修饰的潜力。实验表明所制备的核壳纳米结构在核磁共振造影上具有应用潜力，在未来的多功能癌症诊治领域中将具有更重要的应用。
表1 图6中所对应的制备SPION @ SiO2不同工艺条件
附图说明
图1反微乳液法制备SPION @ SiO2纳米功能复合结构实验装置图
图2(a)13nm超顺磁性纳米晶TEM图，插图为其尺度分布；(b)超顺磁性纳米晶粉末X射线衍射(XRD)图谱；(c)超顺磁性纳米晶傅里叶红外图谱；(d)超顺磁性纳米晶室温磁滞回线，插图为超顺磁性纳米晶在磁场下的磁流体形态。
图3(a)SPION @ SiO2的TEM图像，插图为SPION @ SiO2分散在无水乙醇中的数码照片；(b)SPION @ SiO2高分辨透射电子显微照片，深色内核为SPION，浅色壳层为SiO2；(c)SPION及SPION @ SiO2纳米颗粒的XRD图谱；(d)SPION @ SiO2室温磁滞回线。
图4不同尺寸SPION @ SiO2的TEM照片。(a1-a3)28.5±0.8n m(工艺参数：SPION浓度：0.688mg/mL；TEOS用量：0.5mL；TEOS引入速度：1mL/h；反应时间：4天)；(b1-b3)29.3±0.5n m(工艺参数：SPION浓度：0.688mg/mL；TEOS用量：1.0mL；TEOS引入速度：1mL/h；反应时间：2天)；(c1-c3)34.6±0.5nm(工艺参数：SPION浓度：0.688mg/mL；TEOS用量：1.5mL；TEOS引入速度：1mL/h；反应时间：4天)；(d1-d 3)48.4±0.5nm(工艺参数：SPION浓度：0.688mg/mL；TEOS用量：3.7mL；TEOS引入速度：1mL/h；反应时间：4天)。
图5(a)SPION经过80℃干燥12h后重新分散在环己烷中的TEM图；(b)采用(a)中的纳米颗粒作为内核获得的多重核SPION @ SiO2结构；(c)热解法获得的SPION未经干燥直接分散在环己烷中TEM图；(d)采用(c)中纳米颗粒为内核获得的单核担载SPION @ SiO2核壳结构。
图6不同制备工艺合成的SPION @ SiO2纳米复合结构(详细实验工艺见表1)
表1 图6中所对应的制备SPION @ SiO2不同工艺条件
图7SPION @ SiO2核磁共振造影测试。(a1-f1)分别是去离子水，2mg/mLSiO2纳米颗粒，2mg/mL SPION @ SiO2，0.5mg/mL SPION @ SiO2，0.125mg/mL SPION @ SiO2，0.5mg/mL SPION @ SiO2，03125mg/mLSPION @ SiO2；(a2-f2)对应的T2加权MRI造影图。
图8反微乳液法制备单核担载SPION @ SiO2形成机理示意图。
具体实施方式
下面通过实例进一步说明本发明。
实施例1(对应TEM图4a1-a3，图6g)：
制备28.5±0.8n m的SPION @ SiO2复合纳米结构：8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520溶解于170mL环己烷中，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度为0.688mg/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，伴随磁力搅拌；0.5mL TEOS用注射泵以1.0mL/h速度引入体系中。整个体系在室温下反应4天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，，采用磁分离方法收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
实施例2(对应TEM图4b1-b3，图6f)：
制备29.3±0.5n m的SPION @ SiO2复合纳米结构：8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520溶解于170mL环己烷中，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度为0.688mg/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，伴随磁力搅拌；1.0mL TEOS用注射泵以1.0mL/h速度引入体系中。整个体系在室温下反应2天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，采用磁分离收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
实施例3(对应TEM图4c1-c3，图6h)：
制备34.6±0.7n m的SPION @ SiO2复合纳米结构：8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520溶解于170mL环己烷，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度为0.688mg/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，磁力搅拌；1.5mL TEOS用注射泵以1.0mL/h速度引入体系中。整个体系在室温下反应4天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，采用磁分离收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
实施例4(对应TEM图4d1-d3，图6i)：
制备48.±0.5n m的SPION @ SiO2复合纳米结构：8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520溶解于170mL环己烷中，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度为0.688m g/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，磁力搅拌；3.7mL TEOS用注射泵以1.0mL/h速度引入体系中。整个体系在室温下反应4天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，采用磁分离收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
实施例5(对应TEM图6a)：
8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520溶解于170mL环己烷中，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度为0.085mg/mL；1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，伴随磁力搅拌；1.5mL TEOS用注射泵以30mL/h速度引入体系中。整个体系敞开，并在室温下反应3天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，采用磁分离方法收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
实施例6(对应TEM图6b)：
8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520溶解于170mL环己烷中，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度为0.085mg/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，伴随磁力搅拌；1.5mL TEOS用注射泵以30mL/h速度引入体系中。整个体系封闭，并在室温下反应3天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，采用磁分离方法收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
实施例7(对应TEM图6c)：
8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520用170mL环己烷溶解，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度设置为0.524mg/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，伴随磁力搅拌；1.5mL TEOS用注射泵以30mL/h速度引入体系中。整个体系封闭，并在室温下反应3天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，采用磁分离方法收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
实施例8(对应TEM图6d)：
8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520用170mL环己烷溶解，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度设置为0.085mg/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，同样伴随磁力搅拌；接着，1.5mL TEOS用注射泵以0.15mL/h速度引入体系中。整个体系敞开，并在室温下反应3天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，采用磁分离方法收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
实施例9(对应TEM图6e)：
8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520用170mL环己烷溶解，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度设置为0.3510mg/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，同样伴随磁力搅拌；接着，1.0mL TEOS用注射泵以1.0mL/h速度引入体系中。整个体系敞开，并在室温下反应4天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，采用磁分离方法收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
实施例10(对应TEM图6f)：
8mL非离子表面活性剂Igepal CO-520用170mL环己烷溶解，室温搅拌5min；加入超顺磁性纳米颗粒，浓度设置为0.688mg/mL；然后，1.3mL氨水溶液(浓度为30％)逐滴加入体系中，同样伴随磁力搅拌；接着，1.0mL TEOS用注射泵以1.0mL/h速度引入体系中。整个体系敞开，并在室温下反应2天。反应结束后，首先用甲醇沉淀产物，然后加入适量无水乙醇，采用磁分离方法收集产物；重复清洗4次即可获得SPION @ SiO2纳米复合结构的产物。
Claims (3)
1.一种单分散、均一单核担载的氧化硅包裹疏水纳米晶的制备方法，其特征在于：保证超顺磁性纳米颗粒浓度足够高的前提下，通过精确控制正硅酸四乙酯(TEOS)的引入速度，可以有效地抑制体系中二氧化硅(SiO2)的均相形核，并显著降低体系颗粒间的团聚。SPION @ SiO2功能复合核壳结构尺度可以有效地控制在50nm以下，实验结果具有较高的可重复性。
2.按权利要求1所述的一种单分散、均一单核担载的氧化硅包裹疏水纳米晶的制备方法，其特征在于，制备尺寸小于50nm、单分散、尺度均一，单核担载的SPION @ SiO2复合纳米结构的工艺是：在非离子表面活性剂IgepalCO-520-环己烷溶液-氨水-超顺磁性纳米颗粒这一反微乳液体系中，控制超顺磁性纳米颗粒的浓度在0.688mg/mL以上，正硅酸四乙酯的引入速度控制在1～2mL/h，反应时间在2～4天。
3.按权利要求1所述的一种单分散、均一单核担载的氧化硅包裹疏水纳米晶的制备方法，其特征在于，适用于其它疏水的无机功能纳米颗粒的SiO2表面修饰，从而获得高质量的尺度纳米级可控的SiO2包裹功能复合纳米核壳结构。
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