CN103826840A - 磁性类石墨烯纳米粒子或石墨纳米或微米粒子和其制造方法和用途 - Google Patents

Abstract

磁性类石墨烯纳米粒子或石墨纳米或微米粒子展现高弛豫度，并且可用作MRI造影剂。一种用于MRI成像的组合物，其包含足量的所述磁性类石墨烯纳米粒子或石墨纳米或微米粒子；和一种或多种生理学上可接受的载剂或赋形剂。使用所述磁性类石墨烯纳米粒子或石墨纳米或微米粒子作为MRI造影剂的方法。制造所述磁性类石墨烯纳米粒子或石墨纳米或微米粒子的方法。

Description

磁性类石墨烯纳米粒子或石墨纳米或微米粒子和其制造方法和用途

相关申请的引用

本申请要求2011年5月6日提交的美国临时申请第61/483,309号的优先权，该美国临时申请的内容以全文引用的方式并入本文。

发明领域

本发明涉及磁性类石墨烯纳米粒子或石墨纳米或微米粒子和其制造方法。本发明还涉及使用所述磁性类石墨烯纳米粒子或石墨纳米或微米粒子作为MRI造影剂的方法。

发明背景

MRI主要用于非侵入性呈现解剖细节以达到许多病状和疾病的改进诊断（Sitharaman,B.&Wilson,L.J.Gadofullerenes andGadonanotubes:A new paradigm for high-performance magneticresonance imaging contrast agent probes Journal of BiomedicalNanotechnology3,342-352(2007)；Pan,D.等人Revisiting an old friend:manganese-based MRI contrast agents.WIREs Nanomedicine andNanobiotechnology3,162-173(2010)）。MRI的发展同时已经导致被称为造影剂(CA)的化学造影增强产品的使用增加，所述化学造影增强产品通过增加灵敏度和诊断可信度而改进病理病变的检测。

两种主要类型是T₁和T₂MRI CA，并且分别影响（减少）水质子的纵向T₁和横向弛豫T₂时间。其促进水质子的弛豫过程的有效性的定量测量被称为弛豫度；即每单位浓度的MRI CA的弛豫速率（弛豫时间的倒数）变化。广泛使用的临床T₁MRI CA主要合成为金属离子螯合物，其中金属离子是镧系元素钆（Gd³⁺）或内过渡元素锰（Mn²⁺）。过去三十年中进行的大量实验和理论研究现在提供对弛豫机制和影响这些顺磁性离子螯合物的弛豫度的基本结构、化学和分子动力学性质的充分理解（Aime等人,1998,Chemical Society Reviews27:19-29；Caravan等人,1999,Chem Rev99:2293-2352；和Lauffer,1987,ChemRev87:901-927）。理论表明，这些MRI造影剂的弛豫度是次优的，并且预测开发高达至少五十到一百倍更大弛豫度的新造影剂的可能性（Merbach等人,2001,The Chemistry of Contrast Agents in MedicalMagnetic Resonance Imaging:John Wiley&Sons.471；和Datta等人,2009,Accounts Chem Res42:938-947）。

大多数临床MRI CA是顺磁性T₁加权的CA，其增强MR信号以产生明亮阳性造影，诸如基于钆(Gd³⁺)离子的T₁CA。患有严重肾病或肝移植之后的一些患者中的肾源性系统纤维化（NSF）的最近发现已经产生了问题，导致食品与药品管理局（Food and DrugAdministration，FDA）对于临床使用基于Gd³⁺离子的ECF MRI CA加以约束（Girdhar,G.&Bluestein,D.Biological Effects of DynamicShear Stress in Cardiovascular Pathologies and Devices.Expert Rev.Medical Devices5,167-181(2008)）。

最近，锰元素已经得到关注作为钆的可能替代物。锰早期报道为用于MRI的顺磁性造影材料的实例。不同于镧系元素，其是类似于Ca²⁺的天然细胞成分，并且通常充当酶和受体的调节辅因子。正常每日饮食中锰需求是3-8μmοl，而正常血清水平是0.001μmοl/l。锰毒性仅在长期暴露之后或在高浓度导致神经症状时有报道（Pan,D.等人Revisiting an old friend:manganese-based MRI contrast agents.WIREsNanomedicine and Nanobiotechnology3,162-173(2010)）。

在过去10年中，已经提议囊封Gd³⁺金属离子的碳纳米结构（诸如钆基富勒烯，示为GdC₆₀GdC₈₀和GdC₈₂)和钆基纳米管（示为GdUS管，其中US管=超短SWNT）作为用于MRI的T₁CA（Sitharaman,B.&Wilson,L.J.Gadofullerenes and Gadonanotubes:Anew paradigm for high-performance magnetic resonance imaging contrastagent probes Journal of Biomedical Nanotechnology3,342-352(2007)）。开发这些复合物的合成策略已经集中在将多种Gd³⁺-螯合物共价或非共价功能化到碳纳米结构（诸如碳纳米管和纳米金刚石）的外部碳薄片上（Richard等人,2008,Nano Letters8:232-236；和Manus等人,2009,Nano Letters10:484-489）；或在碳纳米结构（诸如富勒烯，又称钆基富勒烯）（Toth等人,2005,J Am Chem Soc127:799-805；Kato等人,2003,J Am Chem Soc125:4391-4397；和Fatouros等人,2006,Radiology240:756-764）和单壁碳纳米管（又称钆基纳米管）（Sitharaman等人,2005,Chem Commun:3915-3917；和Ananta等人,2010,Nature nanotechnology5:815-821）的碳薄片内囊封Gd³⁺-离子。与在低到高（0.01-3T）磁场下展示最高弛豫度的钆基纳米管内的Gd³⁺-螯合物相比，这些Gd³⁺-离子碳纳米结构显示弛豫度在两倍到两个数量级之间的增加（取决于磁场）。然而，尚未研究Mn²⁺-离子碳纳米结构复合物作为MRI CA的潜力和功效。

钆基纳米管的可变磁场（0.01-3T）弛豫度或核磁共振分散（NMRD）特征与关于任何其他MRI CA获得的特征在特性上不同，并且未充分理解其弛豫机制。此缺乏理解的一个主要原因在于，不同于Gd³⁺离子螯合物，其可以非常高的纯度水平制备并且经明确表征，碳纳米结构-Gd³⁺离子系统主要由于其微粒性质和将其化学、几何和磁性特性与其作为MRI造影剂的性质联系的错综关系而相当复杂。尽管如此，纳米多孔结构内Gd³⁺离子的几何限定可能是一个原因（Ananta等人,2010,Nature nanotechnology5:815-821；和Bresinska I,1994,J Phys Chem98:12989-12994）。虽然与Gd³⁺螯合物相比，将Gd³⁺离子限定到硅的纳米多孔结构（Ananta等人,2010,Naturenanotechnology5:815-821）或沸石（Bresinska I,1994,J Phys Chem98:12989-12994）中增加弛豫度二到四倍，但仅当Gd³⁺离子限被限定在单壁碳纳米管（Sitharaman等人,2005,Chem Commun:3915-3917；和Ananta等人,2010,Nature nanotechnology5:815-821）内时，弛豫度存在一个数量级或更多增加（无关于磁场强度），NMRD特征显著不同于关于其他基于Gd³⁺离子的复合物所报道的特征。另外，迄今，尚未进行研究以系统性地研究弛豫度的高增加和非常规NMRD特征是否是被限定在单壁碳纳米管中的顺磁性离子独有的，所述单壁碳纳米管是由石墨烯薄片形成的无缝圆柱体，或一般关于被限定在其他石墨烯或石墨结构中的顺磁性离子观测到。

石墨烯（碳的一种二维（2-D）纳米结构）已经吸引了大量关注，显示各种材料和生物医学科学应用潜力（Novoselov,K.S.等人Electric field effect in atomically thin carbon films.Science306,666(2004)）。理论研究预测石墨烯中的多种磁现象（Makarova,2004,Semiconductors38:615-638），并且迄今，这些作用中很少以实验方式进行探索（Wang等人,2008,Nano Letters9:220-224）。最近，简单基于高锰酸钾（KMnO₄）的氧化化学程序已经用于使用诸如石墨和MWCNT的起始材料大规模制造氧化石墨、石墨烯纳米片和石墨烯纳米带（Stankovich等人,2007,Carbon45:1558-1565；和Kosynkin等人,2009,Nature458:872-876）。在此工作中，进行实验研究以表征使用这些技术的修改方案合成的氧化石墨、石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的物理化学性质。我们证实，痕量Mn²⁺离子在合成过程期间变得被限定（插入）在石墨烯薄片内，并且与顺磁性螯合物相比，此限定一般来说实质上增加弛豫度（高达2个数量级），并且这些材料显示不同结构、化学和磁性质，NMRD特征不同于顺磁性螯合物的特征。

最近报道已经显示，石墨烯纳米片（GNP）和石墨烯纳米带（GNR）的负担得起的大规模制造通过使用化学技术是可能的（Stankovich,S.等人Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via thereduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly(sodium4-styrenesulfonate).Journal of Materials Chemistry16,155-158(2006)；Stankovich,S.等人Synthesis of graphene-based nanosheets viachemical reduction of exfoliated graphite oxide.Carbon45,1558-1565(2007)；Stankovich,S.,Piner,R.,Nguyen,S.&Ruoff,R.Synthesis andexfoliation of isocyanate-treated graphene oxide nanoplatelets.Carbon44,3342-3347(2006)；Li,D.,Müller,M.,Gilje,S.,Kaner,R.&Wallace,G.Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets.Naturenanotechnology3,101-105(2008)；Kosynkin,D.等Longitudinalunzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons.Nature458,872-876(2009)；Higginbotham,A.,Kosynkin,D.,Sinitskii,A.,Sun,Z.&Tour,J.Lower-Defect Graphene Oxide Nanoribbons fromMultiwalled Carbon Nanotubes.ACS nano4,2059-2069(2010)；Geng,Y.,Wang,S.&Kim,J.Preparation of graphite nanoplatelets and graphenesheets.Journal of colloid and interface science336,592-598(2009)）。

发明概要

本发明提供一种磁性组合物，其包含一种或多种磁性金属；和类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构。

优选地，本发明的磁性组合物展现至少约3、5、10、20、30、40、50、100或500mM^-1s^-1的弛豫度r1。

优选地，本发明的磁性组合物展现至少约3、5、10、20、30、40、50、500或1000mM^-1s^-1的弛豫度r2。

类石墨烯纳米结构可以是碳纳米片或碳纳米带。可以氧化碳纳米片或碳纳米带。优选地，类石墨烯纳米结构（如碳纳米片或碳纳米带）具有约20nm或更小、15nm或更小、10nm或更小、5nm或更小、3nm或更小、至少2原子碳薄片、至少5原子碳薄片或至少10原子碳薄片的厚度。

优选地，石墨纳米结构或微米结构具有5μm或更小、4μm或更小、3μm或更小、2μm或更小、1μm或更小、500nm或更小、250nm或更小或100nm或更小的厚度。

优选地，碳纳米片具有5到100nm、10到75nm、20到50nm或30到40nm范围中的平均直径。优选地，碳纳米带具有1到250nm、10到200nm、50到150nm或70到100nm范围中的平均宽度。

类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构可以进一步包含连接到类石墨烯纳米结构或微米结构、如共价连接到类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构的水增溶部分。

在一个实施方案中，磁性金属是室温顺磁性金属元素，包括但不限于内过渡金属Mn。在另一实施方案中，磁性金属是室温铁磁性金属元素，包括但不限于内过渡金属Fe、Co和Ni。在另一实施方案中，磁性金属是稀土金属，包括但不限于镧系元素Gd、Eu、Pr、Nd和Sm。可以用于本发明中的优选磁性金属包括Mn、Gd和Fe。

磁性组合物可以包含多于一种磁性金属。在一个实施方案中，磁性组合物包含两种不同磁性金属。

磁性金属可以离子形式存在于磁性组合物中。磁性金属还可以金属化合物形式存在于磁性组合物中，包括但不限于金属氧化物和金属盐。磁性金属或其化合物可以插入于类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构中。

本发明的磁性组合物可以1ppb（质量十亿分率）到10⁷ppm（质量百万分率）、10²ppb到10⁶ppm、1ppm到10⁵ppm、10到10⁴ppm或10²到10³ppm范围中的量包含磁性金属。

本发明还提供一种对受试者进行磁共振成像的方法，其包含向受试者投予足量的本发明的磁性组合物；和使用磁共振成像装置使受试者成像。受试者可以是任何动物，包括但不限于哺乳动物，如人类。

本发明还提供一种用于MRI成像的组合物，其包含足量的磁性组合物；和一种或多种生理学上可接受的载剂或赋形剂。

本发明还提供一种制造磁性组合物的方法，该磁性组合物包含磁性金属；和类石墨烯碳纳米结构。该方法包含用硫酸H₂SO₄、硝酸（HNO₃）、氯化锰（MnCl₂）、硝酸钠NaNO₃和高锰酸钾KMnO₄的混合物使石墨氧化；和超声处理先前步骤中获得的产物悬浮液。该方法可以进一步包含用还原剂使磁性组合物还原的步骤。

本发明还提供一种制造磁性组合物的方法，该磁性组合物包含磁性金属；和类石墨烯碳纳米结构。该方法包含用硫酸H₂SO₄、硝酸（HNO₃）、氯化锰（MnCl₂）和高锰酸钾KMnO₄处理多壁碳纳米管。在一个实施方案中，该处理通过一种方法来进行，该方法包含将所述多壁碳纳米管悬浮于浓H₂SO₄、硝酸（HNO₃）中；添加氯化锰（MnCl₂）、KMnO₄；加热混合物；和超声处理先前步骤中获得的产物悬浮液。在一特定实施方案中，将混合物加热到55-70℃。

磁性组合物可以使用本领域中已知的方法来进一步水增溶，如(1)使用类似于用以在富勒烯和金属富勒烯的碳碳双键上添加羧酸官能团的环加成反应的合成方案；(2)用天然聚合物（诸如葡聚糖）或合成两亲聚合物（诸如聚乙二醇）共价或非共价官能化。

附图简述

图1(a)-1(d).插入锰的石墨烯纳米片和纳米带在200kV下的TEM图像：(a)展示约20nm宽少层（few layered）和多层还原石墨烯纳米片；(b)展示还原石墨烯纳米片上的碳原子的晶格结构的HRTEM图像；(c)展现约120nm宽和约0.6-2μm长的石墨烯纳米带结构的图像；(d)展现石墨烯纳米带薄片的多层（由箭头指示）的高倍图像。

图2(a)-2(b).使用530nm激光的拉曼光谱（Raman spectrum）：(a)展现石墨、氧化石墨、石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片的D和G带和相应峰；(b)展现MWCNT和石墨烯纳米带的D和G带。

图3(a)-3(e).SQUID图：(a)石墨、(b)氧化石墨、(c)石墨烯纳米片、(d)还原石墨烯纳米片在30K、150和300K下在-50,000到50,000Oe之间的磁化强度（M）相较于场强（H），插图：在300K下在-5000与5000Oe之间的图；(e)还原石墨烯纳米片的ZFC和FC磁化曲线，展现40K的阻塞温度（blocking temperature）。

图4(a)-4(c).SQUID图：磁化强度（M）相较于场强（H）（在-50,000Oe与50,000Oe之间）：(a)MWCNT在三个温度（10、150和300K）下的M相较于H；(b)石墨烯纳米带在30K、150K和300K下的M相较于H图，插图：在300K下在-4000Oe与4000Oe之间的M相较于H，展示磁滞回线；(c)GNR的ZFC和FC图，展现大于300K的高阻塞温度。

图5.GONR与MnCl₂和水比较的T₁加权的MRI幻图。

图6.小鼠在以0.25mmol/kg的剂量注射水可溶GNP MRI CA之前和之后的代表性MR图像。在比用于临床基于Gd的CA（诸如Magnevist）的剂量低100倍的这些低剂量下，由于循环纳米粒子而在整个脉管结构中获得极好的明亮造影增强。

图7.分散在硅衬底上的石墨烯纳米片的AFM截面分析，展示约1.137nm的均匀厚度。

图8.黑锰矿（Mn₃O₄）、氧化石墨和还原石墨烯纳米片在532nm下的拉曼光谱的比较，展示657、370和320cm^-1下的光谱峰。

图9：(a)微米石墨、(b)氧化石墨、(c)氧化石墨烯纳米片、(d)还原石墨烯纳米片在30K、150和300K下在-50,000到50,000Oe之间的磁化强度（M）相较于场强（H）的图（插图展示在300K下在-5000与5000Oe之间的图），(e)还原石墨烯纳米片的ZFC和FC磁化图。

图10：(a)MWCNT和(b)石墨烯纳米带在10、150和300K下在-50,000Oe与50,000Oe之间的磁化强度（M）相较于场强（H）（插图展示在300K下在-4000Oe与4000Oe之间的M相较于H），(c)石墨烯纳米带的ZFC和FC图。

图11：固体(a)氧化微米石墨、(b)氧化石墨烯纳米片、(c)还原石墨烯纳米片和(d)石墨烯纳米带的室温EPR光谱。

图12：(a)氧化微米石墨、(b)氧化石墨烯纳米片、(c)还原石墨烯纳米片和(d)石墨烯纳米带的水溶液的室温EPR光谱。

图13：(a)氧化石墨、(b)石墨烯纳米片、(c)还原石墨烯纳米片和(d)石墨烯纳米带的源自SBM理论的实验NMRD曲线图（点）和最佳拟合（实线）。

图14：(a)氧化微米石墨的代表性SEM图像，和(b,c)还原石墨烯纳米片和(d,e)石墨烯纳米带的TEM图像。(e)中的箭头展示石墨烯纳米带薄片的多层，(f)还原石墨烯纳米片在200kV下的TEM图像展示约20nm宽少层和多层还原石墨烯纳米片。(g)分散在硅衬底上的石墨烯纳米片的AFM截面分析，展示约1.137nm的均匀厚度。

图15：(a)石墨、氧化石墨、氧化石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片和(b)MWCNT和石墨烯纳米带的具有D和G带峰的拉曼光谱，(c)黑锰矿（Mn₃O₄）、氧化石墨与还原石墨烯纳米片在532nm下的拉曼光谱之间的比较，展示657、370和320cm^-1下的光谱峰。

图16：(a)还原石墨烯纳米片和(b)氧化石墨烯纳米片的EELS光谱，展示530eV下的氧峰。

图17：(a)用于测量固体样品的Wilmad石英EPR管、(b)用于水性样品的石英EPR扁平管、(c)DPPH标准物（固体）和(d)DPPH标准物（水性）的EPR光谱。

图18：允许所有SBM参数浮动而获得的曲线。A)氧化石墨、B)氧化石墨烯纳米片、C)还原石墨烯纳米片、D)石墨烯纳米带。

图19：固定Q=2、允许剩余SBM参数浮动而获得的曲线。A)氧化石墨、B)氧化石墨烯纳米片、C)还原石墨烯纳米片、D)石墨烯纳米带。

图20：固定Q=4、允许剩余SBM参数浮动而获得的曲线。4A)氧化石墨、B)氧化石墨烯纳米片、C)还原石墨烯纳米片、D)石墨烯纳米带。

图21.固定Q=6、允许剩余SBM参数浮动而获得的曲线。A)氧化石墨、B)氧化石墨烯纳米片、C)还原石墨烯纳米片、D)石墨烯纳米带。

图22：固定Q=8、允许剩余SBM参数浮动而获得的曲线。A)氧化石墨、B)氧化石墨烯纳米片、C)还原石墨烯纳米片、D)石墨烯纳米带。

图23：固定Q=8且固定T_m处于表8中所示的值、允许剩余SBM参数浮动而获得的曲线。A)氧化石墨、B)氧化石墨烯纳米片、C)还原石墨烯纳米片、D)石墨烯纳米带。D中的石墨烯纳米带的拟合令人惊讶地比预期差。

发明详述

本发明提供一种磁性组合物，其包含一种或多种磁性金属；和类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构。磁性组合物可以是顺磁性或抗磁性的。优选地，磁性组合物是顺磁性的。磁性组合物可以是铁磁性的。磁性组合物还可以是超顺磁性的。

优选地，本发明的磁性组合物展现至少约3、5、10、20、30、40、50、60、70、80、100或500mM^-1s^-1的弛豫度r1。在一特定实施方案中，本发明的磁性组合物展现约45mM^-1s^-1的弛豫度r1。在另一特定实施方案中，本发明的磁性组合物展现约73mM^-1s^-1的弛豫度r1。

优选地，本发明的磁性组合物展现至少约3、5、10、20、30、40、50、100、200、300、400、500或1000mM^-1s^-1的弛豫度r2。在一特定实施方案中，本发明的磁性组合物展现约15mM^-1s^-1的弛豫度r2。在另一特定实施方案中，本发明的磁性组合物展现约251mM^-1s^-1的弛豫度r2。

石墨烯是紧密装填到二维（2D）蜂巢晶格中的扁平单层碳原子，并且是所有其他维度的石墨材料的基本构筑块，并且其可以包裹到0D富勒烯中、滚动到1D纳米管中或堆叠到3D石墨中（Geim和Novoselov,2007,“The rise of grapheme”,Nature Materials6(3):183-191）。如本文所用，术语“类石墨烯纳米结构”（或“类石墨烯纳米粒子”）是指包含一个或多个原子碳薄片或层的碳纳米结构。在本申请中，出于简便的原因，术语“石墨烯纳米结构”也用以指类石墨烯纳米结构。因此，除非明确规定，否则术语“石墨烯纳米结构”不限于仅具有单一原子碳薄片的纳米结构。类石墨烯纳米结构可以是碳纳米片或碳纳米带。可以氧化碳纳米片或碳纳米带。

优选地，石墨纳米结构或微米结构具有5μm或更小、4μm或更小、3μm或更小、2μm或更小、1μm或更小、500nm或更小、250nm或更小或100nm或更小的厚度。

在一个实施方案中，石墨微米结构具有1到5μm、2到4μm或2到3μm范围中的厚度。在另一实施方案中，石墨微米结构具有1到5μm、2到4μm或2到3μm范围中的结构最长长度。

优选地，类石墨烯纳米结构（如碳纳米片或碳纳米带）具有约20nm或更小、15nm或更小、10nm或更小、5nm或更小或3nm或更小的厚度。类石墨烯纳米结构（如碳纳米片或碳纳米带）可以包含至少1个原子碳薄片、至少2个原子碳薄片、至少5个原子碳薄片或至少10个原子碳薄片。在一个实施方案中，类石墨烯纳米结构（如碳纳米片或碳纳米带）包含1到12个原子碳薄片。在一特定实施方案中，类石墨烯纳米结构（如碳纳米片或碳纳米带）包含1或2个原子碳薄片。

优选地，类石墨烯纳米结构是具有5到100nm、10到75nm、20到50nm或30到40nm范围中的平均直径的碳纳米片。在一特定实施方案中，碳纳米片具有约20nm的平均直径。在另一特定实施方案中，碳纳米片具有约50nm的平均直径。在另一特定实施方案中，类石墨烯纳米片具有1到5nm范围中的厚度和约50nm的直径。

优选地，类石墨烯纳米结构是具有1到250nm、10到200nm、50到150nm或70到100nm范围中的平均宽度的碳纳米带。在一特定实施方案中，碳纳米带具有约120nm范围中的平均宽度。优选地，纳米带具有200到5000nm、400到4000nm或500到3000nm范围中的平均长度。在一特定实施方案中，碳纳米带具有600到2000nm范围中的平均长度。

类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构可以进一步包含连接到类石墨烯纳米结构或微米结构的水增溶部分。在一个实施方案中，水增溶部分共价连接到类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构。在一特定实施方案中，水增溶部分选自由以下组成的组：连接到类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构的丙二酸和丝氨醇丙二酰胺。水增溶部分可以使用本领域中已知的任何方法，如使用Bingel型反应（Bingel,C.,1993,Cyclopropanierung von Fullerenen,ChemischeBerichte126(8):1957）连接到类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构。在另一特定实施方案中，水增溶部分是天然聚合物葡聚糖或合成聚合物聚乙二醇。水增溶部分可以使用本领域中已知的任何方法，如使用高温（60-95℃）下的超声处理1-3小时共价或非共价连接。

本发明的磁性组合物中的磁性金属可以是在存在或不存在外部施加的磁场下展现磁性的任何金属。在一个实施方案中，磁性金属是室温顺磁性金属元素，包括但不限于内过渡金属Mn。在另一实施方案中，磁性金属是室温铁磁性金属元素，包括但不限于内过渡金属Fe、Co和Ni。在另一实施方案中，磁性金属是稀土金属，包括但不限于镧系元素Gd、Eu、Pr、Nd和Sm。可以用于本发明中的优选磁性金属包括Mn、Gd和Fe。

磁性组合物可以包含多于一种磁性金属.在一个实施方案中，磁性组合物包含两种不同磁性金属。在一优选实施方案中，磁性组合物包含Mn和Fe。

磁性金属可以离子形式存在于磁性组合物中。磁性金属还可以金属化合物形式存在于磁性组合物中，包括但不限于金属氧化物和金属盐。在一优选实施方案中，磁性金属以金属氧化物形式存在于磁性组合物中。

在一优选实施方案中，磁性金属或其化合物插入于类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构中。

本发明的磁性组合物可以1ppb（质量十亿分率）到10⁷ppm（质量百万分率）、10²ppb到10⁶ppm、10²ppb到10²ppm、1ppm到10⁵ppm、10到10⁴ppm或10²到10³ppm范围中的量包含磁性金属。

在特别优选实施方案中，本发明的磁性组合物包含如本文所述的类石墨烯纳米结构和Mn。在一个实施方案中，Mn以Mn氧化物形式存在。在另一实施方案中，Mn以二价和/或三价Mn形式存在。在另一实施方案中，Mn氧化物包含黑锰矿。

在一个实施方案中，磁性组合物包含碳纳米片和量在10⁶到5.5×10⁷ppm范围中、如约5×10⁶ppm的Mn。

在另一实施方案中，磁性组合物包含碳纳米带和量在10²到10³ppm范围中、如5×10²ppm的Mn。在另一实施方案中，Mn的量在0.1到2ppm、0.2到1.5ppm或0.5到1ppm范围中。

本发明还提供一种对受试者进行磁共振成像的方法，其包含向受试者投予足量的本发明的磁性组合物；和使用磁共振成像装置使受试者成像。受试者可以是任何动物，包括但不限于哺乳动物。在一优选实施方案中，受试者是人类。本发明的磁性组合物可以单独或与另一试剂（包括但不限于另一MRI造影剂）组合使用。磁性组合物可以通过本领域中已知的任何方法向受试者投予，包括但不限于静脉内、血管内注射和口服。本领域技术人员将能够根据相关身体中的组织、器官或其他区域和/或扫描目的来选择适当投予途径。磁共振成像可以通过本领域中已知的任何标准方法和装置来进行。本发明的磁性组合物和/或另一MRI CA可以处于任何合适形式的成像剂中，包括但不限于细胞外液或首过MRI CA、血池MRI CA、器官特异性MRI CA和分子成像MRI CA。

本发明还提供一种用于MRI成像的试剂盒，其在一个或多个容器中包含足量的一种或多种磁性组合物。足量的磁性组合物是指组合物的量足以导致MRI图像中的图像造影增强。磁性组合物可以处于任何合适形式的成像剂中，包括但不限于细胞外液或首过MRI CA、血池MRI CA、器官特异性MRI CA和分子成像MRI CA。

磁性组合物的毒性可以通过标准程序在细胞培养物和/或实验动物中测定，如测定LD₅₀（致死群体中50%的剂量）。有效剂量可以根据临床上接受的标准来估计。由细胞培养物检定和/或动物研究获得的数据可以用于配制用于人类中的一系列剂量。所述磁性组合物的剂量优选地在有效增强MRI图像而有极少或无毒性的浓度范围内。剂量可取决于所用剂型和所用投予途径而在此范围内变化。本领域技术人员将能够基于标准方案来选择磁性组合物的合适剂量。

根据本发明使用的组合物可以常规方式使用一种或多种生理学上可接受的载剂或赋形剂来配制，取决于如投予途径，如口服或肠胃外投予。

对于口服来说，磁性组合物可以呈例如通过常规手段与药学上可接受的赋形剂一起制备的片剂或胶囊形式，所述赋形剂诸如粘合剂（如预胶凝玉米淀粉、聚乙烯吡咯烷酮或羟丙基甲基纤维素）；填充剂（如乳糖、微晶纤维素或磷酸氢钙）；润滑剂（如硬脂酸镁、滑石或硅石）；崩解剂（如马铃薯淀粉或羟基乙酸淀粉钠）；或湿润剂（如月桂基硫酸钠）。片剂可以通过本领域中熟知的方法来涂布。用于口服的液体制剂可以呈例如溶液、糖浆或悬浮液形式，或其可以干燥产物形式呈现，用于在使用之前与水或其他合适媒剂构组。所述液体制剂可以通过常规手段与药学上可接受的添加剂一起制备，所述添加剂诸如悬浮剂（如山梨糖醇糖浆、纤维素衍生物或氢化食用脂肪）；乳化剂（如卵磷脂或阿拉伯胶）；非水性媒剂（如杏仁油、油性酯、乙醇或分馏植物油）；和防腐剂（如对羟基苯甲酸甲酯或对羟基苯甲酸丙酯或山梨酸）。制剂还可以在适当时含有缓冲盐、调味剂、着色剂和甜味剂。

化合物可以被配制用于通过注射、如通过弹丸注射或连续输注肠胃外投予。用于注射的配制物可以如处于安瓿或多剂量容器中的单位剂型呈现。组合物可以呈诸如以下的形式：于油性或水性媒剂中的悬浮液、溶液或乳液，并且可以含有诸如以下的配制剂：悬浮剂、稳定剂和/或分散剂。或者，活性成分可以呈粉末形式，用于在使用之前与合适媒剂（如无菌无热原水）构组。

合适的投予途径可以例如包括口服和肠胃外递送，包括肌内、皮下、髓内注射以及鞘内、直接心室内、静脉内、腹膜内、鼻内或眼内注射。

此外，我们可以在靶向药物递送系统中，例如在涂布有对受影响细胞具有特异性的抗体的脂质体中投予药物。脂质体将被靶向到相关细胞并且由其选择性吸收。

组合物在必要时可以呈现在包装或分配器装置中，该包装或分配器装置可以含有一个或多个含有磁性组合物的单位剂型。包装或分配器装置可以附有投予指示。还可以制备包含本发明的磁性组合物的、在相容载剂中配制的组合物，将其放置在适当容器中，并且标记供使用。

因此，本发明还提供本发明的磁性组合物用于使受试者磁共振成像。

本发明还提供一种制造磁性组合物的方法，该磁性组合物包含磁性金属；和类石墨烯碳纳米结构。该方法包含用硫酸H₂SO₄、硝酸（HNO₃）、硝酸钠NaNO₃、氯化锰（MnCl₂）和高锰酸钾KMnO₄的混合物使石墨氧化；和超声处理先前步骤中获得的产物悬浮液。该方法可以进一步包含用还原剂使磁性组合物还原的步骤。在一个实施方案中，还原剂是水合肼。在一个实施方案中，用于本发明的方法中的石墨是微米石墨，如具有约45μm的尺寸。

本发明还提供一种制造磁性组合物的方法，该磁性组合物包含磁性金属；和类石墨烯碳纳米结构。该方法包含用硫酸H₂SO₄、硝酸（HNO₃）、氯化锰（MnCl₂）和高锰酸钾KMnO₄处理多壁碳纳米管。在一个实施方案中，该处理通过一种方法来进行，该方法包含将所述多壁碳纳米管悬浮于浓H₂SO₄中；添加KMnO₄；和加热混合物。在一特定实施方案中，将混合物加热到55-70℃。

磁性组合物可以使用本领域中已知的方法来水增溶。在一个实施方案中，磁性组合物使用类似于用以在富勒烯和金属富勒烯的碳碳双键上添加羧酸官能团的环加成反应的合成方案来水增溶（Sithamaran,B.;Zakharian,T.Y.等人Molecular Pharmaceutics2008,5,567）。

实施例

以下实施例以说明本发明的方式呈现，并且不希望以任何方式限制本发明。

实施例1

材料和方法

石墨烯纳米片（GNP）合成：

通过改进的Hummer方法从分析级微米石墨（45μm，496596-Sigma Aldrich）制备氧化石墨（Geng,Y.,Wang,S.&Kim,J.Preparation of graphite nanoplatelets and graphene sheets.Journal ofcolloid and interface science336,592-598(2009)；Hummers Jr,W.&Offeman,R.Preparation of graphitic oxide.Journal of the AmericanChemical Society80,1339-1339(1958)）。在典型剥离程序中，将干燥氧化石墨（200mg）与MnCl₂一起悬浮于含有水（200ml）的圆底烧瓶中，并且在超声浴清洁器（Fischer Scientific，FS60，230W）中超声处理1小时（Stankovich,S.等人Synthesis of graphene-basednanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide.Carbon45,1558-1565(2007)）。使50ml此均匀溶液离心，并且干燥团粒过夜，获得氧化石墨烯纳米片（GNP）。用水合肼（1.5ml，37.1mmol）处理剩余150ml，并且在100℃下的油浴中在水冷却冷凝器中加热12小时，产生黑色沉淀物。分离产物，并且经具有水（500ml）和甲醇（500ml）的中等烧结玻璃过滤漏斗洗涤，并且通过连续空气流干燥，得到还原石墨烯纳米片。

石墨烯纳米带（GNR）合成：

使用对先前描述的程序进行改进的程序从MWCNT（636843-Sigma Aldrich）制备石墨烯纳米带（Kosynkin,D.等人Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphemenanoribbons.Nature458,872-876(2009)；Higginbotham,A.,Kosynkin,D.,Sinitskii,A.,Sun,Z.&Tour,J.Lower-Defect Graphene OxideNanoribbons from Multiwalled Carbon Nanotubes.ACS nano4,2059-2069(2010)）。将MWCNT（150mg，12.5毫克当量碳）悬浮于30ml浓H₂SO₄中2小时。添加KMnO₄（750mg，4.75mmol）、MnCl₂（1-50mg），并且搅拌混合物1小时。然后在55-70℃下的油浴中加热反应物另1小时，直到完成。将其冷却到室温，并且用酸性水、乙醇和乙醚洗涤产物，并且接着通过离心分离。离心导致简单、容易并且快速的分离，具有100%产率。

样品分析：

使用JEOL JEM2010F（FEG-TEM）高分辨率分析透射电子显微镜对GNP和GNR样品进行高分辨率透射电子显微镜术（TEM）成像分析。在200kV加速电压下进行成像。通过将干粉末分散于1:1乙醇:水中形成均质混合物来制备TEM样品。然后将悬浮液沉积到覆盖有微栅碳膜（EMS，目录号LC305-Cu）的300目Cu网上。使用Thermo Scientific DXR拉曼共聚焦显微镜在530nm二极管激光激发波长和室温下在200到3000cm^-1之间进行石墨、氧化石墨和所有石墨烯样品的拉曼光谱分析。

磁性特性的表征：

使用具有约10^-8emu灵敏度的超导量子干涉装置（SQUID）磁强计研究石墨烯样品的磁化强度。将样品仔细称重并且装于明胶胶囊中。在0与300K之间在-50000Oe到50000Oe的施加磁场范围之间分析样品。在场冷和零场冷模式中，施加500Oe的矫顽场以便研究磁化强度随温度的变化。

弛豫度的表征：

为进行弛豫度测量，将1mg所有石墨烯纳米片和石墨烯纳米带样品均匀地分散于2ml生物学上相容1%Pluronic F127表面活性剂溶液中。然后将这些饱和（悬浮液）溶液的上清液用于弛豫测量。使用iSpin-NMR系统（Spincore technology）在21.42MHz的质子NMR频率和0.5T场强下测量纵向和横向弛豫时间（T₁，T₂）。分别使用反转恢复和CPMG方法测量T₁和T₂。弛豫时间的倒数表示各自的弛豫速率R₁和R₂。弛豫度（r_1，2）是MRI造影剂的功效的量度，被表达为其浓度的函数。使用下式对其进行计算：r_1，2=(R_1，2-R₀)/[Mn²⁺]；R_{1， 2}和R₀分别是样品和1%Pluronic F127表面活性剂溶液的纵向或横向弛豫速率，并且[Mn²⁺]是用于弛豫测量的溶液体积中的锰浓度。

金属含量分析

为了证实我们的样品中锰的存在并且测定其浓度，分别在两个商用分析测试实验室（Columbia Analytical Services,Tucson,AZ和Galbraith Laboratories,Inc.,Knoxville,TN）进行感应耦合等离子体光学发射光谱分析（ICPOES）。还在所有样品中估算钾[K]含量。在ICP样品制备中，用浓HNO₃处理用于弛豫时间测量的样品于Pluronic溶液中的悬浮液，并且仔细加热，获得固体残余物。然后将其用30%H₂O₂进一步处理，并且再次加热，以消除碳材料。在固体样品的情况下，使其直接经历过氧化物和热处理，以去除碳内含物。在每种情况下，将剩余残余物溶解于2%HNO₃中，并且通过ICP使用ThermoJarrell Ash ICAP61感应耦合等离子体光谱仪分析。

体外幻图MRI

使用3T Trio Siemens MRI系统对纳米带样品进行体外T₁和T₂MRI幻图实验，并且使用2D自旋回波成像获得图像，T₁的重复时间（TR）是500ms并且回波时间（TE）是10ms，并且T₂测量的TR是8000ms并且TE是112ms。

结果和讨论

此实施例显示，使用诸如石墨和MWCNT的起始材料的简单化学氧化程序（参看合成详情的方法和材料部分）产生磁性插入锰的石墨烯纳米片和石墨烯纳米带，其展示作为MRI造影剂的潜力。

图1(a，b)分别展示还原石墨烯纳米片的代表性低和高倍TEM图像，其提供其结构和形态信息。如图1(a)中所示，其似乎是圆形的，平均宽度是约20nm。一些片显得比其他片更暗，并且这是由于多层氧化石墨烯薄片的存在。较浅的几乎透明的片是单或双层氧化石墨烯薄片。图1(b)展现个别石墨烯薄片的原子晶格边缘结构，其中晶格网格线和六边形碳原子环清楚可见（Lu,G.,Mao,S.,Park,S.,Ruoff,R.&Chen,J.Facile,noncovalent decoration of graphene oxide sheets withnanocrystals.Nano Research2,192-200(2009)）。分散在Si衬底上的氧化石墨烯纳米片的AFM截面分析展现约1.137nm的均匀厚度（图7）。原始石墨烯薄片具有0.34nm的原子层厚度（Van der Waals）。氧化石墨烯纳米片结构中具有羧基和羟基的共价键的存在和sp³碳原子的移位据知是厚度增加的原因（Stankovich,S.等人Synthesis ofgraphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphiteoxide.Carbon45,1558-1565(2007)）。

图1(c，d)分别展示石墨烯纳米带的代表性低和高倍TEM图像。如图1(c)中所示，石墨烯纳米带已经充分展开了石墨烯薄片的层。图1(d)中的高分辨率TEM图像清楚显示，纳米带由于成功展开MWCNT的同心壁而是多层的（箭头）。氧化石墨烯纳米带的原子结构表面品质显得大多均匀并且光滑，缺陷极少。起始材料MWCNT具有40-70nm的外径和500-2000nm的长度。因为MWCNT是圆柱体，所以在展开时，其应该完全打开以具有在π乘以直径（是125-220nm）范围中的宽度和500-2000nm的长度。TEM图像的分析显示，石墨烯纳米带的平均宽度是约120nm，其比MWCNT的最外管的外径70nm大，因此，证明了展开过程。然而，此平均值稍小于完全平坦带所需的范围125-220nm，并且这可以由以下事实证实：展开过程并不得到完全平坦带，然而，带仍然保留管的一定弯曲，并且因此其具有比关于完全平坦带预期的宽度小的宽度。TEM图像展示约600-2000nm的平均长度，其属于展开的MWCNT的计算范围内。

图2(a)展示氧化和还原石墨烯纳米片的拉曼光谱。还包括石墨和氧化石墨的拉曼光谱作为对照。石墨的光谱展示1581cm^-1下的主尖峰，指示G带，这归因于双重退化区中心E_2g模式（Tuinstra,F.&Koenig,J.Raman spectrum of graphite.The Journal of Chemical Physics53,1126(1970)）。在氧化石墨的情况下，G带变宽，并且存在达1595cm^-1的峰移位。此外，区边界声子产生1345cm^-1下的D带，其变得显著，指示无序sp²域的增加和因氧化所致的晶体尺寸减小。由于石墨的氧化过程，D与G峰的强度比（I_D/I_G）有从石墨的0.407到氧化石墨的1.2的增加（Tuinstra,F.&Koenig,J.Raman spectrum ofgraphite.The Journal of Chemical Physics53,1126(1970)）。氧化石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片的光谱分别展示I_D/I_G达1.3和1.44的进一步增加。图2(a)显示，在还原石墨烯纳米片的情况下，D和G带的峰移位得更接近于石墨的值（分别是1330cm^-1和1590cm^-1），这归因于氧官能团在还原期间的去除和级在一定程度上的恢复。然而，达1.44的I_D/I_G增加是由于sp²域的平均尺寸的减小以及所述小尺寸无序域数目的增加（Kosynkin,D.等Longitudinal unzipping of carbonnanotubes to form grapheme nanoribbons.Nature458,872-876(2009)）。

另外，氧化石墨和还原石墨烯纳米片的拉曼光谱还展示约657cm^-1、370cm^-1和320cm^-1下的其他峰（图8）。为了鉴别这些峰，使用RRUFF^TM项目集进行拉曼光谱数据库搜寻。此证实了，所观测的峰是由于含有二价和三价锰的称为黑锰矿的复合氧化物，参看图8。在图8中，看到样品的G和D带沿着黑锰矿的其他峰，证实了锰氧化物在这些区域掺入到碳基质中。已知黑锰矿（Mn₃O₄）纳米晶体通过各种方法合成，所述方法包括在空气中在高温下煅烧锰的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐或硫酸盐（Southard,J.&Moore,G.High-temperature Heat Content of Mn3O4,MnSiO3and Mn3C1.Journalof the American Chemical Society64,1769-1770(1942)；Ursu,I.等Kinetic evolution during the laser/thermal preparation of Mn3O4fromMnCO3.Journal of Physics B:Atomic and Molecular Physics19,L825(1986)）。虽然大多数这些方法包括Mn(II)化合物的氧化，但KMnO₄的还原也已知可引起Mn₃O₄形成（Weixin,Z.,Cheng,W.,Xiaoming,Z.,Yi,X.&Yitai,Q.Low temperature synthesis of nanocrystalline Mn₃O₄by a solvothermal method.Solid State Ionics117,331-335(1999)；Zhang,W.等Controlled synthesis of Mn3O4nanocrystallites and MnOOHnanorods by a solvothermal method.Journal of Crystal Growth263,394-399(2004)）。在此情况下，尽管确切机制仍然不清楚，但建议诸如硝酸（HNO₃）的强氧化剂的存在以引起KMnO₄还原。在进行分析时，观测到氧化石墨和石墨烯纳米片并非所有光谱都展示黑锰矿峰。黑锰矿峰的存在对样品的定向和样品斑点尺寸灵敏，证实这些峰仅在锰氧化物插入的区域处可见。

图2(b)展示石墨烯纳米带和MWCNT的拉曼光谱。类似于纳米片的光谱（在图2(a)中），纳米带的光谱证实具有1600cm^-1下的移位峰的宽G带以及1310cm^-1下的主D带。与MWCNT的拉曼光谱相比，可见I_D/I_G值从0.045到1.57的增加。这与关于源自MWCNT的化学氧化的纳米带的拉曼光谱的先前报道一致，其中纳米带观测到大于1的I_D/I_G（Kosynkin,D.等人Longitudinal unzipping of carbonnanotubes to form grapheme nanoribbons.Nature458,872-876(2009)）。移位G带是由于MWCNT的氧化展开，类似于在图2(a)中由于石墨的氧化所见的移位。高强度和宽D带是由于sp²域的平均尺寸的减小以及所述小尺寸无序域数目的增加作用。在纳米带的情况下，不能检测指示在纳米片情况下所见的锰（诸如黑锰矿）峰的任何异常拉曼峰。

为了证实纳米片和纳米带中锰（Mn²⁺）的存在，对干固体样品通过ICPOES进行元素分析。氧化石墨、石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片报道分别具有484000、540000和516000ppm锰，而对照物石墨仅具有0.1ppm锰。此证实额锰在这些样品中的明显存在。在石墨烯纳米带的情况下，报道570ppm。尽管实验不能在石墨烯纳米带的拉曼光谱中检测任何锰相关峰，但此值证实了其存在。为了阐明其通过MWCNT的基于KMnO₄的氧化引入，比较起始材料MWCNT和最终纳米带产物中的含量。观测到锰含量增加约25倍，从MWCNT的25ppm增加到纳米带的570ppm。这归因于用于此方法中的氧化程序。图3展示所有样品的SQUID磁性表征。图3(a)展示对照物石墨在-50,000Oe与50,000Oe之间在三个温度（30K、150K和300K）下的磁化强度（M）相较于磁场强度（H）图。负斜率暗示磁矩值随所施加磁场的增加而减小，其为抗磁性特性的特征。图3(b)展示氧化石墨的M相较于H图。指示磁矩值随场强增加的正斜率证实了样品的顺磁性特性。顺磁性在石墨氧化时的变化可以归因于，顺磁性Mn²⁺离子的存在，所述离子在改进的Hummer方案期间以复合锰氧化物的形式插入样品中。观测到源自石墨的还原石墨烯纳米片的超顺磁性转变特性。超顺磁性（在具有铁磁性性质的纳米粒子簇（<30nm）中观测到的磁现象）是尺寸依赖性现象，其中在温度影响下磁矩的对准方向发生随机翻转。在磁化强度测量期间，其中使样品在既定温度下经历不同磁场，超顺磁性材料在M相较于H图中呈现‘S’形曲线。这是因为测量磁化强度所需的时间比矩的连续翻转的时间多得多。因此，在不存在磁场下，平均磁化强度测量是零并且曲线呈现‘S’形而非磁滞回线。图3(c，d)分别展示石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片的M相较于H图。根据图3(d)，显而易见，在较低温度（30K）下，纳米片样品展示铁磁性磁滞回线（Whitney,T.,Searson,P.,Jiang,J.&Chien,C.Fabrication and Magnetic Properties of Arrays of MetallicNanowires.Science(New York,NY)261,1316(1993)；Wang,J.,Chen,Q.,Zeng,C.&Hou,B.Magnetic Field Induced Growth of Single CrystallineFe3O4Nanowires.Advanced Materials16,137-140(2004)）。根据图3(d)的插图，显而易见，在室温下观测到超顺磁性特性。在500Oe的均匀场强下和在0与300K之间绘制的零场冷（ZFC）和场冷（FC）曲线见于图3(e)中。ZFC曲线的峰展现40K的阻塞温度（T_B），指示铁磁性与超顺磁性状态之间的转变。

还原石墨烯纳米片的磁性特性与先前报道的黑锰矿的磁性特性展现尖峰相似之处（Du,J.等人Hausmannite Mn₃O₄nanorods:synthesis,characterization and magnetic properties.Nanotechnology17,4923(2006)）。已经在黑锰矿中报道低温下的铁磁性和较高温度下的顺磁性。类似于还原石墨烯纳米片，黑锰矿展示40K的T_B，并且两种材料在不同温度下的M相较于H图都相似（Du,J.等人Hausmannite Mn₃O₄nanorods:synthesis,characterization and magneticproperties.Nanotechnology17,4923(2006)）。这证实纳米片中复合锰氧化物的插入，并且我们将此特性归因于复合锰氧化物的存在以及石墨烯纳米片的纳米结构（约20nm宽）。磁滞曲线的剩余磁化强度在30K下是12.47emu/g，并且矫顽力是6298.68Oe。根据先前文献，高矫顽力可以归因于样品的单一域性质和高形状各向异性。

关于石墨烯、氧化石墨烯和纳米带样品中室温铁磁性的存在，已经存在若干理论和几个实验报道（Matte,H.S.S.R.,Subrahmanyam,K.&Rao,C.Novel magnetic properties of graphene:Presence of bothferromagnetic and antiferromagnetic features and other aspects.TheJournal of Physical Chemistry C113,9982-9985(2009)；Wang,Y.等人Room-temperature ferromagnetism of graphene.Nano Letters9,220-224(2008)）。Wang等使用SQUID磁强计对从氧化石墨制备并且然后还原并且退火的石墨烯样品的最近实验研究已经展示了室温铁磁性（Wang,Y.等Room-temperature ferromagnetism of graphene.NanoLetters9,220-224(2008)）。磁性的可能来源归因于由于退火过程而以缺陷形式存在的自旋单元的远程耦合。其证实不存在金属杂质，并且将磁性归因于石墨烯中因加工所致的固有特征。在此情况下，通过ICPOES和拉曼光谱分析确定样品中锰的存在。此由纳米片与黑锰矿的磁性数据的相似性进一步确证。尽管氧化石墨样品展示黑锰矿的存在，但其展现顺磁性特性（Du,J.等人Hausmannite Mn₃O₄nanorods:synthesis,characterization and magnetic properties.Nanotechnology17,4923(2006)）。考虑到在还原石墨烯纳米片的情况下有数种其他因素起作用，纳米片的室温超顺磁性归因于以下的组合：插入的锰氧化物的存在，片的纳米簇尺寸和以缺陷位点形式在石墨烯中的sp²碳原子上存在的自旋单元的远程耦合。此外，自旋单元的远程有序耦合可以是由于个别薄片中的分子内相互作用或石墨烯多层的相邻薄片之间的分子间相互作用。

从MWCNT合成的石墨烯纳米带的SQUID分析也展示在室温下令人感兴趣的磁性性质。MWCNT的磁化强度相较于场强图展示在图4(a)中。在所有三个温度下都未见相干磁性图案，并且磁性信号极其弱。石墨烯纳米带的M相较于H图展示如图4(b)中所示的超顺磁性特性。然而，图4(b)中的插图展示在300K下磁滞曲线的平行线，指示具有极低剩磁的铁磁性特性。图4(c)指示FC/ZFC图，并且ZFC曲线上的最大值可见约>300K，这展现大于室温的高阻塞温度T_B。此解释了300K下的细磁滞回线，其中磁性状态的转变起作用。在300K下所见的饱和磁化强度在2500Oe下是0.1emu/g。样品在10K下展示250Oe的矫顽场。已经报道，铁氧化物纳米粒子以及微米结构展现室温超顺磁性（Deng,H.等人Monodisperse MagneticSingle-Crystal Ferrite Microspheres.Angewandte Chemie InternationalEdition44,2782-2785,(2005)；Zhao,L.等人Morphology-controlledsynthesis of magnetites with nanoporous structure and excellent magneticproperties.Chemistry of Materials20,198-204(2007)）。然而，在铁氧化物或石墨烯中获得室温铁磁性需要合成后高温退火过程或将粒子嵌入抗铁磁性复合物中（Wang,Y.等人Room-temperatureferromagnetism of graphene.Nano Letters9,220-224(2008)；Sun,S.,Murray,C.B.,Weller,D.,Folks,L.&Moser,A.Monodisperse FePtNanoparticles and Ferromagnetic FePt Nanocrystal Superlattices.Science287,1989-1992(2000)）。最近，已经在磁铁矿和磁赤铁矿铁氧化物纳米粒子中报道因相对低温（185℃）下的合成过程所得的室温铁磁性（Tan,Y.,Zhuang,Z.,Peng,Q.&Li,Y.Room-temperature soft magneticiron oxide nanocrystals:Synthesis,characterization,and size-dependentmagnetic properties.Chemistry of Materials20,5029-5034(2008)）。此研究报道尺寸依赖性磁性特性，并且阻塞温度（T_B，从铁磁性向超顺磁性转变的指示）展示从3.2nm粒子的25K增加到5.4nm粒子尺寸的330K。在本情况下，在70℃温度下的简单化学合成程序下，能够实现T_B值>300K的室温铁磁性到超顺磁性转变。已经报道了关于填充Fe₂O₃的MWCNT中室温超顺磁性的先前报道（Li,J.-h.等人Aneasy approach to encapsulating Fe₂O₃nanoparticles in multiwalledcarbon nanotubes.New Carbon Materials25,192-198(2010)）。

氧化石墨烯纳米片和纳米带的弛豫度：

在21.42MHz、0.5T和27℃下对以0.05%浓度分散在1%PluronicF127表面活性剂溶液中的所有石墨烯样品都进行单点弛豫测量。氧化石墨在水中超声剥离产生含有氧化石墨烯薄片的稳定胶状悬浮液。此由于羟基和羧基的亲水性质而可行。氧化石墨烯薄片因此不同于原始石墨烯。如此处所用的还原过程并不完全去除所有氧基团。MWCNT的氧化展开也已知可将这些官能团添加到氧化石墨烯纳米带。石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带可以在诸如Pluronic的水性生物相容溶液中形成均质稳定分散液。表1(a，b)提供关于每种样品品的金属离子（锰）浓度、弛豫速率和弛豫度的详情。根据表1(a)显而易见，氧化石墨当与石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片相比时展示增强的r₁和r₂弛豫度。已经报道，Mn-DPDP（商业上称为

一种基于锰的MRI造影剂）的NMR弛豫度测量在20MHz下在水性溶液中展示r₁=1.88mM^-1s^-1和r₂=2.18mM^-1s^-1的弛豫度值（Schwert,D.,Davies,J.&Richardson,N.Contrast Agents I第221卷Topics in Current Chemistry(Werner Krause编)165-199(Springer Berlin/Heidelberg,2002)）。与

相比，氧化石墨展示r₁的比率加倍，并且在r₂的情况下是四倍。石墨烯纳米片当与临床对应物

相比时展示相似弛豫度值。然而，如表1(b)中所示，石墨烯纳米带与Teslascan和纳米片相比展示高得多的弛豫度范围。由于用于分析小样品体积中痕量水平的锰的设备的检测局限性，从两个不同分析实验室分析样品的金属含量，这给我们提供了纳米带中锰的浓度范围，并且因此计算纳米带的弛豫度的上限和下限。r₁的范围是2.92到9.8mM^-1s^-1并且r₂是14.8到50.3mM^-1s^-1。表1(b)还显示，纳米带当与基于钆（Gd-DTPA）和超顺磁性铁氧化物（Comibidex）的其他临床造影剂的弛豫度相比时展现有前途的造影剂性质（Reichenbach,J.等人1H T1and T2measurements of the MR imagingcontrast agents Gd-DTPA and Gd-DTPA BMA at1.5T.EuropeanRadiology7,264-274(1997)；Corot,C,Robert,P.,Idée,J.M.&Port,M.Recent advances in iron oxide nanocrystal technology for medicalimaging.Advanced drug delivery reviews58,1471-1504(2006)）。

体外幻图MRI：

进行MRI幻图成像以在水性石墨烯纳米带样品之间比较MR信号造影，使用MnCl₂（其是一种广泛使用的临床前MRI造影剂）和水作为对照物。代表性T₁和T₂加权的幻图MRI图像当与相同Mn²⁺浓度下的MnCl₂（r₁=9.2mM^-1s^-1；r₂=93mM^-1s^-1）和水相比时展示纳米带样品的情况下的显著造影增强。比较纳米带与MnCl₂相对于水的平均信号强度比率，并且如表2(b)中所示，在T₁以及T₂的情况下可见纳米带的信号造影较高。这归因于纳米带的令人感兴趣的室温磁性性质，其导致质子分子的弛豫速率显著增强。

表1(a)分散在1%Pluronic F127溶液中的氧化石墨、石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片的弛豫效率

样品	[Mn]mM	R1(s-1)	R2(s-1)	r1mM-1s-1	r2mM-1s-1
						氧化石墨	0.12	3.02	10.98	22.09	74.74
石墨烯纳米片	0.98	1.93	3.3	1.59	2.88
						还原石墨烯纳米片	1.98	0.88	8.84	0.25	3.44
Teslasca（Mn DPDP）				1.88	2.18

**所有值都在1.5T和21.42MHz下计算

表1(b)分散在1%Pluronic F127表面活性剂中的石墨烯纳米带与临床上使用的MRI造影剂相比的弛豫效率。R₁（pluronic）=0.37s^-1，R₂（pluronic）=2.02s^-1

**所有值都在1.5T和20MHz下计算。

表2.T₁和T₂幻影图像相对于水的平均信号强度比率的比较

样品	相对于水的T1图像强度比率	相对于水的T2图像强度比率
			GONR	1.465	5.05
MnCl2	0.9999	2.272

总之，此实施例展示了通过简单化学氧化程序合成一类新功能化的石墨烯纳米片和纳米带。在该实施例中，成功合成功能化的石墨烯纳米片和纳米带，并且证实了石墨烯纳米片中锰的存在和其磁性贡献。在石墨烯纳米带的情况下，发现非常令人感兴趣的磁性性质，铁磁性室温磁性转变为超顺磁性。该实施例还显示，诸如锰和铁的磁性金属离子的结构、手性和存在显著增强这些碳材料的弛豫速率。这些纳米片和纳米带可以用作基于功能化的石墨烯的造影剂用于MRI成像。

实施例2

在小树的MRI扫描中测试作为MRI造影剂的新颖石墨烯纳米片（GNP；具有1到5纳米（nm）之间的厚度和约50nm的直径的小堆叠（1-12层）石墨烯（石墨的一原子厚薄片））（图1a和1b）。GNP是单分散的、水溶的、插入的（在两个石墨烯薄片之间的空隙内插入化学物质），并且与痕量锰（0.1%w/w（w=重量）锰于GNP中，即0.1克锰/100克GNP）协调。GNP展示r1=45mM^-1s^-1的弛豫度，其比Mn-DPDP（Teslascan，临床基于Mn的CA，在3T下r1=2.8mM^-1s^-1）高接近16倍并且比Gd-DTPA（Magnevist，临床基于Gd的CA，在3T下r1=4.2mM^-1s^-1）大出约10倍。使用T₁加权的小动物MRI使用3Tesla临床扫描仪的扫描（图6）与临床剂量下的Magnevist相比展示约100倍更大造影增强。

实施例3

石墨烯纳米片（GNP）

首先，使用改进的Hummer方法（用高锰酸钾和浓硫酸处理）从分析级微米石墨制备氧化石墨（GO），并且通过在超声浴清洁器中超声处理1小时将其转化为石墨烯纳米片（GNP）（Stankovich,S.;Dikin,D.A.等人Nature2006,442,282）。然后，使用类似于用以在富勒烯和金属富勒烯的碳碳双键上添加羧酸官能团的环加成反应的合成方案来使GNP水增溶（Sithamaran,B.;Zakharian,T.Y.等人MolecularPharmaceutics2008,5,567）。通过用天然聚合物（诸如葡聚糖）或合成聚合物（诸如聚乙二醇）共价或非共价涂布GNP来使其水增溶。

对照物

在实验中需要对照物时使用Magnevist，这是因为考虑临床MRI造影剂的基准。另外，将GNP MRI CA的生理化学、药理学、药物动力学和成像性质与诸如以下的其他FDA批准的临床基于Gd的MRI CA的公开值_5,9比较：Omniscan（钆双胺（gadodiamide），Gd-DTPA-BMA，GE Healthcare）、OptiMARK（钆弗塞胺（gadoversetamide），Gd-DTPABMEA，Covidien）、Magnevist（钆喷酸葡胺（gadopentetate dimeglumine），Gd-DTPA，Bayer ScheringPharma）、MultiHance（钆贝葡胺（gadobenate dimeglumine），Gd-BOPTA，Bracco Diagnostics）、Gadovist（钆布醇（gadobutrol），Gd-BT-DO3A，Bayer Schering Pharma）和Dotarem（钆特酸葡甲胺（gadoterate meglumine），Gd-DOTA，Guerbet）。

动物

使用威斯达大鼠（Wistar rat）（Charles River labs,Wilmington,MA），这是因为在先前临床前MRI CA研究中已经广泛使用此动物模型（Vogler,H.等人;European Journal of Radiology1995,21,1）。

合成并且官能化GNP MRI CA用于水溶性和生理化学表征

渗透压

此测试测量见于血液流体组分中的所有化学粒子的浓度。渗透压是分析造影剂耐受性中的重要因素，因此局部和全身反应尤其在较高剂量下都发挥自己的作用（Cohan,R.H.;Leder,R.A.等人J.InvestRadiol1990,26,224；Gennaro,A.R.Remington's PharmaceuticalSciences,第17版1985,1455；Runge,V.M.;Kirsch,J.E.;Burke,V.J.JMagn Reson Imaging1992,2,9）。在37℃下使用差示热敏电阻渗压计测定渗透压。使用两个GNP浓度，即0.5mol/l溶液（0.57osmol/kg）和1mol/l溶液（1.39osmol/kg）。基于其他基于Gd的MRI CA的临床前研究选择了这些值。

分配系数

分配系数分析提供了GNP MRI CA的亲水性（“爱水”）或疏水性（“憎水”）水平的量度（Leo,A.;Hansch,C.;Elkins,D.Chem Rev1971,71,525）。分配系数使得可估算体内的GNP分布。如果GNP展示高分配系数，那么这是此CA将优先分布到细胞的疏水区室（诸如脂质双层）的指示，并且如果观测到低分配系数，那么GNP将优先见于亲水区室（诸如血清）中。使用丁醇和Tris-HCl缓冲液（pH7.6）测量分配系数。在完成各相的完全分离之后，借助于拉曼光谱分析测定丁醇和缓冲液中的GNP浓度。

体外弛豫度

使用以下方程式计算GNP于水和牛血浆中的弛豫度r₁（3T临床MR扫描仪，温度=37℃）：r₁=(R₁-R₀)/[Mn²⁺]，其中R₁和R₀分别是GNP溶液和淡水或牛血浆的纵向弛豫速率（R_0，1=1/T_0，1s_-1），并且[Mn₂₊]是锰浓度。

蛋白结合

CA的功效可以受其与血浆蛋白质结合的程度影响（Vogler,H.等人;European Journal of Radiology1995,21,1）。因此，借助于超滤在人类血浆中在1mmol/l的浓度下测量蛋白结合。

组胺释放

巨噬细胞的组胺释放是与MRI CA的各种不良反应有关的重要现象（Lorenz,W.;Doenicke,A.等人The role of histamine in adversereactions to intraveneous agents IN:Thornton,editor.Adverse Reactionsof Anaesthetic Drugs,Elsevier Press1981,169）。在含有从0到250mmol/l变动的GNP MRI CA（使用Magnevist作为对照物）浓度的缓冲液中孵育含有富含组胺的颗粒的肥大细胞（Mast cell，也称为mastocyte和labrocyte）（数种组织类型中的固有细胞）。计算I50，组胺释放接近由组胺释放化合物48/80所致的释放的50%所处的浓度。

用于评估水溶性GNP在大鼠中作为高性能MRI CA的作用的体内MRI研究

对具有模拟人类心、脑或肌肉中的病变的病变的大鼠进行MRI研究。使用确定的方案在大鼠（雄性，威斯达大鼠，170-180g，n=3/组）中实现脑梗塞、脑肿瘤或肌内肿瘤的诱导（Vogler,H.等人;European Journal of Radiology1995,21,1）。在成像之前，将动物麻醉（异氟烷），并且将导管安装到尾静脉中用于注射造影剂。在造影剂注射之后，即刻注射约5mL0.9%生理盐水，以确保所有MRI CA都从输注管中清除。使用3T临床MR扫描仪（Siemens medical systems,Malverns,PA），并且获取T₁加权的自旋回波s图像。在注射0.1mmol/kg GNP或Magnevist（对照物）之前和之后1分钟和在注射另一0.2mmol/kg剂量（在第一剂量之后5分钟给予到同一动物中）之后1分钟进行成像。在与造影前研究相同的平面中并且在相同参数下获得造影后图像。在相关场中获得实验和对照组中的信噪比和对比噪比（CNR），并且进行统计分析。由两名富有解释MR图像的经验的放射学家检阅图像。使用以下准则评估CA的功效，并且在临床从业者之中达成共识：a)提供有关诊断的其他信息；b)增加诊断的置信度；c)检测否则不可见的病变；和d)为在其他脉冲序列下所见的病变的更大表征提供重要信息。在病变增强明显的情况下，判断该试剂对诊断如下：a)没有帮助；b)有微小帮助；c)有中等帮助；或d)有重大帮助。

大鼠中的体内药物动力学、生物分布和毒性研究

消除和生物分布

为了测定长期消除和生物分布，将0.25mmol/kg GNP MRI CA静脉内注射到称重为90-110g的五只雄性和五只雌性威斯达大鼠的尾静脉中。然后将动物放置在代谢笼中。

每天收集尿液和粪便，并且测量GNP和锰含量。

在注射后第7天将动物处死。收集血液、肝、肾、脾、骨样品（股骨）、脑和剩余躯体，用于通过拉曼光谱分析测量GNP含量并且通过感应耦合等离子体（ICP）光谱分析测量锰含量。

药物动力学

对称重为90-110g的五只威斯达大鼠进行实验。在实验之前和期间，将动物圈养在个别代谢笼中。将¹²⁵I-GNP（¹²⁵I放射半衰期=59.4天）以0.25mmol/kg血液（0.5ml）的剂量注射到尾静脉中，并且在GNP MRI CA注射之前和在之后5、10、20和30分钟和1、1.5、2、3、6和24小时和7天时从颈静脉抽取血液。在第0.5、1、2、3、6和24小时并且然后每天持续7天定量收集尿液。每天定量收集粪便持续7天。通过γ闪烁计数器放射性地分析尿液、粪便和血清样品的等分试样。使用HPLC分析来检定尿液部分和血浆样品（在注射之后5或20分钟和2小时）的可能代谢物。

使用药物动力学程序TOPFIT应用模型非依赖性方法，用于从血浆和尿液数据计算血浆中的最终消除半衰期以及清除率和稳态分布体积（Heinzel,G.;Woloszczak,R.等人Pharmacokinetic andpharmacodynamic data analysis system New York:Gustav Fischer VerlagStuttgart,Jena1993）。

急性毒性

将GNP MRI CA（2mol/l）静脉内注射到雄性和雌性威斯达大鼠（90-110g，雄性与雌性比率1:1）中。剂量是10、50、100、250mmol/kg，并且每个剂量组包含八只动物。在整个注射后7天观测期间监控动物。借助于概率分析来计算LD₅₀（Neter,J.;Kutner,M.H.等人;Appliedlinear statistical models1996,WCB McGraw）。

实施例4

此实施例展示，用以合成氧化石墨或石墨烯纳米粒子的氧化化学程序导致痕量Mn²⁺离子限定（插入）在石墨烯薄片之间，并且这些插入锰的石墨和石墨烯结构与顺磁性螯合物相比显示不同的结构、化学和磁性性质和高弛豫度（高达2个数量级）和明显不同的核磁共振分散特征。结果显示，石墨烯薄片中顺磁性金属离子的限定（插入）而非石墨碳粒子的尺寸、形状或结构是增加弛豫度的关键决定因素，并且因此将顺磁性离子的纳米限定确定为用以开发顺磁性金属离子石墨-碳复合物作为高弛豫度MRI造影剂的新颖通用策略。

材料和方法

1.石墨烯纳米片和纳米带合成

制备并且表征总计5批石墨烯纳米片和纳米带。除弛豫度结果外的所有呈现的结果都是单批的代表性数据。如实施例1中所述通过改进的Hummer方法从分析级微米石墨（Sigma Aldrich,New York）制备氧化微米石墨。在典型剥离程序中，将干燥氧化微米石墨（200mg）悬浮于含有水（200ml）的圆底烧瓶中，并且在超声浴清洁器（FischerScientific，FS60，230W）中超声处理1小时。使50ml此均匀溶液离心，并且干燥团粒过夜，获得氧化石墨烯纳米片。用水合肼（1.5ml，37.1mmol）处理剩余150ml，并且在100℃下的油浴中在水冷却冷凝器中加热12小时，产生黑色沉淀物。分离产物，并且经具有水（500ml）和甲醇（500ml）的中等烧结玻璃过滤漏斗洗涤，并且通过连续空气流干燥，得到还原石墨烯纳米片。

以类似于实施例1中所述的程序的程序从MWCNT（SigmaAldrich,New York）制备石墨烯纳米带。将MWCNT（150mg，12.5毫克当量碳）悬浮于30ml浓H₂SO₄中2小时。添加KMnO₄（750mg，4.75mmol），并且搅拌混合物1小时。然后在55-70℃下的油浴中加热反应物另1小时，直到完成。将其冷却到室温，并且用酸性水、乙醇和乙醚洗涤产物，并且接着通过离心分离。

2.磁性特性的表征

使用具有约10^-8emu灵敏度的超导量子干涉装置（SQUID）磁强计研究石墨、石墨烯和对照物样品的磁化强度。将样品仔细称重并且装于明胶胶囊中。在0与300K之间在-50000Oe到50000Oe的施加磁场范围之间分析样品。在场冷和零场冷模式中，施加500Oe的矫顽场以便研究磁化强度随温度的变化。

3.EPR测量

所有EPR光谱都在室温（约296K）下在相似实验条件下在于约9.8GHz微波频率下操作、具有高100KHz磁场调制频率的Bruker X带EPR光谱仪上测量。用二苯基苦基肼（DPPH，g=2.0036）的标准固体样品校准磁场和g值。测量空白石英管的EPR以校准EPR光谱的EPR基线。所有EPR光谱都测量两次，第一次在1k高斯（Gauss）扫频宽度下，并且下一次在6k高斯扫频宽度下。将石墨、石墨烯和对照物的固体样品装载到Wilmad石英EPR管中。在装载样品之前，用去离子水彻底洗涤石英EPR样品管，并且干燥。对水性样品的EPR测量通过使用经设计用于具有高介电常数的水性和其他溶剂的石英扁平管来进行。在装载液体样品之前，用去离子水彻底洗涤石英EPR扁平管，并且干燥。水性样品向石英扁平管中的装载仔细进行到管的扁平部分中以获得最大灵敏度。

4.质子弛豫度测量

为进行弛豫度测量，将1mg氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片或石墨烯纳米带样品分散于2ml生物学上相容1%Pluronic F127表面活性剂溶液中，在30W下浴超声处理10分钟，并且最终在5000rpm下离心1小时。离心使得非水溶性大并且密实的石墨烯纳米粒子沉降到底部，并且使得可分离上清液中的可溶石墨烯纳米粒子。还检查上清液中任何自由Mn²⁺离子的存在。这通过首先用HCl使石墨烯纳米粒子絮凝，和然后用铋酸钠（NaBiO₃）于HNO₃中测试澄清溶液来实现。在此反应中，锰从+2氧化态（Mn⁺²）氧化为+7氧化态（MnO₄-），该+7氧化态具有独特紫色或粉色。观测不到此种颜色变化表明在上清液中不存在自由Mn²⁺离子。

使用含有可溶石墨烯纳米粒子的上清液用于弛豫测量。在Minispec NMR光谱仪（Bruker Instruments,Woodland,Texas）上在20MHz（0.47T）下测量纵向和横向弛豫时间（T₁，T₂）。每种样品品通过连续稀释在五个已知浓度下制备。在测量期间将温度维持在40℃下。分别使用反转恢复和CPMG方法测量每个实验样品和对照物（1%Pluronic127溶液）的T₁和T₂弛豫时间。弛豫时间的倒数表示各自的弛豫速率R₁和R₂。产生弛豫速率（y轴）相较于浓度（x轴）图，并且将其拟合为线性曲线。此线性拟合的斜率给出弛豫度值。在NMRD测量期间获得单点弛豫度（r₁）。使用下式计算弛豫度值（r₁）：r₁=(R₁-R₀)/[Mn²⁺]；其中R_1，2和R₀分别是样品和1%Pluronic F127表面活性剂溶液的纵向或横向弛豫速率，并且[Mn²⁺]是用于弛豫测量的溶液体积中的锰浓度。使用快速循环场弛豫计（SPINMASTER FFC2000，Stelar Inc,Pavia,Italy）获得在对应于质子拉莫频率（Larmor frequency）范围0.01-40MHz的磁场下的1/T₁NMR分散（NMRD）曲线图。使用高场超导偶极（HTS）电磁体以获取在25到80MHz质子拉莫频率范围下的弛豫数据。将温度固定在27℃，并且通过配备有铜-康铜热电偶的Stelar VTC-91气流加热器控制；用Delta OHM数字温度计在探针头中进行温度校准，绝对准确度是0.5℃。

结果和讨论

图9展示氧化石墨、氧化石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片的SQUID磁性表征。在这些实验中，用作制备这些粒子的起始材料的分析级微米石墨是对照物。图9a展示分析级微米石墨（对照物）在-50,000Oe与50,000Oe之间在三个温度（30K、150K和300K）下的磁化强度（M）相较于磁场强度（H）图。负斜率指示磁矩值随所施加磁场的增加而减小，其为抗磁性特性的特征。图9b和9c分别展示氧化石墨和氧化石墨烯纳米片的M相较于H图。这些图显示磁矩值随场强线性增加，指示氧化石墨和氧化石墨烯纳米片的顺磁性特性。顺磁性在石墨氧化时的变化可以归因于样品中存在的顺磁性Mn²⁺离子的存在。图9d展示还原石墨烯纳米片的M相较于H图。该图展示在较低温度（30K）下的铁磁性磁滞曲线，指示在室温（300K）下的超顺磁性特性（图9d的插图）。室温超顺磁性已经在纳米粒子簇（<30nm）中广泛报道（Whitney等人,1993,Science261:1316；和Wang等人,2004,Advanced Materials16:137-140），并且是尺寸依赖性现象，其中纳米粒子的热能足以使得在磁自旋方向上翻转，并且不足以克服自旋间交换耦合能量。因此，在不存在磁场下，所测量的净磁化强度是零并且M相较于H曲线呈现‘S’形而非磁滞回线。还原石墨烯纳米片在500Oe的均匀场强下和在10K与300K之间的零场冷（ZFC）和场冷（FC）曲线展示于图9e中。ZFC曲线的峰展现40K的阻塞温度（T_B），指示铁磁性与超顺磁性状态之间的转变。磁滞曲线的剩余磁化强度在30K下是12.47emu/g，并且矫顽力是6298.68Oe，并且可以归因于样品的单一域性质和高形状各向异性（Du等人,2006,Nanotechnology17:4923）。还原石墨烯纳米片的结果与黑锰矿的结果展现尖峰相似之处（Du等人,2006,Nanotechnology17:4923）。已经在碳纳米材料（诸如富勒烯、碳纳米管、碳纳米泡沫、石墨烯、纳米金刚石和石墨）中报道室温磁性（Makarova,2004,Semiconductors38:615-638，Wang,等人,2008,Nano Letters9:220-224，和Esquinazi等人,2002,Physical Review B66:024429）。这些材料的磁性特征包括归因于石墨晶格结构中金属杂质的存在或缺陷的存在的自旋玻璃样顺磁性或铁磁性特性。在氧化石墨、氧化石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片的情况下，在氧化或剥离过程期间在石墨晶格结构中产生的缺陷可以归因于所观测的磁性特性。然而，理论和实验研究显示，石墨结构中的缺陷诱导非常弱的磁性特性，饱和磁矩值是约10^-3-10^-6emu/g（Zhou等人,2010,Thin Solid Films519:1989-1992。因此，以上报道的所观测的磁性特性应该主要是由于锰的存在。

图10展示MWCNT（对照物）和石墨烯纳米带的SQUID磁性表征。图10a展示MWCNT在-50,000Oe与50,000Oe之间在三个温度（10K、150K和300K）下的磁化强度（M）相较于磁场强度（H）图。这些图展示在所有三个温度下都无相干磁性图案，并且磁性信号极其弱，指示尽管MWCNT中存在铁催化剂仍有抗磁性特性。

图10b展示石墨烯纳米带在-50,000Oe与50,000Oe之间在三个温度（10K、150K和300K）下的M相较于H图。尽管M相较于H曲线似乎呈现‘S’形而非磁滞回线，但对曲线的进一步分析（参看图10b中的插图）指示具有极低剩磁的铁磁性特性。SQUID分析指示在30K、150K和300K下的铁磁性。进一步分析展示在室温下令人感兴趣的磁性性质。在图10c中在磁场强度500Oe（温度范围10-300K）下绘制零场冷（ZFC）以及场冷（FC）条件下的磁化强度的温度依赖性。根据图显而易见，所有石墨烯纳米带都展示低温下的铁磁性特性，并且展示ZFC和FC分支的分岔。FC和ZFC曲线分岔所处的温度（也称为不可逆温度）以及阻塞温度（T_B）是300K。图10c指示FC/ZFC图，并且ZFC曲线上的最大值可见是>300K的值，其大于室温。ZFC磁化强度曲线展示低于分岔温度的宽广最大值。分岔FC和ZFC曲线指示热力学不可逆性，并且其起源可能在于以下作用，如铁磁性与抗铁磁性相之间的强竞争相互作用；和因出现低温自旋玻璃样状态或混合相所致的纳米级的相分离（Zhou等人,2010,ThinSolid Films519:1989-1992；Bie等,2010,Solid State Sciences12:1364-1367；Raley等人,2006,Journal of alloys and compounds423:184-187）。在300K下所见的饱和磁化强度在2500Oe下是0.1emu/g。样品在10K下展示250Oe的矫顽场。磁性结果清楚表明，石墨烯纳米带展现室温弱铁磁性。石墨烯纳米带的元素分析显示，除了锰之外，在这些样品中还存在痕量铁（0.005重量%或50μg Fe/克）。即使用于制备石墨烯纳米带的MWCNT含有铁纳米粒子作为催化剂（0.1重量%）（Sigma-Aldrich I Certificate of Analysis-MWCNT），这比石墨烯纳米带中所见的量大20倍，其亦不展示任何磁性特性。此外，已经报道，具有1-500μg Fe/克（1ppm）石墨的Fe浓度的Fe或Fe₃O₄簇的存在产生2.2×10^-5到4×10^-3emu/g的磁化强度（Esquinazi等人,2002,Physical Review B66:024429）。以上信息一起表明，痕量铁的存在并不显著有助于石墨烯纳米带的所观测的磁性特性。数项最近研究显示，金属氧化物纳米结构中的氧空位的点缺陷可以产生弱铁磁性（Schoenhalz等人,2009,Applied Physics Letters94:162503；和Kundaliya等人,2004,Nature materials3:709-714），并且锰氧化物中因其与石墨烯纳米带的相互作用所致的相似缺陷可能是所观测的磁性特性的原因。然而，需要更多研究来证实此假设。

图11a-11d分别展示氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的EPR光谱（石英EPR管的空白EPR光谱和DPPH标准展示在图17中）。每个EPR光谱的g值、一半高度下的EPR线宽（ΔΗ_1/2，高斯）和电子弛豫时间（T_2e）列在表3a中。所有样品在其各自的g值下都展示宽峰（ΔΗ_1/2）。然而，石墨烯纳米带展示比氧化微石墨、氧化石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片（具有类似ΔΗ_1/2值）大2.6倍的ΔΗ_1/2值。大线宽指示短电子弛豫时间（T_2e），并且氧化微石墨、氧化石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片的所计算的T_2e值在0.19-21纳秒之间。石墨烯纳米带具有0.072纳秒的T_2e值；比其他化合物短至少2.9倍。石墨烯纳米带样品的EPR光谱还在中心展示窄峰，其指示自由基物质的存在，这可能如所报道由于纳米带结构中的缺陷中心（Rao等人,2011,New J Phys13:113004）。自由基物质具有2.007的g和1.2高斯的线宽，并且因此具有88.2纳秒的极长电子弛豫时间（T_2e）。所有化合物中的大线变宽都指示显著锰与锰偶极相互作用。样品中锰的量的减少应该减少线变宽，并且解析EPR光谱中的6线锰超精细结构，并且因此减少电子弛豫时间。

图12a-d分别展示氧化微石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的水性溶液的EPR光谱（石英EPR管的空白EPR光谱和DPPH的EPR光谱展示在图17中）。每个EPR光谱的g值、一半高度下的EPR线宽（ΔΗ_1/2，高斯）、超精细耦合常数和电子弛豫时间（T_2e）列在表3b中。所有四种样品都展示电子耦合到Mn-55核的6线EPR特征，自旋I=5/2。石墨烯纳米带的EPR光谱还在中心展示窄EPR线，g约是2.007，和1.2高斯的线宽，这是由于自由基的存在。所观测的g值极接近于自由电子自旋值，并且表明所有四种样品中存在的锰离子的基态都不存在自旋轨道耦合。这些样品中的约95高斯的锰超精细耦合（Α_Μn）极接近于锰的水合离子Μn(Η₂O)₆的耦合。大超精细耦合指示所有四种样品的锰物质的八面体配位。四种水性样品还展示在29.2-31.5高斯之间的类似窄线宽（ΔΗ₁/₂）值，指示长电子弛豫时间（T_2e）。所计算的T_2e值在2.08-2.25ns之间。石墨烯纳米带中存在的自由基物质具有55ns的一个数量级更长电子弛豫时间（T_2e）。应该注意，EPR光谱仅展示Mn(II)离子。光谱不展示Mn(III)离子或锰的其他氧化态的存在，即使至少还原石墨烯纳米片的拉曼光谱展示Mn(III)离子的存在。此未检测出的可能原因可能在于，所有EPR测量都在室温下进行。Mn(III)离子或锰的其他氧化态具有极短电子弛豫时间，并且需要极低样品温度（约77K）以获得EPR光谱。因此，还对所有四种样品进行低温测量。然而，EPR光谱（结果未展示）由Mn(II)贡献占主导地位，并且不能证实锰的其他氧化态的存在，表明四种样品中存在的大多数锰离子以Mn(II)态存在。

弛豫度（r_1，2）是MRI造影剂的功效的重要量度。表4展示在40℃下氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带在0.47T下的弛豫度值。还包括临床批准的基于Gd³⁺的和基于Mn²⁺的螯合物的弛豫度值范围用于比较目的（Rohrer等人,2005,Investigative Radiology40:715-724）。表清楚显示，所有四种样品与顺磁性螯合物相比都展示显著更高r₁和r₂弛豫度。在0.47T下，石墨和石墨烯样品的r₁和r₂值比顺磁性螯合物大出约8-10倍和19-60倍。在石墨和石墨烯样品之中，在0.47T下，石墨烯纳米带和氧化石墨展示比氧化石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片更高（约20%）的r₁值。然而，r₂:r₁比率的趋势是还原石墨烯纳米片>石墨烯纳米带>氧化微米石墨>氧化石墨烯纳米片。此趋势符合预期，这是因为磁性结果显示石墨烯纳米片和石墨烯纳米带在40℃下是超顺磁性的。众所周知，超顺磁性材料主要影响横向T₂弛豫，并且因此增加r₂/r₁比率。然而，r₂/r₁比率比基于铁的T₂造影剂低，所述基于铁的T₂造影剂具有10或大于10的比率。T₁造影剂具有约1到2的r₂/r₁比率（Laurent等人,2008,Chemical Reviews108:2064-2110）。因此，插入锰的石墨和石墨烯粒子可能更适合作为T₁造影剂，即使在较高场（3T或更高）下，还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带将产生T₂*作用。

氧化石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的水性溶液在0.01-80MHz之间的NMRD曲线图呈现在图13a-d中。这是这些化合物在这种大磁场范围（0.01-80）内的纵向r₁弛豫度的第一报道。虽然氧化微米石墨和还原石墨烯纳米片展示类似NMRD曲线图，但氧化石墨烯纳米片和石墨烯纳米带展示与这些两种样品明显不同的曲线图。在中到高磁场（<10MHz）下，氧化微米石墨展示随磁场减小的较小增加（50-66mM^-1s^-1），和随减小到较低磁场的较大增加（70-222mM^-1s^-1）。氧化石墨烯纳米片在中到高磁场下展示钟形分布，最大值是30MHz下的55mM^-1s^-1，并且随磁场减小到10MHz以下而梯度增加达到86mM^-1s^-1。还原石墨烯纳米片展示随磁场在80-10MHz之间减小而有小增加（44-59mM^-1s^-1），并且弛豫度在较低磁场下增加，最大值是0.01MHz下的258mM^-1s^-1。石墨烯纳米带展示随磁场达到10MHz的减小的线性增加（弛豫度在65-100mM^-1s^-1之间），和然后在10MHz以下的连续急剧增加，到达0.01MHz下的值724mM-1s-1。

这些化合物的NMRD曲线图不同于其他基于锰的小分子或大分子复合物的曲线图（Lauffer,1987,Chem Rev87:901-927；和Sur等人,1995,J Phys Chem99:4900-4905）。例如，诸如Mn-DTPA（DTPA=二亚乙基三胺五乙酸）的小分子Mn²⁺复合物在大于10MHz的场下展示约1.9mM^-1s^-1的恒定值，并且在小于10MHz的场下有轻微增加。大分子复合物Mn²⁺-DTPA-BSA（BSA=牛血清白蛋白）在10-80MHz之间的磁场下展示钟形弛豫度分布，峰值是20MHz下的26mM^-1s^-1（Lauffer,1987,Chem Rev87:901-927）。在小于10MHz的磁场下，弛豫度恒定在约14mM^-1s^-1。Gd³⁺离子的小和大分子复合物已经报道有类似曲线图（Lauffer,1987,Chem Rev87:901-927）。这些曲线图也与Gd³⁺C₆₀（钆基富勒烯）的曲线图不同，后者展示类似于Mn²⁺或Gd³⁺大分子复合物的曲线图的曲线图（Toth等人,2005,J Am ChemSoc127:799-805）。然而，Gd³⁺超短单壁碳管（钆基纳米管）的曲线图（Ananta等人,2010,Nature nanotechnology5:815-821）具有类似于由插入Mn²⁺的石墨和石墨烯化合物观测到的特征的特征，即弛豫度随磁场减小而增加，在小于10MHz的磁场下增加较大。钆基纳米管在较低磁场（<10MHz）下的曲线图最类似于石墨烯纳米带的曲线图。

考虑Solomon-Bloembergan-Morgan（SBM）方程式组（参看下文）以给出关于诸如水质子与造影剂的相互作用、造影剂的磁性性质和造影剂的分子动力学的因素如何影响水质子在大于0.1特斯拉的磁场下的弛豫速率的最佳理论描述（Merbach等人,2001,The Chemistry ofContrast Agents in Medical Magnetic Resonance Imaging:John Wiley&Sons.第471页）。广泛接受的是，有三种类型的水分子可以受MRI CA影响：(a)直接配位到CA的顺磁性金属中心的水分子被称为内层水分子；(b)不配位到造影剂的磁性金属中心但化学结合到CA的其他分子（如配体、螯合物）的水分子被称为第二层水分子；并且(c)不结合到MRI CA但靠近其扩散的更遥远水分子被称为外层水分子。典型地使用SBM方程式拟合实验核磁弛豫分散（NMRD）曲线图，以确定影响质子弛豫度的这些因素（Aime等人,1998,Chemical Society Reviews27:19-29；Caravan等人,1999,Chem Rev99:2293-2352；Lauffer,1987,Chem Rev87:901-927；和Merbach等人,2001,The Chemistry ofContrast Agents in Medical Magnetic Resonance Imaging:John Wiley&Sons.第471页）。最近的报道表明，对于钆基纳米管来说，支配其在内层水质子中的相互作用的因素（诸如质子/水交换速率）和旋转相关时间造成大多数所观测的r₁弛豫度（Ananta等人,2010,Naturenanotechnology5:815-821）。因此，描述内层相互作用的SBM方程式是主要焦点。图13a-d分别展示氧化石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的NMRD曲线图。还包括各个内层参数的相应最佳拟合、物理上合理的值（在关于其他基于Gd(III)和Mn(II)的化合物所报道的值范围内）。（我们的拟合方法的讨论在下文呈现）。表5列出计算出的参数、其定义和值（表8列出固定参数、其定义和值）。一般来说，SBM方程式在高场（>10MHz）或低场（<0.5MHz）下提供可接受的拟合。总的来说，氧化微米石墨和还原石墨烯纳米片的拟合比氧化石墨烯纳米片和纳米带更准确。这表明SBM方程式对于此处合成的所有化合物来说可能并不是完全令人满意的模型。尽管如此，以下讨论由曲线拟合算法返回的参数，以检查其是否与别处报道的参数一致。

参数Δ²表示顺磁性金属的电子的零场分裂能量。即使在不存在施加场（其通常用以产生塞曼分裂（Zeeman splitting））下，仍可能由于复合物的无规运动和畸变而出现分裂。由这些相互作用产生的场产生能量，其在附近的质子中诱导弛豫。此分裂的相关时间被称为τ_V。这些两个参数对于测定顺磁性中心的有效性来说是重要的。Δ²一般在10¹⁸-10²⁰s^-2范围中。拟合中所见的值完全在接受范围中。τ_V值一般接受为1-100皮秒（Lauffer,1987,Chem Rev87:901-927）。我们所见的值在此范围中。在τ_R（旋转相关时间）的情况下，报道10ps到2ns范围中的值（Aime等人,2002,Journal of Biological InorganicChemistry7:58-67；Lauffer,1987,Chem Rev87:901-927；和Toth等人,2005,J Am Chem Soc127:799-805），而对于钆基纳米管来说，也报道落入纳秒到微秒范围中的值（Ananta等人,2010,Naturenanotechnology5:815-821）。关于微米石墨和石墨烯样品所获得的结果在纳秒时间级中。参数q表示内层内快速交换水分子的数目，并且对于所有样品来说其值都是8。这些值落于关于各种顺磁性复合物获得的q值（在1与6之间）范围外。然而，关于钆基富勒烯已经报道高达20的q值（Toth等人,2005,J Am Chem Soc127:799-805）。关于石墨烯内的锰插入的理论研究暗示锰以1-3个配位键与石墨烯的配位（Mao等人,2008,Nanotechnology19:205708）。假设大多数插入的石墨烯是呈高自旋态的Mn²⁺，那么配位数目可以在4与8之间，并且因此，水分子的可能配位位点将在1与7个之间，并且由NMRD拟合获得的值接近于此值。另外，EPR结果也指示此值是合理的。参数τ_Μ（水停留寿命）对弛豫度具有双重作用。一方面，水分子停留在内层中越久，顺磁性中心可以影响其自旋越长时间。然而，如果其停留时间太长，那么其限制其他水分子配位到顺磁性金属中心的能力，并且会降低总体弛豫度。因此，最优弛豫度在可能的极端之间的某处。文献报道展示宽广范围τ_Μ值。小分子复合物一般在11-100ps范围中，而诸如顺磁性脂质体（Hak等人,2009,European Journal ofPharmaceutics and Biopharmaceutics72:397-404）、钆基富勒烯（Toth等人,2005,J Am Chem Soc127:799-805）、钆基纳米管（Ananta等人,2010,Nature nanotechnology5:815-821）的大分子具有100-500ns之间的值。拟合中所见的值范围在几到几百纳秒之间。为了确证此数据，在14T下进行¹⁷O测量，并且通过分析数据根据Swift与Connick理论（参看下文）来估计水交换相关时间（τ_Μ）（Swift等人,1962,J ChemPhys37:307）。估计所有样品在27℃下的τ_Μ值都是几百ns。虽然这些值对于氧化微米石墨和氧化石墨烯纳米片来说由从NMRD拟合获得的τ_Μ值充分确证，但其比还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的值大100倍。通过对这些两种样品的τ_Μ值（在几百纳秒下）进行拟合而获得的NMRD拟合在还原石墨烯纳米片的情况下给出良好拟合和其他参数的合理值，然而，关于石墨烯纳米带获得不良拟合（参看图23）。水质子与顺磁性金属离子（在此情况下是Mn²⁺离子）之间的分隔距离r_MnH在SBM方程式中升为6次幂。因此，其对弛豫度具有极大影响，距离越短，影响越大。在此研究中，我们发现允许参数稍微变化而非使其固定在最常报道的2.9埃的值（Troughton等人,2004,Inorg Chem43:6313-6323）。我们获得的拟合值在任何情况下都极接近于标称值，但由于SBM方程式对于此值的极端灵敏度，允许改善的拟合。

已经开发多种方法，其中已经改变了影响弛豫机制的以上因素，以设计新的高效率基于Mn²⁺的或基于Gd³⁺的T₁MRI CA（表6）。这些方法集中在改变以下参数中的一种或多种：(1)增加内层水分子的数目（q）；(2)减小内层水停留时间（τ_M），并且增加造影剂（CA）的旋转相关时间（τ_R）；(3)在设计螯合物时通过改变结合角和定向减小r_MnH（Caravan等人,2009,Contrast Media Mol Imaging4:89-100）。在基于Mn²⁺的大分子造影剂的情况下，在20MHz下，与不具有任何螯合物或与各种小分子多羧酸配体螯合的Mn²⁺离子（其展示4-10mM^-1s^-1之间的r₁值）相比，已经报道了高达55mM^-1的r₁值。在这些研究中控制的两个参数是τ_M和/或τ_R。此研究的结果引入一种新颖通用方法来增强r₁弛豫度，该方法通过将顺磁性金属限定在石墨烯薄片之间，使得特征参数q、τ_R和τ_M相应地改进。结果表明，石墨烯薄片内顺磁性金属离子的限定（插入）而非石墨碳粒子的尺寸、形状或结构是增加弛豫度的关键决定因素，并且因此将顺磁性离子的纳米限定确定为用以开发金属离子石墨-碳复合物作为高弛豫度MRI CA的新颖通用策略。

这些实施例中报道的石墨和石墨烯结构的生理化学表征和有前途的弛豫度结果为用以评估其作为MRI CA的安全性和功效的体外和体内研究开辟了途径。根据最近报道，在美国，2750万例临床MRI程序中的约43%使用CA，并且预计MRI CA市场在2012年增长到$18.7亿（(2011)Imaging Agents.Global Industry Analysts,Inc:http://www.strategyr.com/Imaging_Agents_Market_Report.asp）。大多数临床MRI CA是基于钆（Gd³⁺）离子的T₁顺磁性CA，其增强MR信号以产生明亮阳性造影。患有严重肾病或肝移植之后的一些患者中的肾源性系统纤维化（NSF）的最近发现已经产生了问题，导致食品与药品管理局（FDA）对于临床使用基于Gd³⁺离子的MRI CA加以约束（US FDA Information on gadolinium-containing contrast agents2008,http://wwwfdagov/cder/drug/infopage/gcca/）。早期报道为用于MRI的顺磁性造影材料的实例的锰已经再次受到关注作为钆的可能替代物（Pan等人,2010,Revisiting an old friend:manganese based MRIcontrast agents.Wiley Interdisciplinary Reviews:Nanomedicine andNanobiotechnology）。不同于镧系元素，其是类似于Ca²⁺的天然细胞成分，并且通常充当酶和受体的调节辅因子。正常每日饮食中锰需求是0.1-0.4毫克，而正常血清水平是1纳摩尔。锰毒性仅在长期暴露之后或在高浓度导致神经症状时有报道（Pan等人,2010,Revisiting anold friend:manganese based MRI contrast agents.Wiley InterdisciplinaryReviews:Nanomedicine and Nanobiotechnology）。因此，在此研究中报道的对微米和纳米粒子的进一步开发可以导致开发一类新Mn²⁺-碳纳米结构复合物作为高功效MRI CA。

表3a：氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的固体样品的EPR参数.

表3b：氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的水性样品的EPR参数.

表4：分散在1%Pluronic F127溶液中的氧化石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带与临床上使用的MRI造影剂相比的弛豫度.

Sigma-Aldrich I Certificate of Analysis-MWCNT

Rohrer等人,2005,Investigative Radiology40:715-724

表5：代表SBM方程式的最佳拟合的计算出的参数.

表6：基于Mn²⁺的或基于Gd³⁺的T₁MRI造影剂的弛豫度（r₁）和影响弛豫机制的主要SBM参数。

¹Lauffer,1987,Chem Rev87:901-927

²Hak等人,2009,European Journal of Pharmaceutics andBiopharmaceutics72:397-404

³Troughton等人,2004,Inorg Chem43:6313-6323

⁴Pan等人,2010,Revisiting an old friend:manganese based MRIcontrast agents.Wiley Interdisciplinary Reviews:Nanomedicine andNanobiotechnology

⁵Bryant等人,1999,Journal of Magnetic Resonance Imaging9:348-352

⁶Datta等人,2009,Accounts Chem Res42:938-947

⁷Richard等人,2008,Nano Letters8:232-236

⁸Manus等人,2009,Nano Letters10:484-489

⁹Toth等人,2005,J Am Chem Soc127:799-805

¹⁰Kato等人,2003,J Am Chem Soc125:4391-4397

¹¹Fatouros等人,2006,Radiology240:756-764

¹²Sitharaman等人,2005,Chem Commun:3915-3917

¹³Ananta等人,2010,Nature nanotechnology5:815-821

结构、化学和元素分析

1.结构表征和拉曼分析

在80kV下对氧化微米石墨样品进行扫描电子显微术（SEM，JSM5300，JEOL）以表征其尺寸和结构。使用高分辨率分析透射电子显微镜（JEOL JEM2010F（FEG-TEM））对石墨烯纳米片和纳米带样品进行高分辨率透射电子显微镜术（TEM）成像分析。在200kV加速电压下进行成像。通过将干粉末分散于1:1乙醇:水中形成均质混合物来制备TEM样品。然后将悬浮液沉积到覆盖有微栅碳膜的300目Cu网上。为进行像差（C_s）校正的TEM表征，在配备有用于物镜的球面像差校正器的、在80kV下操作的Titan cubed300-60kV中进行实验。图像通常记录0.4秒。在此情况下用以收集光谱的电子能量损失光谱（EELS）检测器是Tridiem。使用Thermo Scientific DXR拉曼共聚焦显微镜在530nm二极管激光激发波长和室温下在200到3000cm^-1之间进行石墨、氧化石墨和所有石墨烯样品的拉曼光谱分析。

图14a展示氧化微米石墨粒子的扫描电子显微图像。图像指示，氧化微石墨粒子以碎裂结构形式存在，并且具有3-4μm之间的尺寸（碎裂结构的最长长度），平均尺寸是2.5μm。图14b和14c分别展示还原石墨烯纳米片的代表性低和高倍TEM图像，其提供其结构和形态信息。石墨烯纳米粒子的结构性质类似于关于石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的大规模制造的最近报道（Stankovich等人,2006,Journalof Materials Chemistry16:155-158；Stankovich等人,2007,Carbon45:1558-1565；Stankovich等人,2006,Carbon44:3342-3347；Li等人,2008,Nature nanotechnology3:101-105；Kosynkin等人,2009,Nature458:872-876；Higginbotham等人,2010,ACS nano4:2059-2069；Geng等人,2009,Journal of colloid and interface science336:592-598）。如图14b中所示，还原石墨烯纳米片是圆形的，平均宽度是约20nm。一些片显得比其他片更暗，并且这是由于多层石墨烯薄片的存在。较浅的几乎透明的片是单或双层石墨烯薄片。图14c展现个别石墨烯薄片的原子晶格边缘结构；晶格网格线和六边形碳原子环清楚可见（Lu等人,2009,Nano Research2:192-200）。分散在Si衬底上的还原石墨烯纳米片的AFM截面分析展现约1.137nm的均匀厚度（图14g）。原始石墨烯薄片具有0.34nm的原子层厚度（Van der Waals）。石墨烯纳米片结构中具有羧基和羟基的共价键的存在和sp³碳原子的移位据报道是厚度增加的原因（Stankovich等人,2007,Carbon45:1558-1565）。氧化石墨烯纳米粒子展示类似尺寸和结构（图14f）。

图14d和e分别展示石墨烯纳米带的代表性低和高倍TEM图像。如图14d中所示，石墨烯纳米带已经充分展开了石墨烯薄片的层。图14e中的高分辨率TEM图像清楚显示，纳米带由于成功展开MWCNT的同心壁而是多层的（箭头）。氧化石墨烯纳米带结构显得大多均匀并且光滑，缺陷极少。起始材料MWCNT具有40-70nm的外径和500-2000nm的长度。因为MWCNT是圆柱体，所以在展开时，其应该完全打开以具有约125-220nm（π×直径）的宽度和500-2000nm的长度。TEM图像的分析指示，石墨烯纳米带的宽度是约120nm，其比MWCNT的最外管的外径70nm大，证明了展开过程。然而，此宽度稍小于完全平坦带所需的范围（125-220nm），表明，石墨烯纳米带在展开时可能并不是完全平坦薄片，而是保留MWCNT的一定弯曲。TEM图像还显示，石墨烯纳米带具有类似于MWCNT的约600-2000nm的长度。

图15a展示氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片的拉曼光谱。还包括原始微米石墨的拉曼光谱作为对照。原始微米石墨的光谱展示1581cm^-1下的主尖峰，指示G带，这归因于双重退化区中心E2_g模式（Tuinstra等人,1970,Raman spectrum of graphite.The Journal of Chemical Physics53:1126）。在氧化石墨的情况下，G带变宽，并且存在达1595cm^-1的峰移位。此外，区边界声子产生1345cm^-1下的D带，其变得显著，指示无序sp²域的增加和因氧化所致的晶体尺寸减小。由于石墨的氧化，D与G峰的强度比（I_D/I_G）有从石墨的0.407到氧化石墨的1.2的增加（Tuinstra等人,1970,Ramanspectrum of graphite.The Journal of Chemical Physics53:1126）。氧化石墨烯纳米片和还原石墨烯纳米片的光谱分别展示I_D/I_G达1.3和1.44的进一步增加。在还原石墨烯纳米片的情况下，D和G带的峰移位得更接近于石墨的值（分别是1330cm^-1和1590cm^-1），表明氧在还原期间的去除和sp²碳原子的一定恢复。然而，I_D/I_G比与氧化石墨烯纳米片相比更高，可能由于sp²域的平均尺寸的减小以及所述小尺寸无序域数目的增加（Stankovich等人,2007,Carbon45:1558-1565）。

图15b展示石墨烯纳米带和MWCNT的拉曼光谱。石墨烯纳米带的光谱具有宽G带，其与MWCNT相比在1600cm^-1下红移，并且具有1310cm^-1下的主D带。类似于先前报道，I_D/I_G值有从MWCNT的0.045到石墨烯纳米带的1.57的增加（Kosynkin等人,2009,Nature458:872-876）。石墨烯纳米带的G带的红移是由于MWCNT的氧化展开，并且类似于氧化石墨烯纳米片的光谱因石墨的氧化所致的移位（图15a）。

还原石墨烯纳米片的拉曼光谱还展示约657cm^-1、370cm^-1和320cm^-1下的其他峰（图15c）。为了鉴别这些峰，拉曼光谱拉曼光谱数据库搜寻（使用RRUFF^TM项目集，http://rruff.info/R040090）将峰归因于黑锰矿（Mn₃O₄）；一种含有二价和三价锰的复合氧化物。黑锰矿是最稳定的锰氧化物，并且在煅烧锰的任何其他氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐或硫酸盐时形成（Southard等人,1942,Journal of theAmerican Chemical Society64:1769-1770；Ursu等人,1986,Journal ofPhysics B:Atomic and Molecular Physics19:L825；和Bie等人,2010,Solid State Sciences12:1364-1367）。在我们的情况下，合成还原石墨烯纳米片期间的高温（约100℃）加热可以导致黑锰矿形成。黑锰矿峰的检测对样品的定向和样品斑点尺寸灵敏，指示其以极少量存在。样品的EPR光谱（参看图11和12）也检测不到任何Mn(III)离子，进一步确证，黑锰矿与二价锰氧化物相比以相对少量存在。

不同于还原石墨烯纳米片，在氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片或纳米带样品的拉曼光谱中未检测到黑锰矿峰。氧化和还原石墨烯纳米片的电子能量损失光谱分析（EELS）检测锰和氧（图16）。然而，石墨烯纳米带的EELS光谱分析（在中心或边缘）未展示任何锰。另外，所有样品（氧化微石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带）的痕量元素分析（表7a-b）检测出锰的存在。因此，拉曼光谱分析结果与EELS和元素分析测量一起表明，在氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的情况下，呈硫酸锰或氧化锰形式的二价锰可以插入在石墨烯层之间，这是因为高锰酸钾与硫酸的反应导致形成二价锰。另外，对于还原石墨烯纳米片来说，痕量黑锰矿可以插入在石墨烯层之间（Sorokina等人,2005,Russian Journal of General Chemistry75:162-168）。

2.元素分析

在两个微分析分析测试实验室（Columbia Analytical Services,Tucson,AZ和Galbraith Laboratories,Inc.,Knoxville,TN）通过感应耦合等离子体光学发射光谱分析（ICP-OES）来分析固体和液体石墨烯纳米片和纳米带样品，以证实锰和钾并且测定其浓度。另外，对石墨烯纳米带样品进行铁含量分析，这是因为在MWCNT（起始材料）制备中使用铁作为催化剂。为了ICP分析，用浓HNO₃处理固体和液体石墨烯纳米片和纳米带样品（已知重量和浓度），并且仔细加热，以获得固体残余物。接着将其用30%H₂O₂处理，并且再次加热，以去除任何碳材料。将剩余固体残余物溶解于2%HNO₃中，并且通过ICP分析。

表7a和7b分别呈现氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的固体和水性样品的痕量元素分析。对于固体样品（表7a）来说，因为在制备这些纳米粒子中使用高锰酸钾，所以分析这些样品中的钾和锰浓度。另外，还对石墨烯纳米带进行铁元素分析，这是因为在用于石墨烯纳米带制备的起始材料MWCNT中存在铁催化剂。所有固体样品都展示0.22-0.52重量%之间的钾。石墨烯纳米带与其他固体样品（其展示3.84-5.11重量%之间的锰）相比展示至少低4倍的量的锰（0.93重量%）。对于水性样品（表7b）来说，分析所有样品的锰浓度，这是因为其为计算这些样品的弛豫度所需。对于石墨烯纳米带溶液来说，还进行铁元素分析，这是由于其也可能对所计算的弛豫度值有贡献。所有水性样品中的锰浓度都在0.27-1.48ppm之间可变。浓度值的此宽范围是由于不同样品于1%Pluronic F127溶液中形成稳定悬浮液的可变倾向（参看关于质子弛豫度测量的方法部分）。在石墨烯纳米带的水性溶液中未检测到铁。铁的此未检测出可能是由于以下原因。用于弛豫度的石墨烯纳米带的浓度是10μg/ml。使用300μl体积溶液用于弛豫度实验和痕量元素分析。因此，石墨烯纳米带的总量是3μg。如果我们将Fe浓度视为3μg的0.005%，那么Fe的量将是0.15ng，这远低于ICP系统的检测极限（检测极限是约1ng）。

3.弛豫度的Solomon-Bloembergan-Morgan理论

以下是SBM方程式组（Toth等人,2001,The Chemistry of ContrastAgents in In:Merbach A,Toth E编.The Chemistry of Contrast Agents inMedical Magnetic Resonance Imaging:Wiley）。

$R_1=\frac{P_M}{\left[\mathrm{Mn}\right]}\frac{q}{T_{1m}+{\mathrm{\&tau;}}_m}---\left(1\right)$

$R_2=\frac{P_M}{\left[\mathrm{Mn}\right]}\frac{q}{T_{2m}+{\mathrm{\&tau;}}_m}---\left(2\right)$

其中P_m，Mn的摩尔分数，在方程式13中定义。

T_1m和T_2m，净质子弛豫时间，由下式给出：

$\frac{1}{T_{1m}}=C_{\mathrm{DD}}(\frac{3{\mathrm{\&tau;}}_{c1}}{1+{\left({\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{\&tau;}}_{c1}\right)}^2}+\frac{7{\mathrm{\&tau;}}_{c2}}{1+{\left({\mathrm{\&omega;}}_S{\mathrm{\&tau;}}_{c2}\right)}^2})+\frac{2}{3}S(S+1){\left(\frac{A}{h}\right)}^2(1+\frac{{\mathrm{\&tau;}}_e}{1+{\mathrm{\&omega;}}_S^2{\mathrm{\&tau;}}_e^2})---\left(3\right)$

$\frac{1}{T_{2m}}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{DD}}(4{\mathrm{\&tau;}}_{c1}+\frac{3{\mathrm{\&tau;}}_{c1}}{1+{\left({\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{\&tau;}}_{c1}\right)}^2}+\frac{13{\mathrm{\&tau;}}_{c2}}{1+{\left({\mathrm{\&omega;}}_S{\mathrm{\&tau;}}_{c2}\right)}^2})---\left(4\right)$

C_dd含有支配偶极-偶极相互作用的物理常数：τ_c1

$C_{\mathrm{DD}}=\frac{2}{15}\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1^2{g}^2{\mathrm{\&mu;}}_B^2}{r_{\mathrm{Gd}-H}^6}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^{2}S(S+1)---\left(5\right)$

顺磁性中心的弛豫有效性是：

$\frac{1}{T_{1e}}=\frac{1}{50}[4S(S+1)-3]{\mathrm{\&Delta;}}^2{\mathrm{\&tau;}}_v[\frac{1}{1+{\mathrm{\&tau;}}_v^2{\mathrm{\&omega;}}_S^2}+\frac{4}{1+4{\mathrm{\&tau;}}_v^2{\mathrm{\&omega;}}_S^2}]---\left(6\right)$

$\frac{1}{T_{2e}}=\frac{1}{25}[4S(S+1)-3]{\mathrm{\&Delta;}}^2{\mathrm{\&tau;}}_v[3+\frac{5}{1+{\mathrm{\&tau;}}_v^2{\mathrm{\&omega;}}_S^2}+\frac{2}{1+4{\mathrm{\&tau;}}_v^2{\mathrm{\&omega;}}_S^2}]---\left(7\right)$

如前，从顺磁性中心经由偶极-偶极相互作用向H质子的转移效率由相关时间τ_c1和τ_c2介导，所述相关时间由下式给出：

$\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_{c1}}=\frac{1}{T_{1c}}+\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_R}+\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_m}---\left(8\right)$

$\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_{c2}}=\frac{1}{T_{2c}}+\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_R}+\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_m}---\left(9\right)$

对于标量相互作用来说，有关相关时间是τ_e，其由下式给出：

$\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_e}=\frac{1}{T_{2e}}+\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_2}---\left(10\right)$

最终，我们拥有

ω_I=2πv_I   (11)

和

ω_S=658ω_I=658(2πv_I)   (12)

其中ω_I和ω_S分别是顺磁性金属电子自旋和水质子核自旋的拉莫频率。

P_M是锰（Mn⁺²）相对于Mn⁺²和水（H₂O）的摩尔总数的摩尔分数。此处所用的Mn⁺²浓度是1mM。

$P_M=\frac{m_{\mathrm{Mn}}}{m_{\mathrm{Mn}}+m_{H_{2}O}}\&ap;\frac{m_{\mathrm{Mn}}}{m_{H_{2}O}}=\frac{{10}^{-3}}{55.56}=1.8\&times;{10}^{-5}---\left(13\right)$

以上方程式中的剩余物理常数以下在表8中给出。

顺磁性复合物改善弛豫度的机制是经由将顺磁性离子的电子自旋与质子自旋耦合。此耦合通过两种主要方法来进行：标量（通过键）和偶极-偶极（DD）（通过空间）相互作用。DD相互作用一般更强，但取决于顺磁性离子的自旋系统的定向相对于水分子中的H原子的定向。因为分子相对于彼此连续翻滚，所以旋转相关时间τ_R（其大体上是分子相对于彼此以一弧度旋转的时间的量度）是DD相互作用的一个重要因素。τ_R越长，顺磁性中心的影响越有效。然而，对于标量耦合来说，物理定向是无关的，这是由于影响通过化合物的键施加。出于此原因，τ_R存在于以上方程式8和9中，所述方程式分别支配T₁和T₂的DD相互作用，但不存在于方程式10中，该方程式支配标量相互作用。相互作用的总强度是DD和标量贡献的总和，并且反映在方程式3中，其中第一项表示DD贡献，并且第二项是标量贡献。

模型化内层的贡献的一个关键因素是确定在任何既定时间可以结合到顺磁性中心的水分子的数目。方程式1告诉我们，弛豫度与此水合数目q直接成正比。从方程式1显而易见的另一点是，除了造影剂的浓度之外，弛豫度r₁和r₂分别由所结合内层水分子的总弛豫时间T_1m和T_2m和停留寿命τ_m（水分子在剥离和替换为另一水分子之前保持结合到顺磁性中心的时间长度）测定。转而，因子T_1m和T_2m取决于因子T_1e和T_2e，其是顺磁性中心的电子弛豫时间。这些分别在方程式6和7中对于纵向和横向情况定义，并且尤其取决于所施加的场。弛豫度从顺磁性中心的电子向质子的转移的有效性对于DD情况由方程式8和9支配，并且对于标量情况由方程式10支配。除了顺磁性试剂的强度之外，方程式8和9告诉我们，由造影剂的电子产生的RF场向质子的转移的有效性对于总体弛豫度也是一个关键因素。此转移由翻滚时间τ_R和停留寿命τ_m介导。这些时间越长，转移越有效。

使用最小二乘算法（

中的FindFit）将SBM方程式拟合到实验数据。使用约束以限制可能的解，这是由于曲线拟合算法对于产生物理上不可实现或无意义的解来说是臭名昭著的。还将数据拟合到Levenberg-Marquardt算法，其产生更好拟合，但返回的参数通常是荒谬的，诸如负值和/或与接受值相差多个数量级。因为Levenberg-Marquardt算法不能在预设约束下使用，所以使用FindFit函数的最小化选项，其允许使用约束，并且快速返回结果。还应该注意，虽然拟合NMRD数据，但由算法返回的参数可以仅表示局部最小值而非全局最小值。可能的是，可以存在更好的解。然而，这些解非常难以定位和验证。另外，对一个参数的轻微调整可能导致其他参数的宽泛浮动变化。

进行众多曲线拟合实验以最好地分析此处报道的四种样品中每一种的NMRD数据。在允许浮动并且由曲线拟合算法计算的变量的数目与假设固定并且已经通过其他手段测定的数目之间存在权衡。一些变量的独立确证一般产生那些参数的更准确的值，但可能不利地影响拟合的紧密性。相反，允许算法找到所有参数通常导致极佳的拟合，但偶尔导致物理上无意义的结果，包括时间的负值。为了限制这些出现，我们一般在算法的运行期间约束所要的参数以位于物理上合理的范围内。

为了确证一些SBM参数，我们通过EPR和¹⁷O横向弛豫速率测量独立地测定q和τ_M的值。获得的q的值对于所有样品来说都是8，并且τ_M的值是氧化石墨=200ns，氧化石墨烯纳米片=500ns，还原石墨烯纳米片=350ns，并且石墨烯纳米带=400ns。

获得q=8的最佳拟合，其通过EPR测量确证。然而，我们已经考虑了以下可能性，其中Mn(II)离子配位到石墨烯薄片或氧原子，并且还获得q=2、4和6以及使q值浮动的拟合。

采用以下拟合策略。

1.使所有SBM参数都浮动（图18）。

2.将Q固定在2，使剩余SBM参数浮动（图19）。

3.将Q固定在4，使剩余SBM参数浮动（图20）。

4.将Q固定在6，使剩余SBM参数浮动（图21）。

5.将Q固定在8，使剩余SBM参数浮动（图22）。

6.将Q固定在8，固定Tm，使剩余SBM参数浮动（图23）。

4.¹⁷O横向弛豫速率测量

使用Bruker Avance500光谱仪用于¹⁷O测量。实验设定是：无样品自旋，光谱宽度10kHz，90°脉冲，获取时间25ms，并且256次扫描。使用同轴插入含有实验样品的5mm管中的毛细管中含有的CD₃CN以进行场频锁。通过添加¹⁷O增浓的水（10%H₂ ¹⁷O）使实验溶液¹⁷O同位素增浓（达3%），以改善检测灵敏度。测量水¹⁷O信号在一半高度下的线宽，并且使用此值以计算¹⁷O横向弛豫速率测量（R₂=π×一半高度下的线宽）。使用Swift与Connick理论从分散在¹⁷O水中的四种样品的横向弛豫速率的温度依赖性（在15-80℃之间）的分析估计水交换相关时间（τ_Μ）（Swift等人,1962,J Chem Phys37:307）。在27℃下，四种样品的τ_Μ值如下。氧化石墨=200ns，氧化石墨烯纳米片=500ns，还原石墨烯纳米片=350ns，并且石墨烯纳米带=400ns。

表7a：氧化微米石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的固体样品的痕量元素分析。各个批次之中的标准差是10%。

表7b：氧化微石墨、氧化石墨烯纳米片、还原石墨烯纳米片和石墨烯纳米带的水性样品的痕量元素分析。所呈现的值是一批样品的。

样品	锰（ppm）
		水性氧化石墨	0.82
水性氧化石墨烯纳米片	1.48
		水性还原石墨烯纳米片	0.60
水性石墨烯纳米带	0.27

表8SBM方程式中是固定常数或独立地确定的物理量的参数值的列表

表9.从曲线拟合获得的SBM参数，所有参数都浮动.

表10.从曲线拟合获得的SBM参数，固定Q=2并且允许剩余SBM参数浮动.

表11.从曲线拟合获得的SBM参数，固定Q=4并且允许剩余SBM参数浮动.

表12.从曲线拟合获得的SBM参数，固定Q=6并且允许剩余SBM参数浮动.

表13.从曲线拟合获得的SBM参数，固定Q=8并且允许剩余SBM参数浮动.

表14.用以获得曲线拟合的SBM参数，固定Q=8并且固定Tm值.

本文引用的所有参考文献都以全文引用方式并入并且用于所有目的，其程度如同每个个别出版物或专利或专利申请被具体并且个别地指示出于所有目的以全文引用方式并入般相同。

如将对本领域技术人员显而易见，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对其进行多种修改和改变。本文描述的具体实施方案仅以实施例方式提供，并且本发明仅由随附权利要求书的条款以及所述权利要求书所授权的相等物的全部范围限制。

Claims (46)

1.一种磁性组合物，其包含磁性金属和类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构。

2.根据权利要求1所述的磁性组合物，其中所述石墨纳米或微米结构具有5μm或更小的厚度。

3.根据权利要求1所述的磁性组合物，其具有约10mM^-1s^-1或更大的弛豫度r1。

4.根据权利要求3所述的磁性组合物，其具有约20mM^-1s^-1或更大的弛豫度r1。

5.根据权利要求3所述的磁性组合物，其具有约45mM^-1s^-1或更大的弛豫度r1。

6.根据权利要求2所述的磁性组合物，其中所述石墨纳米或微米结构具有1μm到5μm的厚度。

7.根据权利要求1所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯纳米结构具有约20nm或更小的厚度。

8.根据权利要求7所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯纳米结构包含1到12个原子碳层。

9.根据权利要求8所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯纳米结构包含1个原子碳层。

10.根据权利要求8所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯纳米结构包含2个原子碳层。

11.根据权利要求7所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯纳米结构选自由以下组成的组：碳纳米片和碳纳米带。

12.根据权利要求11所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯碳纳米结构是具有5nm到100nm范围中的平均直径的碳纳米片。

13.根据权利要求12所述的磁性组合物，其中所述碳纳米片具有约20nm的平均直径。

14.根据权利要求12所述的磁性组合物，其中所述碳纳米片具有约50nm的平均直径。

15.根据权利要求7所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯纳米结构是具有1nm到250nm范围中的平均宽度和200到5000nm范围中的平均长度的碳纳米带。

16.根据权利要求15所述的磁性组合物，其中所述碳纳米带具有约120nm的平均宽度和600到2000nm范围中的平均长度。

17.根据权利要求7所述的磁性组合物，其中所述碳纳米片是氧化纳米片。

18.根据权利要求1所述的磁性组合物，其中所述磁性金属选自由以下组成的组：Mn、Gd和Fe。

19.根据权利要求18所述的磁性组合物，其中所述磁性金属是Mn。

20.根据权利要求19所述的磁性组合物，其中所述Mn以Mn氧化物形式存在。

21.根据权利要求20所述的磁性组合物，其中所述Mn氧化物包含二价和/或三价Mn。

22.根据权利要求21所述的磁性组合物，其中所述Mn氧化物包含黑锰矿。

23.根据权利要求19所述的磁性组合物，其以1ppb到10⁶ppm范围中的量包含Mn。

24.根据权利要求23所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯纳米结构是碳纳米片，并且其中所述磁性组合物以10⁶到10⁷ppm范围中的量包含Mn。

25.根据权利要求24所述的磁性组合物，其中所述磁性组合物以约5×10⁶ppm的量包含Mn。

26.根据权利要求23所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯纳米结构是碳纳米带，并且其中所述磁性组合物以10²到10³ppm范围中的量包含Mn。

27.根据权利要求26所述的磁性组合物，其中所述磁性组合物以5×10²ppm的量包含Mn。

28.根据权利要求18所述的磁性组合物，其中所述磁性金属是Gd。

29.根据权利要求18所述的磁性组合物，其中所述磁性金属是Fe。

30.根据权利要求1所述的磁性组合物，其包含Mn和Fe两者。

31.根据权利要求30所述的磁性组合物，其中所述类石墨烯纳米结构是碳纳米带。

32.根据权利要求1所述的磁性组合物，其进一步包含连接到所述类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构的水增溶部分。

33.根据权利要求32所述的磁性组合物，其中所述水增溶部分共价连接到所述类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构。

34.根据权利要求32所述的磁性组合物，其中所述水增溶部分选自由以下组成的组：连接到所述类石墨烯纳米结构或石墨纳米或微米结构的丙二酸和丝氨醇丙二酰胺。

35.一种用于磁共振成像的组合物，其包含(i)足量的根据权利要求1到34中任一项所述的磁性组合物；和(ii)一种或多种生理学上可接受的载剂或赋形剂。

36.一种对受试者进行磁共振成像的方法，其包含

(a)向所述受试者投予足量的根据权利要求1到34中任一项所述的磁性组合物；和

(b)使用磁共振成像装置使所述受试者成像。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述受试者是哺乳动物。

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述哺乳动物是人类。

39.一种根据权利要求1到34中任一项所述的磁性组合物的用途，其用于对受试者进行磁共振成像。

40.一种制造磁性组合物的方法，该磁性组合物包含磁性金属和类石墨烯碳纳米结构，该方法包含

(a)用硫酸H₂SO₄、硝酸钠NaNO₃、MnCl₂和高锰酸钾KMnO₄的混合物处理石墨；和

(b)超声处理步骤(a)中获得的产物悬浮液，从而制造所述磁性组合物。

41.根据权利要求40所述的方法，其进一步包含

(c)用还原剂处理所述磁性组合物。

42.根据权利要求41所述的方法，其中所述还原剂是水合肼。

43.一种制造磁性组合物的方法，该磁性组合物包含磁性金属和类石墨烯碳纳米结构，该方法包含

(a)用硫酸H₂SO₄、MnCl₂和高锰酸钾KMnO₄处理多壁碳纳米管。

44.根据权利要求43所述的方法，其中所述步骤(a)通过一种方法来进行，该方法包含

(a1)将所述多壁碳纳米管悬浮于H₂SO₄中；

(a2)添加KMnO₄和MnCl₂；和

(a3)加热步骤(a2)中获得的混合物。

45.根据权利要求44所述的方法，其中在步骤(a3)中将所述混合物加热到55-70℃。

46.根据权利要求40到45中任一项所述的方法，其进一步包含使所述磁性组合物水增溶。

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