CN103933904A

CN103933904A - Fe3O4核SiO2壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法

Info

Publication number: CN103933904A
Application number: CN201410147748.4A
Authority: CN
Inventors: 汪联辉; 宋春元; 闵令华; 黄维
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-04-14
Also published as: CN103933904B

Abstract

本发明公开了一种Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，以水热共沉积法制备得到的超顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒为核，提纯后分散于碱性乙醇水溶液中，然后向溶液中加入正硅酸四乙酯（TEOS），通过控制TEOS的加入量实现对核壳型磁性纳米颗粒中包覆的Fe₃O₄纳米颗粒核数量进行调控，制备得到饱和磁化强度可调的核壳纳米颗粒；此外，通过向核壳型磁性纳米颗粒胶体中再次加入TEOS，并控制TEOS的加入量，进一步实现了壳厚的可控生长。

Description

Fe3O4核SiO2壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种纳米结构的可控制备方法，特别涉及一种Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法。

背景技术

近年来磁性纳米材料在细胞治疗、组织修复、药物靶向输运、磁共振成像以及癌症热疗等领域表现出了潜在的、较有前途的生物应用。磁性材料的饱和磁化强度的强弱将决定相关应用的效果。尽管纯的磁性金属材料（如铁、钴、镍）具有更高的饱和磁化强度，但是这些材料具有较高的生物毒性并容易被氧化，因此必须经特定的表面处理，方可在生物医学领域开展应用。相比之下，铁的氧化物对氧化的敏感度很小，能够提供较为稳定的磁响应。近来，纵多研究发现具有超顺磁性的Fe₃O₄具有较为理想的磁特性、以及较好的生物兼容性和相对易于表面功能化，证实该磁性材料具有较好的应用前景。

目前Fe₃O₄纳米材料的合成已经取得了重要进展，但是其实际应用中仍需要进一步改善其生物兼容性和纳米颗粒长期的稳定性，而进行合适的表面修饰是解决这一问题较为可行的方法。磁性纳米颗粒可经有机材料（如聚乙二醇等聚合物）或者无机金属材料（如金）或者氧化物（如二氧化硅等）表面修饰而达到令人满意的分散性。其中，无机的二氧化硅是常用的表面修饰方法，这一方面是二氧化硅自身物理化学稳定性较好，另一方面是由于二氧化硅表面很容易经含有不同基团的硅烷化试剂表面功能化，如氨基化、羧基化等而得到带有所需要基团的表面，方便后续多样化使用，如经表面羧基硅烷化后可借助羧基与氨基的缩合反应将抗体偶联到颗粒表面，用于高选择性地结合与之具有特异性的目标抗原（即目标分子），然后在外加磁场作用下，实现对靶向抗原的快速、高特异性分离。目前关于Fe₃O₄核SiO₂壳结构的制备方法已有多篇文献进行了报道（①Shao, M., F. Ning, et al. (2012). "Preparation of Fe₃O₄SiO₂ Layered Double Hydroxide Core–Shell Microspheres for Magnetic Separation of Proteins." Journal of the American Chemical Society 134(2): 1071-1077. ②Zhu, Y., E. Kockrick, et al. (2009). "An efficient route to rattle-type Fe₃O₄ SiO₂ hollow mesoporous spheres using colloidal carbon spheres templates." Chemistry of Materials 21(12): 2547-2553. ③Morel, A.-L., S. I. Nikitenko, et al. (2008). "Sonochemical Approach to the Synthesis of Fe₃O₄ SiO₂ Core-Shell Nanoparticles with Tunable Properties." ACS Nano 2(5): 847-856.），但是表面修饰后磁性材料的饱和磁化强度的强弱将决定纳米材料实际应用中的效果，因此如何在制备过程中实现对核壳型磁性纳米颗粒饱和磁化强度及其壳厚的可控制备对于磁性纳米颗粒的应用具有重要意义。已有的报道（M. Stjerndahl, M. Andersson, et al. Superparamagnetic Fe₃O₄/SiO₂ Nanocomposites: Enabling the Tuning of Both the Iron Oxide Load and the Size of the Nanoparticles. Langmuir 2008, 24, 3532-3536.）虽然提出了一种调控方法，即通过调节反应液中水的含量实现壳内负载磁性颗粒数及壳厚的调控（具体方法：先将水和磁性胶体颗粒混合，然后加入到有机表面活性剂溶液（环己烷、曲拉通和己醇混合液）中形成含有磁性颗粒的水/有机微乳液，充分搅匀2天后，将过量的沉积出来的磁性颗粒移出微乳液，然后分次加入TEOS，最后加入氢氧化铵反应2天后离心提纯得到产物），但是步骤复杂，使用的试剂种类繁多，并且颗粒的形貌可控制性、分散性也有待提高。

发明内容

为了实现核壳型磁性纳米颗粒磁性核负载量及壳厚的可控制备，本发明目的在于提供一种Fe₃O₄核SiO₂壳(Fe₃O₄SiO₂)纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法。

本发明采用的技术方案如下：

Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，采用如下制备步骤：

1）将Fe₃O₄磁性纳米颗粒溶于水中，超声分散得到浓度为 10 mg/mL的胶体；

2）将步骤1）中的 Fe₃O₄磁性纳米颗粒胶体加入到乙醇水溶液中，磁力搅拌5~20 min，超声分散10~30 min；Fe₃O₄磁性纳米颗粒胶体（10 mg/mL）与乙醇水溶液的体积比为500 uL：29mL;

3）向步骤2）得到的分散有Fe₃O₄磁性颗粒的乙醇水溶液中加入正硅酸四乙酯TEOS，磁力搅拌5~20 min，超声分散10~30 min，然后加入氨水，于25℃水浴环境下，隔夜磁力搅拌进行水解反应，反应结束，将反应液离心分离提纯，乙醇清洗后得到Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒，然后分散于乙醇中得胶体(1.8 ~6.5 mg/mL)；Fe₃O₄磁性纳米颗粒胶体、正硅酸四乙酯以及氨水的体积比为5：（0.2 ~2）：6；产物中磁性颗粒负载数量从5 ~12颗可调，对应饱和磁化强度为 4.7 ~28.8 emu/g。

4）将步骤3）得到的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒胶体加入到乙醇水溶液中(乙醇与水配置比例25:4)，磁力搅拌5~20 min，超声分散10~30 min；Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒胶体与乙醇水溶液的体积比为1 mL：5.8 mL。

5）向步骤4）的混合液中加入正硅酸四乙酯，磁力搅拌混匀后进行超声分散，然后加入氨水，在25℃水浴环境中磁力搅拌隔夜反应，反应结束，将反应液离心分离提纯，乙醇清洗后得到Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒，壳厚22 ~35 nm可调；Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒胶体、正硅酸四乙酯以及氨水的体积比为100：（1 ~4）：12。

步骤1）所述的Fe₃O₄磁性纳米颗粒直径约为10 ~15 nm。

步骤2）及步骤2）和4）中所述的乙醇水溶液中乙醇与水按体积比25 ：4混合而成。

步骤3）所述正硅酸四乙酯为AR级纯度。

步骤3）及步骤5）中氨水质量浓度为25%。

步骤3）中离心转速7500 ~12000 rpm，离心时间20 min。

步骤5）中离心转速7000 ~9000 rpm，离心时间20 min。

步骤1）-3）通过控制药品投入剂量，可以实现核壳结构中磁性颗粒的附载量。

步骤4）、5）通过控制控制药品投入剂量对以制得的核壳结构的壳厚进行调控。

有益效果

本发明提出一种Fe₃O₄SiO₂核壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，通过该方法可以在对Fe₃O₄磁性纳米颗粒进行SiO₂包壳的同时，实现对核壳型颗粒饱和磁化强度的可调以及壳厚的可控生长。制备条件简单温和、原料价廉易得，操作安全简便。

附图说明

图1 是TEOS加入量为20-200 uL透射电子显微图像。

图2 是TEOS加入量为20-200 uL产物中Fe₃O₄纳米颗粒核的数量统计(40-180 uL产物中核的数量呈线性减少)。

图3a是TEOS加入量为20-200 uL产物的饱和磁化强度。

图3b是TEOS加入量为20-200 uL产物的变化规律。

图4 是二次加入10-40 uL TEOS后产物的透射电子显微图像。

图5 是二次加入10-40 uL后统计得到的二氧化硅壳厚的线性生长规律。

具体实施方式

水热共沉积法制备Fe₃O₄纳米颗粒：

（1）100 ml 三口烧瓶中加入 40 ml 超纯水，80℃油浴中通氮气（氩气）30 分钟；

（2）向三口烧瓶中依次加入 FeCl₃·6H₂O 2.7 g、FeCl₂·4H₂O 1 g，10 ml 注射器快速加入 6 mL 氨水，剧烈搅拌 60 分钟；

（3）4 g 柠檬酸三钠溶于 10 ml 超纯水，滴加入三口烧瓶中，油浴温度升至 90℃，剧烈搅拌 90 分钟后，三口烧瓶从油浴中升起，冷却至室温；

（4）离心水洗四次

一次: 12000 转、20 分钟，保留底部沉淀；

二次: 12000 转、20 分钟，保留底部沉淀；

三次: 4500 转、08 分钟，保留上层悬浊液；

四次: 5500 转、08 分钟，保留上层悬浊液。

实施例1

Fe₃O₄SiO₂核壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，磁性颗粒负载量控制生长采用如下步骤：

（1）取前文描述的水热共沉积法合成得到的直径10~15 nm的Fe₃O₄磁性纳米颗粒溶于超纯水中，超声重新分散得到浓度10 mg/mL的胶体，密封保存；

（2）取25 mL乙醇和4 mL超纯水配置乙醇水溶液，取步骤（1）中的Fe₃O₄纳米颗粒胶体溶液500 uL注入配置好的乙醇水溶液中，磁力搅拌20 min，超声分散30 min；

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入20 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌10 min、超声分散15 min；

（4）向步骤（3）得到的混合液中加入600 uL纯度25%的氨水，在25℃水浴环境中磁力搅拌反应12 h；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图1A）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

实施例2

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入40 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌10 min、超声分散15 min；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图1B）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

实施例3

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入80 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌10 min、超声分散15 min；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图1C）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

实施例4

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入120 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌10 min、超声分散15 min；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图1D）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

实施例5

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入160 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌10 min、超声分散15 min；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图1E）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

实施例6

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入200 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌10 min、超声分散15 min；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图1F）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

在实施例1-6中，通过控制TEOS的加入剂量，可以实现核壳结构中Fe₃O₄颗粒的负载数量实现5 颗~12 颗之间的调控，对应可以控制整个核壳结构的饱和磁化强度为4.7 emu/g–28.8 emu/g。（见图2、图3a、图3b）

实施例7

Fe₃O₄SiO₂核壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，壳厚控制生长采用如下步骤：

（1） 5 mL乙醇与800 uL超纯水混合制备乙醇水溶液；

（2）实施例2中的Fe₃O₄SiO₂核壳结构颗粒胶体溶液取1 mL加至步骤（1）中配置的乙醇水溶液中，磁力搅拌5 min，然后超声分散10 min；

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入10 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌5 min、超声分散10 min；

（4）向步骤（3）得到的混合液中加入120 uL纯度25%的氨水，在25℃水浴环境中磁力搅拌反应12 h；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图4A）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得SiO₂壳层生长加厚的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

实施例8

（1） 5 mL乙醇与800 uL超纯水混合制备乙醇水溶液；

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入20 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌5 min、超声分散10 min；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图4B）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得SiO₂壳层生长加厚的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

实施例9

（1） 5 mL乙醇与800 uL超纯水混合制备乙醇水溶液；

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入30 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌5 min、超声分散10 min；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图4C）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得SiO₂壳层生长加厚的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

实施例10

（1） 5 mL乙醇与800 uL超纯水混合制备乙醇水溶液；

（3）向步骤（2）中得到的混合液中加入40 uL AR级纯度的TEOS，磁力搅拌5 min、超声分散10 min；

（5）步骤（4）反应结束后，Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒（详见图4D）经离心机分离提纯得到，离心机转速12000 rpm，离心时间20 min。用乙醇请洗三次，最终制得SiO₂壳层生长加厚的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒分散于10 mL乙醇中。

实施例7~10说明，已经制备得到的Fe₃O₄SiO₂核壳结构颗粒的SiO₂壳可以进行二次长，二次生长过程中通过控制TEOS投入的剂量，可以实现对SiO₂壳厚度在12 nm~35 nm的范围内进行调控。

Claims

1.Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，其特征在于，采用如下制备步骤：

1）将Fe₃O₄磁性纳米颗粒溶于水中，超声分散得到质量浓度为 10 mg/mL的胶体；

2）将步骤1）中的 Fe₃O₄磁性纳米颗粒胶体加入到乙醇水溶液中，磁力搅拌超声分散；

3）向步骤2）得到的分散有Fe₃O₄磁性颗粒的乙醇水溶液中加入正硅酸四乙酯，磁力搅拌超声分散，然后加入氨水，进行水解反应；反应结束，将反应液离心分离提纯，乙醇清洗后得到Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒，然后分散于乙醇中；

4）将步骤3）得到的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒胶体加入到乙醇水溶液中，磁力搅拌超声分散；

5）向步骤4）的混合液中加入正硅酸四乙酯，磁力搅拌、超声分散，然后加入氨水，搅拌反应，反应结束，将反应液离心分离提纯，乙醇清洗后得到SiO₂壳层生长加厚的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒。

2.根据权利要求1所述的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，其特征在于：步骤1）所述的Fe₃O₄磁性纳米颗粒直径为10~15 nm。

3.根据权利要求1所述的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，其特征在于：步骤2）所述的磁力搅拌5~20 min，超声分散10~30 min；Fe₃O₄磁性纳米颗粒胶体与乙醇水溶液的体积比为500 uL：29 mL。

4.根据权利要求1所述的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，其特征在于：步骤3）所述的磁力搅拌5~20 min，超声分散10~30 min； Fe₃O₄磁性纳米颗粒胶体、正硅酸四乙酯以及氨水的体积比为5：（0.2 ~2）：6，产物中磁性颗粒负载数量从5 ~12颗可调，对应饱和磁化强度为 4.7 ~28.8 emu/g。

5.根据权利要求1所述的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，其特征在于：步骤4）所述的磁力搅拌5~20 min，超声分散10~30 min；Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒胶体与乙醇水溶液的体积比为1 mL：5.8 mL。

6.根据权利要求1所述的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，其特征在于：步骤5）所述的磁力搅拌5~20 min，超声分散10~30 min；Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒胶体、正硅酸四乙酯以及氨水的体积比为100：（1~4）：12；产物Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒的壳厚在22 ~35 nm区间线性可调。

7.根据权利要求1所述的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，其特征在于：步骤3）及步骤5）中正硅酸四乙酯为AR级纯度，氨水质量浓度为25%。

8.根据权利要求1所述的Fe₃O₄核SiO₂壳纳米结构磁性颗粒负载量及壳厚调控方法，其特征在于：步骤3）中离心转速7500 ~12000 rpm，离心时间20 min；步骤5）中离心转速7000 ~9000 rpm，离心时间20 min。