CN104528837A - 稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于氧化铁磁流体制备技术领域，具体涉及一种超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的水相还原合成方法。此种方法利用无机金属水溶性化合物三价铁盐作为铁源，具有还原性的化合物以及与铁具有配位效应的稳定剂作为原料，通过还原反应在水溶液中原位生成四氧化三铁磁流体。此种方法反应条件温和，操作简单、安全，重复性好，消除了传统水相共沉淀方法制备四氧化三铁易团聚，不能均匀分散，对其应用所带来的影响。通过此种方法成功制备了性能稳定的四氧化三铁纳米颗粒，此种纳米颗粒生物相容性好，在水溶液中形成磁流体，可广泛应用于磁共振造影，磁流体热疗，细胞分离、蛋白分离，DNA提纯，免疫检测，磁靶向药物载体等生物医学领域。

Description

稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法

技术领域

本发明属于纳米四氧化三铁磁流体制备技术领域，具体涉及一种稳定的四氧化三铁磁流体的还原制备方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，人们的认知领域已从宏观世界不断地发展到微观世界，进而逐渐形成纳米科学这一新研究方向。纳米科学技术是研究颗粒尺寸在1-100 nm之间物质的结构、变化规律及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米磁性颗粒是20 世纪 80 年代出现的一种新型材料，在细胞分选和标记，蛋白质分离纯化，药物输送，磁共振造影等领域越来越受到重视，成为近年来的研究热点。由纳米级磁性颗粒通过表面活性剂高度地分散、悬浮在载液中形成的稳定胶体体系称为纳米磁流体。即使在重力、离心力和磁场的作用下，磁流体中的纳米磁性颗粒也不发生团聚现象并且能保持性能稳定。在磁场作用下，四氧化三铁随磁场定向移动，从而带动整个胶体溶液运动。为解决宇航服头盔转动部位密封问题和太空失重条件下燃料输送问题，美国 NASA 的S.S.Pappel 教授采用球磨法首次研制成功了纳米磁流体，并获得了世界上第一个制备纳米磁流体的专利。后来日本东北大学下饭坂润三教授也研制成功了磁流体。美国和日本研制成功后，科研人员对磁流体的性能进行了广泛的探索和研究，并把它应用于科学实验和工业装置中。目前，磁流体已成功应用于诸多方面，如医疗器械(造影剂等)、航天、磁性密封、化工、快速磁印刷等等。

作为一种特殊的胶体体系，磁流体具有许多独特的物理化学特性。磁流体的特性由纳米磁性颗粒、表面活性剂和载液性能综合决定。纳米级的四氧化三铁颗粒是一种可以形成磁流体的磁性粒子。当四氧化三铁的粒径小于超顺磁性临界尺寸16 nm时，这种磁性纳米颗粒表现出超顺磁性。但是，未经修饰处理的纳米磁性颗粒表面比较“清洁”，表面能较大，颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团，产生沉积，不能形成磁流体。因此，人们利用各种方法在磁性颗粒表面修饰上稳定剂，也叫表面活性剂，使颗粒接近时排斥力大于吸引力而能分散在载液中，形成四氧化三铁磁流体。表面活性剂包覆在纳米颗粒表面有很重要的作用：1，纳米粒子粒径小，比表面积大，在空气中极易氧化，表面活性剂可以防止颗粒的氧化；2，克服静电力和电偶距相互作用而造成的颗粒聚集；3，可以削弱静磁吸引力；4，改变微粒表面的性质，使磁性颗粒更好的分散在载液中。这些表面活性剂包括油酸、亚油酸、脂肪酸、胺、聚胺类、磷酸衍生物、皂类、长链高分子、十二烷酸、盐类。载液不同，磁性纳米液体的性能和应用也不同，载液主要包括硅油、水、辛烷、甲苯、十氢化萘、煤油、润滑油、真空油、水银、烃类、酯类、聚苯醚等。

目前，关于四氧化三铁纳米颗粒的制备方法有物理法、化学法和生物法。采用物理法制备四氧化三铁纳米粒子的优点是结晶性好、粒度易控、产物纯度较高，但此法对设备的要求较高，导致成本相对高昂，所得粒子的分散性差，易团聚，不易形成稳定的磁流体。生物法合成的四氧化三铁虽然粒径均一、无毒、生物相容性好、易降解，但是它们含量少，提取困难，不可能大规模生产。所以我们最常用化学法来制备四氧化三铁纳米颗粒。化学法主要包括水热法、溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、热分解法、多元醇法等，这些方法具有它们各自的优势与不足。通过共沉淀法可以在水溶液中直接生成四氧化三铁纳米颗粒，但是这种方法得到的纳米四氧化三铁通常粒径分布较宽，结晶性较差，形成的磁流体水溶液稳定性不高。而通过有机相制得的四氧化三铁粒径分布较窄，晶型较高，但是如果想让其作为磁共振造影剂则生物相容性不好，需经过相转移过程，这一过程比较复杂而且耗时。与有机相合成相比，水相合成无论是在价格上，环境友好方面，还是在生物亲和性上，都占有绝对的优势。所以研究在水相中直接合成性质优良、结构稳定的磁流体将具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的就是针对背景技术中存在的问题提供一种在水溶液中原位合成稳定四氧化三铁磁流体的一种方法。这种方法新颖可行，不需要苛刻的设备条件，操作简单安全，原料安全易得，无毒无害，且价格低廉，制得的四氧化三铁纳米粒子存在纳米颗粒和表面活性剂包覆结构，对纳米颗粒起到有效的保护和稳定作用，这为制得高性能高稳定性的磁性流体提供了有力保障。

本发明所述的一种四氧化三铁纳米粒子的还原制备方法，其步骤如下：

(a) 将三价铁盐溶解于蒸馏水中，制得三价铁盐的储备液，配制浓度为0.045 M~4.5 M；

(b) 将具有稳定作用的稳定剂化合物或低分子量聚合物配制成储备液，配制浓度为0.015 M~1.5 M；

(c) 将具有还原作用的还原剂化合物配制成储备液，配制浓度为0.015 M~1.5 M；

(c) 取1 mL三价铁盐类化合物的储备液稀释，加入具有稳定作用的稳定剂化合物或低分子量聚合物1~2mL和具有还原作用的还原剂化合物0.8~1.5mL搅拌，待混合均匀后，向该溶液中通入高纯氮气，将溶液中的氧气排出；

(d)将氢氧化钠、氢氧化钾或氨水滴加到上述溶液中，调节pH在9~11之间，加热到50~100℃，回流30min至3小时；

(e) 得到黑色超顺磁性纳米四氧化三铁的水溶液，即为四氧化三铁磁流体。

上述步骤中所述的稳定剂化合物或低分子量聚合物为巯基丁二酸、柠檬酸钠、葡萄糖酸、六偏磷酸钠、多聚磷酸钠、焦磷酸钠、二亚乙基三胺五乙酸、乙二胺四乙酸二钠、次氮基三乙酸、低分子量葡聚糖、低分子量壳聚糖、低分子量聚乙二醇中的一种。

所述的还原剂化合物为：硼氢化钠、连二亚硫酸盐、亚硫酸盐、亚硝酸盐、维

生素C、水合肼、羟胺中的一种。

所述的三价铁盐为：硫酸铁、硝酸铁、氯化铁中的一种。

三价铁盐与还原剂的摩尔比为3.75~2。

三价铁盐与稳定剂的摩尔比为3~1.5。

作为优选，本发明的三价铁盐的储备液的浓度为：0.45 M~4.5 M。

具有稳定作用的稳定剂的浓度为：0.15 M~1.5 M。

还原剂化合物储备液，配制浓度为：0.15 M~1.5 M。

本发明通过还原剂和三价铁盐生成的二价铁，代替在反应体系中直接加入二价铁盐，生成的二价铁与三价铁在碱性条件下原位共沉淀，生成四氧化三铁纳米颗粒，且在共沉淀过程中就有稳定剂的加入，降低了晶体的生长速度，提高了反应产物的结晶性，同时使得生成的四氧化三铁纳米粒子均匀分散在水溶液中。采用本发明方法制备的四氧化三铁纳米粒子，原料安全易得，价格低廉，操作安全简便，反应条件温和，不需要苛刻的设备条件，使得实验室大规模制备成为可能。所得产物均一稳定，纯度高，晶型好，重复性高，无毒无害，且超顺磁性能优良，在水溶液中分散非常好，可以稳定分散3个月以上。此类超顺磁性四氧化三铁纳米粒子可以作为磁标记物质，广泛应用于磁共振成像对比剂，磁流体热疗，细胞、蛋白质分离，DNA提纯，免疫检测，磁靶向药物载体等生物医学研究中。

附图说明

图1：本发明制得的四氧化三铁纳米粒子的磁滞回线；

图2：本发明制得的四氧化三铁纳米粒子的X射线衍射图谱；

图3：本发明制备的纳米四氧化三铁磁流体透射电镜照片。

具体实施方式

实施例1：

四氧化三铁纳米粒子的制备，具体包括如下步骤：

(a)取1mL三价铁盐储备液（4.5 M），加入250mL三颈瓶，用蒸馏水稀释；

(b)取一定量还原剂维生素C和乙二胺四乙酸二钠盐的贮备液，加入到三价铁溶液中，控制还原剂与三价铁盐比为1:3，控制乙二胺四乙酸二钠与三价铁的比为2:1；

(c) 用1M氢氧化钠溶液调节pH值至11；

(d) 向溶液中通入高纯氮气30分钟，去除溶液中的氧气，使反应在无氧条件下进行；加热至70℃回流2 h ，在此例中反应溶液呈黑色证明得到的是四氧化三铁溶液，若溶液为棕色或红褐色则说明溶液中存在一部分三氧化二铁。

(e) 将胶体通过高速离心方法清洗三次，之后分散在水溶液中。

通过磁滞回线，X-射线衍射图谱以及透射电镜结果证明 (参见图1~图3), 所得产物为超顺磁性的四氧化三铁纳米粒子，说明在温和的反应条件下，通过还原方法制备得到了四氧化三铁纳米粒子。所得的四氧化三铁水溶液放置3个月没有观察到分层现象，说明四氧化三铁纳米粒子在水溶液中分散性良好，得到的水性磁流体均匀稳定。

按本发明所述的方法，可以获得在水相中分散均匀、性质稳定的超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒，通过它得到的磁流体可以直接应用在生物医学研究领域。

实施例2：

四氧化三铁纳米粒子的制备，具体包括如下步骤：

(a)取1mL三价铁盐储备液（0.45 M），加入250mL三颈瓶，用蒸馏水稀释；

(b)取一定量还原剂维生素C和乙二胺四乙酸二钠盐的贮备液，加入到三价铁溶液中，控制还原剂与三价铁盐比为1:3，控制乙二胺四乙酸二钠与三价铁的比为2:1；

(c) 用1M氢氧化钠溶液调节pH值至11；

(d) 向溶液中通入高纯氮气30分钟，去除溶液中的氧气，使反应在无氧条件下进行；加热至70℃回流2 h ，在此例中反应溶液呈黑色证明得到的是四氧化三铁溶液，若溶液为棕色或红褐色则说明溶液中存在一部分三氧化二铁。

(e) 将胶体通过高速离心方法清洗三次，之后分散在水溶液中。

按本发明所述的方法，三价铁储备液的浓度与磁流体中四氧化三铁纳米粒子的浓度有关。磁流体中四氧化三铁纳米粒子的浓度不宜过高或过低：若浓度过高则会使四氧化三铁纳米粒子容易聚集，影响磁流体的稳定性；若浓度过低则磁流体的磁学性能会有所下降。所以优选三价铁储备液的浓度为0.45 M~4.5 M。

实施例3：

四氧化三铁纳米粒子的制备，具体包括如下步骤：

(a)取1mL三价铁盐储备液（0.45 M），加入250mL三颈瓶，用蒸馏水稀释；

(b)取一定量还原剂水合肼和20kD葡聚糖的贮备液，加入到三价铁溶液中，控制还原剂与三价铁盐比为1:3.75，控制葡聚糖的量为15至20g；

(c) 用1M氢氧化钠溶液调节pH值至11.2；

(d) 向溶液中通入高纯氮气30分钟，去除溶液中的氧气，使反应在无氧条件下进行；加热至70℃回流2h ，在此例中反应溶液呈黑色证明得到的是四氧化三铁溶液，若溶液为棕色或红褐色则说明溶液中存在一部分三氧化二铁。

(e) 将胶体通过高速离心方法清洗三次，之后分散在水溶液中。

该实例所得的四氧化三铁纳米颗粒的性质与实施例1所得的纳米颗粒的性质相似，四氧化三铁纳米晶的晶型没有改变；所得的磁流体性质与实施例1所得的磁流体的性质也相似，磁学性质并无本质区别。只是电镜照片中发现四氧化三铁纳米晶尺寸略有增大，但仍小于10nm。

按本发明所述的方法，四氧化三铁纳米颗粒的性质与还原剂和稳定剂的加入量和性质有关。三价铁与还原剂量的比值要控制在3.75~2之间，根据还原剂的还原能力来确定。三价铁与稳定剂的比值要控制在3~1.5之间，根据稳定剂与铁的结合能力和低聚物的分子量来确定。

Claims (9)

1. 一种稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法，其特征在于，采用下述步骤：

(a) 将三价铁盐溶解于水中，制得三价铁盐的储备液；

(b) 将具有稳定作用的稳定剂化合物或低分子量聚合物配制成储备液；

(c) 将具有还原作用的还原剂化合物配制成储备液

(c) 取三价铁盐的储备液稀释，加入具有稳定作用的稳定剂化合物或低分子量聚合物和具有还原作用的还原剂化合物搅拌，待混合均匀后，向该溶液中通入高纯氮气，将溶液中的氧气排出；

(d) 将氢氧化钠、氢氧化钾或氨水滴加到上述溶液中，加热回流；

(e) 得到黑色超顺磁性纳米四氧化三铁的水溶液，即为四氧化三铁磁流体。

2. 根据权利要求1所述的一种稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法，其特征在于：所述的三价铁盐为硫酸铁、硝酸铁、氯化铁中的一种。

3. 根据权利要求1所述的一种稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法，其特征在于：所述的还原剂化合物为硼氢化钠、连二亚硫酸盐、亚硫酸盐、亚硝酸盐、维生素C、水合肼、羟胺中的一种。

4. 根据权利要求1所述的一种稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法，其特征在于：所述的具有稳定作用的稳定剂化合物或低分子量聚合物为巯基丁二酸、柠檬酸钠、葡萄糖酸、六偏磷酸钠、多聚磷酸钠、焦磷酸钠、二亚乙基三胺五乙酸、乙二胺四乙酸二钠、次氮基三乙酸、低分子量葡聚糖、低分子量壳聚糖、低分子量聚乙二醇中的一种。

5. 根据权利要求1所述的一种稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法，其特征在于：三价铁盐储备液的浓度为0.045 M～4.5 M。

6. 根据权利要求1所述的一种稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法，其特征在于：与铁具有配位作用的稳定剂的浓度为0.015 M～1.5 M。

7. 根据权利要求1所述的一种稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法，其特征在于：还原剂化合物储备液，配制浓度为0.015 M～1.5 M。

8. 根据权利要求1所述的一种稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法，其特征在于：三价铁盐与还原剂的摩尔比为3.75～2。

9. 根据权利要求1所述的一种稳定的纳米四氧化三铁磁流体的制备方法，其特征在于：三价铁盐与稳定剂的摩尔比为3～1.5。