CN105136834A - 3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe3O4纳米粒子及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子及其制备方法和应用，属于磁性纳米粒子、纳米材料的合成、纳米材料的表面修饰和核磁共振传感器领域。利用氧与铁的配位作用，通过配体交换在Fe/Fe₃O₄纳米粒子表面修饰3,4-二羟基苯基丙酸，得到3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子，这种纳米粒子具有水溶性，单分散性良好，具有超顺磁性，粒径分布均匀，粒径大小为10～20nm，可用于制备检测Pb²⁺的核磁共振传感器。与现有技术相比，本发明制备方法反应时间短，操作简单方便，反应过程安全，原材料经济，易得，工艺可控性强。该发明为纳米磁共振造影剂材料的应用提供了一种新的前景——Pb²⁺核磁共振传感器，丰富了纳米材料的研究领域。

Description

3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe3O4纳米粒子及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及磁性纳米粒子、纳米材料的合成、纳米材料的表面修饰和核磁共振传感器领域，尤其是涉及一种3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子及其制备方法和应用。

背景技术

传感器是一种检测装置，能够实现信号的采集、传输、处理、显示和控制等要求。从简单的日常生活到航空航天、海洋探测等高精尖技术，以及复杂的工程系统都离不开传感器。传感技术在推动经济发展，促进社会进步方面起着十分重要的作用。传感器可以分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。核磁共振传感器是基于核磁共振技术开发的新型传感器。

核磁共振利用核自旋产生磁矩，将样品放入外加的磁场中，核自旋本身的磁场在外加磁场下重排，大多数核自旋会处于低能状态。我们另外施加电磁场使低能态的核自旋转向高能态，撤去另外施加的电磁场后，核自旋又回到平衡态。核自旋回到平衡态的过程便会释放出射频，这就是核磁共振(NMR)讯号。核磁共振传感器可以产生NMR讯号。核磁共振传感器通过改变局部或整体T₁、T₂弛豫时间来提高信号差异，从而实现传感功能。核磁共振传感器主要分为两类，一种由磁性纳米粒子构成，另一种由顺磁性或超顺磁性的金属离子构成。对磁性纳米粒子和顺磁性或超顺磁性的金属离子表面进行修饰就形成了核磁共振传感器(MRSensor)。

由于磁性纳米粒子结合了纳米材料和磁性材料双方的优点而具有独特、优越的物理、化学性质而受到人们的重视，成为了近年来比较热门的一种材料。磁性纳米粒子在单分散态和聚集态时的磁学性质不同，弛豫率差别很大。我们在磁性纳米粒子表面进行修饰，然后通过靶向作用或其它手段使纳米粒子在单分散和聚集态之间进行转换，引起周围的水分子或质子的弛豫率发生改变，从而检测出目标物质。例如：WenweiMa等人用两种不同序列的寡核苷酸分别修饰Fe₃O₄纳米粒子，得到两种不同的磁性纳米粒子。因为Hg²⁺能与两个寡核苷酸胸腺嘧啶(T)形成稳定的T-Hg²⁺-T结构，所以当Hg²⁺不存在时，纳米粒子成单分散状态，此时溶液的T₂值较大；当加入Hg²⁺时，两种纳米粒子相互团聚，形成纳米簇，使溶液的T₂值变小，加入Hg²⁺的浓度不同，T₂值的减小程度不同，根据T₂值的改变可以测出Hg²⁺的浓度。

核磁共振传感器应用广泛，可以用来检测金属离子、小分子、DNA、蛋白质、细菌和病毒以及分子间的相互作用。例如：ZhouXu等人根据抗原-抗体生物识别作用，以超顺磁性的氧化铁纳米粒子为核，并在其表面进行修饰，合成了一种磁化学传感器来检测内分泌干扰物质2,2-二(4-间苯二酚)丙烷(BPA)。MehmetV.Y.等人以超顺磁性的氧化铁纳米粒子为核，在核的表面分别修饰两种不同的适配体，形成两种不同的适配体功能化的超顺磁性氧化铁纳米粒子，来检测腺苷。核磁共振传感技术作为一种可靠、快捷、无创的检测手段，在许多领域都有应用。同时，核磁共振传感技术作为一种新的、简单方便、发展迅速的检测方法，在很多方面还需要进一步研究。

Pb²⁺是一种高毒性的污染物，进入机体后对神经、造血、消化、肾脏、心血管和内分泌等多个系统产生危害。科学家们发现Pb²⁺可以与-COO^-配对，形成的配位化合物结构性质非常稳定，-COO^-对Pb²⁺有高度的选择性识别功能。目前，采用磁性纳米粒子检测Pb²⁺的报道并不多，这一发现对Pb²⁺检测技术的研究有很大的帮助，既丰富了Pb²⁺的检测方法，也扩大了磁性纳米粒子的应用范围。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

技术方案一：

3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的制备方法，将3,4-二羟基苯基丙酸(DHCA)分散在四氢呋喃(THF)中，在氮气或惰性气体保护下加热到50℃，加入Fe/Fe₃O₄纳米粒子，在氮气或惰性气体保护下，50℃下反应3h；温度降至室温后，加入0.5mol/L的NaOH溶液，离心取沉淀，得到3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子。

上述制备方法中，Fe/Fe₃O₄纳米粒子分散在四氢呋喃中，浓度为6～10mg/mL；Fe/Fe₃O₄纳米粒子的四氢呋喃溶液、3,4-二羟基苯基丙酸、四氢呋喃和NaOH溶液的配比为1～2mL:50mg:6～10mL:0.2～0.6mL。

上述制备方法中，所述的Fe/Fe₃O₄纳米粒子采用高温热解法制备得到，具体参考文献ShouhengSun,etal.Stablesingle-crystallinebodycenteredcubicFenanoparticles.NanoLett.2011,11,1641–1645。

制备Fe/Fe₃O₄纳米粒子的过程中，以十八烯为溶剂，油胺和油酸为表面活性剂和稳定剂，盐酸十六胺增强结晶度；高温热解Fe(CO)₅得到油溶性的核壳结构的Fe/Fe₃O₄纳米粒子，油胺中的氮原子和油酸中的氧原子可以与Fe配位，使Fe/Fe₃O₄纳米粒子表面修饰油胺和油酸，得到亲油性的烷烃链朝外的纳米粒子，使其能溶于有机溶剂中；Fe/Fe₃O₄纳米粒子在正己烷、四氢呋喃等有机溶剂中具有良好的分散性，但不具备生物兼容性。

技术方案二：

采用技术方案一得到的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子。其具有水溶性，形貌呈球形，具有超顺磁性，粒径大小为10～20nm。

技术方案三：

如技术方案二所述的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子在制备检测Pb²⁺的核磁共振传感器方面的应用。

具体为：在Fe/Fe₃O₄纳米粒子表面修饰3,4-二羟基苯基丙酸(DHCA)，通过配体交换，3,4-二羟基苯基丙酸将油胺和油酸从Fe/Fe₃O₄纳米粒子表面交换下来，使材料具有水溶性和很好的分散性。由于3,4-二羟基苯基丙酸中的-COO^-能与Pb²⁺配对形成配位化合物，所以3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子可以用作检测Pb²⁺的核磁共振传感器。

通过-COO^-对Pb²⁺的识别能力,进行Pb²⁺的靶向实验，诱导Fe/Fe₃O₄纳米粒子进行自组装。在此过程中，Fe/Fe₃O₄纳米粒子的自组装会改变周围水质子的弛豫率，这种改变可以被核磁共振分析仪记录下来，从而检测出材料对Pb²⁺的传感效应。

与现有技术相比，本发明的制备方法反应时间短，操作简单方便，反应过程安全，原材料经济，易得，工艺可控性强。该发明为纳米磁共振造影剂材料的应用提供了一种新的前景—Pb²⁺核磁共振传感器，丰富了纳米材料的研究领域。

附图说明

图1为实施例2所制备的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的透射电镜(TEM)图。

图2为3,4-二羟基苯基丙酸(a)及实施例1所制备的Fe/Fe₃O₄纳米粒子(b)和实施例2制备的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子(c)的红外光谱图。

图3为实施例6中3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子在0、10、20、30、40、50、60、……260、270、280μMPb²⁺溶液中ΔT₂值的变化。

图4为实施例6中3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子在240μMPb²⁺溶液中的透射电镜(TEM)图。

图5为实施例7中3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子在0、10、20、30、40、50、60、……260、270、280μMPb²⁺溶液及在0、20、40、60、80、100、120、……240、260、280μMCu²⁺、Zn²⁺、Hg²⁺等离子中ΔT₂值的变化。

图6为实施例7中3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子在0、10、20、30、40、50、60、……260、270、280μMPb²⁺溶液及在0、20、40、60、80、100、120、……240、260、280μMCu²⁺、Zn²⁺、Hg²⁺等离子和用NH₄F掩蔽后的Fe³⁺，Al³⁺中ΔT₂值的变化。

图7为实施例8中3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子在200μMCu²⁺、Zn²⁺、Hg²⁺等离子和用NH₄F掩蔽后的Fe³⁺，Al³⁺分别与200μMPb²⁺混合后的溶液中ΔT₂值的变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

将20mL十八烯、0.3mL油胺和0.1gHDA·HCl加入到100mL三颈烧瓶中，磁力搅拌。用N₂排空气约30min，然后升温至120℃，保持30min，继续升温至180℃，用N₂气球保护，快速注射0.7mLFe(CO)₅，保持搅拌速度最大。在180℃保持20min后，注射0.3mL油酸，继续保持10min。移除热源，冷却至室温后暴露空气1h。用正己烷和异丙醇离心(8000rpm/min,8min)3次，最后将Fe/Fe₃O₄纳米粒子分散在5mL四氢呋喃中。

实施例2

将50mg3,4-二羟基苯基丙酸和6mL四氢呋喃加入到100mL三颈烧瓶中，在N₂排空气下加热到50℃，然后用N₂气球保护，逐滴加入1mL分散在四氢呋喃中的Fe/Fe₃O₄纳米粒子，保持3h。移除热源，温度降至室温后，加入0.5mol/L的NaOH溶液0.3mL，离心(3000rpm/min,3min)，最后将3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子分散在2mL超纯水中。

实施例3

将50mg3,4-二羟基苯基丙酸和6mL四氢呋喃加入到100mL三颈烧瓶中，在N₂排空气下加热到50℃，然后用N₂气球保护，逐滴加入1mL分散在四氢呋喃中的Fe/Fe₃O₄纳米粒子，保持3h。移除热源，温度降至室温后，加入0.5mol/L的NaOH溶液0.4mL，离心(3000rpm/min,3min)，最后将3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子分散在2mL超纯水中。

实施例4

将50mg3,4-二羟基苯基丙酸和6mL四氢呋喃加入到100mL三颈烧瓶中，在N₂排空气下加热到50℃，然后用N₂气球保护，逐滴加入2mL分散在四氢呋喃中的Fe/Fe₃O₄纳米粒子，保持3h。移除热源，温度降至室温后，加入0.5mol/L的NaOH溶液0.3mL，离心(3000rpm/min,3min)，最后将3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子分散在2mL超纯水中。

实施例5

将50mg3,4-二羟基苯基丙酸和6mL四氢呋喃加入到100mL三颈烧瓶中，在N₂排空气下加热到50℃，然后用N₂气球保护，逐滴加入2mL分散在四氢呋喃中的Fe/Fe₃O₄纳米粒子，保持3h。移除热源，温度降至室温后，加入0.5mol/L的NaOH溶液0.4mL，离心(3000rpm/min,3min)，最后将3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子分散在2mL超纯水中。

实施例2制备的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的透射电镜图如图1所示，纳米粒子大小均一，粒径约为10～20nm，在水中具有很好的分散性。实施例3-5制备的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的透射电镜图与图1相似，其纳米粒子大小均一，粒径约为10～20nm，在水中具有很好的分散性。

3,4-二羟基苯基丙酸及实施例1和2所得产品的红外光谱图如图2的曲线a、b和c所示，曲线c中1553cm^-1和1481cm^-1处为苯环的骨架伸缩振动，1385cm^-1处为-COO^-的对称伸缩振动，806cm^-1处为对位二取代芳环的C-H弯曲振动。从红外光谱图可以基本判断，Fe/Fe₃O₄纳米粒子表面修饰了3,4-二羟基苯基丙酸。

实施例6

向含有90μMFe的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子水溶液中加入Pb²⁺，使Pb²⁺的浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、……260、270、280μM，检测由不同浓度的Pb²⁺引起的ΔT₂值的变化(ΔT₂值为加入离子后的T₂值与不加离子时的T₂值的差)，结果如图3所示。随着Pb²⁺浓度的增加，ΔT₂值先变小后变大，最后达到平衡。图4为3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子在240μMPb²⁺溶液中的透射电镜图，加入Pb²⁺后，-COO^-与Pb²⁺配对导致纳米粒子团聚形成纳米簇。

实施例7

向含有90μMFe的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子水溶液中分别加入Cu²⁺、Zn²⁺、Hg²⁺等离子，使它们的浓度分别为0、20、40、60、80、100、120、……240、260、280μM，检测由不同浓度的其它金属离子引起的ΔT₂值的变化，研究3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子对Pb²⁺的选择性。结果如图5所示，在Pb²⁺引起3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的ΔT₂值变化的范围内，除了Al³⁺和Fe³⁺引起的ΔT₂值的变化稍微有些大外，其它金属离子引起的ΔT₂值的变化很小。

因为Al³⁺和Fe³⁺对3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子检测Pb²⁺有影响，所以我们用NH₄F将Al³⁺和Fe³⁺掩蔽。分别向2mL浓度均为0.006mol/L的Al³⁺和Fe³⁺水溶液中加入0.03gNH₄F，使F^-将Al³⁺和Fe³⁺掩蔽。向含有90μMFe的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子水溶液中分别加入上述用NH₄F掩蔽后的Al³⁺和Fe³⁺，使它们的浓度分别为0、20、40、60、80、100、120、……240、260、280μM，检测由它们引起的ΔT₂值的变化。结果如图6所示，在Pb²⁺引起3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的ΔT₂值变化的范围内，用NH₄F掩蔽后的Al³⁺和Fe³⁺引起的ΔT₂值的变化很小。

实施例8

向含有90μMFe的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子水溶液中分别加入Cu²⁺、Zn²⁺、Hg²⁺等离子及用NH₄F掩蔽后的Fe³⁺，Al³⁺和Pb²⁺的混合溶液，使Pb²⁺和其它金属离子的浓度均为200μM，检测它们引起的ΔT₂值的变化，研究3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的抗干扰性。结果如图7所示，加入其它金属离子和Pb²⁺的混合溶液后的ΔT₂值与只加入Pb²⁺后的ΔT₂值不同，但差距不大。所以，在一定范围内，其它金属离子对3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子检测Pb²⁺的干扰性很小。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的制备方法，其特征在于，将3,4-二羟基苯基丙酸分散在四氢呋喃中，在氮气或惰性气体保护下加热到50℃，加入Fe/Fe₃O₄纳米粒子，在氮气或惰性气体保护下，50℃下反应3h；温度降至室温后，加入0.5mol/L的NaOH溶液，离心取沉淀，得到3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的一种3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述的Fe/Fe₃O₄纳米粒子采用高温热解法制备得到。

3.根据权利要求1所述的一种3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子的制备方法，其特征在于，Fe/Fe₃O₄纳米粒子分散在四氢呋喃中，浓度为6～10mg/mL；Fe/Fe₃O₄纳米粒子的四氢呋喃溶液、3,4-二羟基苯基丙酸、四氢呋喃和NaOH溶液的配比为1～2mL:50mg:6～10mL:0.2～0.6mL。

4.一种采用权利要求1～3中任一项所述方法制备的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子。

5.根据权利要求4所述的一种3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子，其特征在于，其具有水溶性，形貌呈球形，具有超顺磁性，粒径大小为10～20nm。

6.如权利要求4所述的3,4-二羟基苯基丙酸修饰的Fe/Fe₃O₄纳米粒子在制备检测Pb²⁺的核磁共振传感器方面的应用。