CN107585751B - 一种羟基磷灰石纳米晶掺杂金属离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种羟基磷灰石纳米晶可控掺杂金属离子的方法。将待掺杂的羟基磷灰石纳米晶和掺杂金属离子前驱体按一定比例加入到无水有机溶剂中，在一定温度下反应一段时间，通过掺杂金属离子与羟基磷灰石纳米晶中的钙离子发生离子交换，并向羟基磷灰石纳米晶的内部扩散，得到金属离子掺杂的羟基磷灰石纳米晶。掺杂浓度可通过温度、各反应物浓度和反应时间进行调控。该方法能够实现羟基磷灰石纳米晶的单一金属离子掺杂和多种金属离子共掺杂，具有较为广泛的应用前景。

Description

一种羟基磷灰石纳米晶掺杂金属离子的方法

技术领域

本发明涉及一种在无水溶剂条件下后掺杂方法，属于羟基磷灰石纳米晶的离子掺杂方法领域。通过该掺杂方法可以获得一种或多种金属离子掺杂的羟基磷灰石纳米晶，且可对掺杂浓度进行调控。

技术背景

对纳米材料进行掺杂是实现对其性质和功能进行设计和优化的一种有效的常用的策略。羟基磷灰石(HAp)是一种常见的碱式磷酸盐，它是钙磷灰石的自然矿化物，其分子式为Ca₅(PO₄)₃(OH)，经常被写成Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂的形式以突出它的晶体结构特征。在空间结构上，最常见的是六方晶系(P63/m空间群，晶胞常数

)，这种结构中的Ca²⁺分布在由PO₄ ^3-的四面体组成的点阵中。羟基磷灰石微溶于水，呈弱碱性，难溶于碱而易溶于酸。羟基磷灰石是人体骨骼和牙齿的主要无机质成分，通常以纳米晶的形式纯在，由于其良好的生物相容性和生物活性，在人工骨、催化剂、药物缓释、药物载体、生物标记等方面具有广泛的用途。为了进一步拓展羟基磷灰石纳米晶的应用范围，可采用离子的掺杂来丰富其功能，提升其性能。例如可以通过掺杂氟离子来提升羟基磷灰石纳米晶的抗酸性能；对羟基磷灰石纳米晶掺杂铜离子或者银离子可以赋予其抗菌性能；对羟基磷灰石纳米晶进行硒掺杂，可以赋予其抗癌的性能等等。常见的纳米晶掺杂方法有离子交换法、共成核掺杂法、扩散掺杂法等。特殊地，对羟基磷灰石纳米晶进行有效可控掺杂纯在仍存在不少挑战，例如，当被掺杂金属离子具有水解性质时，或与掺杂的金属离子半径相差较大时，往往难以实现高效可控的掺杂，从而导致羟基磷灰石纳米晶形貌和尺寸发生变化，或有杂质相生成。为了解决这些问题，我们发明了一种羟基磷灰石纳米晶后掺杂金属离子的方法，通过将掺杂金属离子与羟基磷灰石纳米晶中的钙离子进行离子交换，同时向羟基磷灰石纳米晶的内部扩散，从而实现掺杂，并可通过温度、时间、浓度等条件来对离子掺杂浓度进行调控。

发明内容

本发明的目的是对羟基磷灰石纳米晶进行多种金属离子的单独或共掺杂以提高羟基磷灰石纳米晶的各种性能。其方法是将掺杂金属离子的前驱体(如油酸盐)溶于无水溶剂中(如十八烯)，加入一定量的羟基磷灰石纳米晶，将此混合物在一定反应温度和浓度下反应一定的时间，获得一定掺杂含量的羟基磷灰石纳米晶。掺杂离子在无水且不生成水的条件下通过离子交换和扩散的形式进入羟基磷灰石纳米晶，实现可控掺杂。通过离心、洗涤、干燥得到最终掺杂产物。由于本发明中所采用的掺杂方法是在羟基磷灰石纳米晶已经预先合成的基础上进行的后掺杂，所以可以在预先设计调控羟基磷灰石纳米晶的形貌和尺寸，而此掺杂方法能够有效保持羟基磷灰石纳米晶形貌和尺寸在掺杂前后不发生明显变化。本发明的方法可以对羟基磷灰石纳米晶进行多种离子和较高浓度的掺杂，掺杂金属离子可以为非Ca²⁺的任何金属离子的一种或多种，包括但不限于Na⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Sr²⁺、Zn²⁺、Fe^{3 +}、Ba²⁺、Eu³⁺等。

本发明的方法能够克服在含水体系中金属离子水解的问题，并且掺杂金属离子与Ca²⁺离子半径的差异较大的情况下也能够实现有效的高浓度掺杂。例如，Fe³⁺半径约55pm，Ca²⁺半径约100nm，差异较大，通过羟基磷灰石纳米晶在水相中离子交换进行Fe³⁺掺杂的试验表明，掺杂浓度在2.3％时，羟基磷灰石纳米晶的形貌已发生明显变化，而当掺杂浓度达11.7％时，羟基磷灰石纳米晶的形貌和晶体结构发生了根本性的改变和破坏，这主要是因为铁盐的水解使得溶液呈酸性，而羟基磷灰石在酸性溶液中易分解；而采用本方法Fe³⁺的掺杂浓度可达20.5％而羟基磷灰石纳米晶的形貌仍基本保持不变。

若采用在合成羟基磷灰石纳米晶的过程中就加入金属离子，常常会严重影响羟基磷灰石产物的尺寸、形貌和纯度。例如，在合成羟基磷灰石纳米晶的过程中引入Fe³⁺离子，尺寸、形貌；而采用本方法掺杂Fe³⁺离子则能很好的保持羟基磷灰石纳米晶形貌。

通过控制反应温度、时间以及浓度等条件，实现金属离子掺杂含量的调控，掺杂金属前驱体浓度越高、温度越高、反应时间越长，越有利于掺杂量提高。掺杂过程在无水溶剂中进行，包括但不限于十八烯、环己烷、正辛烷等纯溶剂或混合溶剂。

与现有羟基磷灰石掺杂金属离子的技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的羟基磷灰石纳米晶掺杂金属离子的方法，掺杂过程在无水溶剂中进行，且在反应过程中不会有水生成，因此避免了离子的水解、生成生产杂质相等不利于离子掺杂的因素。

(2)羟基磷灰石纳米晶在掺杂前后，其尺寸形貌不发生明显变化。由于羟基磷灰石纳米晶的合成与掺杂两个过程相互分离，因此可通过对未掺杂的羟基磷灰石纳米晶的尺寸和形貌进行设计调控，获得相应尺寸和形貌的掺杂羟基磷灰石纳米晶。

(3)本发明中掺杂金属离子可以为非Ca²⁺的任何金属离子的一种或多种，进行多种金属离子掺杂时，既可以多种金属离子同时掺杂，也可分步多次掺杂不同的金属离子。

(4)本发明的可通过溶剂成分、温度、掺杂金属前驱体浓度、羟基磷灰石纳米晶浓度和反应时间对掺杂浓度进行调控。掺杂金属前驱体浓度越高、温度越高、反应时间越长，越有利于掺杂量提高。

(5)本发明能实现掺杂离子半径与钙离子半径相差较大的离子的较高浓度掺杂，例如Fe³⁺离子掺杂。

附图说明

图1.羟基磷灰石纳米晶金属离子掺杂机理示意图。

图2.不同金属离子掺杂的羟基磷灰石纳米晶透射电镜图。(a)未掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(b)Mg²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(c)Sr²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(d)Zn²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(e)Cu²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(f)Mn²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(g)Fe³⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(h)未掺杂的羟基磷灰石纳米晶高分辨透射电镜图。(a)-(g)标尺为100nm。

图3.不同铁离子(Fe³⁺)掺杂浓度的羟基磷灰石X射线衍射图。(a)未掺杂与不同掺杂温度下制备的羟基磷灰石纳米晶X射线衍射图，衍射峰与纯羟基磷灰石纳米晶的标准卡片pdf#86-0740完全对应，说明羟基磷灰石纳米晶属六方晶体结构，空间群为P63/m，掺杂前后结构未变；(b)为(a)图中24-28度的局部放大图，掺杂后的羟基磷灰石纳米晶的特征峰向大角度方向偏移，说明被掺杂金属离子进入了羟基磷灰石纳米晶的晶格。

图4.铁离子(Fe³⁺)掺杂前后傅立叶变换红外光谱对比图，掺杂前后羟基磷灰石的红外光谱无明显变化。

图5.通过本发明的方法掺杂不同浓度铁离子(Fe³⁺)的羟基磷灰石纳米晶的透射电镜图及其分散在环己烷中的照片：(a)未掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(b)掺杂浓度为5.1％的羟基磷灰石纳米晶；(c)掺杂浓度为9.1％的羟基磷灰石纳米晶；(d)掺杂浓度为20.5％的羟基磷灰石纳米晶。通过水相离子交换法掺杂不同浓度铁离子(Fe³⁺)的羟基磷灰石纳米晶的透射电镜图及其分散在水中的照片，Fe³⁺由溶于水中的Fe(NO₃)₃提供：(e)未掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(f)掺杂浓度为2.3％的羟基磷灰石纳米晶；(g)掺杂浓度为5.8％的羟基磷灰石纳米晶；(h)掺杂浓度为11.7％的羟基磷灰石纳米晶。(a)-(h)标尺为100nm。

图6.不同离子掺杂的羟基磷灰石的X射线能谱图。(a)Cu²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(b)Mg²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(c)Mn²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(d)Sr²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶；(e)Zn²⁺掺杂的羟基磷灰石纳米晶。

图7.羟基磷灰石纳米线铁离子(Fe³⁺)掺杂前后透射电镜图，尺寸形貌无明显变化。(a)掺杂前羟基磷灰石纳米线透视电子显微镜图；(b)羟基磷灰石纳米线掺杂铁离子后透射电镜图。标尺为500nm。

图8.羟基磷灰石纳米晶铜离子(Cu²⁺)和锌离子(Zn²⁺)共掺杂前后的透射电镜图，形貌尺寸无明显变化。(a)掺杂前羟基磷灰石纳米晶透视电子显微镜图；(b)羟基磷灰石纳米晶共掺杂铜和锌离子后透射电镜图。(a)-(b)标尺为100nm。

图9.在合成羟基磷灰石纳米晶时引入铁离子(Fe³⁺)，其他条件与合成尺寸形貌均一的羟基磷灰石相同，得到尺寸分布范围宽同时形貌杂乱的产物。标尺为100nm。

具体实施方式

为更好地说明本发明，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例1

取4ml油酸，16ml乙醇和1ml油胺混合于50ml反应釜中，再加入7ml 0.25M的硝酸钙生成油酸钙前驱体，搅拌约5min后加入7ml 0.15M的磷酸钠，继续搅拌5min，然后放入烘箱150℃下反应10h，生成物经过离心分离，用环己烷和乙醇洗三次，即得棒状羟基磷灰石纳米晶。掺杂金属前驱体以油酸铁为例，制备方法如下，将1.08g FeCl₃溶于3ml水中，再将3.65g油酸钠溶于8ml乙醇和3ml水的混合液中，再在溶液中加入14ml己烷萃取，将深红色油酸铁在70℃下反应4h，生成物用水洗两次，再在70℃下烘干24h，即得红棕色蜡状油酸铁。将上述合成的500mg羟基磷灰石纳米晶与5g的油酸铁和5ml十八烯混合于50ml三颈烧瓶中，以3℃/min升温速度将混合物在搅拌的条件下加热至200℃，并在200℃下保温1h，将混合物通过离心分离，用乙醇和环己烷混合溶剂(体积比2:1)洗涤、离心三次，即得铁离子掺杂量约为9.1％的羟基磷灰石纳米晶。

实施例2

将同实施例1中500mg羟基磷灰石纳米晶与10g油酸铁和5ml十八烯混合于50ml三颈烧瓶中，以3℃/min的升温速度将混合物在搅拌的条件下升温至200℃并保温1h，将混合物同实施例1方法分离纯化，得到铁离子掺杂量约为13.5％的羟基磷灰石纳米晶。

实施例3

将同实施例1中500mg羟基磷灰石纳米晶与5g油酸铁和5ml十八烯混合于50ml三颈烧瓶中，以3℃/min的升温速度将混合物在搅拌的条件下升温至150℃并保温1h，将混合物同实施例1方法分离纯化，得到铁离子掺杂量约为5.1％的羟基磷灰石纳米晶。

实施例4

将同实施例1中500mg羟基磷灰石纳米晶与5g油酸铁和5ml十八烯混合于50ml三颈烧瓶中，以3℃/min的升温速度将混合物在搅拌的条件下升温至250℃并保温10min，将混合物同实施例1方法分离纯化，得到铁离子掺杂量约为10.8％的羟基磷灰石纳米晶。

实施例5

将同实施例1中500mg羟基磷灰石纳米晶与5g油酸铁和5ml十八烯混合于50ml三颈烧瓶中，以3℃/min的升温速度将混合物在搅拌的条件下升温至250℃并保温1h，将混合物同实施例1方法分离纯化，得到铁离子掺杂量约为20.5％的羟基磷灰石纳米晶。

实施例6

将同实施例1中的500mg羟基磷灰石纳米晶与5g的油酸铁和5ml的环己烷搅拌分散均匀，混合于15ml的反应釜中，于200℃反应1h，并冷却至室温，将混合物同实施例1方法分离纯化，即得铁离子掺杂量约为9.5％的羟基磷灰石纳米晶。

实施例7

将同实施例1中500mg羟基磷灰石纳米晶与5g硬脂酸铁和5ml十八烯混合于50ml三颈烧瓶中，以3℃/min的升温速度将混合物在搅拌的条件下升温至200℃并保温1h，将混合物同实施例1方法分离纯化，得到铁离子掺杂量约为8.2％的羟基磷灰石纳米晶。

实施例8

将同实施例1中的500mg羟基磷灰石纳米晶分别与2.5g的油酸铜和2.5g的油酸锌混合于50ml三颈烧瓶，再加入5ml十八烯，以3℃/min的升温速度将混合物在搅拌的条件下升温至100℃，并在100℃下保温1h，将混合物同实施例1方法分离纯化，即得铜离子量约为3.6％和锌离子量约为2.4％的铜锌共掺的羟基磷灰石纳米晶。

实施例9

将同实施例1中的500mg羟基磷灰石纳米晶先与2.5g油酸铜和2.5ml十八烯混合于50ml三颈烧瓶，以3℃/min的升温速度将混合物在搅拌的条件下升温至100℃，并在100℃下保温1h，将混合物同实施例1中分离纯化。再将其与2.5g油酸锌和2.5ml十八烯混合于50ml三颈烧瓶，以3℃/min的升温速度将混合物在搅拌的条件下升温至150℃，并在150℃下保温1h，将混合物同实施例1方法分离纯化，即得铜离子量约为3.2％和锌离子量约为5.1％的铜锌共掺杂的羟基磷灰石纳米晶。

实施例10

将9.36g油酸与28.5ml水和4.75ml甲醇混合再加入1.05g NaOH搅拌30min，再分别取0.333g CaCl₂溶于12ml水中，0.936g NaH₂PO₄溶于18ml水中，依次将CaCl₂溶液和NaH₂PO₄溶液加入上述油酸混合液中，放入100ml反应釜中180℃下反应24h，生成物用水和乙醇混合溶剂(体积比1:1)洗三次，即得羟基磷灰石纳米线。将已合成的羟基磷灰石纳米线500mg与5g油酸铁和5ml十八烯混合于50ml三颈烧瓶，以3°/min的升温速度将混合物在搅拌的条件下升温至200℃，并在200℃下保温1h，将混合物通过实施例1方法分离纯化，即得铁离子掺杂量约为8.3％的羟基磷灰石纳米线。

Claims (5)

1.一种羟基磷灰石纳米晶可控掺杂金属离子的方法，其特征在于，该方法是在羟基磷灰石纳米晶的合成之后，在无水溶剂中对其进行掺杂的方法，其中将掺杂金属离子的前驱体溶于无水溶剂中，加入一定量的羟基磷灰石纳米晶，将此混合物在一定反应温度和浓度下反应一定的时间，获得一定掺杂含量的羟基磷灰石纳米晶，掺杂离子在无水且不生成水的条件下通过离子交换和扩散的形式进入羟基磷灰石纳米晶，实现可控掺杂，该掺杂方法能够保持羟基磷灰石纳米晶形貌和尺寸在掺杂前后不发生明显变化，其中所述无水溶剂为十八烯、环己烷和/或正辛烷，所述掺杂金属离子前驱体为油酸盐。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述掺杂金属离子为除Ca²⁺以外的金属离子的一种或多种。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述掺杂金属离子为Na⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Sr²⁺、Zn^{2 +}、Fe³⁺、Ba²⁺和/或Eu³⁺。

4.根据权利要求1-3任一项所述方法，其特征在于，所述方法通过溶剂成分、温度、掺杂金属前驱体浓度、羟基磷灰石纳米晶浓度和反应时间对掺杂浓度进行调控，从而实现羟基磷灰石纳米晶可控掺杂金属离子。

5.根据权利要求1-3任一项所述方法，其特征在于，可对羟基磷灰石纳米晶进行多次掺杂。

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