CN109867309B

CN109867309B - 一种水溶磁性氧化铁纳米晶及其制备方法

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Publication number: CN109867309B
Application number: CN201910255602.4A
Authority: CN
Inventors: 孙立涛; 贾海洋; 谢骁
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2039-04-01
Also published as: CN109867309A

Abstract

本发明公开了一种水溶磁性氧化铁纳米晶及其制备方法，以高纯铁板材为阴阳极，以一定比例的尿素与胆碱类有机物的共熔混合物为电解质溶剂，通过施加电流，使阳极铁单质氧化为铁离子，再和体系反应生成的活泼氧结合进而生成氧化铁纳米晶，同时电解质分解产生的亲水性基团会枝接于纳米晶上；所得的水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性，有丰富的亲水性氨基，可分散于(溶于)多种分散体系中，分散液可保持数十天至数百天的稳定，所得产物有着良好的生物相容性。本发明满足克量级至千克量级的一次性可控稳定制备，可用于生物、医学、环保及电磁兼容等领域。

Description

一种水溶磁性氧化铁纳米晶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种水溶磁性氧化铁纳米晶及其制备方法，属于功能性纳米材料的制备领域。

背景技术

随着纳米科学的快速发展，功能性纳米材料在生物医学领域，如生物检测、疾病诊断及疾病治疗等方面表现出了广阔的应用前景。磁性氧化铁纳米颗粒(Magnetic ironoxide nanoparticles,MIONs)已被用作医学诊断技术-磁共振成像(Magnetic ResonanceImaging，MRI)中的造影剂或对比剂(Contrast Agent，T₂)，已成为在生物医学领域中得到实际应用的最成功的纳米材料之一(Quant.Imaging Med.Surg.,2011,1,35；Nat.Rev.Mater.,2017,17014)。例如，美国食品药品监督管理局(FDA)早在1996年就批准了由AMAG Pharma.(former Advanced Magnetics,Cambridge,USA)开发的粒径约为120nm的经葡聚糖(dextran)包覆的Fe₃O₄-γ-Fe₂O₃磁共振对比剂

(美国)(ferumoxides，

AMI-25)或

(欧洲)用于肝部疾病的诊断(Nat.Rev.Mater.,2017,17014)并在美国、欧洲和日本先后上市(Quant.Imaging Med.Surg.,2011,1,35)；如由ScheringAG开发的

(Ferrixan or Ferucarbotran,SHU555A)是由羧甲基葡聚糖(Carboxymethyldextran)包覆氧化铁纳米核，水动力学直径45-60nm,用于肝部疾病的诊断,该造影剂2001年以后先后在欧洲和日本上市(Quant.Imaging Med.Surg.,2011,1,35)；又如2009年FDA批准了粒径为17-31nm的Carboxymethyldextran包覆氧化铁核的

(ferumoxytol，纳米氧化铁)用于贫血症的治疗及胰腺癌的诊断(J.Magn.Reson.Imaging,2015,41,884；Nat.Rev.Mater.,2017,17014)。上述基于磁性氧化铁纳米颗粒的临床应用，基本上是通过组织、器官对纳米材料的摄取来缩短周围氢质子的弛豫时间，进而降低正常组织的信号强度来实现的，而先决条件之一则是通过Dextran或Carboxymethyldextran对微纳米铁基磁核修饰包覆以提高其亲水性，实现其在水体系中稳定的分散性、肿瘤细胞表面的靶向性并降低其细胞毒性进而应用于生物医学领域(Adv.Mater.,2009,21,2133；化学进展,2015,27,601；Nanoscale,2016,8,19421)。此外，该类磁性纳米材料在细胞靶向标记及追踪、细胞活性分子及活性蛋白分离、药物负载及传递、磁热疗等生物医学领域也有着广泛的应用。

目前有关磁性氧化铁(如Fe₃O₄和γ-Fe₂O₃)纳米颗粒的制备方法主要有高能球磨法、前驱体高温热解法、溶剂热法、微乳液法、模板法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、声波化学法、电化学法以及生物合成法等(Sci.Technol.Adv.Mater.,2015,16,023501；Nanoscale,2016,8,19421)。由于纳米颗粒的粒径小、比表面积大、表面单位原子数多而使得其表面能很大、表面原子高活性很高，当基于以上方法制备的纳米颗粒不经修饰时，所得颗粒之间很容易发生团聚并引发聚沉或分层进而致使在水相中分散性差，严重影响了磁性纳米颗粒的分散性和体系的稳定性，这极大的限制了其在各领域的应用推广(Nanoscale,2016,8,19421)。同时，上述方法面临着制备过程繁杂、粒子尺寸可控性差、产品的水溶性差、分散体系的不稳定性、成本高以及难量产等问题的一种或多种。鉴于此，以上方法制备的磁性氧化铁纳米颗粒不可避免的要进行后期亲水性表面官能化修饰或表面功能化(如-NH₂、-COOH、-CHO、-OH、-SH等基团的桥连，表面活性剂、高分子聚合物、活性小分子及无机材料等的修饰)以提高粒子的在分散体系中的稳定性并增加易与功能分子枝接的基团(Adv.Mater.,2009,21,2133；化学进展,2015,27,601；Nanoscale,2016,8,19421)，以此获得更广泛应用。然而表面修饰过程繁琐、修饰效率低下、成本居高不下(Adv.Mater.,2008,20,1671；NanoLett.,2012,12,22；Biomaterials,2013,34,8382.)，此外进一步的修饰往往会导致磁性纳米粒子的尺度变大、饱和磁通量降低、磁响应性减弱，且修饰后的磁性复合物在水中的分散效果往往依然不甚理想。

简言之，当前有关MINOs的制备及应用面临的主要问题包括：制备工艺的可重复性、稳定性、量产化及经济性；产物粒度的均一性，可修饰性及过程的繁杂性；水相可分散性，分散后体系的稳定性；磁性及磁响应性、生物适应性等。这些问题相互影响、相互制约，多种因素致使磁性氧化铁纳米材料绝大多数依然停留在实验室阶段。

发明内容：

技术问题：本发明的目的是提供一种水溶磁性氧化铁纳米晶及其制备方法，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性，有丰富的亲水性氨基，饱和磁化强度为50～74emu g^-1；TEM尺寸为3～30nm、水合动力学尺寸为10～50nm，且均为单分散性；其制备方法低成本的、可控量产，且制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶不需要后期繁杂修饰即可水中快速超稳定分散的、具有良好磁性，为其在各领域的应用奠定物质材料基础。

技术方案：本发明提供了一种水溶磁性氧化铁纳米晶及其制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将尿素和胆碱类有机物混合共热，得到无色透明的共熔混合物溶剂；

2)以铁板为阳极、铁板或者金属活泼性低于铁的其他金属为阴极、步骤1)所得共熔混合物溶剂为初始电解质，外加电流构成电解池系统，在搅拌条件下进行电解；

3)电解后对电解液进行质-液分离，将电解产物清洗干净并干燥，即得所述的水溶磁性氧化铁纳米晶。

其中：

该方法还包括将质-液分离后的有机混合液通过减压蒸馏的方式蒸去有机试剂，所得馏分回收作为稀释溶剂再次使用，所得浓缩液回收再次作为电解质使用。

所得的水溶磁性氧化铁纳米晶保存于避光、低温环境中，也可清洗干净后存放于液体溶剂中。

步骤1)所述的胆碱类有机物包括胆碱、左旋肉碱、氯化胆碱、重酒石酸胆碱、磷酸胆碱、柠檬酸二氢胆碱、磷脂酰胆碱、L-胆碱、左旋肉碱盐酸盐、乙酰胆碱、甜菜碱的一种或多种混合物。

步骤1)所述的尿素和胆碱类有机物的纯度要求均为质量分数95％以上、含水率低于5％，所述的混合共热的温度为85℃～150℃。

所述的尿素与胆碱类有机物的用量关系为0.25x≤y≤4x，其中x为尿素的物质的量，y为胆碱类有机物的物质的量。

步骤2)所述的铁板的纯度要求为90wt％～99.99wt％，金属活泼性低于铁的其他金属的纯度不低于95wt％。

步骤2)所述的外加电流构成电解池系统，在搅拌条件下进行电解过程中，外加电流恒定，电流密度为1mA cm^-2～200mA cm^-2，电解过程中电解池系统温度恒定为40℃～100℃。

步骤2)所述的在搅拌条件下进行电解过程中，还添加有初始电解质质量0％～200％的惰性有机溶剂，包括丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜的一种或多种的混合溶剂。

步骤2)电解过程中，通电后阳极铁单质氧化为铁离子，和共熔混合物溶剂生成的活泼氧结合进而生成磁性氧化铁纳米晶，与此同时电解质分解产生的一些亲水性基团会枝接于纳米晶上，且最后电解产物的产量及品质取决于电流密度大小、有效电极板面积、通电时间及反应体系温度等因素。

步骤3)所述的电解后对电解液进行质-液分离中，质-液分离方法采用离心分离、过滤分离或外磁场辅助分离方式；步骤3)所述的将电解产物清洗干净并干燥中，干燥采用中低温减压干燥、低温真空干燥或热空气鼓风干燥方式。

步骤3)所述的电解后对电解液进行质-液分离中，分离之前先在电解后的电解液中加入初始电解质质量的10％～300％的稀释溶剂，使分离效率更高效，该稀释溶剂为丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、二氧六环、四氢呋喃或者二甲基亚砜的一种或多种的混合溶剂。

本发明还提供了一种所述水溶磁性氧化铁纳米晶的制备方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射(Chem.Mater.,2002,14,1048；ACSAppl.Mater.Interfaces,2013,5,12478)、X射线光电子能谱(ACSAppl.Mater.Interfaces,2013,5,12478；Nano Lett.,2011,11,2390)、红外光谱(Langmuir,2011,27,2271)、拉曼光谱(J.Raman Spectrosc.,1997,28,873；J.Solid StateChem.,2004,177,4286)、振动样品磁强计、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性γ-Fe₂O₃，其饱和磁化强度为50～74emu g^-1，剩磁率不大于10％，矫顽力不高于100Oe，化学成分包括铁(Fe)、氧(O)、碳(C)、氮(N)、氯(Cl)、氢(H)，可能含有极少量的磷(P)、硫(S)等元素；粒径单元尺寸为3～30nm，变异系数小于20.0％，且水溶磁性氧化铁纳米晶带有氨基官能团(如-NHR等)。

其中：

所述的水溶磁性氧化铁纳米晶可分散于以下分散介质中：水、水-有机溶剂混合体系、亲水性有机物水溶液体系、溶于有机溶剂的有机物有机溶液体系以及盐溶液体系；溶解有水溶磁性氧化铁纳米晶的分散液的浓度为0.0001mg mL^-1～10mg mL^-1，分散液体系pH值为3～7.5，溶剂动力学粒径尺寸为5～100nm，多分散指数小于0.040(单分散分布)，zeta电位值为+25mV～+55mV，根据浓度和分散介质种类的不同，溶解有水溶磁性氧化铁纳米晶的分散液在2～30℃温度下保持稳定1～600天而不发生聚沉。

所述的水-有机溶剂混合体系如含水质量分数为1％～99％的乙醇、甲醇、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺等；所述的亲水性有机物水溶液体系如0.1％～50％的葡萄糖水溶液、氨基酸水溶液、叶酸水溶液、盐酸多巴胺水溶液等；所述的溶于有机溶剂的有机物有机溶液体系如盐酸多巴胺二甲基亚砜溶液、叶酸二甲基亚砜溶液等；所述盐溶液体系如PBS缓冲液等；

所得水溶磁性氧化铁纳米晶产物可用于生物医学、生物医药、环境等领域，目前已成功用于作为磁共振成像对比剂(MRI₂)用于肝部造影成像、核酸及蛋白质的提取、分离与纯化。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)本发明实现了富含亲水性氨基官能团的磁性氧化铁纳米晶的一步法制备，满足产品克量级至千克量级的可控稳定制备，且整个过程环境友好、低成本、操作简单；

(2)本发明所制备的水溶磁性氧化铁纳米晶因富含亲水性官能团，因此无需后期复杂的修饰或包覆即可在水相中快速、高效分散，且分散体系在室温条件下可保持数十天至数百天的稳定性而无聚沉或沉淀现象发生；

(3)本发明所得水溶磁性氧化铁纳米晶无需后期复杂的修饰或包覆已成功用于作为磁共振成像对比剂(MRI,T2)用于肝部造影成像；亦已成功用于核酸及蛋白质的提取、分离与纯化；

(4)本发明得到的水溶磁性氧化铁纳米晶生物相容性好；因富含亲水性官能团并可在水相及水-有机混合溶剂中稳定分散，为靶向性修饰、药物负载等奠定了物质材料基础；

附图说明

图1为水溶磁性氧化铁纳米晶X射线粉末衍射图谱；

图2为水溶磁性氧化铁纳米晶拉曼光谱图；

图3为水溶磁性氧化铁纳米晶红外光谱图；

图4为水溶磁性氧化铁纳米晶X射线光电子能谱全谱图；

图5为水溶磁性氧化铁纳米晶X射线光电子能谱Fe 2p图；

图6为水溶磁性氧化铁纳米晶X射线光电子能谱Cl 1s图；

图7为水溶磁性氧化铁纳米晶透射电子显微图；

图8为水溶磁性氧化铁纳米晶高分辨透射电子显微图；

图9为水溶磁性氧化铁纳米晶磁化曲线图。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，以下结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1

一种水溶磁性氧化铁纳米晶的制备方法，步骤如下：

步骤1、将纯度为98wt％的尿素与97.5wt％的氯化胆碱以摩尔比2：1混合，在95℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度为99.99wt％的铁板为阴、阳极，以上述获得共熔混合物溶剂为初始电解质，恒温至70℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积20mA cm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

步骤3、反应结束后，取出电极板，向体系中加入相对加入初始电解质质量10％的乙醇，搅拌均匀后，离心分离产物，所得产物用无水乙醇清洗并40℃减压干燥，得棕褐色粉末，即水溶磁性氧化铁纳米晶，避光保存于0℃～25℃环境中。

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、红外光谱、拉曼光谱、振动样品磁强计、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为有着良好结晶度的亚铁磁性的γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜(TEM)粒径为7.24nm，变异系数15.6％，饱和磁化强度为67.8emu g^-1，剩磁率为5.3％，矫顽力为33.3Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶分散于pH≈6去离子水中形成均一、稳定的浓度为0.001mg mL^-1～8.0mg mL^-1的水相体系分散液，所得分散液中粒子水动力学粒径25.5nm，Zeta电位+55.0mV且为单分散状态；最高浓度水分散液在5℃环境中保持超过600天无聚沉或沉淀。

该产物还可以分散于乙醇、甲醇、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺中，所得浓度为0.001～5mg mL^-1；还可以分散到质量分数0.1％～50％的葡萄糖水溶液、氨基酸水溶液、叶酸水溶液、盐酸多巴胺水溶液等；所述的溶于有机溶剂的有机物有机溶液体系如盐酸多巴胺二甲基亚砜溶液、叶酸二甲基亚砜溶液等；所述盐溶液体系如PBS缓冲液等，本实施中所得产物分散液的理化性质如表1所示(室温23℃-24℃测得)。

表1

以上测试在室温下进行。

该实施例中所得产物结构及其理化性质是经由图1(X射线粉末衍射光谱)、图2(拉曼光谱)、图3(红外光谱)、图4(X射线光电子能谱全谱图)、图5(X射线光电子能谱Fe 2p)、图6(X射线光电子能谱N1s)、图7(透射电子显微图)、图8(高分辨透射电子显微图，220面和422面清晰且为γ-Fe₂O₃的特征晶面)和图9(磁化曲线)鉴定和表征的；后续实施例中所用鉴定和表征手段与上述一致，不再详细列出。

实施例2

步骤1、将纯度为98wt％的尿素与97.5wt％氯化胆碱以摩尔比4：1混合，在130℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度为90wt％的纯铁板为阴、阳极，以上述获得共熔混合物溶剂与异丙醇质量比为2：1的混合液为电解质，恒温至65℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积60mA cm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

步骤3、反应结束后，取出电极板，向体系中加入相对加入初始电解质质量100％的乙醇，搅拌均匀后，外磁性辅助分离产物，所得产物用无水乙醇清洗并40℃减压干燥，得棕褐色粉末，即水溶磁性氧化铁纳米晶，避光保存于0℃～25℃环境中。

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、红外光谱、拉曼光谱、振动样品磁强计、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性的γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜粒径为8.2nm，变异系数17.0％，饱和磁化强度为66.2emu g^-1，剩磁率为7.3％，矫顽力为24.1Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶分散于pH≈6去离子水中形成均一、稳定的浓度为0.125mg mL^-1～3.0mg mL^-1的水相体系分散液，所得分散液中粒子水动力学评价粒径27.2nm，Zeta电位值+45.3mV且为单分散状态；最高浓度水分散液在5℃环境中保持超过600天无聚沉或沉淀；将其分散于二甲基亚砜中形成最高浓度为12mg mL^-1的分散液，Zeta值+47.3mV室温)，溶剂动力学粒径为32.6nm。

实施例3

步骤1、将纯度为98wt％的尿素与97.5wt％磷酸胆碱以摩尔比3：1混合，在115℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度为99.5wt％的铁板为阴、阳极，以上述获得共熔混合物溶剂与二甲基亚砜质量比为1：1的混合液为电解质，恒温至40℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积90mAcm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

步骤3、反应结束后，取出电极板，向体系中加入相对加入初始电解质质量100％的乙醇，搅拌均匀后，外磁场辅助离心分离产物，所得产物用去离子水清洗并冷冻干燥，得棕褐色粉末，即水溶磁性氧化铁纳米晶，避光保存于0℃～25℃环境中。

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、红外光谱、拉曼光谱、振动样品磁强计、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性的γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜(TEM)粒径为9.7nm，变异系数18.1％，饱和磁化强度为56.9emu g^-1，剩磁率为8.2％，矫顽力为27.2Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶分散于pH≈6去离子水中形成均一、稳定的浓度为0.02mg mL^-1～2.0mg mL^-1的水相体系分散液，所得分散液中粒子水动力学粒径43.3nm，Zeta电位值不低于+35mV且为单分散状态；最高浓度水分散液在5℃～25℃环境中保持超过100天无聚沉或沉淀；将其分散于PBS缓冲液中形成浓度为0.05mg mL^-1的分散液，Zeta值+21.3mV，水动力学粒径为99.6nm。

实施例4

步骤1、将纯度为95wt％的尿素与97.5wt％磷酸胆碱以摩尔比1：2混合，在95℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度为97.5％的铁板为阴、阳极，以上述获得共熔混合物溶剂与二甲基亚砜质量比为1：2的混合液为电解质，恒温至80℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积200mAcm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

步骤3、反应结束后，取出电极板，向体系中加入相对加入初始电解质质量200％的去离子水，搅拌均匀后，外磁场辅助分离产物，所得产物用去离子水清洗并冷冻干燥，得棕褐色粉末，即水溶磁性氧化铁纳米晶，避光保存于0℃～25℃环境中。

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、红外光谱、拉曼光谱、振动样品磁强计、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性的γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜粒径为23.4nm，变异系数17.7％，饱和磁化强度为50emu g^-1，剩磁率为9.7％，矫顽力为37.3Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶分散于质量分数15％的葡萄糖水溶液中(pH≈6)中形成均一、稳定的浓度为0.0125mg mL^-1～2.0mg mL^-1的分散液，所得分散液中粒子水动力学粒径48.9nm，Zeta电位值+31.5mV且为单分散状态；最高浓度水分散液在5℃～25℃环境中保持超过200天无聚沉或沉淀；将其分散于质量分数0.1％的叶酸水溶液中形成浓度为0.02mg mL^-1的分散液(pH≈6)，Zeta值+45.3mV，水动力学粒径为43.5nm。

实施例5

步骤1、将纯度为98wt％的尿素与97.5wt％胆碱类有机物(磷酸胆碱与氯化胆碱混合物，二者的摩尔比为1：1)以摩尔比1：4混合，在130℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度97.5wt％的高纯铁板为阳极，以纯度为97.5wt％的铜板为阴极，以上述获得共熔混合物溶剂与乙醇和二甲基亚砜混合溶剂(体积比为1：1)质量比为2：1的混合液为电解质，恒温至75℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积100mA cm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

步骤3、反应结束后，取出电极板，向体系中加入相对加入初始电解质质量200％的去离子水，搅拌均匀后，外磁场辅助分离产物，所得产物用无水乙醇清洗并40℃减压干燥，得棕褐色粉末，即水溶磁性氧化铁纳米晶，避光保存于0℃～25℃环境中。

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、红外光谱、拉曼光谱、振动样品磁强计、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性的γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜粒径为10.2nm，变异系数16.8％，饱和磁化强度为60.9emu g^-1，剩磁率为4.6％，矫顽力为23.7Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶分散于pH≈6质量分数25％的二甲基亚砜去水溶液中形成均一、稳定的浓度为0.125mg mL^-1～0.8mg mL^-1的分散液，所得分散液中粒子水动力学粒径29.7nm，Zeta电位值+46.2mV且为单分散状态；最高浓度水分散液室温在环境(25℃～30℃)中保持超过200天无聚沉或沉淀；将其分散于质量分数0.2％的盐酸多巴胺溶液中形成浓度为0.04mg mL^-1的分散液(pH≈6)，Zeta值+40.3mV，水动力学粒径为41.7nm。

实施例6

步骤1、将纯度为98wt％的尿素与97.5wt％胆碱类有机物(甜菜碱与磷酸胆碱混合物，二者的摩尔比为1：2)以摩尔比1：1混合，在150℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度为97.5wt％的铁板为阳极，以纯度为98.0wt％的铌板为阴极，以上述获得共熔混合物溶剂与N,N-二甲基甲酰胺质量比为2：1的混合液为电解质，恒温至75℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积1mA cm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

步骤3、反应结束后，取出电极板，向体系中加入相对加入初始电解质质量20％的乙醇，搅拌均匀后，离心分离产物，所得产物用无水乙醇清洗并40℃减压干燥，得棕褐色粉末，即水溶磁性氧化铁纳米晶，避光保存于0℃～25℃环境中。

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、红外光谱、拉曼光谱、振动样品磁强计、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性的γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜粒径为3.0nm，变异系数14.9％，饱和磁化强度为74.0emu g^-1，剩磁率为6.2％，矫顽力为24.4Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶分散于pH≈6含有质量分数10％葡萄糖和质量分数0.25％的氯化钠的混合溶液中形成均一、稳定的浓度为0.02mg mL^-1～2mg mL^-1的分散液(分散方式可以是直接分散也可以先得到形成均一、稳定的一定浓度的去离子水分散液再添加葡萄糖溶液和氯化钠溶液而获得)，所得分散液中粒子水动力学粒径9.2nm，Zeta电位值+36.3mV且为单分散状态；最高浓度水分散液在(2℃～25℃)环境中保持超过60天无聚沉或沉淀；当直接分散于pH≈6超纯水中形成0.01mg mL^-1～5mg mL^-1的分散液时，其水动力粒径为5.0nm，Zeta电位值+50.1mV且为单分散状态；最高浓度水分散液在(5℃～25℃)环境中保持超过600天无聚沉或沉淀。

实施例7

步骤1、将纯度为98wt％的尿素与97.5wt％氯化胆碱以摩尔比3：2混合，在100℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度99.99wt％的铁板为阴、阳极，以上述获得共熔混合物溶剂为电解质，恒温至100℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积10mA cm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

步骤3、反应结束后，取出电极板，向体系中加入相对加入初始电解质质量100％的丙酮，搅拌均匀后，外磁性辅助分离产物，所得产物用去离子水清洗并40℃冷冻干燥，得棕褐色粉末，即水溶磁性氧化铁纳米晶，避光保存于5℃～25℃环境中。

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、红外光谱、拉曼光谱、振动样品磁强计、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜粒径为5.4nm，变异系数15.8％，饱和磁化强度为71.1emu g^-1，剩磁率为6.9％，矫顽力为30.5Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶分散于质量分数1％的葡聚糖水溶液中(pH≈6)中含有质量分数5％的葡聚糖中形成均一、稳定的浓度为0.125mg mL^-1～1.0mg mL^-1的分散液，所得分散液中粒子水动力学粒径19.8nm，Zeta电位值+45.9mV且为单分散状态；最高浓度水分散液在(5℃～25℃)环境中保持超过600天无聚沉或沉淀。

实施例8

步骤1、将纯度为98wt％的尿素与97.5wt％胆碱类有机物(磷酸胆碱与左旋肉碱混合物，二者的摩尔比为1：1)以摩尔比2：3混合，在140℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度97.5wt％的铁板为阳极，以纯度为98.0wt％的铌板为阴极，以上述获得共熔混合物溶剂与甲醇和二甲基亚砜混合溶剂(体积比为1：2)质量比为2：3的混合液为电解质，恒温至75℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积50mA cm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

步骤3、反应结束后，取出电极板，向体系中加入相对加入初始电解质质量50％的乙醇，搅拌均匀后，外磁场辅助产物，所得产物用丙酮清洗并40℃减压干燥，得棕褐色粉末，即水溶磁性氧化铁纳米晶，避光保存于5℃～25℃环境中。

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射(图1)、X射线光电子能谱、红外光谱(图3)、拉曼光谱、振动样品磁强计(图8)、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜粒径为11.4nm，变异系数17.2％，饱和磁化强度为70.2emu g^-1，剩磁率为6.7％，矫顽力为25.3Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶分散于质量分数15％的葡萄糖水溶液(pH≈6)中形成均一、稳定的浓度为0.125mg mL^-1～4.0mg mL^-1的分散液，所得分散液中粒子水动力学粒径34.7nm，Zeta电位值+40.2mV且为单分散状态；最高浓度水分散液在5℃环境中保持超过400天无聚沉或沉淀。

实施例9

步骤1、将纯度为98wt％的尿素与97.5wt％胆碱类有机物(氯化胆碱、磷酸胆碱和左旋肉碱的混合物，三者的摩尔比为1：1：1)以摩尔比2：1混合，在95℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度95.5％的铁板为阴、阳极，以上述获得共熔混合物溶剂为电解质，恒温至95℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积5mA cm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射(图1)、X射线光电子能谱、红外光谱(图3)、拉曼光谱、振动样品磁强计(图9)、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜粒径为8.9nm，变异系数18.1％，饱和磁化强度为63.8emu g^-1，剩磁率为8.1％，矫顽力为27.2Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶分散于质量分数5％的乙二醇水溶液(pH≈6)中形成均一、稳定的浓度为0.125mg mL^-1～4.0mg mL^-1的分散液，所得分散液中粒子水动力学粒径36.9nm，Zeta电位值+39.3mV且为单分散状态；4.0mg mL^-1的分散液在5℃环境中保持超过420天无聚沉或沉淀。

实施例10

步骤1、将纯度为98wt％的尿素与97.5wt％胆碱类有机物(左旋肉碱盐酸盐与磷酸胆碱混合物，二者的摩尔比为3：1)以摩尔比2：1混合，在100℃环境中加热使白色晶体混合物变为无色透明液体以获得共熔混合物溶剂；

步骤2、以纯度97.5wt％的铁板为阴、阳极，以上述获得共熔混合物溶剂与二甲基亚砜质量比为1：1的混合液为电解质，恒温至85℃并恒速搅拌，按相对于阳极板面积5mAcm^-2的电流密度通入电流构成电解反应体系；

步骤3、反应结束后，取出电极板，向体系中加入相对加入初始电解质质量20％的乙醇，搅拌均匀后，离心分离产物，所得产物用去离子水清洗并冷冻干燥，得棕褐色粉末，即水溶磁性氧化铁纳米晶，避光保存于0℃～25℃环境中。

一种上述方法制备得到的水溶磁性氧化铁纳米晶，经X射线粉末衍射(图8)、X射线光电子能谱、红外光谱、拉曼光谱、振动样品磁强计、透射电子显微镜等技术手段分析，该水溶磁性氧化铁纳米晶为亚铁磁性γ-Fe₂O₃，且颗粒表面负载有氨基基团，平均透射电子显微镜粒径为6.6nm，变异系数16.1％，饱和磁化强度为68.1emu g^-1，剩磁率为7.1％，矫顽力为29.7Oe；

将所述水溶磁性氧化铁纳米晶散于质量分数50％的N,N-二甲基甲酰胺水溶液(pH≈6)中形成均一、稳定的浓度为0.0125mg mL^-1～2.0mg mL^-1的分散液，0.01mg mL^-1的分散液在室温条件下Zeta电位值+36.1mV，所得分散液中粒子水动力学粒径28.1nm,5℃～25℃环境中已保存超过200天无聚沉或沉淀；当直接分散于pH≈6超纯水中形成0.01mg mL^-1～2mg mL^-1的分散液时，其水动力粒径为5.0nm，Zeta电位值+48.5mV且为单分散状态，所得分散液中粒子水动力学粒径18.9nm,最高浓度水分散液在5℃～25℃环境中保持超过600天无聚沉或沉淀。

Claims

1.一种水溶磁性氧化铁纳米晶的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

3)电解后对电解液进行质-液分离，将电解产物清洗干净并干燥，即得所述的水溶磁性氧化铁纳米晶；

其中步骤2)所述的铁板的纯度要求为90wt％～99.99wt％，金属活泼性低于铁的其他金属的纯度不低于95wt％；步骤2)所述的外加电流构成电解池系统，在搅拌条件下进行电解过程中，外加电流恒定，电流密度为1mA cm^-2～200mA cm^-2，电解过程中电解池系统温度恒定为40℃～100℃。

2.如权利要求1所述的一种水溶磁性氧化铁纳米晶的制备方法，其特征在于：该方法还包括将质-液分离后的有机混合液通过减压蒸馏的方式蒸去有机试剂，所得馏分回收作为稀释溶剂再次使用，所得浓缩液回收再次作为电解质使用。

3.如权利要求1所述的一种水溶磁性氧化铁纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的胆碱类有机物包括胆碱、左旋肉碱、氯化胆碱、重酒石酸胆碱、磷酸胆碱、柠檬酸二氢胆碱、磷脂酰胆碱、L-胆碱、左旋肉碱盐酸盐、乙酰胆碱或者甜菜碱的一种或多种混合物。

4.如权利要求1所述的一种水溶磁性氧化铁纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的尿素和胆碱类有机物的纯度要求均为质量分数95％以上、含水率低于5％，所述的混合共热的温度为85℃～150℃；所述的尿素与胆碱类有机物的用量关系为0.25x≤y≤4x，其中x为尿素的物质的量，y为胆碱类有机物的物质的量。

5.如权利要求1所述的一种水溶磁性氧化铁纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的在搅拌条件下进行电解过程中，还添加有初始电解质质量0％～200％的惰性有机溶剂，包括丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜的一种或多种的混合溶剂。

6.如权利要求1所述的一种水溶磁性氧化铁纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的电解后对电解液进行质-液分离中，分离之前先在电解后的电解液中加入初始电解质质量的10％～300％的稀释溶剂，该稀释溶剂为丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜的一种或多种的混合溶剂。