水溶性Fe3O4/Au納米復(fù)合粒子制備及性能研究

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(1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué) 附屬第四醫(yī)院分子影像科,黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

水溶性Fe3O4/Au納米復(fù)合粒子制備及性能研究

吳麗娜1,劉立洵2,范麗馨1,王志江2,王可錚1,孫夕林1,申寶忠1

(1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué) 附屬第四醫(yī)院分子影像科,黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

本文針對(duì)可用作MRI/CT雙模式成像分子探針的Fe3O4/Au納米粒子制備方法存在工藝繁瑣，工業(yè)擴(kuò)大化后能耗大等缺點(diǎn)，發(fā)展了一種綠色、簡便的可控自組裝工藝，分析了納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，研究了材料的等離子體共振特性和磁學(xué)特征。結(jié)果表明：(1)發(fā)展的層層自組裝方法可以使磁性納米粒子Fe3O4與具有高X射線吸收的Au粒子組裝在一起，兩者結(jié)合牢固，長時(shí)間超聲振蕩后仍然沒有脫落；(2)中心核為Fe3O4納米團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)特征使復(fù)合粒子具有高飽和磁化強(qiáng)度，克服了以往報(bào)道的Fe3O4/Au復(fù)合納米粒子磁化強(qiáng)度低的缺點(diǎn)；(3)金粒子均勻分布在Fe3O4納米團(tuán)簇表面，因?yàn)榱Ｗ娱g距縮短增強(qiáng)了粒子間的耦合作用，使得等離子體共振譜發(fā)生了寬化和紅移。

Fe3O4/Au納米復(fù)合粒子；層層自組裝；化學(xué)鍵合；超順磁；等離子體共振

0 前言

多模式成像是當(dāng)前國際公認(rèn)的分子影像學(xué)發(fā)展趨勢(shì)之一，開發(fā)具有多種成像能力的分子探針是分子影像學(xué)研究中的熱點(diǎn)和重點(diǎn)之一[1-2]。超小型超順磁性納米氧化鐵粒子(USPIO)是一種優(yōu)質(zhì)的磁共振對(duì)比劑，當(dāng)USPIO的粒徑小于臨界尺寸30 nm后，USPIO呈現(xiàn)超順磁性的磁學(xué)特征，具有高飽和磁化強(qiáng)度、可逆的磁化過程以及顯著的T2加權(quán)成像等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的MRI醫(yī)學(xué)造影劑材料[3]。納米金也是一種生物成像材料，具有豐富的表面修飾途徑和良好的穩(wěn)定性，尤其生物相容性優(yōu)異，我們的前期研究結(jié)果表明，納米金粒子呈現(xiàn)強(qiáng)X射線衰減特性，性能明顯優(yōu)于臨床使用的碘造影劑值，并且穩(wěn)定性優(yōu)異，以干粉形式可長期儲(chǔ)存，證實(shí)納米金是一種很有前途的CT造影劑[4]。其它研究也有報(bào)道納米金的安全無毒特性，可以用來治療某些疾病和作為CT成像對(duì)比劑。當(dāng)前報(bào)道的方法多采用Fe3O4納米粒子做為晶核，然后使Au3+離子原位行核在Fe3O4粒子外表面沉積生長，這種制備途徑需要嚴(yán)格控制還原劑種類、Au3+離子濃度和反應(yīng)環(huán)境，而且制備過程繁瑣，只能微量制備[5-6]。針對(duì)此問題，本研究通過對(duì)材料進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和組裝，制備了Fe3O4/Au納米粒子，這種材料兼具有Fe3O4的超順磁特征以及納米金的表面等離子體共振特性，可作為MRI/CT雙模式成像分子探針。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

氯金酸、三甘醇、檸檬酸鈉、硼氫化鈉、3-巰丙基三甲氧基硅烷購買于美國ALDRICH公司，乙酰丙酮鐵購買于比利時(shí)ACROS公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

(1)Fe3O4納米團(tuán)簇合成

將乙酰丙酮鐵(500 mg)和三甘醇(20 mL)加入到三頸瓶中，然后將裝置緩慢加熱，使溶劑沸騰，并在沸騰狀態(tài)保持回流30 min。用磁性分離技術(shù)分離產(chǎn)物。稱取分離出的Fe3O4粒子(120 mg)溶于一定量的甲醇(80 mL)溶液中，在攪拌的條件下，向上述溶液中緩慢滴加硅烷偶聯(lián)劑3-巰丙基三甲氧基硅烷30 μL，反應(yīng)結(jié)束后，采取磁性分離，得到團(tuán)簇產(chǎn)物。

(2)Au溶膠制備

稱取氯金酸(2.0 mg)溶解于超純水(10 mL)中，量取檸檬酸三鈉(1.5 mg)溶解于等量的超純水中，兩種水溶液混合；將硼氫化鈉(0.2 mol/L，0.6 mL)快速注入到上述溶液中，溶液由透明變?yōu)榱司萍t色，表明A u溶膠已經(jīng)生成。

(3)Fe3O4/Au復(fù)合納米粒子制備

將Fe3O4團(tuán)簇的溶液置于超聲振蕩裝置中，然后滴加一定比例的Au溶膠，超聲振蕩30 min后，磁性分離獲取產(chǎn)物。制備過程中，F(xiàn)e3O4粒子與Au溶膠的濃度比分別為120∶1、60∶1和30∶1，制備的樣品編號(hào)相應(yīng)記為F1、F2和F3。

1.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用Tecnai G20透射電子顯微鏡(TEM)觀察樣品的尺寸、形貌、粒徑分布及微觀結(jié)構(gòu)。采用Rigaku D/max-γB旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀(XRD)分析物相。

1.4 光、磁性能表征

利用UV-2550型紫外-可見光光度計(jì)(UV-vis)分析樣品的吸收光譜，進(jìn)行材料表面等離子體共振特性分析。采用Quantum Design的物理性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)(PPMS)分析樣品的磁性能。

2 結(jié)果分析

2.1 微觀形貌分析

采用透射電鏡對(duì)Fe3O4/Au納米粒子的微觀形貌進(jìn)行觀察，樣品F1、F2和F3的TEM像如圖1所示。Fe3O4/Au粒子呈現(xiàn)類榴蓮狀，內(nèi)部為Fe3O4納米粒子簇，在外層附著了電子顯微鏡下襯度較高的Au納米粒子，三種樣品的透射電鏡圖像還顯示出隨著Au納米粒子投料比的增大，Au納米粒子在Fe3O4納米粒子簇表面的附著量逐步增加。

圖2為Fe3O4/Au納米復(fù)合粒子樣品F1及Fe3O4納米粒子的XRD圖譜。Au納米粒子與Fe3O4納米粒子簇結(jié)合前后，F(xiàn)e3O4納米粒子的XRD圖譜沒有明顯差異，這表明自組裝反應(yīng)過程沒有改變Fe3O4的結(jié)構(gòu)特征，很好的保存了材料原有的物理性質(zhì)。Au粒子在磁性納米粒子簇體表面附著后，在XRD圖譜中出現(xiàn)了一個(gè)對(duì)應(yīng)于Au材料的衍射峰，表明形成的復(fù)合物中含有兩種組分，F(xiàn)e3O4/Au復(fù)合納米粒子可以通過自組裝的方式制備。

圖1 Fe3O4/Au復(fù)合納米粒子樣品(A)F1、(B)F2和(C)F3的透射電鏡圖像

圖2 Fe3O4/Au復(fù)合納米粒子F1的X射線衍射圖譜

2.2 吸收光譜行為

圖3給出Fe3O4粒子、Au膠體粒子和Fe3O4/Au復(fù)合納米粒子的紫外-可見光吸收光譜。從圖示可以看出，Au膠體粒子在520 nm處具有明顯的吸收峰存在。當(dāng)Au膠體粒子與Fe3O4納米團(tuán)簇結(jié)合在一起形成Fe3O4/Au納米復(fù)合粒子后，處于520 nm處的可見光吸收峰呈現(xiàn)明顯的吸收峰紅移以及寬化的現(xiàn)象，隨著Au在納米復(fù)合粒子中含量的升高，吸收峰紅移和寬化的現(xiàn)象越來越顯著。

圖3 Au膠體粒子、Fe3O4粒子以及Fe3O4/Au納米復(fù)合粒子的紫外-可見光吸收光譜

2.3 磁性能分析

圖4為不同比例的Au和Fe3O4納米粒子所制備的納米復(fù)合粒子樣品F1、F2和F3的磁滯回線?？梢钥闯觯瑔我坏腇e3O4納米粒子具有的飽和磁化強(qiáng)度為66.02 emu/g，負(fù)載Au膠體粒子后樣品的飽和磁化強(qiáng)度降低，隨著Au負(fù)載量的增加，降低的幅度增大。其中，F(xiàn)1樣品的飽和磁化強(qiáng)度為58.56 emu/g，F(xiàn)2樣品為51.79 emu/g，F(xiàn)3樣品為48.49 emu/g。所有樣品的磁滯回線過原點(diǎn)，無剩磁和矯頑力，這表明制備的納米復(fù)合粒子很好的保持了組裝單體-Fe3O4的超順磁性能，即使負(fù)載Au膠體粒子后，依然保存了較高的飽和磁化強(qiáng)度。

圖4 復(fù)合納米粒子樣品F1～F3和Fe3O4納米粒子的磁化曲線

3 討論

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以發(fā)現(xiàn)通過本論文發(fā)展的層層自組裝方式可以使磁性納米粒子Fe3O4與具有高X射線吸收的Au粒子組裝在一起，并且附著在外層的Au膠體粒子與內(nèi)部Fe3O4粒子簇牢固結(jié)合，即使經(jīng)歷制備過程中和后期清洗的長時(shí)間超聲振蕩仍然無脫落，這應(yīng)該歸因于在設(shè)計(jì)自組裝過程中，使用硅烷偶聯(lián)劑3-巰丙基三甲氧基硅烷作為橋梁層，3-巰丙基三甲氧基硅烷中的甲氧基基團(tuán)通過水解縮合后的Si-O-Fe鍵與Fe3O4緊密結(jié)合，露在最外端的巰丙基基團(tuán)與Au膠體粒子以Au-S鍵合的方式緊密結(jié)合，3-巰丙基三甲氧基硅烷的紐帶作用，很好的將分別具有MRI增效和CT信號(hào)增強(qiáng)的Fe3O4與Au緊密地結(jié)合在一起，并且這種方法制備流程簡單，方法快捷，利于大產(chǎn)量制備和生產(chǎn)。

Au膠體粒子具有獨(dú)特表面等離子共振效應(yīng)，其具體表現(xiàn)為在520 nm處有明顯的可見光吸收峰[7]。這種吸收峰具體形態(tài)取決于Au膠體粒子聚集程度以及粒子之間的電磁場耦合，在Fe3O4/Au納米復(fù)合粒子的吸收峰中呈現(xiàn)顯著的紅移和寬化，這主要是因?yàn)锳u膠體粒子被固定于Fe3O4納米團(tuán)簇的表面，膠體粒子之間的距離大大縮短，增加了膠體粒子之間的電磁耦合，在這種耦合作用下，使得復(fù)合粒子的可見光吸收峰紅移和寬化。

超順磁性Fe3O4分布于組織后，擾亂了周圍介質(zhì)的磁場，引起質(zhì)子去相位，進(jìn)而縮短了組織的T2值，使組織信號(hào)降低，是一種優(yōu)質(zhì)的T2 MRI造影劑。磁性Fe3O4粒子的磁化強(qiáng)度制約著MRI的信號(hào)強(qiáng)度，一般而言，磁性物質(zhì)的飽和磁化強(qiáng)度越大，T2弛豫率R2較大，促進(jìn)組織的T2弛豫，信號(hào)強(qiáng)度變大，信噪比提高[8]。當(dāng)前報(bào)道的核殼型結(jié)構(gòu)Fe3O4/Au最大飽和磁化強(qiáng)度一般在20 emu/g以下，主要是因?yàn)閺?fù)合結(jié)構(gòu)中外層Au殼層占據(jù)了較大比重。低的飽和磁化強(qiáng)度導(dǎo)致材料MRI造影信號(hào)減弱，大大限制了分子探針材料在分子影像中的應(yīng)用[9]。采用本研究報(bào)道和設(shè)計(jì)的方法制得的Fe3O4/Au納米復(fù)合粒子具有較高的飽和磁化強(qiáng)度，數(shù)值在45 emu/g以上，具有良好的應(yīng)用前景。

CT信號(hào)強(qiáng)度主要與Au粒子的比表面積有關(guān)，已有文獻(xiàn)報(bào)道，在同種濃度下，小粒徑的Au膠體粒子比大粒徑呈現(xiàn)更高的X射線衰減信號(hào)和較佳的CT成像的效果[4]。在本報(bào)道中，我們?yōu)榱颂岣逜u的比表面積而采用將顆粒狀A(yù)u附著在磁性團(tuán)簇體表面的方式，這種方式可提高Au的裸露面積，提高Au粒子的CT衰減信號(hào)。

4 結(jié)論

采用硅烷偶聯(lián)劑作為紐帶的層層自組裝的方式可以使具有MRI造影增效的Fe3O4納米粒子和CT增效的Au粒子緊密地結(jié)合在一起，并且Au膠體粒子在磁性團(tuán)簇表面的負(fù)載量可通過調(diào)節(jié)兩者初始用量實(shí)現(xiàn)。納米復(fù)合粒子具有高的水溶性、強(qiáng)飽和磁場強(qiáng)度，并且Au粒子處于復(fù)合結(jié)構(gòu)的最外層，既可發(fā)揮CT造影增效，又可與各種其他藥物分子相連，有望作為一種新型的診療一體化探針平臺(tái)。

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SynthesisandPropertiesofWaterSolubleFe3O4/AuHybridNanoparticles

WU Li-na1,LIU Li-xun2,FAN Li-xin1,WANG Zhi-jiang2,WANG Ke-zheng1,SUN Xi-lin1,SHEN Bao-zhong1

(1.Department of Radiology,the 4th Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150001,China;2.School of Chemical Engineering and Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

To address the issue that Fe3O4/Au hybrid nanoparticles as the dual-functional MRI/CT probes are currently synthesized in a complex and energy consuming means,a facile and efficient layer-by-layer assembly technique has been developed to fabricate Fe3O4/Au hybrid nanoparticles. Their microstructure, superparamagnetic and plasmonic resonance properties were characterized and studied.Experimental Results showed:(1)Analysis on microstructure indicates that gold nanoparticles had tightly linked with magnetic Fe3O4nanoparticle clusters which can endure long period of ultrasound vibration;(2)The structure with a core of Fe3O4nanoparticle clusters endowed the prepared hybrid nanoparticles with a high saturation magnetization,which well overcome the shortcomings of reported Fe3O4-based hybrids with poor magnetization;(3)Gold nanoparticles attached on the surface of Fe3O4nanoparticle clusters without aggregation.Because the distances of gold nanoparticles were reduced compared to their colloidal state,the plamonic resonance peak showed a characteristic of red-shift and broaden.

Fe3O4/Au hybrid nanoparticles;layer-by-layer;superparamagnetic;plasmonic resonance

2014-05-21修訂稿日期2014-06-25

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12511325)

吳麗娜(1982～)，女，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)榉肿佑跋裉结槨?/p>

R445

A

1002-6339 (2014) 04-0305-03