核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@SiO2納米粒子的制備及表征

廖 鵬, 李 娜, 劉家良, 李崇瑛

(1.成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，成都 610000；2.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610000)

Fe3O4納米粒子在磁靶向藥物載體[1-2]、生物分子分離[3-4]、磁共振成像(MRI)[5]等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但由于Fe3O4納米粒子具有較高的比表面積和表面能以及粒子間磁偶極相互作用，使粒子極為容易團(tuán)聚，且化學(xué)穩(wěn)定性不高，容易被氧化，難以直接應(yīng)用。為此，需要制備出化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、具有良好生物相容性、分散性較好的Fe3O4納米粒子。近年來，有許多類型的材料被用于Fe3O4納米粒子的表面修飾，包括高分子材料[6]、貴金屬[7-8]、SiO2[9]。其中，SiO2在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是最具前景和最有利的磁性納米粒子修飾材料，它不僅能防止Fe3O4納米粒子氧化，提高其化學(xué)穩(wěn)定性，還能有效提高Fe3O4納米粒子的分散性。此外，SiO2的表面可以與各種化學(xué)物質(zhì)和硅烷偶聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)，與多種生物分子和特定配體結(jié)合。因此，SiO2層具有良好的兼容性和親水性，這些都是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中不可或缺的特性[10]。

目前，St?ber法[11]是在Fe3O4納米粒子表面修飾SiO2最常用的方法，以溶膠-凝膠反應(yīng)為基礎(chǔ)，F(xiàn)e3O4納米粒子為種子，在醇/水溶液體系中，通過加入氨水使正硅酸乙酯(TEOS)在堿性環(huán)境下水解和縮合，生成的SiO2包覆在種子表面。與其他SiO2修飾方法相比，St?ber法具有操作簡單、成本低廉、包覆率高等特點(diǎn)，但制備出的粒子大小難以控制，粒徑分布不均勻。針對這一缺點(diǎn)，本文在St?ber法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將正硅酸乙酯(TEOS)通過乙醇稀釋后滴加到堿性環(huán)境中，使其緩慢水解，在磁性粒子表面成功包覆上了較為均勻的SiO2殼層，制備出分散性較好、粒徑分布范圍窄、易于表面修飾的核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@SiO2納米材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

氫氧化鈉(NaOH，成都市科龍化工試劑廠，優(yōu)級純)；四水合氯化亞鐵(FeCl2·4H2O，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究室，分析純)；二水檸檬酸三鈉(C6H5Na3O7·2H2O，成都市科龍化工試劑廠，分析純)；六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O，成都市科隆化學(xué)品有限公司，分析純)；氨水(NH3·H2O，成都市科隆化學(xué)品有限公司，分析純)；正硅酸乙酯(TEOS，成都市科隆化學(xué)品有限公司，分析純)。

實(shí)驗(yàn)儀器：JJ-1型精密增力電動攪拌器(常州國華電器有限公司)；KQ2200DE型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；BS 224 S型電子分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；DZF6020型真空干燥箱(南京明仕達(dá)干燥設(shè)備廠)；HH-S2型恒溫水浴鍋(金壇市醫(yī)療儀器廠)。

測試儀器：X射線衍射儀，型號EMPYREAN(荷蘭帕納科公司)；傅里葉變換紅外光譜儀，型號 Nicolet IS 10(賽默飛世爾科技)；掃描式電子顯微鏡，型號：Inspect F50(美國FEI公司)；振動樣品磁強(qiáng)計(jì)，型號：PPMS-9(VSM)(美國Quantum Design公司)。

1.2 Fe3O4納米顆粒的制備與表面改性

實(shí)驗(yàn)采用共沉淀法制備Fe3O4納米粒子，具體操作為：準(zhǔn)確稱取2.34 g FeCl3·6H2O與0.96 g FeCl2·4H2O于三頸燒瓶中，加100 mL去離子水?dāng)嚢枞芙猓湃牒銣厮″伜蠹訜岬?0℃，在氮?dú)獗Ｗo(hù)和機(jī)械攪拌下，向混合溶液中緩慢滴加1.15 mol/L的NaOH溶液40 mL，滴加完畢后再向溶液中加入0.1 mol/L的檸檬酸三鈉溶液40 mL作為表面活性劑，恒溫?cái)嚢?.5 h后，用磁傾析法將合成的Fe3O4納米粒子從反應(yīng)體系中分離，再用去離子水洗滌產(chǎn)物2次，最后用體積分?jǐn)?shù)為80%的乙醇洗滌3次，洗滌完畢后置于60℃真空干燥箱中干燥。

1.3 改進(jìn)的St?ber法制備Fe3O4@SiO2

實(shí)驗(yàn)選用改進(jìn)的St?ber法，在室溫機(jī)械攪拌下，將上述經(jīng)檸檬酸三鈉改性的Fe3O4納米粒子分散在80%乙醇溶液中，超聲分散1 h后，緩慢加入5 mL NH3·H2O，用恒壓滴液漏斗向反應(yīng)中滴加TEOS乙醇溶液(VTEOS∶V無水乙醇=1∶10) 110 mL，繼續(xù)攪拌反應(yīng)2 h后，停止反應(yīng)。用乙醇多次清洗后，得到反應(yīng)產(chǎn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品形貌分析

Fe3O4磁性納米粒子的分散狀態(tài)對 SiO2包覆有很大影響, 只有穩(wěn)定存在、不易團(tuán)聚的 Fe3O4納米粒子在 SiO2包覆之后 , 才能得到包覆均勻、大小均勻的 Fe3O4@SiO2復(fù)合粒子[13]。共沉淀法制備的Fe3O4納米粒子由于粒子間存在相互作用(磁性引力和范德華力)，使制備過程中的磁性粒子易團(tuán)聚，分散性較差，因此選擇合適的分散劑對Fe3O4納米粒子的制備顯得尤為重要[14-15]。圖1-A為未經(jīng)修飾的Fe3O4納米粒子，可以看到所制備的納米粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象很嚴(yán)重，分散性很差。通過檸檬酸三鈉修飾后，F(xiàn)e3O4納米粒子的分散性得到了較大的提高，所制備的納米粒子主要呈球形，平均直徑在12～18 nm(圖1-B)。圖1-C為制備的Fe3O4@SiO2納米粒子的SEM照片，外層的硅殼通過正硅酸乙酯(TEOS)在堿性環(huán)境中水解形成，磁性Fe3O4納米粒子在被包覆上SiO2后可以有效地防止納米粒子的團(tuán)聚；從圖中可以看出，包覆后的納米粒子的直徑有了明顯的增大，大約在45～85 nm，有較好的分散性。

2.2 XRD分析

圖2為Fe3O4、Fe3O4@SiO2納米粒子的XRD圖譜。由曲線a可知，所制備的Fe3O4磁性納米顆粒的衍射峰位置和相對強(qiáng)度與PDF#88-0315標(biāo)準(zhǔn)卡片F(xiàn)e3O4基本相符，出現(xiàn)了明顯的 (220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)等特征衍射峰，表明制備出的磁性納米粒子物相為反尖晶石結(jié)構(gòu)，峰型較尖銳，納米粒子結(jié)晶較完整[16]。觀察所制備出的Fe3O4@SiO2復(fù)合納米顆粒的XRD圖譜(曲線b)，當(dāng)2θ>30°時(shí)，衍射峰位與所制備的納米Fe3O4基本一致。另外，出現(xiàn)在18°～28°之間的寬泛的衍射峰表明外層包覆的無定型SiO2的存在，包覆SiO2后的納米粒子晶體結(jié)構(gòu)沒有改變，但峰強(qiáng)有所減弱。

2.3 FT-IR分析

圖3為制備的納米粒子的紅外光譜圖。制備的Fe3O4(曲線a)納米粒子在581.33 cm-1處出現(xiàn)了Fe-O特征吸收峰。在1 383.94 cm-1和1 627.55 cm-1處還分別出現(xiàn)了-COO-的對稱和反對稱伸縮振動吸收峰，表明檸檬酸的羧基脫掉質(zhì)子以酸根的形式參與配位；而-CH3與-CH2的特征吸收峰分別出現(xiàn)在2 924.13 cm-1和2 856.00 cm-1處，這些都表明所制備的Fe3O4納米粒子表面修飾上了檸檬酸三鈉[17]。對于曲線b，在3 436.42 cm-1處O-H的伸縮振動吸收峰的強(qiáng)度較Fe3O4(曲線a)有顯著增強(qiáng)，在1 093.50 cm-1處的強(qiáng)吸收峰對應(yīng)的是Si-O-Si的反對稱伸縮振動[18]，表明制備的Fe3O4表面SiO2的存在。

圖1 檸檬酸三鈉修飾前后的Fe3O4粒子及Fe3O4@SiO2的SEM照片F(xiàn)ig.1 The SEM images of Fe3O4 nanoparticles modified by trisodium citrate before (a) and after (b),and Fe3O4@SiO2 composite nanoparticles (c)(A)檸檬酸三鈉修飾前; (B)檸檬酸三鈉修飾后; (C) Fe3O4@SiO2

圖2 Fe3O4和Fe3O4@SiO2納米粒子的XRD圖譜Fig.2 X-ray powder diffraction patterns of Fe3O4and Fe3O4@SiO2

圖3 納米粒子的FT-IR圖譜Fig.3 FI-TR spectra of Fe3O4 and Fe3O4@SiO2

圖4 Fe3O4和Fe3O4@SiO2納米粒子在常溫下的磁滯回線圖Fig.4 Hysteresis loop curves of Fe3O4 and Fe3O4@SiO2 at normal temperature左上方分別為Fe3O4@SiO2納米粒子分散在水中通過強(qiáng)磁收集前(A)和收集后(B)的照片； 右下方為放大后納米粒子的磁滯回線

2.4 VSM分析

為了確定納米粒子是否能表現(xiàn)出用于磁場引導(dǎo)的靶向功能，將一定量的Fe3O4@SiO2納米粒子分散在3 mL水中后超聲5 min分散，溶液呈褐色(圖4-A)，然后將其置于強(qiáng)磁環(huán)境中，大約20 min后，納米粒子完全聚集到了磁鐵的一側(cè)(圖4-B)，分散液變澄清。納米粒子的磁性能通過振動樣品磁強(qiáng)計(jì)測定，在室溫下測得的納米粒子的磁滯回線如圖4。純Fe3O4納米粒子的比磁化強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度增大而增大，最終趨向飽和，達(dá)到飽和的比磁化強(qiáng)度(M)為55.1 A·m2/kg，剩磁和矯頑力都趨于零， 具有良好的超順磁性[19]。外層包覆了SiO2后的磁性納米粒子仍表現(xiàn)出可忽略的矯頑力和剩磁，這是超順磁性材料的典型特征；但飽和比磁化強(qiáng)度(M=10.26 A·m2/kg)有明顯的降低，這是由于SiO2殼層使納米粒子的直徑明顯增大，使Fe3O4的相對含量降低所致[20]。磁性納米粒子的超順磁性使它們在常溫下團(tuán)聚的可能性很小，并且當(dāng)移除外加磁場時(shí)可以快速再分散。這些優(yōu)點(diǎn)有利于其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

3 結(jié) 論

通過共沉淀法制備Fe3O4納米粒子，經(jīng)過檸檬酸三鈉修飾后，其分散性有了明顯的提高，顆粒平均直徑在12～18 nm。通過改進(jìn)的St?ber法成功在Fe3O4納米粒子表面包覆上了SiO2，其表面含有的大量羥基能夠很容易地引入新的功能性基團(tuán)或化合物形成多功能納米材料，提高了其在生物醫(yī)學(xué)方面的性能，同時(shí)也拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。制備出核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@SiO2納米粒子，主要呈球形，直徑集中分布在45～85 nm，分散性得到的進(jìn)一步的提高；包覆了SiO2后的磁性納米粒子仍保持有良好的超順磁性。