超順磁性磁共振對(duì)比劑的制備、表征及其性能研究

杜慶波，袁利

（1.皖北衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院，安徽宿州 234000；2.宿州億帆藥業(yè)有限公司，安徽宿州 234000；3.渦陽雪楓中學(xué)，安徽亳州 233600）

一、研究背景

超順磁性磁共振對(duì)比劑是由順磁性粒子和磁性微粒組成，與鐵磁體相連。如果鐵磁性粒子體積減小到低于磁能且小于熱能的水平，那么熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場范圍也將隨機(jī)變化。這種磁性粒子類似于順磁性粒子，由于粒子的磁矩遠(yuǎn)大于順磁性物質(zhì)的磁矩，所以也稱為超順磁性粒子。由于以上原因，F(xiàn)e3O4納米顆?？梢员憩F(xiàn)出更好的力學(xué)、電磁、光學(xué)和熱特性等性能。超順磁性Fe3O4納米顆粒的毒性很小，具有非常好的生物相容性，并且可以通過外部磁場的作用實(shí)現(xiàn)其取向運(yùn)動(dòng)。在有外磁場的情況下表現(xiàn)為超順磁性，當(dāng)外磁場消失時(shí)，超順磁性Fe3O4納米顆粒的磁性消失，沒有滯后。因?yàn)槌槾判訤e3O4納米顆粒的不成對(duì)電子的磁矩和磁敏度比人體組織大得多，所以磁場強(qiáng)度不均勻，縮短了形成相關(guān)質(zhì)子的T2或T2*的弛豫時(shí)間，信號(hào)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致顆粒顯示為黑色或暗色，因此也被稱為陰性對(duì)比劑。超順磁性Fe3O4納米顆粒通常用于研究血流量和血容量、心肌或腦組織注入功能成像，超順磁性Fe3O4納米顆粒與成像速度快的磁共振成像技術(shù)相結(jié)合，也可用于腫瘤靶的多模治療，并且它還能有助于腫瘤的定性診斷和惡性腫瘤的分期分類。在磁性鐵基納米材料中，超順磁性氧化鐵是代表性的物質(zhì)，主要用于肝臟病變的診斷和鑒別診斷。近年來，超順磁性磁共振對(duì)比劑的應(yīng)用更廣泛。不僅可以與磁場相互作用產(chǎn)生核磁共振信號(hào)，并且磁性生物傳感器將磁性納米顆粒和它的復(fù)合納米材料通過適配器組合可以構(gòu)建穩(wěn)定的生物相容性。目前，磁性納米粒子已經(jīng)在眾多的領(lǐng)域中得到使用，并且具有優(yōu)良的功效。超順磁性磁共振對(duì)比劑在醫(yī)學(xué)方面有著重要的作用，它的用途非常廣泛，比如輔助造影, CT檢查，椎管內(nèi)造影，靜脈尿路造影，心血管造影等等。具有圖像分辨率高、診斷準(zhǔn)確率高、價(jià)格相對(duì)低廉、對(duì)患者輻射相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)[1-6]。

現(xiàn)在已經(jīng)有很多方法和科技輔助手段被用來制備超順磁性氧化鐵，本實(shí)驗(yàn)在考慮實(shí)驗(yàn)儀器和試劑后選用溶劑熱法來制備超順磁性磁共振對(duì)比劑。實(shí)驗(yàn)是通過一系列的操作及圖譜分析來確定制備的磁共振對(duì)比劑是否是超順磁性磁共振對(duì)比劑，由文獻(xiàn)報(bào)道可知在制備Fe3O4納米顆粒的過程中加入PVP可以增強(qiáng)其造影性能。因此,本實(shí)驗(yàn)在制備超順磁性磁共振對(duì)比劑的過程中加入了PVP作為表面活性劑來修飾超順磁性磁共振對(duì)比劑。制備出了有PVP作表面活性劑的超順磁性磁共振對(duì)比劑。超順磁性磁共振對(duì)比劑無論是在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用還是在材料方面的應(yīng)用都極具研究意義。超順磁性磁共振對(duì)比劑在現(xiàn)代的應(yīng)用范圍十分廣泛，在醫(yī)藥方面超順磁性磁共振對(duì)比劑可以增強(qiáng)磁共振的造影性能和對(duì)細(xì)胞進(jìn)行靶向識(shí)別及篩選等作用，在材料方面超順磁性磁共振對(duì)比劑也有著重要的研究意義。實(shí)驗(yàn)通過溶劑熱法制備超順磁性磁共振對(duì)比劑，通過儀器分析，了解其結(jié)構(gòu)組成和其特性。超順磁性磁共振對(duì)比劑應(yīng)用范圍廣泛，增加PVP作為其表面修飾能夠增強(qiáng)磁共振的造影性能，使其具有非常好的研究意義。超順磁性磁共振對(duì)比劑在生物技術(shù)方面也有著非常好的探究潛力。近年來，磁性納米粒子在熱化療中的應(yīng)用越來越受重視，相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也越來越多。核磁共振代謝組學(xué)方法、生物標(biāo)志物監(jiān)測(cè)等方法也取得了一定的進(jìn)展。在醫(yī)學(xué)造影方面，納米顆粒因?yàn)槠涑叽缧『吞貏e的化學(xué)性質(zhì)，使其可以在特定組織和腫瘤部位形成積聚，從而可以更方便、更準(zhǔn)確地診斷和提高治療效果。特別是在分子成像的方面，納米材料具有較高的比表面積，易于與染料分子和生物分子相互作用，從而形成易于跟蹤的熒光靶向材料。改性后的磁性納米粒子不僅具有較好的反應(yīng)靈敏度，而且具有生物相容性，在分離純化和一些檢測(cè)方面有很大的應(yīng)用價(jià)值。不同粒徑的Fe3O4納米顆粒的磁性差異會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致不同粒徑的Fe3O4納米顆粒的用途不同。基于磁性納米顆粒的這一特性，其在生物醫(yī)療領(lǐng)域的藥物副作用、機(jī)械領(lǐng)域的磁致微型機(jī)器人和磁研磨技術(shù)以及采礦領(lǐng)域的次團(tuán)聚問題的解決都具有巨大的應(yīng)用潛力。本實(shí)驗(yàn)對(duì)制備的超順磁性磁共振對(duì)比劑進(jìn)行探究，確定其化學(xué)鍵的組成及其鍵鍵之間的振動(dòng)方式，了解它的尺寸大小，確定其具有的超順磁性的性能。近年來，磁性納米粒子的應(yīng)用越來越受重視，尤其是在生物醫(yī)學(xué)、生物檢測(cè)和納米器械等領(lǐng)域。其中以鐵磁性粒子為基的納米復(fù)合材料的研究是目前研究的熱點(diǎn)。隨著相關(guān)理論研究和制備工藝的深入研究，這種新型納米復(fù)合材料必將得到廣泛的應(yīng)用，在各個(gè)領(lǐng)域大放異彩[7-14]。

本文采用液相化學(xué)法制備了四氧化三鐵磁共振對(duì)比劑，采用現(xiàn)代儀器分析方法對(duì)其進(jìn)行了表征。研究結(jié)果表明，該方法簡單易行，產(chǎn)率高；產(chǎn)物可作為潛在的磁共振對(duì)比劑。

二、實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)原理

在本實(shí)驗(yàn)中，以乙二醇為溶劑，六水合三氯化鐵（FeCl3·6H2O）為原料，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為表面活性劑，通過溶劑熱法制備超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒），制備了單分散的超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）修飾了超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的表面，并增強(qiáng)了其造影特性。對(duì)制備的超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）使用現(xiàn)代分析儀器進(jìn)行特性分析，基于樣品的結(jié)晶性、形態(tài)、尺寸、磁性特性，以180°C加熱6h制備的Fe3O4納米顆粒為對(duì)象，對(duì)制備的超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的性能進(jìn)行了探究。

（二）主要試劑與主要儀器

表1 主要試劑

表2 主要儀器

（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

在30ml乙二醇中加入1mmol的六水合三氯化鐵（FeCl3·6H2O）和0.6g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP），在上述混合溶液中緩慢滴加水合肼1ml，然后磁力攪拌10min，之后可以得到的均勻分布的溶液。將上述制備的溶液轉(zhuǎn)移到50ml以聚四氟乙烯作為內(nèi)襯的反釜中，擰緊反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜放入到溫度為180℃的烘箱中，加熱6小時(shí)，充分反應(yīng)，取出反應(yīng)釜使其自然冷卻直到室溫。收集實(shí)驗(yàn)樣品，用無水乙醇清洗5次，放到真空干燥箱中真空干燥，備用。分析時(shí)用X射線粉末衍射儀研究其尺寸和結(jié)晶度，用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡進(jìn)一步確認(rèn)了其形貌和尺寸。用傅里葉變換紅外光譜儀研究了超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的化學(xué)鍵組成。用磁性測(cè)量系統(tǒng)SQUID進(jìn)行磁性測(cè)試。

三、結(jié)果與討論

（一）超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4 納米顆粒）形態(tài)的表征

圖1是磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的XRD圖譜，可由圖譜分析出晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度。圖譜顯示衍射峰出現(xiàn)在五處位置，它們的2θ值分別出現(xiàn)在30.3、35.6、43.3、57.2和62.8，他們分別與具有Fe3O4尖晶石結(jié)構(gòu)的（220）、（311）、（400）、（511）和（440）晶面的5個(gè)衍射峰對(duì)應(yīng)。由此確定合成的超順磁性Fe3O4納米顆粒是面心立方尖晶石相的Fe3O4，沒有觀察到其他雜質(zhì)峰，并且衍射峰較高，表明制備樣品的純度相對(duì)較高，結(jié)晶性相對(duì)較好。

圖1 磁共振對(duì)比劑的XRD

利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡對(duì)分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)尺寸大小和形貌得到圖2，圖中(a)為磁共振對(duì)比劑的掃描電鏡圖，從圖中可以看到實(shí)驗(yàn)制得的樣品有大量的球形顆粒。圖中(b)為透射電鏡圖，從圖中可以看到清晰的球形顆粒，直徑約10 nm，呈團(tuán)聚狀，具有相對(duì)均勻的分散性，分散在溶劑中，肉眼看不到明顯的沉降現(xiàn)象，所獲得的超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）在形態(tài)上和粒徑上幾乎均勻。由實(shí)驗(yàn)可知制備的超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方尖晶石相結(jié)構(gòu)。

圖2 磁共振對(duì)比劑的(a):掃描電鏡圖和(b):透射電鏡圖

（二）超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4 納米顆粒）的紅外和磁性分析

圖3是超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的傅里葉變換紅外光譜圖，其中B是PVP紅外光譜曲線，C是超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）紅外光譜曲線。比較兩種FTIR光譜，發(fā)現(xiàn)由于PVP與超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的相互作用而導(dǎo)致它的C＝O伸縮振動(dòng)（1 630 cm-1）與PVP的C＝O伸縮振動(dòng)（1 670 cm-1）相比向左偏移了40 cm-1。另一方面，超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）位于1 380 cm-1和1 430 cm-1的峰值分別對(duì)應(yīng)于PVP的C-N伸縮振動(dòng)和C-H彎曲振動(dòng)。位于超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）3 400 cm-1的吸收峰則表明，這里的寬吸收帶對(duì)應(yīng)于吸附在Fe3O4納米顆粒表面上的水分子的O-H鍵伸縮振動(dòng)。位于超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）563 cm-1的吸收峰對(duì)應(yīng)于Fe-O鍵的伸縮振動(dòng)，這是占據(jù)納米復(fù)合材料四面體位置的陽離子（Fe離子）和氧相互作用下超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的特征吸收帶。PVP的紅外光譜圖位于1 000 cm-1至1 030 cm-1和3 400 cm-1至3 450 cm-1的清晰頻帶，表明存在C-O和O-H兩組振動(dòng)模式。這里，位于2 880 cm-1～1 600 cm-1和120 cm-1～600 cm-1之間的頻帶分別對(duì)應(yīng)于拉伸振動(dòng)的平面變形和C-H群彎曲。另外，本實(shí)驗(yàn)還確定了PVP中位于1 440 cm-1頻帶是 C-C鍵的拉伸振動(dòng)。

圖3 磁共振對(duì)比劑的FTIR

圖4是超順磁性磁共振對(duì)比劑在室溫下的磁滯回線。通過使用磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)SQUID對(duì)制備的超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的磁性進(jìn)行分析得到圖4，圖中它的掃描磁場范圍為-20 000 Oe～20 000 Oe。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，超順磁性磁共振對(duì)比劑樣品的室溫磁滯回線在有外部磁場時(shí)呈現(xiàn)為“S”形。并且超順磁性磁共振對(duì)比劑樣品的飽和磁化強(qiáng)度（Ms）、矯頑力（Hc）和剩余磁化強(qiáng)度（Mr）分別為73.334 emug-1、50.336 Oe和5.411 emug-1，且都達(dá)到了0.001的顯著性水平，其信度和效度都符合測(cè)量學(xué)要求。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道塊狀Fe3O4的飽和磁化強(qiáng)度（Ms）為92 emug-1，磁共振對(duì)比劑樣品的飽和磁化強(qiáng)度（Ms）為73.334 emug-1 表明制備的樣品比較標(biāo)準(zhǔn)。并且室溫下，測(cè)量的超順磁性磁共振對(duì)比劑樣品的剩余磁化強(qiáng)度（Mr）和矯頑力（Hc）也都很小，表明樣品在室溫下具有超順磁性。另外，圖4的右下角的插圖是它的放大譜圖，它顯示的是超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）樣品的磁場范圍在-200 Oe～200 Oe的室溫下的磁滯回線，這樣更能凸顯出超順磁性磁共振對(duì)比劑樣品的剩余磁化強(qiáng)度（Mr）和矯頑力（Hc）小。而且超順磁性可以更容易地使磁性納米顆粒分散在溶液中，并且他們之間幾乎沒有磁相互作用力，因而可以有效地避免磁聚集。

圖4 磁共振對(duì)比劑的磁滯回線

四、結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)中，以六水合三氯化鐵（FeCl3·6H2O）為原料，以乙二醇為溶劑，聚乙烯吡咯烷酮為表面活性劑制備超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒），研究了它的結(jié)構(gòu)特征及其化學(xué)鍵振動(dòng)方法。對(duì)合成超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒），使用X射線粉末衍射表征其基本尺寸和結(jié)晶性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）是具有面心立方尖晶石相的晶體結(jié)構(gòu)。通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡進(jìn)一步確定了超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的形態(tài)特征和尺寸。顆粒近視為球形，直徑為10nm，尺寸大小符合超順磁性納米材料的要求。從傅里葉變換紅外光譜數(shù)據(jù)和X衍射光譜數(shù)據(jù)分析確定了高純度超順磁性磁共振對(duì)比劑（Fe3O4納米顆粒）的結(jié)晶性和化學(xué)鍵振動(dòng)方式。通過磁性測(cè)量系統(tǒng)（SQUID）確定了超順磁性磁共振對(duì)比劑在外部磁場下的磁滯回線，確定了制備的超順磁性磁共振對(duì)比劑的飽和磁化強(qiáng)度（Ms=73.334 emug-1），剩余磁化強(qiáng)度（Mr=5.411 emug-1），矯頑力（Hc=50.336 Oe）。同時(shí)由于所制備的磁共振對(duì)比劑的剩余磁化強(qiáng)度（Mr）和矯頑力（Hc）都很小，所以在室溫下制備的磁共振對(duì)比劑是超順磁性的。超順磁性的特征在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中起著重要的參數(shù)作用，超順磁性容易將磁性納米顆粒分散在溶液中，并且僅具有相互忽略的磁相互作用力，可以有效地避免磁聚集。