专利名称：氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米材料领域，涉及一种纳米磁性粒子的合成及其制备方法，具体地
涉及一种氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米材料的合成及其大规模的制备方法和性质。
背景技术：
四氧化三铁纳米粒子有多种制备方法，传统的方法比较简单，但是制备的纳米材 料颗粒多为油溶性，需要通过进一步的配体交换、聚合物包覆或者二氧化硅包覆，来解决纳 米粒子功能化和水溶性问题，才能用于生物领域，但是合成工艺复杂，严重阻碍了其在生物 医药方面的应用。 磁性材料是古老并且用途十分广泛的功能材料，它与信息化、自动化、机电一体 化、国防和国民经济的方方面面紧密相关。另一方面，随着科学技术的发展和应用的需要 日益增加，人们对材料的兴趣和研究也达到越来越小的尺度范围。随着纳米科技术的发展， 磁性纳米材料以其良好地磁学性能和独特的结构等特点，在磁学、生物和医药等领域得到 广泛应用，特别是在超高密度信息存储、生物分子识别、药物传输等方面具有诱人的应用前 景。引起了国内外的广泛重视而成为研究的热点。 生化及医学等领域对磁性纳米粒子的物理、化学及药理性质如化学组成、粒度大 小、磁功能、晶体结构、吸附性、表面形貌、溶解性及毒性都有严格的要求。因此，要实现磁性 纳米粒子在这些生化及医学等领域的应用，必须满足一下几个条件l.单分散性，2.具有 较好的磁学性能，3.具有水溶性和活性官能团。然而目前的制备单分散的纳米粒子大多呈 现油溶性，要实现这些要求，必须进一步进行表面改性。目前，进行表面修饰的主要手段有 二氧化硅包覆、有机聚合物包覆和配体交换等方法。二氧化硅包覆虽然具有较好的分散性 和水溶性，但工艺比较复杂；有机聚合物包覆，容易团聚，而且不是很稳定；配体交换的方 法可以很好的解决以上两种方法的缺陷，配体交换的效率一直是一个难以解决的问题。因 此，以上的方法都不太适合扩大生产。 磁共振造影剂种类很多，通常可分为顺磁性造影剂、铁磁性造影剂和超顺磁性造 影齐U。超顺磁性造影剂由于其在人体内分布具有特向异性、使用剂量少、毒副作用小以及用 途广泛等优点，已成为目前研发的热点。制备超顺磁性造影剂的关键在于如何制备出磁性 能优异(高饱和磁化强度和初始磁化率)的超顺磁性材料，以及在此基础上对磁性纳米粒 子表面进行修饰，得到低毒性，并具有较好的稳定性、水溶性、生物相容性和活性官能团的 磁性纳米材料。目前生物兼容性铁酸盐类磁性纳米粒子制备过程比较复杂，而且不能大批 量制备，极大的限制了这类材料在该领域的应用。
发明内容
本发明的目的是一种制备氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米材料的方法，这一 目的通过利用脱氨基保护的方法实现的。
本发明的技术方案为
(1)将三价铁盐、n-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸和三乙胺分散在溶剂 中，在三乙胺存在的条件下，反应12 36小时，制备得到n-(1 ， 3-二氧代异吲哚啉-2-基) 烷基酸合铁前驱体；其中n = 3-18 ; 溶剂优选为按l : (0.5 2)体积比混合的氯仿和无水乙醇； 所述的三价铁盐选自氯化铁或硫酸铁，优选为氯化铁；三价铁离子、n-(l，3- 二氧
代异吲哚啉-2-基)烷基酸及三乙胺的摩尔比为i : (i 5) : (i io);优选为i : (2
4) : (5 10); (2)将步骤(1)所得n-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸合铁前驱体分散在溶
剂中，用惰性气体氛保护，在100 14(TC下加热1 3小时脱水，再升温至210 22(TC下
加热20分钟 1小时；继续升温至295-305。C下加热20分钟 1小时；取固体，得到n-(l，
3- 二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸配位的油溶性的Fe304纳米粒子； 所述溶剂为油胺或苯醚，或两者按任意比组成的混合物； 所述的惰性气体氛为氮气氛、氦气氛、氖气氛或氩气氛，优选为氮气氛。 (3)将步骤(2)所得n-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸配位的油溶性的
Fe304纳米粒子分散在溶剂中，加入脱氨基保护试剂，反应后脱去用来保护氨基的邻苯二甲
酸酐，得到氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米粒子(表面有机配体为n-氨基烷基酸)；
脱氨基保护试剂优选为水合肼，与n-(l， 3- 二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸配位的油溶性
的Fe凡纳米粒子的质量比为5 : i i : 5，优选为i : i i : 5 ;所述的溶剂为氯仿、
乙醇、二氯甲烷中的一种或两种按任意比组成的混合物与水组成的混合液；混合液中水的 体积比为1/4 1/3。 本发明的方法是，使n-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸(n = 3 18)上的 羧基与铁配位；再高温热解n-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸合铁(n = 3 18)前 驱体，得到表面配体是n-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸(!! = 3 18)，具有亲油性 的1，3-二氧代异吲哚啉基朝外的油溶性磁性四氧化三铁纳米粒子；然后通过脱氨基保护 的方法，用水合肼脱去n-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸(n = 3 18)上用来保护 氨基的邻苯二甲酸酐，巧妙地将油溶性的纳米粒子转变为氨基功能化的水溶性四氧化三铁 纳米粒子。 制备油溶性的？6304纳米粒子时，由于该实验是在无水无氧的条件下进行的，所 以加热条件下用氮气排水的这一步很重要，温度应加热到100 14(TC，在此温度范围内， 水以蒸汽的状态更好被排除干净，并且在此温度范围内反应前驱体不会被热解为原子。在 加热热解的第一步温度范围为210 22(TC，在这个温度范围内，n-(l，3-二氧代异吲哚 啉-2-基)烷基酸合铁前驱体开始被热解为原子状态。加热到295 305t:，原子开始重新 组装、成核、结晶，形成Fe304纳米粒子。 通过本方法可制备出单分散的、氨基功能化的、水溶性的四氧化三铁纳米粒子，形 貌主要以球形为主，平均直径在15 25nm的范围内。该材料能很好的分散于水溶液中，并 且具有良好的生物相容性，粒子表现出较好的超顺磁性。 本发明提供了一种简单的方法，不但可以实现四氧化三铁纳米粒子具有较好的磁 学性能，解决单分散性、水溶性和活性官能团的问题，而且合成方法比较简单，比较容易扩 大生产。
图1为本发明中的有机配体n-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸(n = 3 18)的结构示意图 图2为本发明中合成氨基功能化的水溶性四氧化三铁的合成路线图 图3为实施例2合成的表面有机配体是6-(l， 3- 二氧代异吲哚啉_2-基)己酸的
四氧化三铁的TEM图 图4为实施例3合成的表面有机配体是6-氨基己酸的四氧化三铁的TEM图
图5为实施例2所得表面为6_(1， 3- 二氧代异吲哚啉_2_基)己酸配位的油溶性 的Fe304纳米粒子和实施例3脱氨基后得到的氨基功能化的水溶性Fe304纳米粒子(表面有 机配体为6-氨基己酸)的XRD图，从图上可以清楚的看到，在氨基脱保护前后晶形没有发 生明显的变化。 图6为实施例2所得表面为6_(1， 3- 二氧代异吲哚啉_2_基)己酸配位的油溶性 的Fe304纳米粒子和实施例3脱氨基后得到的氨基功能化的水溶性Fe304纳米粒子(表面有 机配体为6-氨基己酸)的IR图，从图上和纯有机配体的对比可以看到，所得四氧化三铁纳 米粒子表面的有机配体和设计的思路是一致的。 图7为实施例2合成的表面有机配体是6_(1， 3- 二氧代异吲哚啉_2_基)己酸的 四氧化三铁(曲线1)和实例3所得表面有机配体是6-氨基己酸的四氧化三铁(曲线2) 的在25t:的磁滞回线图。可见所得到的纳米粒子表现出较好的超顺磁性，饱和磁化率分别 达到57和55emu/g，且脱氨基保护前后的饱和磁化率基本没有变化。
具体实施方式
实施例1 称取FeCl3'6H20(2.720g，10mmo1)和6-(l，3-二氧代异喷哚啉-2-基)己酸 (7. 842g，30mmo1)放入100mL圆底烧瓶中，然后加入20mL氯仿和20ml无水乙醇，在室温的 条件下，磁力搅拌，在搅拌条件下加入70mmo1三乙胺(约10ml)，搅拌20 24小时。
用水洗涤三次，每次10ml水；无水硫酸镁干燥24小时，抽滤，将滤液蒸干，得到血 红色油状物，即为6-(1， 3- 二氧代异吲哚啉-2-基)己酸合铁前驱体。
实施例2 将实例l得到的6-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)己酸合铁前驱体溶解于45ml 苯醚和15ml油胺中，倒入250mL的三颈烧瓶中，将圆底烧瓶放入磁力搅拌加热器上，三口圆 底烧瓶中间的瓶口插入冷凝管，烧瓶两侧的一个瓶口 ，插入水银温度计测量温度，另一个瓶 口连接一个氮气气球，向瓶中冲入具有惰性的高纯氮气，同时对烧瓶抽真空形成回流系统。
反应装置完成后，在磁力搅拌的条件下，首先加热到120°C 13(TC，用氮气排去 反应液中的水分，加热时间为一小时；然后升温至22(TC，氮气保护，反应半小时；再升温至 295t:回流半小时，使6-(1，3_ 二氧代异吲哚啉_2-基)己酸合铁前驱体分解。
停止搅拌，冷却至室温，离心分离，用无水乙醇洗涤3 5次，得到黑色物质，真空 干燥。该黑色物质即是表面为6-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)己酸配位的油溶性的Fe304 纳米粒子，这种纳米粒子具有亲油性，在氯仿中有较好的单分散性，TEM图如图3所示，25°C的磁滞回线图如图7中的(1)所示，纳米粒子表现出较好的超顺磁性，饱和磁化率分别达到
57emu/g。 实施例3 称取实施例2所得6-(l， 3- 二氧代异吲哚啉_2-基)己酸配位的油溶性的Fe304 纳米粒子O. 6g，分散于35ml氯仿、20ml无水乙醇和15ml水组成的混合液中，搅拌条件下加 入3g水合肼，回流4小时。经水合肼保护脱氨基反应后，原先分散在下层有机相中的黑色 Fe304纳米粒子全部转移到了上层的水相。离心分离，乙醇洗涤3 5次，即得到氨基功能 化的水溶性Fe304纳米粒子(表面有机配体为6-氨基己酸)，在水中有较好的单分散性，可 分散于水中，备用。 其TEM图如图4所示，所得四氧化三铁纳米粒子的平均直径为15 25nm ;实施例 2未脱氨基的6- (1 ， 3- 二氧代异吲哚啉_2-基)己酸配位的油溶性的Fe304纳米粒子IR图， 以及实施例3脱保护后所得的氨基功能化的水溶性Fe304纳米粒子IR图如图5所示，从图 上可以清楚的看到脱保护前后晶形没有发生明显的变化。两者的XRD图如图6所示，从图 上和纯有机配体的对比可以看到，得到的四氧化三铁表面的有机配体和设计的思路是一致 的。其25t:的磁滞回线图如图7中的(2)所示，由该图可以看出所得到的Fe^纳米磁性 粒子表现出较好的超顺磁性，饱和磁化率达到55emu/g，且脱氨基保护前后的饱和磁化率基 本没有变化。
实施例4 称取FeCl3 6H20(2. 720g， lOmmol)禾P 11_(1，3_ 二氧代异口引哚啉_2_基)^^一酸 (9. 942g，30mmo1)放入lOOmL圆底烧瓶中，然后加入20ml氯仿和20ml无水乙醇，在室温的 条件下，磁力搅拌，在搅拌条件下加入50mmol三乙胺(约7ml)，搅拌24 28小时。
用水洗涤三次，每次10ml水；无水硫酸镁干燥24小时，抽滤，将滤液蒸干，得到血 红色油状物，即为11-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)十一酸合铁前驱体。
实施例5 将实例4得到的11-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)十一酸合铁前驱体溶解于60ml 苯醚中(或者60ml油醚，效果相同)，倒入250ml的三颈烧瓶中，将圆底烧瓶放入磁力搅拌 加热器上，三口圆底烧瓶中间的瓶口插入冷凝管，烧瓶两侧的一个瓶口 ，插入水银温度计测 量温度，另一个瓶口连接一个氮气气球，向瓶中冲入具有惰性的高纯氮气，同时对烧瓶抽真 空形成回流系统。 反应装置完成后，在磁力搅拌的条件下，首先加热到120°C 13(TC，用氮气排去 反应液中的水分，加热时间为一小时；然后升温至22(TC，氮气保护，反应半小时；然后升温 至295t:回流半小时，使11-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)十一酸合铁前驱体分解。
停止搅拌，冷却至室温，离心分离，用无水乙醇洗涤2 5次，得到黑色物质，真空 干燥。该黑色物质即是表面为11-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)十一酸配位的油溶性的 Fe304纳米粒子，这种纳米粒子具有亲油性，在氯仿中有较好的单分散性。
实施例6 称取实施例5得到的11-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)i^一酸配位的油溶性的 Fe304纳米粒子0. 6g分散于35mL氯仿、20mL无水乙醇和15mL水组成的混合溶液中，搅拌条 件下加入lg水合肼，回流4小时，黑色Fe304纳米粒子全部由下层的有机相转移到了上层的水相。离心分离，乙醇洗涤几次，即得到氨基功能化的水溶性？6304纳米粒子(表面有机配 体为ll-氨基十一烷基酸)，可分散于水中，备用。所得四氧化三铁纳米粒子的平均直径为 15 25nm ;经IR图分析，脱氨基保护前后的纳米粒子晶形没有发生明显的变化；XRD分析 表明，得到的四氧化三铁表面的有机配体和设计的思路是一致的。由磁回滞试验分析，所制 备的Fe304纳米磁性粒子表现出较好的超顺磁性。
权利要求
氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将三价铁盐、n-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸和三乙胺分散在溶剂中，在三乙胺存在的条件下，反应12～36小时，制备得到n-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸合铁前驱体；其中n＝3～18；溶剂为按1∶(0.5～2)体积比混合的氯仿和无水乙醇；所述的三价铁盐选自氯化铁或硫酸铁；三价铁离子、n-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸及三乙胺的摩尔比为1∶(1～5)∶(1～10)；(2)将步骤(1)所得n-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸合铁前驱体分散在溶剂中，用惰性气体氛保护，在100～140℃下加热1～3小时脱水，再升温至210-220℃下加热20分钟～1小时；继续升温至295-305℃下加热20分钟～1小时；取固体，得到n-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸配位的油溶性的四氧化三铁纳米粒子；所述溶剂为油胺或苯醚，或两者按任意比组成的混合物；(3)将步骤(2)所得n-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸配位的油溶性的四氧化三铁纳米粒子分散在溶剂中，加入脱氨基保护试剂，反应后脱去用来保护氨基的邻苯二甲酸酐，得到表面有机配体为n-氨基烷基酸的氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米粒子；所述的溶剂为氯仿、乙醇、二氯甲烷中的一种或两种按任意比组成的混合物与水组成的混合液；混合液中水的体积比为1/4～1/3。
2. 权利要求1所述的氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法，其特 征在于，步骤(1)所述的三价铁离子、n-(l，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸及三乙胺的摩尔比为i : (2 4) : (5 io)。
3. 权利要求1所述的氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法，其特 征在于，步骤(2)所述的惰性气体氛为氮气氛、氦气氛、氖气氛或氩气氛。
4. 权利要求1所述的氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法，其特 征在于，步骤(2)所述的惰性气体氛为氮气氛。
5. 权利要求1所述的氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法，其特 征在于，步骤(3)所述的脱氨基保护试剂为水合肼。
6. 权利要求5所述的氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法，其特 征在于，水合肼与n- (1 ， 3- 二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸配位的油溶性的Fe304纳米粒子 的质量比为5 : 1 1 : 5。
7. 权利要求6所述的氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法，其特 征在于，水合肼与n- (1 ， 3- 二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸配位的油溶性的Fe304纳米粒子的质量比为i : i i : 5。
全文摘要
本发明涉及纳米材料领域，公开了一种氨基功能化的水溶性四氧化三铁纳米磁性粒子的制备方法，使n-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸(n＝3～18)上的羧基与铁配位；再高温热解n-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸合铁的前驱体，得到表面配体是n-(1，3-二氧代异吲哚啉-2-基)烷基酸、具有亲油性的油溶性磁性纳米粒子；然后通过脱氨基保护的方法，用脱氨基保护试剂(水合肼)脱去用来保护氨基的邻苯二甲酸酐，将油溶性的纳米粒子转变为氨基功能化的水溶性的四氧化三铁纳米粒子，该材料可以很好的分散于水溶液中，并且具有良好的生物相容性和顺磁性。
文档编号H01F1/11GK101697303SQ20091019729
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者张晶晶, 杨仕平, 杨红, 田启威 申请人:上海师范大学;