在水相具有高分散稳定性的Fe₃O₄纳米颗粒及其制备方法

专利名称：在水相具有高分散稳定性的Fe₃O₄纳米颗粒及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种在水相具有高分散稳定性的Fe3O4纳米颗粒及其制备方法，尤其涉及一种在水相具有高分散稳定性的多羧基修饰Fe3O4纳米颗粒及其制备方法。
背景技术：
近年来，Fe3O4磁性纳米粒子(MNPs)因其独特的磁响应性、超顺磁性和良好的生物相容性，在生物分离、磁热疗、靶向给药、磁共振造影(MRI)等生物领域都有着广泛的应用。在上述这些生物应用中，磁性纳米粒子不仅要具备优异的磁性能和均一的粒径及较窄的粒径分布，更要在生物环境下具有良好的分散性、稳定性和特定的表面化学性能。然而，由于 MNPs的纳米尺度和大的表面能，使其在生物环境下容易聚集和沉降，从而导致其理化性能的改变，甚至在体内应用时易造成血管的堵塞。因此，为了更好地应用于生物领域，需要对MNPs进行表面修饰，以使其在水相或其他生物溶剂中具有高分散稳定性。目前对MNPs进行修饰的常用方法有以下两种1)直接法在制备MNPs过程中引入亲水性表面活性剂直接制得亲水性的MNPs ；2)配体交换法对制备的油溶性MNPs进行配体交换或包被使其表面连接亲水性分子而具有良好的亲水性。其中，配体交换法是选用可与MNPs偶联的水溶性配体，在一定条件下置换由油相热分解法制备的MNPs表面的油酸配体，从而得到可分散于水体系中的MNPs。这种方法具备灵活、便利的特点，从而成为制备可水相分散的MNPs的主要方法之一。为了使MNPs更好的应用到生物领域，表面修饰剂不仅需要能够易与MNPs上的Fe原子相偶联的能力，更需要具备良好的生物相容性和易与其他生物大分子相结合的能力。带多羧基的亲水性小分子如柠檬酸、腐殖酸和二巯基丁二酸等，因其易与Fe原子相偶联且具有良好的生物相容性，是一类很好的MNPs表面修饰剂。并且由于其多羧基的特点，所得MNPs有望在很宽的pH范围内具备良好的水体系分散稳定性。

发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种在水相具有高分散稳定性的亲水性Fe3O4纳米颗粒。为实现上述目的，本发明提供了一种通过配体交换法制备在水相具有高分散稳定性的多羧基修饰的Fe3O4纳米颗粒。本发明以高沸点有机溶剂为溶剂，油酸为配体，先通过高温热分解的方法制备单分散的油溶性磁性纳米粒子，再用配体交换法得到在水相具有高分散稳定性的多羧基配体修饰的亲水性Fe3O4纳米颗粒。具体地，本发明的在水相具有高分散稳定性的多羧基配体修饰的Fe3O4纳米颗粒以单分散油溶性Fe3O4纳米颗粒为核，首先以高沸点有机溶剂为溶剂，高温热分解油酸铁得到单分散、粒径均一的油溶性Fe3O4纳米颗粒；其次，油溶性Fe3O4纳米颗粒通过配体交换后其表面偶联上多羧基配体；由于多羧基配体具有优异的亲水性，因此，经过表面修饰后得到的多羧基修饰Fe3O4纳米颗粒在水相具有高分散稳定性。
本发明是通过以下技术方案实现上述目的一方面，本发明提供了一种在水相具有高分散稳定性的Fe3O4纳米颗粒。在本发明中，Fe3O4纳米颗粒的表面由亲水性的多羧基配体修饰。由于Fe3O4纳米颗粒表面的配体水解后得到羧酸离子，因此，所述Fe3O4纳米颗粒的颗粒表面是带负电荷。其中，所述亲水性的多羧基配体为含有三个及三个以上羧基的多羧基有机分子。在本发明的较佳实施方式中，多羧基有机分子为柠檬酸、丁烷四羧酸、N_(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐、乙二胺四乙酸四钠盐等有机分子。另一方面，本发明提供了一种制备如上所述在水相具有高分散稳定性的水溶性Fe3O4纳米颗粒的方法，包括以下步骤步骤一、以油酸钠和氯化铁为反应物，正己烷、无水乙醇和去离子水为混合溶剂， 制备油酸铁前驱体；步骤二、以高沸点有机溶剂为溶剂、油酸做配体，高温热分解油酸铁前驱体得到单分散油溶性的Fe3O4纳米颗粒；步骤三、将油溶性的Fe3O4纳米颗粒通过配体交换法与多羧基配体相偶联，得到在水相中具有高分散稳定性的多羧基配体修饰的Fe3O4纳米颗粒。在本发明的制备方法中，步骤一中制备油酸铁的反应条件为将反应物与溶剂升温至60 80°C，密闭保温3 6h。优选地，油酸钠和氯化铁的摩尔比为3 1，正己烷、无水乙醇和去离子水的体积比为7 : 4 : 3。在步骤二中，油酸铁在高沸点有机溶剂中的浓度为O. I O. 4mmol/mL，油酸铁与油酸的摩尔比为I : O. 5 I. 5 ;高温热分解的条件为升温至100 120°c，惰性气体保护下，加热30 60min ;再以2 4°C /min的速率升温至280 380°C，惰性气体保护下，力口热30 60min，且升温开始时开启冷却水。其中，高沸点有机溶剂优选为I-十六烯、辛醚、I-十八烯、I-二十烯或三辛胺。惰性气体优选为氮气、氩气、氖气或氦气。在本发明的制备方法中，步骤三中多羧基配体优选为柠檬酸、丁烷四羧酸、N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐或乙二胺四乙酸四钠盐。在本发明的具体实施方式
中，步骤三中的配体交换法为一步法配体修饰或两步法配体修饰。一步法配体修饰为将步骤二所制备的油溶性Fe3O4纳米颗粒溶于有机溶剂后，将其溶液与多羧基配体的有机溶液混合，使得油溶性Fe3O4纳米颗粒和多羧基配体以质量比为I : 2 4分散于有机溶剂或有机溶剂的混合溶剂中，然后在50 120°C温度下反应24 72h。其中，多羧基配体在有机溶剂中的浓度优选为10 40mg/mL。两步法配体修饰为将步骤二所制备的油溶性Fe3O4纳米颗粒溶于有机溶剂后，将其溶液与带巯基的羧酸小分子的有机溶液混合，使得油溶性Fe3O4纳米颗粒和带巯基的羧酸小分子均匀分散于有机溶剂的混合溶剂中，然后超声反应3 6h，制备出能溶于极性有机溶剂的Fe3O4纳米颗粒；再将其与多羧基配体的溶液以质量比为I : 2 6进行混合，超声反应10 20h。在两步法配体修饰中，所选用的多羧基配体只需溶于水相即可，因此多羧基配体的溶液为多羧基配体的水溶液。但由于有些多羧基配体难溶于水，则可使用其钠盐通过两步法来进行修饰。其中，油溶性Fe3O4纳米颗粒在有机溶剂中的浓度优选为2 10mg/mL ;带巯基的羧酸小分子在有机溶剂中的浓度优选为80 150mg/mL。在本发明的制备方法中，配体交换法中的有机溶剂优选为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、邻二氯苯、正己烷、甲苯和二甲基亚砜(DMSO)中的一种或多种。带巯基的羧酸小分子优选为硫代苹果酸、巯基乙酸、硫代乳酸或2，3- 二巯基丁酸
坐寸ο在本发明的具体实施方式
中，当多羧基配体为柠檬酸或丁烷四羧酸时，配体交换 法采用一步法配体修饰，多羧基配体的有机溶液优选为多羧基配体的N，N-甲基甲酰胺溶 液；油溶性Fe3O4纳米颗粒和多羧基配体在80 120°C温度下反应24 72h。在本发明的较佳实施方式中，当多羧基配体为N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐时，配体交换法采用一步法配体修饰；优选地，选用浓度为45 %的N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐的水溶液，油溶性Fe3O4纳米颗粒和多羧基配体在50 70°C温度下反应24 72h。其一步法配体修饰具体操作如下将步骤二所制备的油溶性Fe3O4纳米颗粒溶于有机溶剂如正己烷后，加入冰醋酸作引发剂，然后将其溶液与N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐的溶液混合，然后在50 70°C下反应24 72h ;其中，油溶性Fe3O4纳米颗粒分散于有机溶剂的浓度为O. I 3mg/mL, N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐溶液与有机溶剂的体积比为O. 5 5%，冰醋酸与有机溶剂的体积比为O. 01 O. 03%。在本发明的另一较佳实施方式中，当多羧基配体为乙二胺四乙酸四钠盐时，配体交换法采用两步法配体修饰；优选地，选用浓度为12 36mg/mL的N-(三甲氧基娃丙基)乙二胺三乙酸钠盐的水溶液，其pH值在7左右。当带巯基的羧酸小分子为硫代苹果酸时，其有机溶液优选硫代苹果酸的二甲基亚砜溶液。经本发明方法制得的在水相具有高分散稳定性的多羧基修饰Fe3O4纳米颗粒的形貌呈圆球形，其平均粒径为6 20nm。该Fe3O4纳米颗粒在常温下表现出超顺磁性，其饱和磁化强度可达30 60emu/g。在本发明制备方法的步骤二中，在以高沸点有机溶剂为溶剂、油酸做配体制备油溶性Fe3O4纳米颗粒时，所选高沸点有机溶剂的沸点都在250°C以上，可以保证反应在高温下进行。由于油酸易与Fe原子相偶联，使得制备得到的Fe3O4纳米颗粒表面带油酸而具备油溶性。通过配体交换的方法，利用多羧基配体中的羧基与Fe原子的较强偶联能力，将油溶性Fe3O4纳米颗粒表面的油酸配体置换下来，从而得到外端带有羧基的水溶性Fe3O4纳米颗粒，使其在水相具有高分散稳定性。在步骤二的具体制备油溶性Fe3O4纳米颗粒的方法中，先将油酸铁配成O. I O. 40mmol/mL的有机溶液,油酸铁与油酸的摩尔比为I : O. 5 I. 5进行投料。由于该反应是在无水无氧的条件下进行的，所以加热过程中用氮气等惰性气体保护反应过程，温度首先加热到100 120°C，反应30 60min，在此温度范围内，水以蒸汽的状态被排除干净，并且在此温度范围内反应前驱体油酸铁不会热解。当加热到280 380°C时，原子开始重新组装、成核、结晶，从而形成Fe3O4纳米颗粒。在本技术领域中，通常用在不同pH值下的Zeta电位值图来描述Fe3O4纳米颗粒的水溶性，其Zeta电位绝对值越大，表明Fe3O4纳米颗粒的水溶性越好。在现有技术的报道中,通过配体交换法制得的Fe3O4纳米颗粒在pH 2-3之间的Zeta电位大多为正值。本发明的羧基修饰的Fe3O4纳米颗粒在pH 2-13范围内的Zeta电位大多为负值，且其电位绝对值越大，尤其是在PH 3-7之间；说明该Fe3O4纳米颗粒在pH 2_13范围内具备较好的水体系分散稳定性，尤其是在PH 3-7之间也具备良好的水体系分散稳定性。在本发明的具体实施例中，Fe3O4纳米颗粒(MNPs-BTCA)在pH 6左右的Zeta电位甚至低为约_50mV。本发明的制备方法对设备的要求较低，操作过程方便；在简单、普通的实验装置条件下即可制备分散性好、粒径均匀、水溶性好、饱和磁化强度高、具生物兼容性的Fe3O4纳米颗粒。所需原材料简单易得、价格低廉，且副产物无公害。本发明为制备应用于生物医药领 域的水溶性Fe3O4纳米颗粒提供了一种经济、实用的新方法。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。


图I是本发明的实施例I的油溶性Fe3O4纳米颗粒的透射电子显微镜照片，其中，插图为高分辨透射电子显微镜照片。图2是本发明的实施例2-5制备水溶性Fe3O4纳米颗粒的配体修饰方法及水溶性Fe3O4纳米颗的结构。图3是本发明的实施例2-5制备的多羧基配体修饰的水溶性Fe3O4纳米颗粒的透射电子显微镜照片。其中，a、b、C、d分别对应于实施例2、3、4、5。图4是本发明的实施例1-5制备的Fe3O4纳米颗粒在不同溶剂中的分散情况，其中，a、b、c、d、e分别对应于实施例1、2、3、4、5。图5是本发明的实施例2-5制备的多羧基配体修饰的水溶性Fe3O4纳米颗粒在不同pH值的Zeta电位值图。
具体实施例方式在本发明的实施例中，透射电镜(SEM)照片在JEOL-JEM 21OOF型(日本)透射电子显微镜上拍得。实施例II)称取 36. 5g (120mmol)油酸纳和 6. 5g (40mmol) FeCl3 溶解在 140mL 正己烧、80mL无水乙醇和60mL去离子水的混合液中，待固体完全溶解后，将溶液转入500mL三口烧瓶中，开启冷却水，油浴升温至70°C，机械搅拌4h，然后停正加热，将反应物转入500mL梨形分液漏斗中，取上层油相，用50°C温水洗涤数次，将最终所得的油相溶液置于真空烘箱中，放置一天，去除正己烷、乙醇和水，得到胶状油酸铁。2)称取9. Og(IOmmol)上述所制备的油酸铁溶于60mL 1_十八烯(ODE)中，待油酸铁完全溶解后，将溶液转入250mL三口烧瓶中，并向其中滴加3. 3mL (IOmmol)油酸，在磁力搅拌和氮气保护下，先升温至110°C，保温30min，以除去油酸铁中残余的正己烷、乙醇和水及烧瓶中的空气，然后以3. 3°C /min的速率升温至320°C，氮气氛围下保温30min，并在升温开始时开启冷却水；然后停止搅拌与加热，将反应液冷却至室温，离心分离，得到黑色产物，用体积比为I : 3的正己烷和丙酮混合液洗涤3 5次，真空冷冻干燥，此时得到的黑色产物即为表面是油酸修饰的Fe3O4纳米颗粒(MNPs-OA)。其TEM照片如图I所示，从图I中可以看出该纳米粒子尺寸均一，且具有很好的单分散性，平均尺寸为15nm左右，而且每个Fe3O4纳米颗粒都是单晶。并且,从图4a可知,该油酸修饰的油溶性Fe3O4纳米颗粒是分散于油相，而不分散于水相，说明该油酸修饰的Fe3O4纳米颗粒为油溶性Fe3O4纳米颗粒。实施例2称取120mg实施例I所制备的油溶性Fe3O4纳米颗粒(MNPs-OA)置于IOOmL三口烧瓶中，用20mL邻二氯苯超声分散，在超声下滴加20mL溶有240mg—水合柠檬酸(CA)的DMF溶液，然后密封，一定转速磁力搅拌，在100°C油浴保温48小时，反应完成后将溶液冷却至室温，用无水乙醇离心洗涤数次，将产物冻干成粉。
其中，一水合柠檬酸的结构式如下
O 0丫％ H2O
X八I
HCT 二 - OH
OHο由图4b可知，所制备的表面由柠檬酸修饰的Fe3O4纳米颗粒(MNPs-CA)是分散于水相，而不分散于油相，说明制得的Fe3O4纳米颗粒是亲水性的。该柠檬酸修饰的水溶性Fe3O4纳米颗粒的TEM照片如图3a所示，由图3a可以看出，通过配体交换，并没有改变MNPs的尺度和形貌。由图5可以得知，该水溶性Fe3O4纳米颗粒在弱酸性及碱性条件(pH 3-13之间)下具有良好的分散稳定性，尤其是在PH 3-7之间也具有良好的分散稳定性。实施例3称取120mg实施例I所制备的油溶性Fe3O4纳米颗粒(MNPs-OA)置于IOOmL三口烧瓶中，用20mL邻二氯苯超声分散，在超声下滴加20mL溶有240mg 丁烷四羧酸(BTCA)的DMF溶液，然后密封，一定转速磁力搅拌，在100°C油浴保温48小时，反应完成后将溶液冷却至室温，用无水乙醇离心洗涤数次，将产物冻干成粉。其中，丁烷四羧酸的结构式如下
h0Y0 ο
H°
0 O- OHO由图4c可知，所制备的表面由丁烷四羧酸修饰的Fe3O4纳米颗粒(MNPs-BTCA)是分散于水相，而不分散于油相，说明制得的Fe3O4纳米颗粒是亲水性的。该丁烷四羧酸修饰的水溶性Fe3O4纳米颗粒的TEM照片如图3b所示，由图3b可以看出，通过配体交换，并没有改变MNPs的尺度和形貌。由图5可以得知，该水溶性Fe3O4纳米颗粒在弱酸性及碱性条件(pH 4-13之间)下具有良好的分散稳定性，尤其是在pH 4-7之间也具有良好的分散稳定性。实施例4
称取120mg实施例I所制备的油溶性Fe3O4纳米颗粒(MNPs-OA)置于250mL三口烧瓶中，用IOOmL正己烷超声分散，然后超声滴加10 μ L冰醋酸，并超声10分钟，然后再超声滴加1.5mL N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐(SiCOOH)溶液，一定转速磁力搅拌，在60°C油浴保温48小时，反应完成后将溶液冷却至室温，离心得到黑色产物，并用无水乙醇洗涤数次，将黑色产物分散于适量去离子水中，用去离子水透析三天，将产物冻干成粉。其中，N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐(SiCOOH)的结构式如下
权利要求
1.一种在水相具备高分散稳定性的Fe3O4纳米颗粒,其特征在于,所述Fe3O4纳米颗粒的表面由含有三个及三个以上羧基的多羧基配体修饰； 所述多羧基配体为柠檬酸、丁烷四羧酸、N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐或乙二胺四乙酸四钠盐。
2.一种制备如权利要求I所述的Fe3O4纳米颗粒的方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤一、以油酸钠和氯化铁为反应物制备油酸铁前驱体； 步骤二、以高沸点有机溶剂为溶剂、油酸为配体，高温热解所述油酸铁前驱体得到油溶性的Fe3O4纳米颗粒； 步骤三、将所述油溶性的Fe3O4纳米颗粒通过配体交换，得到多羧基配体修饰的水溶性Fe3O4纳米颗粒； 所述闻沸点有机溶剂为1_十六烯、辛醚、1_十八烯、I- 二十烯或二辛胺。
3.如权利要求2所述的制备Fe3O4纳米颗粒的方法，其特征在于，步骤二中，所述前驱体油酸铁在高沸点有机溶剂中的浓度为O. I O. 4mmol/mL，所述油酸与油酸铁前驱体的摩尔比为I : O. 5 I. 5;所述高温热解条件为升温至100 120°C，惰性气体保护下，力口热30 60min，再以2 4°C /min的速率升温至280 380°C，惰性气体保护下保温30 60mino
4.如权利要求3所述的亲水性Fe3O4纳米颗粒，其中，所述惰性气体为氮气、氩气、氖气或氦气。
5.如权利要求2所述的制备Fe3O4纳米颗粒的方法，步骤三中，所述配体交换为一步法配体修饰或两步法配体修饰； 所述一步法配体修饰为将步骤二所制备的油溶性Fe3O4纳米颗粒和所述多羧基配体以质量比为I : 2 4分散于有机溶剂中，在50 120°C下反应24 72h ; 所述两步法配体修饰为将步骤二所制备的油溶性Fe3O4纳米颗粒和带巯基的羧酸小分子分散于有机溶剂中，超声反应3 6h ;将得到的Fe3O4纳米颗粒与多羧基配体的溶液以质量比为I : 2 6超声反应10 20h; 所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、邻二氯苯、正己烷、甲苯和二甲基亚砜中的一种或多种； 所述带巯基的羧酸小分子为硫代苹果酸、巯基乙酸、硫代乳酸或2，3- 二巯基丁酸。
6.如权利要求5所述的制备Fe3O4纳米颗粒的方法，所述一步法配体修饰中，所述多羧基配体在所述有机溶剂中的浓度为10 40mg/mL。
7.如权利要求5所述的制备Fe3O4纳米颗粒的方法，所述两步法配体修饰中，所述油溶性Fe3O4纳米颗粒在有机溶剂中的浓度为2 10mg/mL，所述带巯基的羧酸小分子在有机溶剂中的浓度为80 150mg/mL,所述多羧基配体在有机溶剂中的浓度为12 36mg/mL。
8.如权利要求6所述的制备Fe3O4纳米颗粒的方法，所述一步法配体修饰中，所述多羧基配体为N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐时，将步骤二所制备的油溶性Fe3O4纳米颗粒溶于所述有机溶剂后，加入冰醋酸作引发剂，然后将其溶液与多羧基配体的溶液混合，然后在50 70°C下反应24 72h ;其中，所述油溶性Fe3O4纳米颗粒分散于所述有机溶剂的浓度为O. I 3mg/mL，N-(三甲氧基硅丙基)乙二胺三乙酸钠盐溶液的浓度为45%，与所述有机溶剂的体积比为O. 5 5%，冰醋酸与所述有机溶剂的体积比为O. 01 O. 03%。
9.如权利要求2 8任一制备方法得到的Fe3O4纳米颗粒，其特征在于，所述Fe3O4纳米颗粒的形貌呈圆球形，平均粒径为6 20nm。
10.如权利要求2 8任一制备方法得到的Fe3O4纳米颗粒，其特征在于，所述Fe3O4纳米颗粒在常温下表现出超顺磁性，饱和磁化强度为30 60emu/g。
全文摘要
本发明公开了一种在水相具有高分散稳定性的Fe3O4纳米颗粒及其制备方法。该Fe3O4纳米颗粒的表面配体为含三个及三个以上羧基的多羧基有机分子，其制备方法为首先以高沸点有机溶剂为溶剂，油酸为配体，高温热分解油酸铁得到单分散的油溶性Fe3O4纳米颗粒；然后采用配体交换的方法，用多羧基有机分子置换油溶性Fe3O4纳米颗粒表面的油酸配体，得到水溶性的Fe3O4纳米颗粒。该制备方法操作过程方便，对设备要求低，所需原料价格低廉，副产物无公害。本发明的水溶性Fe3O4纳米颗粒在pH 2-13范围内具备较好的水体系分散稳定性，为制备应用于生物医药领域的亲水性Fe3O4纳米颗粒提供了一种经济与实用的新方法。
文档编号C01G49/08GK102815753SQ20121030621
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者窦红静, 蒋泽权, 孙康, 宋晟 申请人:上海交通大学