一种离子液体辅助微波辐射法合成超小磁性纳米簇的方法与流程

本发明涉及纳米材料的制备技术领域，尤其是涉及一种离子液体辅助微波辐射法合成超小磁性纳米簇的方法。

背景技术：

我国是发现磁现象最早的国家，而且很早就将磁性物质引入疾病的治疗领域，在传统中医中就有磁石可“潜阳纳气，镇惊安神”的理论。随着近现代医学技术和磁性理论的发展，磁性材料在医学中的应用也进入了一个新的发展时期。尤其是当前人们对纳米材料在生物医学中应用的研究不断加深，在靶向给药、成像检测、肿瘤热疗等领域纳米磁性材料都有着广泛的应用前景。

制备磁性纳米材料目前有多种方法，包括物理制备方法，如高能机械球磨法、物理气相沉积法；化学制备方法，如微乳液法、高温分解法等。但制得的磁性纳米粒子，在尺寸、均一性、水溶性等方面仍然很难做到尽如人意。为了改善磁性纳米粒子的水溶性，并充分发挥其在生物医学领域的应用潜力，一般需要在磁性纳米粒子表面引入羧基(-COOH)、氨基(-NH₂)、巯基(-SH)等功能基团。携带不同功能基团磁性纳米粒子通过与不同的生物大分子等生物活性物质结合，便可展现出各异的功能特性。例如，抗体蛋白质分子中含有大量的氨基，在一定的条件下氨基和羧基可以发生偶联反应。因此表面携带羧基的磁性纳米粒子便可通过羧基氨基的偶联反应与抗体结合在一起，构成免疫磁珠，应用在免疫层析检测中可大幅度提高检测技术的灵敏性。

抗坏血酸又称维生素C，是人体等其他许多动物必不可少的营养素，在生物体内主要起到一种抗氧化的作用。将抗坏血酸引入反应体系，在微波辅助加热下，抗坏血酸起到抗氧化的作用，保护部分Fe²⁺离子不被氧化为Fe³⁺离子，有助于四氧化三铁磁性纳米粒子的形成；同时还通过化学键合使得磁性纳米粒子表面连接上羧基，增强了磁性纳米粒子的水溶性和功能性。

目前，大尺度地制备超小磁性粒子仍然面临一些困难，如：合成步骤复杂、合成成本高、需要合成油相转水相的两亲性聚合物、生物相容性差等。

中国专利ZL200810041462.2公开了一种微波制备粒径可调纳米四氧化三铁微球的方法，其步骤为：第一步，将铁盐溶于多元醇中，再加入无机盐和表面活性剂，以及加入助溶剂，混合后搅拌，得到制备四氧化三铁的前体液体，其中:多元醇与铁盐的质量比5～100∶1，无机盐与铁盐的质量比1～6∶1，表面活性剂与铁盐的质量比0～5∶1，助溶剂与多元醇的体积比0～1∶1；第二步，将四氧化三铁的前体液体置于微波用的玻璃管中，在微波反应器中进行微波加热反应，反应后得到黑色的磁性四氧化三铁纳米粒子。

综合已报道的方法，得知极难高效合成具有T1造影效应的超小四氧化三铁纳米粒子的核心科学问题是反应过程中成核和生长速率过快，不能按照晶体结构习性抑制材料的生长，且不能一步法实现四氧化三铁纳米粒子功能化。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种离子液体辅助微波辐射法合成超小磁性纳米簇的方法，以超纯水为溶剂，采用生物-离子液体辅助微波辐射法高效合成出超小四氧化三铁纳米簇。本发明专利实质性特点和创新性是：微波辅助合成工艺具有节能高效、工艺简单、合成尺度大等优点，可显著提升纳米材料的性能，广泛应用于生物医学、催化材料、光电子学等领域。同时，生物-离子液体的加入可抑制四氧化三铁晶体的长大，并使得纳米粒子表面功能化。通过该技术路线合成的超小磁性纳米簇具有优良的T1造影效果，具有临床应用前景，为探索材料微观形貌与应用性质之间的内在关系奠定了技术基础。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种离子液体辅助微波辐射法合成超小磁性纳米簇的方法，包括以下步骤：

(1)称取有机铁盐和无机亚铁盐，分别溶于水，配成溶液；

(2)将步骤(1)制得的两份溶液混合，再加入抗坏血酸，搅拌，得到混合溶液；

(3)继续往步骤(2)得到的混合溶液中加入生物离子液体，得到前驱体溶液，所述的生物离子液体为胆汁素-羧酸盐阴离子液体或PEG化咪唑二烃基磷酸盐离子液体；

(4)将前驱体溶液转移到微波反应器中，反应；

(5)将步骤(4)所得反应产物转移，分离，即得到所述超小磁性纳米簇。

步骤(1)中所述的有机铁盐为柠檬酸铁、乙酰丙酮铁或右旋糖酐铁中的至少一种；

所述的无机亚铁盐为硫酸亚铁或氯化亚铁中的至少一种；

加入的有机铁盐与无机亚铁盐的量满足Fe²⁺和Fe³⁺的摩尔比1:1～4。

步骤(2)中抗坏血酸与Fe²⁺离子的摩尔比为1:3～20。

所述的胆汁素-羧酸盐阴离子液体由胆汁素与羧酸盐按摩尔配比1:1反应，分离纯化得到，其具体反应条件为：反应温度为100-150℃，反应时间为5-20h，分离纯化后得到胆汁素-羧酸盐阴离子液体，收率为80％-95％。其中，羧酸盐选自柠檬酸盐、乙酸盐、琥珀酸盐或马来酸盐中的一种。

所述的PEG化咪唑二烃基磷酸盐离子液体由PEG与咪唑二烃基磷酸盐按摩尔配比1:1反应，分离纯化得到，其具体反应条件为：反应温度为70-150℃，反应时间为1-10h，分离纯化后得到PEG化咪唑二烃基磷酸盐离子液体，收率为85％-98％。其中，PEG的未反应端为羟基、氨基、羧基、巯基或酯基中一种(PEG的两端可以修饰，因此，未反应端的羟基可以相应被修饰为氨基、羧基、巯基或酯基等)。

生物-离子溶液的加入量为混合溶液的0.1wt％～3wt％。

步骤(3)中混合溶液中加入生物-离子液体后，再调节pH至9～12，才得到所述前驱体溶液。

步骤(4)中反应的工艺条件为：微波功率为500～1200W，微波辐射频率为2450MHz，反应温度为100-200℃，反应时间为0.5～4h。

步骤(5)的分离工艺为：先将反应产物转移至透析袋中，透析1～2天，再在10000-14000rpm的离心转速下，差速离心分离2-10min。

采用上述制备方法制备的离子液体辅助微波辐射法合成超小磁性纳米簇，所述的超小磁性纳米簇的平均尺寸为2～5nm。

所述的超小磁性纳米簇的r₁弛豫率为3.5-9s^-1mM^-1，r₂弛豫率为20-35s^-1mM^-1，r₂/r₁为0.175-10。

所述的微波辅助加热将高强度短脉冲微波辐射聚焦到含“敏化剂”(强吸收微波的物质如铁磁金属)的四氧化三铁纳米晶核表面，由于表面金属与微波的强烈相互作用，微波能转变为热，使表面上一些点被选择性地快速加热至很高的温度，导致反应器中的有机铁盐与受激发的晶核表面接触发生反应。通过适当控制微波脉冲时间，可控制纳米粒子表面的温度、反应物的压力和流速，并可进一步控制化学反应，从而有效控制四氧化三铁的粒径。同时，微波加热还具有非热效应，微波与四氧化三铁晶体的低频弹性晶格振动耦合，产生非热分布，可以提高了离子迁移率，从而加快了载流子向表面的扩散，导致羟基自由基的增加以及表面电子浓度的增大，抑制了四氧化三铁纳米粒子的生长。所述的生物-离子液体，在微波辐射下能够更好地提供热量，并且通过静电作用迅速与铁离子和亚铁离子结合，加快四氧化三铁晶核形成，由于生物-离子液体存在独特的空间位阻结构、多负电荷和低界面张力性质，极易在晶核表面形成了一个稳定有序的保护层，屏蔽铁离子和亚铁离子与晶核接触，阻碍铁离子和亚铁离子与晶核的作用，进而抑制各晶面生长，来控制纳米四氧化三铁粒子尺寸和提高纳米粒子的稳定性。得到的2-5nm的超小磁性纳米簇具有优良的T1造影效果，具有临床应用前景。

传统的单分散高品质磁性纳米粒子合成尺度大多在毫克级别，如果提高合成尺度，主要问题是磁性纳米粒子粒径、形貌和磁强度得不到有效控制，而本专利提出的合成方法主要通过原子/分子尺度对前驱体进行形貌和分散性控制，从而保证了前驱体分散、组装、热分解过程和磁性粒子最终形成过程。克级尺度规模化合成高品质磁性纳米粒子需要提高反应体系的固含量，传统的制备工艺固含量都相对较少(<1％)，而本方法的固含量甚至可以>5％，合成尺度显著提高，并且磁性纳米粒子的粒径、形貌、分散性和磁强度都能得到有效控制。

本发明中，采用生物-离子液体，可以起到重要结构生长抑制剂及无机纳米颗粒的修饰剂与保护剂。结构抑制是通过生物-离子液体独特的空间位阻结构和多负电荷性质实现的。在微波辐射下能够更好地提供热量，并且快速地络合在铁粒子表面，随着四氧化三铁晶核逐渐形成，由于生物-离子液体存在独特的空间位阻结构和多负电荷性质，在晶核表面形成了一个稳定保护层，阻碍铁离子和亚铁粒子与晶核的作用，进而抑制各晶面生长，来控制纳米四氧化三铁粒子尺寸和提高纳米粒子的稳定性。得到的2-5nm的超小磁性纳米簇具有优良的T1造影效果，具有临床应用前景。(传统方法及背景技术中的对比专利提到的8-100nm的磁珠具有的是T2造影效果，与本专利提到的超小纳米簇T1效应是不一样的)。

需要说明的是，只是施加微波，作用体为四氧化三铁时，粒径控制的不好，会出现粒径不均一，且大于5nm，并且不具有T1造影效应。只有生物-离子液体的辅助作用下，才能很好地控制磁性纳米簇的粒径大小及分布，以及优良的T1造影效果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)制备简单、快捷、合成尺度大，只需使用少量几种试剂即可制得。

2)微波辅助加热具有反应速度快、节能、环保等优点。

3)可以直接制得水溶性良好的四氧化三铁磁性纳米簇，无需转相等后续操作。

4)制得的四氧化三铁磁性纳米簇平均尺寸为2-5nm，且粒径分布均匀。

5)表面携带羧基(-COOH)、氨基(-NH₂)、羟基(-OH)等官能团，生物相容性好。

6)制得的四氧化三铁磁性纳米簇水溶液分散体稳定性好，静置≧1年时未出现沉淀。

附图说明

图1为超小磁性纳米簇的透射电镜图片。

图2为超小磁性纳米簇的高分辨透射电镜图片。

图3为超小磁性纳米簇的X射线衍射图。

图4为超小磁性纳米簇的傅里叶变换红外光谱图。

图5为本发明的超小磁性纳米簇在动物体内的T1核磁成像照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)称取1mmol柠檬酸铁和1mmol硫酸亚铁，分别溶于10mL去离子水中，以200rpm的速度搅拌使其充分溶解。

(2)将步骤(1)制得的两份溶液混合，继续以200rpm的速度搅拌，使其充分混匀。

(3)称取一定量的抗坏血酸，使其与Fe²⁺离子的摩尔比为1:3，加入步骤(2)得到的混合溶液中，继续以200rpm的速度搅拌。

(4)向步骤(3)得到的混合溶液中加入0.1％的生物离子液体，所述的生物离子液体为胆汁素-柠檬酸盐阴离子液体，继续以200rpm的速度搅拌。

(5)向步骤(4)得到的混合溶液中滴加浓度为0.4M的氢氧化钠溶液，调节该混合溶液的pH值至9，继续以200rpm的速度搅拌5min。

(6)将步骤(5)得到的混合溶液转移至微波反应罐中，所述的微波功率为500W，微波辐射频率为2450MHz，反应温度为100℃，反应时间为0.5h。

(7)将步骤(6)得到的产物转移至透析袋中，透析1天，经差速离心，即可得到具有T1造影效应的四氧化三铁磁性纳米簇，所述的差速离心条件：离心速度10000rpm，离心时间2min。该磁性纳米簇的r₁弛豫率为3.5s^-1mM^-1，r₂弛豫率为20s^-1mM^-1,r₂/r₁为5.71。

所制得的磁性纳米簇的透射电镜图片、高分辨透射电镜图片、X射线衍射图与傅里叶变换红外光谱图分别如图1、图2、图3和图4所示，从图1和图2可以看出，所述磁性纳米簇呈均一的球体结构，粒径大小为2-5nm。所得样品经X射线衍射分析表明，所得产物的物相为Fe₃O₄(图3)。同时，将所得样品烘干测定傅里叶变换红外光谱，得知谱图在1631cm-1出现羧酸跟反对称伸缩振动峰及1385cm-1出现羧酸跟对称伸缩振动峰，均属于羧酸跟的特征吸收峰，表明超小磁性纳米簇表面含有羧基官能团(图4)。

图5为本实施例合成的超小磁性纳米簇的T1核磁成像照片，通常的T2效应是灰度值越大，T2造影效应越强；而T1造影效应恰恰相反，即亮度值越大，T1造影效应越强。可知，本实施例的超小磁性纳米簇具有优异的T1造影效果。

实施例2

(1)称取1mmol乙酰丙酮铁和2mmol氯化亚铁，分别溶于17.5mL去离子水中，以350rpm的速度搅拌使其充分溶解。

(2)将步骤(1)制得的两份溶液混合，继续以350rpm的速度搅拌，使其充分混匀。

(3)称取一定量的抗坏血酸，使其与Fe²⁺离子的摩尔比为1:12，加入步骤(2)得到的混合溶液中，继续以350rpm的速度搅拌。

(4)向步骤(3)得到的混合溶液中加入0.3％的生物离子液体，所述的生物离子液体为胆汁素-马来酸盐阴离子液体，继续以350rpm的速度搅拌。

(5)向步骤(4)得到的混合溶液中滴加浓度为2.7M的氢氧化钠溶液，调节该混合溶液的pH值至10.5，继续以200～500rpm的速度搅拌17.5min。

(6)将步骤(5)得到的混合溶液转移至微波反应罐中，所述的微波功率为850W，微波辐射频率为2450MHz，反应温度为150℃，反应时间为2.5h。

(7)将步骤(6)得到的产物转移至透析袋中，透析1.5天，经差速离心，即可得到具有T1造影效应的四氧化三铁磁性纳米簇，所述的差速离心条件：离心速度12000rpm，离心时间6min。该磁性纳米簇的r₁弛豫率为9s^-1mM^-1，r₂弛豫率为35s^-1mM^-1,r₂/r₁为3.9。

实施例3

(1)称取1mmol右旋糖酐铁和3mmol硫酸亚铁，分别溶于25mL去离子水中，以500rpm的速度搅拌使其充分溶解。

(2)将步骤(1)制得的两份溶液混合，继续以500rpm的速度搅拌，使其充分混匀。

(3)称取一定量的抗坏血酸，使其与Fe²⁺离子的摩尔比为1:20，加入步骤(2)得到的混合溶液中，继续以500rpm的速度搅拌。

(4)向步骤(3)得到的混合溶液中加入0.5％的生物离子液体，所述的生物离子液体为胆汁素-乙酸盐阴离子液体，继续以500rpm的速度搅拌。

(5)向步骤(4)得到的混合溶液中滴加浓度为5M的氢氧化钠溶液，调节该混合溶液的pH值至12，继续以500rpm的速度搅拌30min。

(6)将步骤(5)得到的混合溶液转移至微波反应罐中，所述的微波功率为1200W，微波辐射频率为2450MHz，反应温度为200℃，反应时间为4h。

(7)将步骤(6)得到的产物转移至透析袋中，透析2天，经差速离心，即可得到具有T1造影效应的四氧化三铁磁性纳米簇，所述的差速离心条件：离心速度14000rpm，离心时间10min。该磁性纳米簇的r₁弛豫率为3.5s^-1mM^-1，r₂弛豫率为35s^-1mM^-1,r₂/r₁为10。

实施例4

(1)称取1mmol柠檬酸铁和4mmol氯化亚铁，分别溶于10mL去离子水中，以500rpm的速度搅拌使其充分溶解。

(2)将步骤(1)制得的两份溶液混合，继续以500rpm的速度搅拌，使其充分混匀。

(3)称取一定量的抗坏血酸，使其与Fe²⁺离子的摩尔比为1:12，加入步骤(2)得到的混合溶液中，继续以500rpm的速度搅拌。

(4)向步骤(3)得到的混合溶液中加入1.5％的生物离子液体，所述的生物离子液体为胆汁素-琥珀酸盐阴离子液体，继续以500rpm的速度搅拌。

(5)向步骤(4)得到的混合溶液中滴加浓度为5M的氢氧化钠溶液，调节该混合溶液的pH值至12，继续以500rpm的速度搅拌5min。

(6)将步骤(5)得到的混合溶液转移至微波反应罐中，所述的微波功率为300HZ，反应温度为100℃，反应时间为3h。

(7)将步骤(6)得到的产物转移至透析袋中，透析1天，经差速离心，即可得到具有T1造影效应的四氧化三铁磁性纳米簇，所述的差速离心条件：离心速度14000rpm，离心时间2min。该磁性纳米簇的r₁弛豫率为7.3s^-1mM^-1，r₂弛豫率为27.5s^-1mM^-1,r₂/r₁为3.8。

实施例5

(1)称取2mmol乙酰丙酮铁和2mmol硫酸亚铁，分别溶于25mL去离子水中，以200rpm的速度搅拌使其充分溶解。

(2)将步骤(1)制得的两份溶液混合，继续以200rpm的速度搅拌，使其充分混匀。

(3)称取一定量的抗坏血酸，使其与Fe²⁺离子的摩尔比为1:8，加入步骤(2)得到的混合溶液中，继续以200rpm的速度搅拌。

(4)向步骤(3)得到的混合溶液中加入0.5％的生物离子液体，所述的生物离子液体为NH₂-PEG化咪唑二烃基磷酸盐离子液体，继续以200rpm的速度搅拌。

(5)向步骤(4)得到的混合溶液中滴加浓度为2M的氢氧化钠溶液，调节该混合溶液的pH值至10，继续以200rpm的速度搅拌30min。

(6)将步骤(5)得到的混合溶液转移至微波反应罐中，所述的微波功率为500W，微波辐射频率为2450MHz，反应温度为200℃，反应时间为0.5h。

(7)将步骤(6)得到的产物转移至透析袋中，透析1天，经差速离心，即可得到具有T1造影效应的四氧化三铁磁性纳米簇，所述的差速离心条件：离心速度10000rpm，离心时间10min。该磁性纳米簇的r₁弛豫率为9s^-1mM^-1，r₂弛豫率为20s^-1mM^-1,r₂/r₁为0.45。

实施例6

(1)称取1mmol右旋糖酐铁和2mmol氯化亚铁，分别溶于20mL去离子水中，以300rpm的速度搅拌使其充分溶解。

(2)将步骤(1)制得的两份溶液混合，继续以300rpm的速度搅拌，使其充分混匀。

(3)称取一定量的抗坏血酸，使其与Fe²⁺离子的摩尔比为1:20，加入步骤(2)得到的混合溶液中，继续以300rpm的速度搅拌。

(4)向步骤(3)得到的混合溶液中加入1％的生物离子液体，所述的生物离子液体为SH-PEG化咪唑二烃基磷酸盐离子液体，继续以300rpm的速度搅拌。

(5)向步骤(4)得到的混合溶液中滴加浓度为0.4M的氢氧化钠溶液，调节该混合溶液的pH值至11，继续以300rpm的速度搅拌20min。

(6)将步骤(5)得到的混合溶液转移至微波反应罐中，所述的微波功率为1050W，微波辐射频率为2450MHz，反应温度为175℃，反应时间为3h。

(7)将步骤(6)得到的产物转移至透析袋中，透析2天，经差速离心，即可得到具有T1造影效应的四氧化三铁磁性纳米簇，所述的差速离心条件：离心速度12000rpm，离心时间5min。该磁性纳米簇的r₁弛豫率为5s^-1mM^-1，r₂弛豫率为23s^-1mM^-1,r₂/r₁为4.6。

实施例7

(1)称取1mmol柠檬酸铁、右旋糖酐铁和2.5mmol硫酸亚铁，分别溶于15mL去离子水中，以400rpm的速度搅拌使其充分溶解。

(2)将步骤(1)制得的两份溶液混合，继续以400rpm的速度搅拌，使其充分混匀。

(3)称取一定量的抗坏血酸，使其与Fe²⁺离子的摩尔比为1:10，加入步骤(2)得到的混合溶液中，继续以400rpm的速度搅拌。

(4)向步骤(3)得到的混合溶液中加入3％的生物离子液体，所述的生物离子液体为RCOOR-PEG化咪唑二烃基磷酸盐离子液体，继续以400rpm的速度搅拌。

(5)向步骤(4)得到的混合溶液中滴加浓度为4M的氢氧化钠溶液，调节该混合溶液的pH值至10，继续以400rpm的速度搅拌15min。

(6)将步骤(5)得到的混合溶液转移至微波反应罐中，所述的微波功率为1100W，微波辐射频率为2450MHz，反应温度为100℃，反应时间为1h。

(7)将步骤(6)得到的产物转移至透析袋中，透析1天，经差速离心，即可得到具有T1造影效应的四氧化三铁磁性纳米簇，所述的差速离心条件：离心速度13000rpm，离心时间5min。该磁性纳米簇的r₁弛豫率为8s^-1mM^-1，r₂弛豫率为30s^-1mM^-1,r₂/r₁为3.75。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。