一种制备大粒径氧化铁纳米粒子的方法

本发明涉及纳米材料制备，特别涉及一种制备大粒径氧化铁纳米粒子的方法，属于纳米材料制备及应用领域。

背景技术：

1、纳米材料被广泛应用在能源、环境、信息、医药等领域。纳米材料可以与很多生物大分子如核酸、蛋白相连接形成纳米粒子复合体，磁性纳米粒子在外加磁场的作用下，可以实现对纳米粒子复合体的运动的控制，在体外应用方面，在磁性纳米粒子表面结合各种配体（或受体），配体（或受体）与目标分离物表面的受体（或配体）发生特异性结合，在外加磁场的作用下，可实现特定细胞、病毒、蛋白、核酸等的分离及检测；体内应用方面，磁性功能纳米粒子不仅可作为标记物辅助临床病理的检测与诊断，还能作为负载某些药物的工具用以实现在磁场下的定向运输和药物释放。 因此，磁性纳米粒子在生物医学领域有广阔的应用前景。

2、用于合成磁性纳米粒子的方法主要有物理法、生物法、化学法三种，物理法以机械球磨法为代表，利用此方法制备的磁性纳米材料粒径大小分布宽，且容易团聚；生物法分离得到的磁性纳米粒子尽管粒径分布均匀且形状规整，但存在细胞培养过程繁琐以及提取困难等问题；因此，目前主要用于制备磁性纳米晶粒的方法是化学法。市场上有各种磁性纳米粒子产品，氧化铁纳米粒子相对于其他磁性纳米粒子而言具有成本低、易于合成与修饰、生物相容性好等特点而被重点研究与应用。使用化学法合成氧化铁纳米粒子的方法又可分为均相与非均相合成两种，利用均相法制备氧化铁纳米粒子的典型方法有共沉淀法和高温热分解法。高温热分解法是在有机溶剂中通过高温加热分解铁的有机化合物来制备氧化铁纳米粒子的方法。相对于共沉淀法而言，其合成的氧化铁纳米粒子产物具有分散性好、粒径分布窄、形状规则可控等优点。

3、使用高温热分解法合成氧化铁纳米粒子的分散性好，可以作为磁分离的介质。然而在磁分离的过程中对氧化铁纳米粒子的磁性要求较高，这使得对合成的氧化铁纳米粒子的粒径有严格要求。在260℃条件下于peg溶液中高温分解乙酰丙酮铁制备获得的氧化铁纳米粒子直径约8-10 nm左右（一种能够分布于脑内细胞间隙的硫酸软骨素修饰的氧化铁纳米粒子的制备方法，专利号：zl 2019 1 0366440.1）；在添加于十六烷二醇溶剂油酸和油胺中加入乙酰丙酮铁声称合成了直径最大接近20 nm的氧化铁纳米粒子（journal of theamerican chemical society, 2004, 126(1): 273-279.）；用油酸金属前驱体在高沸点溶剂中合成的氧化铁纳米粒子报道直径最大达到22 nm (nature materials, 2004, 3(12):891-895), 但合成的氧化铁纳米粒子只能分散在有机溶剂中，不能分散于水中。进一步提高氧化铁纳米粒子的粒径是合成中一件困难的工作。这使得其在磁分离等生物领域的应用中具有很大局限性。

4、lamer成核扩散模型详细描述了晶体的成核与生长过程。在高温加热条件下前驱体被不断分解，用于组成纳米粒子的物质（单体）的浓度不断增加， 形成过饱和溶液，此时反应系统处于非平衡状态，非平衡状态是出现新相的必要条件。当过饱和度上升至满足成核条件时，溶液中的分子或原子聚集形成核。成核过程又会不断消耗单体，单体浓度降低至成核临界浓度，溶液中的单体会扩散到核表面，从而开始晶体生长过程，一般情况下，成核需要的条件如过饱和浓度较大，而晶体生长可以在较低的浓度下进行。

5、一般在合成纳米粒子的过程中，原料是一步加入的，成核与生长是连续发生的，刚开始过多的原料加入，过高的过饱和度造成大量成核发生，使得随后生成的晶粒数量多，晶粒尺寸不大，这样难以合成大粒径纳米粒子，本方法采用逐步添加原料的方法，将成核与晶体生长分离，即在初期一定的过饱和度下适量成核，溶液过饱和度下降，成核不再发生，随后添加适量的原料维持一定的原料浓度，用于晶体生长，但不产生或较少产生新核。这样制备出的纳米粒子尺寸明显大于以前一次性加料方法合成的纳米粒子的粒度，制备的氧化铁纳米粒子因粒径增大使其磁性很强，且分散性仍旧很好。可以用于生物分离等应用中。这种将成核与晶体生长分离的方法也可以用于其他纳米粒子的合成。

6、基于此种背景，本发明提出了一种利用分批加入反应原料方法，将成核与晶体生长分离，制备大粒径饱和磁化强度高的氧化铁纳米粒子的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是制备粒径大于20 nm的大粒径氧化铁纳米粒子。制备的纳米粒子饱和磁化强度高，水分散性好。

2、具体步骤为：

3、（1）在室温下将peg和pei或pvp混合置于三颈烧瓶中，加热至80℃时添加适量乙酰丙酮铁，保温10 min后继续升温至320℃，在此温度条件下反应0.5-2小时。

4、（2）随后每10分钟逐步添加乙酰丙酮铁来维持一定浓度使氧化铁纳米粒子不断生长。整个过程中不断搅拌并通入氩气以保护反应物不被氧化。

5、（3）将获得的产物冷却后，分别用甲苯、丙酮清洗，最后分散于水中。

6、采用马尔文激光粒度仪、x射线衍射仪、磁学测量系统及透射电镜对制备的样品进行表征。

7、证明通过将成核与晶体生长分离的方法成功制备了分散性好的粒径大于20 nm，饱和磁化强度大于60 emu/g（含表面修饰物）的氧化铁纳米粒子。

8、采用本发明技术方案具有如下有益效果：

9、本发明通过分批加料的方法，将纳米粒子的成核与生长分离，制备出比一次性加料更大粒径的纳米粒子，获得的氧化铁纳米粒子饱和磁化强度高，分散性好，所用的修饰剂均为生物相容性物质，且带有可以形成氢键或共价键的功能团，可用于生物分离。本发明提出的将成核与晶体生长分离的方法也可以用于其它纳米粒子的生长。

技术特征：

1.一种制备大粒径的氧化铁纳米粒子的方法，其特征在于具体步骤为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）作用的还原剂是不同分子量的聚乙二醇，修饰剂为不同分子量的聚乙烯亚胺或聚乙烯吡咯烷酮；初次添加的乙酰丙酮铁在还原剂中浓度（乙酰丙酮铁质量/还原剂体积）大于0.046克/毫升；修饰剂的质量小于乙酰丙酮铁的质量的一半。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）随后每10分钟逐步添加一次乙酰丙酮铁，添加次数5次以上，每次添加乙酰丙酮铁与还原剂量之比小于0.01克/毫升。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所制备的水分散性的氧化铁纳米粒子粒径大于20 nm，饱和磁化强度大于60 emu/g。

技术总结
本发明公开了一种制备大粒径氧化铁纳米粒子的方法，在生物医学领域的生物分离应用中要求氧化铁纳米粒子的饱和磁化强度要足够大，这就要求磁性氧化铁纳米粒子的粒度要大。目前大粒径氧化铁纳米粒子的合成是一个难点。本发明通过分批加料的方法，将纳米粒子的成核与生长分离，制备出比一次性加料更大粒径的纳米粒子，获得的水分散性氧化铁纳米粒子饱和磁化强度高，有望用于生物分离。本发明提出的将成核与晶体生长分离的方法也可以用于其它纳米粒子的合成。

技术研发人员：张宝林,刘亦阳
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17