CoFe_2O_4纳米粒子的合成及其致热效应_陈跃

第31卷　第6期2009年3月武　汉　理　工　大　学　学　报J OURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHN OLOGY Vol .31　No .6　Mar .2009DOI :10.3963 j .issn .1671-4431.2009.06.003CoFe 2O 4纳米粒子的合成及其致热效应陈　跃1,2,程胜高1(1.中国地质大学环境学院(武汉),武汉430074;2.黄石理工学院化学与材料工程学院,黄石435003)摘　要:　为了研发新型细胞解冻剂,采用共沉淀法合成磁性CoFe 2O 4纳米粒子,并通过X 射线衍射(XRD )、透射电镜(TE M )、振动样品磁强计等对其理化性能进行了表征,初步探讨了CoFe 2O 4纳米悬浮液在交变磁场作用下的热效应。

结果表明:随着热处理温度升高,颗粒长大;100℃浸渍后的颗粒粒径为10—12n m ,经700℃热处理后的颗粒尺寸增大为30—40nm 。

样品的饱和磁化强度和剩余磁化强度也随着热处理温度的升高而增加。

不同浓度的CoFe 2O 4纳米悬浮液在交变磁场中的升温速度和恒定温度随着浓度的增加而增加。

关键词:　钴铁氧体;　纳米粒子;　合成;　磁性能;　热效应中图分类号:　R 318.08文献标识码:　A 文章编号:1671-4431(2009)06-0009-04Synthesis and Heating Effect of CoFe 2O 4Nano -particlesCH EN Yue 1,2,CHE NG Sheng -gao 1(1.School of Environ mental Studies ,China University of Geoscience ,Wuhan 430074,China ;2.School of Chemical andMaterials Engineering ,Huan gshi Institute of Technology ,Huangshi 435003,China )Abstract :　In this paper ,CoFe 2O 4nanoparticles were synthesized by coprecipitation method .The physico -chemical properties of CoFe 2O 4nanoparticles were characterized b y X -ray diffraction ,TE M photographs and Vibrating sample magnetometer .Furthermore ,the heating effect of CoFe 2O 4nanoparticles suspension under the alternating magnetic field was researched .The results show that the sizes of CoFe 2O 4particles increases with the heat -treated temperature increases ,it is 10—12nm when heated at 100℃and it increases to 30—40nm when heated at 700℃,the saturation magnetization and remnant magnetization increases with the heat -treated temperature too .Under the alternating magnetic field ,both the heating rate and the stable temperature of the CoFe 2O 4nanoparticles suspension increase with the increasing of concentration .Key words :　cobalt ferrite nanoparticles ;　nanaparticles ;　synthesis ;　magnetic properties ;　heating effect 收稿日期:2008-09-09.基金项目:湖北省自然科学基金(2006ABA189).作者简介:陈　跃(1968-),男,副教授,博士生.E -mail :chenyue1020@ 组织细胞经液氮冷冻后,在37—40℃热水中1min 左右解冻,复苏率可以在85%以上。

这种细胞解冻的方法一直都被采用。

冻存过程中,细胞或细胞器的结构发生不同程度的改变,如核酸的微小改变,对细胞的增殖一般不会产生影响,但是对生殖细胞可能会带来致命的打击。

生殖细胞冷冻以及种质资源的保护是生殖生物学的热点和难点[1-4]。

至今有些动物的生殖细胞的冻存尚未有可行的报道。

磁性纳米材料的发热效应可使肿瘤部位升温,从而达到肿瘤热疗的目的,且还有使材料进入肿瘤细胞中,在某种条件下,可有效的杀死癌细胞而不损害正常细胞的效果[5-10]。

该课题就是拟利用纳米粒子的产热效应建立组织细胞复苏的新方法。

一方面,由于纳米粒子(100nm 以下)可以成为冷冻中的晶核,致使液体中形成相对均匀的冰核,预想可以提高冷冻效果;另一方面,由于有些纳米粒子有良好的吸波能力和产热作用,将纳米粒子称为热量产生的“马达”,当其均匀分布在冻块中时,纳米粒子在交变磁场作用下升温到一定的温度,可以很快使冻块同步解冻,达到很高的复苏率,而不损害培养细胞。

钴尖晶石铁氧体是性能优良的软磁材料。

具有独特的物理特性、化学特性与磁学性质。

钴铁氧体CoFe 2O 4具有高的磁晶各向异性,高的矫顽力和磁饱和强度,其矫顽力和电阻率比磁性合金高几十倍,高频磁导率较高,优良的化学性能稳定且耐腐蚀和磨损,因而倍受关注。

目前,合成CoFe 2O 4纳米微粒的方法很多,如氧化物法、化学共沉淀法、盐类分解法、溶胶-凝胶法、微乳液法等,其中化学共沉淀法具有反应物活性高,产物粉体混合均匀,粒度细等优点,因此,拟通过化学共沉淀法合成CoFe 2O 4,并初步探讨其发热效应,旨在开发新型细胞解冻剂。

1　实验1.1　材料合成采用分析纯的固态FeCl 3·6H 2O 、CoCl 2·6H 2O 和化学纯NaOH 溶液为原料。

将配制成0.533mol L ;的FeCl 3·6H 2O 和0.267mol L 的CoCl 2.6H 2O 混合溶液,在高速搅拌的作用下缓慢加入到6mol L 的Na OH 溶液中,调节适当的搅拌速度(3000r min 左右)和pH 值(11—13),搅拌30min 后,将合成的悬浮液在沸水浴中浸渍2h ;然后用去离子水水洗沉淀10多次,直至pH 为7左右为止。

过滤后得到褐色沉淀(前驱体),将沉淀部分分别在100℃,700℃下热处理2h ,冷却后颗粒经过超声波分散得到CoFe 2O 4纳米颗粒。

1.2　性能表征采用日本理学公司(Rigaku )生产的D MAX -RB 型X 射线衍射仪(Cu 靶,40kV ,120mA ,2dge min ,λ=0.15406nm )分析CoFe 2O 4纳米颗粒成分及结晶情况。

用JEOLJE M -100S 透射电镜,观察样品的形貌和尺寸。

用VSM4HF 振动样品磁强计,测量合成磁性颗粒的磁滞回线。

1.3　CoFe 2O 4纳米粒子的生热效应检测将称取一定量前面实验制备好的CoFe 2O 4纳米颗粒,在表面活性剂的作用下,在水浴中恒温60℃,然后超声波分散在100ml 的水溶液中制备成CoFe 2O 4纳米悬浮液。

CoFe 2O 4纳米悬浮液在交变磁场(武汉博琅电器设备有限公司提供,功率10kW ,频率100kHz )作用下的热效应:将制得的CoFe 2O 4纳米悬浮液以不同的浓度:0mg mL ,0.5mg mL ,1.0mg mL ,2.0mg mL ,4.0mg mL 在固定的交变磁场作用下测定温度随时间的改变;然后用2m g mL 的CoFe 2O 4纳米悬浮液在不同输出功率的交变磁场下测定温度随时间的改变。

2　结果与讨论2.1　CoFe 2O 4性能表征将制得的CoFe 2O 4前驱体及纳米粒子分别做X -射线衍射分析,所得结果如图1所示。

图1(a )CoFe 2O 4前驱体峰形很宽,基本没有出现特征峰,表明前驱体结晶很不完整,而且粒径很小。

图1(b )衍射峰与JCPDS 卡的标准图谱相吻合,但峰形也比较宽,说明经100℃浸渍后生成CoFe 2O 4,结晶仍不完整,存在晶体缺陷,粒径较小。

由Sherrer 公式[11]估算,其粒径约为10—12nm 左右,为尖晶石晶体,其空间群为Fd 3m ,无其它晶相或非晶质产生;图1(c )峰形较窄,峰值较高,说明随温度升高颗粒在长大,且结晶化完整,Sherrer公式估算得平均粒径为30—40nm 左右。

将用超声波分散均匀的CoFe 2O 4悬浮液进行透射电镜分析,由图2可以看出,在700℃热处理后样品的颗粒尺寸为20—50nm ,与Sherrer 公式的计算结果基本一致,这种粒径的一致性说明生成的CoFe 2O 4的试样为纳米晶体。

用振动样品磁强计分别测试100℃和700℃温度处理后样品a 和样品b 在室温条件下的磁滞回线(图3)。

样品a 的饱和磁化强度为46.62A (m ·kg ),剩余磁化强度为21.3A (m ·kg );样品b 的饱和磁化强度为10 武　汉　理　工　大　学　学　报 2009年3月58.52A (m ·kg ),剩余磁化强度为28.25A (m ·kg )。

因此其饱和磁化强度和剩余磁化强度随着热处理温度的升高而增加,其原因是低温处理后晶体结晶不完整,同时颗粒的尺寸小表面原子比例大且配位不太饱和,具有很强的热扰动特性,从而使原子的磁结构处于不稳定和无序的状态,磁矩不容易与外场保持一致。

另外,粉体表面有一非磁性层,粒径的增大,非磁性层占的比重就减小,所以样品的饱和磁化强度就会随颗粒的增大而增加。

该结果也表明CoFe 2O 4粉末经过100℃处理后的颗粒尺寸小于700℃。

2.2　CoFe 2O 4纳米悬浮液浓度的影响在相同的条件下,分别测定0mg mL ,0.5mg mL ,1.0mg mL ,2.0mg mL ,4.0mg mL 在室内温度为18℃,一定的交变磁场作用下测定温度随时间的改变,并记录达到最高温度时所需要的时间以及所能升高的最高温度,其结果如图4所示。