表面巯基化修饰的磁性Fe_3O_4纳米粒子合成与表征_贺全国

基金项目：

国家自然科学基金青年基金资助项目（２０５０５０２０），中国包装总公司科研项目资助（０４ＺＢＫＪＡ００４），湖南省教育厅资助科研项目资助（０５Ｃ５０８），湖南省普通高校青年骨干教师资助计划资助（２００５－２００８）。

作者简介：

贺全国（１９７３－），男，湖南常德人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事功能纳米材料、生物传感技术与器件方面研究。（Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｑｕａｎｇｕｏ＠１６３．ｃｏｍ）

收稿日期：２００７－０１－２２

表面巯基化修饰的磁性Ｆｅ３Ｏ４纳米粒子合成与表征

贺全国，吴伟，杨

云，张继德，王吉清

（湖南工业大学绿色包装与生物纳米技术应用实验室，湖南株洲４１２００８）

摘

要：通过化学共沉淀法制备了粒径约３０ｎｍ的磁性四氧化三铁（Ｆｅ３Ｏ４）纳米粒子，并采用３－巯丙基三乙氧基硅烷（ＭＰＴＥＳ）将Ｆｅ３Ｏ４纳米粒子表面修饰上巯基（－ＳＨ）官能团，获得了表面巯基化的磁性Ｆｅ３Ｏ４纳米粒子。利用Ｘ－射线粉末衍射仪（ＸＲＤ），透射电子显微镜（ＴＥＭ），带有能谱仪（ＥＤＳ）的扫描电子显微镜（ＳＥＭ），光电子能谱仪（ＸＰＳ），以及磁学测量系统（ＭＰＭＳ）对粒子的结构和性能进行了表征和分析。结果表明：表面巯基化后的磁性粒子粒径略有增加，室温下磁化强度由原来的６４ｅｍｕ／ｇ变为６２ｅｍｕ／ｇ，较好地保留了原始磁性特征。研究结果对巯基化磁性纳米粒子实现生物分子结合、固定负载乃至生物传感的应用具有重要意义。关键词：磁性Ｆｅ３Ｏ４纳米粒子；共沉淀法；巯基化；表面修饰；生物传感中图分类号：Ｏ６４

文献标识码：Ａ

文章编号：１００９－９２１２（２００７）０２－００６３－０５

ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＳｕｒｆａｃｅＴｈｉｏｌａｔｅｄＭａｇｎｅｔｉｔｅＮａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓＨＥＱｕａｎ－ｇｕｏ，ＷＵＷｅｉ，ＹＡＮＧＹｕｎ，ＺＨＡＮＧＪｉ－ｄｅ，ＷＡＮＧＪｉ－ｑｉｎｇ

（ＧｒｅｅｎＰａｃｋａｇｉｎｇａｎｄＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＭａｇｎｅｔｉｃＦｅ３Ｏ４ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓａｒｏｕｎｄ３０ｎｍｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｕｓｉｎｇｍｏｄｉｆｉｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｃｏ－ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｈｉｏｌａｔｅｄｍａｇｎｅｔｉｔｅｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓａｒｅａｌｓｏｏｂｔａｉｎｅｄｖｉａｓｕｒｆａｃｅｍｅｒｃａｐｔｏｐｒｏｐｙｌｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ（ＭＰＴＥＳ）ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＸ－Ｒａｙｐｏｗｄｅｒｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ），ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ）

ｗｉｔｈｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＥＤＳ），ｔｈｅｚｅｔａｓｉｚｅｒｎａｎｏｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，

Ｘ－Ｒａｙｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＸＰＳ）ａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ（ＭＰＭＳ）ｗｉｔｈｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｑｕａｎｔｕｍｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｄｅｖｉｃｅ（ＳＱＵＩＤ）ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｒｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｒｅｖｅａｌｓｔｈａｔｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｓｈａｖｅａｓｌｉｇｈｔｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｉｎｃｒｅａｓｅｉｎａｖｅｒａｇｅｄｉａｍｅｔｅｒ，ａｎｄｒｅｔａｉｎａｌｍｏｓｔｏｒｉｇｉｎａｌｓａｔｕｒａｔｉｏｎｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎｆｒｏｍ６４ｅｍｕ／ｇｔｏ６２ｅｍｕ／ｇａｆｔｅｒｓｕｒｆａｃｅｔｈｉｏｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｆｉｎｄｉｎｇｉｓｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｍａｇｎｅｔｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｂｉｏｃｏｎｊｕｇａｔｉｏｎ，ｔａｒｇｅｔｃａｒｒｉｅｒｓａｎｄｂｉｏ－ｓｅｎｓｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｔｅｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ；ｃｏｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ；ｔｈｉｏｌａｔｉｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｂｉｏ－ｓｅｎｓｉｎｇ

功能材料

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第３７卷第２期２００７年４月

精细化工中间体

ＦＩＮＥＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥＳ

Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ２００７

１

前言磁性纳米粒子作为一种纳米尺度的新型材料，已在许多领域尤其是在一些交叉学科领域得到广泛的应用。比如，在磁记录材料方面，磁性纳米粒子可望取代传统的微米级磁粉，用于高密度磁记录材料的制备与信息储存［１］。在生物技术领域，将磁性纳米粒子结合到生物分子（如核酸、蛋白质、肽等）表面上时，

产生的生物共轭物种由于尺寸依赖性和维度与生物大分子类似，很适合作为活性磁共振成像［２］、药物释放与运输的大循环载体和组织工程的结构构架［３］；同时又能用在分子识别和标记、ＤＮＡ传感器和生物芯片中，因此磁性纳米粒子在核酸分析、临床诊断、靶向药物、细胞分离和酶的固定化等领域的应用已经成为交叉研究的热点［４］。同时，在生物传感领域的研究进展表明，利用磁性纳米粒子的特定性质，可以显著

提高生物传感器检测灵敏度与检测通量，大大缩短生化反应的时间，为生物传感器领域开辟了广阔的前景［５￣１０］。

近年来，以纳米粒子等相关纳米结构为基础的生物标记、检测与诊断技术进展迅猛，其典型特征就是利用巯基化的分子或生物分子在相关纳米结构上的功能化或组装，达到生物分子特异性识别与分析检测的目的［１１￣１４］。由此可见，如何使生物分子高效稳定地结合到磁性纳米粒子表面，一直是纳米生物领域研究面临的挑战之一。因此，采用合适的物理化学方法将磁性纳米粒子修饰衍生或表面功能化，是实现生物分子结合、固定负载乃至生物传感的前提与关键［１１］。笔者以改进的化学共沉淀法制备的粒径约为３０ｎｍ的高纯度、强磁性、球形分布的Ｆｅ３Ｏ４纳米粒子为例，采用３－巯丙基三乙氧基硅烷（ＭＰＴＥＳ）将Ｆｅ３Ｏ４纳米粒子表面修饰上巯基（－ＳＨ）官能团，获得了表面巯基化的磁性Ｆｅ３Ｏ４纳米粒子，并用多种手段深入研究了巯基化前后磁性纳米粒子结构和性能影响。

２实验部分

２．１仪器及试剂

仪器：紫外分光光度计（ＰｕｒｋｉｎｊｅＧｅｎｅｒａｌＴ－１９０１，北京普析通用公司）、透射电子显微镜（ＪＥＯＬＨ－６００，日本电子公司）、Ｘ射线粉末衍射仪（Ａｄｖａｎｃｅｄ－Ｄ８，德国Ｂｒｕｋｅｒ公司）、带有ＥＭＡＸ能谱仪（ＥＤＳ，ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｅＸ－ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）的扫描电子显微镜（ＨｉｔａｃｈｉＳ－３０００Ｎ，日本日立公司）、带有超导量子干涉装置（ＳＱＵＩＤ，ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱｕａｎｔｕｍＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅ）功能的磁性测量系统（ＭＰＭＳＸＬ－７，美国ＱｕａｎｔｕｍＤｅｓｉｇｎ公司）、Ｘ射线光电子能谱仪（ＸＰＳ，ＡｘｉｓＵｌｔｒａＤＬＤ，英国Ｋｒａｔｏｓ公司）。

试剂：ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＨＣｌ、乙醇（９５％）、ＮａＯＨ，以上试剂均为ＡＲ；３－巯丙基三乙氧基硅烷（ＭＰＴＥＳ）（Ｓｉｇｍａ公司）；实验用水为超纯水（１８．２ＭΩ）。２．２表征方法

用紫外可见光谱对Ｆｅ３Ｏ４纳米颗粒修饰前后光学吸收性能进行表征。使用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）对以上颗粒的形态进行分析，工作电压为２５ｋＶ，并用ＥＭＡＸ能谱仪（ＥＤＳ）对粒子的组成成分进行分析。采用透射电子显微镜对巯基化前后Ｆｅ３Ｏ４颗粒形貌与粒径进行观察。并用对制得的粒子的各元素组成用ＸＰＳ进行表征，Ｘ射线源为ＡｌＫａ射线，通能为１４８６．６ｅＶ。利用ＢｒｕｋｅｒＡｄｖａｎｃｅｄ－Ｄ８粉末衍射仪分析巯基化前后干燥的Ｆｅ３Ｏ４颗粒结构及晶相。对巯基化前后Ｆｅ３Ｏ４颗粒采用带有ＳＱＵＩＤ功能的磁性测量系统进行磁学性能表征。

１．３实验原理

采用化学共沉淀法制备磁性四氧化三铁，其原理是将二价铁盐和三价铁盐溶液按一定比例混合，将碱性溶液快速加入至上述铁盐混合溶液中，搅拌、反应一段时间即得纳米磁性

Ｆｅ３Ｏ４粒子，其反应式如下［１５］：

由反应式可知，该反应的理论摩尔比为ｎ（Ｆｅ２＋）∶ｎ（Ｆｅ３＋）∶ｎ（ＯＨ－）＝１∶２∶８，但由于二价铁离子易氧化成三价铁离子，所以实际反应中二价铁离子应适当过量。

纳米颗粒具有大的比表面积，导致了纳米粒子往往具有高的表面活性，并存在大量的悬挂键。由上述化学反应原理可知，对于分散在中性水溶液中的Ｆｅ３Ｏ４纳米颗粒，裸露在颗粒表面的Ｆｅ与Ｏ原子将更易于吸附水溶液中的ＯＨ－、Ｈ＋离子，从而形成了一个富－ＯＨ功能团的表面［１６］。此外，又由于硅烷偶联剂的硅氧键与－ＯＨ间很容易发生化学偶联。因此，可以通过ＭＰＴＥＳ分子在Ｆｅ３Ｏ４纳米颗粒表面形成一层巯基化功能团。巯基化磁性纳米粒子的制备原理如下。

１．４改进的共沉淀法制备Ｆｅ３Ｏ４纳米粒子

分别取２ｇＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏ和５．２ｇＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ以及１２．１ｍｏｌ／Ｌ的浓盐酸０．８５ｍＬ溶解于２００ｍＬＨ２Ｏ中，超声脱氧，然后将以上溶液滴加到２５０ｍＬ浓度为０．７５ｍｏｌ／Ｌ的ＮａＯＨ溶液中，反应温度８０℃，在Ｎ２保护下进行搅拌。随着反应的进行，反应液中出现黑色的沉淀。反应结束后，利用外加磁场将所得沉淀从反应介质中分离出来，并用去离子水清洗３次，再用乙醇清洗２次。最后将Ｆｅ３Ｏ４纳米颗粒配成浓度为５ｇ／Ｌ的乙醇溶液。固体样品采用７０℃真空干燥获得。１．５ＭＰＴＥＳ修饰Ｆｅ３Ｏ４纳米粒子

首先用乙醇和１ｍＬ水将２５ｍＬ浓度为５ｇ／Ｌ的Ｆｅ３Ｏ４乙醇溶液进一步稀释到１５０ｍＬ，为了更好地分散Ｆｅ３Ｏ４颗粒，需将该溶液进一步超声３０ｍｉｎ。然后滴加０．４ｍＬＭＰＴＥＳ到以上混合溶液中，室温Ｎ２保护下搅拌７ｈ。最后，在速度为１００００ｒ／ｍｉｎ的离心机上离心３０ｍｉｎ，将ＭＰＴＥＳ修饰的Ｆｅ３Ｏ４纳米颗粒从反

精细化工中间体

６４第３７卷