11.2 磁性Fe304纳米粒子

磁性Fe304纳米粒子1 磁性Fe304纳米粒子的表面修饰及功能化与磁性Fe304纳米粒子尺寸相关联的一个不可避免的问题是其在较长一段时间内固有的不稳定性，这主要表现在两个方面：(1)分散性的降低，小粒径的纳米粒子聚集并形成大的颗粒以降低表面能，从而降低了粒子的分散性能；(2)磁性能的损耗，裸的磁性Fe304纳米粒子由于其高化学活性容易在空气中氧化，进而损失部分磁性能。

因此，在Fe304纳米粒子的应用中(后)重要的是要制定一个保护策略来保护Fe304不受损坏。

尤其在生物医学应用方面，需要获得亲水性的纳米Fe304颗粒，因为大多数生物介质是接近中性的水溶液，因此更有必要对Fe304颗粒表面进行有效的修饰及功能化。

近年来，各种材料已被用来对Fe304颗粒表面进行修饰及功能化，主要分为有机材料和无机材料(图3.1)。

图3.1 Fe304颗粒表面修饰及功能化材料分类图1.1 有机材料修饰表面经一些有机材料修饰后的磁性纳米粒子主要用于磁记录，电磁屏蔽，磁共振成像，尤其是生物领域的药物靶向，磁性细胞分离，生物监测等。

外加高磁场下磁性纳米粒子的稳定性对其在生物体内应用以及其他领域的应用是非常重要的。

采用有机材料对磁性纳米粒子的表面修饰及功能化的方法有很多，包括原位涂层法和合成后涂层法。

此外，为防止团聚及确保纳米粒子具有好的生物相容性，使用不同的有机材料对磁性纳米粒子表面进行修饰，比如葡萄糖，淀粉，聚乙二醇(PEG)，聚(D，L-丙交酯)(PLA)，聚乙烯亚胺(PEI)，特别是一些亲水性的有机材料。

1.1.1 小分子及表面活性剂经适当的表面改性后，磁性纳米粒子的表面带有一些特殊官能团(例如-OH，-COOH，-NH2，-SH)，有利于通过连接不同的生物活性分子做进一步修饰从而适应各种应用。

作为小分子，硅烷常被用来修饰磁性纳米粒子及对裸露的磁核表面有效官能团化，常见的硅烷修饰剂有3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)，p-氨基苯基三甲氧基硅烷(APTS)及巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTES)。

Shen等人报道了采用一步水热法将APTS加入到含有Fe2+的溶液中，134℃下反应3h制备了可用于生物医学领域的APTS修饰的磁性氧化铁纳米粒子(Fe304@APTS)。

细胞毒性和溶血分析结果表明氧化铁纳米粒子表面上的氨基基团乙酰化后显著改善了粒子的细胞相容性和血液相容性。

此外，Wu等人研究发现，APTES在对Fe304纳米粒子进行表面修饰的过程中能够有效维持纳米粒子的形貌，而MPTES修饰时会导致磁化强度值的减少。

此外，对于亲油性磁性纳米粒子一般都具有很好的单分散性，而常见的赋予磁性纳米粒子亲油性的表面修饰剂主要有油酸及油胺。

通常情况下，油酸及油胺用在高温热分解反应过程中，例如，Salas等人研究发现，高温分解油酸铁化合物能够得到超顺磁性纳米晶体，且粒子的尺寸约为10nm，能稳定地分散在非极性溶剂中。

为直接获得亲水性磁性纳米粒子，一种方法就是在反应过程中加入小分子(如氨基酸，柠檬酸，维生素，环糊精等)。

比如，Gao等人使用改进的一步溶剂热法制备了平均粒径为195nm的亲水性超顺磁性纳米团簇凝胶。

反应中含有磺酸酯和羧酸酯基的阴离子聚电解质聚(4-苯乙烯磺酸-共-马来酸)钠盐(PSSMA)作为稳定剂，经PSSMA修饰的磁性纳米团簇能够很好的分散在水溶液、磷酸盐缓冲溶液(PBS)及乙醇中。

1.1.2 聚合物与小分子及表面活性剂相比，聚合物不仅能够提供多官能团以及更好的胶体稳定性，还能对有关磁性纳米粒子在生物学(即药代动力学和生物分布)方面的应用起到了显著的作用。

此外，大量的天然及合成的生物可降解的聚合物，如聚天冬氨酸盐，多糖，明胶，淀粉，藻酸盐，聚丙烯酸(PAA)，聚乙二醇(PEG)，聚(D，L-丙交酯)(PLA)，壳聚糖以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，是目前使用较多的用于磁性纳米粒子表面功能化的聚合物。

Dresco等人报道了采用单个反相微乳液法制备了聚合物包覆的磁性纳米粒子。

首先，在含有水/双(2-乙基己基)钠/甲苯的反相微乳液中合成Fe304纳米粒子，然后将水，单体(甲基丙烯酸和羟乙基甲基丙烯酸酯)，交联剂(N，N’-亚甲基二(丙烯酰胺))及引发剂(2，2’-偶氮二(异丁腈))加入到反应体系中，55℃下通氮气反应。

聚合反应结束后，经过量丙酮／甲醇混合物(9:1)析出收集。

所制得的产物具有超顺磁性性能，粒径约为80nm且粒径分布窄，但产物的长期稳定性不佳。

Guo等人将合成的嵌段共聚物聚[(乙二醇)-共-(L-丙交酯)]接枝到Fe304@mSi02表面，制备出具有热/pH敏感性能的磁性纳米复合材料，并用作抗癌药物控制释放的载体。

然而，需要注意的是，在某些情况下聚合物或共聚物层的存在可能影响磁性氧化铁纳米粒子的磁性能。

因此，为确保磁性胶体的稳定性应谨慎选择聚合物材料。

1.1.3 生物分子目前，由于生物分子具有很高的生物相容性，故而在生物分离，检测，传感以及其他生物应用中广泛使用，采用生物分子对磁性纳米粒子功能化成为最常见的、最有效的策略。

常用的生物分子包括酶、抗体、蛋白质、生物素、牛/人血清白蛋白、抗生物素蛋白和多肽等。

例如，Magro等人报道了表面经抗生物素蛋白修饰的亲水性磁性纳米粒子的表面表征，功能化及应用。

作为增加的纳米颗粒浓度函数，在280nm处通过测定游离的抗生物素蛋白来获得所连接的抗生物素蛋白，结果表明每个纳米颗粒上有10±3个抗生物素蛋白。

经抗生物素蛋白修饰的磁性纳米粒子应用于重组生物素化人体萨尔科/内质网酶Ca2+-ATPase(hSERCA-2a)的纯化，用酿酒酵母表达。

经纯化，从4L的酵母培养物中回收了约500μg纯度为70％的hSERCA-2a，纯化产率为64%。

Bhattacharya等人演示了一种使用抗体标记的多功能Au-Fe304纳米复合材料在超低浓度下检测金黄色葡萄球菌模型分析物的方法，该方法具有快速、灵敏、特异、有效等特点。

30 min内，荧光/共焦以及光学显微镜能够在浓度为102-107CFU/mL的范围内检测金黄色葡萄球菌的总数，检测限为102CFU/mL。

这些抗体靶向的纳米粒子是一种可广泛用作各种生物检测系统中特定细菌(金黄色葡萄球菌)的检测探针。

采用生物分子对磁性纳米粒子表面进行功能化将大大提高粒子的生物相容性，且这种功能化的磁性纳米粒子对协助蛋白质，DNA，细胞以及生化制品等的分离是非常有效的。

1.2 无机材料修饰无机材料具有许多不同的特性，如高电子密度及强大的光吸收(如贵金属粒子，特别是Au和Ag)，光致发光(半导体量子点，如硒化镉或碲化镉)，磷光(掺杂氧化物材料，例如Y203)或磁矩(如锰或钻氧化物纳米粒子)。

这些无机材料不仅为纳米颗粒在溶液中提供稳定性，而且被广泛用于改善磁性纳米粒子的半导体效率，信息存储，光电子，催化，量子点，光生物成像以及生物标记等。

特别地，一些无机材料还能有助于连接各种生物配体到磁性纳米粒子的表面，例如，二氧化硅，金及金属氧化物等等。

1.2.1 二氧化硅在基础研究及生物应用中，二氧化硅包覆的磁性纳米粒子是一个经典且重要的复合材料。

二氧化硅包覆层能够增强磁性纳米粒子在水溶液中的分散性能，这是因为二氧化硅层可以屏蔽磁场与磁性纳米粒子之问的磁偶极吸引力。

此外，二氧化硅包覆能够增强磁性粒子在酸性环境中的稳定性。

再者，由于二氧化硅包覆层上具有丰富的硅醇基，从而二氧化硅包覆的磁性纳米粒子的表面能够很容易地与其他各种官能团连接。

通常所使用的二氧化硅包覆Fe304纳米粒子的方法有Stober法，微乳液法及气溶胶热解法。

Stober法中，包覆层的厚度可以通过改变氨的浓度及四乙氧基硅烷(TEOS)与水的比例来调整。

Tago及其合作者研究表明通过TEOS的水解可以在商业磁流体的表面直接涂覆一层二氧化硅壳层。

首先，水基铁磁流体(EMG 340)经去离子水和二丙醇稀释，然后在搅拌下将氨溶液和不同量的TEOS逐滴加入到反应混合物中，持续搅拌，在室温下反应3h。

包覆层的厚度通过改变TEOS的量来调节，由于氧化铁的表面对二氧化硅具有很强的亲和力，因此整个反应过程中不需要使用助剂来促进二氧化硅的沉积及粘附；此外，由于二氧化硅壳层带有负电荷，因此包覆后的纳米粒子分散于水中时不需要添加其他的表面活性剂。

第二种方法是基于微乳液的合成，其中胶束或反向胶束被用来限制和控制磁性纳米粒子表面的二氧化硅层。

Ding等人报道了采用反向微乳液法制备Fe304@Si02，为避免形成独立的二氧化硅核，通过等效分馏滴加来增加TEOS的量以生成二氧化硅壳层，该方法的优点可以控制包覆层的厚度从而生成均一的包覆层。

Tian等人采用油包水微乳液法将亲油性的Fe304纳米粒子经TEOS修饰后转为亲水性纳米粒子(Fe304@Si02)。

第三种方法是气溶胶热解法，主要是将硅醇盐和铁盐化合物的混合物作为前驱体在火焰环境下产生气溶胶，再经热解制得二氧化硅包覆的磁性氧化铁纳米粒子。

从上面所提到的例子中可以看出用二氧化硅包覆磁性氧化铁纳米颗粒是一个相当可控的工艺。

但是，二氧化硅在碱性条件下是不稳定的，因此改进方法，尤其是那些能允许二氧化硅在碱性条件下稳定的方法是必要的。

1.2.2 碳目前为止，尽管许多研究都是关于使用二氧化硅作为保护层修饰磁性氧化铁纳米粒子，但是最近经碳保护的磁性纳米粒子备受研究者的关注，这是因为碳基材料相比于二氧化硅具有更高的化学及热稳定性，并且生物相容性也更为优异。

许多方法都被研究用来制备碳包覆的磁性纳米粒子，常见的方法是三步法过程：首先将经不同方法制备的磁性纳米粒子作为种子，然后将聚合物经聚合过程包覆到磁性纳米粒子表面，最后经退火处理过程生成碳包覆的磁性纳米复合物。

例如：Li等人报道了首次基于Fe203@PAA合成了形状可控，磁性大范围可调的单分散核．壳球体，链形和环形的Fe304@C颗粒。

另外，Fe304/石墨烯复合材料因被广泛应用于锂离子电池，离子去除，传感器，催化剂等领域而备受关注。

Liu等人报道了将Fe(acac)3及氧化石墨加入到乙二胺的水溶液中经溶剂热法制备出还原石墨烯-Fe304复合材料。

Zhang等人首先在60℃下加热PEI及氧化石墨烯的混合物12h将氧化石墨烯还原并功能化，然后通过内消旋-2,3-二巯基琥珀酸(DMSA)修饰的Fe304表面的-COOH同石墨烯片层表面PEI上的-NH2反应将Fe304纳米粒子负载到石墨烯上。

Chen等人报道了氨基葡聚糖修饰的Fe304-石墨烯复合材料(Fe304-GO)对细胞的MRI显影具有显著的功效。

体内研究结果表明，内在化的Fe304-GO对细胞的活率及增殖没有影响，相比于裸露的纳米粒子，Fe304-GO复合材料具有明显的增强MRI显影T2权重的功效，这是因为负载在石墨烯片层上的Fe304纳米粒子增强了T2弛豫。