手把手教您如何合成磁性纳米粒子（1）

导读

嗨！各位小伙伴们，小Z在新的一周里又和大家相聚了。炎炎夏日，各位小伙伴记得防晒喔！在上期的推文中，小Z为大家介绍了一种新颖的磁共振检测方法，能克服原有检测技术中的“带现象”。在这一期推文中，小Z将为大家介绍磁共振检测技术中重要组成部分纳米粒子的构造及其制备方法。

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聊完小球，我们来聊聊大球！

纳米粒子的构造

磁性纳米粒子通过表面共聚和表面改性的方法，能与有机物或高分子聚合物或无机材料相结合形成磁性复合微球 。它既具有磁性 ,又具有表面活性基团，能进一步和细胞 、酶 、蛋白质 、抗体及核酸等多种生物分子偶联 。

纳米粒子结构

核-壳

磁性材料为核，外面包裹有机物、无机材料或高分子聚合物。

夹层

也称壳-核-壳结构，即中间为磁性材料，内层和外层均为有机物、无机材料或高分子聚合物。

壳-核

有机物、无机材料或高分子聚合物为核，外面包裹磁性材料。

核-壳结构模型

以最为常见的核-壳结构为例介绍纳米粒子的各部分组成。

核心

由磁性物质组成，如γ-Fe2O3、Fe3O4，使纳米粒子具备顺磁性或超顺磁性。

外层

由有机物、无机材料或高分子聚合物包裹，降低纳米粒子表面能，提高纳米粒子的分散性，同时适当的表面包覆或分子修饰还可以调节纳米粒子的生物相容性和反应特性。

功能基团

表面覆盖有大量的基团，如-COOH、-NH2、-SH、-OCH3等，能进一步和细胞、酶、蛋白质、抗体及核酸等多种生物分子偶联。

磁性纳米粒子的合成

目前，国内外制备磁性纳米粒子的方法有很多种，不同方法制备出来的纳米粒子的性能和适用范围大不相同。根据文献报道，制备纳米粒子的方法主要有：沉淀法、热分解法、水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法等。下面以Fe3O4纳米粒子的制备为例进行介绍。

沉淀法

原理

方法：将铁盐和亚铁盐（或者一定比例的其它过渡金属盐）按一定比例配成溶液，选用适当的碱性沉淀剂（如NaOH、NH3·H2O）进行共沉淀，在一定的工艺条件（ pH、温度等）下制备出磁性纳米粒子。根据溶液中含有铁离子的种类，沉淀法可以分为共沉淀法、氧化沉淀法以及还原沉淀法。

优点

反应时间短、设备工艺简单、原料成本低、成核易控制、适合工业生产，而且制备得到粒子粒径一般较小，表面便于进行功能化修饰。

缺点

制备过程受到多种条件限制，制备得到的纳米粒子容易出现团聚、不纯、氧化、磁性降低等现象。

水热法

方法：利用水热反应合成物质，再经分离和热处理制备纳米粒子的一种方法。主要包括：1) 微波水热法; 2) 超临界水热合成; 3) 反应电极埋弧法。

优点

制备所得纳米粒子纯度高、分散性好、晶形好、大小可控、晶粒发育完整。

缺点

操作复杂，对设备要求高，成本也比较高。

热分解法

方法：在高沸点的有机溶剂中加热分解铁的有机配合物（如Fe(CO)5，Fe(acac)3），油酸铁等）来制备磁性纳米粒子。

优点

纳米粒子分散性好、粒径分布窄、尺寸和形貌都可控制。

缺点

制备所得的纳米粒子通常只溶于有机溶剂，环境友好性较差，同时有机金属前驱体价格较高，造成生产成本高，不适合大批量的工业生产。

溶胶-凝胶法

方法：以凝胶为基质，通过对其重结晶，生长出高度分散的纳米颗粒，即通常是将1:2 摩尔比的Fe2+、Fe3+溶液混合，再加入适量有机酸来调节溶液的 pH值缓慢蒸发从而形成凝胶制得溶胶，干燥，再在真空条件、200-400℃ 下焙烧，制得粒度分布均匀的磁性 纳米粒子。

优点

反应温度低，纳米粒子粒径小且分布窄，产物纯度高。

缺点

凝胶化过程慢、合成周期长，生产成本比较高且干燥时容易开裂。

微乳液法

方法：利用水、油和表面活性剂三元体系形成的微乳液或反相胶束作为反应场所制备纳米粒子。

优点

纳米粒子分散性好、粒径小。

缺点

制备过程复杂，所需成本高。

其他方法

除上述方法外，纳米粒子的制备方法还有水解法、有机物模板法、多元醇法以及微波辅助超声化学法等。

总结1

纳米粒子的结构包括核-壳结构、壳-核-壳结构、壳-核结构，其中核-壳结构最为常见。

2

共沉淀法合成过程最为简单；热分解法和微乳液法则比较容易控制粒子的粒径以及形貌；水热法和溶胶-凝胶法制备的纳米粒子纯度较高，且分散性较好。