2019, Vol. 47
文章信息
- 桑冀蒙, 李学平, 赵瑾, 侯信, 原续波
- SANG Ji-meng, LI Xue-ping, ZHAO Jin, HOU Xin, YUAN Xu-bo
- P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的制备与表征
- Preparation and characterization of superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles modified by P(AA-co-MPC)
- 材料工程, 2019, 47(8): 82-89
- Journal of Materials Engineering, 2019, 47(8): 82-89.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000090
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文章历史
- 收稿日期: 2019-01-25
- 修订日期: 2019-05-15
超顺磁性Fe3O4纳米粒子具有特殊磁学性能、生物学性能和表面易修饰等特点，被广泛应用于催化[1]、生物医药[2]、数据储存[3]、环保[4]等众多领域，超顺磁性Fe3O4纳米粒子的表面成分、表面电位和纳米粒子的粒径及粒径分布影响着磁性粒子的物理、化学和生物学性能[5-6]。利用Fe3O4纳米粒子的超顺磁性和可表面修饰性，通过表面修饰改变粒子表面性能和提高粒子分散性，设计制备特定功能的超顺磁性Fe3O4纳米粒子是该领域研究的重点之一[7-8]。
化学共沉淀法虽然是制备磁性Fe3O4纳米粒子的常用方法，但存在制备粒子纯度低和分散性差等不足。即使对制备好的磁性Fe3O4纳米粒子用含有羧基[9-10]、羟基[11-12]和硅氧烷基[13-14]等修饰剂进行改性，也较难显著改善粒子间的团聚，修饰效率较低[15]。如果在化学共沉淀法制备磁性Fe3O4纳米粒子体系中引入修饰剂，采用原位修饰方法，可以明显改善共沉淀法制备粒子的纯度和分散性差的问题，因此该方法越来越引起学者重视。此种修饰方法的修饰剂有表面活性剂[5, 16]、有机酸[2, 17]、天然高分子[18-19]和生物医用高分子[10, 20]等。
2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)是细胞膜磷脂双分子层外层的主要组成部分，具有优良抗蛋白吸附能力，广泛应用于生物材料的表面修饰[21-22]。Sun等[23]将PMPC均聚物接枝到磁性Fe3O4纳米粒子表面，提高了纳米粒子的分散性，但使用的ATRP聚合反应步骤多，耗时长。Zheng等[24]采用RAFT聚合合成了P(MAA-co-MPC)修饰Fe3O4纳米粒子，共聚物中的MAA链段保证了磁性纳米粒子的胶体稳定性，MPC链段提供了生物相容性，但该工作并未探究磁性Fe3O4纳米粒子的水合粒径，而水合粒径是衡量磁性纳米粒子分散性的主要指标之一[25]。
本工作采用RAFT聚合制备AA与MPC的共聚物(P(AA-co-MPC))，以P(AA-co-MPC)为修饰剂表面改性超顺磁性Fe3O4纳米粒子，在保证Fe3O4纳米粒子磁性能的基础上，提高纳米粒子的分散性和胶体稳定性，并为拓展超顺磁性Fe3O4纳米粒子在生物工程领域中应用提供基础。
1 实验材料与方法 1.1 实验原料丙烯酸(AA)，99.5%(质量分数，下同)，购自天津市大茂化学试剂厂；2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)，96%，四水合氯化亚铁，99.5%和六水合氯化铁，99.5%，均购自天津市希恩思生物科技有限公司；4, 4′-偶氮双(4-氰基戊酸)(ACVA)，98%，购自北京伊诺凯科技有限公司；4-氰基-4-[[(十二烷硫基)硫酮甲基]硫基]戊酸(CDP)，97%，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氨水，25%~28%，购自天津市凯玛特化学试剂有限公司；无水乙醇，购自天津市江天化工有限公司；PBS缓冲液，0.1mol·L-1，pH=7.4为实验室自配。所有试剂均为化学纯，实验用水为二次蒸馏水。
1.2 P(AA-co-MPC)的合成在100mL三口烧瓶中，称取AA，MPC，ACVA，CDP溶解于30mL混合溶剂(无水乙醇:PBS缓冲液=1:1)中，MPC:CDP:ACVA摩尔比为200:4:1，在氩气保护下搅拌30min使其完全溶解后，加入70℃水浴锅中，在氮气保护下反应24h。反应结束后，将反应产物在冰浴中静置30min，使聚合反应完全终止。将产物转移至残留分子量为3500的透析袋中，采用二次蒸馏水透析72h。待未反应的单体完全透析除去后，将共聚物冷冻后采用冷冻干燥机干燥，得到白色粉末待用。通过改变AA和MPC的摩尔比例，合成单体比例为3:1，1:1，1:3，1:5的P(AA-co-MPC)。
1.3 P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的合成在本反应中，溶液中Fe元素与共聚物摩尔比为200:1，Fe3+与Fe2+摩尔比为2:1。在250mL三口烧瓶中，称取FeCl3·6H2O溶解于50mL二次蒸馏水中，在氮气保护下搅拌30min后，加入FeCl2·4H2O和共聚物，将三口烧瓶置于水浴锅中加热至80℃。待反应温度达到80℃后，加入30mL氨水，反应体系迅速从红褐色溶液变为黑色溶液，继续保持80℃的反应温度。1h后，将反应产物置于无水乙醇中，用高速离心机以12000r/min的离心速率离心30min，将上清液弃掉，循环3次，将最终产物重新分散于二次蒸馏水中待用。保持共聚物与Fe元素的摩尔比不变，分别采用单体摩尔比为3:1，1:1，1:3，1:5的共聚物，通过上述反应修饰磁性纳米粒子，制备不同单体摩尔比共聚物修饰的磁性纳米粒子。
1.4 试样的表征共聚物的核磁共振氢谱采用AVANCE ⅢTM HD 400MHz NanoBAY型核磁共振仪测试。共聚物和纳米粒子的傅里叶红外光谱采用VERTEX70型红外吸收光谱仪测试，波数范围为400~4000cm-1。热重分析采用STA449F3型高温综合热分析仪测试，温度范围为30~900℃，升温速率为10℃/min，高纯氮作为保护气体。X射线衍射分析采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪，Cu靶，Kα射线，测量角度2θ为10°~80°，工作电压40kV，工作电流100mA，扫描速率0.02(°)/s。采用最强衍射峰(311)晶面处的衍射峰[26]，通过谢乐(Scherrer)公式：Dhkl=kλ/βcosθhkl(其中Dhkl为粒子的粒径，k为常数，λ为X射线波长，β为衍射峰的半高宽，θhkl为衍射角)计算磁性Fe3O4纳米粒子的粒径。采用JEM-2100f型透射电子显微镜观察修饰前后磁性Fe3O4纳米粒子的形貌，工作电压为200kV。磁性纳米粒子的水合粒径及Zeta电位采用NanoBrook 90plus PALS型Zeta电位及粒度分析仪测试。磁滞回线采用Squid-VSM型磁性测量系统测试，测试温度为室温，磁场强度为-3200~3200kA·m-1。
2 结果与分析 2.1 P(AA-co-MPC)的表征 2.1.1 核磁共振氢谱分析以D2O为溶剂测得单体摩尔比(AA:MPC)为1:1共聚物的核磁共振氢谱图如图 1所示。通过分析图 1可以看出，在δ=3.2(c)，δ=3.6(d)，δ=4.1(e)，δ=4.2(g)，δ=4.3(f)分别出现了MPC单体—N+(CH3)3基团，—CH2N+基团，—PO4-CH2CH2N+基团，—CH2CH2PO4-基团和—COOCH2CH2基团中质子的吸收峰；在δ=1.6~2.3处的吸收峰为MPC单体和AA单体主链上亚甲基质子的混合吸收峰；在δ=0.7~1.3处的吸收峰为RAFT链转移剂端基甲基、末端侧基甲基和MPC单体中侧基甲基的混合吸收峰，表明AA单体与MPC单体成功共聚。
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图 1 P(AA-co-MPC)的核磁共振氢谱图 Fig. 1 1H NMR pattern of P(AA-co-MPC) |
图 2为不同单体摩尔比(AA:MPC)P(AA-co-MPC)的傅里叶红外光谱图。由图 2分析可知，4种共聚物在3118，1724，1236，1180，1091，968cm-1和810cm-1处均存在振动吸收峰，其中3118cm-1处吸收峰为AA单体中羧基—OH基团的伸缩振动吸收峰；1724cm-1和1180cm-1处分别为AA单体中CO键、C—O键(酯基)和MPC单体中CO键、C—O键(羧基)的共同伸缩振动吸收峰；1236，1091，968cm-1和810cm-1处分别为MPC单体中OP—O-键的不对称伸缩振动、对称伸缩振动、N+(CH3)3键的伸缩振动和C—O—P键的伸缩振动吸收峰，且各谱图中并不存在CC双键的特征吸收峰。与此同时，MPC单体各基团的特征吸收峰变化与共聚物中MPC单体含量变化一致，证明成功合成了不同单体摩尔比的P(AA-co-MPC)。
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图 2 不同单体摩尔比P(AA-co-MPC)的傅里叶红外光谱谱图s Fig. 2 FTIR patterns of P(AA-co-MPC) with different molar ratios |
表 1为不同单体摩尔比P(AA-co-MPC)分子量及分子量分布。由表 1可知，随着共聚物中MPC单体的增加，共聚物的数均分子量增大，各共聚物的分子量分布较窄，体现了RAFT聚合在合成具有窄分子量分布聚合物上的优势[27]。
| Molar ratio of AA:MPC | Mn | Mw | Mz | Mw/Mn |
| 3:1 | 3215 | 4308 | 5803 | 1.34 |
| 1:1 | 3739 | 5223 | 6250 | 1.40 |
| 1:3 | 3804 | 4600 | 5671 | 1.21 |
| 1:5 | 3879 | 4765 | 6030 | 1.23 |
图 3为不同单体摩尔比(AA:MPC)P(AA-co-MPC)热重曲线。由图 3可知，在110℃之前，共聚物的热失重主要为吸收的水分的蒸发，4种共聚物的失重率依次增大。由于共聚物为双亲性共聚物，而MPC单体的亲水性较AA单体更强，因此随着共聚物中MPC单体比例的增加，共聚物在该温度范围内的失重率越大；在110~250℃之间共聚物质量基本不发生变化，稳定性较好；在250~450℃之间的质量损失是由于共聚物的分解造成的，4种共聚物的失重差别不大。在450℃之后，共聚物的质量趋于稳定，分解产物在该温度范围内的质量不再发生明显变化。
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图 3 不同单体摩尔比P(AA-co-MPC)的热重曲线图 Fig. 3 TG curves of P(AA-co-MPC) with different molar ratios |
图 4为未修饰和不同单体摩尔比(AA:MPC)P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的傅里叶红外光谱图。由图 4分析可知，5种磁性纳米粒子在590cm-1和3430cm-1处的振动吸收峰分别为磁性纳米粒子Fe—O键和表面—OH基团的伸缩振动特征峰，且在710cm-1左右不存在Fe2O3中Fe—O键的特征吸收峰，证明了磁性纳米粒子中不含有Fe2O3。5种磁性纳米粒子在3118，1724，1236，1091，968cm-1和810cm-1处均存在振动吸收峰，证明了磁性纳米粒子表面共聚物的成功修饰。但随着共聚物中MPC单体含量的增加，AA单体含量减少，用于螯合铁离子形成磁性纳米粒子的羧基含量减少，磁性纳米粒子表面修饰的共聚物量减少，导致红外光谱图中AA单体和MPC单体的各个特征吸收峰较弱[28]。
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图 4 未修饰和不同单体摩尔比P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的傅里叶红外光谱图 Fig. 4 FTIR patterns of superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles unmodified and modified by P(AA-co-MPC) of different molar ratios |
图 5为未修饰和不同单体摩尔比(AA:MPC)P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的热重曲线。由图 5可知，1:1共聚物修饰的磁性纳米粒子失重率最大，表面修饰上28%的共聚物。4种共聚物修饰的磁性纳米粒子失重率均比未修饰的大，说明4种共聚物成功修饰在磁性纳米粒子表面。随着共聚物中MPC单体含量的增加，AA单体的含量减少，共聚物中能够螯合铁离子的羧基含量减少，从而导致磁性纳米粒子表面修饰的共聚物量减少，热失重率降低；而当AA单体含量过高时，由于AA单体分子量低，导致共聚物分子量低，反应时添加的共聚物质量少，磁性纳米粒子表面修饰共聚物的量和热失重率小。
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图 5 未修饰和不同单体摩尔比P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的热重曲线 Fig. 5 TG curves of superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles unmodified and modified by P(AA-co-MPC) of different molar ratios |
图 6为未修饰和不同单体摩尔比(AA:MPC)P(AA-co-MPC)修饰的超顺磁性Fe3O4纳米粒子的X射线衍射谱图。由图 6可知，样品在30.14°，35.64°，43.20°，53.50°，57.1°和63.84°处出现衍射峰，与(220)，(311)，(400)，(422)，(511)和(440)晶面相对应，且测试结果与PDF标准卡片(JCPDS 19-0629)的一致，具有Fe3O4的尖晶石结构。通过谢乐(Scherrer)公式得到未修饰和不同比例共聚物修饰磁性纳米粒子(3:1，1:1，1:3，1:5)粒径分别为11.6，9.4，9.7，10.3nm和11.0nm。磁性纳米粒子表面的共聚物可能阻碍了Fe3O4纳米粒子晶核的团聚和生长，修饰后的磁性纳米粒子粒径小于未修饰的磁性纳米粒子[29]；而随着共聚物中MPC单体的比例增加，AA单体的比例减小，能够螯合铁离子的羧基的含量减少，磁性纳米粒子表面修饰的聚合物含量减少，磁性纳米粒子的粒径变大[24]。
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图 6 未修饰和不同单体摩尔比P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的XRD谱图 Fig. 6 XRD patterns of superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles unmodified and modified by P(AA-co-MPC) of different molar ratios |
图 7为未修饰和单体摩尔比(AA:MPC)为1:1的P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的TEM照片和电子衍射环图像。由图 7(a-1)，(b-1)的TEM照片可知，未修饰的超顺磁性Fe3O4纳米粒子粒径在10nm左右，但分散性较差，纳米粒子间易发生团聚；而单体摩尔比为1:1共聚物修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子粒径虽然也在10nm左右，但由于表面修饰共聚物的存在，纳米粒子的分散性好，不易发生团聚。图 7(a-2)，(b-2)的电子衍射环图像中各电子衍射环与PDF标准卡片(JCPDS 19-0629)中Fe3O4晶体的各晶面相对应，表明修饰前后的超顺磁性纳米粒子均为Fe3O4纳米粒子。
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图 7 超顺磁性Fe3O4纳米粒子TEM照片(1)和电子衍射环图像(2)(a)未修饰；(b)1:1共聚物修饰 Fig. 7 TEM(1) and electron diffraction images(2) of superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles (a) unmodified; (b)modified by copolymer with molar ratio of 1:1 |
图 8为未修饰和不同单体摩尔比(AA:MPC)P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的水合粒径图和Zeta电位图，分散相为PBS缓冲液，pH=7.4。由图 8可知，未修饰磁性纳米粒子的水合粒径最大，Zeta电位最小；单体摩尔比为1:1共聚物修饰的磁性纳米粒子的水合粒径最小，Zeta电位最大，纳米粒子的分散性和胶体稳定性最好；随着共聚物中MPC单体含量的增加，粒径逐渐增大。纳米粒子的胶体稳定性取决于位阻效应和静电效应[30]，单体摩尔比为1:1共聚物修饰的磁性纳米粒子具有最大的修饰剂含量，通过位阻效应提高胶体稳定性，并且由AA单体在pH为7.4的PBS缓冲液中产生较高的Zeta电位，通过静电效应提高胶体稳定性，此外MPC单体还可提高纳米粒子的亲水性，因此，该摩尔比下的纳米粒子胶体稳定性最为突出。
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图 8 未修饰和不同单体摩尔比P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的水合粒径图和Zeta电位图 (a)未修饰；(b)3:1；(c)1:1；(d)1:3；(e)1:5；(f)Zeta电位 Fig. 8 Hydrodynamic particle size and Zeta potential graphs of superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles unmodified and modified by P(AA-co-MPC) of different molar ratios (a)unmodified; (b)3:1;(c)1:1;(d)1:3;(e)1:5;(f)Zeta potential |
图 9为未修饰和不同单体摩尔比(AA:MPC)P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的磁滞回线。由图 9可知，5种纳米粒子磁滞回线为S形，矫顽力和剩磁均为0，饱和磁化强度均超过60A·m2·kg-1，具有超顺磁性。共聚物修饰使Fe3O4纳米粒子的饱和磁化强度降低，且随着共聚物中MPC单体含量的增加，纳米粒子的饱和磁化强度增大，单体摩尔比为1:1时制备的磁性Fe3O4纳米粒子的饱和磁化强度为65.57A·m2·kg-1。此修饰方法制备的超顺磁性Fe3O4纳米粒子基本保持了未修饰粒子的饱和磁化强度。
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图 9 未修饰和不同单体摩尔比P(AA-co-MPC)修饰超顺磁性Fe3O4纳米粒子的磁滞回线 Fig. 9 Magnetic hysteresis loops of superparamagnetic Fe3O4 nanoparticle unmodified and modified by P(AA-co-MPC) of different molar ratios |
(1) 合成了不同单体比例的P(AA-co-MPC)，共聚物的分子量分布较窄。
(2) P(AA-co-MPC)成功修饰Fe3O4磁性纳米粒子, TEM照片显示表面修饰提高了磁性纳米粒子的分散性，水合粒径和Zeta电位结果同样表明共聚物修饰增强了磁性纳米粒子的分散性和胶体稳定性。
(3) 未修饰和P(AA-co-MPC)修饰磁性纳米粒子均为Fe3O4晶体，通过谢乐(Scherrer)公式得到未修饰和不同单体摩尔比(3:1，1:1，1:3，1:5)共聚物修饰磁性纳米粒子粒径分别为11.6，9.4，9.7，10.3nm和11.0nm。
(4) AA和MPC摩尔比为1:1的共聚物修饰的超顺磁性Fe3O4纳米粒子具有最小的水合粒径(36.54±4.00)nm及粒径分布，最高的Zeta电位(-30.98±1.25)mV，饱和磁化强度为65.57A·m2·kg-1。
(5) 5种磁性纳米粒子均具有超顺磁性，矫顽力和剩磁为0，随着共聚物中MPC单体比例的增大，纳米粒子的饱和磁化强度增大。
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