四氧化三鐵納米粒子的制備與表征

邴 馨，李曉芳，王臣虎，郭文玥，張乃強，董 建

(山東第一醫(yī)科大學(山東省醫(yī)學科學院)，山東 泰安 271016)

磁性納米材料因其較高的表面活性和獨特的磁響應性，受到人們的廣泛關注。在眾多的磁性納米材料中，F(xiàn)e3O4納米粒子由于其低毒性、固有的生物相容性、高飽和磁化強度和臨界尺寸下的室溫超順磁性等優(yōu)點，在催化劑[1]、磁流體[2]、靶向藥物輸送[3]、疾病的診斷和治療[4-6]等諸多方面具有突出的應用價值。

本文采用高溫分解法，以乙酰丙酮鐵為前驅體，二苯醚為溶劑，制備了的Fe3O4納米粒子，并對其形貌和磁性能進行了表征。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與試劑

乙酰丙酮鐵(98%)、油胺(80-90%)、二苯醚和油酸(分析純)，阿拉丁試劑(上海)有限公司；環(huán)己烷和乙醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器設備

數(shù)控超聲波洗滌器，SB25-12D，寧波新藝超聲設備有限公司；高速冷凍離心機，Multifuge X1R，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；壓蓋型80系列冷凍干燥機，DP-D802，無錫德譜儀器制造有限公司；場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)，TecnaiG2 F20, 美國FEI公司；振動樣品磁強計，VSM-100，長春英普有限公司；熱重分析儀(TGA)，Q500，美國TA公司。

1.3 Fe3O4納米粒子的制備

首先以乙酰丙酮鐵為鐵源，二苯醚為溶劑，混合得到0.2 mol L-1的前驅體溶液。在四口燒瓶中加入油胺，并在氮氣保護下升溫至120 ℃，保溫1 h，再升溫至300 ℃，然后將前驅體溶液注入四口燒瓶中，回流1 h，冷卻至室溫。采用乙醇洗滌黑色沉淀物，在沉淀物中分別加入 20 mL環(huán)己烷，50 μL油胺和50 μL油酸，進行超聲處理，離心(5000 mol/L)分離，干燥后進一步表征。

1.4 分析測試

采用TEM對Fe3O4納米粒子的微觀形貌進行表征；采用振動樣品磁強計測定Fe3O4納米粒子的磁滯回線；采用TGA測定Fe3O4納米粒子的熱重曲線，升溫速率為10 ℃/min。

3 結果與討論

3.1 Fe3O4納米粒子的微觀形貌

本文制得的Fe3O4納米粒子在環(huán)己烷中具有良好的分散性。采用TEM觀察了該Fe3O4納米粒子的微觀形貌，結果如圖1和圖2所示。由圖1可見，F(xiàn)e3O4納米粒子的形貌呈球形和立方體形，以粒徑～15 nm的立方體狀納米粒子為主，尺寸分布較窄，但容易聚集。進一步采用HRTEM模式對立方體狀的Fe3O4納米粒子進行觀察。由圖2可見，立方體狀的Fe3O4納米粒子具有規(guī)則排布的晶格條紋，證明了其單晶特性。

圖1 Fe3O4納米粒子的TEM照片

圖2 Fe3O4納米粒子的HRTEM照片

3.2 Fe3O4納米粒子的磁性能分析

物質的磁性一般用磁滯回線來表征，其中飽和磁化強度、矯頑力和剩余磁化強度是判斷磁性的主要指標。采用振動樣品磁強計測得Fe3O4納米粒子的磁滯回線，結果如圖3所示。由圖3(a)的磁滯回線可知，所得Fe3O4納米粒子的飽和磁化強度為41.35 emu/g。圖3(b)為Fe3O4納米粒子在低磁場強度下的磁滯曲線。磁滯曲線接近重合，說明樣品擁有較低的矯頑力和剩余磁化強度。所得Fe3O4納米粒子的矯頑力與剩余磁化強度分別為28.47 Oe和2.06 emu/g。本文所得Fe3O4納米粒子之所以擁有較低的矯頑力，可能與其尺寸有關。有關研究表明：Fe3O4納米粒子具有超順磁性的臨界尺寸為14 nm[7]。而本研究所得的Fe3O4納米粒子尺寸(～15 nm)與臨界尺寸很接近，因此該Fe3O4納米粒子接近超順磁性狀態(tài)，矯頑力與剩余磁化強度很低。另外，由圖3(c)可見，F(xiàn)e3O4納米粒子在環(huán)己烷中具有良好的分散性且其在外加磁場的作用下具有明顯的磁響應性，這直觀地反映了所得Fe3O4納米粒子擁有良好的磁性能。

圖3 Fe3O4納米粒子的磁滯回線和磁流體現(xiàn)象

3.3 Fe3O4納米粒子的TGA表征

圖3為Fe3O4納米粒子的熱重分析圖。150 ℃以下的失重是由于Fe3O4納米粒子表面吸附的環(huán)己烷等低沸點物質；200-450 ℃的失重是由包覆在Fe3O4納米粒子上的油酸和油胺的分解而造成的。Fe3O4納米粒子表面上的油酸包覆，是其在環(huán)己烷中具有良好分散性的原因。

圖4 Fe3O4納米粒子的熱重曲線

4 結論

本研究采用高溫分解法，以乙酰丙酮鐵為鐵源，二苯醚為溶劑，油酸和油胺為表面活性劑，制備了可在環(huán)己烷中均勻分散的Fe3O4磁性納米粒子，并對其形貌和性質進行了表征。結果表明：Fe3O4磁性納米粒子的外形為球狀和立方體狀，多為～15 nm的立方體狀形貌，且有明顯的晶格結構，表明其具有單晶性質。Fe3O4納米粒子的磁滯曲線接近重合，飽和磁化強度為41.35 emu/g，矯頑力與剩余磁化強度較低。熱失重分析表明，在Fe3O4納米粒子表面包覆有油酸，這也是其在環(huán)己烷中具有良好分散性的原因。