超順磁性磁共振對比劑的制備、表征及其性能研究

杜慶波，袁利

（1.皖北衛生職業學院，安徽宿州 234000；2.宿州億帆藥業有限公司，安徽宿州 234000；3.渦陽雪楓中學，安徽亳州 233600）

一、研究背景

超順磁性磁共振對比劑是由順磁性粒子和磁性微粒組成，與鐵磁體相連。如果鐵磁性粒子體積減小到低于磁能且小于熱能的水平，那么熱運動產生的磁場范圍也將隨機變化。這種磁性粒子類似于順磁性粒子，由于粒子的磁矩遠大于順磁性物質的磁矩，所以也稱為超順磁性粒子。由于以上原因，Fe3O4納米顆粒可以表現出更好的力學、電磁、光學和熱特性等性能。超順磁性Fe3O4納米顆粒的毒性很小，具有非常好的生物相容性，并且可以通過外部磁場的作用實現其取向運動。在有外磁場的情況下表現為超順磁性，當外磁場消失時，超順磁性Fe3O4納米顆粒的磁性消失，沒有滯后。因為超順磁性Fe3O4納米顆粒的不成對電子的磁矩和磁敏度比人體組織大得多，所以磁場強度不均勻，縮短了形成相關質子的T2或T2*的弛豫時間，信號強度降低，導致顆粒顯示為黑色或暗色，因此也被稱為陰性對比劑。超順磁性Fe3O4納米顆粒通常用于研究血流量和血容量、心肌或腦組織注入功能成像，超順磁性Fe3O4納米顆粒與成像速度快的磁共振成像技術相結合，也可用于腫瘤靶的多模治療，并且它還能有助于腫瘤的定性診斷和惡性腫瘤的分期分類。在磁性鐵基納米材料中，超順磁性氧化鐵是代表性的物質，主要用于肝臟病變的診斷和鑒別診斷。近年來，超順磁性磁共振對比劑的應用更廣泛。不僅可以與磁場相互作用產生核磁共振信號，并且磁性生物傳感器將磁性納米顆粒和它的復合納米材料通過適配器組合可以構建穩定的生物相容性。目前，磁性納米粒子已經在眾多的領域中得到使用，并且具有優良的功效。超順磁性磁共振對比劑在醫學方面有著重要的作用，它的用途非常廣泛，比如輔助造影, CT檢查，椎管內造影，靜脈尿路造影，心血管造影等等。具有圖像分辨率高、診斷準確率高、價格相對低廉、對患者輻射相對較小等優點[1-6]。

現在已經有很多方法和科技輔助手段被用來制備超順磁性氧化鐵，本實驗在考慮實驗儀器和試劑后選用溶劑熱法來制備超順磁性磁共振對比劑。實驗是通過一系列的操作及圖譜分析來確定制備的磁共振對比劑是否是超順磁性磁共振對比劑，由文獻報道可知在制備Fe3O4納米顆粒的過程中加入PVP可以增強其造影性能。因此,本實驗在制備超順磁性磁共振對比劑的過程中加入了PVP作為表面活性劑來修飾超順磁性磁共振對比劑。制備出了有PVP作表面活性劑的超順磁性磁共振對比劑。超順磁性磁共振對比劑無論是在醫學方面的應用還是在材料方面的應用都極具研究意義。超順磁性磁共振對比劑在現代的應用范圍十分廣泛，在醫藥方面超順磁性磁共振對比劑可以增強磁共振的造影性能和對細胞進行靶向識別及篩選等作用，在材料方面超順磁性磁共振對比劑也有著重要的研究意義。實驗通過溶劑熱法制備超順磁性磁共振對比劑，通過儀器分析，了解其結構組成和其特性。超順磁性磁共振對比劑應用范圍廣泛，增加PVP作為其表面修飾能夠增強磁共振的造影性能，使其具有非常好的研究意義。超順磁性磁共振對比劑在生物技術方面也有著非常好的探究潛力。近年來，磁性納米粒子在熱化療中的應用越來越受重視，相關的動物實驗也越來越多。核磁共振代謝組學方法、生物標志物監測等方法也取得了一定的進展。在醫學造影方面，納米顆粒因為其尺寸小和特別的化學性質，使其可以在特定組織和腫瘤部位形成積聚，從而可以更方便、更準確地診斷和提高治療效果。特別是在分子成像的方面，納米材料具有較高的比表面積，易于與染料分子和生物分子相互作用，從而形成易于跟蹤的熒光靶向材料。改性后的磁性納米粒子不僅具有較好的反應靈敏度，而且具有生物相容性，在分離純化和一些檢測方面有很大的應用價值。不同粒徑的Fe3O4納米顆粒的磁性差異會進一步導致不同粒徑的Fe3O4納米顆粒的用途不同。基于磁性納米顆粒的這一特性，其在生物醫療領域的藥物副作用、機械領域的磁致微型機器人和磁研磨技術以及采礦領域的次團聚問題的解決都具有巨大的應用潛力。本實驗對制備的超順磁性磁共振對比劑進行探究，確定其化學鍵的組成及其鍵鍵之間的振動方式，了解它的尺寸大小，確定其具有的超順磁性的性能。近年來，磁性納米粒子的應用越來越受重視，尤其是在生物醫學、生物檢測和納米器械等領域。其中以鐵磁性粒子為基的納米復合材料的研究是目前研究的熱點。隨著相關理論研究和制備工藝的深入研究，這種新型納米復合材料必將得到廣泛的應用，在各個領域大放異彩[7-14]。

本文采用液相化學法制備了四氧化三鐵磁共振對比劑，采用現代儀器分析方法對其進行了表征。研究結果表明，該方法簡單易行，產率高；產物可作為潛在的磁共振對比劑。

二、實驗部分

（一）實驗原理

在本實驗中，以乙二醇為溶劑，六水合三氯化鐵（FeCl3·6H2O）為原料，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為表面活性劑，通過溶劑熱法制備超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒），制備了單分散的超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）修飾了超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的表面，并增強了其造影特性。對制備的超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）使用現代分析儀器進行特性分析，基于樣品的結晶性、形態、尺寸、磁性特性，以180°C加熱6h制備的Fe3O4納米顆粒為對象，對制備的超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的性能進行了探究。

（二）主要試劑與主要儀器

表1 主要試劑

表2 主要儀器

（三）實驗內容與方法

在30ml乙二醇中加入1mmol的六水合三氯化鐵（FeCl3·6H2O）和0.6g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP），在上述混合溶液中緩慢滴加水合肼1ml，然后磁力攪拌10min，之后可以得到的均勻分布的溶液。將上述制備的溶液轉移到50ml以聚四氟乙烯作為內襯的反釜中，擰緊反應釜，將反應釜放入到溫度為180℃的烘箱中，加熱6小時，充分反應，取出反應釜使其自然冷卻直到室溫。收集實驗樣品，用無水乙醇清洗5次，放到真空干燥箱中真空干燥，備用。分析時用X射線粉末衍射儀研究其尺寸和結晶度，用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡進一步確認了其形貌和尺寸。用傅里葉變換紅外光譜儀研究了超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的化學鍵組成。用磁性測量系統SQUID進行磁性測試。

三、結果與討論

（一）超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4 納米顆粒）形態的表征

圖1是磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的XRD圖譜，可由圖譜分析出晶體結構和結晶度。圖譜顯示衍射峰出現在五處位置，它們的2θ值分別出現在30.3、35.6、43.3、57.2和62.8，他們分別與具有Fe3O4尖晶石結構的（220）、（311）、（400）、（511）和（440）晶面的5個衍射峰對應。由此確定合成的超順磁性Fe3O4納米顆粒是面心立方尖晶石相的Fe3O4，沒有觀察到其他雜質峰，并且衍射峰較高，表明制備樣品的純度相對較高，結晶性相對較好。

圖1 磁共振對比劑的XRD

利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡對分析樣品的晶體結構尺寸大小和形貌得到圖2，圖中(a)為磁共振對比劑的掃描電鏡圖，從圖中可以看到實驗制得的樣品有大量的球形顆粒。圖中(b)為透射電鏡圖，從圖中可以看到清晰的球形顆粒，直徑約10 nm，呈團聚狀，具有相對均勻的分散性，分散在溶劑中，肉眼看不到明顯的沉降現象，所獲得的超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）在形態上和粒徑上幾乎均勻。由實驗可知制備的超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的晶體結構為面心立方尖晶石相結構。

圖2 磁共振對比劑的(a):掃描電鏡圖和(b):透射電鏡圖

（二）超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4 納米顆粒）的紅外和磁性分析

圖3是超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的傅里葉變換紅外光譜圖，其中B是PVP紅外光譜曲線，C是超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）紅外光譜曲線。比較兩種FTIR光譜，發現由于PVP與超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的相互作用而導致它的C＝O伸縮振動（1 630 cm-1）與PVP的C＝O伸縮振動（1 670 cm-1）相比向左偏移了40 cm-1。另一方面，超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）位于1 380 cm-1和1 430 cm-1的峰值分別對應于PVP的C-N伸縮振動和C-H彎曲振動。位于超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）3 400 cm-1的吸收峰則表明，這里的寬吸收帶對應于吸附在Fe3O4納米顆粒表面上的水分子的O-H鍵伸縮振動。位于超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）563 cm-1的吸收峰對應于Fe-O鍵的伸縮振動，這是占據納米復合材料四面體位置的陽離子（Fe離子）和氧相互作用下超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的特征吸收帶。PVP的紅外光譜圖位于1 000 cm-1至1 030 cm-1和3 400 cm-1至3 450 cm-1的清晰頻帶，表明存在C-O和O-H兩組振動模式。這里，位于2 880 cm-1～1 600 cm-1和120 cm-1～600 cm-1之間的頻帶分別對應于拉伸振動的平面變形和C-H群彎曲。另外，本實驗還確定了PVP中位于1 440 cm-1頻帶是 C-C鍵的拉伸振動。

圖3 磁共振對比劑的FTIR

圖4是超順磁性磁共振對比劑在室溫下的磁滯回線。通過使用磁學測量系統SQUID對制備的超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的磁性進行分析得到圖4，圖中它的掃描磁場范圍為-20 000 Oe～20 000 Oe。從圖中可以發現，超順磁性磁共振對比劑樣品的室溫磁滯回線在有外部磁場時呈現為“S”形。并且超順磁性磁共振對比劑樣品的飽和磁化強度（Ms）、矯頑力（Hc）和剩余磁化強度（Mr）分別為73.334 emug-1、50.336 Oe和5.411 emug-1，且都達到了0.001的顯著性水平，其信度和效度都符合測量學要求。據文獻報道塊狀Fe3O4的飽和磁化強度（Ms）為92 emug-1，磁共振對比劑樣品的飽和磁化強度（Ms）為73.334 emug-1 表明制備的樣品比較標準。并且室溫下，測量的超順磁性磁共振對比劑樣品的剩余磁化強度（Mr）和矯頑力（Hc）也都很小，表明樣品在室溫下具有超順磁性。另外，圖4的右下角的插圖是它的放大譜圖，它顯示的是超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）樣品的磁場范圍在-200 Oe～200 Oe的室溫下的磁滯回線，這樣更能凸顯出超順磁性磁共振對比劑樣品的剩余磁化強度（Mr）和矯頑力（Hc）小。而且超順磁性可以更容易地使磁性納米顆粒分散在溶液中，并且他們之間幾乎沒有磁相互作用力，因而可以有效地避免磁聚集。

圖4 磁共振對比劑的磁滯回線

四、結論

在本實驗中，以六水合三氯化鐵（FeCl3·6H2O）為原料，以乙二醇為溶劑，聚乙烯吡咯烷酮為表面活性劑制備超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒），研究了它的結構特征及其化學鍵振動方法。對合成超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒），使用X射線粉末衍射表征其基本尺寸和結晶性，實驗結果可知超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）是具有面心立方尖晶石相的晶體結構。通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡進一步確定了超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的形態特征和尺寸。顆粒近視為球形，直徑為10nm，尺寸大小符合超順磁性納米材料的要求。從傅里葉變換紅外光譜數據和X衍射光譜數據分析確定了高純度超順磁性磁共振對比劑（Fe3O4納米顆粒）的結晶性和化學鍵振動方式。通過磁性測量系統（SQUID）確定了超順磁性磁共振對比劑在外部磁場下的磁滯回線，確定了制備的超順磁性磁共振對比劑的飽和磁化強度（Ms=73.334 emug-1），剩余磁化強度（Mr=5.411 emug-1），矯頑力（Hc=50.336 Oe）。同時由于所制備的磁共振對比劑的剩余磁化強度（Mr）和矯頑力（Hc）都很小，所以在室溫下制備的磁共振對比劑是超順磁性的。超順磁性的特征在生物醫學應用中起著重要的參數作用，超順磁性容易將磁性納米顆粒分散在溶液中，并且僅具有相互忽略的磁相互作用力，可以有效地避免磁聚集。