多功能磁性铁氧化物纳米粒子的应用研究

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近年来,多功能磁性氧化铁纳米颗粒由于其独特的性质在纳米技术领域内获得了极大的关注。多功能磁性氧化铁纳米颗粒具有不同的组成以及功能,每一种都将其独特的性质赋予了整体的复合纳米材料。这些复合纳米材料具有多种功能,并且具有不同的潜在应用价值。目前已报道了通过多种技术来制备多功能纳米复合物,以期用于不同的目的。但是大部分方法需采用有毒或者昂贵的化学试剂,并且制备过程复杂。因此,发展新的简便的方法来制备多功能纳米材料是非常重要的。考虑到氧化铁纳米颗粒的磁性,我们在其基础上设计了几种多功能纳米材料以用于蛋白质和药物的吸附和解吸附、催化等领域。本论文包括以下三个方面的内容:1.通过简单的共沉淀方法制备了磁性氧化铁纳米颗粒,然后通过简单加热氧化铁纳米颗粒和柠檬酸三钠的水溶液得到柠檬酸修饰的氧化铁纳米颗粒。考察了柠檬酸三钠浓度对纳米粒子稳定性的影响。这种柠檬酸根功能化的纳米颗粒由于其表面羧基基团之间的静电排斥作用,导致纳米颗粒的粒径非常小,并且非常稳定,不易团聚。随后在一系列具有不同pH值的缓冲溶液中考察了柠檬酸修饰的磁性氧化铁纳米颗粒对牛血清白蛋白(BSA)的吸附和解吸附行为。结果表明,在BSA的等电点处,蛋白质的吸附量达到最大值83mg/g,吸附机理为静电作用力。将蛋白质从纳米颗粒表面解吸附下来时采用的是具有高pH的碱性溶液。通过SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)、UV-Vis光谱、荧光光谱和傅里叶红外光谱(FITR)对解吸附后蛋白质进行表征,其分子没有任何结构变化。2.制备了两种尺寸(~3nm和~15nm)的金纳米颗粒,并且分别使其吸附至氨基修饰的氧化铁纳米颗粒的表面。颗粒表面聚集的金纳米粒子作为金种来进一步形成金纳米层。X射线谱(EDX)谱的结果表明,相比于小粒径的Au纳米粒子,吸附到氧化铁纳米颗粒表面的大粒径的Au纳米粒子的量更多。同样,形成Au壳层后,大颗粒的金晶种更利于Au壳层的生长。但是,透射电镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)的结果表明,虽然使用小颗粒的金晶种时,容易得到规整和致密的金的壳层,而采用大粒径的金晶种时,所得到的壳层则不连续并且不致密,大部分的金纳米颗粒只是聚集在表面,但是所制备的纳米复合物都具有很好的磁学性能。这种纳米复合材料表现出极高的催化效率,其中,负载了一薄层金壳的Nanocomp-2,表现出优秀的催化活性和良好的重复利用性。3.通过简单的步骤合成了多功能的纳米复合物。首先以溶剂热法合成了氧化铁纳米颗粒,然后通过溶胶-凝胶技术将其表面包裹上一层薄的氧化硅。以APTES修饰上氨基官能团后,将金纳米颗粒吸附于其表面以作为金晶种,进一步形成了金纳米壳层。最后,以TEOS作为硅源,以CTAB为模板分子,在金纳米壳层外面又进一步修饰了介孔二氧化硅壳层。这种具有介孔氧化硅的多功能纳米复合物既具有磁性,又具有近红外(NIR)等离子体共振性质和催化活性。这些纳米复合物以磁性氧化铁为核,以介孔氧化硅为壳,并且在两者之间有金纳米层呈夹心式分布。通过TEM、X-射线衍射(XRD)、FTIR、振动样品磁量计(VSM)、UV-Vis光谱、X-射线光电子能谱(XPS)、动态光散射(DLS)、ζ-电势、N2吸附/解吸附和热重分析(TGA)等手段对其进行了表征。结果表明这种纳米复合物由于其磁性内核而具有高的磁化强度(21.4emu/g),并且由于金纳米层的存在在NIR区域有明显的吸收,同时还具有大的比表面积(315m2/g)和孔径为2.1nm的外层介孔结构。考察了外层介孔氧化硅结构对药物分子吸附和释放行为。对染料分子的吸附行为,证明了金纳米层具有催化活性。所制备的多功能的磁性纳米复合物可以对药物布洛芬进行吸附和缓释。通过以4-硝基苯酚生成4-氨基苯酚的还原反应为模型反应,研究了纳米复合物的催化活性、通过外置磁铁从反应体系中分离的可行性以及以及重复利用性。
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