磁性纳米粒子

磁性纳米粒子（精选十篇）

磁性纳米粒子 篇1

1 实验

1.1 原料与试剂

木棉纤维,广东产;氯化亚铁、氢氧化钠、30%过氧化氢均为分析纯。

1.2 木棉纤维/磁性纳米复合材料制备

木棉纤维的打浆预处理:采用槽式打浆机将木棉纤维进行切断处理[9]。

木棉纤维的碱预处理:将切断后的木棉纤维用0.19mol/L氢氧化钠溶液于90℃处理60min,抽滤、洗涤,测定水分后备用。

木棉纤维的超声波预处理:将经过槽式打浆机打浆切短40min后的木棉纤维样品,配成1%(质量分数,下同)浆浓悬浮液,用JY92-II超声波细胞粉碎机(宁波新芝生物科技股份有限公司生产,工作频率范围23～25 kHz,随机变幅杆直径10mm。)于300W功率下处理15min,蒸馏水洗,抽滤,测定水分后备用。

取经过预处理后的木棉纤维样品3g为复合基材,以氯化亚铁溶液为前驱体溶液,加入氢氧化钠作沉淀剂,通过化学共沉淀方法制备铁氧体,用原位复合的方法[9]制备木棉/磁性纳米复合纤维。按文献[10]测定样品的灰分,用原子吸收光谱法测定复合纤维的铁含量,以此评价样品中磁性粒子的复合量及复合效果。

1.3 结构与性能表征

待测试样于45～50℃真空干燥4h,粘台,真空喷金,用LEO 1530 VP(德国LEO公司)场发射扫描电镜(SEM)观察样品的表面形貌和微细结构;用原子力显微镜(AFM,美国Veeco Metrology Group,Veeco Di Multimode SPM)观察样品的超微结构,操作模式为轻敲模式(Tapping mode);用日本理学D/MAX-1200型X射线衍射仪对复合的磁性粒子的结晶结构进行分析;用超导量子磁强计(SQUID,中山大学化学与化学工程学院中心实验室)测定样品的磁性能。

2 结果与讨论

2.1 打浆对木棉纤维复合效果的影响

天然木棉纤维长度较长(8～34mm)且两端封闭,为了充分有效地利用木棉纤维的中空特性,同时使木棉纤维的长度适于造纸应用的要求,首先对木棉纤维进行打浆处理[9]。将经过不同打浆时间(40,50,60min)处理的木棉纤维样品(KB40,KB50,KB60)作为复合的基材,以原位复合法制备木棉/磁性纳米复合纤维,通过灰分和铁含量的测定,研究打浆处理对复合效果的影响,结果见表1。打浆40min后的木棉纤维KB40复合的样品SB40复合效果最好,其灰分和铁含量最高,分别为5.85%,4.33%;打浆30min的木棉纤维KB30复合的样品SB30次之,其铁含量为3.73%;打浆50min的木棉纤维复合的铁质量分数为3.32%;打浆60min的木棉纤维表面复合的样品铁含量最少,为2.93%。表1数据显示复合量与打浆时间没有线性关系,其原因还有待进一步研究。

图1的SEM图显示复合在木棉纤维上的磁性颗粒呈不规则的形状,磁性粒子在木棉纤维的外壁、空腔内壁均有附着,磁性颗粒在木棉纤维外壁上附着比较均匀,木棉纤维的胞腔中也有磁性粒子存在,但与木棉纤维表面相比数量相对较少。表明以原位复合方法制备木棉/磁性纳米复合纤维时,磁性粒子不仅可以在纤维的表面复合,还能进入木棉纤维的腔内,提高磁性粒子的复合量。

2.2 预处理方式对木棉纤维复合特性的影响

以经过不同方式预处理后得到的木棉纤维样品为基材,研究了预处理方式对复合效果的影响,结果如表2所示。与打浆处理相比,木棉纤维经超声波和碱处理后,复合纤维的灰分和铁含量均有一定程度提高。经过碱处理、超声波处理后木棉纤维的复合效果与云

杉化学浆纤维的复合效果相当,说明木棉纤维经过预处理后可作为有效的模板材料用于磁性纳米复合纤维的制备。

2.3 熟化方式对木棉纤维复合反应的影响

原位复合法制备木棉磁性纳米纤维的影响因素很多,不仅受到纤维原料特性、复合反应条件如反应温度、时间、前驱体浓度等影响,熟化方式也会对复合效果有影响。因此,本工作将反应体系置于不同的环境中进行熟化,研究熟化方式对复合效果的影响。采用的熟化方式有:机械搅拌熟化、静磁场熟化、超声波熟化,结果如表3所示。

表3表明静磁场熟化的复合效果最好,其复合纤维样品KSB12的灰分和铁含量最高,分别为13.07%,7.54%;其次为超声波熟化,其复合纤维样品KSB13的灰分和铁含量分别为12.29%,6.55%。可见,熟化方式对木棉纤维的复合效果有较大影响,静磁场熟化和超声波熟化均比机械搅拌熟化效果好,其中采用静磁场熟化方式制备的复合纤维样品铁含量最高。

2.4 木棉纤维/磁性纳米复合纤维结构与性能表征

图2是木棉纤维/磁性纳米复合纤维样品的AFM图。图2中垂直方向为纤维的轴向,图2a,c,e,g为形貌图,图2b,d,f,h为相位图,形貌图中较亮的部分为纤维凸起、平面较高造成的。从图2可以看到未复合的木棉纤维样品KB40(经打浆40min处理,见图2a,b)其表面的微细纤维束和微细纤维呈不规则排列,在微细纤维之间填充有球状木素结构物质[11,12];KB40复合后的样品KSB8(见图2c,d)显示纤维表面的微细纤维被生成的磁性颗粒覆盖,且磁性粒子均匀分布在纤维表面,颗粒大部分为球形,并有少量的棒状、针状颗粒,根据统计颗粒的直径分布在30～100nm之间,平均为78nm;未复合木棉纤维样品AKB44(经打浆40min再碱处理)的表面出现了微细纤维分离,微细纤维在表面呈网状排列,而颗粒状的木素结构消失(见图2e,f)。AKB44复合后的纤维样品KSB9(见图2g,h)表面也有大量的铁氧体分布,但颗粒有聚集现象,颗粒形状为球状、棒状,其中棒状颗粒增多,含有少量针状颗粒。其原因可能是经打浆-碱处理的木棉纤维其细胞壁出现微细纤维分离,暴露的微细纤维间孔隙形成了良好的模板,有利于控制氧化铁晶体的大小和生长方向。

(a),(b)KB40,打浆40min木棉纤维,(a)高度图,(b)相位图;(c),(d)KSB8, KB40复合后样品,(c)高度图,(d)相位图;(e)(f)AKB44,打浆40min再碱处理的木棉纤维, (e)高度图,(f)相位图;(g),(h)KSB9,AKB44复合后样品,(g)高度图,(h)相位图

(a) and(b)KB40, kapok fibers after beaten 40min, (a) height image,(b)phase image;(c) and (d)KSB8, composites sample from KB40 matrix, (c) height image,(d)phase image;(e) and (f)AKB44, kapok fibers after beaten 40min and treated with 0.019mol/L NaOH solution, (e)height image,(f)phase image; (g)and(h)KSB9,composites sample from AKB44 matrix, (g)height image,(h)phase image

图3是木棉纤维/磁性纳米复合纤维样品的X射线衍射图。2θ为15～16°,22.5°处出现的衍射峰为纤维素的特征衍射峰。图3中也出现了新的衍射峰。复合样品KSB9的X射线衍射线对应的晶面间距为0.25170,0.20824,0.14705,0.16159,0.17078nm,与γ-Fe2O3的标准卡片(JCPDS39-1346)的晶面间距值一致,说明复合纤维样品KSB9上形成了完整的γ-Fe2O3晶型,且纯度较高;而复合样品KSB8衍射图中的衍射峰线少,未出现完整的γ-Fe2O3的三强线吸收,仅具有d值为0.25089,0.14753nm的γ-Fe2O3最强的特征吸收,缺少晶面(511)上的特征峰衍射,说明结晶不完善或不纯。

图4是用超导量子磁强计(SQUID)测定的木棉纤维/磁性纳米复合纤维样品的磁化曲线。磁化曲线互相重合,表现出可逆的磁化过程,剩余磁化强度Mr和矫顽力He均为零,这是因为木棉纤维中复合的磁性粒尺寸为30～100nm,小于γ-Fe2O3出现单磁畴的临界尺寸(166nm)[13]所致。

3 结论

(1)经过打浆、超声波、碱预处理后的木棉纤维是有效的模板材料,磁性粒子不仅在纤维表面还可在木棉纤维空腔内复合,其粒径为30～100nm,复合的磁性铁氧体粒子的晶体类型为γ-Fe2O3。

(2)熟化方式对木棉纤维的复合效果有较大影响,静磁场熟化和超声波熟化均比机械搅拌熟化效果好,其中静磁场熟化复合的铁含量最高为7.54%。

(3)SQUID测定的磁化曲线显示制备的木棉/磁性纳米复合纤维具有超顺磁性。

摘要：以天然木棉纤维为基材,用原位复合法制备磁性纳米复合纤维。研究预处理及熟化方式对复合效果的影响,用SEM,AFM,X射线衍射,超导量子磁强计(SQUID)对复合纤维的结构与磁性进行表征。研究表明:预处理后木棉纤维是有效的模板材料,磁性粒子不仅在纤维表面还可在纤维空腔内复合,粒径为30100nm,晶体类型为-γFe2O3;静磁场熟化复合的铁含量最高为7.54%(质量分数)。SQUID显示制备的木棉/磁性纳米复合纤维具有超顺磁性。

磁性纳米粒子 篇2

叙述了以液相共沉淀法制备纳米磁性Fe3O4粒子的工艺,研究了反应搅拌速度、n(Fe3+)/n(Fe2+)的.比例、pH值和熟化温度对制备纳米Fe3O4粒子的影响, 并利用透射电镜表征观察Fe3O4纳米粒子的形貌.研究结果表明,在搅拌速度较快的情况下制备纳米级Fe3O4颗粒的最佳合成工艺条件为:n(Fe3+)/n(Fe2+)为1.8 ∶ 1(摩尔比),熟化温度70 ℃,熟化时间30 min,以氨水作沉淀剂最佳pH值是9左右,可制得纯度较高,粒径小于10 nm Fe3O4磁性粒子.

作 者：陈亭汝 孙瑾 CHEN Ting-ru SUN Jin 作者单位：陈亭汝,CHEN Ting-ru(青岛大学,化学化工与环境学院,山东,青岛,266071;烟台南山学院,山东,龙口,265713)

孙瑾,SUN Jin(青岛大学,化学化工与环境学院,山东,青岛,266071)

纳米粒子回收有新法等 篇3

如今纳米材料被越来越多地用于工业制造，但有些纳米材料贵比黄金，且极易与其他物质混合，形成复杂难以分离的混合物，回收相当困难，在一定程度上限制了纳米技术的广泛应用。最近英国布里斯托大学的研究人员开发出一种特殊的乳液，可轻易地将纳米粒子从混合物中分离出来。该乳液加热后会分为两层，其中一层包含可回收利用的纳米粒子，科学家使用镉纳米粒子和锌纳米粒子进行了实验，效果良好。

与传统方法相比，通过新方法回收的纳米粒子会恢复其原来的形状，并保持其化学特性，可以再利用。这项技术有广阔的应用前景，将快速推动纳米技术在新一代太阳能电池、柔性电子显示屏和其他产品中的应用。

关闭基因可使肢体再生

美国科学家发现，p21基因对40多种与DNA复制和细胞分裂有关的基因有干扰作用，会阻碍生物体伤患处的治愈过程。科研人员关闭了耳朵受损的小鼠的p21基因。结果小鼠重新长出了耳朵。这个实验证明了关闭p21基因有可能恢复哺乳动物重新长出新的身体组织的能力。从理论上讲，这也适用于人类，或许不久的将来，我们就能够通过关闭p21基因来实现断肢的再生。

世界上最小的显微镜

美国加州大学的科学家发明了世界上最小巧轻便的医用显微镜，该显微镜仅46克，和一个鸡蛋的重量差不多，它摒弃了放大物体所用的透镜，采用发光二极管照亮物体，用数字传感阵列来捕捉影像。

该无透镜显微镜有一个可与电脑相连的USB接口，省却了要经过专业技术人员才能分析成像的步骤，经计算机分析图像后就可即时获取结果。它还能改装成一个微分干涉对比显微镜，可用以获取样本的密度信息及立体图像。

这台功能强大、成本低廉、结实耐用的显微镜将在资源条件有限的地区(特别是非洲)大显身手，帮助监测诸如疟疾、艾滋病和肺结核等疾病，还能被数字化集成为远程医疗网络的一部分。

具备自我进化和自我组织功能的神奇电路

目前计算机的信息处理电路都是静态的，而人类大脑中的信息处理回路——神经细胞却能通过持续进化来解决复杂的问题。由日本筑波大学和美国密歇根理工大学组成的科研团队在一个有机分子层上，成功地制造了一个类似于大脑功能的、能够自我进化的电路，首次实现了类脑运算。

磁性纳米粒子 篇4

磁性药物靶向治疗因其小剂量、高效率、非侵害等特性, 近年来受到越来越多研究学者的关注和青睐[1,2,3]。在磁性药物靶向输送系统中, 由药物分子和纳米磁粒子组成的输运粒子被注射到血管系统恶性组织的上游, 并受到外磁场的作用在病变部位靶向聚集。通过改变机体的生理条件, 例如p H值, 温度, 渗透压等, 输运粒子表面的药物分子将被释放出来作用于恶性组织。磁场作为磁性药物靶向输送系统的重要组成部分一直是磁粒子输运理论研究的重点, 但是对于被磁化的磁粒子之间的附加磁场的研究仍需要加强。

本文选用无限长稀土圆柱型永磁体作为外磁场源, 采用具有顺磁性可生物降解的Fe3O4作为磁粒子。将永磁体放置在生物体外的恶性组织附近, 以获得磁性药物纳米粒子靶向聚集所需的磁响应力。考虑外磁场以及磁粒子之间的附加磁场作用[4], 推导出圆柱型永磁体的外磁场、附加磁场、外磁场力、附加磁场力方程, 使用MATLAB仿真求解磁场及磁场力的分布, 分析讨论磁场、磁力对磁粒子在微血管中的分布规律[5]。研究结果显示, 随着磁体到血管的距离越来越近, 磁力越大, 磁粒子越容易向磁场范围运动并聚集。因此, 放置在距离微血管若干厘米处的圆柱型永磁体能够产生较合适磁场强度和磁场梯度, 以获得理想的靶向效果。

1 圆柱型永磁体的磁场分布

1. 1 圆柱型永磁体外磁场

对于图1所示的无限长垂直于x'oy'平面的圆柱型永磁体磁场, 由于是无限长, 其磁场具有对称性, 只研究某一截面上的磁场分布。磁体中箭头代表磁化强度M矢量方向, 其磁场强 度在平面 内用柱坐 标表示的 分量分别为[6,7]:

其中, Ms表示永磁材料的磁化强度, Rmag表示磁体半径, r'表示磁体中心到场点的距离, Φ'为r'与x轴 ( 即磁化强度矢量) 的夹角。

在x'oy'坐标系中也可以表示为:

所以,

由坐标系平移公式可得微血管坐标系下的外磁场强度分量:

1. 2圆柱型永磁体附加磁场

将磁粒子看作等量点偶极子 (位于磁粒子中心) , 并假设微血管中共有N个点偶极子[8]。首先考虑一对磁偶极子, 即两个磁粒子的简单情况, 处半径为Rp的球形磁粒子受到位处磁粒子对其作用而产生的附加磁场为[4]:

因此, 磁粒子n受到的磁场强度为外磁场和其他N-1个磁粒子对其作用产生的附加磁场强度之和:

下面推导附加磁场在直角坐标下分量表达式:

式中Hay, Hax表示点yi, xi ( ) 处圆柱型永磁体外磁场强度分量:

点 (y, x) 处受到点 (yi, xi) 处磁偶极子作用产生的附加磁场强度分量表达式为:

2 磁粒子在磁场中受到的磁力

由于磁性药物纳米粒子中的磁介质为顺磁性, 在外加磁场作用下磁化后会对原磁场产生影响, 因此考虑这个附加磁场的作用。在磁场中被磁化的药物纳米粒子由磁矩为mp的等价点偶极子代替[8], 则作用在偶极子 ( 即磁粒子) 上的磁力为:

式中:为总磁场强度; μf为流体的磁导率, 由于血液的磁化系 数因此表示磁粒子的有效磁矩;表示粒子磁化率; χf表示流体磁化率[9];式 (16) 可进一步化为:

其中:

由于圆柱型永磁体z方向无限长, 因此z方向磁场和磁场力分量均为零,

则:

2. 1 磁粒子受到圆柱型永磁体外磁场力

将式 ( 5) 、式 ( 6) 分别代入式 ( 21) 、式 ( 22) 后化简可得圆柱型永磁体外磁场力分量:

2. 2 磁粒子受到圆柱型永磁体附加磁场力

同样, 将式 ( 14) 、式 ( 15) 分别代入式 ( 21) 、式 ( 22) 后可得圆柱型永磁体 (y, x) 处磁粒子受到yi, xi ( ) 处磁粒子的附加磁场力分量, 由于表达式较为繁琐, 这里只列出没有经过化简的表达式:

然而, 在实际情况中, (y, x) 处的磁粒子不仅受到yi, xi ( ) 处磁粒子对其产生的附加磁场力作用。此位置的磁粒子受到的附加磁场力, 是其他N-1个磁粒子对其产生的附加磁场力的总和, 即:

式中:f (yi, xi, v) 是 (yi, xi) 处磁粒子的分布状态函数,

f ( yi, xi, v) dyidxidv表示位置yi+dyi, xi+dxi[ ] 、速度[v, v+dv] 区间内的磁粒子数。假设磁粒子处于平衡态, 其分布状态函数为一麦克斯韦分布:

3 数值计算结果与分析

选取典型条件[4,5,6]: 血管半径Rv= 75μm, 磁铁半径Rmag= 2. 0cm, 磁粒子半径Rp= 100nm, 磁铁到血管的距离d = 3. 5cm, 血管长度l = 16cm ( - 4Rmag= l = 4Rmag) , 磁粒子初始浓度n0= 0. 01mol。

3. 1 圆柱型永磁体外磁场和外磁场力分布

圆柱型永磁体横截面磁化强度Ms= 1×106A / m ( B= 1. 256T) , 饱和磁化强度Msp= 4. 78×105A / m。当χp= 1时:根据上述已知条件, 计算磁场强度和磁场力, 如图2、图3、图4。

由图2, 图3可看出, 磁感应强度径向分量Bay在圆柱形磁铁中心位置 ( x/Rmag= 0) 获得最大值, 而轴向分量Bax在磁铁边缘位置 ( x/Rmag= ±1) 达到极值。外磁力水平分量Fax与Bax图形相似, 但极值完全相反, 这表明磁力不仅与磁场大小有关, 还与磁场梯度有关。受到外磁力Fax的影响, 当一个磁粒子沿轴向运动 ( 从左到右) , 它将在磁铁前边缘处加速。磁粒子捕获的主导因素Fay数值为负, 且在磁铁中心位置获得最大值, 在Fay作用下磁粒子朝磁铁方向运动。

改变磁铁 到血管距 离, 分析磁铁 距血管d ( 20mm、30mm、40mm) 时的外磁场力变化情况。

图4表明, 磁铁距离血管越近, 外磁场力越大, 对磁粒子运动和捕获的影响也将越明显。曲线规律与文献[5] 一致, 为获得更 大磁力, 磁铁距离 血管越近越好。

3. 2 圆柱型永磁体附加磁场力分布

由图5可以看出, 由于附加磁场力受磁粒子浓度的影响, 比外磁场力小若干个数量级。附加磁场力x方向分量远小于y方向分量, 即在附加磁场的作用下, 磁粒子将朝磁铁方向运动。因此附加磁场力有利于磁粒子的靶向聚集, 但影响效果要小于外磁场力。

4 结论

本文推导了研究磁性药物纳米粒子在微血管中输运磁场的方程。讨论了磁铁到血管距离因素对磁场力的影响。通过理论分析和数值计算, 得到以下结论:

1 ) 磁力的大小不仅与磁场强度有关 , 而且与磁场梯度有很大关系, 因此选用磁铁时应同时考虑这两个因素。

2) 其他条件不变时, 磁铁到血管距离越小, 磁场和磁力越大。对磁粒子运动的影响也越大。可以将磁铁尽量放置在靠近病变组织处以获得最大药效。

3) 附加磁场力有利于磁粒子靶向聚集, 但比外磁场力的作用小。

4) 研究结果表明, 放置在距离微血管若干厘米处的圆柱型永磁体能够产生较合适磁场强度和磁场梯度以获得理想的靶向效果。

本模型为简化模型, 忽略了微血管壁的渗透性、微血管的弯曲等因素。随着研究的深入, 将作进一步完善以获得更切合实际情况的磁场理论模型。

摘要：磁场是磁性药物纳米粒子在微血管中输运的主要驱动力。在磁性药物靶向治疗系统中, 磁粒子在磁场中被磁化, 外磁场将对其产生吸引力, 使其向磁场范围运动;同时被磁化的磁粒子之间将产生有效偶极子场, 即附加磁场。考虑外磁场以及附加磁场的作用, 推导出外磁场、附加磁场、外磁场力和附加磁场力的方程, 通过数值模拟分析, 讨论了磁场和磁力在微血管中的分布规律以及外磁介质参数对磁场强度和磁力的影响作用。研究结果显示, 圆柱型永磁体能够产生较合适磁场强度和磁场梯度, 以获得理想的靶向效果。

关键词：磁性药物,纳米粒子,圆柱型永磁体,外磁场,附加磁场

参考文献

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[2]张勇全, 王帅, 吴强, 等.基于非牛顿流体多相流的磁性药物靶向给药捕获效率分析[J].中国生物医学工程学报, 2012, 31 (1) :96-102.

[3]徐华, 宋涛.磁性药物靶向治疗的进展[J].国外医学:生物医学工程分册, 2004, 27 (1) :61-64.

[4]Mikkelsen C, Fougt Hansen M, Bruus H.Theoretical comparison of magnetic and hydrodynamic interactions between magnetically tagged particles in microfluidic systems[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, 293 (1) :578-583.

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[7]陈铀.外磁场引导下顺磁纳米铁核素靶向输运特性的数值模拟[D].衡阳:南华大学, 2008.

[8]Jones T B.Electromechanics of particles[M].Cambridge University Press, 2005.

磁性纳米粒子 篇5

以废碱性电池为原料制备磁性纳米复合材料

摘要：以硝酸溶解废碱性锌锰电池所得溶液为原料,采用溶胶-凝胶法成功地制备出了Mn0.6Zn0.4Fe2O4/SiO2磁性纳米复合材料, 并对制备机理进行了探讨.借助于DTA、TG、XRD、IR、SEM和TEM等手段对制备过程进行检测, 并对产物进行表征.研究表明,先将干凝胶在590 ℃条件下预烧,再在1 120 ℃条件下煅烧可直接合成粒径在20 nm左右具有尖晶石结构的磁性纳米复合材料.作 者：席国喜    杨理    Xi Guoxi    Yang Li  作者单位：席国喜,Xi Guoxi(河南师范大学化学与环境科学学院,河南省环境污染控制重点实验室,河南,新乡,453007)

杨理,Yang Li(河南科技学院实验中心,河南,新乡,453003)

期 刊：环境污染与防治  ISTICPKU  Journal：ENVIRONMENTAL POLLUTION AND CONTROL 年，卷(期)：, 28(9) 分类号：X7 关键词：废碱性锌锰电池    二氧化硅纳米复合材料    溶胶-凝胶法    锰锌铁氧体   

磁性纳米粒子 篇6

然高分子包裹在Fe3O4磁性粒子的表面, 可形成具有多种优良性能的复合微粒。它们既具有磁响应功能, 可方便简单地进行分离和磁性导向, 又因其表面含有大量官能团, 具有生物相容性和可降解性, 因此磁性Fe3O4复合粒子在磁性免疫细胞的分离、酶的固定化、靶向药物的控制释放等领域有广泛的应用前景。

1 实验部分

1.1 试剂

SIGMA公司的明胶、葡聚糖 (dextran T-70) ;市场销售的Na OH、Fe Cl3·6H2O、Fe Cl2·4H2O, KBr。

1.2 制备改性明胶高分子共价物

将明胶用去离子水中配成20 mg/m L的明胶溶液, 将葡聚糖以4:1的质量比配制成与明胶的混合溶液。搅拌混合溶液, 使用PH计将溶液的p H值调节到8.0, 然后将混合溶液冷冻干燥。将冷冻干燥的固体放在装有饱和KBr溶液的密闭容器中, 置于60°C下进行Maillard反应24h, 得到葡聚糖-明胶共价物[1]。

1.3 共沉淀法制备Fe3O4磁流体

在制备磁性Fe3O4纳米粒子的时候使用的是化学共沉淀法, 利用2:1的摩尔比来分别量取一定量的Fe Cl3·6H2O和Fe Cl2·4H2O固体, 用蒸馏水进行溶解, 过滤之后进行混合搅拌, 然后利用蒸馏水对溶液进行一定溶度的稀释, 适当加入分散剂。在搅拌的过程中, 加入6mol/L的Na OH溶液, 完成反应以后持续搅拌, 并且需要进行80℃的情况下获得Fe3O4纳米粒子的相应悬浮液, 再强迫把悬浮液进行磁性沉降, 利用虹吸方式来有效处理上层液体, 利用超声分散下层液体, 然后在使用蒸馏水进行洗涤, 重复以上操作, 一直到具备澄清的上层液体, 在合理应用分离技术来静止一段时间磁铁上的悬浮液, 在除去上层液体, 也就是得到了磁流体[2]。

1.4 制备磁性改性明胶Fe3O4纳米粒子

准确称取一定量的改性明胶于圆底烧瓶中, 加入去离子水在50℃的热水浴中进行溶解和搅拌, 搅拌冷却一直到室温。再加入一定规定的磁流体, 利用超声分散技术对其实施5min, 在速度为180r/min的摇床中记性搅拌, 将磁流体均匀的分散于改性明胶溶液中。均匀分散的磁性明胶纳米颗粒的悬浮液体, 在烘箱温度为40℃的情况下进行干燥, 最终可以获得改性明胶Fe3O4纳米粒子[3]。

2 讨论和结果

2.1 改性明胶磁性Fe3O4纳米粒子的分布、大小

在稀释完磁性明胶Fe3O4纳米粒子以后利用英国Malvern公司生产的Zetasizer 3000HS纳米粒度分析仪测啦观察磁性明胶Fe3O4纳米粒子的分布、大小、形态。结果发现, 磁性Fe3O4纳米粒子的粒径分布在20nm-l50nm之间, 平均粒径尺寸约为70nm;而改性明胶修饰后的80 nm-220 nm之间, 平均粒径尺寸约为120 nm, 由此可见, 此次修饰后的四氧化三铁磁性纳米粒子由于表面包裹了改性明胶导致粒径变大, 但是粒径分布变窄, 分散性较好。改性明胶浓度的大小也对磁性复合粒子有较大的影响, 粒径随明胶浓度的增大而增大。当明胶浓度为2%时, 粒子粒径的大小为120nm左右[4]。

2.2 改性明胶磁性Fe3O4纳米粒子的形态

日本JEOL公司生产的JEM-1200EX型透射电子显微镜来有效观察颗粒的形状和大小[3]。利用蒸馏水把磁性明胶粒子和磁流体进行一定倍数稀释以后, 进行几分钟超声分散, 观察磁性明胶Fe3O4纳米粒子样貌的时候使用透射电子显微镜[5]。结果发现, 磁性明胶Fe3O4纳米粒子的分布, 基本上是均匀分布的, 并且粒子属形貌呈现不规则球状。较Fe3O4纳米粒子相比较, 存在少量的团聚, 这是因为葡聚糖-明胶共价物能够包裹于Fe3O4磁性纳米粒子表面, 降低Fe3O4磁性纳米粒子的疏水作用力和表面自由能, 并且形成了一定的空间位阻, 进而减少了Fe3O4磁性纳米粒子的团聚。此外, 改性明胶Fe3O4纳米粒子附近具备一定的半透明薄膜, 也就是说磁性明胶Fe3O4纳米粒子的核心就是Fe3O4纳米粒子, 并且外面存在一定高分子的复合结构[6]。

2.3 改性明胶磁性Fe3O4纳米粒子的分散稳定性

依据静置或者磁分离的方式来合理观察不同浓度情况下明胶体积以及植被磁性明胶磁流体固含量的稳定性, 可以发现, 降低明胶浓度, 可以在一定程度上更加趋于稳定的磁性明胶Fe3O4纳米粒子, 能够明显提高磁性明胶Fe3O4纳米粒子的粒径, 以便于可以有效降低溶液的稳定性7]。

2.4 改性明胶磁性Fe3O4纳米粒子的潜在靶向性

葡聚糖有较好的生物相容性、生物降解性和血液相容性, 另外, 它表面连有

丰富轻基, 易与其它生物分子连接, 所以, 在生物学领域内有较广泛的应用[8]。因此, 葡聚糖是一种很好的磁载体。由于共沉淀法是在水相中进行反应, 所以制备的改性明胶磁性纳米粒子在表面会带有裸露的羟基, 这样很容易与其他化合物进一步反应, 从而更容易对磁性纳米粒子进行表面改性[9]。

3 结语

总而言之, 本文采用化学共沉淀方式制备磁性Fe3O4纳米粒子, 用亲水性葡聚糖-明胶高分子化合物对其进行表面修饰来制备磁性Fe3O4纳米粒子, 这种复合微粒分散性好, 稳定性强, 并且因表面含有大量官能团, 具有生物相容性和可降解性。接下来可以利用葡聚糖-明胶高分子化合物的生物活性, 让其进一步与DNA、蛋白质、抗体等作用, 以赋予复合材料在细胞分离、靶向治疗等新的活性。

摘要：随着社会的发展, 在研究和分析磁响应性新型药物载体的时候, 已经广泛应用磁性微球, 但磁性Fe3O4纳米粒子比表面积较大, 具有强烈的聚集倾向, 这大大限制了磁性纳米粒子的应用, 因此有必要对其进行表面修饰。本文采取化学共沉淀方式制备磁性Fe3O4纳米粒子, 用亲水性葡聚糖-明胶高分子化合物对其进行表面修饰来制备磁性Fe3O4纳米粒子, 这种复合微粒分散性好, 稳定性强, 并且因表面含有大量官能团, 具有生物相容性和可降解性。

关键词：明胶,磁性Fe3O4,纳米粒子,制备

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磁性纳米粒子 篇7

近来纳米生物效应与安全性引起了科学界和各国政府的高度重视, 在发展纳米技术的同时, 同步开展其安全性的研究, 使纳米技术有可能成为第一个在其可能产生负面效应之前就已经过认真研究, 并最终能安全造福人类的新技术[4,5]。纳米颗粒在体内的吸收、分布、代谢和清除, 各种纳米物质与生物靶器官相互作用的机理等, 是一个重要的研究方向。目前, 由于受生物体内纳米尺度物质定性、定量检测方法的限制, 纳米颗粒在体内的吸收、分布、代谢和清除方式等实验数据还很少。这方面的工作需要长期的积累和发展, 建立完善的研究体系。

本文采用水热法制备葡聚糖-Fe3O4磁性纳米粒子, 并建立原子吸收法测定葡聚糖-Fe3O4磁性纳米粒子生物样品定量分析方法, 研究其体内分布。

1 葡聚糖-Fe3O4磁性纳米粒子的制备与表征

制备葡聚糖-Fe3O4磁性纳米粒子的方法有共沉淀法、氧化法、反相微乳液法等[6]。本文选择了水热法, 这种方法得到产物粒度分布较窄, 团聚程度低。

1.1 葡聚糖-Fe3O4磁性纳米粒子的制备方法

称取0.01 mol, Fe Cl2·4H2O溶于20 m L超声脱气去离子水中, 将其倒入含有一定量葡聚糖的溶液中, 低温和氮气保护下强力搅拌半小时后, 缓慢滴入适量的氢氧化氨 (NH4OH) 溶液, 最终溶液p H值升高到10~12, 氨水滴加完毕后升温并迅速加入一定量的KNO3溶液, 将混合液恒温搅拌1 h, 使所得Fe3O4微粒充分熟化。最后我们得到黑色胶体, 亚铁盐被氧化产生大量的黑色四氧化三铁晶体粒子。反应的化学方程式:

12Fe2 (OH) +NO3-→4Fe3O4+10H2O+OH-

将反应后得到的黑色产物转移至烧杯中, 用0.1 mol·L-1的盐酸调节p H=7.0, 在容器底部放置钕铁硼强力磁铁, 待粒子全部沉降后, 倒出上清液。再次向容器中加入大量的去离子水, 再次清洗, 如此反复洗涤5次后, 用0.22μm微孔滤膜过滤 (目的是滤去未修饰的大粒子) , 即得纯化后的磁性纳米粒子。

我们变化了葡聚糖对铁盐的量, 实验温度、氨水的量以及硝酸钾的用量等来研究实验条件。表面活性剂的分散作用主要表现在它对颗粒表面润湿性的调整上。在颗粒表面润湿的调整中, 表面活性剂的浓度至关重要。葡聚糖用量较少时, 葡聚糖表面包覆层薄, 活性剂之间产生的斥力VR不足以克服磁性粒子之间的Van der Waal引力VA和磁引力VN发生软团聚。高分子葡聚糖作为稳定剂, 粒子之间排斥力包括静电双电层的斥力和空间位阻效应, 随着葡聚糖用量的增加, 葡聚糖层的厚度越厚, 这两种斥力增加, 形成势垒, Van der Waal引力VA和VN很难穿过势垒, 因此铁核分散就好, 包覆就好, 成核数量增加, 导致平均粒径变小。葡聚糖过量时, 包覆层厚度增加, 高分子链之间的互穿及相互作用不容忽略。不仅使复合粒子的粒径略有增加, 还增加了后续解析洗涤过程的难度。通过实验发现, 当葡聚糖的量少于10 g时所得产物出现分层。10~15 g时, 纳米粒子粒径相差不大, 产物形貌无大的区别;温度、搅拌的大小影响也不是很大。磁性粒子是Fe2+在碱性条件下被弱氧化剂KNO3氧化得到的。研究结果表明, 温度稍高、氨水过量是制得粒径为纳米级Fe3O4磁性粒子的适宜条件。温度设定为75℃, 我们仅改变反应体系的p H值从8、10~12, 分别得到棕色且静置后分层的悬浮液、黑色分散均匀的悬浮液和黑色分散均匀的悬浮液;p H值设定为10, 仅改变温度, 实验结果显示当温度低于60℃时, 氧化反应很难进行, 但温度过高生成了大量黑色沉淀。可见, 生成Fe3O4颗粒的较理想条件是:温度为75℃, p H值为10, 在此条件下磁性粒子的粒径最小。

1.2 葡聚糖-Fe3O4磁性纳米粒子的结构表征

1.2.1 透射电镜 (TEM) 及结构分析

试样制备:用吸管吸一滴液体样品滴于微栅孔, 晾干, 置于真空腔内喷一层碳膜。

从图1可以看出, 氧化法制备的纳米粒子形状为球形, 而且分散非常均匀, 粒子没有团聚现象, 粒径小于20 nm。

1.2.2 红外吸收光谱

将磁性纳米粒子冷冻干燥粉末及葡聚糖-40, 分别用KBr压片法进行红外光谱分析, 以考察葡聚糖与磁性纳米粒子的吸附情况, 结果见图2。由图2可知, 所制备的磁性纳米粒子, 在σ580 cm-1处有较强的吸收峰, 这是Fe-O的伸缩振动峰。而纯葡聚糖的红外图谱上的特征吸收峰在所制备的磁性纳米粒子中也能得到体现, 特别是在σ1200~1000 cm-1的指纹图谱区, 由于磁性纳米粒子在合成后对其进行了数次清洗, 未包裹上的葡聚糖-40由于不能被磁铁沉降到底部而被去除, 而最终样品的红外图谱中反映出明显的Dextran特征峰, 证明所制备的磁性纳米粒子表面已经吸附上Dextran。

1.2.3 X射线衍射 (XRD) 图谱分析

X射线衍射 (XRD) 通过对材料进行X射线衍射, 分析其衍射图谱, 获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。测定结果见图3, 图谱上各晶面的特征峰:2.968、2.535、2.103、1.719、1.614、1.478和1.271与国际粉末联合会提供的Fe3O4标准PDF卡 (JCPDS card No.19-0629) 中的XRD图谱的特征峰完全吻合, 且无杂峰出现, 这表明所制备的磁性纳米粒子为Fe3O4。

2 葡聚糖-Fe3O4磁性纳米粒子在小鼠体内的分布

2.1 试验方法

2.1.1 空白组

将小鼠直接断颈处死, 剖取每只小鼠的心、肝、脾、肺、肾, 精密称取各组织的重量, 置于消化罐中, 分别加入浓HNO3 (65%) 4 m L及30%H2O20.5 m L, 微波消化 (250 W消化8 min;400 W消化5 min;600 W消化5 min) , 消化完毕后冷却, 适当放置一段时间, 定容至10 m L, 上机测试。

2.1.2 实验组

3只小鼠尾静脉注射葡聚糖-Fe3O4纳米颗粒溶液, 按剂量给药。分别在给药后5, 15, 30 min, 1, 3, 6, 12, 24 h眼眶取血, 断颈处死, 剖取每只小鼠的心、肝、脾、肺、肾, 精密称取各组织的重量, 置于消化罐中, 按“2.1.1”项下处理后测定。

2.1.3 回收率和精密度试验

取已测定Fe含量的未给药小鼠的心、肝、脾、肺、肾, 置于消化罐中, 精密称取各组织的重量, 加入低、中、高3个浓度的Fe标准系列液, 按“2.1.1”项下处理后测定。1 d内重复测3次, 连续测3 d。

2.1.4 稳定性试验

取未给药小鼠各脏器的消化液密封保存在4℃的环境中, 于当天和第2、第3天分别测定各脏器样品3次。

2.2 结果与讨论

2.2.1 标准曲线的绘制

取光谱纯Fe原液, 配制成10~100 mg·m L-1的储备液, 用储备液配制Fe标准系列溶液, 使其浓度分别为:1.00, 2.00, 3.00, 4.00 mg·L-1, 按仪器的工作条件进行测定, 由仪器自动建立标准曲线, 仪器自动储存备用, 相关系数为0.9992, 线性范围为:0~4.00 mg·L-1, 回归方程Y=5.9876X+3.2654。

2.2.2 精密度试验

各脏器低、中、高3种浓度日内精密度均小于4%, 日间精密度均小于6%。

2.2.3 稳定性试验

将每天测定的结果与当天测定结果比较, 储存3 d时样品损失小于4%, 说明小鼠各脏器样品至少稳定3 d。

2.2.4 回收率试验

表1给出了原子吸收光谱法测定回收率的结果。

由精密度和回收率实验结果可知, 本法测定小鼠体内Fe的分布可靠、准确。

2.2.5 各脏器中Fe3O4含量测定结果

将所得的各个时间点的不同脏器的Fe含量减去空白组相应脏器的Fe含量, 即为给药后每个脏器实际增加的Fe含量, 再将其换算成给药后每个脏器实际增加的Fe3O4的含量, 从而可计算Fe3O4对不同脏器的靶向率, 即:

Fe3O4在各组织器官中的分布不同, 在肝脏、脾脏中含量较多, 显示肝脏、脾脏可能为其体内作用的靶器官。其中, 注入1 h时在肝脏中百分比为36.84%, 占整体放射性的76.54%, 与文献报道的氧化铁在肝脏中达25%~82.6%结果相近。此外Fe3O4在各组织器官中的分布高峰时间不同。在心脏中的高峰为7 h和48 h。在肝脏中于注射后1 h达到高峰, 7 h之后, 肝脏中放射性随时间的延长而逐步下降, 注药后48~192 h略有增高, 随后再次下降。在脾脏中的分布曲线呈波浪形改变, 在0.25 h和12 h时浓度较高, 随后逐渐下降。肺脏在给药的一瞬间浓度较大, 之后迅速下降, 处于一定水平, 未见明显波动。肾脏含量测定中一直保持稍高于本底水平, 未见规律性改变。将血中Fe3O4值和各组织脏器中的Fe3O4值相加, 发现此时仍有约50%滞留在体内。

3 结论

本研究利用氧化法成功地合成了纳米复合粒子Fe3O4, 以葡聚糖作表面活性剂。分析了葡聚糖用量对Fe3O4粒径的影响, 研究了反应溶液的p H值、处理温度和KNO3用量对合成的纳米Fe3O4晶粒尺寸的影响。本研究在一定的溶液配比浓度下, 当反应的p H=10, 处理温度60~80℃时是得到纳米葡聚糖Fe3O4的先决条件。采用原子吸收光谱法测定葡聚糖-Fe3O4在小鼠体内的分布。用浓HNO3-H2O2微波消化处理样品, 乙炔-空气火焰原子吸收法。小鼠的心、肝、脾、肺、肾中低、中、高3种浓度加样回收率为98.80%~100.41%, 日内精密度RSD均小于3%, 日间精密度RSD均小于5%。经尾静脉给药后葡聚糖-Fe3O4主要被肝脏摄取。

摘要：采用水热法制备葡聚糖-Fe3O4磁性纳米粒子, 并建立原子吸收法测定葡聚糖-Fe3O4磁性纳米粒子生物样品定量分析方法, 研究其体内分布。小鼠的心、肝、脾、肺、肾中低、中、高3种浓度加样回收率为98.80%100.41%, 日内精密度RSD均小于3%, 日间精密度RSD均小于5%, 经尾静脉给药后葡聚糖-Fe3O4主要被肝脏摄取。

关键词：Fe3O4,纳米粒子,葡聚糖,体内

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磁性纳米粒子 篇8

对于磁性纳米环的研究, 科学家主要集中在对不同材料纳米环的制备和对不同纳米环或纳米环阵列的磁动力研究。2001年J.A.C.Bland小组研究了磁晶各向异性对比较窄的Co环形成涡旋态的作用[3];2001年他们又从实验上对表面有缺陷的纳米环的磁动力进行研究[4];2006年V.Metlushko小组研究了不对称的纳米环对涡旋态特性的影响[5];2009年Cong Feng等研究了不同形状碳纳米环的结构和能量问题[6];2009年C.Somaschini等研究了多环同心纳米环的制备, 同时研究了不同环的磁动力[7];2010年Zhang Wen等研究了纳米环磁性翻转过程的相图, 发现翻转机制与纳米环空间相对尺寸 (厚度、环宽度、半径等) 密切相关[8]。以上研究主要是通过理论上模拟不同纳米环的磁化性质来研究其涡旋态特性。随着纳米环制备技术水平的不断提高, 制备纳米环已经不再困难, 但由于磁性纳米环本身的复杂性, 对磁性纳米环的研究仍有许多需要探索的领域。本实验制备了坡莫合金 (Ni75Fe25) 纳米环, 测定了其磁化性质, 并且与理论模拟做了相应的对比研究。

1 NiFe纳米环样品的制备

本研究采用聚苯乙烯微球 (PS球) 模板法制备NiFe纳米环。聚苯乙烯微球模板法是一种效率很高而且操作简便的制备纳米环的方法, 可以在基片上制备高密度分布的纳米环结构。

1.1 NiFe材料沉积时间测定

在制备纳米环之前, 为了确定磁控溅射镀膜中NiFe材料的沉积厚度, 需要测定其沉积速率。为此使用X射线衍射仪对NiFe薄膜进行物相分析, 然后通过扫描电镜测量薄膜的厚度, 从而计算得到NiFe在磁控溅射镀膜过程中的沉积速率。

采用XRD对沉积时间t为2000s的NiFe薄膜样品进行分析, 实验所用X光波长为0.154056nm, 测量角范围为10~90°, 步长为0.02°。图1为NiFe薄膜样品的XRD衍射图谱, 图谱中的2个衍射峰分别在44.5°、52.5°, 对照PDF#88-1715得到对应的FeNi3 (111) 面和 (200) 面。

利用扫描电子显微镜 (SEM) 观察NiFe薄膜样品的断面, 测量NiFe薄膜的厚度, 扫描电镜照片见图2。图2中NiFe薄膜比较平整, 说明该环境下沉积的NiFe薄膜质量很好。由图2可知, 膜厚为495nm, 而溅射的时间是2000s, 则沉积速率v=d/t=495nm/2000s≈0.247nm·s-1。

由于PS球的直径为200nm, 所制备的纳米环高度要小于100nm, 所以NiFe薄膜厚度小于100nm, 那么在同样的磁控溅射环境, 最大的沉积时间为:tmax=dmax/v=100nm/ (0.247nm·s-1) ≈405s。

1.2 NiFe纳米环的制备

NiFe纳米环的制备流程为:通过直接滴加法将PS球溶液滴加到硅片上, 置于干燥箱中干燥成膜, 制成PS球模板;然后使用磁控溅射镀膜仪在PS球模板上镀一层厚度为100nm的NiFe薄膜;再用氩离子束刻蚀模板, 刻蚀方向垂直于模板表面, 只有被PS球遮住的NiFe薄膜没有被刻蚀掉, 这样就形成了NiFe纳米环结构;最后用甲苯清洗掉PS微球。以NiFe合金靶作为磁控溅射靶材, 制备得到单层的NiFe纳米环。

2 NiFe纳米环基片的表面形貌研究

利用SEM研究了NiFe纳米环基片的表面形貌, SEM照片如图3所示, 其中, (a) 和 (b) 分别为单个NiFe纳米环的表面形貌和NiFe纳米环的局部分布情况。图3 (a) 显示出单个纳米环, 其外径、内径、厚度分别约为300nm、200nm、50nm, 呈倒立的帽子形态和明显的环状。图3 (b) 显示出NiFe纳米环在基片上呈单分散无规则分布, 可以计算出在1cm2面积内约有107个纳米环, 说明PS球模板法制备的NiFe纳米环结构分散性好, 但是分布无规则且不够密集。

纳米环在基片上的理想分布是点阵分布 (分布均匀, 排列规则, 无团聚现象) , 因此要制备理想分布的纳米环, 需要改进PS球模板制备方法。NiFe纳米环样品分布不够密集, 主要原因是PS球溶液浓度低, 导致在干燥成膜后基片上的PS球分布稀疏, 单位面积上的PS球少;NiFe纳米环样品分布无规则, 主要原因是PS球溶液滴加方法不够完善, 致使干燥成膜后PS微球的分布无规则。适当增加PS球溶液浓度, 并改进溶液滴加方法, 得到纳米环点阵分布是可行的。

3 NiFe纳米环的磁性研究

3.1 NiFe纳米环样品的磁性研究

采用振动磁强计 (VSM) 分别测量了NiFe连续薄膜和NiFe纳米环的磁化曲线, 结果见图4。比较NiFe薄膜和NiFe纳米环的磁化曲线可知:NiFe纳米环的磁滞回线有明显的磁化转变点, 对应铁磁性纳米环的特殊翻转过程。磁化状态的转变过程有两种:涡旋态形成过程 (V过程) 和双畴态旋转过程 (O过程) [9]。当纳米环的尺寸在微米以下时, 磁化反转过程实际上是V过程和O过程的叠加, 二者是同时存在的, 通过分析磁滞回线可以估计各自在磁化过程中占有的比例。NiFe纳米环在磁滞回线循环过程中大约有30%的环经历了V过程。

3.2 OOMMF理论模拟NiFe纳米环磁化翻转过程

采用Object oriented micro magnetic framework (OOM-MF) 软件研究了NiFe纳米环磁化翻转的V过程, NiFe纳米环的各项参数为:交换作用系数A=1.0×10-6 erg/cm, 饱和磁矩Ms=800emu/cm3, 磁晶各向异性常数K1=1.0×103erg/cm3 (1emu=10-3 A·m2, 1erg=10-7 J) 。NiFe纳米环磁化翻转过程的微磁模拟结果见图5, 可见V过程为:双畴态→涡旋态→反向双畴态→涡旋态→双畴态。

在纳米环平面加一个平行于x轴且强度大于饱和场的外场H时, 就会出现a状态, 即双畴态 (Onion state) , “head”部分的磁化方向都指向x轴正向;当外场减小, 直至0Oe, 显示以下过程:b (1) 显示双畴态开始向涡旋态翻转, “head”部分的磁化方向慢慢翻转, 导致上半圆的畴壁逐渐长大, b (2) 中显示了上半圆畴壁已经长大到一定程度;当外场反向增大到一定程度时, 上半圆已经完全被下半圆“吞噬”, 就形成了c图的涡旋态 (Vortex state) , 此时纳米环的磁化强度接近零值;继续反向增大外场, 涡旋态开始向反向双畴态 (Reversal onion state) 翻转, d图显示了下半圆的磁化方向的翻转过程;当反向增大外场到饱和值时, 涡旋态翻转直到形成e图所示的反向双畴态, 可以看到“head”部分磁化方向都是指向x轴负向;达到反向磁化饱和后, 减小外场到0Oe, 然后继续正向增大外场, 可以依次看到下面几个自旋组态图所示的磁化状态, 其中f (1) 、f (2) 表示由反向双畴态向涡旋态翻转的过程, g表示涡旋态, h (1) 、h (2) 表示由涡旋态向双畴态翻转的过程, i与a是同一状态, 都表示双畴态, 说明经过以上几个磁化翻转过程, 双畴态又回到了原来的状态。

本研究成功模拟出NiFe纳米环磁化翻转过程中的V过程。实验所得的磁化曲线是V过程和O过程磁化曲线的拟合, 在VSM所测量的NiFe纳米环磁化曲线的磁化翻转的过程中, V过程占30%的比例, O过程占70%的比例。

4 结论

测定了射频磁控溅射过程中NiFe合金的沉积速率, 为0.247nm·s-1。用X射线衍射仪分析了连续NiFe薄膜的物相特征, 为FeNi3结构, 衍射峰 (111) 面强度远远大于 (200) 面, 说明NiFe薄膜在磁控溅射生长时择优取向为 (111) 晶面。通过离子束刻蚀PS球模板上的NiFe薄膜得到了NiFe的纳米环, 同时用SEM观察, 可以看到纳米环的分布为单分散分布, 虽然与理想的纳米环点阵结构相比其分布不够规则和密集, 但是通过改善PS球模板的制备方法, 制备出规则的纳米环点阵结构是可行的。使用VSM测定了纳米环的磁化曲线, 可观察到NiFe纳米环磁化过程中的两个稳定状态, 即涡旋态和双畴态, NiFe纳米环在磁滞回线循环过程中大约有30%的环经历了涡旋态形成过程。通过OOM-MF微磁模拟软件模拟NiFe纳米环的磁化翻转过程中的V过程, 观察到了不同磁化状态下的自旋组态。

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有序磁性纳米结构材料的研究 篇9

有序磁性纳米结构是以纳米尺度的磁性物质结构单元为基础, 按一定的规律构筑或营造的一种新的体系, 这些基本结构单元主要包括磁性的纳米微粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米丝等。磁性纳米材料虽然具有很多独特的性质, 但无序的排列并不能在宏观上体现这些性质;而有序的磁性纳米结构, 在宏观聚集体中以有序的几何构型, 使宏观的磁性效应能够得到很好的控制和修饰。从实际应用讲, 有序磁性纳米结构也是制作磁性随机存取存储器、高密度磁记录介质、磁开关和微机械传感器等微小型器件的基础, 因此有序磁性纳米结构的制备技术成为发展磁性纳米器件的关键。

二、有序磁性纳米结构制备技术研究现状

1. 平板印刷术

平板印刷术是制备有序磁性结构传统的方法。它是在外层掩膜的基础上利用不同的光源辐照适当的光刻胶而形成二维或三维的图案, 再利用湿法或干法刻蚀术或者后续的沉积技术等一系列手段来实现图案的转移过程。辐照光源的波长决定了平板印刷术的分辨率, 因此要得到不同特征尺寸和几何形状的图案结构, 可以通过使用具有不同波长的光源, 比如紫外可见光、电子束、离子束和X射线等。目前用于制备磁性有序纳米结构的印刷术中较常见的主要有:电子束印刷术、X射线印刷术、干涉或全息印刷术等以及基于原子力显微镜和扫描隧道显微镜一些印刷术, 比如浸笔纳米印刷术等。

2. 自组装法

自组装是生命最本质的内容之一, 如人体体内的蛋白质、核酸等复杂的超分子系统正是通过自组装而形成的。在化学合成方法中, 自组装法是一种获得磁性有序纳米结构的最有效的方法。所谓自组装, 是指原子在底物上或溶液中自发地排列成有序的空间结构。自组装过程是不需要人为干涉介入, 而溶液中的原子、分子、分子团和组件自动排列成有序的一维、二维甚至三维空间结构的过程, 其主要原理是通过分子间力的协同作用和空间互补, 如静电吸引、氢键、疏水性缔合等来形成一定结构的体系。自组装过程的关键是界面分子识别, 它是两个自组装的分子通过一种界面驱动力来产生特定结合的过程, 这种驱动力可以通过加入额外连接分子的方式实现, 比如表面活性剂。其驱动力包括氢键、配位键、堆积效应、范德华力、静电力和长程作用等。根据合成原理的不同, 自组装法可以分为蒸发溶剂组装法、模板诱导组装法和外界磁场诱导自组装法。

在蒸发溶剂组装法中, 形成有序结构的驱动力主要是范德华力, 因此蒸发溶剂组装法的关键点为:两个结合单元、界面层分子 (表面活性剂) , 以及组装过程中的驱动力过大造成的粒子团聚问题, 因此粒子间的排斥力和不可逆聚合力应该在一定的范围之内, 但是磁性纳米结构材料往往由于自身磁性偶极子的相互作用而产生不可控的团聚, 很难通过化学合成的方法获得稳定的有序纳米磁性结构材料。

模板自组装合成的原理很简单, 设想存在一个一定尺寸 (纳米) 的孔, 让材料的成核和生长就在该孔里发生, 则在反应完毕后, 孔的大小和形状就决定了产物的尺寸和结构, 这些孔就可以理解为模板合成法中的模板。具有纳米孔道阵列的多孔氧化铝、介孔分子筛和多孔Si O2等是应用最广泛的模板, 常用来制备磁性纳米线或棒的有序阵列结构。模板法来制备有序磁性纳米结构材料可以有效的排除磁性材料自身的磁相互作用引起的团聚等现象;一些人造或天然的高分子材料, 如聚苯乙烯、蛋白质和DNA等也也被用来作为制备磁性有序纳米结构的模板。模板合成技术可以同时解决颗粒尺寸、形状控制和分散稳定性问题, 因此利用和设计模板就显得尤为重要。

通常可以通过调节外界温度、气氛、压力等来控制磁性纳米粒子的合成及组装特性, 但是为了更好的人为操纵纳米粒子的自组装行为, 磁场同样也应该可以用于操纵纳米材料的组装行为并构建有序的磁性纳米结构。磁场诱导自组装法就是在合成过程中, 外加磁场对合成过程中磁性粒子的运动和组装特性进行人为干预。磁场诱导合成有序磁性纳米结构的研究在国际上还较少, 国内熊等在这方面开展了一些工作, 其面临的主要问题是磁性纳米粒子的稳定性和粒子之间的不可逆团聚, 通过在其表面包覆“惰性”材料来形成所谓的壳层结构, 这些壳层材料的存在不仅可以解决磁性纳米粒子的稳定性问题以及不可逆团聚问题, 而且可以一定程度地调节磁性纳米粒子间的相互作用, 在结构和性质调节都有突破。

利用平板印刷术来制备有序磁性纳米结构已经得到现代化生产的应用, 但是设备昂贵、工艺流程复杂以及分辨率较低等因素制约了其发展, 而利用各种自组装技术来制备得到有序磁性纳米结构材料正逐渐受到研究人员的关注, 但由于磁性纳米粒子本身磁相互作用容易破坏结构的有序性, 因此自组装技术还停留在研究阶段, 预期未来可以广泛地采纳到有序磁性纳米结构材料的组装现代化应用上去。

有序的磁性纳米结构不仅具有很重要的基础研究价值, 同时也是制作磁存储器等微小型器件的基础。因此探索获得有序磁性纳米结构的新方法, 揭示有序磁性纳米材料的微观作用机制对进一步器件的应用有着重要的意义。

参考文献

[1]J.I Martín, J.Nogués, etc.J.Magn.Mater.256 (2003) 449

[2]J.Z.Zhang, Z.L.Wang, J.Liu, S.W.Chen, etc.Self-Assembly, Kluwer Academic Publishers, 2004

制备磁性纳米材料的研究进展 篇10

关键词：纳米材料,磁性,制备

1 引言

纳米科技发展于20世纪九十年代, 人们研究发现, 当材料尺寸缩小到纳米级别时, 材料的许多宏观性能发生很大改变。具有很多特殊性质, 如:表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等[1,2]在纳米材料研究领域中, 磁性材料的研究受到诸多学者的关注, 由于磁性的存在, 纳米粒子的一般性质在磁性纳米粒子上有特殊的表现形式, 主要表现在超顺磁性、高矫顽力和磁化率等方面, 使磁性纳米材料在许多行业得到了广泛应用并具有巨大的应用前景。

2 制备磁性纳米粒子的物理方法

磁性纳米粒子合成的关键是防止纳米粒子团聚, 如果团聚现象出现, 会导致材料粒径不处于纳米级别, 从而导致失去超顺磁性。常用制备纳米磁性材料的方法大致可分为两类, 物理法和化学法, 物理方法有球磨法、溅射法等, 化学方法有共沉降法、辐射合成法、液相沉积法、热液法等[3,4]。

2.1 球磨法

高能球磨法有成果机械合金化法, 是目前最为普遍的制备纳米材料的方法, 相较于其他制备方法, 高能球磨法具有低成本, 设备简单、适合于大规模生产等诸多优点。它的基本原理是在干燥的容器内, 通过反复的机械研磨来诱发化学反应或诱导材料组织、结构和性能的变化, 使晶粒不断细化, 最终达到纳米尺寸, 从而得到新材料。但它的缺点是制备的纳米粒子易团聚, 使粒径增加, 也易混入杂质。

刘琪等采用高能球磨法制备片状羰基铁, 通过研磨速度和时间的研究发现, 增加研磨时间和降低研磨速度均可有效改善电磁性能。在转速为250r/min, 研磨16h时铁粉出现片状化结构, 以其制备的复合材料当厚度为1.5mm时, 其反射率小于-10d B的带宽为7.5GHz, 最低反射率损耗为-29d B;张柯等采用机械球磨方法制备Fe-C单相固溶体纳米晶粉体材料, 球磨时间大于85h后, 颗粒和晶粒尺寸均趋于稳定。Ding以球磨法制备出粒径约为25nm、磁性能优异的CO0.5Fe2.5O4铁氧体。

2.2 溅射法

溅射法是在两金属板间施加电压, 以溅射方法制备纳米微粒。具有可制备不同熔点的纳米金属、制备多组元的纳米颗粒和产量较高等优点。潘成福通过对溅射时间、氩气压强及两种金属比例, 用溅射法同时将铁和氧化铝溅射到同一衬底制得铁微粒薄膜。

3 制备磁性纳米粒子的化学方法

3.1 共沉降法

共沉降法适用于在Fe2+和Fe3+盐的水溶液制备高纯度纳米粒子, Maaz用化学共沉淀法合成了粒径为15-48nm的Co Fe2O4纳米颗粒, 其矫顽力在28nm附近有最大值。Kuo在一定条件下, 用氢氧化钠沉淀Fe2+、Fe3+成功制备纳米级Fe3O4。Tang以相同的方法在100℃制备得到了Mn Fe2O4三元体系的氧化物。

3.2 辐射合成法

γ射线是一种可以将金属还原的方法, 以辐射法制备的纳米材料具有周期短、常温常压、纯度高等优点。近年来越来越得到研究人员的青睐。赵弘韬以磁场辅助γ射线制备磁性金属纳米粒子, 发现磁场的引入可以实现纳米钴及纳米镍的有序排列, 且磁场强度对排列程度有较大影响。

3.3 液相沉积法

刘颖在液相还原法制备纳米铁粉过程中加入碱性介质, 发现在有碱性介质存在的条件下, 纳米铁粉微观聚集状态发生变化, 呈非晶态;王翠英等在C2H5OH-H2O为溶剂的条件下, 通过含镍盐对制备的纳米铁进行电化学修饰, 制备出多层复合的纳米结构;张锡凤等在12-丙二醇体系中加入多种物质混合共同作为修饰剂, 制备多种形貌球型多晶纳米镍。

3.4 热液法

热液法包括水热法和溶剂热法, 热液法具有价格便宜, 具有可调性和操作性强等优点。

Park以高温热分解CO2 (CO) 8来制备钴纳米晶, 发现改变外包裹层Na AOT和油酸的用量可以控制生成的钴纳米晶粒径。彭韬等用溶液合成法制备COFe2O4纳米粉体, 发现制备的粉体粒径分布均匀, 平均为5nm, 热处理后具有良好的顺磁性。

4 结束语

随着现代科技日新月异的发展, 人们对于材料的需求也在逐渐加大, 纳米磁性材料除具有普通纳米材料的基本性能之外, 还具有优异的磁学性能, 具有广阔的应用前景。制备纳米磁性材料的方法仍然有待发展, 这也将对于推动纳米材料的开发研究和应用起到积极的作用。

参考文献

[1]张效岩, 王英, 张亚非.磁性纳米粒子的制备及应用[J].磁性材料及器件, 2004, 35 (6) :14-17.

[2]张立德, 牟季美.纳米材料和纳米结构[M]北京, 科学出版社, 2002:74-79.

[3]郑方才.磁性纳米复合材料的制备及性能研究[D].安庆:安庆师范学院, 2012.