磁性納米粒子特別是FesO4磁性納米粒子以 其優越的物理特性，在生物醫學領域具有廣泛的 應用前景，例如在酶和蛋白質固定、磁流體熱療、 磁共振對比劑、免疫測定、生物分離、磁靶向製劑 等領域.通過用有機生物高分子對FesO4磁性納 米粒子進行表麵修飾，可以賦予其良好的生物特 性和反應特性，除了天然生物高分子[1]如葡聚糖、 澱粉、多肽和蛋白質等以外，現己合成了多種具有 良好生物相容性和生物可降解性的高分子[2]如聚 乙二醇、聚乙烯醇、聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物、 聚(N-異丙基丙烯酰胺)及其共聚物等.聚丙烯酰 胺作為一種應用廣泛的合成水溶性高分子，以其 良好的親水性和生物相容性以及易於功能化等特 點，已逐漸在生物分離、血液淨化、免疫調整、免疫 診斷和藥物緩釋等生物醫學工程領域中顯示出應 用潛力[3].用聚丙烯酰胺對F®O4磁性納米粒子 進行表麵處理，可改善納米FesO4的生物相容性， 同時賦予其較好的反應特性，從而為磁性納米粒 子的進一步表麵功能化設計提供化學選擇.

高分子的生物相容性不但與分子結構和化學 組成有關，同時也與分子量及分子量分散度密切 相關，因此生物醫用高分子的製備要求合成方法 可以調控分子量和獲得窄的分子量分散度.原子 轉移自由基聚合不但可用於眾多易於製備的單體 和引發體，而且還提供了一條獲得低分散性、可控 製分子量大小的有效合成途徑[4].本研究通過原 子轉移自由基聚合在Fe?O4磁性納米粒子表麵接 枝聚丙烯酰胺高分子，首先在Fe3O4磁性納米粒 子表麵引入Si-H鍵，再通過選擇性的矽氫加成 反應製備了高純度的端基帶溴的磁性引發劑，最 後通過這個新設計的引發劑與原子轉移自由基聚 合技術的結合，製備了聚丙烯酰胺修飾的Fe3O4 磁性納米粒子.

1實驗部分

1.1試劑

丙烯酰胺、三氯矽烷、Ni(PFh3)2Br.2、3,-二甲 基-戊烯酸甲酯、-溴異丁酸乙酯和鉑催化劑 (Pt(dvs)，1，1，3,-四甲基>1，3■二乙烯基■二矽氧 烷合鉑(0))從美國Aldrich公司購買.三乙胺、二 氯甲烷、甲苯、亞硫酸鈉、三氯化鐵、鹽酸和氨水皆 從國內購買.氨水為25%c ~ 28%c的濃氨水.丙烯 酰胺在使用前用甲醇作溶劑，結晶提純，幹燥後密 封保存.三乙胺、二氯甲烷和甲苯分別加入氫氧化 鉀、氫化鈣和鈉蒸餾處理，在氮氣氣氛中保存.其 它試劑為分析純試劑皆直接使用.

1.2儀器和測試方法

除特別說明，所有反應均在氮氣氣氛中進行. iftNMR 和13 C-NMR 分別由 GE300 300 MHz 和 75 MHz傅立葉核磁共振儀記錄.紅外光譜由Biuker FS48傅立葉紅外光譜儀記錄.元素分析在 PE2400型元素分析儀上完成.分子量及其分布用 Wate-515型凝膠滲透色譜儀測量，柱溫30°C，0. 1 moVL的NaNO3水溶液為流動相，窄分布聚乙二 

醇為標樣，流速0.5 mL/min,根據文獻[5]的方法 校準和計算.玻璃化轉變溫度和分解溫度用 SeikoTK/DSC-220差熱掃描量熱儀測量.高分辨質 譜HRMS由Biuker Proflex III獲得.XRD分析采用 日本理學Q^Mac 2400型X射線衍射儀，選用 Cu Ka射線（入=0■ 15405 nm).磁性能采用美國 ADE技術公司的4HF型振動樣品磁強計(VSM)進 行表征.

1-3合成

1.3. 1 Fe3〇4磁性納米粒子將三氯化鐵溶於

1 m〇]/L的鹽酸中製成1 mo^L的FeCh鹽酸溶液， 取60 mL該溶液於一 800 mL的燒杯中，用去離子 水稀釋至600 mL，在磁力攬摔下將20 mL 1 m〇VL 的NazSft溶液加入該燒杯中，混合後可看到溶液 由淡黃色變成紅色，繼續反應，當看到溶液由紅色 變成黃色時，迅速將其倒入事先準備好的裝有 100 mL濃氨水的燒杯中，可看到黑色沉澱生成， 在30 °C下繼續攪拌反應30 min，過濾，去離子水反 複洗潘，幹燥後得固體粉末4. 64 g，粒徑在25 nm 左右.

1.3.2化合物2(3，-二甲基^4•戊烯醇）在

0°C、氮氣氣氛下，將氫化鋁鋰(4. 2 g，110 mmol)加 入150 mL蒸餾過的乙醚中並攪拌，用30 min滴加

3,3■二甲基■-戊烯酸甲酯（14.2 g，100 mmol)，滴 加完畢後，緩慢將其升至室溫，再繼續攪拌6 h.然 後在1 h內滴加15 mL蒸餾水於反應瓶內中止反 應，再加入50 mL 6moVL的鹽酸水溶液，分離出 有機層，用飽和的氯化銨水溶液洗滌(2 x 30 mL)， 再用無水硫酸鎂幹燥後減壓除去溶劑，真空幹燥， 得到11.2 g的無色液體產物，產率98% . ^NMR (CDCl3, 8)：0. 98 (s，3H，CH3)，1.52 (s，1H，OH)， 1.57 (t，JH-H= 4. 8Hz，2H，CH2)，3. 60 (t，JH-H =

4.8 Hz，2H，CH2)，4_ 91 (m，2H，CH2 =)，5. 80 (m， 1H，CH =); 13C-NMR(CDCl3，8)： 27.21，35. 92, 45. 24, 60. 31，110.96, 148. 41;元素分析計算值 C7H14O: C 73.74, H 12.30,測量值 C 73.58, H 12.29; HRMS 計算值 C7H14O 114 68,測量值 114. 67.

1.3.3化合物3(-溴異丁酸>3,3■二甲基■-戊烯 酯)在0°C、氮氣氣氛下，將化合物2(5. 7g，50

mmol)和10 mL蒸餾過的三乙胺混合加入150 mL 蒸餾過的二氯甲烷中並攪拌，緩慢滴加-溴異丁 酰溴(11. 5 g，50 mmol)，立刻產生白色沉澱.整個

滴加過程在30 min內完成，待反應混合物升至室 溫後，繼續攪拌反應6 h.然後加30 mL蒸餾水於 反應瓶中，分離出有機層，用飽和氯化銨水溶液洗 滌(2x 30 mL)，再用無水硫酸鈉幹燥後減壓除去 溶劑，真空幹燥，得到12 1 g淡黃色液體產物，產 率 92%. 1H-NMR(CDCl3, 8)： 1.04 (s，6H，CH3)，

1. 68 (t，JH-H =4. 8 Hz，2H，CH2)，1.90 ( s，6H，

CH3)，4.14 (t，JH-H= 4.8 Hz，2H，CH2)，4. 92 (m，

 13

2H，CH2 =)，5.77 ( m，ffi，CH =);C-NMR

(CDCl3，8)： 27. 22, 30.99, 35. 90, 40.32, 56. 12，

63. 89, 111.51，147. 33, 171.92, 206.59;元素分析計 算值 C"HBBr〇2:C 50.20，H 7.28, Br 30.36,測量 值 C 50. 23，H 7.41，Br 30. 39;HRMS 計算值 CnHw a〇2 263.18,測量值 263.18.

1. 3. 4聚丙烯酰胺修飾的Fe3〇4磁性納米粒子5 和聚合物6將Fe3〇4磁性納米粒子(4.64g, 20

mmol)加入50 mL的甲苯和三乙胺的混合溶劑中，

在60 °C，氮氣氣氛下攪拌，用30 min滴加三氯桂 烷(2. 71 g，20 mmol)，恒溫反應5 h.反應產物過濾 後真空下幹燥，得到4.7 g固體.在氮氣氣氛中，

將所製得的固體（2. 35 g, 10 mmol)和化合物3 (1.32 g，5 mmol )加入50 mL蒸餾過的二氯甲烷 中，然後加入10 mL濃度為20 mmoVL的Pt(dvs)

的甲苯溶液.反應體係在50°C下回流反應20~

25 h.待反應結束後，過濾，用甲苯、二氯甲烷反複 洗滌除去鉑催化劑，聚丙烯酰胺修飾磁性納米粒子的製備與表征，真空幹燥，獲得磁性引發劑 2.61 g.在圓底燒瓶中，按比例依次加入磁性引發 劑4、化合物7(2r溴異丁酸乙酯）、催化劑Ni (PPh3)2Bi2、丙烯酰胺和二甲基甲酰胺，並且連接 到真空，待混合物排氣3次後，將圓底燒瓶密封在 部分真空狀態.反應在避光、100 °C條件下進行 16 h.降至室溫後，所獲得的固體產物，先用四氫 呋喃和丙酮洗滌除去鎳催化劑，再用水反複洗滌，

過濾後所得的沉澱物即為聚丙烯酰胺修飾的 Fe〇4磁性納米粒子5;然後再向過濾後的水洗液 中加入甲醇進行沉澱純化，得到的白色沉澱物在 真空加熱(80°C)下幹燥12 h，該沉澱物即為聚合 物6.聚丙烯酰胺修飾的Fe3〇4磁性納米粒子5的 Tg 為 98~ 104 °C; Td 為 235~ 245 °C; FTIR( KB.，V， cm-、： 1660(0 =C)，3345(NH2).聚合物 6 的1 NMR( D2O, S) : 1. 3~ 1.7( br, 2H，CH2)，1.9~ 2. 3 (br，1H，CH) ; FTIR( KBr，V, cm- 1): 1658( ^ = C)， 3344(NH2).

2結果和討論

2.1合成

Fe3〇4磁性納米粒子是通過對文獻報道[6]的 方法加以改進，用FeCls和Na2S〇3在氨水溶液中 采用共沉澱法製備.影響納米Fe3〇4粒徑的因素 主要是反應物濃度、反應物比例、反應時間、反應 溫度和溶液的pH值，通過調節這些因素可以製 得不同粒徑的納米Fe3〇4.最後我們選擇反應物 FeCl3和Na2S〇3的濃度均為1 mo]/L,摩爾比為3 1,控製溶液的pH值為9,在30 °C反應30 min.

圖1為所得產物的XRD圖譜.由特征峰值 4.8293(111), 2.9553(220), 2.5229( 311), 1.4799 (222) ,2.0986(400)所對應的麵間距(d值)與粉末 衍射標準聯合會（JCPDS)編製的標準粉末衍射 (PDF)卡片中19^0629卡片的d值基本一致，說明 該產物為麵心立方(fee)尖晶石結構的Fe3O4,衍

射譜線無雜峰,說明產物的純度很高，並且結晶度 較好.按照Deby— Scherrer公式：

D = K ^cos0)

其中,D為晶粒尺寸;K為晶粒的形狀因子，取0. 89;入為入射線波長，取0. 15405 nm; 0表示垂直 於[311]晶麵方向衍射峰的半高寬，取0■ 00984 rad (rad為角度的弧度製單位)；0為布拉格角，計算 得平均晶粒大小為25 nm.

 

Fig. 1 XRD of Fe3 O4 magnetic nanoparticles

原子轉移自由基聚合的鏈增長要求以鹵素 (如Cl，Br)為端基的化合物作為引發劑.本文所設 計采用的磁性引發劑4的製備見圖2.首先，將 Fe3〇4磁性納米粒子和三氯矽烷在甲苯溶液中於 60°C下進行反應，用三乙胺作為縛酸劑，在納米 Fe3〇4表麵引入Si-H鍵.同時，將3,3^二甲基^ 戊烯酸甲酯與氫化鋁鋰反應約3 h，形成具有端羥 基的烯烴化合物(產率98%);然後在三乙胺存在

下,與乙基■ 2■溴丁酸反應約2 h，得到化合物3(產 率92% );最後在鈷催化劑Pt (dvs)的作用下，表麵 Si-H化Fe3〇4磁性納米粒子和化合物3通過矽 氫加成反應得到磁性引發劑4.此反應需要20〜

25 h完成.這種具有選擇性的a位矽氫加成反應 歸結於化合物3的Y碳位上的兩個甲基對0碳位 的空間位阻，從而抑製了 0位加成反應的發生[.7]

聚丙烯酰胺修飾的Fe3〇4磁性納米粒子是由 丙烯酰胺與磁性引發劑4通過原子轉移自由基聚 合而製得（圖2).由於直接對Fe3〇4磁性納米粒子 表麵的聚丙烯酰胺進行表征比較困難，因此我們 設計在溶液相中加入化合物7,讓化合物7與丙 烯酰胺通過原子轉移自由基聚合製得聚合物6 (圖3),通過表征聚合物6來間接對Fe3〇4磁性納 米粒子表麵的聚丙烯酰胺進行表征.丙烯酰胺在 使用前須純化，否則其中少許的丙烯酸會導致高 分子的交聯.聚合反應在減壓狀態和100 °C下進 行約16h，Ni(PPh3)2Br2作催化劑.值得注意的

是，如果采用通常的催化劑CuX(X= Cl，Br)，聚合 反應不能進行，聚丙烯酰胺修飾磁性納米粒子的製備與表征，Rademacher等認為酰胺基團絡合 到銅鹽上,導致自由基變得穩定，從而終止了聚合 反應的進行[8].按照原子轉移自由基聚合的反應 條件，在未加引發劑時，沒看到任何沉澱物出現， 表明在該聚合條件下，丙烯酰胺不會發生自聚.聚 合物6的分子量通過調整丙烯酰胺單體與化合物 7的摩爾比來控製，且始終保持化合物7與磁性 引發劑4中所含Fe3〇4的摩爾比為1: 1.

2.2表征

聚合物6的分子量通過GPC測量，水為流動 相.通過改變丙烯酰胺與化合物7的摩爾比，可製 備出不同分子量的聚合物6.表1給出摩爾比分 別為30、60、90和120時所形成的聚丙烯酰胺的 分子量.從表1看到，隨著摩爾比的增加，分子量 大致呈線性方式增大，而且與計算值基本一致，表 現出分子量的可控性.隨著分子量的增加，分子量 的分散度也稍微變寬，這可能是由於分子量增加 影響了反應的均勻性所致.由於Fe3〇4磁性納米 粒子的表麵接枝率較低，表中計算的分子量數據 忽略了磁性引發劑4表麵接枝聚丙烯酰胺的影 響.Fe3〇4磁性納米粒子表麵接枝的聚丙烯酰胺 可用質量濃度為10%的HF脫落[9]，脫落的聚丙 烯酰胺的分子量數據見表1，可以看到從Fe3〇4磁 性納米粒子表麵脫落的聚丙烯酰胺的分子量和分散度與聚合物6的分子量和分散度基本一致，表 明化合物7和磁性引發劑4與丙烯酰胺進行聚合 時具有幾乎相同的反應速率.

Fe3〇4磁性納米粒子表麵聚丙烯酰胺的摩爾

如下公式進行估算：

摩爾接枝率=(Am/Mn) +( m/232) x 100%

其中，Am為反應前後Fe3〇4磁性納米粒子質量的 變化;Mn為測得的數均分子量；m為Fe3〇4磁性 納米粒子的質量;232為Fe3〇4的分子量.

當丙烯酰胺與化合物7的摩爾比為90時，將數據代入公式，可以估算出Fe3〇4磁性納米粒子 表麵聚丙烯酰胺的摩爾接枝率約為5% .

聚合物6的1frNMR譜和FTIR光譜均展現了 典型的聚丙烯酰胺的特征.以丙烯酰胺/化合物7 =90(摩爾比）的情形為例（圖4),在S= 1.6和 2. 2的兩個寬峰，分別對應主鏈上的CH2和CH基 團;每個寬峰均具有強度不等的雙峰結構,這是由

D2O

♦ t

76543210

S

Fi^. 41H-NMR spectrum of polymer 6 ( acrylamide/

compound 7 (mol/mol) = 90)

在對聚丙烯酰胺修飾的Fe3〇4磁性納米粒子 (以下均以丙烯酰胺/ Fe3〇4= 90( mol/mol)為例）進 行表征前，先用水對其反複進行清洗，以確保無聚 合物6的存在.聚丙烯酰胺修飾的Fe3〇4磁性納 米粒子的DSC曲線見圖6,分解溫度Td為242°C， 玻璃化轉變溫度Tg為102 °C，與文獻報道[11]的線 形聚丙烯酰胺的Tg(約165 °C)相比,實驗所觀察的 Tg明顯降低，這是由於以Fe3〇4磁性納米粒子為核 的星形結構的存在所導致的聚合物的非晶化減弱 了聚丙烯酰胺分子間的相互作用，降低了材料的內 聚能,從而導致分子鏈段運動變得更容易.

 

Fig. 6 DSC curve of polyacrylamide-modified Fe3〇4 magnetic nanoparticles

聚丙烯酰胺修飾的Fe3〇4磁性納米粒子的紅 外光譜（圖7)在3345 cm- 1和1660 cm-1附近有兩 於主鏈上碳的不同空間構形導致的[10].此外，在s =3. 3處還有一個弱峰，它對應的是甲醇CH3基 團的化學位移，這是由於甲醇分子與聚丙烯酰胺 分子間存在較強的氫鍵作用，在洗滌幹燥的過程 中還有極少量的殘留.紅外光譜（圖5)在3344 on- 1和1658 cm- 1具有兩個強的振動峰，它們分別 對應側鏈上NH2和CO的伸縮振動.

 

Fig. 5 FTIR spedrum of polymer 6 (acrylamide/ compound 7 (mol/mol) = 90)

個強的振動峰，它們分別對應於NH2和CO的伸 縮振動，這跟聚合物6的紅外光譜基本一致，隻是 峰的寬度較寬，這正展現了表麵聚合物紅外的特 征.

 

Fig. 7 FTIR spectrum of polyacrylamide-modified Fe3〇4 magnetic nanoparticles

圖8為Fe3〇4磁性納米粒子和聚丙烯酰胺修 飾的Fe3〇4磁性納米粒子的掃描電鏡照片.聚丙烯酰胺修飾磁性納米粒子的製備與表征，由圖 可知，兩種粒子均成球狀且均有一定的團聚，未修 飾的Fe3〇4磁性納米粒子的粒徑約20〜30 nm，與 XRD計算的粒徑數據基本吻合，經聚丙烯酰胺修 飾修飾後Fe3〇4磁性納米粒子的粒徑增大到30〜 40 nm，說明表麵包裹了約10 nm的聚丙烯酰胺有 機層.

 

Fig. 9 Hysteresis loop of Fe3〇4 (a) and polyaciylamide- modfied Fe3〇4 magnetic nanoparticles ( b)

 

Fig. 8 SEM images of Fe3〇4( a) and polyacrylamidemodified Fe3 O4 magnetic nanoparticles ( b)

圖9為25°C下Fe3〇4磁性納米粒子和聚丙烯 酰胺修飾的Fe3〇4磁性納米粒子的磁滯回線.由 圖可知,Fe3〇4磁性納米粒子和聚丙烯酰胺修飾

的Fe3〇4磁性納米粒子的比飽和磁化強度分別為 73 mu* g 1 和 58. 5 mu* g說明經表麵修飾後

Fe3〇4磁性納米粒子的比飽和磁化強度下降了約 20%,但仍保持了較大的值.

綜上所述,通過對Fe3〇4磁性納米粒子表麵 進行偶聯反應和選擇性的矽氫加成反應,聚丙烯酰胺修飾磁性納米粒子的製備與表征，製備了 一個端溴基的磁性引發劑,再結合原子轉移自由 基聚合技術，製得了聚丙烯酰胺改性的Fe3〇4磁 性納米粒子.該Fe3〇4磁性納米粒子表麵接枝的 聚丙烯酰胺展現出原子轉移自由基聚合技術的特 點，即分子量高度可控性和窄的分子量分布，且修 飾後的Fe3〇4磁性納米粒子仍具有較大比飽和磁 化強度.這些特性為此類聚合物修飾的Fe3〇4磁 性納米粒子在生物醫學中的應用提供了可能性, 也為Fe3〇4磁性納米粒子的更進一步功能化提供 了化學反應的選擇性.