超顺磁性纳米Fe3O4粒子低温燃烧-碳热还原合成机理研究

超顺磁纳米Fe3O4粒子具有饱和磁化强度高、生物相容性好、性质稳定、无毒性等特点，是一种可用于靶向药物载体的生物磁性纳米材料。因Fe3O4在粒径30nm以下具有良好的超顺磁性，因此，用于靶向药物载体的纳米Fe3O4粒子必须是小于超顺磁临界尺寸的窄粒度分布纳米粒子。本项目采用申请人发明的低温燃烧-碳热还原法，通过葡萄糖中有机碳裂解成高活性碳原子，还原低温燃烧得到的纳米α-Fe2O3粒子，合成具有超顺磁性、粒径均匀的纳米Fe3O4粒子，阐明其合成、超顺磁临界尺寸Fe3O4控制的机理，提出纳米粒子长大模型，解决磁性纳米粒子的粒径小于超顺磁性临界尺寸和分布均匀性的难题，提高纳米粒子的球形度和磁响应性能。本项目首次采用低温燃烧-碳热还原法制备具有超顺磁性的纳米Fe3O4粒子并深入分析其合成及粒径控制机理，不仅丰富了纳米材料的制备技术、生物磁性纳米材料的基础理论，而且对靶向药物载体材料研。

纳米Fe3O4颗粒作为一种重要的磁性功能纳米材料，因其高的饱和磁化强度、较好的生物相容性、无毒性、低廉的价格等优点，被广泛应用于靶向药物载体、生物分离、磁共振成像、免疫检测等领域。. 首次采用低温燃烧-碳热还原法，制备出粒径分布均匀、磁响应性优良的纳米Fe3O4颗粒。利用X射线衍射（XRD）分析碳热还原产物的物相，振动样品磁强计（VSM）测试制备的纳米Fe3O4颗粒的磁性能，用扫描电镜（SEM）和投射电镜（TEM）对颗粒的形貌进行了表征。通过对反应体系的热力学计算和差热分析（TG-DAT），研究有机碳源的用量、反应温度及时间对碳热还原反应产物物相、纯度的影响机制，研究低温燃烧-碳热还原合成机理。. 首先用低温燃烧合成法制备纳米Fe2O3颗粒，研究结果表明：低温燃烧法可以快速的、小批量的生产纯相的纳米Fe2O3；反应体系的pH值、溶液浓度、表面活性剂、螯合剂种类等对纳米Fe2O3的晶粒尺寸（D0）有影响。研究表明：反应体系的pH=6、Fe(NO3)3:C6H8O7(柠檬酸，为螯合剂)=1:1(摩尔比)，[Fe(NO3)3+C6H8O7]:H2O=1:2(质量比)、螯合温度为60℃时，Fe2O3的D0为35.0nm；螯合剂为C3H4O2(丙烯酸)时，Fe2O3的D0为30.7nm。.其次通过对Fe2O3-C体系进行化学热力学分析表明：Fe2O3和C在305.46～700℃之间可以发生碳热还原反应生成Fe3O4，C6H12O6(葡萄糖)分解成活性C原子将Fe3+部分还原为Fe2+得到纳米Fe3O4粒子。. 最后以葡萄糖作为有机碳源与Fe2O3发生碳热还原反应，研究表明：当C6H12O6和Fe2O3的摩尔比（P）大于等于1:24时，C6H12O6和Fe2O3的混合物在650℃的氩气下还原2h后均可得到纯相的纳米Fe3O4颗粒；P=1:24的C6H12O6和Fe2O3的混合物在500～650℃下保温0.5～2h可以得到纯相的近球形纳米Fe3O4颗粒，晶粒尺寸约40-50nm。该纳米Fe3O4具有良好的磁响应性，饱和磁感应强度（Ms）随着晶粒尺寸的增大而逐渐上升，最大可达到97.99emu/g。