超顺磁性磁共振对比剂的制备、表征及其性能研究

杜庆波，袁利

（1.皖北卫生职业学院，安徽宿州 234000；2.宿州亿帆药业有限公司，安徽宿州 234000；3.涡阳雪枫中学，安徽亳州 233600）

一、研究背景

超顺磁性磁共振对比剂是由顺磁性粒子和磁性微粒组成，与铁磁体相连。如果铁磁性粒子体积减小到低于磁能且小于热能的水平，那么热运动产生的磁场范围也将随机变化。这种磁性粒子类似于顺磁性粒子，由于粒子的磁矩远大于顺磁性物质的磁矩，所以也称为超顺磁性粒子。由于以上原因，Fe3O4纳米颗粒可以表现出更好的力学、电磁、光学和热特性等性能。超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的毒性很小，具有非常好的生物相容性，并且可以通过外部磁场的作用实现其取向运动。在有外磁场的情况下表现为超顺磁性，当外磁场消失时，超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的磁性消失，没有滞后。因为超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的不成对电子的磁矩和磁敏度比人体组织大得多，所以磁场强度不均匀，缩短了形成相关质子的T2或T2*的弛豫时间，信号强度降低，导致颗粒显示为黑色或暗色，因此也被称为阴性对比剂。超顺磁性Fe3O4纳米颗粒通常用于研究血流量和血容量、心肌或脑组织注入功能成像，超顺磁性Fe3O4纳米颗粒与成像速度快的磁共振成像技术相结合，也可用于肿瘤靶的多模治疗，并且它还能有助于肿瘤的定性诊断和恶性肿瘤的分期分类。在磁性铁基纳米材料中，超顺磁性氧化铁是代表性的物质，主要用于肝脏病变的诊断和鉴别诊断。近年来，超顺磁性磁共振对比剂的应用更广泛。不仅可以与磁场相互作用产生核磁共振信号，并且磁性生物传感器将磁性纳米颗粒和它的复合纳米材料通过适配器组合可以构建稳定的生物相容性。目前，磁性纳米粒子已经在众多的领域中得到使用，并且具有优良的功效。超顺磁性磁共振对比剂在医学方面有着重要的作用，它的用途非常广泛，比如辅助造影, CT检查，椎管内造影，静脉尿路造影，心血管造影等等。具有图像分辨率高、诊断准确率高、价格相对低廉、对患者辐射相对较小等优点[1-6]。

现在已经有很多方法和科技辅助手段被用来制备超顺磁性氧化铁，本实验在考虑实验仪器和试剂后选用溶剂热法来制备超顺磁性磁共振对比剂。实验是通过一系列的操作及图谱分析来确定制备的磁共振对比剂是否是超顺磁性磁共振对比剂，由文献报道可知在制备Fe3O4纳米颗粒的过程中加入PVP可以增强其造影性能。因此,本实验在制备超顺磁性磁共振对比剂的过程中加入了PVP作为表面活性剂来修饰超顺磁性磁共振对比剂。制备出了有PVP作表面活性剂的超顺磁性磁共振对比剂。超顺磁性磁共振对比剂无论是在医学方面的应用还是在材料方面的应用都极具研究意义。超顺磁性磁共振对比剂在现代的应用范围十分广泛，在医药方面超顺磁性磁共振对比剂可以增强磁共振的造影性能和对细胞进行靶向识别及筛选等作用，在材料方面超顺磁性磁共振对比剂也有着重要的研究意义。实验通过溶剂热法制备超顺磁性磁共振对比剂，通过仪器分析，了解其结构组成和其特性。超顺磁性磁共振对比剂应用范围广泛，增加PVP作为其表面修饰能够增强磁共振的造影性能，使其具有非常好的研究意义。超顺磁性磁共振对比剂在生物技术方面也有着非常好的探究潜力。近年来，磁性纳米粒子在热化疗中的应用越来越受重视，相关的动物实验也越来越多。核磁共振代谢组学方法、生物标志物监测等方法也取得了一定的进展。在医学造影方面，纳米颗粒因为其尺寸小和特别的化学性质，使其可以在特定组织和肿瘤部位形成积聚，从而可以更方便、更准确地诊断和提高治疗效果。特别是在分子成像的方面，纳米材料具有较高的比表面积，易于与染料分子和生物分子相互作用，从而形成易于跟踪的荧光靶向材料。改性后的磁性纳米粒子不仅具有较好的反应灵敏度，而且具有生物相容性，在分离纯化和一些检测方面有很大的应用价值。不同粒径的Fe3O4纳米颗粒的磁性差异会进一步导致不同粒径的Fe3O4纳米颗粒的用途不同。基于磁性纳米颗粒的这一特性，其在生物医疗领域的药物副作用、机械领域的磁致微型机器人和磁研磨技术以及采矿领域的次团聚问题的解决都具有巨大的应用潜力。本实验对制备的超顺磁性磁共振对比剂进行探究，确定其化学键的组成及其键键之间的振动方式，了解它的尺寸大小，确定其具有的超顺磁性的性能。近年来，磁性纳米粒子的应用越来越受重视，尤其是在生物医学、生物检测和纳米器械等领域。其中以铁磁性粒子为基的纳米复合材料的研究是目前研究的热点。随着相关理论研究和制备工艺的深入研究，这种新型纳米复合材料必将得到广泛的应用，在各个领域大放异彩[7-14]。

本文采用液相化学法制备了四氧化三铁磁共振对比剂，采用现代仪器分析方法对其进行了表征。研究结果表明，该方法简单易行，产率高；产物可作为潜在的磁共振对比剂。

二、实验部分

（一）实验原理

在本实验中，以乙二醇为溶剂，六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O）为原料，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为表面活性剂，通过溶剂热法制备超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒），制备了单分散的超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）修饰了超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的表面，并增强了其造影特性。对制备的超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）使用现代分析仪器进行特性分析，基于样品的结晶性、形态、尺寸、磁性特性，以180°C加热6h制备的Fe3O4纳米颗粒为对象，对制备的超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的性能进行了探究。

（二）主要试剂与主要仪器

表1 主要试剂

表2 主要仪器

（三）实验内容与方法

在30ml乙二醇中加入1mmol的六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O）和0.6g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP），在上述混合溶液中缓慢滴加水合肼1ml，然后磁力搅拌10min，之后可以得到的均匀分布的溶液。将上述制备的溶液转移到50ml以聚四氟乙烯作为内衬的反釜中，拧紧反应釜，将反应釜放入到温度为180℃的烘箱中，加热6小时，充分反应，取出反应釜使其自然冷却直到室温。收集实验样品，用无水乙醇清洗5次，放到真空干燥箱中真空干燥，备用。分析时用X射线粉末衍射仪研究其尺寸和结晶度，用扫描电子显微镜和透射电子显微镜进一步确认了其形貌和尺寸。用傅里叶变换红外光谱仪研究了超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的化学键组成。用磁性测量系统SQUID进行磁性测试。

三、结果与讨论

（一）超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4 纳米颗粒）形态的表征

图1是磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的XRD图谱，可由图谱分析出晶体结构和结晶度。图谱显示衍射峰出现在五处位置，它们的2θ值分别出现在30.3、35.6、43.3、57.2和62.8，他们分别与具有Fe3O4尖晶石结构的（220）、（311）、（400）、（511）和（440）晶面的5个衍射峰对应。由此确定合成的超顺磁性Fe3O4纳米颗粒是面心立方尖晶石相的Fe3O4，没有观察到其他杂质峰，并且衍射峰较高，表明制备样品的纯度相对较高，结晶性相对较好。

图1 磁共振对比剂的XRD

利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对分析样品的晶体结构尺寸大小和形貌得到图2，图中(a)为磁共振对比剂的扫描电镜图，从图中可以看到实验制得的样品有大量的球形颗粒。图中(b)为透射电镜图，从图中可以看到清晰的球形颗粒，直径约10 nm，呈团聚状，具有相对均匀的分散性，分散在溶剂中，肉眼看不到明显的沉降现象，所获得的超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）在形态上和粒径上几乎均匀。由实验可知制备的超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的晶体结构为面心立方尖晶石相结构。

图2 磁共振对比剂的(a):扫描电镜图和(b):透射电镜图

（二）超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4 纳米颗粒）的红外和磁性分析

图3是超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的傅里叶变换红外光谱图，其中B是PVP红外光谱曲线，C是超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）红外光谱曲线。比较两种FTIR光谱，发现由于PVP与超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的相互作用而导致它的C＝O伸缩振动（1 630 cm-1）与PVP的C＝O伸缩振动（1 670 cm-1）相比向左偏移了40 cm-1。另一方面，超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）位于1 380 cm-1和1 430 cm-1的峰值分别对应于PVP的C-N伸缩振动和C-H弯曲振动。位于超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）3 400 cm-1的吸收峰则表明，这里的宽吸收带对应于吸附在Fe3O4纳米颗粒表面上的水分子的O-H键伸缩振动。位于超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）563 cm-1的吸收峰对应于Fe-O键的伸缩振动，这是占据纳米复合材料四面体位置的阳离子（Fe离子）和氧相互作用下超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的特征吸收带。PVP的红外光谱图位于1 000 cm-1至1 030 cm-1和3 400 cm-1至3 450 cm-1的清晰频带，表明存在C-O和O-H两组振动模式。这里，位于2 880 cm-1～1 600 cm-1和120 cm-1～600 cm-1之间的频带分别对应于拉伸振动的平面变形和C-H群弯曲。另外，本实验还确定了PVP中位于1 440 cm-1频带是 C-C键的拉伸振动。

图3 磁共振对比剂的FTIR

图4是超顺磁性磁共振对比剂在室温下的磁滞回线。通过使用磁学测量系统SQUID对制备的超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的磁性进行分析得到图4，图中它的扫描磁场范围为-20 000 Oe～20 000 Oe。从图中可以发现，超顺磁性磁共振对比剂样品的室温磁滞回线在有外部磁场时呈现为“S”形。并且超顺磁性磁共振对比剂样品的饱和磁化强度（Ms）、矫顽力（Hc）和剩余磁化强度（Mr）分别为73.334 emug-1、50.336 Oe和5.411 emug-1，且都达到了0.001的显著性水平，其信度和效度都符合测量学要求。据文献报道块状Fe3O4的饱和磁化强度（Ms）为92 emug-1，磁共振对比剂样品的饱和磁化强度（Ms）为73.334 emug-1 表明制备的样品比较标准。并且室温下，测量的超顺磁性磁共振对比剂样品的剩余磁化强度（Mr）和矫顽力（Hc）也都很小，表明样品在室温下具有超顺磁性。另外，图4的右下角的插图是它的放大谱图，它显示的是超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）样品的磁场范围在-200 Oe～200 Oe的室温下的磁滞回线，这样更能凸显出超顺磁性磁共振对比剂样品的剩余磁化强度（Mr）和矫顽力（Hc）小。而且超顺磁性可以更容易地使磁性纳米颗粒分散在溶液中，并且他们之间几乎没有磁相互作用力，因而可以有效地避免磁聚集。

图4 磁共振对比剂的磁滞回线

四、结论

在本实验中，以六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O）为原料，以乙二醇为溶剂，聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂制备超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒），研究了它的结构特征及其化学键振动方法。对合成超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒），使用X射线粉末衍射表征其基本尺寸和结晶性，实验结果可知超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）是具有面心立方尖晶石相的晶体结构。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜进一步确定了超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的形态特征和尺寸。颗粒近视为球形，直径为10nm，尺寸大小符合超顺磁性纳米材料的要求。从傅里叶变换红外光谱数据和X衍射光谱数据分析确定了高纯度超顺磁性磁共振对比剂（Fe3O4纳米颗粒）的结晶性和化学键振动方式。通过磁性测量系统（SQUID）确定了超顺磁性磁共振对比剂在外部磁场下的磁滞回线，确定了制备的超顺磁性磁共振对比剂的饱和磁化强度（Ms=73.334 emug-1），剩余磁化强度（Mr=5.411 emug-1），矫顽力（Hc=50.336 Oe）。同时由于所制备的磁共振对比剂的剩余磁化强度（Mr）和矫顽力（Hc）都很小，所以在室温下制备的磁共振对比剂是超顺磁性的。超顺磁性的特征在生物医学应用中起着重要的参数作用，超顺磁性容易将磁性纳米颗粒分散在溶液中，并且仅具有相互忽略的磁相互作用力，可以有效地避免磁聚集。