张廷斌，卢俊杰，邱滢，张欢，刘晓丽，彭明丽，樊海明,＊

1西北大学化学与材料科学学院，西安 710127

2西北大学生命科学与医学部，西安 710069

磁性材料的医疗应用在我国已有悠久的历史，最早在《神农本草经》中记载用于治疗周痹、风湿等疾病[1]。而随着纳米技术的发展，磁性纳米材料由于其独特的磁学特性、良好的生物安全性、易于表面修饰等特点，被广泛用于磁热疗、磁共振成像及药物递送等领域[2-4]。在众多的磁性纳米材料中，超顺磁氧化铁是一类极具代表性的生物医用磁性纳米材料，可在室温无外磁场的条件下形成稳定的磁溶胶分散体系[5]。而当施加梯度静磁场时，超顺磁氧化铁颗粒会沿磁场方向定向聚集；在施加交变磁场时，超顺磁氧化铁可产生磁感应热[6]。2011年，基于磁感应热效应的磁热疗技术在欧盟获批用于治疗恶性脑胶质瘤；2019年，在美国进行了前列腺癌治疗的临床注册[7]。近期，基于超顺磁氧化铁的磁感应热效应还被用于神经功能调控[8]、药物控制释放[9]及远程调控生物酶活性等[10,11]。

磁感应热基本原理是磁性纳米材料在交变磁场下反复磁化反转，该过程导致磁滞损耗而产热，其磁热转换效率通常用比吸收速率(specific absorption rate，SAR)来表征[12,13]。超顺磁氧化铁的磁热性能不仅与自身的磁学性质、尺寸和磁各向异性等相关，还与交变磁场参数如磁场强度和磁场频率等密切相关[14]。深入了解超顺磁氧化铁的磁感应热基本原理，掌握超顺磁氧化铁的合成、磁学性质表征以及磁感应热性能的测试技术，对培养综合型化学人才具有重要作用。

近年来，本课题组致力于医用磁性纳米材料的制备及肿瘤磁热疗应用[10,15]，并且将科研成果中操作性强的研究内容纳入本科教学实验。本综合实验在介绍磁感应热基本原理的基础上，不仅设计了不同尺寸超顺磁氧化铁高温热解可控制备、铁含量的测定、磁学性能及磁热性能表征，还探究了交变磁场强度及纳米颗粒尺寸对超顺磁氧化铁SAR的影响。学生不仅锻炼了基本的化学实验操作，而且初步了解了氧化铁的磁感应热基本原理。

1 实验目的

(1) 了解超顺磁氧化铁纳米颗粒的磁学特征、研究现状及应用前景。

(2) 学习和掌握不同尺寸超顺磁氧化铁纳米颗粒的高温热分解制备与铁含量测定方法。

(3) 掌握超顺磁氧化铁纳米颗粒磁热性能的测定方法。

(4) 了解超顺磁氧化铁纳米颗粒尺寸对其磁热性能的影响。

(5) 熟悉施加磁场强度与超顺磁氧化铁磁热性能的关系。

2 实验原理

2.1 高温热分解法制备超顺磁氧化铁的原理

高温热分解法是目前制备单分散磁性纳米颗粒的常规方法。在稳定剂存在下，金属前驱体在高沸点有机溶剂中热分解，经单体-成核-生长三个阶段，形成大小均一、形貌可控的纳米颗粒[16]。由于高温热分解法的前驱体、溶剂以及稳定剂均为有机长链化合物，该方法制备的纳米颗粒表面通常富含脂肪长链，因而具有疏水性，需要借助生物相容性良好的亲水性配体进行水相转移，以实现磁性纳米颗粒在水相中稳定分散。常见的铁有机前驱体包括碱式氧化铁、五羰基铁、油酸铁和乙酰丙酮铁等；常见的稳定剂包括油酸、油胺及脂肪酸等；高沸点溶剂常选用十八烯、二十烯及三辛胺等。本实验选用碱式氧化铁为前驱体，油酸为稳定剂，十八烯为溶剂。

2.2 超顺磁氧化铁的磁感应热原理

磁性材料磁感应产热机制主要来自克服交变磁场下的磁化反转能垒而产生的能量损耗，即弛豫过程产生的热损耗。对于超顺磁氧化铁纳米颗粒，该弛豫过程可以简化为由奈尔(Néel)和布朗(Brown)弛豫。Néel弛豫是超顺磁氧化铁纳米颗粒的磁矩方向随外磁场方向变化所产生的损耗，其弛豫时间为τN；Brown弛豫是纳米颗粒在外磁场作用下的物理旋转与周围液体产生摩擦而引起损耗，其弛豫时间为τB(图1)。

图1 奈尔(Néel)弛豫和布朗(Brown)弛豫机理

依据上述原理，超顺磁氧化铁纳米颗粒磁热性能SAR值的理论计算如公式1所示[17]。

式中，µ0为真空磁导率；Ms是磁性纳米颗粒的饱和磁化强度；r为颗粒半径；H为磁场强度；f是磁场频率；ρ表示材料密度；kB为玻尔兹曼常数；T代表温度；τ为弛豫时间，其大小由τN和τB共同决定(见公式2)。

由公式1可知，SAR值不仅与颗粒自身物理化学特性如颗粒尺寸、饱和磁化强度等参数有关，还与交变磁场的磁场参数如磁场强度(H)和磁场频率(f)相关。

当测量同一磁性氧化铁纳米颗粒SAR值时，由于颗粒自身特性的参数如弛豫时间τ、Ms、r等不变，同时磁场f固定，其SAR值与磁场H的平方成正比，即SAR∝H2。因此，可将公式1简化为公式3[18]。

式中，a为常数，与磁性材料的特性，磁场频率等相关；H为交变磁场强度。

而在同一交变磁场下测量不同尺寸磁性氧化铁纳米颗粒SAR值时，磁场f和H固定，而Ms和τ均随r的改变而变化。因此，磁性氧化铁纳米颗粒SAR值随r的变化规律十分复杂。一般来说，对于超顺磁氧化铁纳米颗粒其Ms值随尺寸增大而增加，因此SAR也会随r的增大呈现增大的趋势[14]。

本实验将分别从施加外磁场和材料自身物化特性两个方面来探究其对超顺磁氧化铁纳米颗粒SAR的影响，从而加深学生对磁感应热机制的理解。一方面，通过测量单一尺寸超顺磁氧化铁在不同H下的SAR值，分析其与磁场H的关系；另一方面，通过测量不同尺寸超顺磁氧化铁的SAR值，进一步分析SAR随r的变化趋势。

2.3 超顺磁氧化铁纳米颗粒磁热性能的测试方法

超顺磁氧化铁纳米颗粒的磁热性能SAR是指在单位时间内，单位质量的铁在交变磁场中产生的热量，单位是瓦特/克(Watt·g-1)。SAR值可通过量热法测定，实验计算公式如下：

式中，C为溶剂/分散相的比热容(水的比热容C= 4.18 J·g-1·°C-1)；ΔT/Δt是温度随时间变化曲线的初始斜率；mFe是Fe在所测定溶液中的质量。

3 仪器和试剂

仪器：三口烧瓶、温度控制器(配合加热套)、磁子、烧杯、锥形瓶、容量瓶、空气冷凝管、移液器、离心机、摇床、磁热仪(Supermag M5，西安超磁纳米生物科技有限公司)、X射线衍射仪(D8 VENTURE，德国Bruker)、透射电子显微镜(Talos F200X，美国FEI)、振动样品磁强计(BKT-4600，北京新科高测科技有限公司)、紫外-可见分光光度计(U-3310，日本日立)、分析天平、高斯计。

试剂：碱式氧化铁(FeO (OH)，95%)、油酸(90%)、十八烯(99%)、3,4-二羟基苯乙酸(DHCA，98%)均购自西格玛奥德里奇(上海)；浓硝酸、30%双氧水均为MOS级，购自德国Merck公司；邻菲罗啉、盐酸羟胺、硫酸高铁铵、乙酸、乙酸钠、正己烷、丙酮、四氢呋喃均为分析纯，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

4 实验内容

4.1 超顺磁氧化铁纳米颗粒水溶液的制备与基本表征

16 nm超顺磁氧化铁(记为SPIO-2)的制备[10]：将355 mg的碱式氧化铁(4 mmol)和5.7 g的油酸(20 mmol)加入至含有20 g十八烯(79 mmol)的50 mL三口烧瓶中，在氩气氛围内搅拌30 min后，首先将反应温度升高至110 °C，并保持30 min以去除反应体系中的水分；随后将反应体系升温至180 °C，保持1 h；最后，再将反应温度升高至320 °C反应1 h。移去加热套，冷却至室温。加入乙醚将超顺磁氧化铁纳米颗粒沉降，8000 r·min-1离心10 min，得到黑色超顺磁氧化铁沉淀物，再用正己烷溶解(10 mL)和丙酮沉降(20 mL)，离心洗涤2-3次后，将磁纳米颗粒分散在10 mL的正己烷里。

其他尺寸超顺磁氧化铁的制备方法：保持碱式氧化铁(4 mmol)和十八烯(79 mmol)的反应剂量不变，仅改变油酸的剂量即可制备出不同尺寸的颗粒，例如采用16 mmol油酸可获得8 nm左右的颗粒(SPIO-1)，而24 mmol油酸对应获得20 nm左右的颗粒(SPIO-3)。

称取50 mg DHCA，加入至含有20 mL四氢呋喃三口烧瓶中，通氩气并搅拌；将体系温度升高至45 °C后，加入20 mg·mL-1的超顺磁氧化铁THF溶液1 mL；将反应体系温度升至50 °C后，保持5 h。反应结束后，将反应液以4000-6000 r·min-1条件下离心10 min，收集磁性纳米颗粒，并加入去离子水得到分散在水溶液中的超顺磁氧化铁，放置于4 °C冰箱保存。

利用透射电子显微镜(TEM)观察超顺磁氧化铁纳米颗粒的尺寸形貌。实验过程如下，将所制备的磁性颗粒用去离子水稀释50-200倍；取10 μL滴加于200目镀碳支持膜上，待样品干燥后上机观察。通过X射线衍射仪(XRD)表征所制备超顺磁氧化铁的晶体结构。具体过程是称取10 mg粉末状颗粒，将其平铺在玻璃板上；使用Cu靶Kα射线以0.05 (°)·min-1速度(慢扫)从15°扫描至90°，得到XRD衍射图谱。

4.2 邻菲罗啉比色法测定铁含量

量热法测定SAR过程中需要明确溶液中超顺磁氧化铁的浓度，该浓度通常用铁含量来表示。本实验采用邻菲罗啉比色法测定溶液的铁含量，并配制0.2 mg Fe/mL的超顺磁氧化铁溶液。

1) 试剂准备。

① 邻菲罗啉溶液(0.1%，新配制)；

② 10%盐酸羟胺溶液(新配制)；

③ 乙酸-乙酸钠缓冲溶液：取136 g乙酸钠溶于100 mL水中，加入120 mL纯乙酸混合并用水稀释至500 mL；

④ 铁标准溶液(50 μg·mL-1)：称取0.216 g的NH4Fe(SO4)2·12H2O于250 mL烧杯中，加入20 mL浓度为6 mol·L-1的盐酸溶液将其完全溶解，随后加水稀释并用500 mL的容量瓶定容，得到质量浓度为50 μg·mL-1的铁标准溶液；

⑤ 超顺磁氧化铁待测液：取0.1 mL的超顺磁氧化铁溶液于50 mL烧杯中，加入4 mL MOS级浓硝酸及1 mL 30% MOS级双氧水消解过夜；随后将其在150 °C的加热板上继续消解2 h，当所剩溶液体积为0.5 mL时，停止加热；待烧杯冷却后，用2%的稀硝酸将其定容至10 mL。

2) 铁标准曲线的绘制：分别取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.6、2.0 mL的铁标准溶液于9个50 mL容量瓶中，加入1 mL 10%盐酸羟胺溶液，并将该混合液超声5 min，随后分别加入2 mL 0.1%邻二氮菲溶液和5 mL醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH = 5)避光静置30 min，加水稀释并定容至50 mL，测定其在510 nm的吸光度值，并绘制绘制标准曲线。

3) 超顺磁氧化铁溶液中铁含量的测定：移取1 mL超顺磁氧化铁待测液于50 mL容量瓶中，加入1 mL 10%盐酸羟胺溶液，将该混合液超声5 min，随后分别加入2 mL 0.1%邻二氮菲溶液和5 mL醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH = 5)，避光静置30 min，加水稀释并定容至50 mL，测定其在510 nm的吸光度值。

4.3 超顺磁氧化铁纳米颗粒的磁学性能表征

超顺磁氧化铁纳米颗粒的磁学性能表征是用振动样品磁强计(VSM)在室温下测量的。称取10 mg超顺磁氧化铁纳米颗粒，放入振动杆中。利用标准样品标定磁场后，测定纳米颗粒在磁场(M：0 Oe →+20000 Oe → 0 Oe → -20000 Oe → 0 Oe，磁场步长为400 Oe)下的磁感应强度(H)，得到磁滞回线(M-H曲线)，利用磁滞回线可计算出磁性颗粒的剩磁和矫顽力等材料磁学特性参数。

4.4 超顺磁氧化铁纳米颗粒的磁热性能表征

配制铁离子浓度为0.2 mg·mL-1的磁性氧化铁纳米颗粒溶液，移取1 mL于1.5 mL EP管中，将其置于磁热仪线圈中心；同时将测温光纤探头置于液面下，具体装置如图2所示[19]。施加频率为345 kHz，场强范围为200-400 Oe的交变磁场650 s；实时记录溶液样品的温度，并绘制时间与温度的变化曲线。每个场强设置3个平行样品。SAR的计算方法如下：分别计算磁场处理前30、60和90 s后曲线的斜率，选取其中最大的斜率分别代入至公式4，即可得到所制备超顺磁氧化铁的平均SAR值。本实验注意事项：(1) 不可将金属制品靠近运行状态下磁热仪的线圈，以防触电，加热损伤；(2) 测试不同样品的磁热性能时，样品摆放的位置应保持一致。

图2 超顺磁氧化铁纳米颗粒的磁热性能测试示意图

5 结果与讨论

5.1 材料合成与表征

高温热分解法所制备的超顺磁氧化铁纳米颗粒具有尺寸可控、粒径均一的特点。在本实验中，利用碱式氧化铁为前驱体，油酸为稳定剂，十八烯为溶剂，通过调整前驱体和稳定剂的比例制备了三种不同尺寸的超顺磁氧化铁纳米颗粒，该方法工艺成熟，操作简单且结果稳定[10]。反应体系在110 °C是为了去除体系中的水，避免在后续高温过程中微量水的爆鸣现象；反应体系在180 °C时，能够形成碱式氧化铁和油酸的复合物；当反应温度继续升高的过程中，由于复合物的分解，晶核快速形成并均匀生长，得到黑色的氧化铁纳米颗粒；此阶段溶液逐渐由透明变得浑浊，颜色不断加深，最终呈棕黑色。此外，本实验在氩气环境下进行，避免反应过程中反应物及产物的氧化反应。由于热分解法所制备的磁性纳米颗粒表面富含油酸，因此在正己烷中具有良好的溶解性。本实验选用水溶性好的DHCA分子作为配体对磁性纳米颗粒表面的油酸进行配体交换，使其在水中均匀分散，形成稳定的水溶液，为后续的生物医学应用奠定了基础。

我们首先对所制备的16 nm超顺磁氧化铁纳米颗粒(SPIO-2)进行基本材料表征。利用TEM对制备的磁性氧化铁纳米颗粒进行材料的尺寸与形貌表征。结果如图3A所示，所制备的磁性颗粒基本为球形，尺寸均一；根据粒径统计结果，颗粒的平均粒径约为15.9 nm。X射线衍射仪(XRD)结果见图3B，所制备磁性颗粒样品的衍射峰与标准立方反尖晶石结构的Fe3O4卡片(JCPDS No.19-0629)吻合且没有其他的杂质峰；进一步使用Jade软件分析2θ = 35.480°处的峰，结果显示，样品的晶面间距为0.2528 nm，半峰宽为0.463°，对比标准立方尖晶石Fe3O4卡片(JCPDS No.19-0629)在2θ = 35.422°处峰的晶面间距(0.2532 nm)相差仅为0.0004 nm；最后通过软件上的Debye-Scherrer公式计算得出晶粒直径为17 nm，这与我们通过TEM观察到的尺寸相近；上述结果说明我们制备的样品纯度高、结晶性能好。

图3 SPIO-2的TEM图(A)及XRD结果(B)

接下来，我们利用TEM对所制备的其他尺寸磁性氧化铁纳米颗粒(SPIO-1和SPIO-3)进行材料的尺寸与形貌表征。结果如图4显示，所制备的磁性颗粒基本为球形，尺寸均一；其中，SPIO-1的平均粒径约为7.6 nm，SPIO-3的平均粒径约为20.2 nm。

图4 SPIO-1 (A)和SPIO-3 (B)的TEM图

振动样品磁强计(VSM)在室温下对所制备磁性颗粒的磁学特性进行磁滞回线表征。图5为所制备氧化铁纳米颗粒的磁滞回线图谱。从图中可以看出，不同尺寸氧化铁纳米颗粒的磁滞回线均经过零点，所以该样品在室温下没有剩磁和矫顽力，说明所制得的氧化铁纳米颗粒为超顺磁性。同时，其Ms随尺寸的增大而增大(表1)。以上表征的实验结果表明，本实验成功制备了三种尺寸的超顺磁氧化铁纳米颗粒。

图5 不同尺寸超顺磁氧化铁纳米颗粒室温下的磁滞回线

表1 不同尺寸超顺磁氧化铁纳米颗粒的饱和磁化强度值

除上述所制备的不同尺寸超顺磁氧化铁纳米颗粒，学生也可以利用VSM测定其他材料的磁滞回线，并判断其是否具有超顺磁性，例如前驱体、不同晶相氧化铁纳米材料等。

5.2 邻菲罗啉比色法测定铁含量

由于超顺磁氧化铁的浓度是计算其SAR值的重要参数，通常用溶液中Fe含量来表示。本实验利用邻菲罗啉比色法对所制备超顺磁氧化铁纳米颗粒水溶液中的Fe浓度进行测定。首先绘制铁标准曲线，如图6所示；然后将所制备超顺磁氧化铁待测液在510 nm处的吸光度值代入到上述铁标准曲线回归方程中，经计算后得到样品的Fe浓度。为便于后续磁热性能表征，用去离子水将三种尺寸超顺磁氧化铁纳米颗粒水溶液的Fe浓度均标定至0.2 mg·mL-1。

图6 铁标准曲线

5.3 磁热性能表征

磁热仪是利用串联谐振电路产生交变磁场的装置。对于固定线圈，交变磁场的频率固定不变，但强度随着电流的变化而变化。本实验首先利用高斯计测定了345 kHz所对应的线圈在不同电流强度下产生的磁场强度，结果见表2。

表2 不同电流强度对应的交变磁场强度

我们首先研究超顺磁氧化铁纳米颗粒磁热性能与磁场强度之间的关系。在本实验中，我们分别选取电流为17、20、24、28和31 A所对应的磁场强度，即H1：203 Oe，H2：243 Oe，H3：298 Oe，H4：344 Oe和H5：404 Oe，以SPIO-2为例，分析了场强对超顺磁氧化铁SAR值的影响规律。将装有1 mL超顺磁氧化铁溶液(铁离子浓度为0.2 mg·mL-1)的离心管，置于磁热仪线圈中心；启动交变磁场并实时记录溶液样品的温度，所得升温曲线见图7A。图中可以观察到所有样品溶液的温度在施加磁场的条件下均随时间快速升高，且磁场强度越高，溶液的升温越快。分别计算样品在不同磁场下前30、60和90 s处升温曲线的斜率；比较并选取最大数值代入至公式4，计算出超顺磁氧化铁在不同磁场强度下的SAR值，H1-H5样品的平均SAR值分别为159.8、258.0、369.5、494.3和659.2 Watt·g-1(图7B)。实验结果与升温曲线一致，SAR值随着磁场强度的增强而随之增大。

图7 SPIO-2在不同磁场强度下的升温曲线(A)和SAR值结果(B)

最后，我们将交变磁场强度的平方(H2)与对应的SAR值进行线性拟合，获得线性方程(y= 0.0041x,x=H2)，其中R2= 0.9994，说明在实验磁场强度范围内，所制备超顺磁氧化铁的SAR与H2具有良好的线性关系(图8)，该结果与理论一致[18]。

图8 超顺磁氧化铁纳米颗粒SAR值与H2的线性关系图

我们进一步探究了超顺磁氧化铁纳米颗粒尺寸(r)对其磁热性能的影响。在这个实验中，我们将磁场强度和频率分别设置为298 Oe和345 kHz。将装有1 mL不同尺寸超顺磁氧化铁样品溶液(铁离子浓度均为0.2 mg·mL-1)的离心管，置于磁热仪线圈中心，测试样品的磁热性能。根据升温曲线结果，所有样品溶液的温度均随时间快速升高，且r越大，溶液的升温越快(图9A)。按照上述方法，分别计算出不同尺寸超顺磁氧化铁在同等磁场条件下的SAR值。如图9B所示，SPIO-1、SPIO-2及SPIO-3样品的平均SAR值分别为244.0、354.0和515.5 Watt·g-1。上述结果表明，在本实验的纳米颗粒尺寸范围内，超顺磁氧化铁的SAR随其r的增大而增大。

图9 (A) 不同尺寸超顺磁氧化铁纳米颗粒在相同磁场下的升温曲线；(B) 不同尺寸超顺磁氧化铁纳米颗粒的SAR值结果

本实验中施加外磁场参数一致且三种超顺磁氧化铁纳米颗粒的组分、形貌均相同，仅颗粒r不同。依据公式1，超顺磁氧化铁纳米颗粒的SAR值与r和Ms相关。值得一提的是，超顺磁氧化铁纳米颗粒的Ms同时也与r正相关，VSM测量结果显示所制备超顺磁氧化铁纳米颗粒的Ms随r的增大而增大(表1)。综合上述结果，可以得出超顺磁氧化铁纳米颗粒的SAR值随r的增大而增大，与我们实验结果一致。

6 实验教学组织形式

本综合实验开设之初即被纳入面向我校化学与材料科学学院大三学生开设的化学生物学创新实验中，已经运行2轮。本实验以30人以下的小班教学为宜，小组形式开展，每组4-6人。建议整个综合实验分3个阶段完成：(1) 理论课，介绍超顺磁氧化铁纳米颗粒的高温热分解制备及其磁感应热原理等，2学时；(2) 实验课，超顺磁氧化铁纳米颗粒的制备与基本表征，约16学时；(3) 实验课，超顺磁氧化铁纳米颗粒的磁热性能分析，约8学时。此外，本实验要求学生课前进行文献调研，并根据实验目的和实验内容做好预习并撰写预习报告。

7 结语

本实验利用经典的高温热分解法制备了三种不同尺寸的超顺磁氧化铁纳米颗粒，并对其形貌、铁含量、磁学性质和磁热性能进行了表征，同时分别从颗粒尺寸及交变磁场强度两个方面分析了其对超顺磁氧化铁磁热性能的影响规律。该实验在学生已有的实验基础(紫外-可见分光光度计测定铁含量测定)上，不仅能够拓展学生对于纳米材料合成、磁学性质表征等实验操作能力，初步掌握超顺磁氧化铁SAR的测定方法，还能够让学生了解超顺磁氧化铁的磁感应热原理，熟悉交变磁场强度、颗粒尺寸与超顺磁氧化铁磁热性能之间的关系；进而激发化学专业本科学生对于磁性纳米材料科学前沿的探索热情。此外，本实验内容操作简单、现象明显、实验结果稳定，已在我校化学与材料科学学院进行了2年的试点推广，收到了良好的教学效果。