资源描述
FePt磁性奈米粒子的製備、應用及其發展黃琳育*,何志松私立東海大學化學工程與材料工程學系摘要本研究由化學還原合成法製備出油溶相FePt奈米粒子，並改變界面活性劑的比例參數，以操控製備出的奈米粒子尺寸及其分散度。使用硫醇族的化合物做表面修飾，將粒子轉換成水溶相，並藉由XRD、TEM與VSM進行水溶相與油溶相粒子性質分析。將水溶相的FePt磁性奈米粒子，以EDC做接連劑，與酵素HRP做結合，再加入ABTS顯色，使用紫外線及可見光光譜儀分析其在不同HRP濃度下的吸收光譜，觀察吸收光譜強度隨著HRP濃度改變，可做為定量分析之依據。一、 緒論1-1 前言近年來磁性奈米粒子在製程上有許多研究，包括合金式的磁性奈米粒子 1；核殼式的磁性奈米粒子 2；還有中空式的磁性奈米球 3等。應用方面被廣泛運用於生醫領域上，包含了在體外做診斷用的生物分離4及生物感測上，與體內診斷的核磁共振造影5，和利用磁性奈米粒子做載體進行藥物傳遞6，及標靶式的磁熱治療7。1-2 實驗動機與目的本研究將以FePt奈米粒子為載體，藉由表面修飾，使FePt磁性奈米粒子能接上蛋白質分子，再應用簡易的顯色及光學吸收儀器做定量檢測。二、 文獻回顧2-1FePt磁性奈米粒子特性介紹近年來FePt磁性奈米粒子被廣泛地研究，起初被當做永久磁鐵8，進而被用於磁記錄元件上，當FePt粒子小至奈米尺度，將呈現出超順磁的磁性質，在無外加磁場下，粒子間無引力，不會造成聚集現象，可良好地分散在溶液中，成為在生醫應用上的優點之一。2-2FePt磁性奈米粒子製備首次發表利用化學還原法，將Fe(CO)5熱分解，與還原Pt(acac)2，octyl ether做為溶劑，並藉由oleic acid與oleylamine做為保護劑以控制還原劑量，使反應能自組裝合成，製備出大小為310 nm的。而Kevin E. Elkins等人將製程中鐵的前驅物改為Fe(acac)3取代，使製程為無毒性且無揮發性8。2-3製備具有生物功能性的FePt奈米粒子由於FePt磁性奈米粒子的化學穩定性佳，且無毒性，具有良好的生物相容性，使用化學還原法製備的FePt磁性奈米粒子，最小能到2 nm，其相對的比表面積增加許多。若將此FePt磁性奈米粒子接連生物分子，則能抓取較多分子。但所介紹的合成方法中，均為製備油溶相的FePt磁性奈米粒子，若要應用於生醫上，則需轉換為水溶相。三、 FePt磁性奈米粒子3-1製備油溶相FePt磁性奈米粒子3-1-1實驗設計我們利用化學還原法製備FePt磁性奈米粒子。用Fe和Pt的錯合物鹽類做為前趨物，以octyl ether當溶劑，藉由還原劑1,2-hexadecandiol進行高溫加熱，並加入oleic acid與油胺oleylamine做界面活性劑，使FePt粒子慢慢形成奈米大小。3-1-2實驗藥品Platinum() acetylacetonate, Iron() acetylacetonate, 1,2-hexadecanediol, Oleic acid, Oleylamine, Octyl ether.矽油、乙醇。3-1-3實驗裝置本實驗裝置如圖3-1，本實驗是以微電腦加熱器控制加熱溫度及升溫速率，並且運用十字磁石攪拌，並全程在通入氬氣絕氧的環境下進行反應。圖3-1實驗裝置圖3-1-4實驗步驟此實驗是利用化學還原法來製備FePt磁性奈米粒子，固定前趨物Fe與Pt的莫爾比為2比1，並改變界面活性劑的比例來製備FePt磁性奈米粒子，如圖3-2為實驗流程圖。Purging with Ar (30 min at room temperature) roomtemperature)Heat to 100 (Ar blanket)held at 100 for 20 min (Ar blanket)Oleylamine (0.5 mmol)+oleic acid (1 mmol)Heat to 295 (7/min) (Ar blanket)held at 295 for 1 hr (Ar blanket)Cooling down to room temperaturePt(acac)2 (0.5 mmol) + Fe(acac)3 (1 mmol)+ 1,2-hexadecanediol(4.5 mmol) + octyl ether (30ml)圖3-2製備油溶相FePt實驗流程圖3-2製備水溶相FePt磁性奈米粒子3-2-1前言運用相轉換的方式，將所製備的油溶相粒子經由表面官能基的替換，使其呈現親水的性質，得到水溶相的奈米粒子。3-2-2實驗藥品Mercaptoacetic acid, Chloroform, ethanol.3-2-3實驗步驟利用相轉換方式將製備好的油溶相FePt磁性奈米粒子，做表面修飾，轉換成水溶相FePt磁性奈米粒子。其實驗步驟如下:1. 將油溶相FePt磁性奈米粒子溶於氯仿中(1 mg/ml)，使用超音波震盪器使粒子均勻分散在溶液中。2. 加入濃度1 M的相轉換試劑mercaptoacetic acid，放入磁石攪拌，使反應在劇烈攪拌中進行，反應時間為兩小時以上。3. 使用強力磁鐵吸引粒子使其沉降至瓶子底部，完成ligand exchange的程序，如圖3-3。4. 利用強力磁鐵將粒子進行純化的步驟，放入烘箱烘乾，即可得水溶相FePt磁性奈米粒子。圖3-3FePt磁性奈米粒子(A)相轉換前 (B)相轉換後3-3油溶相FePt磁性奈米粒子分析與討論我們試著調整製程中加入不同界面活性劑的量，變更為(30、20、10、5、1、0.5與0.25倍)，探討其性質及轉相前後的差異。3-3-1 油溶相FePt磁性奈米粒子粒徑分析將不同介面活性劑製程的油溶相粒子，以TEM電子顯微鏡觀察粒徑及分散情形，如表3-1。表3-1各種比例下油溶相粒子大小樣品代碼粒徑大小(nm)AXB3.180.48C2.220.33D1.920.45E2.720.73F2.220.33 X表示油溶相的樣品A其TEM圖無法明確的觀測到粒子以上量測的五組數據來看，雖然添加不同量的界面活性劑，但在粒徑的大小上並未觀察到有明顯差異，粒徑大小固定在23 nm。3-3-2油溶相FePt磁性奈米粒子磁性質分析我們利用VSM來量測粒子的磁性質。在室溫下，外加磁場為-20 kOe至20 kOe，如圖3-4。圖3-4各樣品之VSM磁滯曲線圖3-3-3油溶相FePt磁性奈米粒子晶格結構分析我們藉由XRD對粒子做晶格結構的分析如圖3-5，在40.5時有一個FePt(111)的主要繞射峰出現。圖3-5油溶相樣品E、FePt database及玻璃載盤之XRD圖3-4水溶相FePt磁性奈米粒子分析與討論3-4-1 水溶相FePt磁性奈米粒子粒徑分析不同樣品的水溶相FePt磁性奈米粒子，以TEM電子顯微鏡觀察粒徑及分散情形，如表3-3。表3-3各種比例下水溶相粒子大小樣品代碼粒徑大小(nm)AXB1.940.28C2.080.27D2.460.48E1.820.36FX X表示油溶相的樣品A、F其TEM圖無法明確的觀測到粒子經過相轉換後，將水溶相的粒子分散在n-hexanol或PBS buffer中，觀察到樣品在粒徑大小上並沒有很大的改變，仍維持在23nm，如表3-2。3-4-2 水溶相FePt磁性奈米粒子晶格結構分析轉相前後的XRD結構分析，在主要繞射峰並無位移的現象，皆出現在40.5的位置，如圖3-6。圖3-6 樣品D相轉換前後之XRD圖3-4-3 水溶性FePt磁性奈米粒子磁性質分析相轉換後的磁滯曲線觀察，其水溶相樣品飽和磁化量明顯的降低，如圖3-7。圖3-7 樣品D相轉換前後之VSM圖四、 FePt磁性奈米粒子與HRP的結合與檢測4-1前言由相轉換過後的FePt磁性奈米粒子當作載體，先將粒子分散在PBS buffer中，經由EDC作交聯劑將水溶相FePt磁性奈米粒子表面的羧基修飾成胺基 9。之後再與HRP作結合，最後利用與ABTS substrate的顯色，使用紫外光/可見光分光光度儀檢測其吸收峰，藉由改變HRP的濃度，來觀測其定量分析的效果。4-1-1辣根過氧化酶HRP簡介辣根過氧化酶(horseradish peroxidase, HRP)是一種血紅素蛋白質，分子量約為44 k，其結構包含蛋白質與非蛋白質兩部分，蛋白質部分由308個胺基酸組成，而非蛋白質部分則含一個血基質，具有穩定酵素結構的功能10。4-1-2HRP應用簡介近年來，HRP具有熱穩定性及催化效率高的優點，應用於各種領域10。此研究選用HRP與FePt磁性奈米粒子結合後，再以ABTS試劑反應顯色，利用紫外光/可見光分光光譜儀，即可簡單迅速的完成定性與定量分析。4-1-3protein-label分析方法實驗採用protein-label的分析方法。選用酵素HRP與水溶相的FePt磁性奈米粒子做結合，若與奈米粒子結合完成，立即加入ABTS substrate試劑，可觀察溶液有無顏色變化。若顏色產生變化，由無色改變成綠色，則表示結合成功，如圖4-1所示。(A)(B)圖4-1顯色前後示意圖:(A)ABTS substrate(B)接合後與ABTS之顯色圖4-2 實驗藥品EDC, ABTS,HRP.4-3 實驗步驟(A)HRP的活性測試1.取50 l HRP(10 mg/ml)溶液。2.加入100 l ABTS試劑，靜置兩分鐘，此時溶液會變成藍綠色。3.將樣品稀釋至1 ml，即可做分光光譜儀檢測。(B)結合不同HRP濃度1.將4 mg的水溶相粒子溶於1 ml PBS buffer的溶液，取出100 l。2.加入EDC(0.5 mg/ml)溶液50 l，在室溫下震盪反應30分鐘。3.去除上層液，再加入100 l PBS buffer。重複此步驟2次。4.加入HRP溶液(301 mg/ml) 50 l，在室溫下反應1小時。5.取出上層液，再加入100 l PBS buffer。重複此步驟3次。6.取出上層液，將下層粒子加入100 l ABTS buffer。7.靜置2 min，顯色即有接上，加入900 l PBS buffer稀釋之後即可做紫外光分光光譜儀之檢測。4-4 結果與討論4-4-1HRP的活性分析為了找出ABTS與HRP顯色後的吸收光譜特徵峰，以PBS buffer與ABTS混合的溶液，做為背景值，再將製備好含有HRP且顯色完成的溶液放入紫外光分光光譜儀，掃描波長在200 nm400 nm，如圖4-2。在波長385 nm430 nm有一個明顯的特徵峰。圖4-2HRP活性檢測之吸收光譜圖4-4-2 改變與粒子結合的HRP濃度圖4-3為未與HRP做結合的背景吸收光譜圖，可觀察在350 nm與300 nm有特殊的吸收峰，此兩個吸收峰沒有出現在圖4-2，所以我們推測此兩個吸收峰是水溶相粒子的吸收峰。圖4-3含粒子的背景值之光譜圖水溶相粒子分別與HRP濃10 mg/ml結合後，再和ABTS反應顯色之後，掃描吸收光譜圖、如圖4-4，觀察到有粒子的吸收峰與ABTS和HRP反應之後的吸收峰。隨ABTS加入後的時間越長，吸收值逐漸降低， 120分鐘後，反應的吸收峰有明顯的減小，靜置一天後則此吸收峰完全消失。圖4-4濃度10 mg/ml的HRP顯色後在不同時間下之吸收光譜圖圖4-5為接合不同濃度HRP再與ABTS反應顯色五分鐘之後的吸收光譜圖，可觀察到接合的HRP濃度越低時，反應之後的主吸收峰會隨之降低，可為定量分析之依據。接合的HRP濃度降至5 mg/ml以下，無法辨別。圖4-5粒子與不同濃度的HRP顯色五分鐘後之吸收光譜圖五、 結論1.合成油溶相粒子，粒徑大小約在23 nm之間。2.將界面活性劑的添加比例改變時，在粒徑並未觀察到明顯差異，粒子的分散度也無明顯差異。3.VSM的分析下，除了樣品D的圖形接近超順磁現象外，其他樣品皆呈現軟磁性的磁滯曲線。4.觀察磁滯曲線，無法看出樣品呈現規律變化的趨勢。5.XRD的結構分析，皆有出現在40.5的FePt(111)主要繞射峰。轉相前後，在主要繞射峰並無位移的現象。6.轉相試劑，將油溶相粒子表面修飾為親水性的水溶相粒子。7.相轉換後飽和磁化量明顯降低。8.在HRP定性反應的光譜掃描下，在波長385 nm430 nm有一個明顯的特徵峰。9.當接合的HRP濃度越低時，反應後的主吸收峰會隨之降低，為定量分析之依據。但當濃度降至5 mg/ml以下，則無法辨別。10.接在粒子上的HRP酵素活性，會隨著反應時間越長，逐漸衰退，而吸收峰強度隨之降低。此活性衰退現象比未接上粒子的HRP衰退速度還快。以上粒子皆為FePt磁性奈米粒子六、參考文獻1.何建新，國立清華大學材料科學工程研究所碩士論文，2004。2.王正文，私立東海大學化學工程研究所碩士論文，2007。3.J. Wang et al, Chem. Matter., 19, 2566-2572, 2007.4.S. B. et al, Appl. Phys. Letters, 89, 252503, 2006.5.W. S. Seo et al, Nature Materials, 2006.6.周志謂，科學發展，第431期，1622，2008。7.R.E. Rosensweig, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252, 370-374, 2002.8.K. E. Elkins et al, Nano Letters, 1647-1649, 2003.9.C. Krishnananda et al, Biochemistry, 39,263-270, 2000.10.賴奕成，國立中興大學化學工程研究所碩士論文，2001。
展开阅读全文