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1、中国科学技术大学 硕士学位论文 磁性纳米球制备、组装和应用研究 姓名：程凯 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：陈乾旺 2011-05-14 摘 要 I 摘摘 要要 随着纳米科技的快速发展， 越来越多的科研工作者们热衷于制备具有更加新 颖机械、光、磁、电性能的纳米材料，以拓展这些材料在信息技术，能源、生物 医学、化学催化等领域的应用。优异性能的纳米材料，依赖于结构设计和制备工 艺。就制备方法而言，简单地说分为两种：自下而上和自上而下，这两种方法都 有各自的优劣势。 磁性纳米材料由于其在巨磁阻效应、磁流体、生物医药成像等领域的广阔应 用前景，吸引了大量科研人员的兴趣。到目前为止，
2、科研人员已经发明了很多合 成不同结构磁性纳米粒子的方法，然而，很少有文献报道关于合成超顺磁性双壳 层结构的纳米粒子。相比于普通磁性纳米粒子和磁核纳米粒子，磁壳层纳米粒子 在磁性能体现（比如磁响应） 、大量内核空间（为其他成分物质装载）等方面都 体现了其优势。因此我们设计了模板法合成磁壳层纳米粒子，并开展了其在光子 晶体和药物载体两个领域的应用研究。 1. 光子晶体应用 在丙酮溶剂溶剂热条件下， 二茂铁在双氧水氧化下在二氧化硅纳米球表面形 成 Fe3O4和碳，形成包覆结构。借助于二氧化硅微球的形状和尺寸均一性， 得 到了粒径均一性良好的 SiO2Fe3O4C 溶胶粒子， 在 0.2 T 外磁场诱
3、导下组装成 三维有序的磁性光子晶体。 光学显微镜照片和反射光谱测定显示该光子晶体呈现 蓝色。然而，由于 Fe3O4壳层非常薄，以及 SiO2与 Fe3O4的折射率差别太大，导 致形成了新的赝带隙，这个光子带隙无法用传统的布拉格方程计算，本文结合文 献对此进行了讨论。 2. 药物载体应用 将 SiO2Fe3O4C 溶胶粒子除掉 SiO2得内核后，得到了空心的 Fe3O4C 纳米胶囊。 该磁性纳米胶囊的 BET 比表面积达到了 159.8 m2/g， 相比实心的溶胶 粒子，比表面积提高了近 5 倍。开展了基于磁性纳米胶囊装载顺铂、布洛芬和阿 霉素等药物的研究。顺铂药物在两种不同的装载方法中装载率为
4、 3% 和 5 8 %， 装载效率有待提高。药物释放实验在 37 C 下 150 mL 的 PBS 缓冲溶液中进行 （PH = 7.4） ，每隔预定的时间取 1 mL 溶液为后续检测，最后得到了药物释放曲 线，讨论了药物装载和释放机制。 关键词关键词：超顺磁性外壳；四氧化三铁；光子晶体；药物载体。 Abstract II AbstractAbstract With rapid advances in nanoscience and nanotechnology, more and more researches focus on developing more novel nanomateri
5、als with distinctive mechanical, optical, magnetic or electrical properties and finding their potential applications in information technology (IT), energy, biomedical, catalyst, etc. The outstanding properties of nanomaterials depend on their novel structures and preparation procedures. In nano-fab
6、rication, there are two common routes, bottom-up and top-down, both of which show their advantage and disadvantages. The magnetic nanomaterials have attracted a lot of interest in nanotechnology field due to their promising applications in Giant Magnetoresistance, magnetic fluid, bio-diagnostics, et
7、c. Hitherto, researches have already obtained a series of routes to fabricate different structures of magnetic nanomaterials. However, there are few reports about synthesis of superparamagnetic double shell nanoparticles. Comparing with magnetic core particles, the magnetic shell structured particle
8、s have advantages in magnetic property (e.g. magnetically responsive), huge core volume for loading other components (especially for the ones that are not expected outside of particles), etc. therefore, we developed a new method to synthesize the magnetic shell particles through a template method, a
9、nd their applications in the fields of photonic crystals and drug delivery systems were investigated. 1. Photonic Crystal Application Silica microspheres were coated with Fe3O4 and carbon by decomposition of ferrocene in an acetone system containing hydrogen peroxide. The as-prepared superparamagnet
10、ic colloids of SiO2Fe3O4C were dispersed in acetone and efficiently self-assembled into centimeter-sized 3D magnetic colloidal crystals under the induction of a 0.2 T magnetic field. Both optical microscope image and reflection spectrum show a blue color of the colloidal crystals, demonstrating phot
11、onic crystal features. Because of the thinness of the shell and large difference in reflective index between the core and shell, a new pseudogap whose reflection cannot be predicted by Braggs law was generated. 2. Drug Delivery System Abstract III The hollow Fe3O4C nanoapheres were synthesized by re
12、moving silica core in SiO2Fe3O4C colloids. The porous hollow magnetic nanocapsules showed a BET (the Brunauer-Emmett-Teller) surface area of 159.8 m2/g, which is about 4 times higher than that of SiO2Fe3O4C colloids. The as-prepared nanocapsules were evalued as nanocapsules for drug uptake, such as
13、Cisplatin, Ibuprofen, and Doxorubicin (DOX). In Cisplatin loading, the drug uptake rate was about 3 % and 5 8 % in two different loading process. And the drug release process was carried out in a 150 mL PBS solution (PH = 7.4) at the temperature of 37 C and the PBS suspension was collected 1 mL ever
14、y predetermined time for further measurement. Finally, the mechanism of drug release was discissed. Keywords: superparamagnetic shell; magnetite; photonic crystals; drug delivery. 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文
15、中作了明确 的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 前沿前沿 纳米科
16、技是20世纪末、90年代初才发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域， 它的迅猛发展将在21世纪使所有相关领域都有革命性的变化。 纳米材料是纳米科 技发展的重要基础，是很多学科交叉汇合而出现的新学科生长点。当材料的尺度 缩小到纳米尺度时，由于量子限域效应及其表面积与体积的比值很大等因素，导 致纳米材料的其他性能，如物理、机械及化学等许多性质便与其本体材料的特性 有了很大差异，如铁磁性物质的超顺磁性能、光子晶体效应等等。因此，越来越 多的科研人员研究合成不同形貌尺寸以及不同组成成分的纳米材料， 发现更多的 新的特殊的纳米材料的性能如熔点、颜色、光、电、磁等性质。此外，在纳米科 学的领域里，仍有许多现象尚待发掘，许多理论模型还不够完善，也吸引了大量 的研究学者，包括实验学家及理论学家加入到纳米领域的研究行列中。 在纳米材料研究领域中，磁性材料的研究尤其受到研究
