Способ получения наночастиц феррита кобальта
METHOD FOR OBTAINING NANOPARTICLES OF COBALT FERRITE

Изобретение относится к нанохимии и касается способа получения наночастиц кобальтового феррита, которые могут найти свое применение в качестве контрастного агента для дагностики злокачественных новообразований методом магнитно-резонансной томографии (МРТ), магнитной сепарации, гипертермии, адресной доставки лекарств и.т.д.
3
4
2
4
Известен способ получения наночастиц сложных оксидов путем нагревания раствора соединения железа и кобальта (ацетилацетоната железа (III) и ацетилацетоната кобальта (II)) в присутствии поверхностно активных веществ олеиновой кислоты и олеиламина в дибензиловом эфире при постоянном перемешивании до 110°С, выдерживания смеси при данной температуре в течение 1 ч, повторного нагрева смеси со скоростью 10°С/мин до 290°С в атмосфере инертного газа аргона, выдерживания полученной смеси при данной температуре в течение 45 мин, медленного охлаждения смеси до комнатной температуры, отделения наночастиц кобальтового феррита на магните, промывка осадка безводной смесью из ацетона и этанола (Y. Eom, М. Abbas, Н. Noh and С.Kim. Morphology-controlled synthesis of highly crystalline FeO and CoFeO nanoparticles using facile thermal decomposition method RSC Adv., 2016).
Недостатками данного способа являются то, что полученные наночастицы феррита кобальта обладают относительно невысокими магнитными свойствами, что не позволяет провести эффективную МРТ-диагностику, и затрудняет их использование для удаленного манипулирования во внешнем магнитном поле.
x
1-x
y
3-y
4
2
4
Известен способ получения наночастиц сложных оксидов железа из смеси гексагидрата хлорида железа (III), гексагидрата хлорида кобальта (II) олеата натрия, олеиновой кислоты в органическом растворителе 1-октадецене с последующей обработкой ультразвуком, нагреванием до 130°С и выдерживанием смеси при данной температуре в течение 1 ч при постоянном перемешивании, повторного нагрева смеси при до 318°С со скоростью нагрева 5°С/мин, выдерживания полученной смеси при данной температуре в течение 120 минут, охлаждали до комнатной температуры, промывали три раза теплой дистиллированной водой (50°С), осаждали в органической фазе и ресуспендирвали в хлороформе наночастицы кобальтового феррита (W. Baaziz, В.P. Pichon, Y. Liu, J. Greneche, С.Ulhaq, E. Terrier, et al. Tuning of synthesis conditions by thermal decomposition towards core-shell CoFeO@CoFeO and CoFeO nanoparticles. ACS Chemistry of materials, 2016.
Недостатками данного способа являются то, что полученные наночастицы феррита кобальта обладают относительно невысокими магнитными свойствами, что не позволяет провести эффективную МРТ-диагностику, и затрудняет их использование для удаленного манипулирования во внешнем магнитном поле.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения магнитных наночастиц оксида железа (патент RU 2723932 С1, 18.06.2020 А61В 5/055 (2006.01)) путем нагревания ацетилацетоната железа (III) в бензиловом спирте до 110°С в течение 1 ч, повторного нагрева растворителя до температуры кипения, выдерживания смеси при температуре кипения в течение 40 ч, медленного охлаждения смеси до комнатной температуры, добавления в смесь безводного ацетона, отделения наночастиц оксида железа центрифугированием, промывки осадка наночастиц оксида железа ацетоном, удаления ацетона на роторном испарителе.
Известный способ дает получать наночастицы магнетита размером от (3-12)±1 нм. Его основным недостатком является относительно небольшие значения коэрцитивной силы 41,5 Э (3,3 килоАмпер/м (кА/м), а также то, что данным способом можно получать наночастицы только одного фазового и элементного состава.
Техническая задача изобретения заключается в разработке способа получения наночастиц феррита кобальта, лишенного вышеуказанных недостатков.
Технический результат изобретения заключается в улучшении магнитных свойств наночастиц феррита кобальта за счет повышения их коэрцитивной силы.
Технический результат достигается тем что, способ получения наночастиц феррита кобальта включает нагрев исходного раствора в бензиловом спирте и его выдерживание при достигнутой температуре в атмосфере инертного газа с последующим охлаждением полученной смеси в присутствии инертного газа, добавление в суспензию ацетона и отделение частиц из раствора, причем в качестве исходного раствора используют ацетилацетонат железа (III) с концентрацией 31-42 г/л и ацетилацетоната кобальта (II) с концентрацией 3-12 г/л, нагрев проводят в два этапа: первоначальный нагрев смеси до 50°С со скоростью нагрева 0,5°С/мин в течение 50 мин последующий нагрев смеси проводят в течение 6-8 ч со скоростью 15-30°С/ч до температуры 160-205°С, выдерживают при достигнутой температуре в течение 0,5-10 ч.
Отделение частиц феррита кобальта из раствора после введения ацетона возможно методами центрифугирования или магнитной декантации.
В качестве исходного раствора используется растворы ацетилацетонат железа (III) и ацетилацетонат кобальта (II) в бензиловом спирте, при этом их концентрация в бензиловом спирте может варьироваться и составлять, например, 31-42 г/л и 3-12 г/л соответственно.
Оптимальная температура первоначального нагрева смеси органического соединения железа (III), кобальта (II), и бензилового спирта, равная 50°С, и оптимальная продолжительность нагрева вышеуказанной смеси при 50°С, равная 50 мин, были установлены экспериментально. После проведения вышеуказанных стадий синтеза необходимо в атмосфере инертного газа нагреть реакционную смесь с 50°С до 205°С. При этом скорость нагрева реакционной смеси составляет, например, 15-30°С/мин и все стадии синтеза наночастиц феррита кобальта необходимо проводить в атмосфере любого инертного газа, например, такого, как азот, аргон и т.д. После нагрева смеси до 160-205°С реакционную смесь необходимо выдержать при данной температуре в течение определенного времени, например, в течение 0,5-10 ч, при этом данную операцию также необходимо проводить в атмосфере инертного газа. После выдерживания реакционной смеси ее необходимо охладить до комнатной температуры, при этом продолжительность охлаждения реакционной смеси также может быть различной и составлять, например, 40-120 мин. Следует отметить, что стадию охлаждения реакционную смеси также необходимо проводить в атмосфере инертного газа. Если вышеуказанные стадии синтеза проводить не в атмосфере инертного газа, а, например, в присутствия воздуха или хотя бы одну из вышеуказанных стадий синтеза вообще не проводить, то технический результат изобретения не достигается.
После охлаждения смеси до комнатной температуры в предложенном способе в систему необходимо ввести ацетон, необходимый для декантации полученных наночастиц феррита кобальта, причем для выполнения этой стадии синтеза атмосфера инертного газа не требуется и ее можно проводить в присутствии воздуха. При этом количество вводимого ацетона может варьироваться в широких пределах и составлять, например, 100-200% от объема реакционной смеси.
После введения ацетона наночастицы феррита кобальта можно отделять с использованием традиционно применяемых для этих целей методов, например, таких как центрифугирование или магнитная декантация.
Полученные наночастицы феррита кобальта требуется хранить при пониженной температуре в морозилке в герметичной стеклянной посуде без ухудшения свойств в течение длительного времени, например, в течение 6 месяцев.
Размер, морфология и распределение по размерам наночастиц феррита кобальта были исследованы методом просвечивающей электронной микроскопии на приборе JEM JEOL-1400 при ускоряющем напряжении 120 кВ. Образцы готовили нанесением 10 мкл коллоидного раствора НЧ ([Fe]=0,5 мг/мл) на медеую сетку (d=3.05 мм), покрытую формваром, и высушивали на воздухе в течение 1 ч при комнатной температуре. Анализ размеров магнитного ядра осуществляли с использованием программного обеспечения ImageG.
Рентгенофазовый анализ наночастиц феррита кобальта проводили на рентгенофазовом дифрактометре ДРОН-4 с Со-Кα-излучением, ток трубки составлял 19 мА, напряжение - 40 кВ, трубка работала в стандвртном режиме. Съемка осуществлялась при дифракционных углах 2θ от 15-120° при скорости сканирования 0,1° и времени экспозиции на точку съемки 5 с. Качественный фазовый анализ осуществляли путем сопоставления спектров с использованием программного обеспечения PDXL.
Магнитные свойства полученных кластеров определяют при комнатной температуре общепринятым методом на вибрационном магнетометре с помощью измерительного комплекса PPMS-9 в полях от -30 килоЭрстед (кЭ) до +30 (кЭ).
Элементный состав наночастиц феррита кобальта был установлен методом атомно-эмиссионной спектроскопии на приборе Agilent МР-4200 с использованием индуктивно-связанной плазмы в качестве источника возбуждения. На первом этапе строят калибровочную кривую с использованием стандартных водных растворов различной концентрации железа и кобальта в диапазоне от 500 до 2000 нг/мл. Затем готовят водный раствор образца с концентрацией железа и кобальта в диапазоне от 500 до 2000 нг/мл, и исследуют на приборе. Полученное значение концентрации железа и кобальта в водном растворе образца определяют с использованием полученной калибровочной кривой, после чего определяют концентрацию железа и кобальта в исходном образце с учетом произведенных разбавлений.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена микрофотография наночастиц феррита кобальта, полученных в примере 1 и соответствующая им гистограмма распределения наночастиц феррита кобальта по размерам; на фиг. 2 представлена рентгенограмма порошка наночастиц феррита кобальта полученная в примере 1 с индексацией характерных кристаллографических плоскостей; на фиг. 3 представлена микрофотография наночастиц феррита кобальта, полученных в примере 2 и соответствующая им гистограмма распределения наночастиц феррита кобальта по размерам; на фиг. 4 представлена рентгенограмма порошка наночастиц феррита кобальта полученная в примере 2 с индексацией характерных кристаллографических плоскостей; на фиг. 5 представлена микрофотография наночастиц феррита кобальта, полученных в примере 3 и соответствующая им гистограмма распределения наночастиц феррита кобальта по размерам; на фиг. 6 представлена рентгенограмма порошка наночастиц феррита кобальта полученная в примере 1 с индексацией характерных кристаллографических плоскостей.
Пример 1.
В трехгорлую колбу на 250 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром, трубкой с краном для подачи газа, обратным холодильником и подводом инертного газа, помещают 100 мл раствора ацетилацетоната железа (III) с концентрацией 31,7 г/л и ацетилацетоната кобальта (II) с концентрацией 11,6 г/л в бензиловом спирте. Содержимое колбы нагревают до 50°С со скоростью 0,5°С/мин в течение 50 мин. После чего содержимое колбы нагревают с 50°С до 160°С со скоростью 25°С/ч, выдерживают при 160°С в течение 2 ч, после чего содержимое колбы охлаждают до комнатной температуры при подаче инертного газа аргона. Получают суспензию наночастиц феррита кобальта, для отделения которых суспензию переносят в химический стакан, в который затем добавляют 128 мл водорастворимого полярного органического растворителя - ацетона, содержимое стакана вначале перемешивают, затем переносят в центрифужную пробирку и проводят отделение наночастиц центрифугированием при 6000 об/мин в течение 25 мин. Осевшие наночастицы феррита кобальта пять раз промывают порциями по 15 мл ацетона с последующим центрифугированием суспензии, осуществляя указанные стадии очистки наночастиц феррита кобальта в течение пяти раз. После этого к осадку добавляют 25 мл ацетона, смесь перемешивают, переносят в круглодонную колбу, которую для удаления ацетона присоединяют к роторному испарителю и проводят сушку до постоянной массы осадка. Получают 909 мг наночастиц феррита кобальта.
2
4
По данным атомно-эмиссионной спектроскопии по определению количественного элементного состава наночастиц феррита кобальта по интенсивности отдельных спектральных линий. В образце наночастиц, полученных в примере элементное соотношение [Fe]:[Co], установленное методом атомно-эмиссионной спектроскопии составило 2:1. Рассчитанные значения близкие к стехиометрическим для наночастиц CoFeO.
На Фиг. 1 приведена микрофотография суспензии наночастиц наночастиц феррита кобальта, по которой можно наблюдать, что в примере образуются наночастицы околосферической формы со средним размером 6±1 нм.
На Фиг. 2 представлена рентгенограмма порошка наночастиц. Положение пиков на рентгенограмме и их относительная интенсивность соответствуют наличию фазы феррита кобальта.
С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные наночастицы феррита кобальта обладают высокой коэрцитивной силой, составляющей 46,5 Э (3,7 килоАмпер/м (кА/м)).
Полученные кристаллы феррита кобальта при пониженной температуре в морозилке в герметичной стеклянной посуде без ухудшения свойств в течение, по крайней мере, 6 месяцев.
Пример 2.
В трехгорлую колбу на 250 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром, трубкой с краном для подачи газа, обратным холодильником и подводом инертного газа, помещают 100 мл раствора ацетилацетоната железа (III) с концентрацией 39,3 г/л и ацетилацетоната кобальта (II) с концентрацией 4,8 г/л в бензиловом спирте. Содержимое колбы нагревают до 50°С со скоростью 0,5°С/мин в течение 50 мин. После чего содержимое колбы нагревают с 50°С до 205°С со скоростью 18°С/ч, затем колбу выдерживают при 200°С в течение 10 ч, после чего содержимое колбы охлаждают до комнатной температуры при подаче инертного газа аргона. Получают суспензию наночастиц феррита кобальта, для отделения которых суспензию переносят в химический стакан, в который затем добавляют 140 мл водорастворимого полярного органического растворителя - ацетона, содержимое стакана вначале перемешивают, затем переносят в центрифужную пробирку и проводят отделение наночастиц центрифугированием при 6000 об/мин в течение 30 мин. В пробирку с осевшими наночастицами феррита кобальта добавляют 10 мл ацетона, содержимое пробирки перемешивают, затем проводят повторное центрифугирование, после чего проводят еще 2 вышеописанные стадии очистки наночастиц. После этого к осадку добавляют 25 мл ацетона, смесь перемешивают, переносят в круглодонную колбу, присоединяют к роторному испарителю и проводят сушку до постоянной массы осадка. Получают 930 мг наночастиц феррита кобальта.
Методом просвечивающей электронной микроскопии было показано, что в примере образуются наночастицы с формой, близкой к сферической, со средним диаметром 5±1 нм (фиг. 3). По данным рентгенофазового анализа продукт по фазовому составу представляет собой феррит кобальта (фиг. 4). С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные наночастицы феррита кобальта обладают высокой коэрцитивной силой, составляющей 62,8 Э (5 килоАмпер/м (кА/м)). Методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой было проведено исследование по установлению количественного элементного состава. В результате измерений было установлено соотношение [Fe]:[Co]=1:6.
Полученные кристаллы феррита кобальта при пониженной температуре в морозилке в герметичной стеклянной посуде без ухудшения свойств в течение, по крайней мере, 6 месяцев.
Пример 3.
Опыт проводят аналогично примеру 1 и примеру 2, однако, используют 100 мл раствора ацетилацетоната железа (III) с концентрацией 39,3 г/л и ацетилацетоната кобальта (II) с концентрацией 4,8 г/л в бензиловом спирте, в колбу подают ток азота, нагрев содержимого колбы осуществляют до 50°С со скоростью 1°С/мин в течение 50 мин. После чего содержимое колбы нагревают с 50°С до 160°С со скоростью 18°С/ч. Затем колбу выдерживают при 160°С в течение 30 мин, после чего содержимое колбы охлаждают до комнатной температуры при подаче инертного газа азота. Получают суспензию наночастиц феррита кобальта, для отделения которых суспензию переносят в химический стакан, в который затем добавляют 130 мл водорастворимого полярного органического растворителя - ацетона, содержимое стакана вначале перемешивают, затем переносят в центрифужную пробирку и проводят отделение наночастиц центрифугированием при 6000 об/мин в течение 20 мин. В пробирку с осевшими наночастицами феррита кобальта добавляют 10 мл ацетона, содержимое пробирки перемешивают, затем проводят повторное центрифугирование, после чего проводят еще 2 вышеописанные стадии очистки наночастиц. После этого к осадку добавляют 15 мл ацетона, смесь перемешивают, переносят в круглодонную колбу, присоединяют к роторному испарителю и проводят сушку до постоянной массы осадка. Получают 940 мг наночастиц феррита кобальта.
По данным рентгенофазового анализа продукт по фазовому составу представляет собой феррит кобальта (фиг. 6). По данным просвечивающей электронной микроскопии, порошок монодисперсен, и состоит из частиц околосферической формы с диаметром 5±1 нм (фиг. 5). С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные наночастицы феррита кобальта обладают высокой коэрцитивной силой 49 Э (3,9 килоАмпер/м (кА/м)).
Элементный состав, установленный методом атомно-эмиссионной спектроскопии для синтезированных наночастиц в примере составил [Fe]:[Co]=1:10.
Полученные кристаллы феррита кобальта при пониженной температуре в морозилке в герметичной стеклянной посуде без ухудшения свойств в течение, по крайней мере, 6 месяцев.
Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенный способ позволяет получать наночастицы феррита кобальта, обладающих высокими значениями коэрцитивной силы, повышая значение коэрцитивной силы в 1,5 раза, по сравнению с прототипом, что улучшает их магнитные свойства, а также позволяет получать наночастицы определенного фазового и элементного состава.