СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЛАСТЕРОВ ИЗ НАНОЧАСТИЦ МАГНЕТИТА
METHOD FOR PRODUCING CLUSTERS FROM MAGNETITE NANOPARTICLES

Область техники
Изобретение относится к нанохимии и касается способа получения кластеров из наночастиц магнетита, которые могут найти применение, например, в биомедицине, в частности, в качестве контрастного агента для магнитно-резонансной томографии, магнитной сепарации, адресной доставки лекарств и т.д.
Уровень техники
3
4
Известен способ получения кластеров (синонимы: агрегаты, агломераты) из наночастиц магнетита (FeO) путем нагревания раствора соединения железа (ацетилацетоната железа (III) или нитрата железа (III)) при 280°С в органическом растворителе - триэтиленгликоле в атмосфере инертного газа с последующим отделением кластеров, полученных в результате разложения соединения железа (, J.; Angermann, A. Nanocrystalline magnetite and Mn-Zn ferrite particles via the polyol process: Synthesis and magnetic properties. Mater. Chem. Phys. 2011, 129, 337-342). Известный способ имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как нагревание раствора соединения железа в органическом растворителе и последующее отделение полученных кластеров.
Известен способ получения кластеров из наночастиц магнетита путем нагревания раствора соединения железа (пентакарбонила железа) при 295°С в органическом растворителе-1-октадецене вначале в присутствии органической кислоты (олеиновой кислоты) вначале в атмосфере инертного газа, а затем в присутствии кислорода воздуха с последующим отделением кластеров, полученных в результате разложения соединения железа (Fu, J.; Не, L.; Xu, W.; Zhuang, J.; Yang, X.; Zhang, X.; Wu, M.; Yin, Y. Formation of Colloidal Nanocrystal Clusters of Iron Oxide by Controlled Ligand Stripping. Chem. Comm. 2016, 52, 128-131). Известный способ имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как нагревание раствора соединения железа в органическом растворителе в присутствии органической кислоты и последующее отделение полученных кластеров.
Известен способ получения кластеров из наночастиц магнетита путем нагревания раствора соединения железа (олеата железа (III)) в органическом растворителе - 1-октадецене с последующей сборкой их в кластеры под действием внешнего магнитного поля (Mehdizadeh Taheri, S.; Maria Michaelis, M.; Friedrich, Т.; , В.; Drechsler, M.;  F.M.; Peter  P.; Narayanan, Т.; Weber, В.; Rehberg, I.; Rosenfeldt, S.; , S. Self-assembly of smallest magnetic particles. Proc Natl Acad. Sci. USA 2015, 112 (47), 14484-14489). Известный способ имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как нагревание раствора соединения железа в органическом растворителе в присутствии органической кислоты.
Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения кластеров из наночастиц магнетита путем нагревания раствора соединения железа (ацетилацетоната железа (III)) при 260°С в органическом растворителе - дибензиловом эфире в атмосфере инертного газа в присутствии 1,2-гексадекандиола и органической 1-адамантанкарбоновой кислоты с последующим отделением полученных кластеров (Zhang, L.; Dou, Y.-H.; Gu, H.-C. Sterically induced shape control of magnetite nanoparticles. J. Crystal Growth 2006, 296, 221-226, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022024806007585, - прототип). Известный способ имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как нагревание раствора соединения железа в органическом растворителе в атмосфере инертного газа в присутствии 1,2-гексадекандиола и органической кислоты с последующим отделением полученных кластеров.
2
Недостатком известного способа получения кластеров из наночастиц магнетита является то, что полученные кластеры обладают недостаточно высокими значениями намагниченности и Т-релаксивности, что ухудшает их магнитные свойства, а также то, что данный способ позволяет получать кластеры только сферической формы.
Раскрытие изобретения
Техническая проблема изобретения заключается в разработке способа получения кластеров из наночастиц магнетита, лишенного вышеуказанных недостатков.
Технический результат изобретения заключается в улучшении магнитных свойств кластеров из наночастиц магнетита.
Предварительно были проведены эксперименты с различными органическими кислотами, которые показали, что указанный технический результат достигается в том случае, когда в способе получения кластеров из наночастиц магнетита путем нагревания раствора соединения железа в органическом растворителе в атмосфере инертного газа в присутствии 1,2-гексадекандиола и органической кислоты с последующим отделением полученных кластеров в качестве органической кислоты используют циклопропанкарбоновую кислоту, или 1-инданкарбоновую кислоту, или смесь олеиновой кислоты с одной из кислот, выбранной из группы, включающей бифенил-4-карбоновую кислоту и циклопропанкарбоновую кислоту, причем нагревание раствора осуществляется при температуре не ниже 210°С. При этом после нагревания раствора пентакарбонила железа в атмосфере инертного газа его дополнительно нагревают в присутствии кислорода.
Предлагаемый способ является новым и не описан в научно-технической литературе.
Осуществление изобретения
Предлагаемое техническое решение может быть использовано для получения кластеров магнетита, размеры которых могут варьироваться, например, от 20 до 50 нанометров (нм). При этом кластеры могут быть получены из наночастиц магнетита, также имеющих различный размер, который может составлять, например, 5-20 нм.
Экспериментально было установлено, что для получения кластеров магнетита нагревание раствора соединения железа в органическом растворителе в атмосфере инертного газа в присутствии органической кислоты необходимо проводить при температуре не ниже 210°С. При этом продолжительность нагревания и скорость нагрева могут варьироваться в широких пределах. Если нагревание раствора осуществлять ниже температуры 210°С, то кластеры из наночастиц магнетита не образуются. При получении кластеров магнетита верхняя допустимая температура при нагревании определяется природой используемого высококипящего органического растворителя и величиной атмосферного давления. Конкретные значения температуры нагревания раствора и продолжительность нагревания зависят от химического строения соединения железа, а также природы используемого органического растворителя и природы органической кислоты. Двухстадийный нагрев раствора соединения железа вначале при температуре не ниже 210°С, затем при более высокой температуре позволяет увеличить средний размер кластеров, состоящих из наночастиц магнетита.
В предлагаемом способе для получения кластеров магнетита могут быть использованы различные исходные соединения железа, например, такие как ацетилацетонат железа (III), нитрат железа (III), пентакарбонил железа и т.д. При этом было экспериментально установлено, что нагревание раствора соединения трехвалентного железа необходимо проводить в атмосфере инертного газа, а нагревание раствора пентакарбонила железа необходимо осуществлять вначале в атмосфере инертного газа, а затем в присутствии кислорода. Если осуществлять нагревание раствора соединения трехвалентного железа в присутствии кислорода, то вместо кластеров из наночастиц магнетита образуются кластеры из наночастиц маггемита, которые обладают худшими магнитными свойствами по сравнению с кластерами из наночастиц магнетита. При нагревании раствора пентакарбонила железа только в атмосфере инертного газа без последующего введения в реакционную систему кислорода, кластеры из наночастиц магнетита не образуются. Кластеры из наночастиц магнетита также не образуются, если нагревание раствора пентакарбонила железа проводить только в присутствии кислорода.
В предлагаемом техническом решении в качестве органического растворителя при получении кластеров можно использовать высококипящие органические растворители, например, такие как дибензиловый эфир, 1-октадецен, триэтиленгликоль и т.д. При этом используемый органический растворитель должен растворять исходные соединение железа, 1,2-гексадекандиол, а также вышеуказанные органические кислоты. При получении кластеров исходная концентрация соединения железа в органическом растворителе может варьироваться в широком диапазоне, например 0,1 моль/л - 0,2 моль/л.
2
Экспериментально было установлено, что если при получении кластеров магнетита в качестве органической кислоты использовать циклопропанкарбоновую кислоту и 1-инданкарбоновую кислоту, или смесь олеиновой кислоты с одной из кислот, выбранной из группы, включающей бифенил-4-карбоновую кислоту и циклопропанкарбоновую кислоту, то удается получить кластеры из магнетита с высокими значениями намагниченности и Т-релаксивности, что улучшает их магнитные свойства. При этом при получении кластеров в присутствии вышеуказанных кислот суммарная концентрация органической кислоты в растворе может составлять, например, 0,15-0,30 моль/л, а мольное соотношение между олеиновой кислотой и кислотой, выбранной из группы, включающей бифенил-4-карбоновую кислоту и циклопропанкарбоновую кислоту, может варьироваться в широких пределах и составлять, например, 0,5-1,0.
В предлагаемом техническом решении синтез кластеров магнетита осуществляют в присутствии 1,2-гексадекандиола, причем его концентрация в растворе может варьироваться в широком диапазоне и составлять, например, 0,2-0,4 моль/л. В отсутствие 1,2-гексадекандиола в процессе синтеза образуются кластеры, не обладающие магнитными свойствами.
При получении кластеров в качестве инертного газа могут быть использованы традиционные инертные газы, например, такие как аргон, азот или их смесь.
Предлагаемый способ дает возможность получать кластеры из наночастиц магнетита, которые образуются в результате агрегации наночастиц магнетита. При этом более 99% от общего количества образовавшихся наночастиц магнетита агрегирует в кластеры. Полученные кластеры отделяют от не вступивших в агрегацию наночастиц магнетита методом центрифугирования. После центрифугирования отделенные кластеры магнетита вначале промывают смесью этанола с гексаном, затем диспергируют в хлороформе или хлористом метилене для последующего хранения. Образование именно кластеров из наночастиц магнетита, а не отдельных наночастиц магнетита было доказано методом просвечивающей электронной микроскопии. При этом полученные кластеры могут храниться в течение длительного времени (не менее полугода) без потери своих магнитных свойств.
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).
2
Т - релаксивность протонов воды (синоним скорость Т2-релаксации) в присутствии полученных кластеров измеряют с использованием системы ClinScan 7T MRI.
Преимущества предложенного способа иллюстрируют следующие примеры.
Пример 1
2
2
-1
-1
2
В трехгорлую колбу на 50 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником и подводом инертного газа, помещают смесь 2 милимоль (ммоль) ацетилацетоната железа (III), 7 ммоль 1,2-гексадекандиола, 6 ммоль олеиновой кислоты и 6 ммоль бифенил-4-карбоновой кислоты (мольное соотношение кислот равно 1), растворенную в 20 мл органического растворителя - дибензилового эфира. Полученный раствор нагревают до 210°С со скоростью 10°С/мин в атмосфере азота и поддерживают указанную температуру в течение 60 мин, затем реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры. Для осаждения кластеров из наночастиц магнетита 20 мл смеси, содержащей 50 объемных % этанола и 50 объемных % гексана, добавляют к охлажденной реакционной смеси, после чего нанокластеры отделяют путем центрифугирования при 6000 об/мин в течение 30 мин и диспергируют в 20 мл хлористого метилена. В результате получают 150 мг нанокластеров магнетита преимущественно сферической формы, средний размер которых составляет 20 нм. При этом после центрифугирования надосадочная жидкость содержит менее одного процента отдельных наночастиц магнетита, не образовавших кластеры. Образование именно кластеров, состоящих из наночастиц магнетита, было доказано при помощи рентгенофазового анализа, а также при помощи просвечивающей электронной микроскопии. С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные нанокластеры обладают высокой намагниченностью насыщения, составляющей 79,1 ампер⋅м/кг (А⋅м/кг). У полученных нанокластеров значение Т-релаксивности, определенное при помощи магнитно-резонансной томографии, составляет 96 милимоль/л⋅сек (мМ⋅с).
Пример 2
2
-1
-1
2
В трехгорлую колбу на 50 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником и подводом инертного газа, помещают смесь 2 ммоль нитрат железа (III), 7 ммоль 1,2-гексадекандиола, 3 ммоль олеиновой кислоты и 6 ммоль циклопропанкарбоновой кислоты (мольное соотношение кислот равно 0,5) растворенную в 20 мл органического растворителя - 1-октадецена. Полученный раствор нагревают в атмосефре аргона до 210°С со скоростью 10°С/мин и поддерживают указанную температуру в течение 60 мин. Далее смесь нагревают до 296°С со скоростью 10°С/мин и поддерживают температуру в течение 30 мин. После этого реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры. Для осаждения нанокластеров магнетита 20 мл смеси, содержащей 50 объемных % этанола и 50 объемных % гексана, добавляют к охлажденной реакционной смеси, после чего нанокластеры отделяют путем центрифугирования при 6000 об/мин в течение 30 мин и диспергируют в 20 мл хлористого метилена. В результате получают 148 мг нанокластеров магнетита преимущественно сферической формы, средний размер которых составляет 25 нм. При этом после центрифугирования надосадочная жидкость содержит менее одного процента отдельных наночастиц магнетита, не образовавших кластеры магнетита. Образование именно кластеров, состоящих из наночастиц магнетита, было доказано при помощи рентгенофазового анализа, а также при помощи просвечивающей электронной микроскопии. С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные нанокластеры магнетита обладают высокой намагниченностью насыщения, которая составляет 79,5 А⋅м/кг. У полученных кластеров из наночастиц магнетита значение Т-релаксивности, определенное при помощи магнитно-резонансной томографии составляет 130 мМ⋅с.
Пример 3
2
-1
-1
2
В трехгорлую колбу на 50 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником и подводом инертного газа, помещают смесь 2 ммоль ацетилацетоната железа (III), 9 ммоль 1,2-гексадекандиола, 6 ммоль олеиновой кислоты и 6 ммоль циклопропанкарбоновой кислоты (мольное соотношение кислот равно 1) растворенную в 20 мл органического растворителя - дибензилового эфира. Полученный раствор нагревают до 210°С со скоростью 10°С/мин и поддерживают указанную температуру в течение 60 мин. Далее смесь нагревают до 260°С со скоростью 10°С/мин и поддерживают температуру в течение 30 мин. После этого полученную смесь охлаждают до комнатной температуры. Для осаждения нанокластеров магнетита 20 мл смеси, содержащей 50 объемных % этанола и 50 объемных % гексана добавляют к охлажденному раствору, после чего нанокластеры выделяют путем центрифугирования при 6000 об/мин в течение 30 мин и диспергируют в 20 мл хлористого метилена. В результате получают 150 мг нанокластеров магнетита преимущественно сферической формы, средний размер которых составляет 41 нм. При этом после центрифугирования надосадочная жидкость содержит менее одного процента отдельных наночастиц магнетита, не образовавших кластеры. Образование именно кластеров, состоящих из наночастиц магнетита, было доказано при помощи рентгенофазового анализа, а также при помощи просвечивающей электронной микроскопии. С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные нанокластеры магнетита обладают высокой намагниченностью насыщения, которая составляет 81,5 А⋅м/кг. С помощью магнитно-резонансного томографа было показано, что значение Т-релаксивности для полученных кластеров магнетита составляет 104 мМ⋅с.
Пример 4
2
-1
-1
2
В трехгорлую колбу на 50 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником и подводом инертного газа, помещают смесь 2 ммоль ацетилацетоната железа (III), 8 ммоль 1,2-гексадекандиола и 3 ммоль циклопропанкарбоновой кислоты (концентрация кислоты 0,15 моль/л) растворенную в 20 мл органического растворителя - дибензилового эфира. Полученный раствор нагревают до 210°С со скоростью 10°С/мин и поддерживают указанную температуру в течение 60 мин. Далее смесь дополнительно нагревают до 260°С со скоростью 3°С/мин и поддерживают температуру в течение 30 мин. Затем полученную смесь охлаждают до комнатной температуры. Для осаждения нанокластеров магнетита 20 мл смеси, содержащей 50 объемных % этанола и 50 объемных % гексана добавляют к охлажденной смеси, после чего нанокластеры отделяют путем центрифугирования при 6000 об/мин в течение 30 мин и диспергируют в 20 мл хлористого метилена. В результате получают 152 мг нанокластеров магнетита преимущественно сферической формы, средний размер которых составляет 40 нм. При этом после центрифугирования надосадочная жидкость содержит менее одного процента отдельных наночастиц магнетита, не образовавших кластеры. Образование именно кластеров, состоящих из наночастиц магнетита, было доказано при помощи рентгенофазового анализа, а также при помощи просвечивающей электронной микроскопии. С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные нанокластеры магнетита обладают высокой намагниченностью насыщения, которая составляет 81,0 А⋅м/кг. У полученных нанокластеров значение Т-релаксивности, определенное при помощи магнитно-резонансной томографии, составляет 102 милимоль/л⋅сек (мМ⋅с).
Пример 5
2
-1
-1
2
В трехгорлую колбу на 50 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником и подводом инертного газа, помещают смесь 2 ммоль пентакарбонила железа, 4 ммоль олеиновой кислоты и 6 ммоль циклопропанкарбоновой ксилоты (мольное соотношение кислот равно 0,67) растворенную в 20 мл органического растворителя - дибензилового эфира. Полученный раствор нагревают до 295°С и поддерживают указанную температуру в течение 60 мин. Далее смесь охлаждают до 200°С и поддерживают температуру в течение 60 мин, пропуская через нее кислород. Затем полученную смесь охлаждают до комнатной температуры. Для осаждения нанокластеров магнетита 20 мл смеси, содержащей 50 объемных % этанола и 50 объемных % гексана, добавляют к охлажденной смеси, после чего нанокластеры отделяют путем центрифугирования при 6000 об/мин в течение 30 мин и диспергируют в 20 мл хлористого метилена. В результате получают 140 мг нанокластеров магнетита преимущественно сферической формы, средний размер которых составляет 30 нм. При этом после центрифугирования надосадочная жидкость содержит менее одного процента отдельных наночастиц магнетита, не образовавших кластеры. Образование именно кластеров, состоящих из наночастиц магнетита, было доказано при помощи рентгенофазового анализа, а также при помощи просвечивающей электронной микроскопии. С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные нанокластеры магнетита обладают высокой намагниченностью насыщения, которая составляет 79,3 А⋅м/кг. У полученных нанокластеров значение Т-релаксивности, определенное при помощи магнитно-резонансной томографии, составляет 108 милимоль/л⋅сек (мМ⋅с).
Пример 6
2
-1
-1
2
В трехгорлую колбу на 50 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником и подводом инертного газа, помещают смесь 2 ммоль ацетилацетоната железа (III), 8 ммоль 1,2-гексадекандиола и 6 ммоль 1-инданкарбоновой кислоты (концентрация кислоты 0,3 моль/л) растворенную в 20 мл органического растворителя - дибензилового эфира. Полученный раствор нагревают до 210°С со скоростью 10°С/мин и поддерживают указанную температуру в течение 60 мин. Затем реакционную смесь нагревают до 260°С со скоростью 10°С/мин и поддерживают температуру в течение 30 мин. После этого полученную реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры. Для осаждения нанокластеров магнетита 20 мл смеси, содержащей 50 объемных % этанола и 50 объемных % гексана добавляют к охлажденной смеси, после чего нанокластеры отделяют путем центрифугирования при 6000 об/мин в течение 30 мин и диспергируют в 20 мл хлористого метилена. В результате получают 145 мг нанокластеров магнетита преимущественно кубической формы, средний размер которых составляет 38 нм. При этом после центрифугирования надосадочная жидкость содержит менее одного процента отдельных наночастиц магнетита, не образовавших кластеры. Образование именно кластеров, состоящих из наночастиц магнетита, было доказано при помощи рентгенофазового анализа, а также при помощи просвечивающей электронной микроскопии. С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные нанокластеры магнетита обладают высокой намагниченностью насыщения, которая составляет 83,2 А⋅м/кг. С помощью магнитно-резонансного томографа было показано, что значение Т-релаксивности для полученных кластеров магнетита составляет 168 мМ⋅с.
Пример 7 (контрольный, по прототипу)
2
-1
-1
2
В трехгорлую колбу на 50 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником и подводом инертного газа, помещают смесь 2 ммоль ацетилацетоната железа (III), 8 ммоль 1,2-гексадекандиола и 6 ммоль органической 1-адамантанкарбоновой кислоты, растворенную в 20 мл органического растворителя - дибензилового эфира. Затем реакционную смесь нагревают до 260°С и поддерживают температуру в течение 30 мин. После этого полученную реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры. Для осаждения нанокластеров магнетита 20 мл смеси, содержащей 50 объемных % этанола и 50 объемных % гексана, добавляют к охлажденной смеси, после чего нанокластеры отделяют путем центрифугирования при 6000 об/мин в течение 30 мин и диспергируют в 20 мл хлористого метилена. В результате получают 150 мг нанокластеров магнетита преимущественно сферической формы, средний размер которых составляет 40 нм. При этом после центрифугирования надосадочная жидкость содержит менее одного процента отдельных наночастиц магнетита, не образовавших кластеры. Образование именно кластеров, состоящих из наночастиц магнетита, было доказано при помощи рентгенофазового анализа, а также при помощи просвечивающей электронной микроскопии. С помощью вибрационного магнетометра было показано, что полученные нанокластеры магнетита обладают недостаточно высокой намагниченностью насыщения, которая составляет 73 А⋅м/кг. С помощью магнитно-резонансного томографа было показано, что значение Т-релаксивности для полученных кластеров магнетита составляет 80 мМ⋅с.
2
Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенный способ действительно дает возможность получать кластеры из наночастиц магнетита, обладающих различной геометрической формой с высокими значениями намагниченности и Т-релаксивности, что улучшает их магнитные свойства.