Name: 具有可调纳米尺度尺寸和成分的锰铁氧体簇的稳定水悬浮液 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-02-05T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 45 s
Description: 学习一锅水热法合成锰铁氧体纳米团簇，独立调控尺寸与铁锰比例，结合磁分离纯化和磺化聚合物表面功能化，获得在生物水溶液中稳定分散的超顺磁性材料，适用于生物医学应用。

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本工作得到了布朗大学和先进能源联盟的大力支持。我们衷心感谢张庆波博士建立了氧化铁磁性流体晶体的合成方法。

1. 对微纤毛结构的总体直径和铁氧体成分进行调控的微纤毛结构合成
<ol>
	<li>清洗并将合成过程中使用的所有玻璃器皿彻底干燥。合成中的水量会影响MFC的尺寸，因此必须确保玻璃器皿中无残留水分16,26。
	<ol>
		<li>清洗玻璃器皿时，先用自来水和洗涤剂冲洗，并用烧瓶刷擦洗以去除残留物。随后彻底冲洗以去除所有洗涤剂，最后用去离子水冲洗一次。</li>
		<li>干燥玻璃器皿时，将表面的水滴甩掉，然后放入60°C的烘箱中直至完全干燥。</li>
		<li>用37%盐酸冲洗聚苯撑衬里（PPL）反应器，以去除之前使用留下的任何残留物。操作时，将反应器及其盖子放入一个大烧杯中，加入盐酸直至完全浸没反应器。静置30分钟后倒出盐酸。接着用自来水持续冲洗装有反应器的烧杯1–2分钟，然后将反应器放入烘箱中干燥。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用自动移液器将20 mL乙二醇转移至含有磁力搅拌子的50 mL烧杯中。</li>
	<li>称取所需量的三氯化铁（FeCl3·6H2O，固体），使其最终浓度达到1.3 mM，并加入烧杯中。将烧杯置于搅拌台上，开启搅拌，转速设为480 rpm，开始持续搅拌。 
	注意：由于该物质为水合物，必须迅速称量并加入，以避免从空气中吸收水分。</li>
	<li>称取250 mg聚丙烯酸（PAA，分子量~6,000，粉末），加入烧杯中。加入PAA后，溶液变为不透明且颜色略变浅。</li>
	<li>称取1.2 g尿素（CO(NH2)2，粉末），加入烧杯中。</li>
	<li>使用移液器向烧杯中加入0.7 mM氯化锰（MnCl2·6H2O 水溶液，3.5 M，0.2 mL）。</li>
	<li>最后，使用移液器向烧杯中加入所需量的超纯水（0.5 mL）。</li>
	<li>让溶液搅拌30分钟，并观察颜色变化。此时溶液呈半透明的深橙色。</li>
	<li>将反应混合物转移至聚苯撑衬里（PPL）反应器中。注意：溶液搅拌后，可能有部分固体附着在烧杯壁上。
	<ol>
		<li>使用磁铁（立方体永磁稀土磁铁，40 × 40 × 20 mm，后续所有分离和磁性收集操作中均简称为&#34;磁铁&#34;）带动搅拌子在烧杯内壁移动，确保附着在壁上的固体重新分散到反应溶液中。</li>
		<li>待溶液充分混合后，将其转移至50 mL PPL衬里反应器中。</li>
		<li>使用夹具和杠杆尽可能紧密地将反应器密封于不锈钢高压釜中。将反应器固定在稳定表面上，将一根金属棒插入盖子作为杠杆，推动反应器完成密封。注意：密封后的反应器应无法用手打开。这一点至关重要，因为烘箱内的高压环境要求反应器必须具备严密的密封性。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将反应器放入215 °C的烘箱中反应20小时。</li>
	<li>水热反应完成后，从烘箱中取出反应器，使其冷却至室温。随着压力释放，反应器可手动打开。此时，反应器内含有分散在乙二醇中的MFC产物，以及未反应的聚合物等杂质，呈不透明黑色溶液。后续步骤将对产物进行分离。</li>
</ol>
2. MFCs 的磁分离与纯化
<ol>
	<li>将 200 mg 钢棉放入玻璃小瓶中。用反应器中的反应混合物填充该玻璃小瓶至一半体积，然后用丙酮加满小瓶并充分振荡。注意：钢棉可增强小瓶内的磁场强度，有助于纳米簇从溶液中实现磁性分离。</li>
	<li>将小瓶置于磁铁上以进行磁性收集。结果将得到上层为透明溶液、底部有沉淀物的混合物。
	<ol>
		<li>倾倒上清液时，将磁铁保持在小瓶底部，使磁性功能簇（MFCs）被钢棉磁性捕获。此步骤中大部分乙二醇将被去除。</li>
		<li>开始使用丙酮与水较低比例的混合液洗涤，随后逐步提高丙酮比例，直至洗涤液为纯丙酮。重复此步骤 3–4 次。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将小瓶从磁铁上取下，并加满水。充分振荡以溶解磁性功能簇（MFCs）。此时产物将完全分散于水中。</li>
	<li>重复前两个步骤数次，直至磁性功能簇（MFCs）的水溶液在振荡时不再产生气泡。最终得到一种深色、不透明的磁性液体，对磁铁具有强烈响应。 
	注意：在典型的合成中，使用 20 mL 乙二醇时，可获得约 80 mg 的磁性功能簇（MFCs）产物。</li>
</ol>
3. 面向超高胶体稳定性的微纤丝纤维素表面功能化
注意：硝基多巴胺和聚（丙烯酸-共-AMPS-共-PEG）的合成方法可参见我们之前的工作16。该共聚物通过自由基聚合制备。将0.20 g 2,2′-偶氮二(2-甲基丙腈)（AIBN）、0.25 g 丙烯酸（AA）、0.75 g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）和1.00 g 聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯（PEG）加入10 mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中。将混合物在70 °C水浴中加热1小时，然后转移至透析袋（纤维素膜，3 kDa）中，在水中透析。AA、AMPS和PEG的重量比为1:3:4。这些单体的聚合转化率为100%，经冷冻干燥并称重确认。
<ol>
	<li>在20 mL小瓶中加入10 mL纯化的纳米颗粒（约100 mg）和10 mL饱和的N-[2-(3,4-二羟基苯基)乙基]硝胺（硝基多巴胺）溶液（约1 mg/mL）。静置5分钟。</li>
	<li>使用磁分离法洗涤经硝基多巴胺包覆的磁性富勒烯材料（MFCs），倒去淡黄色上清液。加入水并剧烈振荡，然后利用磁铁吸附保留产物，倒去水。重复此洗涤步骤数次，最终在小瓶中保留深棕色产物。 
	注意：配制浓度为20 mg/mL的水溶液、浓度为100 mg/mL的缓冲溶液，以及浓度为20 mg/mL的聚（丙烯酸-共-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-共-聚乙二醇）（poly(AA-co-AMPS-co-PEG)）聚合物溶液。</li>
	<li>将1 mL EDC溶液、1 mL MES缓冲液和3 mL聚合物溶液混合，轻轻旋转搅拌混合物，静置约5分钟。完全混合后应得到澄清无色的溶液。</li>
	<li>将上述混合液加入MFC收集物中，并将小瓶置于冰浴中。将探头式超声破碎仪插入溶液中，然后开启（功率250瓦，频率20 kHz）。
	<ol>
		<li>超声处理5分钟后，在超声持续进行的同时向小瓶中加入约5 mL超纯水。持续观察容器，确保无产物溅出。保持冰浴中的冰量，因超声过程产生的热量会使部分初始加入的冰融化。</li>
		<li>继续超声处理25分钟，累计超声时间共30分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将小瓶置于磁铁上方，使MFCs磁分离，倒去上清液。</li>
	<li>用去离子水多次洗涤修饰后的MFCs。</li>
	<li>用超纯水充满含有MFCs的小瓶，将液体用移液器转移至真空过滤系统，使用孔径0.1 µm的聚醚砜膜滤器，以去除任何不可逆聚集的MFCs。确保冲洗漏斗壁，以尽量减少产物损失。</li>
	<li>对溶液进行真空过滤，重复此过程2–3次。最终获得单分散MFCs的纯化水溶液。 
	注意：约有10%的产物会不可逆聚集，该部分物质将滞留在滤膜上，应予以弃去。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本研究展示了一种改进的多元醇法合成四氧化锰铁纳米晶体，这些纳米晶体聚集形成尺寸均一的纳米级聚集体29。在此合成过程中，三氯化铁和二氯化锰经历强制水解反应与还原反应，生成分子式为MnxFe3-xO4的铁氧体分子。这些铁氧体分子在反应器内的高温高压条件下形成初级纳米晶体，并最终组装成球形聚集体，本文将其称为磁铁矿铁氧体簇（MFCs）。若反应时间不足或水量不足，聚集过程无法充分完成，导致生成的颗粒不均一且形貌不良。相反，在足够的时间和充足的水条件下，金属氧化物的结晶与组装过程得以完全进行，形成由数十至数百个初级纳米晶体组成的均一球形聚集体。这些材料中的初级纳米晶体为硬聚集态，共享部分晶界界面，因而具有较高的初始磁化率，即使在手持永磁体产生的弱磁场下也能表现出显著的磁响应27。因此，这类材料在药物递送、磁热疗、磁共振成像以及磁粒子成像等领域具有广阔的应用前景30,<sup class="xref...

在适当条件下，将锰作为掺杂剂引入氧化铁晶格中，可使材料在高外加磁场下的磁化强度高于纯氧化铁。因此，锰铁氧体（Mnx铁3-xO4）纳米颗粒由于具有高饱和磁化强度、对外加磁场的强响应性以及低细胞毒性，是极具吸引力的磁性纳米材料1,2,3,4,5单个纳米晶以及由这些纳米晶组成的簇状结构（称为多畴颗粒）已在多种生物医学应用中得到研究，包括药物递送、用于癌症治疗的磁热疗以及磁共振成像（MRI）。6,7,8例如，Hyeon 团队在2017年利用单域锰铁氧体纳米颗粒作为芬顿催化剂以诱导肿瘤缺氧，并利用该材料的 T2MRI 追踪的对比度9鉴于这些及其他关于铁氧体材料的积极研究，令人惊讶的是相关研究仍然很少 在体内 与纯氧化铁（Fe3O4纳米材料，且尚无在人体中应用的报道9,10.
将铁氧体纳米材料的特性转化为临床应用面临的一个巨大挑战是生成均匀、不聚集的纳米级团簇11,12,13,14。尽管单畴纳米晶体的传统合成方法已较为成熟，但本研究中所关注类型的多畴团簇却难以以均匀且可控的方式制备15,16。此外，铁氧体的组成通常是非化学计量的，且不能简单地由前驱体的初始浓度决定，这进一步阻碍了对这些材料系统性的结构-功能表征9,12,13,17。在此，我们通过展示一种合成方法解决了这些问题，该方法可独立调控锰铁氧体纳米材料的团簇尺寸和组成。
这项工作还提供了一种克服铁氧体纳米材料胶体稳定性差的方法18,19,20。磁性纳米颗粒通常由于强烈的颗粒间吸引力而易于发生聚集；铁氧体材料受此问题影响更为严重，因其较大的净磁化强度会加剧颗粒聚集。在相关的生物介质中，这些材料会形成足够大的聚集体，导致材料迅速沉降，从而限制了其对动物或人体的暴露途径20,21,22。Hilt 等人在研究磁热加热和染料降解时发现了颗粒间聚集的另一后果23。在颗粒浓度略高或暴露于磁场的时间延长的情况下，随着颗粒随时间发生聚集，活性颗粒表面积减少，材料的效能也随之降低。上述及其他应用均可受益于设计用于提供空间位阻、阻止颗粒间相互作用的团簇表面24,25。
本文报道了一种可控制尺寸和成分的锰铁氧体簇（MFCs）的合成方法。这些多畴颗粒由初级锰铁氧体纳米晶体紧密聚集而成；初级纳米晶体之间的紧密关联增强了其磁学性能，并使整体簇尺寸（50–300 nm）恰好处于纳米药物所需的最优尺度范围。通过调节水和氯化锰前驱体的用量，可独立调控产物的整体直径和组成。该方法采用简单高效的单釜水热反应，便于频繁实验和材料优化。这些MFCs可被轻松纯化为高浓度产物溶液，并进一步通过磺化聚合物进行修饰，从而赋予其胶体稳定性。其可调性、均一性及溶液相稳定性，均使其成为纳米材料在生物医学与环境工程应用中极具价值的特性。

<table><tbody><tr><td>0.1 微米真空过滤滤器</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>NC9902431</td><td>用于在合成及表面包覆后过滤聚集的团簇，以获得均匀溶液</td></tr><tr><td>2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS，99%）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>282731-250G</td><td>共聚物中用于纳米团簇表面包覆及在生物介质中功能化的试剂</td></tr><tr><td>2,2&amp;prime;-偶氮双(2-甲基丙腈)（AIBN）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>441090-100G</td><td>作为自由基引发剂用于共聚物制备</td></tr><tr><td>4-吗啉乙磺酸，2-(N-吗啉基)乙磺酸（MES）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M3671-250G</td><td>酸性缓冲液，用于稳定纳米团簇表面包覆过程</td></tr><tr><td>丙烯酸</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>147230-100G</td><td>共聚物中用于纳米团簇表面包覆及在生物介质中功能化的试剂；无水，含200 ppm MEHQ作为抑制剂，99%</td></tr><tr><td>分析天平</td><td>Avantor</td><td>VWR-205AC</td><td>用于称量合成和稀释过程中使用的固体化学试剂</td></tr><tr><td>数字超声波破碎仪及探头</td><td>Branson</td><td>B450</td><td>在表面包覆过程中对纳米团簇溶液进行超声处理，以打破聚集体</td></tr><tr><td>盐酸多巴胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H8502-25G</td><td>用于表面包覆中的配体交换反应</td></tr><tr><td>乙二醇（无水，99.8%）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>324558-2L</td><td>作为溶剂用于纳米团簇的水热合成</td></tr><tr><td>玻璃小瓶（20 mL）</td><td>Premium Vials</td><td>B1015</td><td>用于纳米团簇溶液在洗涤和表面包覆过程以及聚合物溶液中的容器</td></tr><tr><td>量筒烧杯（100 mL）</td><td>Corning</td><td>1000-100</td><td>用于水热合成过程中固体和液体试剂的混合（需在放入烘箱前转移至高压反应釜）</td></tr><tr><td>手持磁铁</td><td>MSC Industrial Supply, Inc.</td><td>92673904</td><td>1/2&quot; 长 × 1/2&quot; 宽 × 1/8&quot; 高，5极，矩形钕磁铁，低强度磁铁，用于从溶液中沉淀纳米团簇（必要时可通过钢丝绒增强磁场强度）</td></tr><tr><td>盐酸（ACS级，37%）</td><td>Fisher Scientific</td><td>7647-01-0</td><td>用于去除残留的纳米团簇残渣并清洁高压反应釜以供下次使用</td></tr><tr><td>水热高压反应釜</td><td>Toption</td><td>TOPT-HP500</td><td>用于容纳最终试剂混合物，以承受水热合成过程中烘箱产生的高温和高压</td></tr><tr><td>三氯化铁六水合物（FeCl3&amp;middot;6H2O，ACS试剂，97%）</td><td>ACS</td><td>236489-500G</td><td>用于纳米团簇合成中作为铁(III)源，在最终纳米团簇产物中转化为铁(II)（需保持干燥并快速称量以避免水分污染）</td></tr><tr><td>实验室器皿清洗刷</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-641-708</td><td>用于合成前清洗玻璃器皿</td></tr><tr><td>磁力搅拌器</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>50093538</td><td>用于水热合成过程中固体和液体试剂的混合</td></tr><tr><td>四水合氯化锰（MnCl2&amp;middot;4H2O，99.0%，晶体，ACS）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>1375127-2G</td><td>用于纳米团簇合成中作为锰源</td></tr><tr><td>微量移液器（100–1000&amp;mu;L）</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>FF-1000</td><td>用于转移水和氯化锰等液体试剂</td></tr><tr><td>N-(3-二甲氨基丙基)-N&amp;prime;-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>25952-53-8</td><td>用于表面包覆中辅助共聚物的配体交换（大量试剂应保存在冷冻柜中，稀释溶液保存在冰箱中）</td></tr><tr><td>N,N-二甲基甲酰胺（DMF）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056-2L</td><td>作为溶剂用于共聚物制备</td></tr><tr><td>聚丙烯酸钠盐（PAA，分子量~6,000）</td><td>PolyScience Inc.</td><td>06567-250</td><td>用于水热合成中初步包覆纳米团簇（最终在表面包覆步骤中被取代）</td></tr><tr><td>聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>454990-250ML</td><td>共聚物中用于纳米团簇表面包覆及在生物介质中功能化的试剂；平均分子量480，含100 ppm BHT和100 ppm MEHQ作为抑制剂</td></tr><tr><td>试剂丙酮，4L，ACS级</td><td>Cole-Parmer</td><td>UX-78920-66</td><td>作为溶剂用于洗涤过程中沉淀纳米团簇</td></tr><tr><td>单通道移液器，可调范围1–10 mL</td><td>Eppendorf</td><td>3123000080</td><td>用于转移乙二醇及其他液体</td></tr><tr><td>钢丝绒</td><td>Lowe's</td><td>788470</td><td>用于增强小瓶中的磁场强度，以帮助在洗涤和表面包覆过程中沉淀纳米团簇</td></tr><tr><td>搅拌子</td><td>Thomas Scientific</td><td>8608S92</td><td>用于水热合成过程中固体和液体试剂的混合</td></tr><tr><td>台式夹具</td><td>Grainger</td><td>29YW53</td><td>用于高压反应釜的紧密密封，以承受水热合成过程中烘箱的高压</td></tr><tr><td>尿素（ACS试剂，99.0%）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>U5128-500G</td><td>用于水热合成中形成碱性溶液</td></tr><tr><td>真空过滤瓶盖</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>596-3320</td><td>用于在合成及表面包覆后过滤聚集的团簇，以获得均匀溶液</td></tr><tr><td>真空控制器 V-850</td><td>Buchi</td><td>BU-V850</td><td>用于在合成及表面包覆后过滤聚集的团簇，以获得均匀溶液</td></tr><tr><td>真空烘箱</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-262-51</td><td>用于产生水热合成中纳米团簇形成所需的高温和高压</td></tr></tbody></table>

可调纳米尺度尺寸与组分的锰铁氧体簇稳定水悬浮液

Stable Aqueous Suspensions of Manganese Ferrite Clusters with Tunable Nanoscale Dimension and Composition

锰铁氧体簇（MFCs）是由数十至数百个初级纳米晶体组成的球形聚集体，其磁性在多种应用中具有重要价值。本文介绍了一种水热法合成此类材料的方法，该方法可独立调控产物簇的尺寸（30–120 nm）以及所得材料中的锰含量。加入醇类反应体系中的总水量、锰与铁前驱体的比例等参数，是获得多种类型MFC纳米材料的关键因素。一种快速纯化方法利用磁性分离技术回收产物，使克级磁性纳米材料的制备过程非常高效。我们通过在纳米材料表面修饰高电荷磺酸盐聚合物，解决了磁性纳米材料易聚集的难题，从而获得胶体稳定性良好的MFCs，即使在高盐环境中也能保持不聚集状态。这些不聚集、均一且可调控的材料在生物医学和环境领域具有广阔的应用前景。

水热处理后，反应混合物会转变为一种黏稠的黑色分散液，如图1所示。经过纯化后得到的是高浓度的磁性纤维素溶液，其行为类似于磁流体。当将样品瓶靠近手持磁铁（<0.5 T）时，液体在数秒内即产生响应，形成可随磁铁位置移动而移动的宏观黑色聚集体。
该合成反应所得产物的尺寸和铁氧体组成取决于反应混合物中添加的水量以及锰与铁前驱体的比例。 图2 说明了团簇形貌如何依赖于水和前驱体浓度；同时还详细描述了获得所列样品的反应条件 Table 1我们发现，MFC 的直径受加水量的影响，而 MFC 的组成则取决于前驱体中铁和锰的比例。因此，这两个参数可独立调控，从而制备出具有不同尺寸和锰含量的 MFC 系列。
尽管这是一种非常简单的合成方法，但实验操作中的错误可能导致产物失败。图3展示了具有不规则微米纤维结...

我们报道了一种一步水热法合成锰铁氧体簇（MFCs）的方法，该方法可独立调控材料的尺寸和组成。通过磁性分离可实现快速纯化，而利用磺化聚合物进行表面功能化则确保材料在生物相关介质中不发生聚集。所得产物在生物医学应用方面具有良好的前景。

锰铁氧体簇（MFCs）是由数十至数百个初级纳米晶体组成的球形聚集体，其磁学性质在多种领域中具有重要应用价值……

本视频中，我们展示了超顺磁性锰铁氧体纳米簇的合成方法。我们报道了一种一步水热法合成锰铁氧体簇（MFCs），该方法可独立调控初级纳米晶体和簇的尺寸，以及铁与锰的比例。通过磁性分离可实现样品的快速纯化，而采用磺化聚合物进行表面功能化则确保材料在生物相关的水溶液中仍保持不聚集状态。所得产物在生物技术和医学应用方面具有良好的前景。清洗并彻底干燥合成过程中使用的所有玻璃器皿。合成过程中水的含量会影响MFC的尺寸。因此，确保玻璃器皿中无残留水分至关重要。清洗玻璃器皿时，先用清水和洗涤剂冲洗，并用FLAS刷擦洗以去除残留物，然后彻底冲洗以除去所有洗涤剂，最后用去离子水润洗。用37%盐酸冲洗聚酚衬里反应器，以去除之前使用时残留的任何碎屑。操作时，将反应器及其盖子放入一个大烧杯中，并加入盐酸直至完全浸没反应器。静置30分钟后，倒出盐酸。用清水持续冲洗反应器和烧杯一到两分钟，然后将反应器放入烘箱中干燥。使用自动移液器将20毫升乙二醇转移至含有磁力搅拌子的50毫升烧杯中。称取所需量的氯化铁，使其终浓度为1.3毫摩尔，并将其加入烧杯中。将烧杯放在搅拌器上，以 480 RPM 的转速开启搅拌，开始持续搅拌烧杯中的溶液。称取 250 毫克聚丙烯酸，加入烧杯中。加入 PAA 后，溶液变为不透明且颜色略微变浅。称取1.2克尿素并加入烧杯中。使用移液器，向烧杯中加入0.7毫摩尔的氯化锰。最后，使用移液器向烧杯中加入所需量的超纯水。让溶液搅拌30分钟，并观察颜色变化。溶液将呈现为半透明的深橙色。将反应混合物转移至PPL反应器中。请注意，溶液搅拌后，烧杯壁上可能有部分固体沉积。使用磁铁移动搅拌子在烧杯内壁周围旋转，以确保附着在壁上的固体重新分散到反应溶液中。待溶液充分混合并准备好后，将其转移至50毫升聚苯硫醚（PPL）内衬的反应器中。使用夹具和杠杆尽可能紧密地将反应器密封在不锈钢高压釜中。将反应器容器固定在稳定的表面上，用一根杆插入盖子作为杠杆，推动反应器以实现密封。注意，密封后的反应器应无法用手打开。这一点至关重要，因为烘箱的高压环境要求反应釜具有严密的密封性。将反应釜放入烘箱中，在215摄氏度下反应20小时。水热反应完成后，从烘箱中取出反应釜，并使其冷却至室温。烘箱的压力将使反应器能够手动打开。请注意，此时反应器中将含有分散在乙二醇中的MFC产物以及其他杂质（如未反应的聚合物），并形成不透明的黑色溶液。按照以下步骤分离产物。将200毫克钢丝绒放入玻璃小瓶中。用反应器中的反应混合物填充玻璃小瓶至一半体积。用丙酮加满剩余的样品瓶，并充分振荡。注意，钢丝绒可增强样品瓶内的磁场强度，有助于纳米簇从溶液中进行磁分离。将样品瓶置于磁铁上，以实现磁性收集。结果将得到底部有沉淀的半透明溶液。倾倒时，将磁铁置于小瓶底部，通过钢棉磁性捕获MFCs，同时倒出上清液。此步骤中大部分乙二醇将被去除。先用丙酮与水的低比例混合液开始洗涤，随后在后续洗涤中逐步提高丙酮比例，直至获得纯产物。重复此步骤三到四次。将离心管从磁铁上取下，并加水至满。充分振荡以溶解MFCs。此时产物将完全分散于水中。重复前两步数次，直至MFCs的水溶液在振荡时不再产生气泡。最终将得到一种深色不透明的铁磁流体，其对磁铁具有强烈响应。为了保持纳米簇的稳定性，我们使用一种共聚物PAA-co-AMPS-co-PEG对其进行修饰，该共聚物可提供空间位阻和静电排斥作用。AMPS单元中的磺酸根可提供电荷稳定作用，而PEG单元则可通过空间位阻抑制纳米簇间的聚集。总体而言，即使在各种严苛条件下，经修饰的纳米颗粒仍能保持稳定。取10毫升纯化后的纳米颗粒加入20毫升小瓶中，再加入10毫升饱和多巴胺溶液，静置5分钟。使用磁性分离法清洗Nitra多巴胺包被的MFCs。倒出淡黄色上清液。加入水并剧烈振荡。然后利用磁铁吸附产物，倒出上清液。重复洗涤数次，将深棕色产物保留在小瓶中。混合1 mL EDC溶液、1 mL MES缓冲液和3 mL聚合物溶液。轻轻旋转混匀混合物，静置约五分钟。充分混合后应得到澄清无色的溶液。将此混合物加入MFC收集管中，并将小瓶置于冰浴中。将探头式超声波破碎仪插入溶液中，然后开启仪器。超声处理五分钟后，在超声仪仍在运行的同时，向小瓶中加入约五毫升超纯水。持续观察容器，确保无样品溅出。保持冰水混合物中的冰，因为初始加入的冰可能会因超声的强度和热量而部分融化。继续超声处理25分钟，累计超声时间达到30分钟。将小瓶置于磁铁上方，以分离磁性微载体（MFCs），然后倒出上清液。用去离子水多次清洗经修饰的微纤丝纤维素（MFCs）。用超纯水填充装有MFCs的小瓶。将此液体用移液器转移至真空过滤系统，系统中装有0.1微米的聚醚砜膜滤器，以去除任何不可逆聚集的MFCs。务必冲洗漏斗壁，以尽量减少产物损失。用真空过滤装置过滤溶液。重复此步骤两到三次。结果将得到一种纯化的、单分散的磁性纳米簇（MFC）水溶液。如本研究所示，采用磁分离法分离得到的MFCs，其单分散性高于通过超速离心法分离的MFCs。此处展示的是纯化后纳米簇的透射电子显微镜（TEM）图像，按平均簇直径递增的顺序排列。记为DC。初始反应混合物中加入的水量决定了纳米簇的直径。反应中加入的水越多，得到的纳米簇直径越小；而加水越少，则纳米簇直径越大。通过这种方法，实验者可以控制所生成纳米簇的尺寸大小。此处我们看到的是纳米簇的透射电子显微镜（TEM）图像，按锰与铁的摩尔比递增顺序排列。初始反应混合物中锰与铁前驱体的比例决定了产物纳米簇中两种金属的摩尔比。在合成过程中提高锰与铁的比例，将导致纳米簇中该比例相应升高；反之亦然。相比之下，以下透射电子显微镜（TEM）图像显示了具有不规则形貌的样品。如左侧图像所示，这种形状不规则、呈溢出状的团簇是在未添加任何额外水的情况下形成的。这阻碍了尚未形成团簇的初级纳米晶体的动态组装过程。右侧图像中的样品反应时间不足，不足以完成初级纳米晶体的生长和簇的成熟。这些不良结果表明，必须使用适量的反应物以及足够的反应时间，才能 consistently 获得成功的结果。此处，我们在左侧放置了原始的PAA编码簇在PBS缓冲液中的样品。在右侧，我们使用等量的经修饰的PAA-co-AMPS-co-PEG编码簇进行相同操作。注意观察PAA编码簇的快速聚集现象，而修饰后的簇则在较长时间内保持稳定。这表明共聚物编码显著提高了胶体稳定性。综上所述，我们的合成方法能够快速高效地制备锰铁氧体簇。通过简单控制水的加入量以及锰与铁前驱体的比例，该合成方法可独立调控簇的尺寸和组成。我们可轻松改进此方法，以获得不同但可预测的磁性纳米材料。此外，磁性分离和表面功能化技术分别实现了在生物介质中高度的单分散性和强稳定性。我们的方法使得簇状结构的制备更易实现，并可广泛应用于多种领域。

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