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

在本视频中，我们介绍了超顺磁性锰铁氧体纳米团簇的合成。我们报告了锰铁氧体簇或MFC的一锅水热合成，可以独立控制初级纳米晶体和团簇尺寸，以及铁与锰的比例。磁分离允许快速纯化样品，而使用磺化聚合物的服务功能化确保材料不聚集，即使在生物相关的水溶液中也是如此。

由此产生的产品非常适合生物技术和医学应用。清洗并彻底干燥所有用于合成的玻璃器皿。合成中的水量会影响MFCs的尺寸。

因此，确保玻璃器皿中没有残留的水至关重要。要清洗玻璃器皿，请用水和洗涤剂冲洗，并用FLAS刷子擦洗以清除碎屑。彻底冲洗以除去所有洗涤剂，然后用去离子水冲洗干净。

用37%盐酸冲洗多酚衬里反应器，以除去以前使用中的任何碎屑。为此，将反应器及其盖子放在一个大烧杯中，并充满盐酸，直到反应器完全淹没。让它静置30分钟，然后倒出盐酸。

用水连续用反应器冲洗烧杯一到两分钟，然后将反应器放入烤箱中晾干。使用自动移液器将20毫升乙二糖转移到带有磁性搅拌棒的50毫升烧杯中。称出所需量的氯化铁以达到1.3毫摩尔的最终浓度，并将其加入烧杯中。

将烧杯放在搅拌盘上，以480 RPM的速度打开，开始连续搅拌烧杯。称取250毫克聚丙烯酸，并将其添加到烧杯中。加入PAA后，溶液变得不透明，颜色略浅。

称取1.2克尿素，然后将其添加到烧杯中。使用移液器，将0.7毫摩尔氯化锰加入烧杯中。最后，使用移液器，向烧杯中加入所需量的超纯水。

让溶液搅拌三十分钟，注意颜色变化。它将呈现为半透明的深橙色。将反应混合物转移到PPL反应器中。

请注意，在溶液搅拌后，一些固体可能积聚在烧杯的侧面。使用磁铁将搅拌棒拖到烧杯壁周围，以确保积聚在侧面的任何固体分散到反应溶液中。一旦溶液混合并准备就绪，将其转移到50毫升PPL衬里反应器中。

使用夹具和杠杆将反应器尽可能紧密地密封在不锈钢高压灭菌器中。将反应器容器夹在稳定的表面上，并使用棒将其作为杠杆插入盖子中，推动反应器密封。请注意，密封的反应器不应能够用手打开。

这一点至关重要，因为烘箱的高压环境要求在反应器上密封。将反应器放入215摄氏度的烤箱中20小时。水热反应完成后，将反应器从烘箱中取出，使其冷却至室温。

烤箱的压力将使反应器能够用手打开。请注意，此时，反应器中将含有分散在乙二醇中的MFC产物及其它杂质，例如未反应的聚合物。并且会是不透明的黑色溶液。

在以下步骤中隔离了产品。将200毫克钢丝绒放入玻璃瓶中。用来自反应器的反应混合物中途填充玻璃小瓶。

用丙酮填充小瓶的其余部分并摇匀。请注意，钢丝球增加了小瓶中的磁场强度，并有助于从溶液中磁性分离纳米团簇。将小瓶放在磁铁上以进行磁性收集。

结果将是底部有沉淀物的半透明溶液。倾倒上清液，而MFC通过在浇注时将磁铁固定在小瓶底部来磁性捕获钢丝球。乙二醇大多会在这一步中被除去。

开始用低丙酮与水的比例洗涤，并在随后的洗涤中增加该比例，直到纯净。这样做三到四次。从磁铁上取下小瓶并装满水。

摇匀以溶解MFC。现在产品将完全分散在水中。重复前两个步骤几次，直到MFC的水溶液在摇动时不产生气泡。

结果将是一个暗的不透明铁磁流体，它将对磁铁产生强烈的反应。为了保持我们的簇稳定，我们使用共聚物PAA-co-AMPS-co-PEG对其进行修饰，该共聚物提供空间位阻和静电排斥。AMPS单元的磺酸盐基团将提供电荷稳定，而PEG单元将空间阻挡簇间聚集。

总体而言，即使在各种恶劣条件下，修改后的集群也将保持稳定。将10毫升纯化的纳米颗粒与20毫升的小瓶中与10毫升饱和的Nitra多巴胺溶液混合。等待五分钟。

使用磁分离洗涤Nitra多巴胺包被的MFC。倒出淡黄色的上清液。加水，用力摇晃。

然后使用磁铁倒出水以保留产品。重复此洗涤几次，将深棕色集合留在小瓶中。混合一毫升EDC溶液，一毫升MES缓冲液和三毫升聚合物溶液。

旋转混合物轻轻搅拌，静置约五分钟。当完全结合时，它应该是一个透明和无色的溶液。将此混合物添加到MFC集合中，并将小瓶放入冰浴中。

将探头超声仪放入溶液中，然后将其打开。经过五分钟的超声处理后，在超声仪仍在运行时向小瓶中加入大约五毫升的超纯水。继续监测容器，确保没有产品溢出。

将冰保持在冰水混合物中，因为由于超声处理的强度和热量，一些初始冰会融化。让混合物再超声处理25分钟，总共30分钟。将小瓶放在磁铁顶部以分离MFC并倒出上清液。

用去离子水清洗改良的MFC几次。用超纯水填充MFC的小瓶。用0.1微米聚醚硫酸盐膜过滤器将这种液体移入真空过滤系统中，以去除任何不可逆聚集的MFC。

确保冲洗漏斗壁，以尽量减少产品损失。真空过滤溶液。重复此过程两到三次。

结果将是单分散式MFC的纯化水溶液，当磁选方法分离时，分离的MFC比用超速离心分离的MFC具有更高的单分散性，如图所示。在这里，我们看到纯化纳米簇的TEM图像，按平均簇直径增加的顺序排列。

在初始反应混合物中添加的水量决定了纳米团簇的直径。在反应中添加更多的水会导致纳米团簇具有较小的直径，而更少的水会增加其直径。通过这种方式，实验者可以控制纳米团簇产物的大小。

在这里，我们看到纳米簇的TEM图像，按增加锰与铁摩尔比的顺序排列。初始反应混合物中锰与铁前体的比例决定了团簇产物中金属的摩尔比。增加合成中的锰与铁的比例将增加簇中的这一比率，反之亦然。

相比之下，以下TEM图像描绘了具有不规则形态的样品。如左图所示，在排除任何额外水的情况下，产生了不合时宜的溢出簇。这阻碍了尚未形成簇的初级纳米晶体的动态组装。

右图中的样品反应时间不足，不足以进行初级纳米晶体生长和团簇成熟。这些不良结果表明，要获得持续成功的结果，需要适量的反应物以及反应时间。在这里，我们将原始 PAA 编码集群的示例放在左侧的 PBS 缓冲区中。

在右侧，我们对等量的修改后的 PAA co-AMPS-co-PEG 编码集群执行相同的操作。请注意 PAA 编码集群的快速聚合，而修改后的集群在很长一段时间内保持稳定。这表明由于共聚物编码而提高了胶体稳定性。

总之，我们的合成可以快速有效地生产锰铁氧体簇。该合成通过简单地控制水和锰与铁前体的添加比例来产生独立可调的簇尺寸和组成。我们可以很容易地修改这种方法，以获得不同但可预测的磁性纳米材料。

此外，磁选和功能化技术分别在生物介质中实现了高单分散性和强稳定性。我们的方法允许在集群生产中实现更大的可访问性，并在各个领域得到广泛应用。