可调纳米尺度尺寸与组分的锰铁氧体簇稳定水悬浮液

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。