Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОКРЫТИЯ НАНОЧАСТИЦ МАГНЕТИТА СЛОЕМ ЗОЛОТА

Область техники

Изобретение относится к способам получения наночастиц магнетита (Fe₃O₄), покрытых слоем золота, которые могут быть использованы в качестве контрастного агента для магнитно-резонансной томографии, магнитной сепарации, адресной доставки лекарств и т.д.

Уровень техники

Известен способ покрытия наночастиц магнетита слоем золота путем последовательного введения в водный раствор наночастиц магнетита смеси полимеров, соли золота и NaOH [патент США 20110206619 A1, класс 424/9323].

Известен способ покрытия наночастиц магнетита слоем золота путем последовательного введения в водный раствор HAuCl₄, доведенный до кипения, наночастиц магнетита и водного раствор цитрата натрия [Lo С.K., Xiao D., Choi M. Homocysteine-protected gold-coated magnetic nanoparticles: synthesis and characterization // J. Mater. Chem., 2007. V. 17(23), P. 2418-2427].

Наиболее близким к заявляемому является известный способ покрытия наночастиц магнетита слоем золота путем последовательного введения в водный раствор наночастиц магнетита водного раствора цитрата натрия, водного раствора золотохлористоводородной кислоты (HAuCl₄) и водного раствора гидрохлорида гидроксиламина (ΝΗ₂ΟΗ⋅HCl) [Lyon J.L., Fleming D.A., Stone M.B. et al. Synthesis of Fe Oxide Core/Au Shell Nanoparticles by Iterative Hydroxylamine Seeding // Nano Lett., 2004. V. 4 (4). P. 719-723] - прототип.

Недостатками известного способа являются относительно невысокий выход покрытых золотом наночастиц магнетита и относительно широкое распределение полученных частиц по размерам.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения заключается в разработке способа покрытия наночастиц магнетита слоем золота, лишенного вышеуказанных недостатков, и в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы в качестве способа покрытия наночастиц магнетита слоем золота.

Технический результат изобретения заключается в увеличении выхода покрытых золотом наночастиц магнетита и получении покрытых золотом наночастиц с более узким распределением по размерам.

Предварительно были проведены эксперименты с различными способами покрытия наночастиц магнетита слоем золота, которые показали, что заявленный технический результат достигается в том случае, если в способе покрытия наночастиц магнетита слоем золота путем последовательного введения в водный раствор наночастиц магнетита водного раствора цитрата натрия, водного раствора золотохлористоводородной кислоты и водного раствора гидрохлорида гидроксиламина, перед введением водного раствора цитрата натрия наночастицы магнетита дополнительно обрабатывают 1-3 молярным (М) водным раствором хлорной кислоты (HClO₄) в течение 1- 30 мин.

Предлагаемое техническое решение является новым и не описано в научно-технической литературе.

В предлагаемом способе можно использовать исходный водный коллоидный раствор наночастиц магнетита, в котором его концентрация может варьироваться в широких пределах. При этом исходные наночастицы магнетита могут иметь различный размер, составляющий, например, 5-50 нанометров (нм). Такие наночастицы магнетита могут быть получены различными известными способами, например соосаждением водного раствора хлоридов двух- и трехвалентного железа в присутствии гидроксида натрия.

Предлагаемый способ так же, как и известный способ, выбранный в качестве прототипа, включает последовательное введение в водный раствор наночастиц магнетита трех различных водных растворов.

Вначале водный коллоидный раствор наночастиц магнетита смешивают с водным раствором цитрата натрия (трехзамещенная натриевая соль лимонной кислоты). При этом можно использовать водный раствор цитрата натрия с различной концентрацией, составляющей, например, 5*10^(-3)-5*10^(-1) M, а цитрат натрия берут в избытке по отношению к наночастицам магнетита, при этом их мольное соотношение может варьироваться в широких пределах, например, 10²-10⁴. После смешения реагентов полученную смесь инкубируют в течение различного времени, например, 10-30 мин для замены (ОН-)-ионов на поверхности наночастиц магнетита на цитрат-ионы, после чего разбавляют деионизованной водой в различной пропорции, например в соотношении 1:10.

После этого в вышеописанную смесь реагентов вводят водный раствор золотохлористоводородной кислоты HAuCl₄, мольная концентрация которого может варьироваться, например, от 1*10^-4 M до 5*10^-4 М. При этом мольное соотношение между наночастицами магнетита и золотохлористоводородной кислотой также может варьироваться в широких пределах и составлять, например, 0,1. Следует отметить, что вводить водный раствор HAuCl₄ можно как за один прием, так и за несколько приемов путем введения, например, нескольких аликвот. При этом продолжительность выдерживания полученной смеси принципиального значения не имеет и может составлять, например, 15 мин. При этом путем варьирования количества взятого соединения золота можно варьировать толщину золотого покрытия на магнетите.

Затем в полученную смесь реагентов вводят водный раствор восстановителя - гидрохлорида гидроксиламина ΝΗ₂ΟH*HCl. При этом концентрация восстановителя принципиального значения не имеет, может варьироваться в широких пределах и составлять, например, доли М.

Экспериментально было установлено, что дополнительная обработка исходных немодифицированных наночастиц магнетита водным раствором HClO₄ увеличивает выход покрытых золотом наночастиц магнетита и дает возможность получать покрытые золотом наночастицы магнетита с более узким распределением по размерам. При этом целесообразно использовать 1-3 M водный раствор хлорной кислоты и обработку наночастиц кислотой осуществлять в течение 1-30 мин. Вышеуказанные цифры также были установлены экспериментально. Следует отметить, что обрабатывать водным раствором хлорной кислоты необходимо только исходные немодифицированные наночастицы магнетита, если обработку водным раствором кислоты осуществлять на любой другой стадии получения покрытых золотом наночастиц магнетита, то технический результат изобретения не достигается.

Следует отметить, что обработку исходных наночастиц магнетита хлорной кислотой, затем водным раствором цитрата натрия, водным раствором HAuCl₄ и водным раствором гидрохлорида гидроксиламина можно проводить в широком интервале температур, однако из соображения удобства целесообразно проводить эти операции при комнатной температуре.

Покрытые металлическим золотом наночастицы магнетита можно использовать как в виде полученного их коллоидного раствора, так и в чистом виде, путем их отделения от раствора с использование традиционных известных методов, таких как центрифугирование, магнитная декантация, хроматография.

Размеры и полидисперсность полученных частиц можно контролировать с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Выход, состав наночастиц и толщину слоя золота можно определять совокупностью методов энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX), рентгеноструктурного анализа и методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP MS).

Осуществление изобретения

Преимущества предлагаемого способа подтверждают следующие примеры.

Пример 1

Перед покрытием слоем золота наночастиц магнетита со средним диаметром 9±2 нм, 50 мл раствора исходного немодифицированного магнетита с концентрацией 4*10^-2 M подвергают магнитной декантации, затем полученный осадок обрабатывают в течение 5 мин 50 мл 12%-ного (2М) водного раствора HClO₄, затем магнетит вновь отделяют от водного раствора магнитной декантацией и диспергируют в 50 мл деионизованной воды, получая исходный коллоидный раствор магнетита с концентрацией 4*10^-2 М.

Далее в плоскодонную колбу при перемешивании на магнитной мешалке вносят 0,188 мл исходного коллоидного раствора магнетита и 7,312 мл деионизованной воды, затем к полученному коллоидному раствору добавляют 7,5 мл 0,1 M раствора цитрата натрия (мольное соотношение магнетита и цитрата натрия составляет 10^-2) и полученную смесь перемешивают в течение 15 мин для замены ОН^- - ионов на поверхности магнетита на цитрат-ионы. Полученный раствор разбавляют в 10 раз путем добавления 135 мл деионизованной воды, получая итоговую концентрацию магнетита в растворе 5*10^-5 М и концентрацию цитрата натрия 5*10^-3 М.

После этого в полученный раствор вначале вносят 0,625 мл 1% (0,03 М) водного раствора HAuCl₄, затем 0,750 мл 0,2 M раствора гидрохлорида гидроксиламина, полученную смесь инкубируют (выдерживают) в течение 15 мин. Затем в полученный раствор вносят 0,5 мл 1%-ного водного раствора HAuCl₄ и 0,281 мл 0,2 M раствора гидрохлорида гидроксиламина и полученную смесь выдерживают в течение 15 мин. После этого вносят 0,5 мл 1% водного раствора HAuCl₄ и 0,188 мл 0,2 M раствора гидрохлорида гидроксиламина и полученную смесь инкубируют в течение 15 мин. Затем вносят 0,5 мл 1% водного раствора HAuCl₄ и 0,188 мл 0,2 M раствора гидрохлорида гидроксиламина и полученную смесь инкубируют в течение 15 мин. После чего вносят 0,5 мл 1% водного раствора HAuCl₄ и 0,281 мл 0,2 M раствора гидрохлорида гидроксиламина и полученную смесь выдерживают в течение 15 мин. В конечном растворе концентрация HAuCl₄ составляет 5*10^-4 M и мольное соотношение магнетита и HAuCl₄ равно 0,1.

Полученные покрытые золотом наночастицы магнетита отделяют методом центрифугирования. Получают 6,73 мг модифицированных наночастиц, выход продукта составляет 47,1%.

Методом просвечивающей электронной микроскопии с EDX-спектроскопией определяют состав частиц и распределение частиц по размерам. Средний диаметр покрытых золотом наночастиц магнетита составляет 32 нм со стандартным отклонением от среднего значения 12%. С помощью метода ICP MS было показано, что полученные наночастицы действительно покрыты слоем золота с толщиной оболочки 11±2 нм.

Пример 2

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако используют исходный коллоидный водный раствор магнетита с концентрацией 2*10^-3 М, в котором немодифицированные наночастицы магнетита имеют средний диаметр 5±1 нм, и частицы обрабатывают 6%-ным (1М) водным раствором хлорной кислоты в течение 30 мин.

Далее в плоскодонную колбу при перемешивании на магнитной мешалке вносят 0,188 мл исходного коллоидного раствора обработанных кислотой наночастиц магнетита и 7,312 мл деионизованной воды, к полученному раствору добавляют 7,5 мл 0,1 M раствора цитрата натрия, полученную смесь перемешивают 30 мин, разбавляют в 10 раз деионизованной водой, получая итоговую концентрацию магнетита в растворе 3*10^-6 М и концентрацию цитрата натрия 5*10^-3 М.

После этого в полученный раствор вначале вносят 0,625 мл 1%-ного (0,03 М) водного раствора HAuCl₄, затем 0,750 мл 0,2 M раствора гидрохлорида гидроксиламина и полученную смесь инкубируют в течение 15 мин. В конечном растворе концентрация HAuCl₄ составляет 1*10^-4 М, мольное соотношение магнетита и HAuCl₄ составляет 0,025.

Получают 0,2 мг покрытых золотом наночастиц магнетита с выходом 46%. Размер модифицированных наночастиц составляет 17 нм со стандартным отклонением от среднего значения 14% (толщина золотой оболочки 6±1 нм).

Пример 3

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако используют исходные немодифицированные наночастицы магнетита со средним диаметром 50±4 нм и частицы обрабатывают 18%-ным (3М) водным раствором хлорной кислоты в течение 1 мин.

Далее в плоскодонную колбу при перемешивании на магнитной мешалке вносят 0,188 мл исходного коллоидного раствора обработанных кислотой наночастиц магнетита и 7,312 мл деионизованной воды, к полученному раствору добавляют 7,5 мл 10 M раствора цитрата натрия, полученную смесь перемешивают 10 мин, разбавляют в 10 раз деионизованной водой, получая итоговую концентрацию магнетита в растворе до покрытия 5*10^-5 М, концентрацию цитрата натрия 5*10^-1 М.

После этого в полученный раствор вначале вносят 2,625 мл 1%-ного (0,03 М) водного раствора HAuCl₄, затем 1,69 мл 0,2 M раствора гидрохлорида гидроксиламина, полученную смесь инкубируют в течение 15 мин. В полученном растворе концентрация HAuCl₄ составляет 5*10^-4 М, мольное соотношение магнетита и HAuCl₄ равно 0,1.

Получают 6,34 мг покрытых золотом наночастиц магнетита с выходом 44%. Размер модифицированных наночастиц составляет 72 нм со стандартным отклонением от среднего значения 16% (толщина золотой оболочки 11±2 нм).

Пример 4 (контрольный, по прототипу)

Опыты проводят аналогично примеру 1, однако исходные наночастицы магнетита хлорной кислотой не обрабатывают.

Получают покрытые золотом наночастицы магнетита с выходом 32%. Размер модифицированных наночастиц составляет 34 нм со стандартным отклонением от среднего значения 20%, что свидетельствует о том, что полученные наночастицы имеют более широкое распределение по размерам.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенный способ действительно увеличивает выход покрытых золотом наночастиц магнетита в 1,37-1,47 раза и дает возможность получать модифицированные наночастицы с более узким распределением по размерам.