Fe3O4纳米晶团簇制备及其水悬浮液横向弛豫率和剩磁研究

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Fe3O4纳米晶团簇由多个纳米晶颗粒组成,具有较高的饱和磁化强度,尺寸可以在几十纳米到一微米间调控。其在生物医学中有很多应用,如生物分离、靶向载药、磁共振造影剂等。作为磁共振造影剂,团簇具有较高的横向弛豫率,可以提高图像对比度,对于医学诊断有重要作用。由于具有良好水分散性团簇的可控制备尚有困难以及团簇横向弛豫时间测量存在等待时间依赖性,团簇的横向弛豫率实验值与其尺寸的关系至今还没有被揭示出来。针对上述问题,在本文中我们通过多元醇法制备不同尺寸的Fe3O4纳米晶团簇,系统地研究了Fe3O4纳米晶团簇水悬浮液的横向弛豫率,并通过了交流磁化率测试研究了团簇的剩磁。  通过多元醇法,制备出尺寸从13到179 nm可调的Fe3O4纳米晶团簇。这些团簇由聚丙烯酸作为表面修饰剂,水分散性良好。团簇的总体尺寸可以调控,其中的颗粒晶粒度保持在10nm左右,团簇的饱和磁化强度平均约为65 emu/g。  通过使用乙二醇和1,2-丙二醇分别作为多元醇法中的溶剂,发现不同多元醇中产物形貌变化显著不同。通过对不同反应时间产物的微结构研究,我们推测多元醇中产物形貌变化不同是由于多元醇还原性不同,导致了纳米晶形成和生长速度不同,从而导致最后产物形成不同形貌。  研究了尺寸在静态失相区中的Fe3O4纳米晶团簇的水悬浮液横向弛豫时间(T2)的测量等待时间依赖性。通过实验的T2结果和微球成链模拟的T2结果比较,以及微球形成链的动力学模拟,得出结论团簇有效尺寸在静态失相区,团簇成链的行为会导致T2增加。  系统地研究了尺寸,体积分数,回波时间和等待时间对Fe3O4纳米晶团簇水悬浮液横向弛豫率(1/T2)的影响。在静态失相区中,实验值达到了理论值的95%。通过将实验值与理论值比较,在回波限制区提出了一个与实验结果更符合的公式。  研究了包覆不同厚度SiO2外壳对于Fe3O4纳米晶团簇水悬浮液1/T2的影响。随着SiO2外壳厚度增加,1/T2稍微有些下降,这是由于团聚导致的。另外我们发现T2测量过程中的等待时间依赖性随着SiO2壳层厚度增加而下降。这是由于Fe3O4@SiO2复合颗粒的磁相互吸引作用能,颗粒数目浓度,颗粒扩散系数随着壳层厚度增加而下降所导致。  通过将团簇水悬浮液交流磁化率实验结果拟合,可以得到团簇剩磁大小与其尺寸的1.6次方成正比,单个团簇平均剩磁大小约为90个纳米颗粒磁矩方向排列一致时的和,团簇的平均布朗磁化率约为奈耳磁化率的10倍。我们通过暗场成像分析了团簇的结构,团簇中纳米晶取向附着生长的结构可能是团簇剩磁这么大的原因。
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