氧化铁纳米颗粒是怎样“炼”成的？

提起来氧化铁纳米颗粒，大家应该都不陌生，它是磁珠的主要成分，可用于目标物的富集与分离。氧化铁纳米颗粒稳定性高、分散性好、制备简单且生物相容性良好，在传感检测、疾病诊断、基因治疗载体、靶向给药等领域展现出了广泛的应用前景。通常利用含羧酸配体与铁离子的络合物作为前驱体制备氧化铁纳米颗粒，研究者一般认为该过程主要包含成核和生长两个阶段，这是普遍认可的结晶模型。但是，根据软硬酸碱理论，前驱体中的羧酸根与铁离子的结合力较强，在整个生长过程中它们倾向于持续停留在纳米颗粒表面，很容易与醇、氨类化合物反应，还可以作为氧化铁的氧源。当羧酸盐被热解或者被反应掉时常会在铁离子表面留下羟基或者自由基，它们之间的化学反应会对氧化铁纳米颗粒的生长过程产生影响。再加上在合成过程中研究者会选用不同的前驱体和表面配体，这可能使晶体生成过程已经偏离了传统的结晶模型。

最近，韩国基础科学研究所（IBS）的Myung Soo Kim、Jungwon Park、Taeghwan Hyeon等科研人员研究了由油酸铁复合物（一种常用的四氧化铁前驱体）制备氧化铁纳米颗粒的过程，证明油酸铁前驱体不是单核络合物，而是由以含三铁氧化物为核与羧酸配体形成的团簇（tri-iron-oxo carboxylate clusters），通过羧酸根的酯化反应能够控制纳米颗粒的制备。另外，氧化铁纳米颗粒的形成过程中成核阶段并不明显，并以此提出纳米颗粒的持续生长模型（continuous growth model）。相关工作发表在J. Am. Chem. Soc.上。

图1. 从铁氧化物团簇到纳米颗粒。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

前驱体决定了生成纳米颗粒的反应过程，识别前驱体的结构是理解纳米颗粒制备的前提。作者首先利用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）对油酸铁前驱体进行了表征（图2）。油酸铁前驱体是由六水合氯化铁和油酸钠反应得到，在质谱中有两个主峰（m/z=1872和1591）（图2a）。由同位素计算可得m/z=1872峰的结构式为[Fe₃O(C₁₇H₃₃COO)₆]⁺（[Fe₃O(oleate)₆]⁺），它是一种以含三铁氧化物为核与羧酸配体形成的团簇（图2b）。而m/z=1591峰与m/z=1872峰相差的量与油酸根离子的摩尔质量相等，证明它是[Fe₃O(oleate)₆]⁺的碎片峰，[Fe₃O(oleate)₆]⁺的TOF-TOF质谱结果也证明了这一点（图2d）。另外，作者还利用近红外光谱（NIR）等进行了佐证。这些结果证明油酸铁前驱体不是只含有一个金属原子的复合物，而是三个铁原子与μ₃-氧相连的团簇。

图2. 油酸铁前驱体的表征结果。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

接着作者分别利用核磁共振（NMR）、MALDI-TOF MS和像差校正透射电子显微镜研究了氧化铁纳米颗粒的生长过程。为了避免高温造成的复杂反应，作者将反应温度控制在200 ℃以下，以1-癸醇作为反应溶剂和促进剂。当反应为100 ℃时，随着油酸铁络合物与过量的1-癸醇反应溶液由红棕色变为深棕色。由NMR光谱可得在制备过程刚开始时就出现了油酸癸酯的酯基特征峰（δH = 4.06, 2.29）（图3a），这应该是1-癸醇与油酸根反应生成的。而酯化反应发生在制备过程的开端，说明通过配体发生酯化反应可以诱导纳米颗粒的生成。由液相色谱-质谱（LC-MS）和NMR分析反应的副产物也可以得到相同的结果。另外，以与油酸根中双键相连的氢作为参比，通过核磁共振峰积分定量分析临近酯基氢的量，发现在纳米颗粒制备过程中反应持续在进行，并且速率几乎不变（图3a-c）。作者还对比了配体链较短时对酯化反应的影响，结果证明短链配体（C₈）酯化反应速率是长链配体（C₁₈）的1.15倍，这也说明可以通过调节前驱体中配体的位阻来控制配体与溶剂中醇的酯化反应。而酯化反应可以去除前驱体中的羧基配体以激活金属中心，在控制制备纳米颗粒中具有重要的意义。

图3. 分别在100、120和140 °C条件下由油酸铁前驱体制备四氧化铁纳米颗粒的过程表征结果。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

随后作者利用MALDI-TOF MS表征了纳米颗粒的生长过程（粒径 < 5 nm）。由图3d-f可知，在纳米颗粒制备开始时，随着酯化反应的进行大量含Fe₂、Fe₄、Fe₅和Fe₆的复合物生成，证明前驱体中配体发生酯化反应之后裂解，不同活性金属中心上的官能团相互反应形成了更大的复合物。为了验证该结果，作者还利用密度泛函理论进行了证明（图4c-e）。在老化过程，随着酯化反应的进行这些复合物逐渐成长为大尺寸的团簇，并最终形成氧化铁纳米颗粒，中间没有发现明显的成核过程。由于活性金属中心上的羟基等官能团反应活性高，纳米颗粒制备过程主要受羧基配体酯化反应速率控制。

图4. 在纳米颗粒制备开始时随着酯化反应的进行质谱结果和相对形成能的变化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者还利用像差校正透射电子显微镜表征了140 ℃条件下该纳米颗粒的生长过程（图5a-c）。在反应没有进行时只能观察到3-10个原子的团簇（图5a），随着反应进行团簇中的原子数目逐渐增加（图5b），当反应进行24h时产物的直径为1.5-2.5 nm（图5c）。该结果证明氧化铁纳米颗粒是由团簇逐渐生长成纳米颗粒的，中间没有发现成核过程，这与质谱的结果一致。除此之外，利用原位X-射线散射技术表征该过程时结果也是一样（图6）。这些结果证明氧化铁纳米颗粒的形成过程中成核步骤并不明显，而通常其他类型的纳米颗粒制备时成核步骤在前期能被观察到，作者由此提出持续生长模型（图7）。

图5.利用像差校正透射电子显微镜原位表征在140 °C条件下氧化铁纳米颗粒的生长过程。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图6. 利用原位X-射线散射技术表征氧化铁纳米颗粒的生长过程。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图7. 油酸铁团簇的结构、团簇中配体与醇的酯化反应以及氧化铁纳米颗粒的持续生长模型。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

总结

本工作以油酸铁前驱体作为模型细致研究了氧化铁纳米颗粒的制备过程，作者发现油酸铁前驱体是由以含三铁氧化物为核与羧酸配体形成的团簇，而且在制备过程中没有结果证明前期存在成核阶段，而是由油酸铁团簇成长为更大的铁氧化物团簇，最后生成氧化铁纳米颗粒，其中驱动力来自于配体与溶剂中醇的酯化反应，并以此提出了持续生长模型。该工作从一个新的视角解释了金属氧化物纳米颗粒的生长过程，说明了配体和配体的反应对该过程的重要影响。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Molecular-Level Understanding of Continuous Growth from Iron-Oxo Clusters to Iron Oxide Nanoparticles

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 7037-7045, DOI: 10.1021/jacs.9b01670

（本文由Sunshine供稿）