一种磁性内包金属铁富勒烯碳球的制备方法

摘要

本发明涉及一种磁性内包金属铁富勒烯碳球的制备方法，根据炭材料特性，以乙炔为碳源，以二茂铁为内包铁源，以氮气为载气和保护气体，在管式高温炉中，在1005℃下，在石英管低温区段、高温区段、中温区段、低温区段内进行气相沉积、形态转换，制成内包金属铁富勒烯碳球；在四口烧瓶中，在加热、搅拌、氮气保护、水循环冷凝、水浴状态下进行修饰纯化，在氧化酸性物质作用下，制成多羟基水溶性衍生物，经洗涤、离心分离、冰水浴、甲醇洗涤、真空干燥，制成棕黑色、水溶性、磁性、内包金属铁富勒烯固体粉末，颗粒直径为90-120nm，可与多种抗癌药物匹配，此制备方法先进，具有水溶性、磁性双重性质，饱和磁化强度为13.641emu/g。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性内包金属铁富勒烯碳球的制备方法，属有机碳载体材料衍生物制取方法的技术领域。

背景技术

磁性药物靶向治疗是肿瘤治疗的有效方法之一，是近年发展起来的新型学科，是利用药物的磁场，把药物导向特殊位点，以精确控制药物的释放，使药效提高，达到治疗肿瘤的目的。

磁性药物靶向治疗仍处于基础研究阶段，还存在不足和弊端，例如磁性药物治疗在人体内的药物动力学、磁流体动力学、药物毒性、药物注射途径、药物可释放性、生理方面等均需进一步研究，例如药物载体粒径过大，注入人体后易堵塞导管，例如磁性炭材料化学稳定性低，磁化率不高，与其他化学元素的匹配等都还存在一些难题。

富勒烯碳球是1985年被发现的，有独特的笼形结构和良好的匹配功能，已在碳材料化学领域得到了应用。

铁元素是一种具有磁性能，磁场活跃的黑色金属，具有广泛的应用价值。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是根据背景技术的实际情况，采用气相沉积法，将铁元素包裹于富勒烯碳球的笼内，生成内包金属铁碳球颗粒，并对外表面进行水溶性修饰，以制备高磁场内包金属铁的富勒烯碳球，以大幅度提高磁性药物靶向治疗肿瘤的效果。

技术方案

本发明采用的化学物质材料为：乙炔、二茂铁、去离子水、硫酸、硝酸、硝酸钾、甲醇、氢氧化钠、去离子水、水冰块、水浴水、氮气，其组合用量如下：以克、毫升、厘米³为计量单位

乙炔：    C₂H₂      3000cm³±100cm³

二茂铁：  Fe(C₅H₅)₂ 10.0g±0.1g

硫酸：    H₂SO₄     10ml±0.1ml

硝酸：    HNO₃      100ml±1ml

硝酸钾：  KNO₃      2.0g±0.1g

甲醇：    CH₃OH     500ml±10ml

氢氧化钠：NaOH      10g±0.1g

去离子水：H₂O       30000ml±100ml

水冰块：  H₂O       500g±10g

水浴水：  H₂O       2000ml±50ml

氮气：    N₂        30000cm³±100cm³

制备方法如下：

1、精选化学物质材料

对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

乙炔：  气态气体   99.5％

二茂铁：固态固体   98.0％

硫酸：    液态液体浓度  99.7％

硝酸：    液态液体浓度  64.5％

硝酸钾：  固态固体      99.0％

氮气：    气态气体      99.5％

甲醇：    液态液体      99.5％

氢氧化钠：固态固体      99.5％

去离子水：液态液体      99.5％

水冰块：  固态固体      85％

水浴水：  液态液体      85％

氮气：    气态气体      99.5％

2、研磨、过滤二茂铁

将二茂铁10g置于玛瑙研钵中，用玛瑙研棒进行研磨；

用800目筛网过筛；

研磨、过筛重复进行五次，成细粉；

研磨、过筛后二茂铁细粉颗粒直径＜18μm；

3、清洗管式高温炉石英管

打开石英管两端，用3000ml去离子水重复灌洗3次，使内壁洁净；

灌洗后置于阴凉洁净处晾干；

4、配制冰水混合物

将水浴水400ml置于烧杯中，然后加入水冰块200g，使其混合，成冰水混合物，冰水混合物温度保持在0℃±2℃，待用；

5、制备磁性内包金属铁富勒烯碳球

(1)制备在管式高温炉中进行；

(2)称取研磨后的二茂铁粉末5.0±0.01g，置于石英舟中；

(3)将盛有二茂铁粉末的石英舟置于石英管进气口处；

(4)封闭石英管左右端，左边插进气管，右边插出气管；

(5)气体管联接气体阀，气体阀联接气体混合器；气体混合器上端联接乙炔管、乙炔阀、乙炔瓶；气体混合器下端联接氮气管、氮气阀、氮气瓶；

(6)将石英管置于管式高温炉底部的道轨上，并能自如滑动；

(7)向石英管内输入氮气，驱除管内有害气体，氮气输入速度30cm³/min，时间5min；

(8)开启管式高温炉，加热石英管，温度由20℃开始升温，升温速度18℃/min，当温度升至1005℃±2℃时，停止加热，并在此温度恒温、保温10min±1min；

(9)开启乙炔瓶、乙炔阀、乙炔管，向石英管内输入乙炔气体，输入速度28cm³/min；

开启氮气瓶、氮气阀、氮气管，向石英管内输入氮气，输入速度260cm³/min；

乙炔气体与氮气的体积输入流量比为：14∶130

(10)石英管内分为四个区段：

I进气低温区段：温度为200℃，乙炔+氮气+二茂铁粉末进入；

II高温区段：温度为1005℃±2℃，气相沉积、形态转换，二茂铁分解，还原生成分子颗粒，乙炔碳源气体重复环绕包覆二茂铁分子颗粒，生成碳管雏形；

III中温区段：温度为600℃，碳管雏形分裂，碳管分裂形成包覆二茂铁分子颗粒碳球，并生成富勒烯形貌；

IV出气低温区段：温度为200℃，内包金属铁富勒烯碳球冷却，生成碳球颗粒，剩余乙炔气体和氮气由排气管排出；

(11)在管式高温炉的石英管内，在温度为1005℃±2℃恒温下，在乙炔气体包覆二茂铁的过程中，在载气-氮气的作用下，将进行气相沉积，形态转换，生成内包金属铁富勒烯碳球，并进行化学反应；

形态转换：气态——固态

化学反应式：

式中：

Fe@Fs：内包金属铁富勒烯碳球

H₂：氢气

(12)化学反应后，关闭高温炉加热器，关闭乙炔瓶、乙炔阀、乙炔管，在氮气保护下，使其随炉自然冷至20℃±2℃；

(13)冷却后，关闭氮气瓶、氮气阀、氮气管；

(14)冷却后，在石英管内壁上生成：黑色内包金属铁富勒烯碳球；

(15)收集碳球产物

打开石英管两端堵塞，用长臂勺刮取收集内壁上的碳球产物；

6、纯化处理黑色内包金属铁富勒烯碳球

(1)纯化处理在三口烧瓶中进行；

(2)将黑色碳球0.2512g置于三口烧瓶中；

在三口烧瓶中加入去离子水20ml±0.1ml；

在三口烧瓶中加入硝酸100ml±0.5ml；

(3)将三口烧瓶置于加热器上，开启加热器，温度由20℃升至80℃±2℃；

用磁力搅拌器搅拌，时间240min±10min，搅拌后成：内包金属铁富勒烯碳球硝酸水溶液；

在搅拌过程中，将进行化学反应，反应式如下：

式中：

C：碳

CO₂：二氧化碳

NO₂：二氧化氮

Fe(NO₃)₃：硝酸铁

(4)关闭加热器，使其随三口烧瓶自然冷却至20℃±2℃；

7、离心分离

(1)将内包金属铁富勒烯碳球硝酸水溶液倒入离心管中；

(2)将离心管放入离心机上；

(3)开启离心机，转数为5000r/min，离心分离时间8min；

(4)离心分离后，内包金属铁富勒烯碳球沉淀在离心管底部，并保存，上部为废液，倒掉；

8、真空干燥

将离心分离后的内包金属富勒烯碳球置于石英产物舟中，然后置于真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃±2℃，真空度0.085Pa，干燥时间720min，干燥后得：黑色内包金属铁富勒烯粉末；

9、制备多羟基内包金属铁富勒烯衍生物

(1)制备在四口烧瓶中进行，在水浴、加热、搅拌、氮气保护、水循环冷凝状态下完成；

(2)清洗四口烧瓶

将去离子水200ml置于四口烧瓶中，搅拌清洗5min，然后倒掉，搅拌清洗重复进行8次，使瓶内洁净；

(3)将四口烧瓶置于水浴缸上，将水浴缸置于搅拌皿上；

(4)在四口烧瓶上由左至右依次插入氮气管、真空管、滴液漏斗、水循环冷凝管；

(5)在水浴缸中加入水浴水，使水浴水淹没四口烧瓶体积的4/5；

(6)开启抽气泵，由真空管抽取四口烧瓶内空气，时间20min，抽气后关闭；

(7)开启氮气瓶、氮气阀，向四口烧瓶输入氮气，输入速度20cm³/min；

(8)开启滴液漏斗控制阀，向四口烧瓶中加入内包金属铁富勒烯碳球0.1g±0.0001g、硝酸钾0.7195g±0.0001g；

(9)滴加硫酸

将硫酸5ml±0.01ml置于滴液漏斗中，开启控制阀，进行滴加，滴加速度2ml/min；

(10)开启水循环冷凝管，进行水循环冷凝；

(11)开启电热搅拌皿，水浴水温度由20℃升至90℃±2℃；

在此温度恒温、保温、搅拌，时间1440min±10min；

四口烧瓶内化学物质混合溶解，成三元混合溶液；

在加热、搅拌、混合、溶解过程中，将发生化学反应，反应式如下：

式中：

Fe@Fs(OH)_n：内包金属铁富勒烯碳球多羟基衍生物

K₂SO₃：亚硫酸钾

NO₂：二氧化氮

SO₂：二氧化硫

(12)冷却

反应结束后，关闭电热搅拌皿、氮气阀、水循环冷凝管，使四口烧瓶随水浴缸自然冷却至20℃±2℃；

(13)冷却后，四口烧瓶内成：内包金属铁富勒烯碳球羟基衍生物+硫酸+硝酸钾，即：三元混合溶液；

(14)冰浴状态下稀释三元混合溶液

将冰水混合物350ml置于水槽中，冰水混合物的温度为0℃±2℃；

将三元混合溶液置于烧杯中；

将盛有三元混合溶液的烧杯置于冰水混合物的水槽内；

然后在烧杯内加入去离子水20.5ml，边加入、边搅拌、边散热，使烧杯内的溶液变成棕黑色溶液，即：棕黑色三元混合水溶液；

(15)过滤

将棕黑色三元混合水溶液倒入过滤漏斗中，用一层中速定性滤纸进行过滤，滤纸上留存杂质，滤瓶中为：棕黑色三元混合溶液，并收集；

(16)调节pH值

配制氢氧化钠水溶液，将氢氧化钠7.5g置于烧杯中，加入187.5ml去离子水搅拌，配制成1mol/L的氢氧化钠溶液；

将三元混合水溶液置于另一烧杯中，加入氢氧化钠水溶液，便加入边搅拌，使pH＝7，为中性；调节后将烧杯置于20℃±2℃洁净环境中静置1440min；

静置后，烧杯中的溶液析出沉淀物；

(17)离心分离

将存有沉淀物的溶液倒入离心管，在离心机中进行离心分离，转数5000r/min，时间8min，离心分离后，得：灰褐色沉淀物；

(18)甲醇洗涤

将灰褐色沉淀物置于烧杯中，加入甲醇20ml，用玻璃棒搅拌得：灰褐色甲醇溶液；

(19)离心分离

将上述灰褐色溶液置于离心管中，在离心机上进行离心分离，转数5000r/min，时间8min，分离后得：棕黑色沉淀物；

甲醇洗涤、离心分离重复进行5次，得：棕黑色沉淀物；

(20)真空干燥

将棕黑色沉淀置于石英舟上，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度80℃±2℃，真空度0.085Pa，干燥时间2160min；

干燥后得最终产物：棕黑色、水溶性、磁性、内包金属铁富勒烯碳球固体粉末；

10、检测、化验、分析、表征

对制备的磁性内包金属铁富勒烯碳球的形貌、色泽、成分、化学性能、磁性能进行检测、化验、分析、表征；

用JEM-2010型高分辨透射电子显微镜进行形貌和结晶形态分析；

用FTS165傅立叶红外光谱仪(FT-IR)和cary-300VARIAN紫外可见光谱分析仪进行水溶性分析；

用Lakeshore 7410振动样品磁强计进行磁性能分析；

结论：最终产物为：棕黑色、水溶性、磁性、内包金属铁富勒烯固体粉末；

固体粉末直径：90～120nm

11、产物储存

对制备的棕黑色、水溶性、磁性、内包金属铁富勒烯固体粉末置于无色透明的玻璃容器中，置于阴凉、洁净、干燥环境，要防水、防磁、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±2℃，相对湿度≤10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是根据碳材料的特性，以乙炔为碳源、以二茂铁为内包磁性金属，以氮气为载气和保护气体，在管式高温炉内、在1005℃状态下，在石英管的低温区段、中温区段、高温区段、低温区段内进行气相沉积、形态转换，制成内包金属铁富勒烯碳球，然后在四口烧瓶中、在加热、搅拌、氮气保护、水循环冷凝、水浴状态下，进行修饰、纯化，在氧化酸性物质作用下制成多羟基衍生物，经洗涤、离心分离、水溶、真空干燥、制成棕黑色、水溶性、磁性、内包金属铁富勒烯固体粉末，颗粒直径为90-120nm，可与多种抗癌药物匹配，此制备方法先进，具有水溶性、磁性双重性质，饱和磁化强度为17.744emu/g，是十分理想的制备磁性内包金属铁富勒烯碳球的方法。

附图说明

图1为管式高温炉制备内包金属铁富勒烯碳球状态图

图2为富勒烯碳球纯化修饰状态图

图3为内包金属铁富勒烯碳球形貌图

图4为内包金属铁富勒烯碳球磁滞回线图

图5为产物富勒烯中碳和铁元素X射线光电子能谱分析

图6为产物富勒烯衍射强度图谱

图7为内包金属铁富勒烯碳球形成过程图

图中所示、附图标记清单如下：

1.石英管，2.高温炉，3.电阻加热器，4.道轨，5.底座，6.显示屏，7.指示灯，8.控制器，9.石英舟，10.出气管，11.进气管，12.气体阀，13.气体混合器，14.乙炔瓶，15.乙炔阀，16.乙炔管，17.氮气瓶，18.氮气阀，19.氮气管，20.二茂铁，21.低温区段，22.高温区段，23.中温区段，24.低温区段，25.中间产物，26.最终产物，31.电热搅拌器，32.显示屏，33.指示灯，34.控制器，35.水浴缸，36.四口烧瓶，37.水循环冷凝管，38.出气口，39.进水口，40.出水口，41.出气阀，42.加液漏斗，43.加液阀，44.真空阀，45.氮气阀，46.真空泵，47.真空管，48.氮气管，49.氮气瓶，50.水浴水，51.三元混合液，52.氮气。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为管式高温炉制备内包金属铁富勒烯状态图，各部位置要正确，按序操作。

制备所需的化学物质材料的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米³为计量单位。

高温炉2安装在底座5上，底座5上设有显示屏指示灯7、控制器8，高温炉2内装有电阻加热器3，高温炉2内中间位置下部设有道轨4，在道轨4上装有石英管1，右部设有出气管10，左部设有进气管11，进气管11上设有气体阀12，气体阀12联接气体混合器13，气体混合器13上部联接乙炔瓶14、乙炔阀15、乙炔管16，气体混合器13下部联接氮气瓶17、氮气阀18、氮气管19；石英管由左至右为低温区段21、高温区段22、中温区段23、低温区段24，在低温区段21内装有石英舟9，石英舟9上置放二茂铁粉末20；在高温区段22内管壁上为中间产物25，在低温区段24内管壁上为最终产物26。

图2所示，为富勒烯碳球修饰、纯化状态图，各部位置要正确，按序操作。

修饰纯化是在四口烧瓶中进行的，是在加热、搅拌、水循环冷凝、水浴、氮气保护下完成的，电热搅拌皿31上设有显示屏32、指示灯33、控制器34，电热搅拌皿3上部为水浴缸35，水浴缸35内为水浴水50，在水浴缸35内置放四口烧瓶36，水浴水要浸泡四口烧瓶体积的4/5；在四口烧瓶36上部由左至右依次设置真空管47、氮气管48、加液漏斗42、加液阀43、水循环冷凝管37、出气阀41、出气口38、进水口39、出水口40，真空管47联接真空阀44、真空泵46，氮气管48联接氮气阀45、氮气瓶49；四口烧瓶36内为三元混合溶液51、氮气22，水循环冷凝管37上的进水口39、出水口40与外接水源联接。

图3所示为产物形貌图，图中可知：中间为金属铁，外部为外包覆富勒烯碳球，标尺单位为10nm。

图4所示，为碳球磁滞回线图，图中可知：修饰后碳球的饱和磁化强度13.641emu/g。

图5所示，为产物富勒烯中碳和铁元素X射线光电子能分析图谱，图中可知：(a)为碳元素图谱，(b)为铁元素图谱，包铁富勒烯的碳外层不仅有碳晶体，还有碳碳双键打开被氧取代而形成的非晶态，是石墨层间距大于完全石墨化层间距的原因；产物所包含的铁元素以铁单质、Fe₃O₄和FeOOH的形式存在，使产物具备较好的顺磁性能。

图6所示，为产物衍射强度图谱，图中可知：纵坐标为衍射强度，横坐标为衍射角，2θ为44.44°处出现的衍射峰对应于Fe的(110)晶面，2θ为25.4°处出现的石墨的(002)晶面的较尖锐的衍射峰，表明产物所含的碳元素有较好的石墨化程度，铁元素有较好的结晶度。

图7所示，为内包金属铁富勒烯碳球形成过程图。

发明原理：

在高温的条件下，气态碳原子首先沉积在具有很大吸附系数的液态催化剂表面，并沿催化剂液态表面和内部扩散，在随后的冷却过程中，过饱和的碳原子从液态催化剂表面析出，形成一个碳单层；由于石墨析出需要吸收热量，因此会导致催化剂温度降低，体积收缩，碳在其中的溶解度也会减小，第二层碳就会从催化表面析出，进一步降低催化剂颗粒的温度，这个过程进行到析出的碳造成的热损失与催化剂从外界吸收的热量平衡为止。

富勒烯在球面上形成大的π键是高度不饱和分子，故它有着和烯烃相似的化学性质，即能发生加成反应；浓硫酸在90℃时与包铁富勒烯发生加成反应生成磺酸富勒烯酯，继而水解脱掉磺酸基生成羟基化的内包铁富勒烯衍生物。