羧甲基壳聚糖，磁性复合微球，的制备与表征 - 图文

分类号： TB34 密 级：

单位代码： 10431 学

号 1043111239

硕 士 学 位 论 文

羧甲基壳聚糖及其磁性复合微球的制备与表征

作者姓名 陆丰艳 专

业 化学工艺

所在学院 化学与制药工程学院 指导教师姓名

专业技术职务 马烽 教授

2014 年 月 日

分类号： TB34 密 级：

单位代码： 10431

学 号： 1043111239

硕 士 学 位 论 文

羧甲基壳聚糖及其磁性复合微球的制备与表征

作者姓名 陆丰艳 专

业 化学工艺

所在学院 化学与制药工程学院 指导教师姓名

专业技术职务 马烽 教授

20XX 年 XX 月 XX 日

A Thesis Submitted for the Application of the Master’s Degree of Engineering

Preparation and Characterization of Carboxymethyl Chitosan and Its Magnetic Composite Microspheres

Candidate: Specialty: Supervisor:

Lu Fengyan Chemical Technology Professor Ma Feng

Qilu University of Technology, Jinan, China

June 6, 2014

学位论文独创性声明

本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

论文作者签名： 日期： 年 月 日

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本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属齐鲁工业大学。齐鲁工业大学享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为齐鲁工业大学。

论文作者签名： 日期： 年 月 日

导 师 签 名： 日期： 年 月 日

齐鲁工业大学硕士学位论文

目录

摘 要……………………………………………………………………………..I

ABSTRACT ............................................................................................................... I 第1章 绪论 .............................................................................................................. 1

1.1磁性微球概述 .................................................................................................. 1

1.1.1磁性微球的组成 ................................................................................................ 1 1.1.2 磁性微球的制备方法 ...................................................................................... 1 1.1.3 磁性微球应用 ................................................................................................... 2 1.2 磁性纳米粒子概述 ...................................................................................................... 4

1.2.1 磁性纳米粒子的性质 ...................................................................................... 4 1.2.2 磁性纳米粒子的制备方法 ............................................................................. 5 1.2.3 磁性纳米粒子的应用 ...................................................................................... 6 1.3 羧甲基壳聚糖概述 ...................................................................................................... 7

1.3.1 羧甲基壳聚糖的结构 ...................................................................................... 8 1.3.2 羧甲基壳聚糖的制备 ...................................................................................... 8 1.3.3 羧甲基壳聚糖的应用 .................................................................................... 11 1.4选题意义及主要研究内容 ....................................................................................... 13

第2章 羧甲基壳聚糖的制备及其性能研究 ...................................................... 15

2.1 主要试剂和仪器 ........................................................................................................ 15

2.1.1 实验药品 .......................................................................................................... 15 2.1.2 实验仪器 .......................................................................................................... 15 2.2 羧甲基壳聚糖的制备 ............................................................................................... 16

2.2.1 实验原理 .......................................................................................................... 16 2.2.2 实验步骤 .......................................................................................................... 16 2.3 原料壳聚糖参数的测定 ........................................................................................... 17

2.3.1 粘度的测定 ...................................................................................................... 17 2.3.2 分子量的测定 ................................................................................................. 17

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目录

2.3.3 脱乙酰度的测定 ..............................................................................................17 2.3.4 水分的测定 .......................................................................................................18 2.4 羧甲基壳聚糖的表征与测试 ..................................................................................18

2.4.1 取代度的测定 ..................................................................................................18 2.4.2 特性粘度的测定 ..............................................................................................19 2.4.3 收率的测定 .......................................................................................................19 2.4.4 分子量的测定 ..................................................................................................20 2.4.5 红外光谱表征 ..................................................................................................20 2.4.6 核磁共振波谱分析 .........................................................................................20 2.5 结果与讨论 ..................................................................................................................20

2.5.1 原料壳聚糖的分析 .........................................................................................20 2.5.2 反应条件对产物CMC收率的影响 ..........................................................20 2.5.3 反应条件对产物CMC取代度的影响 ......................................................22 2.5.4 反应条件对产物CMC特性粘度的影响 .......................................... 24 2.5.5 产品的表征 .......................................................................................................26 2.6 本章小结 .......................................................................................................................28

第3章 铁酸镁和铁酸镍纳米粒子的制备与表征 ............................................29

3.1 主要试剂和仪器 .........................................................................................................29

3.1.1 实验药品 ...........................................................................................................29 3.1.2 实验仪器 ...........................................................................................................29 3.2 MgFe2O4纳米粒子的制备 ........................................................................................30 3.3 NiFe2O4纳米粒子的制备 ..........................................................................................30

3.3.1 溶胶凝胶法制备NiFe2O4纳米粒子 ..........................................................30 3.3.2 水热法制备NiFe2O4纳米粒子 ...................................................................30 3.4样品的表征 ...................................................................................................................30

3.4.1 红外光谱（IR）分析 ....................................................................................30 3.4.2 物相分析（XRD）.........................................................................................31 3.4.3 形貌分析 ...........................................................................................................31 3.4.4 样品的热性能 ..................................................................................................31 3.4.5 样品的磁性能 ..................................................................................................31 3.5 结果与讨论 ..................................................................................................................31

3.5.1 MgFe2O4纳米粒子的表征 ............................................................................31

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3.5.2 溶胶凝胶法制备的NiFe2O4纳米粒子的表征 ....................................... 34 3.5.3 水热法制备的NiFe2O4纳米粒子的表征 ................................................ 37 3.6 本章小结 ...................................................................................................................... 39

第4章 羧甲基壳聚糖磁性复合微球的制备 ...................................................... 41

4.1 主要试剂和仪器 ........................................................................................................ 41

4.1.1 实验药品 .......................................................................................................... 41 4.1.2 实验仪器 .......................................................................................................... 42 4.2 羧甲基壳聚糖磁性复合微球的制备 .................................................................... 42

4.2.1 O-羧甲基壳聚糖磁性复合微球的制备 ................................................... 42 4.2.2 N,O-羧甲基壳聚糖磁性复合微球的制备 .............................................. 42 4.3 样品的表征 ................................................................................................................. 42

4.3.1 红外光谱（IR）分析 .................................................................................... 42 4.3.2 物相分析（XRD） ........................................................................................ 43 4.3.3 形貌分析 .......................................................................................................... 43 4.3.4 样品的热性能 ................................................................................................. 43 4.3.5 样品的磁性能 ................................................................................................. 43 4.4 结果与讨论 ................................................................................................................. 43

4.4.1 O-羧甲基壳聚糖磁性复合微球的表征 ................................................... 43 4.4.2 N,O-羧甲基壳聚糖磁性复合微球的表征 .............................................. 52 4.5本章小结 ....................................................................................................................... 61

第5章 结论 ........................................................................................................................... 63 参考文献 ................................................................................................... 错误！未定义书签。 致 谢 ................................................................................................................................... 69 攻读硕士期间取得的科研成果 ................................................................................... 71

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目录

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摘 要

本论文将壳聚糖以及氯乙酸作为反应物，在碱性的条件下制得N,O-羧甲基壳聚糖。探讨了制备过程中NaOH以及氯乙酸的使用量、异丙醇的加入量、反应时间等因素分别对产品的收率、取代度以及特性粘度的影响，进而得到了实验因素对它们的影响规律及反应的优化条件。并从取代度、红外光谱以及X射线衍射等方面对产物进行了分析和表征，进一步获得了制备羧甲基壳聚糖的条件、实验方法和步骤，对得到的产品的结构以及性能的影响。

得到的最佳反应条件为：壳聚糖5g，异丙醇25mL，氯乙酸13g，氢氧化钠13g，反应温度为60℃，反应时间为4h。

实验发现，NaOH、氯乙酸以及反应温度对 CMC的收率有很大影响。增加NaOH、氯乙酸的加入量，收率开始时增加，然后又减小；提高反应的温度，收率有下降的趋势。

NaOH、氯乙酸用量以及反应温度在很大程度上影响着CMC的取代度。氢氧化钠的用量增加时，CMC的取代度有增加的趋势；加大氯乙酸的使用量，以及提高反应过程中的温度时，CMC的取代度先升高后降低。

实验中影响CMC特性粘度的主要因素是NaOH的使用量、氯乙酸的加入量以及反应温度。增大NaOH以及氯乙酸的使用量，产物的特性粘度显示出先增加后减小的变化；而当温度升高时，有下降的规律。

对得到的产物进行红外测试，测试结果表明，制备的产品是 N,O-羧甲基壳聚糖。通过对产物以及原料壳聚糖的X射线衍射谱图进行对比，可以发现，产物的衍射峰明显变弱。

以Fe(NO3)3·9H2O和Mg(NO3)2·6H2O / Ni(NO3)2·6H2O为原料，采用溶胶凝胶法制备出了MgFe2O4以及NiFe2O4，以Fe(NO3)3·9H2O和Ni(NO3)2·6H2O为原料，通过用氨水调节溶液的pH值，制备出了NiFe2O4。通过红外、XRD、SEM、AGM等测试方法对所得产物进行了物理与化学表征。实验结果表明：用溶胶凝胶法制备的两种铁氧体都是立方尖晶石结构的，粒度大小均匀，它们的MS分别为31.52和43.3emu/g。而采用水热法合成的NiFe2O4粒度分布均匀，粒径小，MS为43.1 emu/g。

以CMC为骨架材料，戊二醛作为交联剂，采用乳化交联法制备出了包覆磁性粒子的微球。以O-羧甲基壳聚糖为骨架材料时，得出最优制备工艺: O-CMC的质量浓度为2%，反应温度为70℃，Span80与Tween 80的用量分别为2.5g，交联剂戊二醛的加入量为4mL，反应所需的时间为3h。以N,O-羧甲基壳聚糖为骨架

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摘 要

材料时，得到较优工艺为：N,O-CMC的浓度为2%（质量分数），Span80与Tween 80的用量为1.5g，戊二醛的加入量为6mL，反应时的温度为70℃，反应时间为3h。通过傅立叶红外光谱仪、热重分析、扫描电子显微镜、交变梯度磁强计以及X射线衍射仪对样品的官能团、热稳定性和组份、形貌、磁性能以及晶体结构进行了分析与表征。

制得的O-羧甲基壳聚糖MgFe2O4复合微球外形圆整，具有良好的分散性，微球的表面也较为光滑。O-羧甲基壳聚糖NiFe2O4复合微球有圆整的外形，微球表面较粗糙，具有较好的分散性，不存在黏连现象。O-羧甲基壳聚糖MgFe2O4/NiFe2O（磁性复合微球的MS分别为10.35、4NiFe2O4通过两种方法合成）17.6和18.6emu/g。

制备的N,O-羧甲基壳聚糖MgFe2O4复合微球球的外形圆整，球的均一度较好，且表面较为光滑。N,O-羧甲基壳聚糖NiFe2O4（溶胶凝胶法）复合微球的球形结构较好，表面比较光滑，但是，微球间有粘连，微球大小不一。N,O-羧甲基壳聚糖NiFe2O4（水热法）复合微球为圆整球形，粒径偏大，表面不粗糙。得到的N,O-羧甲基壳聚糖MgFe2O4/NiFe2O4（溶胶凝胶法与水热法）磁性复合微球的MS分别为11.9，19.7，以及14.3 emu/g。

关键词： 壳聚糖；羧甲基壳聚糖；磁性纳米粒子；磁性微球

II

齐鲁工业大学硕士学位论文

ABSTRACT

N,O-carboxymethyl chitosan was obtained in the presence of alkali using chloroacetic acid and chitosan as the raw materials. The influence of the amounts of sodium hydroxide and chloroacetic acid, the volume of isopropyl alcohol, reaction temperature, etc., on substitution degree, the yield, and intrinsic viscosity were discussed, respectively. Finally, the products were characterized for DS, average molecular weight, IR spectroscopy and X-ray diffraction, respectively.

The optimal conditions were aquaired as: the amount of chitosan 5g, the amounts of sodium hydroxide and chloroacetic acid were both of 13g, and volume of isopropyl alcohol 25mL, reaction temperature 30℃, reaction time 4 h.

The study showed that the amounts of sodium hydroxide, chloroacetic acid, and reaction temperature were the key factors influencing the yield. The yield decreased with the increase in temperature, while increased and then followed by a decrease when the amounts of alkali and chloroacetic acid was increased.

The research indicated that sodium hydroxide, chloroacetic acid, and reaction temperature had a great influence on DS. The increase of the amount of alkali made the DS of the product increased, while when the amount of monochloroacetic acid and reaction temperature was increaded, the DS incrased at first and then decreased.

Sodium hydroxide, chloroacetic acid, and reaction temperature were also the key factors influencing the intrinsic viscosity. When the reaction temperature was increased, intrinsic viscosity decreased. However, intrinsic viscosity increased and then followed by a decrease with increasing amounts of sodium hydroxide, chloroacetic acid.

The product prepared was N,O-CMC indicated by IR spectra. It was found that the diffraction peaks of the product were weakend by the comparison of XRD spectra of product and raw material.

The MgFe2O4 and NiFe2O4 particles were synthesised using Fe(NO3)3·9H2O and Mg(NO3)2·6H2O/Ni(NO3)2·6H2O as raw materials by the method of sol-gel. Fe(NO3)3·9H2O and /Ni(NO3)2·6H2O were used as raw materials to prepare NiFe2O4 by hydrothermal method, and NH3·H2O was used to adjust the pH value of the system. The functional groups, magnetism, crystal structure, thermal stability, and morphology of the products, were characterized by fourier transform infrared spectrometer, alternating gradient magnetometer, X-ray diffraction, environmental scanning electron

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ABSTRACT

microscope, etc. The results showed that the MgFe2O4 and NiFe2O4 particles prepared by sol-gel method had cubic spinel structure, uniform size, and saturation magnetization of 31.52 and 43.3emu/g, respectively. However, the NiFe2O4 particles, prepared by hydrothermal method, exhibited perfect crystal structure, uniform size, smaller particle size and saturation magnetization being 43.1emu/g.

Magnetic polymer microspheres have been successfully prepared by emulsion crosslinking method using carboxymethyl chitosan as matrix material and glutaraldehyde as a crosslinking agent. When O-carboxymethyl chitosan was used as matrix material, optimization of the technology to prepare the microspheres was as follows: the concentration of O-CMC was 2%, the dosage of Span80 as well as Tween 80 was 1.5g, 4mL of glutaraldehyde, the reaction temperature was 70 ℃, and the reaction time was 3h. For N,O-carboxymethyl chitosan, the optimal conditions were that N,O-CMC concentration was 4%, dosage of Span 80 and Tween 80 was 2.5g, 6mL of crosslinking agent, the reaction temperature was 70 ℃, and the reaction time was 3h.

The study showed that O-carboxymethyl chitosan MgFe2O4 microspheres prepared were spherical in shape, has good dispersivity and smooth surface. O-carboxymethyl chitosan NiFe2O4 microspheres synthesized were spherical, their surface is rough, with good dispersion, and no adhesion phenomenon. The saturation magnetization of O-carboxymethyl chitosan MgFe2O4/NiFe2O4 (sol-gel method and hydrothermal method) were 10.35, 17.6 and 18.6 emu/g.

N,O-carboxymethyl chitosan MgFe2O4 microspheres prepared had regular spherical shape, smooth surface and uniform size. N,O-carboxymethyl chitosan NiFe2O4 (sol-gel method) microspheres had good spherical strcture and smooth surface, however, there are adhesions between the microspheres, and wide diameter distribution. N,O-carboxymethyl chitosan NiFe2O4 (hydrothermal method) microspheres showed good sphericity, larger particle size, not coarse surface. Their saturation magnetizations were 11.9, 19.7 and 14.3 emu/g, respectively.

Keywords: chitosan；carboxymethyl chitosan；nanoparticles; magnetic microspheres

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第1章 绪论

有关磁性微球的合成和性能作为一个新课题的研究发展迅速。磁性微球在很多领域有广泛的应用。赵红[1]等制备出了尺寸为1~2 μm的可生物降解缓释微球，这种微球适合磁性药物靶向后的血管处理。因此，它可能会避免由于化疗而产生的副作用。此外，它也有一些其他的应用，如癌热疗[2]。

磁性微球的磁响应得益于磁性粒子和聚合物的固有特性的结合。磁性粒子将磁性能赋予微球。有了磁性成分的加入，通过使用外部施加的磁场，微球可以得到迅速，有效地分离以及靶向定位。而对于高分子部分，它不仅能够稳定磁性颗粒，并防止其氧化，而且还可以使微球具有溶胀能力以及弹性。另外，也可以依据特定的应用，来选择高分子（具有所需要官能团），进而达到对磁性粒子的修饰。

1.1磁性微球概述

1.1.1磁性微球的组成

磁性微球的内核的成分通常为磁性材料，壳层则由无机材料（如SiO2）、有机物或者高分子聚合物组成。一般而言，微球的核心是由有磁性的纳米粒子构成的，例如，Fe、Co、Ni以及它们的合金或者是氧化物。然而，由于无机材料作为壳层所具有的选择性结合的官能团有限，限制了它的应用。而高分子的表面具有各种不同的官能团，这些官能团可针对特定的应用，所以，一般把高分子聚合物用作壳层。作为壳层的高分子聚合物主要有两种，一种是天然高分子，而另一种则是合成高分子。这里提到的天然的高分子聚合物，常用的主要有明胶，壳聚糖等等；可发性聚苯乙烯以及阴离子是最常用的合成聚合物。由于天然聚合物具有价格便宜、可降解、良好的生物相容性等特点，对它的研究和应用较多。 1.1.2 磁性微球的制备方法

已经开发出不同的技术来制备磁性微球，本文主要介绍了乳化交联法、悬浮聚合法、分散聚合法、模板聚合法以及溶剂挥发法。 1.1.2.1 乳化交联法

将磁性粒子溶解或分散于聚合物溶液中，混合均匀，将形成的悬浮液加入到含有表面活性剂的油相中，使之形成稳定的乳液后，在不断搅拌的条件下，把交联剂（如戊二醛、甲醛）加到上述体系中，由于所用的交联剂中的—CHO会与聚合物中的—NH2间进行缩合，最后会得到微球。Denkba?[3]等研究者利用悬浮交联技术制备出了具有良好球形的磁性高分子微球，它可以应用到磁性载体技术领域。

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第1章 绪 论

1.1.2.2 悬浮聚合法

它是一种将单体（其中溶解有引发剂），在机械搅拌或者是振荡，以及加入的分散剂的作用下，分散成液滴，一般悬浮在水中进行自由基聚合的方法。有研究者[4]以La0.75Sr0.25MnO3纳米粒子作为核，制备磁性PGMA微球。为了提高它们与PGMA之间的相容性，将五（甲基乙二醇）甲基丙烯酸酯用作封闭剂，对La0.75Sr0.25MnO3纳米粒子的表面进行处理。然后，通过甲基乙二醇（GMA）在纳米粒子表面的悬浮聚合，导致微球中La0.75Sr0.25MnO3的分布相对均匀。 1.1.2.3 分散聚合法

分散聚合最早由ICI公司的研究者们提出。在进行反应之前，反应物质组成单一相，反应开始之后，分子量到一定的值时，聚合物会沉淀出来，并且，稳定的分散在反应介质之中，形成聚合物的稳定悬浮液。有研究者[5]报道了通过表面引发自由基分散聚合的方法，制备粒径分布窄的磁活性和pH敏感的聚合物微球，它是基于一种双官能团的偶氮引发剂附着到Fe3O4的表面。 1.1.2.4 模板聚合法

模板聚合法指的是，用作的单体在结构特定的高分子聚合物存在的条件下发生的聚合反应，其中的高分子模板可以起到控制聚合反应的作用，可以用作反应的模板，它能使发生聚合反应的速度变快；并且，它会影响生成物的结构以及性能。邓永辉[6]等人提出一种制备具有热响应的以及良好的核壳结构的聚合物磁性微球的方法，即胶粒模板聚合法。 1.1.2.5 溶剂挥发法

简单地说，溶剂挥发法的步骤是，首先在连续相中，乳化聚合物溶液，挥发掉溶剂得到高分子微球。常用的溶剂有氯仿，乙酸乙酯，水溶液中要加入表面活性剂，如十二烷基硫酸钠，用超声，或者剧烈搅拌进行乳化，最后，室温下搅拌，挥发溶剂。如果高分子为水溶性则反之。有研究者以PLGA为骨架材料，采用水包油包水复乳溶剂挥发法制备了磁性微球。研究发现，生物可降解PLGA微球的大小可以通过调节实验步骤以及改变实验条件来控制，尤其是搅拌速度以及影响油相和外水相的运动粘度的因素，例如油相的类型和浓度。另外，在相同的优化条件下，制备出了与PLGA微球大小，粒径分布以及表面结构非常相似的磁性PLGA微球[1]。

1.1.3 磁性微球应用 1.1.3.1 磁共振成像检测

Eun Hee Kim[7]等研究者制备出了由超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIO）和壳聚

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糖组成的磁性微球。首先，他们合成出了球形的SPIO，然后用超声的方法将SPIO包覆到壳聚糖中。然后，用喷嘴将包覆SPIO的壳聚糖溶液组成的磁流体溅射到碱性溶液表面，制备出磁性壳聚糖微球。将筛选出的粒径在100~150μm间的微球注射到新西兰白兔的血管中，经由体内的血管造影导管通向白兔的肾。最后，在白兔的肾脏的磁共振成像中检测到微球。SPIO壳聚糖微球表现出与体外磁流体相似的磁共振成像造影强度，这表明SPIO壳聚糖微球可以作为磁共振成像检测栓塞材料。

1.1.3.2 生物相容性材料

Mohamed K. Nasra[8]等人采用简单的交联方法制备壳聚糖磁性微球（CMMS）。得到的CMMS尺寸范围在1000~2600 nm之间，平均粒径为1800 nm。并且，对CMMS进行了所有基本的测试，结果与用不同的方法做的其他微球相一致。为了测试CMMS与血液的相容性，研究了它们对血液红细胞聚集和溶血的影响。结果表明，磁性微球可以作为与血液相容的良好的生物相容性材料。 1.1.3.3 固定化酶

有研究者以戊二醛为交联剂，采用反相悬浮法制备磁性壳聚糖微球，用于固定化酶。它们合成出的微球球形形态良好，具有光滑的表面，其平均粒径为5μm，具有窄的粒度分布。通过吸附以及戊二醛交联，漆酶被固定化到磁性壳聚糖微球上。对实验中用到的固定化条件，以及实验得到的固定化酶所具有的特性作了研究。在pH值为3时，固定化漆酶表现出最大的酶活性。固定化酶的最适温度为10℃和55℃。估算得到固定化酶的动力学参数，κm和νmax分别为171.1μm和5.9mmol/(l min)。被固定在磁性壳聚糖微球的表面上之后，酶的保存以及热稳定性得到大大改善[9]。 1.1.3.4 细胞分离

细胞分离是通过施加一个磁场梯度，以赋予磁泳迁移到标记的细胞来实现的。通常来说，磁泳细胞分离中用到的磁性微球，一般为含有超顺磁性纳米氧化物的聚苯乙烯/二氧化硅珠，直径一般在0.5~4μm之间。由于球珠可以被多种抗体功能化，它们可以被用于多种细胞的高质量分离。与其它竞争技术相比，磁场中的细胞分选法有一些优点。首先，它可以从粗制样品中直接分离（例如，血液，实物样本，培养基等），省去了缓冲区替换和几个洗涤步骤。因为几乎所有的生物细胞是磁中性的（除趋磁细菌和脱氧红细胞之外），该方法提供了强大的分离力，它独立于在分离器中的原位生物和化学过程。不同于电场，静磁场不会干扰活细胞中的离子流。这就是磁泳细胞分离作为一种简单，快捷，有效的细胞分选技术，能够被集成到微流控全分析系统的原因。

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第1章 绪 论

1.1.3.5 抗癌药物载体

采用可生物降解微球来增强和靶向给药，作为一种很有前途的治疗癌症的方法正在兴起。Gerald G Enriquz[10]等合成了载药的磁性微球，并对其物理化学性质和溶解曲线进行了测定。更进一步，对它们在体内以及体外的治疗效果进行了评价。B16黑色素瘤细胞在体外的研究表明，在氧化铁存在于聚合物载体中时，不管萝卜硫素的浓度为30 μM，还是50 μM，有大约13％~16％的细胞活性受到抑制。从C57BL/6小鼠的体内研究数据表明，与溶液中的萝卜硫素相比，该磁性微球（在强磁体的帮助下定位于肿瘤部位）抑制了18%的肿瘤生长。此外，用含有萝卜硫素的铁氧体微球处理的小鼠的组蛋白去乙酰化水平降低了40%。因此，磁性微球是一种有效的抗癌药物载体。

1.2 磁性纳米粒子概述

1.2.1 磁性纳米粒子的性质

粒度在1~100 nm间的粒子称为纳米粒子。与宏观物体结构不同的是，纳米粒

子的表面积占的比重很大，但是，表面原子没有非晶层。所以，可以认为它们的表面原子的状态与气态更接近，呈现出无序状态，但是，内部的原子状态可能是有序的。尽管这样，某种变形会在其内部结构产生，这是因为它们的表面曲率大，粒径小。这种特殊的结构特征，使纳米粒子有以下四种效应。 （1）体积效应

当纳米粒子的尺寸小于等于λ时，其具有周期性变化规律的边界条件会遭到破坏，与普通粒子相比，它们的很多性质会发生变化，例如，它们的内部压力、催化活性以及磁性能等，这就是它们的体积效应。 （2）表面效应

随着纳米粒子粒径的减小，其表面原子与总的原子数的比值会迅速增大，从而使纳米粒子的性质发生变化，这就是纳米粒子的表面效应。纳米粒子显示出不饱和性质，这是因为表面原子的周围有许多的悬空键，因此，为了达到较为稳定的状态，纳米粒子很容易与其他的原子之间进行结合。 （3）量子尺寸效应

它是电子能级发生从准连续级能，转变为分立能级的一种现象。由Kubo计算得到的金属纳米粒子的能级间距δ是：

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δ?4Ef 3NEf是费米势能，N代表原子数。事实上，对于纳米粒子来说，它的原子数有限，N值较小，从而δ有定值，所以会有能级间距的分裂现象发生。而这种能级的所具有的电子的波动性，使它具有了一些特殊性能。 （4）宏观量子隧道效应 它指的是一种贯串势垒的能力，而这种能力是微观粒子所具有的。宏观量，如微颗粒的磁化强度，具有这一能力。正因为如此，使低温环境下的超细镍微粒具有了超顺磁性这一性质。 1.2.2 磁性纳米粒子的制备方法 1.2.2.1 共沉淀法

它指的是溶液中的阳离子以单一相存在，通过添加合适的沉淀剂，生成均匀沉淀，然后，得到的沉淀经过加热分解以后，就可以制备出所需产物。此方法的优点在于：（1）它经过溶液中的多种化学反应后，得到的产品组成均一；（2）由此方法制得纳米粉体材料不仅粒度小，而且分布也均匀。P. Sivakumar[11]等的封端剂采用两种不同浓度的聚环氧乙烷（PEO），通过共沉淀法得到了纳米结构的NiFe2O4。

1.2.2.2 溶胶凝胶法

溶胶凝胶法中一般将无机的盐类，或者是金属的醇盐，用作反应的原料物，它们能够在所加的溶剂中形成均一溶液，并且发生水解、缩合反应，生成稳定且无沉淀的溶胶，然后，溶胶经处理之后，转变成具有空间结构的凝胶，最后，经过干燥以及煅烧等处理步骤即可制得纳米粒子和所需要的材料。溶胶凝胶法的优点包括：（1）溶胶由溶液制得，反应发生在分子水平上，化学均匀性好；（2）此反应是液相化学反应，相对来说，反应容易进行，而且，反应温度较低；（3）制备的粒子均匀度较高，纯度也高；（4）制备工艺设备简单。缺点是：通常来说，制备过程所需的时间长，而且，干燥煅烧时，会有气体以及有机物从产物中逸出，造成产物的收缩。Anju Ahlawat[12]等通过溶胶凝胶法，制备出了平均粒径为9 nm的单相超顺磁性NiFe2O4。 1.2.2.3 水热法

它是一种以水为溶剂，在密闭容器内，高温高压环境下发生反应的方法。温度和压力是水热法不同于上述两种方法的两个因素。这种方法的最大优点是，一般不需要高温烧结，就可以得到粉末，这样就能避免在烧结过程中晶粒的长大，以及引入杂质等缺点。另外，得到的粉末的粒度一般在0.1微米到几微米之间，有一些甚至可以达到几十纳米，而且具有分散性好、良好的结晶性、相对较低的

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第1章 绪 论

生产成本、粒度分布窄、产品的纯度高和形貌可控等特点。缺点是，反应在密闭的系统中进行，不能对反应过程进行直接地观察，设备要求高，技术难度大，安全性能差。程曜[13]等人通过简单的水热法合成了粒度分布范围在40~90 nm之间，高产量的八面体镍铁氧体纳米粒子。与以前报道的具有类似粒度分布，但是形状不规则的镍铁氧体纳米晶相比，他们制备的样品显示出非常低的矫顽力和更高的饱和磁化强度，这与其独特的八面体形态有关。 1.2.3 磁性纳米粒子的应用 1.2.3.1 癌症化疗的药物传输系统

槲皮素，黄酮类化合物中的一种，通常在苹果，坚果，浆果等食物中存在。经证实，槲皮素具有广泛的生物学效应，对于健康治疗（主要是抗癌）是有益的。然而，由于槲皮素保存在水中的溶解度以及在生理介质中的不稳定性，它在治疗中的应用被限制为口服给药。A. C. H. Barreto[14]等提出了一种给药方法，研究了由磁铁矿–槲皮素–共聚物（MQC）形成的一个新的槲皮素释放系统。首先，通过共沉淀法制备了10~15 nm范围的Fe3O4纳米粒子。然后将Fe3O4纳米粒子与槲皮素相连接，达到靶向给药的目的。这种生物材料被包封在三嵌段共聚物（E137S18E137）中，用于药物输送和癌症化疗的控制释放。该系统中存在的磁性纳米粒子，能够保证靶向身体内的特定器官。MQC系统显示，它对药物具有缓释作用（96 h后14.5%的峰）。但是，系统组成的变化足以满足理想释放时间的需要。 这些结果表明，MQC作为一种新的槲皮素释放系统，在未来的应用中具有巨大 潜力。

1.2.3.2 催化剂

由于纳米粒子的表面具有较多的活化中心，这为其作为催化剂提供了必要的条件。彭天佑等[15]研究者通过水热煅烧过程制备了磁性NiFe2O4纳米粒子。并且，首次将其用于可见光催化制氢。与没有用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）制备的NiFe2O4相比，用CTAB制备的NiFe2O4具有相对较大的表面积以及较小的颗粒尺寸，因此对制氢显示出更好的可见光催化活性。由于此NiFe2O4纳米粒子具有磁分离，可见光响应光催化活性，制备过程简单，没有铂负载，使其成为一种很有前途的光催化剂。

1.2.3.3 磁性高热治疗的胶体介质

磁热疗治疗包括癌细胞在42~45℃的破裂。在磁场存在的情况下，磁性粒子产生热量；磁加热程度取决于粒径和磁特性[16]。Jean-Paul Fortin[17]等研究了具有良好颗粒尺寸分布，磁各向异性氧化铁纳米磁体，作为热介质载体的效率。更有意义的是，与实验数据相比较，每个样品的实际尺寸分布被引入到模型中。这是

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第一次量化磁热疗数据显示与根据相关参数（颗粒尺寸和材料，粘度，场特性）的理论预测相一致。这使人们能够清楚地区别不同的松弛机制的相应输入端，以及预测复杂介质中生物相容性阴离子纳米磁体的行为。 1.2.3.4 免疫测定

从技术上来说，用于诊断目的的生物分子检测方法的实现，是非常具有挑战性的，这是因为这样的测试要满足便于使用的要求，并且使用的经济有效的材料要具有高分析性能。D. M. Bruls[18]等描述了一种光磁免疫分析技术，这种技术是基于在一个固定的流体样品中磁驱动和光学检测到的纳米粒子。通过磁场对纳米粒子的动态控制，影响关键免疫测定法的工艺步骤，赋予前所未有的速度，整个试验的检测控制和无缝集成。基于致动纳米粒子所提出的光磁生物传感器技术，使得集成化，高灵敏度，快速，在低成本的一次性盒中小样品量的多重分析成为可能。

1.2.3.5 磁共振成像造影剂

目前，磁共振成像（MRI）技术已经成为临床诊断的重要工具。它比X射线、CT成像等其他成像诊断技术更加优越。通常来说，可以将其用到组织的坏死，以及发生的各种不良癌变的检测以及早期的诊断，能够增加诊断的准确度，这样就可以使病人在患病的早期就能发现病情并得到及时的治疗。MRI造影剂可以起到使成像的时间缩短，以及成像的对比度还有清晰度得到提高的作用。由于独特的性质，如比表面积大，高效的对比效果，各种无机纳米粒子已被用作MRI造影剂。自从超顺磁性氧化铁（SPIO）作为肝脏造影剂第一次使用，纳米颗粒磁共振造影剂引起了越来越多的关注。由于磁性氧化铁纳米粒子具有缩短T2*弛豫时间在肝，脾和骨髓中的能力，其已被广泛地用作MRI造影剂[19]。

1.3 羧甲基壳聚糖概述

在植物和动物的先天免疫系统中，甲壳素能够起到识别潜在病原体分子模式的作用。在植物中，几丁质寡糖能够引起多种植物细胞中的各种防御反应[20]。

在酸性的介质中，由于D-葡糖胺重复单元C-2位上的—NH2基团的质子化，使壳聚糖溶解，成为电解质。由于它在酸性溶液中溶解，它作为溶液，凝胶或者是膜以及纤维在不同的领域得到广泛应用。壳聚糖比甲壳素容易处理，但是，由于壳聚糖材料更好的亲水性，尤其是pH敏感性，使其稳定性通常较低[21]。此外，壳聚糖存在的溶解性不强，只能溶于几种稀酸[22]，而且，在酸性条件下容易降解，不能稳定的存在于酸性溶液中；稀溶液中，它的螯合容量低，反应到达平衡状态所需时间长以及其高粘度，在较高pH值时倾向于与蛋白质凝结[23]，易凝血及造成

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第1章 绪 论

血栓等的缺点，使它的应用受到限制。

羧甲基壳聚糖（Carboxymethyl Chitosan，简称CMC），是由所用的原料壳聚糖经过羧甲基化反应之后得到的。将羧甲基引入到壳聚糖中，能够使壳聚糖在中性以及碱性pH下的溶解性急剧增加，而不影响它们的性质。

由于羧甲基壳聚糖中同时含有—COOH和—NH2两种基团，它可以溶于酸性 和碱性溶液中，是一种两性聚电解质。另外，由于羧基以及氨基的存在，使其性能更好。

1.3.1 羧甲基壳聚糖的结构

一般来讲，壳聚糖分子链上的两个—OH（C3和C6）以及一个—NH2位上，都可以引入羧甲基基团，但是，由于它们所在位置以及其本身电负性的不同，导致它们的反应活性也有所差异。通常，氧的电负性要比氮的电负性大，所以羟基发生亲核反应的机会要大于二位氨基；C3和C6位上都有羟基，但是，因为C3位上受到位阻效应以及氢键的影响，导致C3位上的反应不容易进行，所以，—OH上的取代反应，发生在壳聚糖的C6-OH上的反应机率大于C3-OH。若是在碱性条件下，羧甲基取代反应主要是在C6-OH位上，而C2-NH2位上的反应则要少一些。

综上所述，壳聚糖进行羧甲基化反应时，取代基团可取代—OH或—NH2上的H，即生成的产物主要为O取代的、N取代的以及N,O-取代的。 1.3.2 CMC的制备

不同的反应条件，如反应温度、时间，或者利用不同的反应物，如乙醛酸或氯乙酸，与壳聚糖反应，可以得到取代位置不同的CMC。 1.3.2.1 O-CMC的制备

一般情况下，以甲壳素为原料，先制备出O-羧甲基甲壳素，然后对羧甲基甲壳素进行脱乙酰化反应，生成O-CMC。吴勇[24]等先将甲壳素浸于42%的NaOH溶液中，然后加入氯乙酸，于30℃反应5小时，反应完后，调节pH为中性，用去离子水渗析三天得到O-CMC。

张贵芹[25]等人以壳聚糖为原料，将其浸于异丙醇中，加入浓度一定的KOH溶液，浸泡一定时间。在一定温度下，将氯乙酸分批加入。反应完后，弃去异丙醇。固体产物经过加水溶解，用HCl将其pH调至8，加乙醇析出沉淀。最后，沉淀经洗涤，60℃干燥得产品。该反应在KOH-异丙醇体系中发生，并且当壳聚糖、KOH以及氯乙酸按2:2.3:1的质量比反应时，室温下反应时间为5h时，就能得到具有较高的取代度的O-CMC。该反应简便，快速，试剂用量减少，使生产成本降低，适合一定的规模生产。

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为了避免在制备O-CMC过程中N-CMC的生成，王钦权[26]等把苯甲醛作为保护剂，使壳聚糖C2位上的—NH2得到选择性保护，得到了单一的O-CMC。实验中，苯甲醛的甲醇溶液被逐滴加入到壳聚糖溶液中，反应一段时间后，加入碱液以及甲醇，最后得到C2位氨基保护的壳聚糖。然后，把异丙醇加到反应后的壳聚糖中，再将40%的NaOH溶液加到其中进行碱化。加入氯乙酸的异丙醇溶液，60℃反应4h，经过精制得到O-CMC。经过测试发现，产物O-CMC的取代度是42.2%，该反应具有较好的的选择性，所用的实验步骤也较简单，得到的产品的产率也较高。

陈西广[27]等将壳聚糖，NaOH以及溶剂加入到烧瓶中，在一定水浴温度下溶胀碱化1h。然后，将氯乙酸的异丙醇溶液在一定时间内逐滴加入到反应液中，反应4h。反应完之后，加入70%的乙醇溶液终止反应。最后，经过滤、洗涤等操作，得到产物。实验发现，制备条件影响O-CMC的化学性质，并且，当水与异丙醇的比值在1/4~1/1范围内时，产率高达100%。而在0~10℃的反应温度范围时，制得的CMC水溶性较好。

吴友吉[28]等利用非质子溶剂的方法，在以DMSO-H2O作为溶剂的碱性环境下，使壳聚糖与氯乙酸反应。实验得到较优的反应条件为：m（CTS）：m（氯乙酸）=1:5，NaOH与相转移催化剂CTAB的质量分数分别为35%和5%（以CTS质量计算），在50℃下反应6h，产物经表征证实为O-CMC。

刘红娅[29]等利用微波法，分两步制备出O-CMC。即将一定量50% NaOH 溶液，以及少量的十二烷基苯磺酸钠（相转移催化剂）加入到甲壳素中，冷冻碱化过夜。然后，滤去溶液，将氯乙酸的异丙醇溶液加入到处理后的甲壳素中，于微波炉中反应一定时间。反应完之后，经冷却，过滤，洗涤以及干燥得到O位取代，发生羧甲基化反应的甲壳素。然后，加入NaOH溶液，在微波炉中反应。反应一段时间后，冷却，过滤，再经过加水溶解，得到精制的O-CMC。这种方法的独特之处在于缩短了反应所需的时间，降低了异丙醇的加入量，使生产成本降低。 1.3.2.2 N-CMC的制备

N-CMC的制备一般是在酸性环境下，壳聚糖的C2位上的—NH2与乙醛酸之间发生反应，得到希夫碱，后经NaBH4还原得到的。N-CMC是由Muzzarelli[30]等首次合成的，他们将壳聚糖溶于乙醛酸的水溶液中，形成希夫碱以后，将体系的pH调到6，再加入NaBH4，室温下搅拌数小时，使希夫碱还原。反应完后，过滤洗涤等操作，得到N-CMC。随后，Muzzarelli[31]等又对方法进行了改进，其步骤为将一定量（7g）的壳聚糖原料中加入去离子水（482mL），然后将质量为4.65g的冰醋酸加到其中，使其溶解（温度为20℃），再加入50%的乙醛酸溶液（其中乙醛酸的质量为5.8g）搅拌一定时间。用NaOH调节溶液的pH为4.0。加入

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NaBH4后的pH为4.8。用去离子水透析所得的清澈黏液，最后将产物在一定温度下冻干，得N-CMC。

反应后生成的N-CMC中含有CH3-C=O—、—CH2COOH和—NH2，它们的比例与所选择的原料壳聚糖的类型和乙醛酸的体积有关。这种反应的独特之处是，由于乙醛酸可以选择性的与壳聚糖上的—NH2发生反应，使取代反应具有了选择性，而且反应的条件较为温和，不需要对反应进行加热，另外，反应可以在均相体系的水溶液中发生。

也有人把乙醛酸用氯乙酸来替代，与原料壳聚糖进行反应，并将碳酸钠用作缚酸剂来制备N-CMC。王崇侠[32]等将与氯乙酸（4g）等摩尔量的NaOH溶于水中，用其调节氯乙酸水溶液的pH为8。然后，在烧瓶内加入上述混合液以及1g壳聚糖，90℃的温度下，搅拌反应2.5h~4.5h，反应过程中每30min滴加10%的Na2CO3溶液，来维持体系pH为8。反应完之后，经离心后的上清液中加入乙醇，沉淀先用95%乙醇洗至中性，后用无水乙醇洗一次，60℃下真空干燥即得N-CMC。 1.3.2.3 N,O-CMC的制备

一般地，N,O-CMC是在浓碱的条件下，在有机溶剂异丙醇中，由壳聚糖与氯乙酸反应得到的。由于相对其它位置取代的CMC的制备方法来说，此种CMC的制备方法较简单，而且原料廉价，易得，它的制备也最为普遍。

丘增萍[33]等把壳聚糖放入异丙醇中溶胀30min后，加入NaOH溶液碱化一段时间。然后，将氯乙酸的异丙醇溶液滴加到上述溶液中，60℃反应3h。反应液经冷却，过滤，滤液调节pH为中性，洗涤至无氯离子后，干燥得到白色N,O-CMC。

李志洲[34]用水代替异丙醇，采用微波辐射的方法合成N,O-CMC。调节微波快速反应系统的功率为400W，将在NaOH溶液（15mol/L）中碱化2h后的壳聚糖放入其中，然后逐滴加入氯乙酸溶液（7mol/L），在60℃反应20min后，经冷却，调节pH为中性，加水溶解，离心过滤，乙醇沉淀，提纯，干燥后，得到取代度为0.89的N,O-CMC。

柯仁怀[35]等将甲壳素用作制备N,O-CMC的反应物。将溶剂异丙醇加入到原料甲壳素中，搅拌一定时间之后，将NaOH溶液加到其中，80℃反应4h。然后，分批加入氯乙酸，60℃反应3h。反应完后，将体系pH调为中性，过滤，滤出物经水溶解，过滤，醇沉，洗涤产物，干燥得到产物。这种方法降低了碱的使用量，缩短了生产时间，简化了生产工艺，一定程度上降低了生产成本。

吴刚[36]等人利用多段升温的方法，来制备N,O-CMC。先将壳聚糖加入到含有异丙醇的三颈瓶中，再加入40%NaOH溶液，44℃反应4h后，加入氯乙酸的异丙醇溶液，54℃反应4h后，然后在64℃反应10h。反应完后，产物处理之后得到N,O-CMC。

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苏云[37]等以壳聚糖为原料，用水代替溶剂异丙醇，并且加入催化剂CTAB，在碱性环境下与氯乙酸反应，来制备N,O-CMC。利用单因素实验，得到较优的实验条件：NaOH浓度40%，催化剂用量（质量分数）为5%，羧化时间50℃，羧化时间4h，产物取代度为1.53。

付君善[38]等以壳聚糖为原料，通过对工艺路线的改进，得到的产品CMC的取代度较高。壳聚糖在异丙醇中溶胀，放入超声器中超声，加入一部分氢氧化钠液低温碱化。碱化后的壳聚糖再恒温碱化30min，然后，将氯乙酸溶液逐滴加入其中，60℃反应4h，pH为7时加入剩余NaOH液。合成的CMC的取代度在最佳的反应条件下达到了1.6。 1.3.3 羧甲基壳聚糖的应用

与壳聚糖相比，羧甲基壳聚糖的性质在溶液中较稳定，使其具有更广泛的用途，拓宽了壳聚糖的应用领域。它具有很多优良的性能，如分散性好，较强的抗菌性能，乳化性稳定，具有保鲜作用，保湿性强，成膜性好，能够对金属离子进行络合。而且，它丰富而独特的功能性质，如无毒、无味、良好的生物相容性，以及能够生物降解，使其在许多领域中得到了应用，例如其广泛应用于医药、食品工业、环保领域、农业等方面。

通过将羧甲基基团引入到壳聚糖中，可以得到溶于水的羧甲基壳聚糖，并赋予它很多优良的特性。它能够对正常皮肤的成纤维细胞的增殖起到促进的作用，但是会抑制瘢痕疙瘩成纤维细胞的增殖，刺激外溶菌酶，促进成骨。 1.3.3.1 在生物医学领域的应用

由于羧甲基壳聚糖的无毒性以及生物可降解性，它被广泛用于生物医学领域。羧甲基壳聚糖可以作为多功能生物医学材料，与试剂共轭、截留或自组装，广泛应用于肿瘤治疗的研究中。Meiling Zheng[39]等制备了O-羧甲基壳聚糖，并且研究了它在体内以及体外肿瘤应用中的生物安全性。生物相容性研究表明，羧甲基壳聚糖对正常细胞L02和三种肿瘤细胞株BEL-7402，SGC-7901，Hela细胞在体外是安全的。羧甲基壳聚糖还提高了L02细胞（P<0.05）TGF的分泌，而降低了BEL-7402细胞（P<0.05）分泌转化生长因子-α的水平，这些与在分子水平的现象相符。将肉瘤180的移植瘤模型移植到小鼠体内，羧甲基壳聚糖通过腹腔注射给药。实验数据表明，羧甲基壳聚糖在体内是安全的，它缓慢地抑制肉瘤180的生长，通过抑制在治疗的小鼠（P<0.05）的淋巴因子以及转化生长因子-α的生长，来增强机体免疫力。这些结果表明，羧甲基壳聚糖作为生物医学材料在肿瘤治疗的应用中是安全的。

Liqun Yang[40]等人在氟尿嘧啶或贝伐单抗存在下，以京尼平作为交联剂，采用原位合成的方法合成了载药CMCS水凝胶。并进行了体外以及兔子体内的药物

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第1章 绪 论

释放试验评价。体外药物释放实验表明，在8ｈ以内，几乎100%的京尼平从载药凝胶中释放出来，但是低于20%的贝伐单抗在53h之后释放出来。兔体内评价表明，载药CMCS水凝胶对角膜无毒，在眼睛内逐渐降解。另外，进行青光眼滤过手术之后，兔的结膜瘢痕现象得到了有效的抑制，进而控制了兔的眼压。

Robert S. Liwski[41]等研究发现，N,O-CMC凝胶和溶液能够显著减少兔在心脏手术后的术后粘连形成的程度。成纤维细胞不能附着在羧甲基壳聚糖涂层表面表明，羧甲基壳聚糖可作为生物物理屏障。

手术后常发生粘连，粘连能够导致严重的术后并发症，如不孕不育，慢性盆腔疼痛，以及造成未来手术广泛粘连的后果。抗粘连屏障已经发展到提供受伤部位和邻近组织间的物理分离。研究发现，生物可吸收的聚合物适合用来作为仅在伤口愈合过程中需要的抗粘连屏障。市售的一系列抗粘连屏障为溶液，凝胶以及片材的形式[42]。

1.3.3.2 环保方面的应用

CMC 中含有羟基、氨基以及羧基等活性基团，可以和金属离子发生螯合作用，兼有絮凝的优良性能，可广泛用于污水以及废水的处理等方面，为保护环境做出贡献。

有研究者在均相条件下，通过控制反应温度，制备出了不同取代度的羧甲基壳聚糖。与壳聚糖（吸附量78.90mg/g）相比，在同样的吸附条件下，DS为0.35的N,O-CMC对阴离子染料刚果红的吸附量更高。因此，N,O-CMC适合用来除去染料废水中的阴离子染料刚果红[43]。羧甲基壳聚糖也可以用来去除棉织物上的非活性染料，并且研究发现，在其他条件不变的情况下，摩尔质量为25.0kDa，羧化度为1.0的羧甲基壳聚糖的清除能力最佳[44]。

H型油酰基羧甲基壳聚糖可以作为凝聚剂，用来清理采油废水残余油。在剂量为0.2g/L，混合时间为3分钟，500r/min，较宽的温度范围，体系温度为45℃时，它能够成功的清理几乎99%的采油废水残余油[45]。羧甲基壳聚糖具有抑菌杀菌功能，它可以用于阳离子化棉，通过监测纺织品的物理性能以及对大肠杆菌DSMZ 498和微球菌ATCC 9341的抗菌活性，对处理过的纺织品进行表征。随着羧甲基壳聚糖浓度的提高，处理过的纺织品的物理性能以及抗菌活性增强[46]。 1.3.3.3 农业领域的应用

CMC安全无毒，水溶性良好，能够成膜、具有抗菌性、有吸湿保湿性等优良的特性，适合用作涂膜保鲜剂。由于羧甲基壳聚糖的成膜能力，它被广泛用于提高新鲜食品和加工食品的质量，以及延长它们的保存期。纪淑娟[47]等配制了浓度不等的保鲜剂，这种保鲜剂是以自制的CMC为溶质的，然后，用此保鲜剂对黄

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瓜做涂膜处理，研究表明，浓度范围为1%~2%的这种保鲜剂，能使黄瓜保持水分，并使其表面光泽度较好，使黄瓜得到保鲜。

这些材料也表现出成为不同添加剂载体的可能性，例如抗菌，抗氧化，保健食品以及调味剂。已经证实，含有抗菌药物的可食用的薄膜以及涂层，是一种保护食品对抗腐败菌，以及减少对病原菌生长风险的有用工具。水果和蔬菜的高消耗与健康的饮食密切相关，随着人们对健康饮食的重视，对水果与蔬菜的需求也呈上升趋势。而水果蔬菜在储存以及运输的过程中，产品开始逐渐脱水，甚至变质，失去光泽，风味以及营养价值。如果没有特殊的保护，损害可以在几小时或几天内发生。而与此同时，水果与蔬菜的保鲜成为一个亟待解决的问题。

羧甲基壳聚糖可用作植物生长调节剂。王征帆[48]等将制备出的CMC配成不同浓度的溶液，来处理高粱种子，研究表明，当CMC的浓度为0.3%时，高粱种子的发芽率会有明显的提高。孙海燕[49]等的研究发现，浓度为0.1%的CMC溶液，对于次室温下小白菜种子的萌发来说，是最合适的浓度。由于CMC作为种子的处理剂时，能够溶于水，用量少、成本低、无生物毒性，所以在农业生产中的应用前景广阔。

1.4选题意义及主要研究内容

磁性复合微球，是一种既具有磁性，又具有特殊功能的微球。由于具有许多高分子微球的特性以及无机材料的磁响应性，使其可作为一种新型的功能材料，并且，它已经在生物医学领域得到了应用，其应用前景广阔。

尽管壳聚糖有很多优良的性能，但是，研究表明，壳聚糖有一定的抗菌和抗氧化能力，但是，其活性不是很高，也没有特异性。除此之外，它在酸性条件下，会发生降解，产品质量不稳定，这些缺点使壳聚糖的应用受到限制。然而，改性后的CMC，不仅使壳聚糖的优良性能得到保留，而且其还具有水溶性良好、多功能反应性以及多种生物活性等。本文将磁性纳米粒子与改性后合成的具有特殊官能团的羧甲基壳聚糖结合，以期制备出同时具有磁响应与羧甲基壳聚糖优良性能的功能材料。

本论文主要研究内容为：

1. 采用低温冷冻碱化，逐段升温和两段加碱相结合的试验方案来制备水溶性好的羧甲基壳聚糖。

2. 通过FTIR表征与1HNMR分析，确定制备得到的产品为羧甲基壳聚糖。通过对产品收率，取代度，特性粘度的考查，获得制备CMC的优化工艺。

3. 利用溶胶－凝胶法制备出铁酸镁纳米粒子，通过溶胶－凝胶法和水热法制备出铁酸镍纳米粒子。通过FTIR以及XRD分析表征了合成的三种铁氧体。确定

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第1章 绪 论

制备出纯的铁氧体。通过SEM对制备出的铁氧体进行形貌分析，通过热重分析，对样品的热稳定性进行测试，利用交变梯度磁强计对制备出的材料的磁性能进行分析与测试。制备出颗粒较为分散，粒径较为均匀，粒子的形貌规则的磁性颗粒。

4. 通过乳化交联法制备出羧甲基壳聚糖MgFe2O4/NiFe2O4磁性复合微球。通过红外、XRD等表征，来证实纳米粒子被羧甲基壳聚糖包覆。通过SEM对制备出的复合微球进行形貌分析。通过热重分析，对样品的热稳定性以及组份进行测试，确定样品中磁性粒子的含量。利用AGM对制备出的微球进行磁性能测试。通过实验，制备出具有良好球形形貌，粒度分布窄以及表面光滑的羧甲基壳聚糖磁性微球。

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第2章 羧甲基壳聚糖的制备及其性能研究

根据不同的来源和制备过程，壳聚糖的分子量的范围可以从300到超过1000kD，脱乙酰度从30%到95%不等。结晶形式的壳聚糖，通常是不溶于pH大于7的水溶液；然而，在酸性不强的溶液中（pH小于6.0），氨基葡萄糖上质子化的游离氨基对分子的溶解起到促进的作用[50]。它是一种氨基多糖，显示出有价值的生物，生理和药理性质。另外，壳聚糖在作为基因传递，细胞培养以及组织工程的支撑聚合物方面的前景广阔。

然而，壳聚糖在水以及有机溶剂中的不溶性，使其应用受到限制。N,O-CMC溶于水，是葡萄糖单元上的氨基以及伯羟基被—CH2COOH取代的壳聚糖羧甲基化产物。除了能够溶于水，它还有许多吸引人的物理和生物学特性，例如，保湿性，成胶性以及良好的生物相容性，使其作为生物材料的前景广阔。

2.1 主要试剂和仪器

2.1.1 实验药品

表2.1 主要试剂及规格一览表

Table 2.1 Chemicals, reagents, materials used in the thesis 试剂名称 壳聚糖 氯乙酸 异丙醇 盐酸 无水乙醇 冰醋酸 甲醇 氢氧化钠 氯化钠

规格 A.R. A.R. A.R. A.R. A.R. A.R. A.R. A.R. A.R.

生产厂家

国药集团化学试剂有限公司 天津市大茂化学试剂厂 天津市富宇精细化工公司 莱阳经济技术开发区精细化工厂 天津市富宇精细化工有限公司

天津市化学三厂 天津市富宇精细化工有限公司 天津市科密欧化学试剂有限公司 天津市广成化学试剂有限公司

2.1.2 实验仪器

表2.2 主要仪器设备一览表 Table 2.2 Main experimental apparatus

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第2章 羧甲基壳聚糖的制备及其性能研究

名称型号

集热恒温加热磁力搅拌器DF-101S

电子分析天平FA1004N 超级恒温水浴槽ZH-ZC

乌氏粘度计 磨口三口烧瓶250mL 滴定管（酸式、碱式）50mL 电阻炉温度控制器DRZ-4

PHB-4型PH计

岛津IR Prestige-21型傅立叶变换红外光谱仪

真空干燥箱DZG-6020 AVANCE II 400 核磁共振波谱仪 D8-ADVANCE X射线衍射仪 电热恒温鼓风干燥箱DHG-9053A

生产厂家

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Bruker

德国布鲁克AXS公司 上海精宏实验设备有限公司

2.2 羧甲基壳聚糖的制备

2.2.1 实验原理

在碱性环境（如氢氧化钠存在的情况）下，原料壳聚糖会与氯乙酸发生反应，反应后引入—CH2COOH，形成羧酸盐基结构，这种结构显示出强极性，所以能够直接溶于水。以下是主要的反应方程式：

Chit(OH)/Chit(NH2)+NaOH→Chit(O-Na+)/Chit(NH-Na+)+H2O （2.1） Chit(O-Na+)+xClCH2CO2Na→Chit(OH)1-x(COCH2CO2Na)x+xNaCl+xH2O （2.2） Chit(NH-Na+)+xClCH2CO2Na→Chit(NH2)1-x(NHCH2CO2Na)x+xNaCl+xH2O （2.3） NaOH+ClCH2COONa→HOCH2COONa+NaCl （2.4）

式2.1是壳聚糖碱化时的反应，也就是壳聚糖进行碱化，形成活性中心的过程；主反应为式（2.2）和（2.3），在此过程中，活性中心与加入的一氯乙酸发生羧甲基化，形成产物羧甲基壳聚糖；式（2.4）是发生的主要副反应，这个过程会消耗一部分氯乙酸，所以应该尽量抑制发生此反应。 2.2.2 实验步骤

本实验采用的是先将壳聚糖碱液进行低温冷冻碱化处理，解冻之后再逐段升温以及分两段加碱相结合的方法，详细步骤如下：

配制40%（wt）NaOH溶液（含NaOH13g），量取此碱液质量的80%与壳聚糖（2.5g）混合，搅拌均匀，置入—19℃的冰箱。20h后，取出室温解冻，加入

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25mL异丙醇，30℃搅拌45min，升温至45℃，搅拌30min，升温至50℃，分5次每隔5min加入10mL异丙醇（其中溶氯乙酸13g）的溶液，搅拌15min，升温到60℃，反应3h。接着，将剩余的NaOH溶液一次性全部加入，1h后结束反应。反应结束后，分离出上层清夜。固体产物用80%乙醇溶液机械搅拌洗涤三次，再用95%乙醇溶液洗涤两次。加入蒸馏水，使产物充分溶解。用冰醋酸调节溶液pH值为7～8，略偏碱性。加入无水乙醇，使其沉淀。沉淀物经95%的乙醇溶液，以及无水乙醇洗涤。最后，在60℃的温度下下真空干燥，即得产品羧甲基壳聚糖。

2.3 原料壳聚糖参数的测定

2.3.1 粘度的测定

一点法是测定壳聚糖粘度的常用方法。取一定量壳聚糖样品溶解到配制好的0.2mol/LNaCl~0.1mol/LCH3COOH溶液中，过滤除掉不溶物。把所得滤液加入到乌氏粘度计中，把粘度计固定于25℃的水浴槽中，使水浴液面比粘度计缓冲球高。分别在主和侧管口上接乳胶管，把侧管乳胶管口夹住，抽气，直到液面没过缓冲球中部为止，按照先主管口，后侧管口的顺序放开两管口。最后，记下液面从上标线降至下标线的时间，重复三次，差值小于0.1s，取三次所用的平均时间记作T。流出的溶剂所用的时间记为T0，操作与上述步骤相同，按照式（2.5）换算为特性粘数[η]。

[η]=[2×(ηsp－㏑ηr)]1/2/C （2.5） 式中：[η]—特性粘数（mL/g）；ηsp—增比粘度；C—溶液的浓度（g/mL）；ηr=T/T0—相对粘度； 2.3.2 分子量的测定

利用聚合物溶液特性粘度随分子量增加的变化，来测定聚合物分子量。本实验中，壳聚糖的分子量用一点法测定，在一个壳聚糖溶液浓度下，测定它的ηr和ηsp，依照式（2.5）换算成[η]以后，据Mark―Houwink方程（2.6）来计算。 [η]=1.8×10-3Mη0.93 （2.6）

注：使用此方法时，壳聚糖的分子量应在105以上，否则得到的结果误差大[23]。

2.3.3 脱乙酰度的测定

脱乙酰度，指的是在总的葡萄糖数中，原料壳聚糖中脱去乙酰基的葡萄糖数所占的百分比，也就是壳聚糖上的自由氨基所含的量。脱乙酰度是壳聚糖的重要技术指标，它的高低决定着壳聚糖化学反应的能力。酸碱滴定法是一种测定壳聚糖的脱乙酰度的最简单的方法，它没有特殊仪器的要求，而且重复性较好，所以此方法应用的很广泛。它的原理是：在壳聚糖中，自由的氨基以碱性形式存在，

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第2章 羧甲基壳聚糖的制备及其性能研究

它可以跟酸进行质子化反应。可以用碱对壳聚糖溶液中的游离H+进行滴定，最后，经过计算就可以得出与自由氨基结合的酸量，依此可以算出自由氨基含量。

测定步骤为：用电子天平称取0.3g壳聚糖，加入到烧杯中，并将30mL标准盐酸液加入到其中，在20℃～25℃下，搅拌使其完全溶解。将2~3滴甲基橙加入到上述溶液中，用标准碱液滴定到终点。脱乙酰度按照式（2.7）计算出。 脱乙酰度（DD）=[0.016(C1V1-C2V2)/0.0994G(100-W)]×100% （2.7） 式中：C1—盐酸标准溶液的浓度（mol/L）； C2—NaOH标准液浓度（mol/L）； V1—HCl标准液体积（mL）； V2—NaOH标准液体积（mL）； G—壳聚糖的重量（g）； W—壳聚糖所含水分（%）；

0.016—1M的盐酸溶液（1mL）所对应的氨基量（g）； 0.0994—样品中含有的理论的—NH2量（16/161）。 2.3.4 水分的测定

称取3份壳聚糖样品，每份样品的质量均为1g，在105℃下烘4h到恒重来计算失去的重量，即可得到所含水分。按照下式计算：

水分=（W1-W2）/(W1-W0)×100% （2.8） 式中：W1—未作任何处理之前的壳聚糖以及所用容器的重量（g）； W2—经过烘干处理后的壳聚糖以及容器的重量（g）； W0—烘干到重量不变的用来盛放样品的器皿的重量（g）。

2.4 羧甲基壳聚糖的表征与测试

2.4.1 取代度的测定

CMC的取代度（DS），是平均每个氨基或者是N-乙酰氨基葡萄糖单元上被羧甲基化的数目。采用酸碱滴定法测定其取代度。实验步骤为：将0.3gCMC溶于30mL 0.1M的HCl溶液中，然后，用浓度为0.1M的NaOH标准溶液对上述溶液进行滴定，记录所用NaOH的体积以及对应的pH值，注意在将要到达滴定终点时要间隔小一点。由下式算出CMC的取代度（DS）：

DS=0.203A/(1-0.0508A) （2.9） A=(V2-V1)CNaOH/W （2.10） 式中：A—1gCMC中含有的羧甲基的物质的量，mmol；

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V1—过剩HCl的滴定终点，mL； V2——COOH的滴定终点，mL；

CNaOH—NaOH浓度；W—样品的质量，g；

0.203—每个乙酰氨基葡萄糖残基的物质的量，mmol； 0.058—每mg当量的羧甲基钠的质量。 2.4.2 特性粘度的测定

将0.05gCMC溶解在适量的0.1mol/L氯化钠水溶液中，然后定容，放置使平衡。把上述溶液加入到乌氏粘度计中，30℃恒温。分别记录下溶剂以及羧甲基壳聚糖溶液，由上标线流至下标线的时间。由下式计算出其特性粘度：

[η]=4ηsp1.02lnηr/C1.01(3ηsp+lnηr) （2.11） ηr=T/T0 （2.12） ηsp=ηr-1 （2.13） [η]—特性粘数（mL/g）；C—所配制的溶液的浓度（g/mL）；ηr—相对粘度；T—实验中配制的溶液流出所需要的时间(s)；ηsp—增比粘数；T0—纯溶剂（氯化钠水溶液）的流出时间(s)。 2.4.3 收率的测定 产品的收率由下式得出：

Y=m×(Mcts单元/Mcmc单元)/m0 （2.14） 式中：Y—CMC的收率；m—CMC的质量；

m0—壳聚糖原料的质量；Mcts单元—氨基葡萄糖单元（原料）的摩尔质量； Mcmc单元—氨基葡萄糖单元（发生反应后）的摩尔质量。 本实验所用壳聚糖脱乙酰度达90%

因此，壳聚糖单元摩尔数Mcts单元=203.19×10%＋161.5×90%=165.67 羧甲基壳聚糖单元摩尔数Mcmc单元=261.19×l0%＋219.5×90%=223.67

Mol.wt: 161.5 203.19 219.5 261.19 Percent(反应前)： 90% 10% — — Percent(反应后)： — — 90% 10%

图2.1 各氨基葡萄糖单元的分子结构式、分子量与发生羧甲基反应前后的脱乙酰度

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第2章 羧甲基壳聚糖的制备及其性能研究

Fig.2.1 Molecular structures, molecular weight and deacetylated degree (before

and after reaction) of the glucosamine units

2.4.4 分子量的测定

称取0.5gCMC，加入0.1mol/L乙酸+0.2mol/L NaCl的混合溶液，溶解完后，配制为50mL的标准溶液。在25℃的温度下，对羧甲基壳聚糖的相对粘度进行测定，再由式（2-7）得到特性粘度数 [η]，最后，由Roberts和Domszy方程： [η]=3.04×10-5Mη1.26 （2.15） 即可算出Mη。 2.4.5 红外光谱表征

它是一种研究高聚物结构的重要手段。把经过干燥处理的样品和溴化钾一起研磨，研细，混匀后，压片，在红外光谱仪上进行测定。用日本岛津公司的红外光谱仪，对样品进行测试。 2.4.6 核磁共振波谱分析

用核磁共振波谱仪（型号为Bruker Avance II 400），对样品的1HNMR进行记录，测试前将样品溶于含D2O的直径为5mm的核磁管中。

2.5 结果与讨论

2.5.1 原料壳聚糖的分析

本实验中采用一点法测定原料壳聚糖的分子量，测得其平均分子量为4.6×105。

2.5.2 反应条件对产品收率的影响 2.5.2.1 碱的加入量对产品收率的影响

固定壳聚糖的用量为2.5g（其它条件如2.2.2）所述，研究CMC收率随碱用量变化的规律，表2.3为实验结果。

表2.3 NaOH的加入量对产物收率的影响

Table 2.3 Effect of NaOH dosage on yield

NaOH/g 收率/% 5. 0200 20.7 8.0145 58.7 10.0202 59.5 13.0476 87.2 18.0102 44.5 由表2.3可以看出，当所用氢氧化钠的量增加时，产物的收率呈现出先增大后减小的趋势。当加入的碱量过少时，会使碱化不充分，从而形成的活性中心的数量太少，收率也小。但是，如果加入的氢氧化钠的量过多，会促进发生副反应，

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而且，副产物会在壳聚糖的表面覆盖，抑制了反应的进行，影响收率的增加。研究发现，当所用NaOH的量为13g时，所得产物的收率最大。 2.5.2.2 氯乙酸加入量对收率的影响

当壳聚糖的用量为2.5g不变时（其它条件同2.2.2），对氯乙酸的用量对CMC收率的影响进行研究。

表2.4 所用氯乙酸的量对CMC的收率的影响

Table 2.4 Effect of chloroacetic acid on yield

氯乙酸/g 收率/%

5.0087 34.2

8.0037 62.1

10.0700 61.6

13.0476 87.2

16.0438 73.0

如表2.4所示，当增加氯乙酸的用量时，收率先增加后减小。这是因为所用的氯乙酸量的增加，增加了活性中心与氯乙酸之间发生反应的机率，会使收率有所提高；但是，若加入的氯乙酸过量，则会有利于副反应的发生，这样收率就会降低。实验结果显示，当实验中所用氯乙酸为13.0g时，会使收率达到最大值。 2.5.2.3 异丙醇的加入量对产品收率的影响

实验中所用壳聚糖为2.5g（其它条件如2.2.2），探索收率与异丙醇用量之间的关系，结果如2.5所示。

表2.5 异丙醇的加入量对产物CMC收率的影响

Table 2.5 Effect of isopropyl alcoholon yield

异丙醇/mL 收率/%

10 42.8

25 87.2

40 33.3

50 74.1

75 69.4

收率随着溶剂异丙醇加入量的增大，先增加后减小。实验中过低的异丙醇使用量，会使原料壳聚糖的溶胀效果受到影响，而且，对于反应过程中碱液的扩散以及活性中心的形成都是不利的，因此收率也不会高。另一方面，如果所用的异丙醇量过多，则会降低碱溶液的浓度，使原料的碱化以及活性中间产物的形成受到一定的影响，这样会降低产物的收率。实验中，当异丙醇量为25mL时，收率值最大。

2.5.2.4 反应温度对产品收率的影响

壳聚糖量为2.5g（其它条件如2.2.2），表2.6为实验中反应温度对收率所产生的影响。

表2.6 反应时所用的温度对CMC收率产生的影响

Table 2.6 Effect of temperature on yield

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第2章 羧甲基壳聚糖的制备及其性能研究

反应温度/℃ 收率/%

45 55.6

50 55.7

60 87.2

70 60.4

80 45.6

如表2.6所示，升高反应温度，收率有先增后减的趋势。这是因为当温度过低时，会使羧甲基化反应无法进行。而当温度过高时，一方面，会加剧副反应的发生；另一方面，会使反应产物在体系中的溶解度增加，导致体系的粘度随之上升，进而会使反应试剂的渗透以及进一步扩散受到阻碍。60℃时收率最大。 2.5.2.5 反应时间对产品收率的影响

壳聚糖为2.5g（其它条件如2.2.2所示），表2.7为反应时所用的时间对收率产生的影响。

表2.7 时间对收率影响

Table 2.7 Effect of reaction time on reaction yield of CMC

反应时间/h 收率/%

1 62.1

2 64.6

3 87.2

4 87.9

6 78.3

当增加反应时所用的时间时，产物的收率也会相应的增加；3h以后，产物的收率提高的幅度较小，这说明反应在3h时基本就已达到平衡状态。 2.5.3 反应条件对产品取代度的影响 2.5.3.1 NaOH用量对DS的影响

壳聚糖的使用量为2.5g（其它条件如2.2.2），表2.8研究了不同的NaOH量对取代度产生的影响。

表2.8 NaOH加入量对CMC的取代度的影响

Table 2.8 Effect of NaOH dosage on DS

NaOH/g DS

5.0200 0.87

8.0145 0.93

10.0202 0.93

13.0476 1.02

18.0102 1.29

增加NaOH的用量，产物的DS也相应增加；随着碱用量的增加，会形成更多的活性中心，进而提高CMC的取代度。 2.5.3.2 氯乙酸的加入量对DS的影响

壳聚糖量为2.5g（其它条件如2.2.2），探索了氯乙酸的用量对DS产生的影响，结果如2.9所示。

表2.9 氯乙酸加入量对DS的影响

Table 2.9 Effect of chloroacetic acid dosage on DS

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氯乙酸/g DS

5.0087 0.96

8.0037 1.11

10.0700 0.93

13.0055 1.02

16.0438 0.86

增大氯乙酸的加入量，CMC的取代度有先增后减的变化规律。这是因为当增大氯乙酸的使用量时，单位体积氯乙酸的浓度也会相应的增加，这样就会增大活性中心与氯乙酸之间碰撞从而发生反应的机会，使产物的取代度提高；但是，过高的氯乙酸用量，会消耗掉一部分氢氧化钠，促进副反应的发生，产物的取代度也会降低。

2.5.3.3 异丙醇的加入量对DS的影响

壳聚糖的量为2.5g（其它条件如2.2.2），表2.10列出了异丙醇的使用量对CMC取代度影响的实验数据。

表2.10 异丙醇的加入量对DS的影响

Table 2.10 Effect of isopropyl alcoholdosage on DS

异丙醇/mL

DS

10 0.94

25 1.02

40 1.00

50 1.05

75 1.19

由表2.10可以得出，产物CMC的取代度随着异丙醇用量的增加而增加。尽管加大异丙醇的用量，会使碱液的浓度减小，使活性中心的形成受到影响。但是，加大异丙醇的用量，对于原料壳聚糖的溶胀是有利的，而且会促进碱液的渗透以及扩散，并且还会使副反应受到抑制，提高了氯乙酸的利用率。考虑到成本以及产物取代度，异丙醇的用量为25mL较为合适。 2.5.3.4 反应温度对DS的影响

壳聚糖的用量为2.5g（其它条件如2.2.2），对反应温度对CMC取代度的影响进行了考察，实验结果如2.11。

表2.11 反应温度对DS的影响

Table 2.11 Effect of temperature on DS

反应温度/℃

DS

45 1.01

50 1.04

60 1.06

50 1.03

70 0.97

从表2.11可以看出，提高反应时的温度，产物的取代度先升高后降低。这是因为羧甲基化反应为亲电取代反应，升高反应时的温度会对羧甲基中的正碳离子进攻氧负离子或者是氮负离子起到促进的作用，这对于羧甲基化反应的发生是有利的，因此产物的取代度也会增加。但是，当温度高于70℃后，副反应得到较大的促进，取代度也会降低。所以，实验中确定的较优反应温度为60℃。

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第2章 羧甲基壳聚糖的制备及其性能研究

2.5.3.5 反应时间对DS的影响

壳聚糖为2.5g（其它条件如2.2.2），表2.12是反应时间对DS产生的影响实验数据。

表2.12 反应时所用时间对产品DS的影响

Table 2.12 Effect of reaction time on DS

反应时间/h

DS

1 1.05

2 1.08

3 1.02

4 1.12

6 1.20

对表2.12的结果进行分析可以发现，取代度随着反应时间的延长有不断增加的趋势。羧甲基化反应在2h时就已达到较大值。时间过长对于节约成本不利。 2.5.4 反应条件对产品特性粘度的影响 2.5.4.1 加入的NaOH量对特性粘度的影响

称取2.5g壳聚糖（其它条件如2.2.2），通过单因素实验，探讨氢氧化钠的用量对CMC特性粘度的影响。

表2.13 氢氧化钠的加入量对产物特性粘度的影响

Table 2.13 Effect of NaOH dosage on intrinsic viscosity

NaOH/g 特性粘度/(mL/g)

5.0200 0.61

8.0143 4.70

10.020 5.67

13.0309 5.67

18.0102 5.67

由表2.13可以发现，产品的特性粘度随着碱用量的增加，有先增加后减小的变化规律。当加入的碱量较小时，加入氯乙酸后的反应液为酸性，在酸性条件下，原料壳聚糖的分子链易断裂，这样会降低产品的分子量，进而产品的特性粘度也较低。而当所用碱量过大时，在碱化以及羧甲基化反应过程中，壳聚糖分子链也容易断裂，CMC的特性粘度又会降低。综合考虑，优化的碱用量为13g。 2.5.4.2 氯乙酸的加入量对产品特性粘度的影响

壳聚糖的加入量为2.5g（其它条件如2.2.2），表2.14为氯乙酸用量对CMC粘度影响的实验数据。

表2.14 氯乙酸的用量对特性粘度的影响

Table 2.14 Effect of chloroacetic acid dosage on intrinsic viscosity

氯乙酸/g 特性粘度/(mL/g)

5.0087 1.29

8.0037 0.11

10.0700 4.69

13.0055 6.58

16.0438 6.49

由表2.14可以观察到，增加氯乙酸的用量时，产品的特性粘度先增大后减小。

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当所用的氯乙酸量过小时，反应液呈现出强碱性，在此条件下，壳聚糖的分子链容易发生断裂，从而使产品的特性粘度下降。但是，当加入的氯乙酸的量过多时，反应液会显示出强酸性，也容易引发壳聚糖的分子链的断裂，产品的特性粘度也会下降。

2.5.4.3 异丙醇的加入量对特性粘度的影响

实验中所用壳聚糖的量为2.5g（其它条件如2.2.2），对异丙醇用量对产物的特性粘度的影响进行考察，实验数据如表2.15所示。

表2.15 异丙醇用量对产物特性粘度的影响

Table 2.15 Effect of isopropyl alcohol dosage on intrinsic viscosity

异丙醇/mL 特性粘度/(mL/g)

10 5.52

25 6.58

40 7.60

50 7.76

70 8.55

通过表2.15可以看出，异丙醇的用量影响产物的特性粘度，随着异丙醇用量的增加，特性粘度也相应的增大。这可能是由于异丙醇用量的增加，使碱液浓度降低，壳聚糖的分子降解程度也会减小，从而增大了特性粘度。 2.5.4.4 反应温度对特性粘度的影响

在所用壳聚糖的量为2.5g（其它条件如2.2.2）的情况下，研究了特性粘度随反应温度的升高而发生的变化，如表2.16所示。

表2.16 反应温度对特性粘度的影响

Table 2.16 Effect of temperature on intrinsic viscosity

反应温度/℃ 特性粘度/(mL/g)

45 6.58

50 5.20

60 4.73

70 4.61

80 3.23

从表2.16可以得出，升高反应时的温度会使产品的特性粘度降低。这是因为升高反应温度，会使分子的运动加剧，易使壳聚糖分子链断裂，从而使产品的的特性粘度减小。

2.5.4.5 反应时间对产品特性粘度的影响

壳聚糖为2.5g（其它条件如2.2.2），研究了反应温度对特性粘度的影响，表2.17是实验得到的结果。

表2.17 反应时间对特性粘度的影响

Table 2.17 Effect of reaction time on the intrinsic viscosity of the product

反应时间/h

1

2

3

4

6

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第2章 羧甲基壳聚糖的制备及其性能研究

特性粘度/(mL/g) 5.36 4.57 6.58 5.99 5.91

由表2.17可知，延长反应时间在一定程度上会使产品的特性粘度降低。由于反应发生在碱性条件下，随着反应时间的越长，壳聚糖以及羧甲基壳聚糖在碱性条件下的时间也相应的增加，这会加剧产物的分子链降解，从而使特性粘度减小。 2.5.5 产品的表征

2.5.5.1 产物的红外谱图分析

140130120110Transmittance(%)100908060504030201004000350070ab300025002000—115001000500Wavenumbers（cm）

图2.1 红外谱图：（a）壳聚糖，（b）羧甲基壳聚糖 Fig.2.1 IR spectra of chitosan and carboxymethyl chitosan

由IR谱图可以得出，在3431cm

?1

处的峰可以归因于壳聚糖中的氨基以及羟

基所具有的伸缩振动吸收峰，但是，发生反应之后，这个峰变宽，强度减弱。壳聚糖中1654cm?1处酰胺（I）基团的伸缩振动峰， N—H基团（1597cm?1）以及O—H的振动峰（1030cm?1）也随之消失。除此之外，在羧甲基壳聚糖的红外谱图中，可以发现COO—的不对称（1595 cm?1）伸缩振动峰，还有对称的伸缩振动峰（1409 cm?1）。这说明羧甲基化发生在壳聚糖的羟基与氨基位上。因此，制得的产品为N,O-CMC。

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2.5.5.2 产物的核磁谱图

图2.2 壳聚糖的1HNMR图 Fig.2.2 1HNMR spectra of chitosan

图2.3 羧甲基壳聚糖的1HNMR图

Fig.2.3 1HNMR spectra of carboxymethyl chitosan

可以发现，CMC的1HNMR谱图与壳聚糖的不同。在羧甲基壳聚糖的谱图中，δ=3.8～4.2间的峰为C6位发生取代的—OCH2COOD中质子的信号峰，在δ=3.2～3.8间的峰为典型的C2位发生取代反应的—NDCH2COOD的信号峰，这进一步证实得到的产品是N,O-CMC。

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第2章 羧甲基壳聚糖的制备及其性能研究

2.5.5.3 产物的XRD分析

50004000Intensity/au3000a20001000b0204060802θ/degree

图2.4 XRD谱图：（a）壳聚糖，（b）羧甲基壳聚糖 Fig.2.4 XRD spectra of chitosan and carboxymethyl chitosan

以看到，壳聚糖在2θ= 10.52?和20.07?处有两个强衍射峰，说明它的分子内一定有结晶区，这是由于分子内的氢键引起的。而在经过羧甲基化反应之后，壳聚糖在2θ=10.52?和20.07?处的峰大幅度减小，并分别转移到 8.53? 以及21.77?处。这说明此过程削弱了壳聚糖的分子内或者是分子间的氢键，而极性基团—CH2COOH的引入，使分子结构之间的距离增加，从而，使壳聚糖的结晶状态受到破坏，它的结晶性能也会降低。这就会提高N,O-CMC的水溶性。

2.6 本章小结

本实验采用低温冷冻碱化，逐段升温和两段加碱相结合的试验方案来制备高品质的羧甲基壳聚糖，改变了壳聚糖的性能，使其水溶性增强。

通过对所得产物的收率，取代度以及特性粘度的考查，获得了制备羧甲基壳聚糖的优化工艺。所得产品的性价比较传统工艺有所提高，具有很大的研究价值。

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第3章 铁酸镁和铁酸镍纳米粒子的制备与表征

磁性颗粒的性质取决于它们的大小，它们已被用于诸如催化，储能，高密度数据存储和铁磁流体等方面[51]。纳米尺寸范围的磁性颗粒在生物技术应用，例如磁分离，磁共振成像，和磁热疗治疗等方面是非常有用的[52]。

镁铁氧体（MgFe2O4），一种软磁性n-型半导体材料，是尖晶石家族中的重要成员。除了在磁性材料和电子中的应用之外，磁性MgFe2O4粒子在多相催化，吸附和传感器技术等领域也有应用。该材料也可用于热凝治疗，通过施加交变磁场，肿瘤被局部加热。

镍铁氧体是一种软磁性材料，由于其既具有有趣又重要的性质，如，典型的铁磁特性，低导电率从而能降低涡流损失，较高的电化学稳定性，催化性能，在自然界中含量丰富等，使其成为一种功能多样性的重要材料。

本文主要通过溶胶凝胶法制备镁铁氧体，由溶胶凝胶法与水热法制备镍铁氧体，对其进行了表征，并且对它们的磁性能进行了研究。

3.1 主要试剂和仪器

3.1.1 实验药品

3.1 主要试剂及规格一览表

Table 3.1 Chemicals, reagents, materials used in the thesis 试剂名称 九水合硝酸铁 六水合硝酸镁 六水合硝酸镍 25%氨水 柠檬酸

规格 A.R. A.R. A.R. A.R. A.R.

生产厂家

国药集团化学试剂有限公司 天津市大茂化学试剂厂 天津市大茂化学试剂厂 莱阳经济技术开发区精细化工厂 天津市河东区红岩试剂厂

3.1.2 实验仪器

表3.2 主要仪器设备一览表 Table 3.2 Main experimental apparatus

名称型号

集热恒温加热磁力搅拌器DF-101S

电子分析天平FA1004N

生产厂家

巩义市予华仪器责任有限公司 上海精密科学仪器仪器有限公司

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第3章 铁酸镁和铁酸镍纳米粒子的制备与表征

78HW-1型恒温磁力搅拌器 SSXF-4-10一体箱式电阻炉 岛津IR Prestige-21型傅立叶变换红

外光谱仪 真空干燥箱DZG-6020

江苏省金坛市医疗仪器厂 上海康路仪器设备有限公司

日本岛津公司 上海森信实验仪器有限公司

场发射扫描电子显微镜

SUPRATM 55

D8-ADVANCE X射线衍射仪

蔡司

德国布鲁克AXS公司

3.2 MgFe2O4纳米粒子的制备

以硝酸镁、硝酸铁和柠檬酸为原料，制备MgFe2O4纳米粒子。其制备方法参考文献[53]。将摩尔比为2:1的硝酸铁和硝酸镁，溶于200mL蒸馏水中。然后，加入到与金属硝酸盐等摩尔量的柠檬酸中，溶解完后，在60℃缓慢磁力搅拌加热，直到形成深褐色溶胶。接着，将此溶胶快速加热到80℃，持续搅拌，至深褐色粘稠液形成。将此粘稠液放到200℃烘箱中保温2h，发生燃烧反应。最后，将橙色蓬松的前驱体粉末在800℃下煅烧2h，得到产品。

3.3 NiFe2O4纳米粒子的制备

3.3.1 溶胶凝胶法制备NiFe2O4纳米粒子

首先，称取一定量的硝酸铁和硝酸镍，使其在蒸馏水中溶解。溶解完全后，将其加到柠檬酸中，搅拌至完全溶解。然后，在60℃加热并持续搅拌，直到有深褐色溶胶生成。随即将此溶胶的温度增加至80℃，不停地搅拌，至变为粘稠液。然后，将上述粘稠液置于200℃烘箱中，保温2h。最后，将得到的前驱体粉末放到800℃的电阻炉中，煅烧2h，即可得到产品。 3.3.2 水热法制备NiFe2O4纳米粒子

参考文献[54]制备NiFe2O4纳米粒子。将一定量的硝酸铁和硝酸镍溶于适量的水中，用25%的氨水调节溶液pH为7.5。将溶液强烈混合2h，保证混合均匀，然后放到聚四氟乙烯反应釜中，将反应釜的温度缓慢升高到160℃，保持整个体系在此温度下15h。反应结束后，将反应釜冷却到室温，得到的棕色沉淀用超纯水和无水乙醇洗涤，60℃下真空干燥即得NiFe2O4。

3.4 样品的表征

3.4.1 红外光谱（IR）分析

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采用型号为IR Pretige-21的光谱仪，测试所得产物的红外谱图，KBr压片，在4000~400cm?1的波数范围内进行测试。 3.4.2 物相分析（XRD）

用X射线衍射仪，在衍射角为10~90°的范围内，λ=1.5418?，Cu Kα靶，扫描时的速度是0.3 s?1的条件下，对样品进行XRD测量。 3.4.3 形貌分析

在加速电压为5.00kV的条件下，通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）（蔡司（型号：SUPRATM 55）），观察样品的表面形貌。 3.4.4 样品的热性能

所制备样品的重量损失和热定稳性由热重分析仪（TGA）（型号：SDT Q600）得到，操作条件：升温速率为10℃/min，N2气氛，温度范围为室温到1000℃。 3.4.5 样品的磁性能

在室温，最大外加磁场为14000Oe下，通过型号为MicroMagTM Model 2900 的交变梯度磁强计（AGM）测定样品的磁性能。

3.5 结果与讨论

3.5.1 MgFe2O4纳米粒子的表征 3.5.1.1IR分析

Transmittance(%)4000300020001000-1Wavenumber(cm)561432图3.1 MgFe2O4 的红外谱图

Fig.3.1 IR spectrum of MgFe2O4

图3.1为通过溶胶凝胶法制备的MgFe2O4的红外谱图。红外光谱分析可以帮助我们确认尖晶石结构的铁氧体的形成。在561 cm?1的峰峰归属于尖晶石铁氧体

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第3章 铁酸镁和铁酸镍纳米粒子的制备与表征

晶胞在四面体位点的金属-氧键的伸缩振动，而432 cm?1处峰也是由金属-氧键的振动引起，只是此键位于八面体位点上。因此，红外光谱结果证实制备出了铁氧体，且其为尖晶石结构。 3.5.1.2 XRD分析

1800160014001200Intensity(au)10003114408006004002000-20001020302204004050422511607080902θ/degree

图3.2 MgFe2O4的XRD谱图 Fig.3.2 XRD spectrum of MgFe2O4

图3.2给出了MgFe2O4的X射线衍射谱图。可以看出，此谱图由分辨率较

高的衍射峰组成，这证实了所制备的材料具有多晶性以及单相性。另外，通过对比可以发现，此样品的所有衍射峰与JCPDC 17-0464卡片符合的很好，没有发现其它晶相，而此卡片代表单相MgFe2O4，它具有面心立方尖晶石的结构。MgFe2O4的六个特征峰（2θ = 30.1°，35.5°， 43.3°，53.4°，57.2°以及 62.5°），分别与六个晶面（(2 2 0)，(3 1 1)，(4 0 0)，(4 2 2)，(5 1 1) 和 (4 4 0)）相对应。 3.5.1.3 形貌

图3.3 MgFe2O4 的FESEM图

Fig.3.3 FESEM image of MgFe2O4

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图3.3为MgFe2O4的FE-SEM图。可以观察到，图中的粒子是聚集在一起的，这是因为合成出的粒子有一定磁性，从而会表现出较强的团聚倾向。同时还可以发现，具有孔洞网络结构的纳米颗粒。并且，结构中的孔洞是完全晶间的。样品中有孔，这是由于在煅烧的过程中会释放大量的气体。仔细观察上图，可以观察出颗粒具有立方晶面，并且，颗粒的分布也较为均匀。 3.5.1.4 热性能

1.000Weight Loss（%）0.9950.9900.9850.9802004006008001000Temperature(℃）

图3.4 MgFe2O4 的热重曲线

Fig.3.4 TGA curve of MgFe2O4

图3.4显示的是MgFe2O4纳米粒的TGA曲线。通过对样品的热重曲线分析可以得出，在整个的测试温度范围内，它的总的重量损失约为2%。而这些损失可

能是由样品中结晶水或者是吸附水者的蒸发的导致的。 3.5.1.5磁性能

4030Magnetization(emu/g)20100-10-20-30-40-10000-50000500010000Field(Oe)

图3.5 MgFe2O4 的磁滞回线

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第3章 铁酸镁和铁酸镍纳米粒子的制备与表征

Fig.3.5 Magnetization curve of MgFe2O4

3.5显示了MgFe2O4在300K下的磁滞回线。如图所示，制备的MgFe2O4的饱和磁化强度为31.52 emu/g。可以发现，它有明显的磁滞后现象，表现出磁特性，铁磁性，矫顽力以及剩磁都不为零。通过对低区域的滞后曲线分析证实，合成的产品为软磁性材料，这种材料在磁记忆的保持方面尤为重要。 3.5.2 溶胶凝胶法制备的NiFe2O4的表征 3.5.2.1 红外光谱（IR）分析

Transmittance（%） 140120100806040200-20-404000300020001000-1

Wavenumber（cm）图3.6 NiFe2O4 的红外谱图

Fig.3.6 IR spectrum of NiFe2O4

图3.6记录了在4000 cm?1~400 cm?1范围内，所合成样品的红外谱图。据报道，固体的红外吸收峰通常归因于晶格中离子的振动。特别是，在所有的尖晶石以及铁氧体中会看到两个金属-氧峰。而合成样品的红外谱图中，在594cm?1以405cm?1处可以看到两个峰，这两个峰分别对应于Ni-O以及Fe-O键的伸缩振动。 3.5.2.2 XRD分析

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50004500400035003000Intensity(au)25002000311220150010005000-50001020222400110304050422511604407080902θ/degree

图3.7 NiFe2O4 的XRD谱图 Fig.3.7 XRD spectrum of NiFe2O4

由溶胶凝胶法合成的NiFe2O4的XRD谱如图3.7所示。通过样品的XRD谱图的反射峰检索到晶面 (2 2 0)，(3 1 1)，(4 0 0)，(4 2 2)，(5 1 1) 和 (4 4 0)，它们对应于立方对称尖晶石NiFe2O4。从图中可以看出，它的衍射峰比较尖锐，这可能是由于高温煅烧的条件下，使其结晶度较高导致的。 3.5.2.3 形貌

图3.8 NiFe2O4的FESEM图 Fig.3.8 FESEM image of NiFe2O4

通过FE-SEM对样品的结构形态进行研究。图3.8是用溶胶凝胶法制备出的NiFe2O4的FESEM图。可以观察到，制得的样品为立体形，大小较为均匀。另外，可以发现许多颗粒聚集在一起，这是由颗粒之间的磁偶极子相互作用所导致的。 3.5.2.4 热性能

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第3章 铁酸镁和铁酸镍纳米粒子的制备与表征

1.000Weight Loss(%)0.9950.9900.9850.9802004006008001000Temperature(℃）

图3.9 NiFe2O4的热重曲线 Fig.3.9 TGA curve of NiFe2O4

图3.9为NiFe2O4 从室温到1000℃的的热重曲线。从曲线图中可以得出，在整

个测试温度范围内，NiFe2O4的总失重为2%，这部分损失主要来自于失去的由自由水以及结合水。测试结果表明，样品的热稳定性较高。通过溶胶凝胶法制备的样品，经过高温煅烧之后，只剩下无机物。 3.5.1.5磁性能

6040Magnetization(emu/g)20

0-20-40-60-15000-10000

-5000050001000015000Field(Oe)

图3.10 NiFe2O4的磁滞回线

Fig.3.10 Magnetization curve of NiFe2O4

图3.10显示了在施加的磁场最大为14000Oe时，由溶胶凝胶法合成的铁酸镍的场依存性磁化曲线。从测试结果得到，铁酸镍样品的饱和磁化强度为43.2emu/g。该样品在室温下测得的磁化强度值比铁酸镍块体的值低（56emu/g）。同时可以看到，样品的矫顽力以及剩磁很小，几乎观察不到，这说明NiFe2O4表现出超顺磁

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性。

3.5.3 水热法制备的NiFe2O4纳米粒子的表征 3.5.3.1 红外光谱（IR）分析

1301201101009080706050404000Transmittance(%)300020001000-1Wavenumber(cm)图3.11 NiFe2O4的红外谱图 Fig.3.11 IR spectrum of NiFe2O4

图3.11是通过水热法合成的NiFe2O4的FTIR谱图。在605以及416cm?1处的吸收峰，分别归因于Ni—O 键和 Fe—O键的伸缩振动。在1641cm?1处的弱峰可能是由吸附水所具有的弯曲振动引起的。在1514cm?1 和1382 cm?1处的两个弱峰，可能是由羟基的弯曲振动产生的。 3.5.3.2 XRD分析

400 300Intensity(au)200100

0

-100

01020304050607080902θ/degree图3.12 NiFe2O4的XRD图谱

Fig.3.12 XRD spectrum of NiFe2O4

图水热法合成的铁酸镍的XRD谱图。对应于(2 2 0)，(3 1 1)，(2 2 2)，(4 0 0)，(4 2 2) 以及(5 1 1) 晶面的XRD衍射峰，表明合成的产品是尖晶石物相。样品的

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第3章 铁酸镁和铁酸镍纳米粒子的制备与表征

所有衍射峰，和文献报道的JCPDS：10-325卡片相一致。并且，没有出现杂质峰，这表明制备出的NiFe2O4较纯。 3.5.3.3 形貌

图3.13 NiFe2O4的FESEM图 Fig.3.13 FESEM image of NiFe2O4

通过FESEM对所合成产物的表面形貌进行分析。图3.13为水热法合成的铁酸镍的FESEM图。电镜图显示，制备的NiFe2O4有规则的结构形貌，具有窄的粒子尺寸分布。另外，还可以看到粒子有聚集的现象，以及不明显的轮廓，这都可以用合成的粒子具有磁性来解释。 3.5.3.4 热性能

1.021.00Weight Loss（%）0.980.960.940.920.902004006008001000Temperature(℃）

图3.14 NiFe2O4的热重曲线 Fig.3.14 TGA curve of NiFe2O4

图3.14显示了在氮气气氛下测得的NiF2O4的热重曲线图。通过分析算出，在整个温度区间内，铁酸镍样品的总失重为8.4%，这可以归属于铁酸镍样品的表面吸附水以及结晶水。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x2dr.html