【摘要】 目的 通過反相微乳液法制備納米四氧化三鐵(Fe3O4)。 方法 通過擬三角相圖，確定環已烷、Triton X100、正丁醇及水4組分體系的油包水型微乳液，電導率測定及染料擴散法判斷體系為油包水（W/O）型反相微乳。利用該微乳液的“微型水池”制備了納米級Fe3O4黑色顆粒，優化各反應物量的比例。通過紅外譜圖、電子掃描電鏡、元素分析對所制備的Fe3O4納米顆粒進行了表征。 結果 確定擬三角相圖中微乳液的區域，得到最適組分比例。當各反應物物質的量的比例n(Fe3+)∶n(Fe2+)∶n(OH-)=3∶2∶24時得到純的Fe3O4黑色粉末。掃描電鏡圖顯示實驗結果的Fe3O4粒徑<100 nm。 結論 本實驗配制了正已烷、Triton X100、正丁醇、水組分體系反相微乳，并通過該體系制備了納米Fe3O4。

【關鍵詞】 遲效制劑； 乳狀劑； 磁力學； 納米技術； 藥物載體； 四氧化三鐵

由于Fe3O4納米粒子具有良好的磁性和表面活性，納米磁性Fe3O4的制備方法及性質的研究受到重視。磁性Fe3O4納米粒子有廣泛的用途。在生物、醫藥領域，由于納米磁性Fe3O4的磁響應性，使其在細胞分離、固定化酶、免疫診斷及腫瘤靶向治療、DNA分離及核酸雜交等方面均有應用[12]。

微乳液是指由熱力學穩定分散的互不相溶的兩相液體組成的宏觀上均一而微觀上不均勻的液體混合物，通常是由表面活性劑、助表面活性劑(醇類)、油(碳氫化合物)和水(電解質水溶液)組成的透明、各相同性的熱力學穩定體系。微乳液的分散相質點為球形，半徑通常為10～100 nm[3]。微乳液有2種基本類型，即水包油型(O/W)和油包水型(W/O，也叫反相微乳)，前者是以油為分散相，水為分散介質，后者反之。該方法優點是以水相作為合成納米級顆粒的“納米微反應器”，且高度分散、大小均一，在納米微粒的制備領域具有潛在的優勢。

在制備微乳前要利用擬三元相圖來尋找形成W/O型微乳液體系的最佳條件，以確定微乳的存在區域及微乳區面積大小。文獻報道，微乳液的配制所用的油相、表面活性劑及助表面活性劑類型各不同[4]。本實驗用環已烷、Triton X100、正丁醇分別為油相、表面活性劑和助表面活性劑組成反相微乳液體系。

實驗用擬三角相圖法探討了配制反相微乳液的各成分比例，用最適比例配制的微乳液來制備納米級Fe3O4，并探討了工藝條件，以及用IR和SEM等方法來表征產品，為新的微乳液體系的配制和納米Fe3O4的制備提供更多的方法。

1 材料與方法

1.1 材料 環己烷（油相，簡寫作O）、Triton X100(聚氧乙烯辛基苯基醚，表面活性劑，簡寫作S)、正丁醇（助表面活性劑，簡寫作A）、氯化鐵、硫酸亞鐵、氫氧化鈉（以上試劑均為AR級，上海國藥集團化學試劑有限公司），蘇丹紅(AR級，上海試劑三廠)，亞甲基藍(AR級，廣州化學試劑廠)。超聲儀（KS300D，寧波科生儀器廠），集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF101S，國鞏義英峪予華儀器廠），紅外光譜儀（AVATAR 330 FTIR，Thermo Nicolet，US），電鏡掃描儀(PHILIPS XL30 ESEM)，元素分析儀(Vario EL III，德國)，大容量低速多管離心機（LXJⅡB，上海安亭科學儀器廠），電導率儀（DDS307，上海雷磁儀器廠）。

1.2 實驗方法

1.2.1 反相微乳的制備

1.2.1.1 先配制表面活性劑Triton X100（S）和助表面活性劑正丁醇（A）的混合液，按比例配3份，S∶A=2∶1，1∶1，1∶2，每份做以下實驗：量取O/(S+A)分別為1/9，2/8，3/7，4/6，5/5，6/4，7/3，8/2，9/1（體積比）的液體，使O+(S+A)的總體積為10.0 mL，向其中逐漸滴加二次水，混勻靜止，觀察混合液是否透明，記錄加入水的體積。

1.2.1.2 根據油、水、表面活性劑所占百分比作出對應的擬三元相圖，確定微乳液區域。

1.2.1.3 微乳液類型的判斷 （1）電導率法：在油相和表面活性劑的混合液中加入少量Fe3+，然后逐漸滴加少量二次水形成微乳，待電導率值穩定后，記錄電導率，重復上述過程。作電導率與體系含水量的曲線圖。（2）染色法[7]：將少量蘇丹紅和亞甲基藍分別溶于1 mL的乙醚和水中，各取20 μL分別加入到由電導率法判斷為油包水型的微乳液中，觀察液體中的顏料擴散情況。

1.2.2 納米Fe3O4的制備 將一定濃度FeSO4和FeCl3按比例配制混勻，以此混合液為水相配制W/O型微乳液A；NaOH按同樣的方法制得微乳液B。室溫下通N2，向定量的微乳B中逐漸加入微乳A，反應一段時間，黑色的產物為Fe3O4。水浴陳化破壞微乳體系，固體沉淀，然后用乙醇、丙酮、二蒸水反復洗滌，磁鐵分離或離心分離出固體，低溫真空干燥得納米Fe3O4黑色粉末。

1.2.3 產物表征 通過電鏡掃描（SEM）圖觀察顆粒形貌和粒徑；通過紅外光譜證實產物中OFe鍵的存在；元素分析測定產物中氧元素的含量，從而得知Fe3O4的純度。

2 結 果

2.1 反相微乳的制備

2.1.1 擬三角相圖 在乳化劑和助乳化3種比值下（S∶A=2∶1，1∶1，1∶2）得到3張偽三元相圖（圖1）。圖中陰影部分為微乳區。根據微乳區的大小，選擇具有較大微乳區的圖1c，即S∶A=2∶1時形成的微乳進行以下實驗。

2.1.2 適宜的O/(S+A)比例 固定S∶A=2∶1，在微乳區域中，根據以下幾個不同的油相與表面活性比例[O/（S+A）：1/9，2/8，3/7，4/6，5/5，6/4，7/3]，觀察形成微乳的過程情況來選擇最佳O/（S+A）的比例。結果表明，油相與表面活性劑比例在前四種情況下能迅速形成微乳，但在5/5及6/4兩種情況下形成微乳過程緩慢，需要靜置一段時間后才能完成，在7/3的情況下形成的體系呈混濁狀態。O/（S+A）為1/9和2/8，因為油相的成分較小，估計為O/W型。所以O/(S+A)比例分別為3/7，4/6這2種為較適宜的油相與表面活性比例。

2.1.3 微乳液類型的判斷

2.1.3.1 電導率法 O/(S+A)=3∶7的微乳液中含水量百分比與電導率的曲線如圖2。電導率在水成分<21％時，隨含水量的上升而電導率增大緩慢；在水量>21％時，電導率急劇上升，并在水量達到25％以后，電導率值趨于平穩。所以微乳體系中，水成分<21％時為油包水型（W/O），在水量>21％時為水包油（O/W）型正相微乳。用同樣的方法進行（S+A）∶O=6∶4時形成的微乳液電導率的測定，情況與圖2類似。

2.1.3.2 染色法檢測反相微乳特征 油溶性染料蘇丹紅能在微乳液中擴散，而水溶性染料亞甲基藍在微乳液中幾乎不擴散，表明在該配比下的微乳為油包水（W/O）型微乳液。

2.1.4 鹽濃度對微乳體系的影響 用一定濃度的鹽溶液代替水來配制微乳，參與反應的3種離子濃度對微乳液形成的影響情況見表1。表1示，不管Fe3+/Fe2+比例如何，二者總濃度>0.5 mol/L，不容易形成微乳，cNaOH>0.5 mol/L時不能形成微乳。所以實驗中反應物濃度不超過0.5 mol/L。表1 Fe2+、Fe3+、NaOH的濃度對微乳形成的影響

2.2 Fe3O4的制備

2.2.1 Fe3O4形成的影響因素

2.2.1.1 Fe3+和Fe2+的比例對產物的影響 根據表2數據，n(Fe3+)/n(Fe2+)為2∶1，1∶1，3∶2時，都能得到黑色的Fe3O4，前兩者從現象看來還混有少量Fe2O3，溶液顯棕色，3∶2時產物較純，認為n(Fe3+)/n(Fe2+)=3∶2為最適宜比例。表2 不同n(Fe3+)∶n(Fe2+)比例下的反應產物顏色

2.2.1.2 NaOH的量對產物的影響 保持Fe3+和Fe2+混合液中n(Fe3+)/n(Fe2+)比例為3∶2不變，與不同量的NaOH溶液混合反應，測定體系相應的pH值。在pH值為7，8，9，10，11，12情況下分別進行實驗，結果表明pH<9時，產物中混有不同程度的Fe2O3而呈現褐色或紅褐色，pH>9時才能得到單一的黑色的Fe3O4。pH=10時通過計算加入NaOH的量，此時各反應物物質的量比例為n(Fe3+)∶n(Fe2+)∶n(OH-)=3∶2∶24。

2.2.2 Fe3O4的表征

2.2.2.1 紅外譜圖 產品紅外光譜圖中在582 cm-1處有吸收峰，是Fe3O4的FeO鍵的吸收峰。3 404 cm-1為氫鍵狀態的羥基吸收峰，2 925 cm-1和1 384 cm-1附近為飽和烷基CH鍵的相關峰，1 637cm-1附近為C=C的振動吸收峰，1 047 cm-1為CO鍵的吸收峰，這些吸收峰是未洗滌干凈而留下的表面活性劑和水等產生的。

2.2.2.2 元素分析 測定Fe3O4微粒中O元素含量，分析結果平均值為ω(O)=27.08%，而Fe3O4 中ω(O)的理論為27.58%，與理論值接近，可以確定實驗制得的產物為Fe3O4。

2.2.2.3 電鏡圖 將Fe3O4懸濁液滴加于載玻片上，晾干，作掃描電鏡，得到如圖3照片，實驗得到的球形顆粒，大小較均勻，粒徑大約在50～100 nm之間。

3 討 論

3.1 反相微乳液的制備

3.1.1 擬三角相圖 制圖時，以表面活性劑和助表面活性劑為正三角形的一個頂點，油相和水分別為另兩個頂點。固定Kv（表面活性劑和助表面活性劑體積比），體系在逐漸加水過程中由混濁變澄清或澄清變混濁為相變點時的臨界點，將每個臨界點連成曲線即得在一定乳化劑和助乳化劑的比值下的偽三元相圖。三角形內任意一點均表示油相、水相和表面活性三元體系。乳化劑和助乳化三種比值下（S∶A=2∶1，1∶1，1∶2）得到的三張相圖中，微乳區大的的體系，即圖1情況，S∶A=2∶1為優，該體系中油、表面活性劑、水三者比例可選擇的范圍較大，形成微乳容易，而且其水相成分也較其他兩種情況大，在反應過程中，增溶效果好。

3.1.2 選擇適宜的O/(S+A)比例 油相和表面活性劑比例不同情況下的微乳形成過程來選擇適宜的O/（S+A）比例。在確定微乳體系時，盡量不選擇微乳區域邊緣的點，以及形成微乳耗時長的點，如O/(S+A)為5/5和6/4時形成微乳過程緩慢，這樣可以避免位于雙連續相和膠束等特殊形態。1/9，2/8兩點油相成分少，將要加入較多水，得到的是正相微乳，不是實驗所需。7/3時為非微乳狀態，3/7，4/6這兩種情況形成微乳容易，而且在這兩點中水成分較大，乳化劑成分相對較少，后處理時可減少溶劑使用，較經濟。

3.1.3 鹽濃度對微乳體系的影響 非離子型表面活性劑主要通過其親水基與水之間的氫鍵作用來穩定微乳液，鹽離子的加入對氫鍵形成產生影響，一方面使表面活性劑的臨界膠束濃度改變，另一方面使表面活性劑的親水性下降，影響體系的穩定性，因此鹽濃度的大小將影響微乳的形成及其穩定性。在本實驗的微乳體系中，反應物濃度>0.5 mol/L時，微乳穩定性差。

3.1.4 微乳液類型的判斷 在油包水型微乳液中，水相為質點分散于油介質，油的導電率很低；相反水包油型，是油相質點外層包裹著水，水中的電解質Fe3+具有高電導率。所以圖2中有一個突變點。φ水=21%是兩種微乳液類型的轉折點，與文獻報道相符[8]。

在染色實驗中，親油性的染料蘇丹紅在微乳液中擴散快，而親水性的亞甲基藍幾乎不擴散，由此進一步證明，φ水<21%時為油包水型微乳液。

3.2 Fe3O4的制備 當含有反應物A、B的兩個微乳液混合時，水相內增溶的物質發生反應，生成產物分子，并聚集成核，生成產物粒子。由于晶核增長局限在微乳液的納米微水池中，形成粒子的尺寸由水核的大小和形狀所決定，控制產物粒子為納米級。

3.2.1 Fe3+和Fe2+的比例對產物的影響 Fe3O4為黑亮色固體，Fe2O3為紅棕色，實驗產物若是二者不同比例的混合物則顯示為不同深淺的褐色，雖然按方程式：

2Fe3++Fe2++8OH-Fe3O4+4H2O

n(Fe3+)/n(Fe2+)為2∶1，但是Fe2+在空氣中很容易被氧化，所以Fe2+需保持過量。控制合適的二者比例才能得到純的Fe3O4黑色產物。

3.2.2 NaOH的量對產物的影響 加入不同量的NaOH得到Fe3O4和Fe2O3不同比例的混合物，從紅褐色到黑色得到顏色深淺不同的產物。體系反應機制如下反應過程：

（1）Fe2++Fe3++OH-Fe(OH)2/Fe(OH)3

（2）Fe(OH)2/Fe(OH)3FeOOH+Fe2+

（3）FeOOH+Fe2Fe3O4+H+

只有介質保持足夠的堿性，中和了H+，平衡才向生成Fe3O4方向移動。控制pH值在10能維持足夠的堿性，保證產物為黑亮色的Fe3O4。

通過擬三元相圖確定了環已烷、Triton X100、正丁醇、水體系的微乳區域。實驗結果表明，鹽濃度對微乳的穩定性有影響，反應物濃度不大于0.5 mol/L微乳是穩定的。采用雙微乳液制備了納米級的Fe3O4，優化各反應物物質的量的比例，當n(Fe3+)∶n(Fe2+)∶n(OH-)=3∶2∶24可制備純的Fe3O4黑色顆粒。通過SEM圖測得Fe3O4為圓球形的顆粒，粒徑<100 nm。