[發明專利]控制反應溫度變化率的方法及在合成磁性納米粒子的應用

有效

• 申請號: 201910353744.4
• 申請日: 2019-04-29
• 公開（公告）號: CN110015696B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 陳中原;彭悅婷;楊紅;吳春惠;李亭亭;劉貽堯
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C01G49/02
• 分類號: C01G49/02;G05D23/20;B82Y40/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種用于控制反應溫度變化速率的方法以及在合成磁性納米粒子中的應用，屬于材料科學合成納米材料領域。本發明提供的用于控制反應溫度變化速率的方法，采用溫度對時間的一階導數、二階導數作為PID控制量，通過將PID控制量(OUT)經過歸一化處理后得到PWM輸出的占空比，進而控制固態繼電器的通斷，使體系的升溫速率保持不變。與現有技術相比，本發明溫度控制方法可減少升溫過程中的波動性，提高升溫曲線的穩定性；且方法簡單，安全高效，可適用于不同的加熱設備，有效降低了成本。

技術領域

本發明屬于材料科學合成納米材料領域，具體涉及一種用于控制反應溫度變化速率的方法以及在合成磁性納米粒子中的應用。

背景技術

納米載體是指尺寸在1～100nm范圍內的物質運載體系，其尺寸的大小決定了它們具有塊體材料或小分子物質所不具備的許多全新的理化性質，如表面效應、量子尺寸效應等，因此，納米載體在基礎理論研究、化學合成催化，以及在生物醫學領域，特別是腫瘤成像與治療上具有傳統材料所不具有的顯著優勢。其中，鐵氧化物納米粒子在納米載體構建中更是研究與應用的熱點材料：納米尺寸下鐵氧化物具有超順磁性；其合成工藝相對成熟，粒徑形貌可控；具有易于修飾的表面；最重要的是，鐵氧化物在細胞內酸性條件下易于代謝；這些可貴的性質使得鐵氧化物納米粒子在核酸或蛋白分子的磁分離、磁靶向輸送小分子藥物、磁熱釋放藥物并治療疾病，以及在核磁共振成像(Nuclear magnetic resonanceimaging,NMRI)造影上具有廣闊的應用前景。

目前，鐵氧化物納米材料的制備方法包括物理法、化學法與生物法，物理法主要是指將塊體磁性材料研磨至納米尺度，化學法為使用含鐵的前體物質通過沉淀或分解反應，產生納米尺度的磁性粒子，而生物法則是從天然的磁性細菌中提取出生物合成的鐵氧化物磁性納米粒子。

在眾多合成方法中，化學法由于其反應過程和形貌粒徑可控、產量較高、易于純化等特點，備受研究關注。目前，有多種不同的化學方法制備鐵氧化物納米粒子，如共沉淀法、水熱法及溶劑熱法、微乳化法、超聲化學法、微波合成法以及高溫分解法等等。

其中，高溫分解法是指有機鐵鹽在高溫溶劑中受熱分解成核，并在表面活性劑的作用下生長成納米尺度的磁性粒子。高溫分解法所得到的磁性鐵氧化物納米粒子結晶度高、形貌一致、尺寸高度分散，而且其形貌和粒徑受反應條件決定，精確可調，單次反應的產量最大可達公斤級，是目前最有前景的鐵氧化物磁性納米材料合成方法。在高溫分解法合成磁性鐵氧化物納米粒子的過程中，需要控制有機鐵鹽成核、納米晶體的生長分步進行，這就需要精確控制反應體系的溫度，特別是對升溫速率進行嚴格的控制。然而，常規的電阻式加熱設備，如電熱套，以及反應容器中的高溫溶劑，其熱慣性較大，對體系溫度及升溫速率進行精確控制成為了高溫分解法合成磁性鐵氧化物納米粒子過程中的一大挑戰。

目前，實施高溫分解法合成納米粒子的科研院校及企業通常采用以下幾種方法控制反應體系的溫度：

1、自然控溫：不采用任何控溫手段，僅通過選擇特定功率的加熱器，以及特定體積的反應體系，使反應溫度在不受控制的情況下升高以得到納米粒子。該方法具有較大的局限性，若溫度升高過快將導致前體成核不完全，反應產率低，產品粒徑分布不均勻。

2、手工控溫：通過電子溫度計檢測反應溫度，手動調節加熱設備的功率，以實現一定程度的溫度控制。該方法嚴重依賴操作者的經驗，難以推廣，重復性較差。

3、工業PID控溫器：通過設定溫度及升至該溫度所需的時間，以及對加熱設備功率的PID調節實現溫度控制。該方法僅能保證在一定時間內的平均升溫速率為設定值，而不能保證升溫過程中溫度時刻保持良好的線性增加；同時，該溫控設備僅包含少數輸入按鍵，其設置過程繁瑣，不能實時記錄升溫過程，不利于對升溫反應的具體過程的研究。