卟啉―磁性四氧化三铁纳米粒子复合物研究进展

摘要：卟啉-磁性四氧化三铁纳米粒子复合物是一种新型多功能材料，同时具有卟啉的生物功能特性和四氧化三铁纳米粒子的磁特性，如利用磁分离方便地解决纳米催化剂难以分离和回收的问题，提高催化剂寿命。合成了众多卟啉一磁性四氧化三铁纳米粒子复合物，它们在诸多领域有着潜在的应用前景。结合文献，综述了近年来该类复合物的研究成果，概述了合成方法，及其在非均相催化氧化、光动力治疗及磁热疗等多个领域的进展，并展望了此类复合物的发展方向。

关键词：卟啉；Fe3O4纳米粒子；催化；光动力疗法；磁热疗；吸附剂

中图分类号：0643.4；0611.6 文献标志码：A

文章编号：0367-6358（2015）03-0187-06

卟啉是卟吩外环带有取代基的同系物和衍生物的总称，是一类特殊的大环共轭芳香体系，因其特定的π共轭体系和配位功能，可应用于有机反应催化剂、治疗剂、光储存器件以及超分子化学等诸多领域。单纯的卟啉化合物应用于催化体系时，存在催化剂不易分离、回收困难、稳定性差等问题；应用于光动力治疗时，也存在靶向性不高、输运效率低等缺陷。解决上述问题的有效途径是将金属卟啉同载在有机或无机载体上，一方面载体的配位或吸附作用可延长催化剂寿命，另一方面病变细胞可能对某些载体产生选择性吸收，可提高了卟啉作为治疗剂的靶向性。

纳米粒子指尺寸在1～100nm之间的粒子，它所具有的独特的光、电、热、磁和化学性质，使其在新能源材料、生态环境材料、功能涂层材料以及高性能电子材料等领域发挥着不可替代的作用。磁性纳米粒子在无外加磁场时，对外不显示宏观磁性；在有外加磁场时，显示出一定的宏观磁化强度，这种特性使其在磁记录材料、磁性液体、催化以及生物医用领域有着广泛的应用前景。四氧化三铁（Fe3O4）纳米粒子是一种常见的磁性纳米粒子，含有该粒子的纳米磁性液体已在栓塞磁热疗、磁靶向药物输运、磁性免疫细胞的分离等方面广泛应用。

卟啉-磁性四氧化三铁纳米粒子复合物是将金属卟啉固载到四氧化三铁纳米粒子上的一类复合物，一方面，此类复合物仍具有卟啉化合物特定的π共轭体系和配位功能；另一方面，复合后的化合物具有优良的磁分离和靶向药物等性能，提高了催化剂的使用寿命，增强了药物治疗准确性。多年来，我们一直致力于磁性纳米粒子及铁卟啉复合物的制备及性质研究，在此，作者就该研究领域的研究成果及此类复合物的发展方向做一概述。

1 卟啉-磁性四氧化三铁纳米粒子复合物的制备方法

磁性Fe3O4纳米粒子制备的基本原理是二价铁盐和三价铁盐的化学共沉淀。在氮气保护下，将氨水滴入二价和三价铁盐混合溶液中，使其同时沉淀出来，形成Fe3O4纳米粒子。一般而言，纯的Fe3O4纳米粒子容易形成坚硬的聚集体，结构的变化会导致磁性质的改变。因此，通常需要对磁性Fe3O4纳米粒子进行保护。根据卟啉与磁性Fe3O4纳米粒子不同的连接方式，本文将卟啉一磁性Fe3O4纳米粒子复合物的制备方法归纳为以下几种：

1.1 物理吸附法

物理吸附法是指通过一定的方法将卟啉通过物理吸附作用连接到载体上。李东红等先将脂溶性药物四-（对羟基苯基）卟啉溶于有机溶剂，通过乳化法得到含有卟啉和葡聚糖的均匀乳液，再利用二价和三价铁盐共沉淀时的吸附作用得到载有脂溶性光敏剂卟啉的磁性Fe3O4纳米微粒。Fe3O4核表面被基质葡聚糖包覆，卟啉通过物理吸附结合于磁性纳米微粒上。该复合物加入Lovo细胞培养液中并光照30min后，对该细胞的体外抑制率可达到81.85%，具有较好的磁响应性和体外光毒性。

物理吸附法合成卟啉-磁性四氧化三铁纳米粒子复合物的优点是操作简便，对光敏剂的化学结构无特殊要求；但该方法所得磁微粒的负载量偏低，卟啉与载体的结合强度也较弱。

1.2 直接键合法

直接键合法是卟啉与Fe3O4纳米粒子表面直接形成化学键的制备方法。该法要求卟啉中含有可与Fe3O4纳米粒子成键单元，如中心金属原子、羟基等。

Kemikli等用一锅高温合成法合成了单分散的油胺包覆Fe3O4纳米粒子，在DMF溶液中，原卟啉Ⅸ与多巴胺的偶联反应制备了连有多巴胺的原卟啉（PPD），然后与Fe3O4纳米粒子在甲醇中混合得到卟啉PPD包覆的Fe3O4纳米粒子（PPDNP），其粒度单一（

Balivada等分别合成了多巴胺一低聚乙二醇配体（Ⅰ）和四-（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）-多巴胺-低聚乙二醇配体（Ⅱ），在无水四氢呋喃中、氩气保护下将两种配体结合到双磁性Fe/Fe3O4核/壳纳米粒子上（见图1）。Fe3O4表面主要由配体I包覆以防止生物腐蚀，这是与文献的主要区别。

直接键合法合成卟啉-磁性四氧化三铁纳米粒子复合物相对于物理吸附法而言有较高的负载量，同时卟啉与载体间通过化学键相连的结合力也比物理吸附更强；但该方法对卟啉要求较高，需含有可与Fe3O4纳米粒子成键的单元。

1.3 包覆键合法

这种方法并不是将卟啉直接键合于Fe3O4纳米粒子表面，而是先对Fe3O4纳米粒子进行包覆处理，卟啉与Fe3O4表面的包覆层形成化学键。最常见的包覆层是硅，一般通过衍生化的硅烷水解来制备。

Liu等将磁性Fe3O4纳米粒子稳定分散于油包水（W/O）微乳液中，加入硅酯发生水解，从而制得了粒度均一的硅包覆球形Fe3O4纳米粒子。同时又通过与3-氨基丙基乙氧基硅烷（APTES）的硅烷化反应制得了APTES衍生化的金属卟啉，将酰胺化反应体系与硅包覆Fe3O4纳米粒子的混合物蒸发，所得固体真空加热，可有效避免其自身缩合（见图2）。所合成的该复合物可用于环己烷氧化反应。

Rezaeifard等以四乙氧基硅烷正硅酸乙酯（TEOS）为硅源、以氨溶液为水解剂，将磁性纳米粒子（MNP）涂上致密的氧化硅层，用改性的SMNP在乙醇中与锰（Br2TPP）醋酸反应，得到可回收的磁性催化剂[Mn（Br2TPP）-OAc@SMNP]。该催化剂可用于催化氧化烃类和硫化物。

除了硅烷化反应，酰胺化反应也是固载卟啉类化合物的重要手段。Chen等采用共水解溶胶凝胶技术在油包水反相微乳液体系中制备了表面氨基修饰的磁性硅纳米粒子（NH2-Fe3O4-SiO2NPs），然后在二氯乙烷存在的条件下让纳米粒子的表面氨基与四羧基酞菁（TCFePc）的羧基结合生成稳定的酰胺键，从而固定到磁性硅纳米粒子上（见图3）。该复合物可用于光催化降解污水中有机污染物。类似的反应还见于Carvalho等的工作中，他们制得了表面修饰有氨基的磁性硅纳米粒子，并与5-（五氟苯基）-10，15，20-三芳基卟啉反应，氨基与对位氟取代基缩合后，再与碘甲烷反应制得了阳离子纳米磁体卟啉复合物。

油包水型微乳液适合亲水性卟啉的固载，而疏水性卟啉的固载则要用到水包油型微乳液。Chen等通过水包油型微乳液将Fe3O4磁性纳米粒子与2，7，12，18-四甲基-3，8-二-（1-丙氧乙基）-13，17-二-（3-羟基丙基）卟啉结合到硅纳米粒子上，制得了卟啉-硅基磁性纳米粒子复合物（PHPP-SMNPs），可用于肿瘤细胞的靶向光动力疗法。

包覆键合法合成卟啉一磁性四氧化三铁纳米粒子复合物较直接键合法适用于更多种类的卟啉，且先对磁性纳米粒子进行包覆处理也保护了Fe3O4不被破坏，该类复合物较为稳定，适用范围较广；但该方法合成步骤较为繁琐，操作复杂。

1.4 单体原位聚合法

单体原位聚合法是在磁性粒子和有机单体分子存在下，加入引发剂、稳定剂等聚合而成的核/壳式有机-无机磁性高分子微球复合物。单体原位聚合法的关键在于保持胶体溶液的稳定性。黄锦汪等用单羟基金属卟啉类化合物与丙烯酰氯反应得到键联金属卟啉的丙烯酸酯，通过化学共沉淀法制备了磁流体Fe3O4，然后在磁流体、引发剂存在下，50～70℃反应，苯乙烯和键联金属卟啉的丙烯酸酯进行共聚得到键联金属卟啉的核/壳结构的纳米高分子磁性微球，其形态、热稳定性和磁响应性均令人满意。

单体原位聚合法合成卟啉一磁性四氧化三铁纳米粒子复合物可以一步合成，步骤简单，且所合成的复合物稳定性较好；但该方法的适用范围较窄。

2 卟啉-磁性四氧化三铁纳米粒子复合物的应用

2.1 非均相催化

卟啉作为均相催化剂时，存在着不易分离，回收困难，难于重复使用的问题。同载的卟啉因具有易回收再利用、良好稳定性和选择性等优点而受到特殊关注，同时，磁性高分子微球由于在磁场作用下具有磁响应性而具有容易分离的特点。因此，卟啉一磁性Fe3O4纳米粒子复合物作为易于分离、可重复利用的新型催化剂，正引起人们越来越多的重视。

Rezaeifard等合成了可回收的磁性催化剂[Mn（Br2TPP）-OAc@SMNP]，并将其用于液相催化氧化烯烃、饱和烃和硫化物（见图4），虽然产率有所降低，但与SMNP结合后催化剂的回收率达95%，且对不同烃类的选择性高达99%，该催化反应中没有用到表面活性剂、添加剂，反应结束后可利用磁分离对催化剂进行回收。这充分体现了“绿色化学”的理念且经济适用，因此该催化剂有较好的应用前景。

Wang等将锰（Ⅲ）5-（4-羧基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉与二乙烯基苯（DVB）交联接枝甘油基丙烯酸甲酯（mPGMA）的磁性Fe3O4微球通过酰胺键上的磁聚缩水得到了多相仿生催化剂（Mn-NH-mPGMA），可用来催化液-固非均相烯烃环氧化反应体系，具有较高的稳定性。

Bai等将钴卟啉负载于磁性纳米粒子上合成了新型磁回收仿生催化剂，可用于环氧化物和二氧化碳偶联反应生成相应的环状碳酸酯（见图5），该催化剂可通过少量乙酸再氧化恢复活性，具有良好的选择性和重复性。

黄锦汪等用锰卟啉丙烯酸酯-苯乙烯共聚微球在O2下催化环己烷氧化4h，得产物环己酮，转化数达661，且发现锰卟啉纳米微球较钴卟啉有更高的催化活性。该课题组还用类似的方法分别合成了p-OCH3，p-H和p-Cl苯基取代的锰（Ⅲ）卟啉，并用磁性聚合物纳米微球固载，其催化活性顺序为依次降低，可以看出，卟啉的供电基团能够增强纳米球的催化活性。该种复合物有望成为环己烷羟化的新型催化剂。

我们利用溶剂热方法及共沉淀法制备了可磁性分离的Fe3O4纳米复合催化剂，在苯乙烯环氧化过程及催化加氢反应中表现了良好的催化活性、稳定性及磁分离效果。在金属卟啉催化剂催化方面，我们制备了铁卟啉-超支化聚合物复合体系，用于非均相催化反应，解决了水溶性催化剂难以再分离及循环应用问题。我们采用化学沉淀法制备纳米Fe3O4颗粒，并以聚乙二醇为改性剂，蒸馏水为载液，制备出固体质量分数为10%的纳米Fe3O4磁流体，将溴戊四苯基铁卟啉和Fe3O4微粒反应，得到了键联铁卟啉的纳米磁性粒子催化剂（见图6），用于催化氧化烯烃及催化降解多氯代酚反应，取得了很好的催化效果，良好的可循环性及制备分离简易性使该类催化剂在非均相催化方面极具应用潜力。

2.2 光动力治疗及磁热疗

光动力疗法（PDT）是指药物进入机体后在一定波长的光照射下产生光动力作用杀伤肿瘤或其他病理性增生组织的一种新兴治疗方法，卟啉因具有独特的生理活性，在医学上可作为光动力治疗法的抗癌光敏剂。磁性纳米微粒在足够强的外磁场作用下能引导负载药物在体内定向移动、定位富集，特别是当粒径为10～200nm且表面覆有亲水基团时，大多能逃避巨噬细胞的吞噬，从而提高药物的生物利用率，降低药物毒副作用。磁热疗是指在交变磁场的作用下定向聚集在肿瘤部位的产热材料发生磁致产热效应将肿瘤组织杀灭的热疗新技术。磁性纳米粒子可用作磁热疗的产热材料。将卟啉与磁性纳米粒子结合在一起，不仅可提高光动力治疗的靶向性，而且还赋予了材料磁热疗的功能。

Chen等测试了SW480结肠癌细胞对所制得的卟啉一硅基磁性纳米粒子复合物（PHPP-SMNPs）的吸收，发现该复合物具有良好的生物相容性。MTT实验未观察到PHPP-SMNPs对SW480细胞的暗毒性，但经光照射后则能产生单态氧，从而引起显著的光动力抗肿瘤效应。Erdem等由四-（氨基苯基）卟啉直接合成了带有单胺的二氢卟吩，再将其共价连接到铁氧化物纳米粒子上，并将得到的共轭体作为动脉硬化的光动力治疗剂进行了研究。Balivada等评价了他们所合成的卟啉-双磁性纳米粒子复合物在短时间的外部交变磁场（AMF）作用下对鼠皮下黑色素瘤（B16F10）的生长有显著抑制效果，其原理或为肿瘤区域内的生物腐蚀而导致的铁的释放扩大了AMF治疗的效果，增加了肿瘤内活性氧的浓度。该纳米复合物有望应用于对黑色素瘤的临床治疗。

2.3 磁回收吸附剂

Poursaberi等将Fe3O4纳米粒子表面修饰3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES），并与锆（Ⅲ）金属卟啉复合作为吸附剂用来除氟，在最佳条件下，吸附剂表现出了良好的氟提取效率和朝目标阴离子的高选择性，氟化物的提取百分比为92.0±1.7%。吸附剂经碱性水溶液洗涤后，可重复使用约5个周期。此外，他还将钴（Ⅲ）卟啉与纳米Fe3O4复合作为吸附剂，用来去除水中的亚硝酸根离子，亚硝酸根离子的提取率为92.0%，经过磁分离和10mmol/LNaOH处理，吸附剂的吸附效果仍可达到97%。

采用卟啉一磁性四氧化三铁纳米粒子复合物作为吸附剂的优点是该复合物可利用外磁场简单迅速的与反应体系分离，使用寿命长，经济环保，因此该类复合物吸附剂有巨大的发展潜力。

2.4 其他应用

卟啉-磁性四氧化三铁纳米粒子复合物被光激发时能够产生活性氧，因此也可用于杀菌。Carval-ho等发现所制得的阳离子纳米磁体-卟啉复合物对革兰氏（-）大肠杆菌、革兰氏（-）粪肠球菌和甲状腺素类噬菌体有高效光灭活作用。显著的抗菌活性和易于分离的特点使该材料可应用于废水消毒。

Samarakoon等将TCPP通过特定的肽序列连接到Fe/Fe3O4纳米粒子上，在激发光源的作用下，卟啉的荧光发射会显著增强。该纳米平台能够作为癌症诊断的体内传感器，检测不同阶段的癌症。该工作有望应用于各种癌症的早期检测。

3 总结与展望

卟啉-磁性四氧化三铁纳米粒子复合物是一种多功能新型材料，可通过物理吸附法、直接键合法、包覆键合法、单体原位聚合法等方法合成。此类复合物在非均相催化氧化、光动力治疗、磁热疗、吸附、消毒杀菌等方面均有应用，催化氧化和光动力治疗方面的研究较为热门。今后，对此类复合物的研究致力于改善其性能和拓宽其应用面，如提高催化效率和磁响应性，增强靶向性、灵敏度和产热能力等。可以预见，随着科技发展，对卟啉一磁性四氧化三铁纳米粒子复合物的研究必将更加深入，其应用面必将更加广泛。