Synthesis and Characterization of Magnetic Iron Oxide Nanoparticles

Lak, Aidin

In this thesis, single-core superparamagnetic iron oxide nanoparticles were synthesized via decomposition of iron-oleate. The impact of synthesis parameters on particle size distribution and magnetic properties were explored by exploiting design of experiment methodology. An empirical growth model presenting the dependencies of particle hydrodynamic size on reaction temperature and time and iron-oleate concentration was found. The formation of highly monodisperse particles was attributed to burst nucleation and rapidly terminating growth mechanisms. The slow decomposition of iron-oleate results in larger particles via gradual nucleation and retarded growth mechanisms. We established a robust synthesis to tailor the particle core size from 12 to 25 nm while preserving the size deviation < 10%. A model describing the change in the particle phase composition from pure Fe3O4 to a mixture of Fe3O4, FeO and an interfacial FeO-Fe3O4 phase as particle size enlarges was established. A deteriorated magnetic performance seen in large biphasic particles was related to the existence of differently oriented Fe3O4 crystalline domains in particle outer layers and paramagnetic FeO phase. The particles were transferred into water via exchanging oleic acid with polyethylene glycol. The particles show an excellent water stability and their magnetic core remained monodisperse and intact after PEGylation. They also exhibited a moderate cytotoxic effect on macrophages and no release of inflammatory or anti-inflammatory cytokines. The PEGylated particles with a mean core and hydrodynamic size of 24 and 60 nm were functionalized with Herceptin antibodies for homogeneous magnetic bioassays. The particle surface functionalization was monitored by measuring particle phase lag change using a fluxgate-based rotating magnetic field setup. The results showed that these particles, primarily relaxing via the Brownian mechanism, are a potent tracer for magnetic bioassays.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden superparamagnetische Einzelkern-Nanopartikel aus Eisenoxid durch die Zersetzung von Eisenoleat hergestellt. Der Einfluss der Syntheseparameter auf die Größenverteilung und magnetischen Eigenschaften wurde mit der statistischen Versuchsplanung analysiert. Ein empirisches Wachstumsmodel, das die Abhängigkeit der hydrodynamischen Partikelgröße von der Reaktionstemperatur, -zeit und Eisenoleat-Konzentration beschreibt, wurde abgeleitet. Eine abrupte Kernbildung sowie schnelle Beendigung der Wachstumsprozesse bedingte die Entstehung monodisperser Partikel. Die langsame Zersetzung von Eisenoleat bedingte die Synthese großer Partikel aufgrund der schrittweisen Kernbildung und verlangsamten Wachstumsprozesse. Es wurde ein robuster Syntheseprozess zur Herstellung von Partikelkernen zwischen 12 und 25 nm sowie einer Größenverteilung kleiner als 10% entwickelt. Ein Modell wurde etabliert, das den mit wachsender Partikelgröße eintretenden Phasenwechsel des Kernmaterials von einer reinen Fe3O4-Phase zu einer Mischung aus Fe3O4-und FeO-Phasen sowie einer FeO-Fe3O4-Grenzphase beschreibt. Die Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften großer mehrphasiger Partikel wurde auf unterschiedlich orientierte Fe3O4 Domänen in den äußeren Schichten des Partikels und einer paramagnetischen FeO-Phase zurückgeführt. Der Wassertransfer der Partikel wurde über den Austausch von Ölsäure durch Polyethylenglycol realisiert. Nach der PEGylierung blieben die Partikel monodispers sowie magnetisch intakt und wiesen eine sehr gute Stabilität in Wasser auf. Ein moderater zytotoxischer Effekt auf Makrophagen sowie das Ausbleiben von inflammatorischen und anti-inflammatorischen Zytokinen wurde beobachtet. Die PEGylierten Partikel mit einem mittleren Kerndurchmesser von 24 nm sowie einem hydrodynamischen Durchmesser von 60 nm wurden für homogene magnetische Bioassays mit Herceptin funktionalisiert. Diese Funktionalisierung wurde mit Hilfe eines magnetischen Messsystems überwacht, das die Dynamik der Nanopartikel in einem rotierenden Magnetfeld misst. Die Resultate zeigten, dass die funktionalisierten Nanopartikel, die überwiegend nach dem Brown-Prozess relaxieren, geeignete Marker für Bioassays sind.


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