Die vorliegende Erfindung betrifft neue, ein- und mehrmetallische, magnetische Kolloid-Partikel (z. B. Fe, Co, Fe/Co) mit einer ohne Separationsschritt (wie z. B. magnetische Trennung) zwischen 2 nm und ca. 15 nm einstellbaren mittleren Partikelgröße und einer engen Verteilung der Partikelgrößen (Standardabweichung maximal 1,6 nm) sowie ein Verfahren zur deren Herstellung. Der Vorteil der neuen Materialien liegt in ihrer hohen Sättigungsmagnetisierung sowie in ihrer besonderen Eignung zu Herstellung von hocheffizienten Ferrofluiden mit niedriger Metallkonzentration und geringer Viskosität.

Magnetische Nanokolloide sind begehrte Werkstoffe zur Produktion von Magnetofluiden. Diese finden in der Technik Anwendung als Dichtmedium gegen Staub und Gase in Magnetfluiddichtungen (flüssiger O-Ring), zur Schmierung und Lagerung rotierender Wellen (magnetische Levitationslager) und zur magneto-optischen Informationsspeicherung. Anwendungen im medizinischpharmazeutischen Bereich sind beispielsweise magnetische Marker kranker Zellen und die magnetische Zellseparation in biologischen Proben, ferner die Lokalapplikation von Medikamenten.

Durch herkömmliche Herstellungsmethoden wurde bisher nur eine ungenügende Monodispersität der nanoskopischen Magnetteilchen erreicht (1). Dieser Mangel führt zu einer für viele Anwendungen unbefriedigenden Magnetisierung des konventionellen Materials (Kurve B in 3). Sofern nach speziellen Methoden monodisperse magnetische Partikel erzeugt werden können [V.F. Puntes, K. Krishman, and A. P. Alivisatos, Topics in Catalysis, 19, 145, 2002], ist die geringe Ausbeute für praktische Anwendungen unbefriedigend.

Zur Herstellung kolloidaler Magnetmetalle, insbesondere von nanoskopischem Fe, Co, Ni, sind verschiedene Verfahren bekannt, z. B. die Salzreduktion (G. Schmid (Ed.), Clusters and Colloids, VCH, 1994, EP 423 627 DE 4443 705 und USP 5,620,584), die thermische, photochemische und sonochemische Zersetzung von Metall-Carbonylen und Nitrosylkomplexen [K. S. Suslick, T. Hyeon, M. Fang, A. A. Cichowlas in: W. Moser (Ed.), Advanced Catalysts and Nanostructured Materials, Chapter 8, pag. 197, Academic Press, 1996; V. Bastovoi, A. Reks, L. Suloeva, A. Sukhotsky, A. Nethe, H.-D. Stahlmann, N. Buske und P. Killat, Konferenzmaterial: 8. ICMF Timisoara (1998]) sowie die Reduktion von Salzen bzw. die Zersetzung von Carbonylverbindungen in mizellaren Lösungen (O. A. Platonova, L. M. Bronstein, S. P. Solodovnikov, I. M. Yanovskaya, E. S. Obolonkova, P. M. Valetsky, E. Wenz, M. Antonietti, Colloid Polym. Sci. 275, 1997, 426). Diese Methoden führen jedoch immer zu nanoskopischen Magnetmetallkolloiden mit breiter Partikelgrößenverteilung (vgl. 1). Diese eignen sich nur beschränkt für die oben genannten Anwendungsgebiete, weil eine breite Partikelgrößenverteilung bei magnetischen Materialien nur eine ungenügende Aufmagnetisierung zulässt, d.h. der Anstieg der Magnetisierungskurve ist für praktische Zwecke zu gering (B in 3).

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, Magnetofluide mit hoher Sättigungsmagnetisierung für industrielle Anwendungen zu produzieren. Zwar konnten T. Händel, N.-D. Stahlmann, A. Nethe, J. Müller, N. Buske und A. Rehfeld (PCT/DE97/00443) durch Anwendung spezieller, korrosionsinhibierender Tenside und Eindampfen der erhaltenen Dispersion ein Magnetofluid von bis zu 35% Volumenkonzentration ferromagnetischer Komponente herstellen, das eine Sättigungsmagnetisierung von > 100 mT aufweist; dieser Syntheseweg führt jedoch keineswegs zu Magnetpartikeln mit der gewünschten Monodispersität. Außerdem müssen diese Magnetofluide in hohen Konzentrationen angewandt werden und ergeben mithin sehr zähflüssige Ferrofluide. Einen anderen Weg, monodisperse Co-Teilchen mit einer engen Größenverteilung aus Dispersionen mit großer Sättigungsmagnetisierung zu erhalten, beschritten M. Hilgendorff, B. Tesche und M. Giersig (Aust. J. Chem. 2001, 54, S. 497–501), unter Anwendung der magnetischen Separation. Nach dieser Methode gewinnt man zuerst Co-Kolloide mit einer breiten Größenverteilung, woraus ein bestimmter Bereich durch die magnetische Separation herausgefiltert werden muss. Dadurch wurde die Ausbeute an gewünschtem Material sehr gering. Nach C. Petit, A. Taleb und M. P. Pileni (J. Phys. Chem. B, Vol. 103 (11), 1999, S. 1805– 1810) erhält man monodisperse Co-Kolloid-Partikel durch Reduktion von Co-Salzen in inversen Mizellen mit NaBH₄. Dieses Material ist jedoch stark mit Borverbindungen verunreinigt und deshalb für eine industrielle Anwendung wenig geeignet. In WO 99/41758 sind ein- und mehrmetallische magnetische Kolloidpartikel der Größe bis zu 20 nm beschrieben, deren Oberfläche mit Edelmetallen vor Korrosion geschützt ist. Gegenstand dieser Erfindung ist jedoch ausschließlich die antikorrosive Behandlung von vorgefertigten Magnetmetallkolloiden. Die Herstellung der dazu eingesetzten Magnetmetallpartikel war ausschließlich nach bekannten Verfahren erfolgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ohne zusätzlichen Separationsschritt (wie z. B. Zentrifugieren oder magnetische Trennung) monodispense, magnetische Nanokolloide von einstellbarer Größe herzustellen, aus denen mit Dispergiermitteln Dispersionen von hoher Sättigungsmagnetisierung für die genannten Anwendungsgebiete erzeugt werden können.

Es wurde nun überraschend gefunden, dass durch Zersetzung, z. B. durch Thermolyse, Photolyse oder sonochemisch, von niedervalenten Verbindungen, wie Metallcarbonyl- oder Metallolefin-Verbindungen, von für die Bildung von ferromagnetischen Partikeln geeigneten Metallen, z. B. Fe, Co, Ni, in Gegenwart einer metallorganischen Verbindung von Metallen der Gruppe 13, wie z. B. Trialkyl-Aluminium- oder Alkyl-Aluminiumhydrid-Verbindungen, magnetische Nanokolloide mit sehr enger Größenverteilung (Standardabweichung laut TEM (Transmissions-Elektronenmikroskopie) = max. 1,6 nm) erhalten werden (s. 2), deren mittlere Partikelgröße zwischen 2 nm und ca. 15 nm, mindestens aber bis ca. 10,5 nm einstellbar ist. Die Magnetisierungskurve (A in 3) einer erfindungsgemäß hergestellten Dispersion von 10 nm Cobalt-Partikeln zeigt eine Magnetisierung von 11,6 mT bei einer Konzentration von nur 0,6 Vol.-% Cobalt. Die Einstellung der mittleren Partikelgröße wird durch den Alkylrest und die Konzentration der metallorganischen Verbindung gesteuert. Werden Mischungen niedervalenter Verbindungen von unterschiedlichen Metallen eingesetzt, entstehen mehrmetallische Magnetpartikel (Legierungspartikel).

Bei jeweils gleichem molaren Verhältnis von Co : Al von ca. 10:1 ergibt die Themolyse von Co-Carbonyl in Gegenwart von Al(C₈H₁₇)₃ eine Co-Partikelgröße von 10 nm, in Gegenwart von Al(C₂H₅)₃ eine solche von 6 nm und in Gegenwart von Al(CH₃)₃ eine von 3,5 nm. Verändert man bei Al(C₈H₁₇)₃ das molare Verhältnis von Co:Al im Ansatz von 12:1 auf 0,5:1 verändert sich die Partikelgröße von 10 auf 5,4 nm

Die so erhaltenen magnetischen Nanopartikel von wahlweise 2 nm bis 15 nm, mindestens aber bis 10,5 nm Größe lassen sich in isolierter Form einsetzen oder mit Hilfe von Dispergiermitteln (z.B. Korantin SH der Fa. BASF oder Sarcosyl der Fa. Merck) kolloidal in Lösung bringen und in Form von Magnetofluiden weiter verwenden. Ohne damit ihre Anwendungsbereiche einschränken zu wollen, seien folgende Beispiele genannt: Dichtmedium gegen Staub und Gase in Magnetfluiddichtungen (flüssiger O-Ring), Schmierung und Lagerung rotierender Wellen (magnetische Levitationslager) sowie die magneto-optische Informationsspeicherung z. B. in Compact- und Minidisks. Nach Aufbringung einer zellverträglichen Schicht (z.B. Gold, cf. WO 99/41758) auf die Partikeloberfläche eignen sie sich ferner zur magnetischen in-vitro Markierung von Zellen und können zur magnetischen Separation markierter Zellen in biologischen Proben oder zur Lokalapplikation von Medikamenten eingesetzt werden. Die Monodispersität der erfindungsgemäß hergestellen magnetischen Nanopartikel ist für sämtliche Anwendungsgebiete von entscheidendem Vorteil.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung ohne sie zu beschränken:

3 g (17,55 mmol Co) festes Co₂(CO)₈ wurden unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einen 500 ml Kolben bei Raumtemperatur mit einer Lösung von 0,73 g = 0,88 ml (1,435 mmol) Al(C₈H₁₇)₃ in 300 ml Toluol versetzt. Unter Rühren (keine magnetische Rührung) wurde die resultierende Lösung 4 h auf 110°C bis zum Rückfluss erhitzt und anschließend die Badtemperatur für 1 h auf 150°C erhöht. Hierbei bildete sich unter Gasentwicklung und Verfärbung nach tiefbraun eine klare Lösung und ein nahezu schwarzer Niederschlag. Unter Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Reaktionsmischung weitere 16 h gerührt und die überstehende Lösung vom Niederschlag abdekantiert. Die Reaktion ist vollständig, wenn keine weitere Gasentwicklung mehr zu beobachten ist. Der verbleibende Rückstand (Co-Partikel) wurde mit 2 ml (1,77 g, 5 mmol) des Dispergiermittels Korantin SH (Firma BASF) in 50 ml Toluol versetzt, wobei ein vollständig klares, tief schwarzbraun gefärbtes Co-Magnetofluid erhalten wurde. Es enthält 67,85 Gew.-% Co und 0,98 Gew.-% Al und hat eine Partikelgröße von 10 nm ± 1.1 nm (siehe 2).

3,4 g (20 mmol Co) festes Co₂(CO)₈ wurden unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einen 500 ml Kolben bei Raumtemperatur mit einer Lösung von 0,228 g = 0,3 ml ( 2 mmol) Al(C₂H₅)₃ in 300 ml Toluol versetzt. Unter Rühren (keine magnetische Rührung) wurde die resultierende Lösung 4 h auf 110 °C bis zum Rückfluß erhitzt und anschließend die Radtemperatur für 1 h auf 150 °C erhöht. Hierbei bildete sich unter Gasentwicklung und Verfärbung nach tiefbraun eine klare Lösung und ein nahezu schwarzer Niederschlag. Die Reaktion ist vollständig, wenn keine weitere Gasentwicklung mehr zu beobachten ist. Unter Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Reaktionsmischung weitere 16 h gerührt und die überstehende Lösung vom Niederschlag abdekantiert. Der verbleibende Rückstand (Co-Partikel) wurde mit 2 ml (1,77 g, 5 mmol) des Dispergiermittels Korantin SH (Firma BASF) in 50 ml Toluol versetzt, wobei ein vollständig klares, tief schwarzbraun gefärbtes Co-Magnetofluid erhalten wurde. Es enthält 69,20 Gew.-% Co und 2,21 Gew.-% Al und hat eine Partikelgröße von 6,15 nm ± 1,57 nm.

3,4 g (20 mmol Co) festes Co₂(CO)₈ wurden unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einen 500 ml Kolben bei Raumtemperatur mit einer Lösung von 0,144 g = 0,19 ml (2 mmol) Al(CH₃)₃ in 300 ml Toluol versetzt. Unter Rühren (keine magnetische Rührung) wurde die resultierende Lösung 4 h auf 110°C bis zum Rückfluß erhitzt und anschließend die Badtemperatur für 1 h auf 150°C erhöht. Hierbei bildet sich unter Gasentwicklung und Verfärbung nach tiefbraun eine klare Lösung und ein nahezu schwarzer Niederschlag. Die Reaktion ist vollständig, wenn keine weitere Gasentwicklung mehr zu beobachten ist. Unter Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Reaktionsmischung weitere 16 h gerührt und die überstehende Lösung vom Niederschlag abdekantiert. Der verbleibende Rückstand (Co-Partikel) wurde mit 2 ml (1,77 g, 5 mmol) des Dispergiermittels Korantin SH (Firma BASF) in 50 ml Toluol versetzt, wobei ein vollständig klares, tief schwarzbraun gefärbtes Co-Magnetofluid erhalten wurde. Es enthält 34,50 Gew.-% Co und 8,44 Gew.-% Al und hat eine Partikelgröße von 3,5 nm ± 0,72 nm.

3,64 g (21,3 mmol Co) festes Co₂(CO)₈ wurden unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einen 500 ml Kolben bei Raumtemperatur mit einer Lösung von 15,62 g (42,60 mmol) Al(C₈H₁₇)₃ in 300 ml Toluol versetzt. Unter Rühren (keine magnetische Rührung) wurde die resultierende Lösung 4 h auf 130°C bis zum Rückfluß erhitzt und anschließend die Badtemperatur für 1 h auf 150°C erhöht. Hierbei bildet sich unter Gasentwicklung und Verfärbung nach tiefbraun eine klare Lösung ohne Niederschlag. Die Reaktion ist vollständig, wenn keine weitere Gasentwicklung mehr zu beobachten ist. Unter Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Reaktionsmischung weitere 16 h gerührt und die resultierende Lösung mit 2 ml (1,77 g, 5 mmol) des Dispergiermittels Korantin SH (Firma BASF) versetzt, wobei ein vollständig klares, tief schwarzbraun gefärbtes Co-Magnetofluid erhalten wurde. Es enthält 9,05 Gew.-% Co und 8,76 Gew.-% Al; 65,10 Gew.-% C; 10,18 Gew.-% H und hat eine Partikelgröße von 5,4 nm ± 1,0 nm.

In einem 500 ml Dreihalskolben wurden unter Schutzgasatmosphäre (Argon) 0,88 ml (0,73 g, 2 mmol) Al(C₈H₁₇)₃ in 300 ml Toluol gelöst und anschließend 2,7 ml (3,92 g, 20 mmol) flüssiges Fe(CO)₅ zugegeben. Für 6 h auf 110°C wurde das Reaktionsgemisch unter Rühren (keine magnetische Rührung) bis zum Rückfluss erhitzt, anschließend die Radtemperatur zunächst für 1 h auf 130°C gebracht und danach noch für 1 h auf 150°C erhöht. Die Reaktion ist vollständig, wenn keine weitere Gasentwicklung mehr zu beobachten ist. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur lässt man die erhaltene Suspension über Nacht weiterrühren. Unter Verfärbung nach tiefbraun bildet sich eine Dispersion und ein nahezu schwarzer Niederschlag. Nach Abdekantieren des Lösemittels wurden die Fe-Partikel durch Zugabe des Dispergiermittels N-Lauroylsarcosin-Na-Salz (Sarcosyl der Firma Merck) in Toluol repeptisiert und man erhält ein langzeitstabiles Fe-Magnetofluid der Größe 10,5 nm ± 1,2 nm.

3,42 g (20 mmol Co) festes Co₂(CO)₈ wurden unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einen 250 ml Kolben bei Raumtemperatur mit 2 g einer 50%igen Lösung von (C₄H₉)₂ AlH (7 mmol) in Toluol versetzt. Unter Rühren (keine magnetische Rührung) wurde die resultierende Lösung 5 h auf 110°C bis zum Rückfluss erhitzt. Hierbei bildet sich unter Gasentwicklung und Verfärbung nach tiefbraun eine klare Lösung und ein nahezu schwarzer Niederschlag. Unter Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Reaktionsmischung weitere 16 h gerührt und die überstehende Lösung vom Niederschlag abdekantiert. Die Reaktion ist vollständig, wenn keine weitere Gasentwicklung mehr zu beobachten ist. Der verbleibende Rückstand (Co-Partikel) wurde mit 1 ml (0,89 g, 2,5 mmol) des Dispergiermittels Korantin SH (Firma BASF) in 30 ml Toluol versetzt, wobei ein vollständig klares, tief schwarzbraun gefärbtes Co-Magnetofluid der Größe 3,4 nm ± 1,3 nm erhalten wurde.

3 g (17,55 mmol Co) festes Co₂(CO)₈ wurden unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einen 500 ml Kolben bei Raumtemperatur in 300 ml Toluol unter Zugabe von 2 ml (1,77 g, 5 mmol) des Dispergiermittels Korantin SH (Firma BASF) gelöst. Unter Rühren (keine magnetische Rührung) wurde die resultierende Lösung 4 h auf 110°C bis zum Rückfluß erhitzt und anschließend die Radtemperatur für 1 h auf 150°C erhöht. Hierbei bildet sich unter Gasentwicklung und Verfärbung eine tiefschwarz-braune Reaktionsmischung. Die Reaktion ist vollständig, wenn keine weitere Gasentwicklung mehr zu beobachten ist. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur und weiteren 16 h Rühren erhält man das Co-Magnetofluid mit einer breit gestreuten Co-Partikelgrößenverteilung zwischen 1.8 und 15 nm (1).

0,275 g (1 mmol Ni) festes Ni(COD)₂ werden unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einen 500 ml Kolben in 300 ml Toluol bei Raumtemperatur mit 0,228 g = 0,3 ml (2 mmol) Al(C₂H₅)₃ versetzt. Unter Rühren (keine magnetische Rührung) wird die resultierende Lösung 4 h auf 110°C bis zum Rückfluss erhitzt. Hierbei bildet sich eine tiefbraunschwarze Reaktionsmischung. Unter Abkühlen auf Raumtemperatur wird die Reaktionsmischung weitere 16 h gerührt und von allem Flüchtigen im Vakuum (10-3 mbar) befreit. Der verbleibende Rückstand (Ni-Partikel) wird mit 2 ml (1,77 g, 5 mmol) des Dispergiermittels Korantin SH (Firma BASF) in 50 ml Toluol versetzt, wobei ein tief schwarzbraun gefärbtes Ni-Magnetofluid der Partikelgröße von 2,5 nm ± 0,8 nm erhalten wird.