CN101733066B

CN101733066B - 一种内表面疏水外表面亲水的介孔材料的制备方法

Info

Publication number: CN101733066B
Application number: CN2008102288840A
Authority: CN
Inventors: 祁艳霞; 关亚风; 王�华; 朱道乾; 卢烈娟
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2028-11-19
Also published as: CN101733066A

Abstract

本发明涉及一种内表面疏水外表面亲水的介孔材料的制备方法。本方法包括材料的共沉淀合成、外表面修饰和成孔剂去除三步。采用四烷氧基硅烷和含有疏水官能团的硅氧烷为混合硅源，碱性条件下水解合成含有成孔剂的疏水介孔材料。将该材料与含有或可生成亲水官能团的硅氧烷在甲苯中反应，该反应在氮气保护下进行。将反应后产物采用酸化醇萃取，除去成孔剂。疏水-亲水介孔材料不仅可以大大降低样品预处理过程中高分子量生物基质的干扰，提高对蛋白质或肽的筛分能力，而且对小分子蛋白及肽具有很高的洗脱回收率，适合于复杂生物基质中药物及低分子量蛋白的选择性萃取。

Description

一种内表面疏水外表面亲水的介孔材料的制备方法

技术领域

本发明涉及杂化介孔材料，具体地说是一种在介孔硅材料的孔内外表面分别修饰不同有机功能基团的制备方法。

背景技术

近年来，有基于介孔材料吸附药物及生物分子的研究报道，使得介孔材料在生物领域得到了蓬勃的发展。特别是利用介孔材料严格限制的孔径，来选择性萃取相对于孔径较小的目标分子。但是，介孔材料在选择性萃取方面也存在一定的问题：1、虽然孔径可以严格限制大蛋白进入孔内，但是孔外表面还是可以吸附分子尺寸大于孔径的分子，经常会被误认为孔内的吸附，而且外表面所吸附的较大蛋白阻碍了介孔对较小的目标蛋白的孔内吸附，从而影响了选择性吸附能力和吸附容量。(A.Katiyar，L.Ji，P.Smirniotis，N.Pinto，Microporous Mesoporous Mater.80(2005)311.)在以前的工作中，关亚风等人已采用烷基二醇基对介孔二氧化硅材料的孔外表面进行修饰，减少了高分子量蛋白的非选择性吸附。(专利申请号：200810228227.6)。2、二氧化硅材料虽然对蛋白分子具有吸附作用，但是吸附上去的蛋白的解吸率比较低，大部分蛋白存在不可逆吸附作用。需要对二氧化硅介孔材料进行改性，使其不仅对蛋白等目标分子等具有高的筛分能力，还需要吸附到材料上的蛋白具有很好的脱附效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种孔内外表面分别修饰不同功能基团的介孔材料的制备方法。可以根据实际需要，将材料孔内外表面修饰不同的官能基团。方法简单易行。当采用内表面乙烯基外表面烷基二醇基修饰时，该材料可以提高对生物基质中的低分子量蛋白和肽的筛分能力和萃取回收率.材料孔外表面的烷基二醇基可以减少大分子基质的干扰，孔内表面的乙烯基对小分子蛋白及肽具有较高的萃取效率。乙烯基-烷基二醇基介孔材料适合于复杂生物基质中药物及低分子量蛋白的选择性萃取。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种在介孔材料的孔内外表面分别修饰乙烯基和烷基二醇基的制备方法。1)材料的共沉淀合成：四甲(或乙)氧基硅烷：含有疏水官能团的硅氧烷:成孔剂:催化剂:水以1:0.05-0.5:0.02-0.5:0.004-10:100-2200摩尔比混合，40-120℃水热反应1-5天。后过滤、洗涤、干燥材料。

2)外表面修饰：将0.5-5.0g上述合成的粉末在60-100℃下真空干燥2-20小时，将干燥好的含有成孔剂的材料加入到圆底烧瓶中，并在氮气保护下向烧瓶内加入30-150mL干燥有机溶剂，待材料完全分散于干燥有机溶剂后，加入2-10mL含有或可生成亲水官能团的硅氧烷，氮气保护下在40-110℃下回流反应3-24小时。反应后抽滤得到产品，并用干燥有机溶剂多次洗涤，真空干燥备用。

3)去除成孔剂：将上面反应后干燥的材料0.5-5.0g放到100-1000mL无水醇中，并加入3-10mL1-12M浓盐酸，20-90℃下搅拌6-24小时，萃取后，过滤，用无水醇多次洗涤，真空干燥。

所述反应是采用共沉淀法将疏水基团引入到介孔材料中的。含有疏水官能团的硅氧烷包括苯基三甲(或乙)氧基硅烷、烷基(C₁-C₁₈)三甲(或乙)氧基硅烷、烯基(C₂-C₁₈)三甲(或乙)氧基硅烷、芳烃基三甲(或乙)氧基硅烷等。所述催化剂为氢氧化钠、氨水或盐酸等。

所述外表面亲水基团修饰是在成孔剂存在的条件下进行的，这样才能保证亲水基团是修饰在孔外表面的；所述成孔剂为阳离子型如十六烷基三甲基溴化铵，阴离子型如十二烷基硫酸钠和非离子型如聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物；

所述外表面修饰试剂为含有或可生成亲水官能团的硅氧烷。所述含有或可生成亲水官能团的硅氧烷为3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、5，6-环氧已基三乙氧基硅烷以及其它含有或可生成邻二醇基的硅氧烷等。

所述无水有机溶剂为干燥甲苯、异丙醇、正已烷、环已烷、苯等惰性有机溶剂。所述萃取成孔剂试剂无水醇可以是甲醇、乙醇或异丙醇等。

本发明所制备的介孔材料可为M41S系列、FSM-16、HMS、SBA-n、KIT-1和MSU等类型。

本发明具有如下优点：

1.该材料可以提高对生物基质中的低分子量蛋白和肽的筛分能力和萃取效率.这是由于修饰在材料孔外表面的亲水基团降低了其与高分子量蛋白的吸附作用，从而减少了吸附在孔外表面蛋白对孔的堵塞作用，使低分子量蛋白更易吸附到孔内；孔内表面的疏水基团减少了硅羟基对蛋白及肽的不可逆吸附，提高了解析效率。疏水-亲水介孔材料适合于复杂生物基质中药物及低分子量蛋白的高效、选择性萃取。

2.用途广。可根据具体目标分子或需要来选择修饰试剂，将材料孔内外表面修饰不同的官能基团。方法简单易行。

附图说明

图1为实施例1制备的乙烯-烷基二醇修饰材料结构示意图。乙烯基是采用共沉淀法引入到介孔材料的孔道内部的。由于乙烯基是疏水基团，在合成过程中，疏水基团倾向于指向成孔剂的胶束内，所以乙烯基存在于介孔材料的孔道内部(Chem.Mater.2003，15，4247-4256)。外表面修饰是在介孔材料成孔剂存在的条件下与3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷反应，这就保证了反应是发生在介孔材料的孔外表面的。采用盐酸酸化乙醇萃取成孔剂的同时将外表面的环氧烷基转化为烷基二醇基。

图2为实施例1制备的乙烯-烷基二醇修饰介孔材料的孔径分布和透射电镜图。

图3为实施例1制备的乙烯-烷基二醇材料萃取胰岛素、细胞色素c与牛血清蛋白酶切肽段混合物a)b)后解吸液c)d)MALDI-TOF MS图；a)，c)1-3.5kDa；b)，d)3-14kDa。

图4为实施例1制备的乙烯-烷基二醇材料萃取人血浆a)b)c)后解吸液d)e)f)MALDI-TOF MS图；a)，d)1-5kDa；b)，e)5-10kDa；c)，f)10-90kDa。

具体实施方式

本方法包括材料的共沉淀合成、外表面修饰和成孔剂去除三步。采用四烷氧基硅烷和含有疏水官能团的硅氧烷为混合硅源，碱性条件下水解合成含有成孔剂的疏水介孔材料。将该材料与含有或可生成亲水官能团的硅氧烷在甲苯中反应，该反应在氮气保护下进行。将反应后产物采用酸化醇萃取，除去成孔剂。疏水-亲水介孔材料不仅可以大大降低样品预处理过程中高分子量生物基质的干扰，提高对蛋白质或肽的筛分能力，而且对小分子蛋白及肽具有很高的洗脱回收率，适合于复杂生物基质中药物及低分子量蛋白的选择性萃取。

实施例1

1)材料的共沉淀合成：

以四乙氧基硅烷:乙烯基三乙氧基硅烷:十六烷基三甲基溴化铵:氢氧化钠:水以一定的摩尔比为1:0.25:0.15:0.38:125的比例混合，87℃下水热反应2天。后过滤、水洗、干燥材料。(参考文献：Lim，M.H.；Blanford，C.F.；Stein，A.J.Am.Chem.Soc.1997，119，4090.)

2)外表面修饰：

外表面修饰：将1.0g上述合成的粉末在90℃下真空干燥12小时，将干燥好的含有成孔剂的材料加入到圆底烧瓶中，并在氮气保护下向烧瓶内加入60mL干燥甲苯，待材料完全分散于干燥有机溶剂后，加入3mL3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，氮气保护下在100℃下反应24小时。反应后抽滤得到产品，并用干燥甲苯多次洗涤，真空干燥备用。

3)去除成孔剂：将上面反应后干燥的材料1.0g放到200mL无水乙醇中，并加入3mL4M浓盐酸，60℃下搅拌12小时，萃取后，过滤，用无水乙醇6次洗涤，真空干燥，得到乙烯-烷基二醇介孔材料。

N₂吸附测定材料孔径分布范围窄，透射电镜测定材料具有有序介孔结构，由于引入较大量的有机基团，有序度不高。

实施例2

1)材料的共沉淀合成：

2)外表面修饰：

外表面修饰：将2.0g上述合成的粉末在80℃下真空干燥15小时，将干燥好的含有成孔剂的材料加入到圆底烧瓶中，并在氮气保护下向烧瓶内加入100mL干燥环已烷，待材料完全分散于干燥环已烷后，加入6mL 3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，氮气保护下在60℃下反应24小时。反应后抽滤得到产品，并用干燥环已烷多次洗涤，真空干燥备用。

3)去除成孔剂：将上面反应后干燥的材料2.0g放到300mL无水甲醇中，并加入5mL5M浓盐酸，50℃下搅拌14小时，萃取后，过滤，用无水甲醇5次洗涤，真空干燥，得到乙烯-烷基二醇介孔材料。

应用例1

图3为实施例1制备的乙烯-烷基二醇材料萃取胰岛素、细胞色素c与牛血清蛋白酶切肽段混合物a)b)后解吸液c)d)MALDI-TOF MS图。

样品处理条件：胰岛素、细胞色素c与牛血清蛋白酶切肽段混合物与乙烯-烷基二醇材料混合，2小时后离心混合液，去上清，水洗材料后，采用50％乙腈水溶液(0.1％TFA)解吸吸附到材料上的蛋白(肽)。质谱分析条件：MALDI-TOF MS采用Applied Biosystems 4800蛋白分析仪。酶切肽段和低分子量蛋白和肽(m/z<5000)采用正反射模式，对于蛋白(m/z>5000)采用线性模式。仪器采用肌球蛋白的酶切肽混合物作为内标校正仪器。每个谱图由1000次采集得到。

由图3可知，实施例1制备的乙烯-烷基二醇材料可以选择性富集低分子量物质(牛血清蛋白酶切肽段和胰岛素)，而将高分子量蛋白(细胞色素c)排除掉。

应用例2

图4为实施例1制备的乙烯-烷基二醇材料萃取人血浆a)b)c)后解吸液d)e)f)MALDI-TOF MS图。

血浆样品的处理过程与蛋白(肽)混合物处理步骤基本相同，只是在萃取之前将血浆原液稀释1.5倍，解吸时先采用50％乙腈水溶液(0.1％TFA)解吸，再采用80％乙腈水溶液(0.1％TFA)解吸，使解吸完全。质谱条件与上面相同。

由图4可知，实施例1制备的乙烯-烷基二醇材料可以可以选择性富集血浆中分子量小于11kDa的蛋白和肽，排除了高丰度人血清蛋白等高分子量蛋白的干扰，对临床上疾病相关的低丰度蛋白的发现具有潜在的应用价值。

Claims

1.一种内表面疏水外表面亲水的介孔材料的制备方法，其特征在于：

1)材料的共沉淀合成：四甲氧基硅烷或乙氧基硅烷∶含有疏水官能团的硅氧烷∶成孔剂∶催化剂∶水以1∶0.05-0.5∶0.02-0.5∶0.004-10∶100-2200摩尔比混合，40-120℃水热反应1-5天；后过滤、洗涤、自然干燥，得粉末材料；

2)外表面修饰：将0.5-5.0g上述合成的粉末在60-100℃下真空干燥2-20小时，将干燥好的含有成孔剂的材料加入到圆底烧瓶中，并在氮气保护下向烧瓶内加入30-150mL干燥有机溶剂，待材料完全分散于干燥有机溶剂后，加入2-10mL含有或可生成亲水官能团的硅氧烷，氮气保护下在40-110℃下回流反应3-24小时；反应后抽滤得到产品，并用干燥有机溶剂2-6次洗涤，真空干燥备用；

2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述反应是采用共沉淀法将疏水基团引入到介孔材料中的，含有疏水官能团的硅氧烷为C₁-C₁₈烷基三甲氧基硅烷、C₁-C₁₈烷基三乙氧基硅烷、C₂-C₁₈烯基三甲氧基硅烷、C₂-C₁₈烯基三乙氧基硅烷、芳烃基三甲氧基硅烷或芳烃基三乙氧基硅烷。

3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂为氢氧化钠、氨水或盐酸。

4.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述外表面亲水基团修饰是在成孔剂存在的条件下进行的，这样才能保证亲水基团是修饰在孔外表面的；步骤1)所述成孔剂为阳离子型十六烷基三甲基溴化铵，阴离子型十二烷基硫酸钠或非离子型聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物。

5.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述外表面修饰试剂是含有或可生成亲水官能团的硅氧烷，其为3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、5，6-环氧己基三乙氧基硅烷、或其它含有或可生成邻二醇基的硅氧烷。

6.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述干燥有机溶剂为惰性有机溶剂无水甲苯、异丙醇、正己烷、环己烷或苯。

7.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述萃取成孔剂试剂无水醇为甲醇、乙醇或异丙醇。