CN108046277B - 一种微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法。该制备方法包括如下步骤：1)单分散中空二氧化硅微球的制备；2)单分散中空二氧化硅微球的表面修饰；3)表面修饰后的中空二氧化硅微球的内外表面吸附Fe³⁺和Fe²⁺离子；4)Fe³⁺和Fe²⁺离子以磁性四氧化三铁纳米颗粒形式沉降至中空二氧化硅微球的外表面和内表面；5)离心分离除去游离的磁性四氧化三铁纳米颗粒；6)在经步骤5)处理后得到的微球的表面包覆二氧化硅壳层，得到微米级中空磁性二氧化硅微球。本发明的制备方法制得的微米级中空磁性二氧化硅微球相对密度小，具有良好的悬浮性、快速的磁响应性，便于规模化生产。

Description

一种微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法

技术领域

本发明属于新材料及生物医学技术领域，涉及一种微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法。

背景技术

目前，磁性微球在催化、数据存储、临床诊断、生物大分子的分离纯化、磁共振成像等方面获得越来越广泛的应用。尤其在生物医学领域的应用尤为突出，在该领域的应用中，要求磁性微球本身具备许多优良的物理化学性质，这些性质包括：良好的生物兼容性、灵敏的磁响应能力、粒径高度均一性以及适当的悬浮能力、合适的功能基团等。

二氧化硅是复合磁性微球制备中常用的一种材料，具有良好的生物兼容性，也是目前色谱填料中应用最为广泛的材料；表面分布着丰富的硅羟基，可利用不同的硅烷化试剂来方便的引入不同的功能基团或者改变表面的亲疏水能力。但是，二氧化硅在磁性微球制备中主要局限于1μm以下的磁性微球，1μm以上的磁性微球的制备中则主要使用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯等有机聚合物材料。这主要是因为二氧化硅的相对密度比较大(无定形二氧化硅相对于水的密度为2.2)，1μm以下磁性二氧化硅微球由于粒径相对较小，在水中仍然具有较好的悬浮性能；当粒径继续增大时，磁性二氧化硅的沉降速度会过快，这就导致磁球无法与兴趣组分充分混合，影响了磁球与这些组分的结合效率。

CN101499348A公开了一种中空二氧化硅/磁性复合微球及其制备方法。该磁性复合微球是在带磺酸基团的中空二氧化硅微球表面包埋一层磁性颗粒而组成。其组成原料为带磺酸基团的中空二氧化硅微球、三价铁盐、二价过渡金属盐、氧化剂、分散剂、碱，按合适的重量配比、经超声分散、微粒包埋、后处理等步骤而制备获得。由本发明制得中空二氧化硅/磁性复合微球密度小，机械和化学稳定性好，粒径可控，具有优良的磁性能，且磁性能可通过调节三价铁盐与二价过渡金属盐之间的比例以获得亚铁磁性或者超顺磁性。但是，该发明的中空二氧化硅/磁性复合微球仅在中空二氧化硅微球的表面包埋一层磁性颗粒，磁响应性有待进一步提高。

目前，微米级磁性微球的主流制备方法是以单分散多孔或实心聚合物微球为模板，在聚合物模板微球孔洞或表面沉降磁性材料得到的磁性聚合物微球。为扩展二氧化硅材料在微米以上磁性微球制备中的应用，丰富磁性微球的产品类型，增加科研工作者的选择空间，非常有必要开发一类具有良好悬浮性、快速磁响应性、便于规模化生产的微米级单分散磁性二氧化硅微球。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，制得的微米级中空磁性二氧化硅微球粒径为微米级，相对密度小，具有良好的悬浮性、快速的磁响应性，便于规模化生产。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)单分散中空二氧化硅微球的制备：以带有功能基团的单分散聚合物为模板，采用

方法在表面沉积二氧化硅壳层，随后经过煅烧除去中间的聚合物模板，得到单分散中空二氧化硅微球；

2)单分散中空二氧化硅微球的表面修饰：将步骤1)得到的单分散中空二氧化硅微球在内外表面引入功能基团；

3)Fe³⁺和Fe²⁺的吸附：将经步骤2)表面修饰后的中空二氧化硅微球与Fe³⁺和Fe²⁺可溶性铁盐溶液混合搅拌，在经表面修饰后的中空二氧化硅微球的内外表面吸附Fe³⁺离子和Fe²⁺离子，得到中空二氧化硅微球与铁盐的分散液；

4)磁性四氧化三铁纳米颗粒的沉降：将碱液滴加至步骤3)得到的中空二氧化硅微球与铁盐的分散液中，Fe³⁺离子和Fe²⁺离子以磁性四氧化三铁纳米颗粒形式沉降至中空二氧化硅微球的外表面和内表面；

5)游离四氧化三铁纳米颗粒的去除：多次离心分离除去步骤4)的溶液中游离的磁性四氧化三铁纳米颗粒；

6)表面二氧化硅包覆层的制备：以TEOS为前体，使用

方法在步骤5)处理得到的微球的表面包覆二氧化硅壳层，得到所述微米级中空磁性二氧化硅微球。

本发明中，用于制备中空二氧化硅微球的聚合物模板微球可以是任何聚合物微球，这些聚合物微球本身带有氨基、羧基或经过修饰后可引入这些基团，这些基团能够引导二氧化硅沉积于聚合物微球的表面，经过煅烧除去聚合物模板后得到单分散中空二氧化硅微球。通过采用不同粒径的聚合物微球模板及调节二氧化硅的包覆厚度，煅烧后可制备不同粒径的中空二氧化硅微球。中空二氧化硅微球外表面和中空的内表面接枝氨基、羧基等功能基团；修饰后的中空二氧化硅微球与Fe³⁺和Fe²⁺混合搅拌吸附两种价态铁离子；用氢氧化钠或氨水调节分散液pH，磁性四氧化三铁纳米颗粒沉积于修饰后的中空二氧化硅模板微球的外表面和内表面，经过离心清洗除去悬浮的磁性四氧化三铁纳米颗粒，得到具有中空结构的磁性二氧化硅微球，最后再通过

方法在外表面包覆一层二氧化硅壳层。这种新型结构的微米级中空磁性二氧化硅微球具有内外两层磁性材料的沉积层，因此磁含量高，磁响应更加灵敏；中空的结构使整个微米级中空磁性二氧化硅微球的相对密度降低，从而具有更好的悬浮性能。本发明制备中空结构的磁性二氧化硅微球的方法条件温和，操作方法简便易行，过程可控，易于批量生产，具有良好的应用及工业化生产前景。

优选地，步骤2)的具体过程为，将单分散的微米级中空二氧化硅微球通过硅烷化试剂改性或通过基团转换在内外表面引入氨基和/或羧基基团。

本发明的步骤2)中，所述硅烷化试剂为氨基硅烷偶联剂或环氧基硅烷偶联剂。

优选地，所述氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷和/或γ-氨丙基三甲氧基硅烷。

优选地，所述环氧基硅烷偶联剂为γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。

作为优选方案，步骤2)的具体过程为，将单分散的微米级中空二氧化硅微球加入甲苯中，通过机械搅拌和超声分散均匀，加入氨基硅烷偶联剂或环氧基硅烷偶联剂，加热至60～80℃回流24～72h，冷却后离心分离，再用乙醇和水清洗各2～5次，得到表面氨基或环氧基团修饰的中空二氧化硅微球。

步骤1)中，所述微米级中空磁性二氧化硅微球的粒径范围为0.5～50μm，例如微米级中空磁性二氧化硅微球的粒径范围为0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm。

作为本发明的优选方案，步骤3)的具体过程为，将经步骤2)表面修饰后的中空二氧化硅微球与Fe³⁺和Fe²⁺可溶性铁盐溶液混合，超声分散，在室温氧气保护下搅拌1～1.5h，在经表面修饰后的中空二氧化硅微球的内外表面吸附Fe³⁺离子和Fe²⁺离子，得到中空二氧化硅微球与铁盐的分散液。

步骤3)中，所述Fe³⁺可溶性铁盐溶液为氯化铁、硫酸铁和硝酸铁中的一种或至少两种的混合物。

优选地，所述Fe²⁺可溶性铁盐溶液为氯化亚铁、硫酸亚铁和硝酸亚铁中的一种或至少两种的混合物。

优选地，所述Fe³⁺可溶性铁盐溶液与所述Fe²⁺可溶性铁盐溶液的摩尔比为(2:1)～(2:1.2)，例如Fe³⁺可溶性铁盐溶液与所述Fe²⁺可溶性铁盐溶液的摩尔比为2:1、2:1.1、2:1.2。

作为优选方案，步骤4)的具体过程为，将碱液通过分液漏斗逐滴滴加至步骤3)得到的中空二氧化硅微球与铁盐的分散液中，Fe³⁺离子和Fe²⁺离子以磁性四氧化三铁纳米颗粒形式沉降至中空二氧化硅微球的外表面和内表面。

优选地，所述碱液为氨水或氢氧化钠溶液。

优选地，所述磁性四氧化三铁纳米颗粒的质量与所述中空二氧化硅微球的质量比为(1:9)～(1:1)，例如所述磁性四氧化三铁纳米颗粒的质量与所述中空二氧化硅微球的质量比为1:9、1:8、1:7、1:6、1:5、1:4、1:3、1:2、1:1。

步骤6)中，所述二氧化硅壳层的厚度为50～100nm，例如二氧化硅壳层的厚度为50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm。

作为本发明的优选方案，一种微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)单分散中空二氧化硅微球的制备：以带有功能基团的单分散聚合物为模板，采用

方法在表面沉积二氧化硅壳层，煅烧除去聚合物模板，得到单分散中空二氧化硅微球；

2)单分散中空二氧化硅微球的表面修饰：将单分散的微米级中空二氧化硅微球加入甲苯中，通过机械搅拌和超声分散均匀，加入氨基硅烷偶联剂或环氧基硅烷偶联剂，加热至60～80℃回流24～72h，冷却后离心分离，再用乙醇和水清洗各2～5次，得到表面氨基或环氧基团修饰的中空二氧化硅微球；

3)Fe³⁺和Fe²⁺的吸附：将经步骤2)表面修饰后的中空二氧化硅微球与Fe³⁺和Fe²⁺可溶性铁盐溶液混合，所述Fe³⁺可溶性铁盐溶液与所述Fe²⁺可溶性铁盐溶液的摩尔比为(2:1)～(2:1.2)，超声分散，在室温氧气保护下搅拌1～1.5h，在经表面修饰后的中空二氧化硅微球的内外表面吸附Fe³⁺离子和Fe²⁺离子，得到中空二氧化硅微球与铁盐的分散液；

4)磁性四氧化三铁纳米颗粒的沉降：将氨水或氢氧化钠溶液通过分液漏斗逐滴滴加至步骤3)得到的中空二氧化硅微球与铁盐的分散液中，Fe³⁺离子和Fe²⁺离子以磁性四氧化三铁纳米颗粒形式沉降至中空二氧化硅微球的外表面和内表面，所述磁性四氧化三铁纳米颗粒的质量与所述中空二氧化硅微球的质量比为(1:9)～(1:1)；

5)游离四氧化三铁纳米颗粒的去除：多次离心分离除去步骤4)的溶液中游离的磁性四氧化三铁纳米颗粒；

6)表面二氧化硅包覆层的制备：以TEOS为前体，使用

方法在步骤5)处理得到的微球的表面包覆厚度为50～100nm的二氧化硅壳层，得到所述微米级中空磁性二氧化硅微球。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，以高度单分散的微米级中空二氧化硅微球为模板，保证了最终的微米级的微米级中空磁性二氧化硅微球的粒径高度均一性；采用不同粒径的中空二氧化硅微球为模板及调节二化硅外壳的包覆厚度可精确控制磁性二氧化硅微球产品的粒径；制得的微米级中空磁性二氧化硅微球的粒径为0.5～50μm，相对密度小，接近于水，并可调节。

(2)本发明的微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，以中空的二氧化硅微球为模板，磁性四氧化三铁纳米颗粒不但沉降于修饰后中空二氧化硅微球的外表面，也沉降于内表面，同时微球内部仍然保留了中空结构，导致了最终微米级中空磁性二氧化硅微球产品中仍然保留着中空结构，提供了良好的悬浮能力。

(3)本发明的微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，在模板中空二氧化硅微球的内外表面均沉积了磁性材料，保证了整个微米级中空磁性二氧化硅微球灵敏的磁响应能力。

(4)本发明的微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，制得的微米级中空磁性二氧化硅微球具有良好的生物相容性，且表面通过硅烷化试剂可方便的引入各种功能基团。

(5)本发明的微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，制备条件温和，操作方法简便易行，过程可控，易于批量生产，具有良好的应用及工业化生产前景。

附图说明

图1为本发明的微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法的实施例1制得的中空二氧化硅微球的扫描电镜图；

图2为本发明的微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法制得的微米级中空磁性二氧化硅微球的扫描电镜图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如无具体说明，本发明的各种原料均可市售购得，或根据本领域的常规方法制备得到。

实施例1

中空二氧化硅微球的制备

取10g的3.0μm无孔苯乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油脂共聚微球(P(St-GMA)，苏州纳微科技有限公司生产)均匀分散在60mL乙醇和40mL乙二胺组成的溶液中，在机械搅拌下回流5h。冷却至室温后用去离心水通过离心的方法清洗，直到清洗液的pH近中性，得到氨基修饰的聚合物微球。将修饰后聚合物微球分散于237g乙醇，100gH₂O和16mL氨水溶液中，然后逐滴滴入15mL的TEOS，继续搅拌反应6h，得到P(St-GMA)/SiO₂复合微球样品，将所得的样品离心分离、无水乙醇洗涤、干燥后在马弗炉中500℃煅烧2h，得到中空二氧化硅微球材料，制得的中空二氧化硅微球的扫描电镜图如图1所示。由图1可以看出，得到的中空二氧化硅微球得粒径为2.7μm，且为中空结构。

中空二氧化硅微球表面氨基功能化

将上述方法制得的2.7μm中空二氧化硅微球分散液过滤，取出得到的滤饼，重新分散至3倍体积的无水乙醇中，通过机械搅拌和超声得到均匀的微球分散液。随后，重新过滤，将滤饼转移至玻璃托盘，置于60℃恒温干燥箱中干燥24h。取20g干燥的中空二氧化硅微球，与150g无水甲苯，10gγ-氨丙基三乙氧基硅烷混合超声，直至在光学显微镜下观察微球分散液无颗粒间的团聚现象。随后，在机械搅拌下将该微球分散液回流20h。待温度降至室温，把反应混合物通过4G型砂芯漏斗过滤，将滤饼通过分散-过滤-分散过程分别依次用无水乙醇和去离子水清洗3次，以除去多余的硅烷化试剂，得到氨基功能化的中空二氧化硅微球。最后，将得到的氨基功能化的中空二氧化硅分散至水中，通过干重法测定微球分散液的质量浓度，以备下步使用。

实施例2

中空二氧化硅微球表面羧基功能化

中空二氧化硅表面羧基功能团的引入采用基团转化的方式进行，以实施例1得到的氨基功能化的中空二氧化硅微球为原料，通过羧基化试剂将氨基转化为羧基，具体操作步骤为：取12g实施例1反应的产物分散至由300gH₂O、75g碳酸钠和6g氯乙酸钠组成的溶液中，通过超声和机械搅拌分散均匀，将该反应混合液在70℃下搅拌5h。待温度降至室温，通过离心的方法用水清洗至上层清洗液的pH近中性，得到羧基功能化的中空二氧化硅微球，将其分散于水中，用干重法测定分散液质量浓度，以备下步使用。

实施例3

磁性材料的沉积

取实施例1中的微球5g分散于200g水中，转入500mL四口烧瓶，超声处理至光学显微镜下观察无团聚颗粒，随后在氮气保护下，将由3.1gFeCl₃·6H₂O、1.3gFeCl₂·4H₂O和20gH₂O组成的溶液加入该颗粒分散液，继续搅拌30min，再将反应混合物升温至85℃，并维持1h。自然冷却至室温，采用离心的方法对获得的颗粒进行清洗(3000rpm，5min)，直至上层清洗液颜色接近于无色。

实施例4

磁性材料的沉积

取实施例2中的微球5g分散于200g水中，转入500mL四口烧瓶，超声处理至光学显微镜下观察无团聚颗粒，随后在氮气保护下，将由3.1g FeCl₃·6H₂O、1.3g FeCl₂·4H₂O和20g H₂O组成的溶液加入该颗粒分散液，继续搅拌30min，再将反应混合物升温至85℃，并维持1h。自然冷却至室温，采用离心的方法对获得的颗粒进行清洗(3000rpm，5min)，直至上层清洗液颜色接近于无色。

实施例5

磁性材料的表面包覆

取实施例3或4中得到微球5g分散于由150g去离子水和2.5g九水硅酸钠组成的溶液中，通过超声分散均匀，机械搅拌0.5h，随后，将3mol/L的HCl溶液加入微球的分散液中，将分散液pH调节至6～7之间，并继续搅拌1h。通过离心(2000rpm，5min)用水清洗得到的微球3次，重复整个过程1次。

将经过硅酸纳处理的微球分散到由119g乙醇、50g去离子水和8mL氨水组成的混合溶液中，经过超声处理分散均匀，在机械搅拌下将4g正硅酸乙酯和65g无水乙醇溶液通过蠕动泵逐滴加入，加入完毕后，继续反应3h。将得到的颗粒通过磁分离从分散液分散出来，分别再用无水乙醇和水通过磁分离-超声分散的方法清洗3次，得到产品级中空的磁性二氧化硅微球。

本发明的制备方法制得的微米级中空磁性二氧化硅微球的扫描电镜图如图2所示。对得到的微米级中空磁性二氧化硅微球进行性能测试，粒径为3.0μm，相对密度约为1.1，具有良好的悬浮性、快速的磁响应性。

综上，本发明的微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，制备条件温和，操作方法简便易行，过程可控，易于批量生产，制得的微米级中空磁性二氧化硅微球相对密度小，具有良好的悬浮性、快速的磁响应性，具有良好的应用及工业化生产前景。

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (13)

1.一种粒径为0.5～50μm的微米级中空磁性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

1)单分散中空二氧化硅微球的制备：以带有功能基团的单分散聚合物为模板，采用

方法在表面沉积二氧化硅壳层，煅烧除去聚合物模板，得到单分散中空二氧化硅微球；

2)单分散中空二氧化硅微球的表面修饰：将步骤1)得到的单分散中空二氧化硅微球在内外表面引入功能基团，步骤2)的具体过程为，将单分散中空二氧化硅微球加入甲苯中，通过机械搅拌和超声分散均匀，加入氨基硅烷偶联剂或环氧基硅烷偶联剂，加热至60～80℃回流24～72h，冷却后离心分离，再用乙醇和水清洗各2～5次，得到表面氨基或环氧基团修饰的中空二氧化硅微球；

3)Fe³⁺和Fe²⁺的吸附：将经步骤2)表面修饰后的中空二氧化硅微球与Fe³⁺和Fe²⁺可溶性铁盐溶液混合搅拌，超声分散，在室温氧气保护下搅拌1～1.5h，在经表面修饰后的中空二氧化硅微球的内外表面吸附Fe³⁺离子和Fe²⁺离子，得到中空二氧化硅微球与铁盐的分散液；

4)磁性四氧化三铁纳米颗粒的沉降：将碱液滴加至步骤3)得到的中空二氧化硅微球与铁盐的分散液中，Fe³⁺离子和Fe²⁺离子以磁性四氧化三铁纳米颗粒形式沉降至中空二氧化硅微球的外表面和内表面，且内部中空结构依然存在；

5)游离四氧化三铁纳米颗粒的去除：多次离心分离除去步骤4)的溶液中游离的磁性四氧化三铁纳米颗粒；

6)表面二氧化硅包覆层的制备：以TEOS为前体，使用

方法在步骤5)处理得到的微球的表面包覆厚度为50～100nm的二氧化硅壳层，得到所述微米级中空磁性二氧化硅微球。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述带有功能基团的聚合物微球模板，为本身带有合适基团或可修饰合适基团的聚合物微球。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物微球为聚苯乙烯微球、聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯)微球和聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)微球中的一种或至少两种的混合物。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物微球模板的功能基团为氨基、羧基和环氧基中的一种或至少两种的混合物。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)的具体过程为，将单分散中空二氧化硅微球通过硅烷化试剂改性或通过基团转换在内外表面引入氨基和/或羧基基团。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述硅烷化试剂为氨基硅烷偶联剂或环氧基硅烷偶联剂。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷和/或γ-氨丙基三甲氧基硅烷。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述环氧基硅烷偶联剂为γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述Fe³⁺可溶性铁盐溶液为氯化铁、硫酸铁和硝酸铁中的一种或至少两种的混合物。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Fe²⁺可溶性铁盐溶液为氯化亚铁、硫酸亚铁和硝酸亚铁中的一种或至少两种的混合物。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Fe³⁺可溶性铁盐溶液与所述Fe²⁺可溶性铁盐溶液的摩尔比为(2:1)～(2:1.2)。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱液为氨水或氢氧化钠溶液。

13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁性四氧化三铁纳米颗粒的质量与所述中空二氧化硅微球的质量比为(1:9)～(1:1)。

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