CN1217352C - 超顺磁性纳米/微米微球及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超顺磁性功能微球领域，特别涉及超顺磁性纳米/微米微球及其硅烷化制备超顺磁性纳米/微米微球的方法。采用在新鲜制备出的Fe₃O₄纳米颗粒表面包覆不同含量和层数的SiO₂，以达到控制微球粒径大小和防止团聚的作用，然后在比较温和的条件下对包硅的磁性微球表面进行硅烷化处理，得到一类表面带有功能基团的超顺磁性微球。微球粒径在30nm-1000nm/1-20μm之间，磁性Fe₃O₄占整个微球的重量百分比为0.5-60%之间。磁性微球粒径大小可控、成球性好、尺寸均一、不同球之间磁含量均一、物化性能稳定。

Description

超顺磁性纳米/微米微球及其制备方法

                      技术领域

本发明属于超顺磁性功能微球领域，特别涉及超顺磁性纳米/微米微球及其硅烷化制备超顺磁性纳米/微米微球的方法。

                      背景技术

磁性微球特别是纳米级的磁性功能微球，其表面可化学偶联酶、抗体、抗原等生物活性物质，同时利用其超顺磁性，即在外加磁场中可产生磁性，当外部磁场消失后，无剩磁，实现快速简便的分离反应物。在固定化酶、免疫检测、蛋白质纯化、靶向给药、干细胞分离等生物医学领域具有诱人的应用前景，属当前学科的前沿领域。

现有技术合成超顺磁性微球的方法主要有包埋法、单体共聚法、化学转化法、高分子化学反应法和硅烷化法。其中包埋法是将磁性粒子分散于生物大分子溶液中，通过交联、雾化、絮凝、沉积、蒸发等手段得到磁性微球。该方法操作简单、制备的颗粒生物相容性好；但所得颗粒形状不规则，颗粒大小不易控制、粒径分布宽，壳层中混有乳化剂之类的杂质，使应用受到很大的限制。单体共聚法通常是采用两种或两种以上单体(其中一种为功能单体)，在一定条件下聚合反应，生成表面带功能基团的磁性微球，主要包括乳液(无皂乳液)聚合、悬浮聚合、分散聚合、种子聚合和辐射聚合。该法合成的磁性微球性能较好，但功能单体的含量受到限制(通常小于10％)，大部分功能基团被包覆在微球内部，反应条件苛刻，合成工艺十分繁琐。化学转化法是指将一定浓度的磁性金属离子渗透和交换到大孔树脂中去，然后利用化学反应使金属离子转化为磁性金属氧化物，使之均匀分布在聚合物的孔结构中，渗透和转化步骤可反复进行。该方法操作简单，磁性分布均匀，磁含量容易控制，但对树脂的要求比较严格。高分子化学反应法是先生成不带功能基团的高分子磁性微球，然后通过表面高分子化学反应在磁性微球表面产生高容量的活性功能基团，但这些反应往往在高温强酸性条件下进行，对微球的磁性能产生影响，导致内部无机磁颗粒发生分解，从而限制了这一方法的使用。当前所采用的硅烷化方法是直接在含羟基的磁性粒子(Fe₃O₄)表面用带功能基团的硅偶联剂进行硅烷化处理制备带功能基团的磁性微球，该方法制备过程简单，表面的功能基团含量高；但由于磁性粒子(Fe₃O₄)本身的粒径太小(8nm左右)，制备的磁性纳米微球容易发生团聚、常常形成200-400nm的簇(cluster)，且颗粒的大小不容易调节，使颗粒的应用范围受到限制。

与本发明相关的酸化法制备表面包硅的Fe₃O₄磁性颗粒(参见TheChinese Journal of Process Engineering，Vol.2.(4)：319-320)。该方法首先采用共沉淀法得到新鲜沉积的Fe₃O₄纳米颗粒，利用磁铁进行洗涤分离，将沉积产物超声分散在经预处理的Na₂SiO₃溶液中，然后向溶液中滴加HCl溶液，改变溶液的pH值至弱酸性，分离出产物，得到表面包覆有SiO₂的磁性微球，本发明的A，B步骤借鉴了该方法，并在此基础上做了创新，制备出不同粒径的微球。

与本发明相近的直接硅烷化法制备超顺磁性微球(参见Journal ofColloid and Interface Science，Vol.141(2)：505-511)是利用末端含功能基团(如-NH₂)的硅偶联剂与表面含羟基的磁性粒子(如Fe₃O₄)进行加热脱水，得到硅烷化的磁性微球。由于磁性粒子的粒径太小，反应过程中团聚现象在所难免，得到的颗粒形状不规则，合成的微球在性能上存在一些缺陷，如部分Fe₃O₄颗粒裸露在外面，不同颗粒的磁含量变化大，均一性差，在实际应用中容易发生团聚，影响使用效果。

                      发明内容

本发明的目的之一是针对现有直接硅烷化法在制备磁性微球上存在的不足，提出一种微球粒径可控，粒径分布窄，制备出的超顺磁性微球无团聚现象，且化学性质稳定的硅烷化制备超顺磁性纳米/微米微球的方法。

本发明的另一目的是提供一种微球粒径可调节，粒径分布窄的超顺磁性纳米/微米微球。

本发明是在无机超顺磁性粒子(如Fe₃O₄)外面包上一层或多层二氧化硅，从而可以改变和控制磁性颗粒的大小，形成大小均一的磁性微球，然后在包硅磁性微球表面再进行后硅烷化处理。可以制备不同粒径、适应多种用途的超顺磁性微球，并可避免使用中团聚现象的产生。

本发明的主要技术方案是：先采用酸化法制备表面包覆SiO₂的超顺磁性微球，通过改变SiO₂和Fe₃O₄的比例，重复包覆步骤可以制备不同磁含量和不同粒径的微球，然后采用改进的硅烷化方法，利用带有一定功能基团(如-NH₂)的硅偶联剂和上述微球表面的羟基通过脱水作用，形成Si-O-Si键，从而得到表面带有功能基团的超顺磁性微球。该微球粒径在30-1000nm或1μm-20μm之间，超顺磁性微球中的Fe₃O₄纳米颗粒粒径为8-15nm左右，磁性Fe₃O₄占整个微球重量百分比为0.5-60％之间。磁性微球粒径大小可控、成球性好、粒度分布均一、不同球之间磁含量均一、反应条件温和、物化性能稳定。

硅烷化制备超顺磁性微球的方法包括共沉淀法制备纳米级磁性颗粒，酸化法在磁性颗粒表面包覆SiO₂和用各种硅偶联剂对包硅后的磁性微球进行硅烷化处理。其特征在于磁性微球的粒径大小可调，颗粒成球性和分散性好、无严重团聚现象、制备工艺简单。

本发明的硅烷化制备超顺磁性纳米/微米微球的方法主要包括以下步骤：

A.共沉淀法制备超顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒

在80-90℃，氮气保护下，向含有Fe²⁺和Fe³⁺的铁盐水溶液中倾入碱液，高速搅拌，用磁铁分离出沉积产物，得到新鲜的Fe₃O₄纳米颗粒。

B.酸化法制备表面包覆SiO₂的磁性Fe₃O₄纳米/微米微球

(1).将步骤(A)制备出的新鲜的Fe₃O₄纳米颗粒，超声分散在经预处理(用盐酸将pH值预调到12-13左右)的Na₂SiO₃溶液中；

(2).将步骤(1)的溶液升温至80-90℃，在氮气保护及搅拌条件下，向溶液中加入浓度约2mol/l的盐酸或硫酸，将溶液的pH值由碱性调至5-7左右，用磁铁分离出产物并用去离子水充分洗涤，得到表面包覆SiO₂的磁性Fe₃O₄纳米微球；

(3).重复步骤(2)，可以得到不同SiO₂包覆量和包覆层数的不同粒径的磁性Fe₃O₄纳米/微米微球；

C.硅烷化制备表面带功能基团的超顺磁性纳米/微米微球

(1).将带功能基团的硅偶联剂加入到甲醇或乙醇中，其中，硅偶联剂与甲醇或乙醇的体积百分比为10-20％，充分搅拌混合均匀；

(2).向步骤(1)的溶液中加入表面包覆SiO₂的磁性Fe₃O₄纳米/微米微球，其中，表面包覆SiO₂的磁性Fe₃O₄纳米/微米微球与溶液的质量百分比为0.5-5％，同时加入少量的有机酸和水，其中，有机酸与溶液的体积百分比为1-10％，水与溶液的体积百分比为0.5-2％，超声30-60min；

(3).将步骤(2)的溶液倾入盛有甘油的容器中，其中，步骤(2)的溶液与甘油的体积比为1∶1-2，充分搅拌，升温到70-95℃反应；待反应物中的水和甲醇或乙醇完全蒸发后，停止反应，将产物磁性分离并用去离子水充分洗涤。

上述磁性Fe₃O₄纳米颗粒的制备条件是铁盐水溶液中Fe²⁺和Fe³⁺的摩尔比为1∶2至1∶0，加入碱的OH^-与铁盐水溶液中2Fe²⁺+3Fe³⁺之和的摩尔比为1∶0.1至1∶1.5；所述的碱是NH₄OH、KOH、NaOH、Na₂CO₃或NaHCO₃。

上述硅偶联剂是γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(WD-50，KM-50，KH-550，A-1100)、[γ(β-氨乙基)氨基丙基]三甲氧基硅烷(WD-52，KM-52，A-1120)、(γ-缩水甘油醚基)甲氧基硅烷(WD-60，KM-60，KH-560，A-187)、正十二烷基三乙氧基硅烷或正己烷基三甲氧基硅烷(A-0800，A-0700，D-6224，H-7334)。

所述的有机酸是冰醋酸、磷酸或其它有机酸。

本发明的硅烷化制备超顺磁性纳米/微米微球的方法与现有技术相比，本发明的方法在制备工艺上首先对磁性Fe₃O₄纳米颗粒表面进行了包硅处理，使原来粒径较小(约10nm)，易于团聚的Fe₃O₄纳米颗粒变成粒径较大，并在一定范围内(30nm-1000nm/1-20μm)可根据需要调节，即通过简单的重复包覆步骤改变所包覆SiO₂的量和包覆层数，从而达到控制微球粒径的目的，生成的颗粒成球性好，尺寸均一，可有效的避免团聚现象的产生。现有的硅烷化方法是采用直接在Fe₃O₄纳米颗粒表面进行硅烷化处理，通过甘油的加热脱水处理，反应温度在170-180℃，利用Fe₃O₄纳米颗粒表面的Fe-OH基团生成Fe-O-Si键起到偶联功能基团的作用。本发明是在带有Si-OH基团的包硅磁性微球表面进行加热脱水反应，在微球表面形成所谓Si-O-Si键，该反应更容易进行，反应条件比原来温和，且操作更为简便。由于已经在Fe₃O₄表面包覆了比较致密的SiO₂，生成的小球化学性质稳定，微球在3mol/L的盐酸或硫酸中，可稳定保存数周以上，而未包覆的裸粉则在30min内完全溶解。

                      附图说明

图1：未包覆的Fe₃O₄纳米颗粒TEM图。

图2：本发明实施例5的表面包覆SiO₂的硅烷化磁性微球SEM图。

                    具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案做进一步描述：

实施例1

共沉淀法制备磁性Fe₃O₄纳米颗粒

向盛有500ml去离子水的1升搅拌式反应器中加入0.043摩尔FeCl₂·4H₂O和0.086摩尔FeCl₃·6H₂O，在氮气保护下升温至85-90℃，在高速搅拌过程中倾入含0.478摩尔NH₃·H₂O水溶液，溶液颜色马上变黑，然后利用磁场将沉积出的产物分离出并分别用去离子水和0.02M的NaCl洗涤一次。

上述磁性凝聚体总重约30g，其中Fe₃O₄约10g，透射电镜观察Fe₃O₄颗粒近于球形，具有超顺磁性，平均粒径为8nm。

实施例2

在盛有700ml去离子水的1升搅拌式反应器中加入0.21摩尔FeCl₂·4H₂O和0.31摩尔FeCl₃·6H₂O，升温至70℃，倾入100ml含1摩尔的NaHCO₃水溶液，磁性分离倾去上清液即可得新鲜制备的Fe₃O₄纳米颗粒。

上述磁性凝聚体总重约60g，其中Fe₃O₄约35g，透射电镜观察Fe₃O₄颗粒近于球形，具有超顺磁性，平均粒径为15nm。

实施例3

酸化法制备SiO₂包覆的磁性微球

计算10g Fe₃O₄包覆20g SiO₂需相应的Na₂SiO₃·9H₂O约95g，预调Na₂SiO₃溶液的pH值至12-13

(1).将实施例1制备出的新鲜的Fe₃O₄纳米颗粒，超声分散在经预处理的Na₂SiO₃溶液中。

(2).将溶液升温至85℃，在高速搅拌条件下，向溶液中加入浓度约2mol/l的盐酸；将溶液的pH值由碱性调至5-7左右，用磁铁分离出产物并用去离子水洗涤3-4次，干燥。得到表面包覆SiO₂磁性微球，SiO₂和Fe₃O₄的重量比为2∶1。

实施例4

计算在实施例3的微球表面再包覆20g SiO₂需Na₂SiO₃·9H₂O约95g。

(1).将实施例3制备出的新鲜的包硅颗粒，超声分散在Na₂SiO₃溶液中。

(2).将溶液升温至85℃，在高速搅拌(400-600rpm)条件下，向溶液中加入浓度约2mol/l的盐酸；将溶液的pH值由碱性调至5-7左右，用磁铁分离出产物并用去离子水充分洗涤、干燥，得到表面包覆两层SiO₂的磁性微球，SiO₂和Fe₃O₄的重量比为4∶1。

将制备出的新鲜的包硅颗粒重复步骤(2)，可以得到不同SiO₂包覆量和包覆层数的不同粒径的磁性微球。

实施例5

硅烷化法制备磁性功能微球

(1).取10ml硅偶联剂KH-550加入250ml无水甲醇中，充分搅拌混合。

(2).向步骤(1)的溶液中加入2g实施例4的包硅磁性微球，5ml冰醋酸或磷酸和2.5g水，超声30-60min。

(3).将步骤(2)的溶液倾入盛有200ml甘油的500ml三口烧瓶中，充分搅拌，升温到75-80℃反应3-4小时。

(4).将产物磁性分离并用去离子水充分洗涤4-5次，得到表面带-NH₂基团的硅烷化磁性微球。粒径在100nm左右。

实施例6

(1).取20g硅偶联剂WD-52，加入无水乙醇，配制20wt％的溶液100ml。

(2).向步骤(1)的溶液中加入1g实施例4包硅的Fe₃O₄磁性微球，超声20分钟。

(3).将步骤(2)的混合物加入盛有200ml甘油的250ml三口瓶中，搅拌，常温下反应12小时以上。

(4).将产物用去离子水充分洗涤4-5次，磁性分离除去未反应的硅偶联剂，得到表面带-NH₂基团的硅烷化磁性微球。粒径在100nm左右。

实施例7

酸化法制备SiO₂包覆的磁性微球

计算10g Fe₃O₄包覆40g SiO₂需相应的Na₂SiO₃·9H₂O约190g，预调Na₂SiO₃溶液的pH值至12-13

(1).将实施例2制备出的新鲜的Fe₃O₄纳米颗粒，超声分散在经预处理的Na₂SiO₃溶液中。

(2).将溶液升温至85℃，在高速搅拌条件下，向溶液中加入浓度约1mol/l的硫酸；将溶液的pH值由碱性调至5-7左右，用磁铁分离出产物并用去离子水洗涤3-4次，于燥。得到表面包覆SiO₂磁性微球，SiO₂和Fe₃O₄的重量比为4∶1。

实施例8

计算在实施例7的微球表面再包覆20g SiO₂需Na₂SiO₃·9H₂O约95g。

(1).将实施例7制备出的新鲜的包硅颗粒，超声分散在Na₂SiO₃溶液中。

(2).将溶液升温至85℃，在高速搅拌(400-600rpm)条件下，向溶液中加入浓度约1mol/l的硫酸；将溶液的pH值由碱性调至5-7左右，用磁铁分离出产物并用去离子水充分洗涤、干燥，得到表面包覆两层SiO₂的磁性微球，SiO₂和Fe₃O₄的重量比为6∶1。

将制备出的新鲜的包硅颗粒重复步骤(2)，可以得到不同SiO₂包覆量和包覆层数的不同粒径的磁性微球。

实施例9

硅烷化法制备磁性功能微球

(1).取10ml硅偶联剂KM-50加入250ml无水乙醇中，充分搅拌混合。

(2).向步骤(1)的溶液中加入2g实施例8的包硅磁性微球，5ml磷酸和3.0g水，超声45-60min。

(3).将步骤(2)的溶液倾入盛有200ml甘油的500ml三口烧瓶中，充分搅拌，升温到70-75℃反应4-5小时。

(4).将产物磁性分离并用去离子水充分洗涤4-5次，得到表面带-NH₂基团的硅烷化磁性微球。粒径在200nm左右。

实施例10

(1).取20g硅偶联剂KM-52，加入无水甲醇，配制20wt％的溶液100ml。

(2).向步骤(1)的溶液中加入1g实施例8包硅的Fe₃O₄磁性微球，超声45-60分钟。

(3).将步骤(2)的混合物加入盛有200ml甘油的250ml三口瓶中，搅拌，常温下反应14小时以上。

(4).将产物用去离子水充分洗涤4-5次，磁性分离除去未反应的硅偶联剂，得到表面带-NH₂基团的硅烷化磁性微球。粒径在200nm左右。

Claims (6)

1.一种硅烷化制备超顺磁性纳米/微米微球的方法，其特征是：所述的硅烷化制备超顺磁性纳米/微米微球的方法包括以下步骤：

A.酸化法制备表面包覆SiO₂的磁性Fe₃O₄纳米/微米微球

(1).将制备出的新鲜的Fe₃O₄纳米颗粒，超声分散在用盐酸将pH值预调到12-13之间的Na₂SiO₃溶液中；

(2).将步骤(1)的溶液升温至80-90℃，在氮气保护及搅拌条件下，向溶液中加入盐酸或硫酸，将溶液的pH值由碱性调至5-7，分离出产物并用去离子水充分洗涤，得到表面包覆SiO₂的磁性Fe₃O₄纳米微球；

重复步骤(2)，以得到不同粒径的磁性纳米/微米微球；

B.硅烷化制备表面带功能基团的超顺磁性纳米/微米微球

(1).将带功能基团的硅偶联剂加入到甲醇或乙醇中，其中，硅偶联剂与甲醇或乙醇的体积百分比为10-20％，充分搅拌混合均匀；

(2).向步骤(1)的溶液中加入表面包覆SiO₂的磁性Fe₃O₄纳米/微米微球，其中，表面包覆SiO₂的磁性Fe₃O₄纳米/微米微球与溶液的质量百分比为0.5-5％，同时加入少量的有机酸和水，其中，有机酸与溶液的体积百分比为1-10％，水与溶液的体积百分比为0.5-2％，超声；

(3).将步骤(2)的溶液倾入盛有甘油的容器中，其中，步骤(2)的溶液与甘油的体积比为1∶1-2，充分搅拌，升温到70-95℃反应；待反应物中的水和甲醇或乙醇完全蒸发后，停止反应，将产物磁性分离并用去离子水充分洗涤。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述的硅偶联剂是γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、[γ(β-氨乙基)氨基丙基]三甲氧基硅烷、(γ-缩水甘油醚基)甲氧基硅烷、正十二烷基三乙氧基硅烷或正己烷基三甲氧基硅烷。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述的有机酸是冰醋酸或磷酸。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤B的超声时间是30-60min。

5.一种如权利要求1～4任意一项所述的方法制备出的超顺磁性纳米/微米微球，其特征是：所述的微球粒径在30-1000nm或1μm-20μm之间。

6.如权利要求5所述的微球，其特征是：所述的超顺磁性纳米/微米微球中的Fe₃O₄纳米颗粒粒径为8-15nm，磁性Fe₃O₄占整个微球重量百分比为0.5-60％之间。