CN101388267B - 一种二氧化硅磁性复合微粒及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属磁性材料领域，特别涉及一种二氧化硅磁性复合微粒及其制备方法。本发明将铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子分散到醇和水的混合溶剂中，加入无机盐和有机交联剂，再向溶液中加入氨水和少量有机硅源，从而形成稳定的交联体。制备过程中通过改变铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子的尺寸和浓度、无机盐的浓度、有机交联剂的浓度和有机硅源的加入量可以控制形成的二氧化硅磁性复合微粒的尺寸和比表面积。微粒表面具有小尺寸的纳米级突起，其比表面积更大、吸附活性更强、吸附容量也更大。非常适用于各种生物材料和医药制品的分离、纯化、标记和检测。本发明中的制备方法，工艺过程简单，对设备要求很低，条件易控，易于实现批量生产。
Description
技术领域
本发明属磁性材料领域，特别涉及一种新型二氧化硅磁性复合微粒及其制备方法。
背景技术
具有超顺磁性的铁氧体纳米粒子在生物材料的分离和纯化、生物分子标记和免疫检测等生物和医学领域中的应用越来越广泛。由于铁氧体纳米粒子之间有较强的磁偶极相互作用易形成大的聚集体，而且单纯的铁氧体纳米粒子的化学稳定性差，易氧化且在酸性条件下会溶解，因此具体应用时，经常要将铁氧体纳米粒子与有机材料或无机材料复合在一起形成磁性复合粒子来提高粒子的分散性和化学稳定性。近年来，利用无机的二氧化硅来复合铁氧体纳米粒子受到越来越多的关注，这是因为形成的二氧化硅磁性复合粒子具备以下优点：(1)二氧化硅可在铁氧体纳米粒子表面形成连续的包覆层，通过表面的硅羟基提高铁氧体纳米粒子的分散性；(2)二氧化硅具有良好的化学稳定性，可提高铁氧体纳米粒子的抗氧化能力和抗酸能力；(3)二氧化硅的结构致密，可以有效防止金属离子的泄漏，避免金属离子泄漏对生物分子产生不良影响；(4)二氧化硅具备良好的生物相容性；(5)二氧化硅表面易通过不同的硅烷化试剂实现各种功能化修饰，修饰后的粒子可与各种生物分子连接。
二氧化硅磁性复合粒子常见的制备方法有：溶胶法、微乳液法和气溶胶高温分解法。文献(Albert P.Philipse，Magnetic Silica Dispersons：Preparation and Stability ofSurface-Modified Silica Particles with a Magnetic Core，Langmuir 1994，10，92～99)公开了一种用溶胶法制备小尺寸、单分散Fe3O4-二氧化硅核壳纳米粒子的技术。中国专利ZL03111351.6(2003)公开了一种采用溶胶法制备具有强磁场响应能力的磁性铁氧体-二氧化硅核壳微粒的技术。文献(Christy R.Vestal，Synthesis and Magnetic Characterization ofMn and Co Spinel Ferrite-Silica Nanoparticles with Tunable Magnetic Core，NANO LETTERS2003，3(12)，1739～1743)公开了一种用微乳液法制备CoFe2O4-二氧化硅核壳纳米粒子和MnFe2O4-二氧化硅核壳纳米粒子的技术。文献(Tartaj P.，Single-Step Nanoengineering ofSilica Coated Maghemite Hollow Spheres with Tunable Magnetic Properties Adv.Mater.2001，13(21)，1620～1624)公开了一种用气溶胶高温分解法制备γ-Fe2O3-二氧化硅核壳粒子的技术。采用以上方法可以制备不同尺寸和磁性物质含量的二氧化硅磁性复合粒子，其共同点是，制备的粒子一般表面光滑、并以球形为主。对于纳米尺寸的二氧化硅磁性复合粒子，其比表面积大、吸附活性强、吸附容量大。但是由于粒子的尺寸小，粒子的磁场响应能力不强，一般要采用专门的磁分离柱并施加高强度外磁场才能实现粒子的有效富集。即使一些粒子的磁性物质含量较高，不使用磁分离柱也可富集，其富集速度也较慢。这就限制了这种纳米尺寸的二氧化硅磁性复合粒子的应用，尤其是在一些要求过程快速的工作中的应用，比如现在生物领域中越来越重要的高通量分离或筛选工作。为此，现在用于各种生物用途尤其是生物分离和纯化的商业化产品多采用尺寸较大的微米尺寸的二氧化硅磁性复合粒子。这类粒子具有较强的磁场响应能力，在外加磁场下无需磁分离柱即可实现快速高效富集。但是由于粒子的尺寸大，其比表面积较小，吸附活性和吸附容量都要明显低于纳米尺寸的粒子。因此，弥补以上二氧化硅磁性复合粒子的不足，制备兼具磁场响应能力强和比表面积大特性的二氧化硅磁性复合粒子，对于促进二氧化硅磁性复合粒子在生物中的应用有着非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种兼具磁场响应能力强和比表面积大特性的新型二氧化硅磁性复合微粒及制备方法。所说的二氧化硅磁性复合微粒是由两个或两个以上铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子交联而成的交联体，微粒表面由纳米交联单元的表面组合而成，因而微粒表面具有小尺寸的纳米级突起。与其他同尺寸的表面光滑的二氧化硅磁性复合粒子相比，其比表面积更大。这样，当微粒的尺寸处于较大的微米级时，微粒除了具有与其他微米级磁性粒子相同的强磁场响应能力外，还具有较大的比表面积，弥补了其他微米级磁性粒子比表面积小的不足，实现了更强的吸附活性和更高的吸附容量。此外，该微粒同时具有二氧化硅磁性复合粒子生物相容性好、化学稳定性高和表面易功能化的优点，因而非常适用于各种生物材料和医药制品的分离、纯化、标记和检测。
本发明的技术方案是：
将铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子分散到醇和水的混合溶剂中，铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子的浓度为0.1～50g/L，醇的体积百分含量为30～90％，水的体积百分含量为10～70％。铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子表面的硅羟基在溶液中会部分解离使得粒子表面带有一定量的负电荷，这样由于粒子间存在的静电斥力而使粒子无法相互接近。
加入无机盐和有机交联剂，无机盐的浓度为0.05～1mol/L，有机交联剂的浓度为0.05～20g/L；反应溶液在搅拌速度为20～150rpm的条件下反应5～60分钟；无机盐的加入会增加反应溶液的离子强度，减小粒子间的静电斥力，这样粒子通过相互间的磁偶极作用就可以充分接近从而在反应溶液中形成一些由粒子聚集而成的聚集体，然后通过有机交联剂上的氨基或阳离子就可以将聚集体内的粒子交联在一起形成初级交联体。由于有机交联剂是通过静电作用将粒子交联在一起的，因此此时形成的初级交联体的结构并不稳固。
然后向溶液中加入氨水和少量有机硅源，反应溶液中氨水的浓度为0.2～1.5mol/L，有机硅源的加入量为0.01～1ml/L，在搅拌速度为200～500rpm的条件下反应3～24小时。在碱性条件下，有机硅源在初级交联体表面水解缩合生长一薄层二氧化硅使得粒子进一步交联固定，从而形成稳定的交联体。有机硅源的加入量不能太大，否则会因生长的二氧化硅层太厚而消除微粒表面的纳米级突起。
以上步骤中：有机交联剂是指含有两个或两个以上氨基和/或阳离子的有机分子或聚合物；有机硅源是指正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯和/或正硅酸丙酯和/或正硅酸丁酯；无机盐可以是各种一价盐、二价盐、三价盐或其他无机金属离子形成的盐；醇和水的混合溶剂中的醇可以是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等。
所说的铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子，其内核是具有超顺磁性的铁氧体纳米粒子，其外壳是二氧化硅。铁氧体纳米粒子是指具有超顺磁性的纳米Fe3O4粒子、γ-Fe2O3纳米粒子或其他掺杂过渡金属元素及其化合物的磁性铁氧体纳米粒子，其粒径一般为3～12nm。本发明中使用的铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子可购买商品化的成品，也可利用文献公开报道的方法直接合成。
制备过程中通过改变铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子的尺寸和浓度、无机盐的浓度、有机交联剂的浓度和有机硅源的加入量可以控制形成的二氧化硅磁性复合微粒的尺寸和比表面积。按照本发明的制备方法可制备的二氧化硅磁性复合微粒的尺寸为0.1～10μm，为了使微粒兼具磁场响应能力强和比表面积大的特性，宜控制微粒的优选尺寸为0.4～1.5μm。在微粒尺寸确定的条件下，采用的铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子的尺寸越小，最终形成微粒的比表面积越大，一般可采用的铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子的尺寸为10～200nm，优选尺寸为20～50nm。
如上所述，本发明通过简单的工艺过程制备了一种新型二氧化硅磁性复合微粒，该微粒具有如下特点：(1)微粒表面具有小尺寸的纳米级突起，与同尺寸的表面光滑的二氧化硅磁性复合粒子相比，其比表面积更大、吸附活性更强、吸附容量也更大；(2)二氧化硅包覆层的结构致密，因而微粒的化学稳定性高，金属离子不易泄漏；(3)表面的二氧化硅易功能化，利用带有氨基、巯基、环氧等基团的硅烷化试剂对二氧化硅表面进行修饰，即可得到带有氨基、巯基、环氧等功能基团的表面，从而用于连接各种生物活性物质(如细胞、抗体、抗原、酶或核酸)和药物分子。
因此，本发明中的二氧化硅磁性复合微粒，可以适用于各种生物材料和医药制品的分离、纯化、标记和检测。尤其是兼具磁场响应能力强和比表面积大特性的微米级微粒，非常适用于一些要求过程快速的应用。
本发明中的制备方法，工艺过程非常简单，对设备要求很低，并且条件易控，易于实现批量生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：200nmγ-Fe2O3-二氧化硅磁性复合微粒的制备
利用公开的方法合成15nmγ-Fe2O3-二氧化硅核壳纳米粒子，取700ml水和300ml乙醇混合后，加入4.0g氯化钠和1.0g戊二胺，搅拌溶解后，加入2.0g 15nmγ-Fe2O3-二氧化硅核壳纳米粒子，在搅拌速度为150rpm的条件下反应15分钟。然后在溶液中加入20ml质量百分比浓度为25-28％的浓氨水，并在搅拌速度为400rpm下，滴加正硅酸乙酯0.1ml，反应5小时。用永磁铁从反应溶液中分离出固体，用高纯水清洗所得固体3次，即得到γ-Fe2O3-二氧化硅磁性复合微粒，其平均尺寸为200nm。
实施例2：600nm Fe3O4-二氧化硅磁性复合微粒的制备
利用文献公开报道的方法合成30nm Fe3O4-二氧化硅核壳纳米粒子。取500ml水和500ml丙醇混合后，加入50.0g氯化铝和2.0g四乙烯五胺，搅拌溶解后，加入5.0g 30nm Fe3O4-二氧化硅核壳纳米粒子，在搅拌速度为50rpm的条件下反应15分钟。然后在溶液中加入30ml质量百分比浓度为25-28％的浓氨水，并在搅拌速度为300rpm下，滴加正硅酸乙酯0.2ml，反应12小时。用永磁铁从反应溶液中分离出固体，用高纯水清洗所得固体3次，即得到Fe3O4-二氧化硅磁性复合微粒，其平均尺寸为600nm。
实施例3：1μm Co3O4-二氧化硅磁性复合微粒的制备
利用文献公开报道的方法合成50nm Co3O4-二氧化硅核壳纳米粒子。取300ml水和700ml甲醇混合后，加入15.0g硝酸镁和2.0g聚乙二胺，搅拌溶解后，加入12g 50nmCo3O4-二氧化硅核壳纳米粒子，在搅拌速度为80rpm的条件下反应30分钟。然后在溶液中加入40ml质量百分比浓度为25-28％的浓氨水，并在搅拌速度为300rpm下，滴加正硅酸乙酯0.35ml，反应8小时。用永磁铁从反应溶液中分离出固体，用高纯水清洗所得固体3次，即得到Co3O4-二氧化硅磁性复合微粒，其平均尺寸为1μm。
实施例4：3μm CoFe2O4-二氧化硅磁性复合微粒的制备
取500ml水和500ml丙醇混合后，加入45g磷酸钠和7.5g聚二烯丙基二甲基氯化铵，搅拌溶解后，加入25g购买的商品化的100nm CoFe2O4-二氧化硅核壳纳米粒子，在搅拌速度为150rpm的条件下反应40分钟。然后在溶液中加入50ml质量百分比浓度为25-28％的浓氨水，并在搅拌速度为200rpm下，滴加正硅酸甲酯0.5ml，反应24小时。用永磁铁从反应溶液中分离出固体，用高纯水清洗所得固体3次，即得到CoFe2O4-二氧化硅磁性复合微粒，其平均尺寸为3μm。
实施例5：6μm Mn3O4-二氧化硅磁性复合微粒的制备
取200ml水和800ml乙醇混合后，加入105g硫酸钾和15g聚二氯乙基醚四甲基乙二胺，搅拌溶解后，加入35g购买的商品化的150nm Mn3O4-二氧化硅核壳纳米粒子，在搅拌速度为150rpm的条件下反应60分钟。然后在溶液中加入60ml质量百分比浓度为25-28％的浓氨水，并在搅拌速度为200rpm下，滴加正硅酸丙酯0.75ml，反应24小时。用永磁铁从反应溶液中分离出固体，用高纯水清洗所得固体3次，即得到Mn3O4-二氧化硅磁性复合微粒，其平均尺寸为6μm。
Claims (4)
1.一种二氧化硅磁性复合微粒，其特征在于，该复合微粒是由两个或两个以上铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子交联而成的交联体，在碱性条件下，有机硅源在初级交联体表面水解缩合生长一层二氧化硅使得粒子进一步交联固定，形成稳定的交联体，微粒的尺寸为微米级，表面具有纳米尺寸的突起。
2.一种二氧化硅磁性复合微粒的制备方法，其特征是：将铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子分散到醇和水的混合溶剂中，再加入无机盐和有机交联剂反应得到铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子的初级交联体，然后加入氨水和有机硅源，有机硅源的加入量为0.01～1ml/L，通过有机硅源的水解缩合反应在初级交联体表面生长一层二氧化硅形成稳定的交联体。
3.按照权利要求2所述的二氧化硅磁性复合微粒的制备方法，其特征是：将铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子分散到醇和水的混合溶剂中，铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子的浓度为0.1～50g/L，醇的体积百分含量为30～90％，水的体积百分含量为10～70％；加入无机盐和有机交联剂，无机盐的浓度为0.05～1mol/L，有机交联剂的浓度为0.05～20g/L；反应溶液在搅拌速度为20～150rpm的条件下反应5～60分钟；再向溶液中加入氨水和有机硅源，反应溶液中氨水的浓度为0.2～1.5mol/L，有机硅源的加入量为0.01～1ml/L，在搅拌速度为200～500rpm的条件下反应3～24小时；
其中有机交联剂是指含有两个或两个以上氨基和/或阳离子的有机分子或聚合物；有机硅源是指正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯和/或正硅酸丙酯和/或正硅酸丁酯；无机盐是无机金属离子形成的盐；醇和水的混合溶剂中的醇是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇。
4.按照权利要求2或3所述的二氧化硅磁性复合微粒的制备方法，其特征在于，所说的铁氧体-二氧化硅核壳纳米粒子，其内核是具有超顺磁性的铁氧体纳米粒子，其外壳是二氧化硅。
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