CN101707106A - 一种核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性纳米材料合成领域，涉及一种核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的制备方法。包括以下步骤：将在水中单分散的磁性铁氧化物纳米粒子加入到体积比为1∶1～5的醇，超纯水的混合溶液中，搅拌0.3～2h；再加入0.01～1ml正硅酸酯，搅拌0.3～2h；再加入0.5～5mL浓氨水，继续搅拌2～24h，得到含有核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的溶液；用外加磁场将该微球从溶液中分离出来。本发明中，通过对反应物的量的合理配比，及其对反应条件的合理设置，使制成的每个二氧化硅微球中包覆了一个或多个铁氧化物磁粒纳米粒子，且该微球成球性和单分散性好，壳层厚度可控，粒径分布窄，易于清洗，操作简便，成本低，浪费小，产率高。
Description
技术领域
本发明属于磁性纳米材料合成领域，涉及一种核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的制备方法。
背景技术
磁性纳米粒子具有一些特殊的磁学性质，如：超顺磁性、高饱和磁化强度等，在靶向药物载体、细胞分离、核磁共振、免疫检测和生物分子纯化等生物医学领域具有广阔的应用前景。近年来，以磁性纳米粒子为核，二氧化硅为壳的核壳式的复合材料已经引起了人们的广泛关注，这是由于二氧化硅具有良好的生物相容性及抗分解能力，在磁性纳米粒子表面包覆一层二氧化硅后，能极大地屏蔽磁偶极子的相互作用，使粒子具有良好的水分散性、化学稳定性及生物相容性，且二氧化硅表面存在丰富的羟基，有利于复合粒子的进一步生物功能化，极大的增加了其应用领域。
在纳米粒子表面包覆SiO2常用的是溶胶凝胶法和微乳液法。文献(MagneticSilica Dispersions：Preparation and Stability of Surface-Modified Silica Particleswith a Magnetic Co；Langmuir 1994，10，92-99)公开了一种溶胶凝胶法制备二氧化硅磁性复合微球的技术。溶胶凝胶法的主要缺点是反应条件敏感，最终形貌和结构易受种子形貌的影响，表面较粗糙，粒径难以控制，内核团聚现象严重，不利于后期实用化进程的推进。文献(Preparation of Silica-Coated RhodiumNanoparticles Using Water-in-Oil Microemulsion)公开了一种微乳液法制备二氧化硅磁性复合微球的技术，其主要缺点是后处理过程繁琐，不利于下游生物应用。中国专利申请号为03150921.5，专利名称为：一种具有核壳结构的磁性荧光双功能微球及其制备方法。该专利采用溶胶凝胶法制备具有核壳结构的二氧化硅磁性复合微球，然后通过正硅酸烷酯与键合有荧光素的硅烷偶联剂共缩聚的方法制备了具有磁性的二氧化硅荧光微球。但是这种方法制备的二氧化硅磁性复合微球粒径分布宽，大小不均一，成球性与单分散性都不好。
发明内容
为了解决背景技术中所述的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球制备方法操作繁琐，粒径难以控制，制备出的微球表面较粗糙，内核团聚现象严重，不利于下游的生物应用的技术问题，本发明提供一种操作简便，成本低，粒径分布窄，成球性和单分散性好，壳层厚度可控，易于清洗的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的制备方法，该方法制备出的复合微球的核为表面连接有壬酸或壬二酸等亲水性基团的三氧化二铁，四氧化三铁磁性铁氧化物纳米粒子中任一种或两种的混合。外壳为正硅酸酯水解缩合形成的二氧化硅，包覆二氧化硅后表面功能集团增多，有利于下游的生物应用。
本发明的技术解决方案
一种核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将在水中单分散的磁性铁氧化物纳米粒子加入到体积比为1∶1～5的醇，超纯水的混合溶液中，以300～1000rpm的速度搅拌0.3～2h；
(2)再加入0.01～1ml正硅酸酯，以300～1000rpm的速度搅拌0.3～2h；
(3)再加入0.5～5mL浓氨水，继续搅拌2～24h，得到含有核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的溶液；
(4)用外加磁场将核壳结构的二氧化硅磁性复合微球从溶液中分离出来，弃上清，用超纯水和无水乙醇清洗微球，最后将其分散在水中。
根据正硅酸酯的水解机理分析，如果步骤(1)加入醇的比例太大会导致磁性铁氧化物纳米粒子的团聚，如果加入水的比例太大，则会导致步骤(2)硅酸酯水解过快，形成大量的二氧化硅初级粒子，从而阻碍磁性铁氧化物纳米粒子对二氧化硅初级粒子的“俘获”，形成大量的没有磁性铁氧化物核的二氧化硅微球。所以醇与超纯水加入的体积比为1∶1～5效果好，核壳结构的二氧化硅磁性复合微球合成完全，不易团聚，且不造成原料的浪费。
在步骤(1)的混合溶液中还可以加入表面活性剂(浓度为1～10mg/ml)，所述表面活性剂包括PVP5000～700000或PEG200～20000，其中优选PVP10K，PVP30K，PEG4000，PEG6000。加入表面活性剂可以改善磁性铁氧化物纳米粒子的分散性。
上述步骤(1)中的醇可以是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇中的一种或多种混合溶液；步骤(2)的正硅酸酯可以是正硅酸乙酯或正硅酸甲酯。
步骤(2)中如果正硅酸酯浓度过高，会导致磁性铁氧化物纳米粒子团聚，成球形状不规则，所以正硅酸酯加0.01～1ml较为合适。
步骤(3)中氨水浓度过低也会导致形成没有磁性铁氧化物核的二氧化硅微球，而氨水浓度过高则会导致磁性铁氧化物在包覆二氧化硅之前就发生团聚。在这里，浓氨水加入量为0.5～5mL效果最好。
由上述方法制得的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的粒径为50～200nm，粒径分布窄。
上述步骤(1)用到的在水中单分散的磁性铁氧化物纳米粒子可以是三氧化二铁或四氧化三铁中任一种或两种的混合，其粒径为8～33nm，使得制备出的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球粒径可控。
该在水中单分散的磁性铁氧化物纳米粒子可以是直接单分散在水相中的磁性铁氧化物纳米粒子；也可以是将磁性铁氧化物纳米粒子先分散在油相中，再转入到水相的磁性铁氧化物纳米粒子。
上述分散在油相中的磁性铁氧化物纳米粒子水相转移的方法是：先利用高温热解法制备成表面包覆油酸的油相磁性铁氧化物纳米粒子，将其加入到极性溶剂与非极性溶剂的混合溶液中，再加入氧化剂将油相磁粒表面羧基氧化后转入水相，得到水分散性的磁性铁氧化物纳米粒子。其中极性溶剂是四氢呋喃、乙酸乙酯或乙腈中的一种或多种；非极性溶剂是正己烷、甲苯、氯仿或环己烷的一种或多种；氧化剂是O3、KMnO4、H2O2、OsO4、K2Cr2O7、CrO3、NaIO4、NaClO4或NaClO。
本发明的优点
本发明的方法中，通过对所加反应物的量的合理配比，及其对反应条件的合理设置，使制备出的每个二氧化硅微球包覆了一个或多个铁氧化物磁粒纳米粒子，成球性和单分散性好，壳层厚度可控，粒径分布窄，易于清洗，该方法操作简便，成本低，浪费小，产率高.
附图说明
图1是实施例1制备的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的TEM图。
图2是实施例2制备的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的TEM图。
图3是实施例3制备的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的TEM图。
图4是采用本方法制备的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的粒径分布图。
具体实施方式
以下结合具体实施例来对本发明进行进一步的说明，该实施例并不对本发明的保护范围作限定。
实施例1：制备粒径为50nm的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球。
将15mg在水中单分散的粒径为8nm的铁氧化物纳米粒子，加入到乙醇与水体积比为1∶1的混合溶液中，搅拌0.3h，搅拌速度为300rpm。在上述溶液中加入0.02ml正硅酸乙酯，搅拌2h，搅拌速度为400rpm，然后再加入0.5mL浓氨水，继续搅拌24h。用外加磁场将核壳结构的二氧化硅磁性复合微球从溶液中分离出来，弃上清，用超纯水和无水乙醇清洗二氧化硅磁性复合微球，分散在水中。得到粒径为50nm的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球，该微球的电镜表征见附图1。
实施例2：制备粒径为80nm的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球。
将15mg在水中单分散的粒径为10nm的铁氧化物纳米粒子，加入到异丙醇与水(体积比为1∶5)的混合溶液中，搅拌0.3h，搅拌速度为300rpm。在上述溶液中加入0.5ml正硅酸乙酯，搅拌2h，搅拌速度为400rpm，然后再加入2.5mL浓氨水，继续搅拌12h，用外加磁场将核壳结构的二氧化硅磁性复合微球从溶液中分离出来，弃上清，用超纯水和无水乙醇清洗二氧化硅磁性复合微球，分散在水中。得到粒径为80nm的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球，该微球的电镜表征见附图2。
实施例3：制备粒径为100nm的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球。
将15mg在水中单分散的粒径为12nm的铁氧化物纳米粒子，加入到乙醇与水(体积比为1∶3)的混合溶液中，再加入0.5g PVP10K，搅拌0.5h，搅拌速度为300rpm。在上述溶液中加入1ml正硅酸甲酯，搅拌2h，搅拌速度为600rpm，然后再加入3mL浓氨水，继续搅拌4h，制备出核壳结构的二氧化硅磁性复合微球。用外加磁场将核壳结构的二氧化硅磁性复合微球从溶液中分离出来，弃上清，用超纯水和无水乙醇清洗二氧化硅磁性复合微球，分散在水中。该微球的电镜表征见附图3。
从上述实施例中可以看出，以上制备方法中用到的都是常规试剂，并且没有用到昂贵的大型仪器，成本低，且操作简便，易于清洗。从附图1、2、3中可以看出制备的二氧化硅磁性复合微球的成球性和单分散性好，并且每个二氧化硅微球包覆了一个或多个铁氧化物磁粒纳米粒子。附图4是采用上述方法制备的二氧化硅磁性复合微球的粒度表征，表征了所制备的二氧化硅磁性复合微球的水合粒径的体积分布为50nm～300nm，可看出制备出的微球的粒径分布窄，壳层厚度可控。
Claims (9)
1.一种核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将在水中单分散的磁性铁氧化物纳米粒子加入到体积比为1∶1～5的醇，超纯水的混合溶液中，以300～1000rpm的速度搅拌0.3～2h；
(2)再加入0.01～1ml正硅酸酯，以300～1000rpm的速度搅拌0.3～2h；
(3)再加入0.5～5mL浓氨水，继续搅拌2～24h，得到含有核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的溶液；
(4)用外加磁场将核壳结构的二氧化硅磁性复合微球从溶液中分离出来，弃上清，用超纯水和无水乙醇清洗微球，最后将其分散在水中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)混合溶液中加入浓度为1～10mg/ml的表面活性剂，所述表面活性剂包括PVP5000～700000或PEG200～20000。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：表面活性剂为PVP10K、PVP30K、PEG4000或PEG6000。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)的醇是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇中的一种或多种混合溶液；步骤(2)的正硅酸酯包括正硅酸乙酯或正硅酸甲酯。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：制得的核壳结构的二氧化硅磁性复合微球的粒径为50～200nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述在水中单分散的磁性铁氧化物纳米粒子是三氧化二铁或四氧化三铁中任一种或两种的混合，其粒径为8～33nm。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于：在水中单水分散的磁性铁氧化物纳米粒子是直接单分散在水相中的磁性铁氧化物纳米粒子；或者是将磁性铁氧化物纳米粒子先分散在油相中，再转入到水相的磁性铁氧化物纳米粒子。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：分散在油相中的磁性铁氧化物纳米粒子水相转移的方法是：先利用高温热解法制备成表面包覆油酸的油相磁性铁氧化物纳米粒子，将其加入到极性溶剂与非极性溶剂的混合溶液中，再加入氧化剂将油相磁粒表面羧基氧化后转入水相，得到在水相中单分散的磁性铁氧化物纳米粒子。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述极性溶剂是四氢呋喃、乙酸乙酯或乙腈中的一种或多种；非极性溶剂是正己烷、甲苯、氯仿或环己烷的一种或多种；氧化剂是O3、KMnO4、H2O2、OsO4、K2Cr2O7、CrO3、NaIO4、NaClO4或NaClO。
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