CN101721970A - 一种在介孔硅材料的孔外表面修饰功能基团的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在介孔硅材料的孔外表面修饰功能基团的制备方法。本方法包括材料的修饰和成孔剂去除两步。将含有成孔剂的介孔二氧化硅材料与带有功能基团的有机硅氧烷在干燥惰性有机溶剂中反应，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，同时将3-(2，3-环氧丙氧)丙基转化为烷基二醇基。该材料可以提高对蛋白质或肽的筛分能力，大大降低样品预处理过程中高分子量生物基质的干扰，适合于复杂生物基质中对小分子药物及小肽的选择性富集。

Description

一种在介孔硅材料的孔外表面修饰功能基团的制备方法

技术领域

本发明涉及介孔二氧化硅材料，具体地说是一种在介孔二氧化硅材料的孔外表面修饰功能基团的制备方法。

背景技术

介孔材料具有较大的比表面积和孔体积，孔径均一而且在纳米尺度上从一维到三维都能连续可调，使它们在大分子或大离子吸附和分离方面具有比传统吸附剂无可比拟的优越性和广阔的应用前景。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：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，影响了材料的筛分能力，从而影响了选择性吸附能力和吸附容量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在介孔二氧化硅材料的孔外表面修饰烷基二醇基等有机基团的制备方法，所获得的产品用于复杂生物样品中，对于低分子量蛋白质或肽的选择性富集时，其对蛋白质或肽的筛分能力强、分离效果好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种在介孔硅材料的孔外表面修饰功能基团的制备方法，

1)材料的修饰：将0.5-5.0g含有成孔剂的介孔二氧化硅粉末在80-150℃下真空干燥2-20小时；将干燥好的二氧化硅粉末加入到烧瓶中，并在氮气保护下向烧瓶内加入30-150mL无水有机溶剂，待材料完全分散于无水有机溶剂后，加入2-10mL带有功能基团的修饰试剂，氮气保护下在60-120℃下回流反应3-24小时；反应后抽滤得到产品，并用无水有机溶剂分别洗涤2-4次，真空干燥后备用；

2)成孔剂去除：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3-10mL 1-12M盐酸萃取，20-90℃下搅拌回流6-24小时，萃取后过滤，用无水醇洗涤2次以上，真空干燥得成品。

所述含有成孔剂的介孔二氧化硅粉末是采用如下过程获取的，将0.5-5.0g的成孔剂溶于10-150mL的水中，加入酸或碱，调溶液终pH值在2-5或8-13，再加入3-50mL四甲氧基或四乙氧基硅烷。搅拌1-8小时后，20-150℃反应1-5天。然后经过滤、洗涤、干燥，得到含成孔剂的介孔材料。

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或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；所述介孔二氧化硅粉末为M41S系列、FSM-16、HMS、SBA-n、KIT-1或MSU等类型。

所述修饰试剂为带有不同官能团的硅氧烷。

所述带有不同官能团的硅氧烷为3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、5，6-环氧己基三乙氧基硅烷、氨基硅氧烷、巯基硅氧烷、乙烯基硅氧烷、烷基硅氧烷、苯基硅氧烷或烷基氯硅氧烷。

所述无水有机溶剂为干燥甲苯、异丙醇、正己烷、环己烷或苯等惰性有机溶剂。

所述萃取成孔剂试剂醇可以是甲醇、乙醇或异丙醇等。

本发明具有如下优点：

1.当采用3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷作为修饰试剂时，本发明所获的产品可明显提高对蛋白质或肽的筛分能力，分离效果好；这是由于修饰在材料孔外表面的烷基二醇基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，所合成的材料其孔外表面对蛋白等基质的吸附能力很小，而孔内对小分子药物和蛋白的吸附作用有所提高；该材料提高了对目标物质的筛分能力，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，适合于复杂生物基质中对小分子药物及小肽的选择性富集。

2.用途广。当采用环氧丙氧基硅氧烷，氨基硅氧烷，巯基硅氧烷，乙烯基硅氧烷、烷基硅氧烷及烷基氯硅氧烷作为修饰试剂时，可明显提高本发明产品的各种性能，可根据具体目标分子或需要来选择修饰试剂。

3.可以对介孔二氧化硅材料孔外表面的硅羟基进行有效保护。这是由于修饰试剂是与孔外表面硅羟基反应的，屏蔽了硅羟基的活性，为进一步对孔内表面进行选择性修饰提供了条件。

4.本发明成孔剂去除过程采用盐酸酸化醇作为萃取溶剂，这是由于酸化醇对介孔材料中表面活性剂具有较高的萃取能力，不仅除掉成孔剂，而且将3-(2，3-环氧丙氧)丙基转化为烷基二醇基。

附图说明

图1为材料修饰及萃取小分子量蛋白示意图；

图2为实施例1合成材料的X射线粉末衍射(a)MCM-41，(b)烷基二醇基修饰的MCM-41

图3为实施例1合成材料的傅立叶红外光谱(a)MCM-41，(b)烷基二醇基修饰的MCM-41

图4为本发明所制备材料与未修饰介孔材料孔外表面吸附大蛋白的紫外-吸收光谱比较；

图5为本发明所制备材料与未修饰介孔材料从2mg/mL的卵清蛋白中萃取200μg/mL胰岛素的质谱图比较。(a)采用未修饰介孔材料萃取胰岛素；(b)采用烷基二醇基修饰介孔材料萃取胰岛素。

具体实施方式

实施例1

1)含有成孔剂的介孔二氧化硅粉末的制备：

以十六烷基三甲基溴化铵、四乙氧基硅烷、氨水、氢氧化钠、水的摩尔比为0.1∶1.0∶3.2∶0.3∶80的比例将上述原料混合后，室温搅拌3小时后，将混合物转移到聚四氟反应釜中100℃晶化120小时，后过滤、洗涤、干燥。(Chu，C.T-W.，ect，J.Am.Chem.Soc.，114(1992)10834.)

2)材料的修饰步骤包括：将1.0g含有十六烷基三甲基溴化铵的介孔MCM-41二氧化硅粉末在100℃下真空干燥10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50mL干燥甲苯，待材料完全分散于甲苯后，加入3mL 3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，氮气保护下在110℃下回流反应24小时。反应后抽滤得到产品，并用甲苯和异丙醇各洗涤三次，真空干燥备用。

3)成孔剂去除步骤包括：将上面反应后干燥的材料1.0g放到200mL无水乙醇中，并加入3mL2M盐酸，80℃下搅拌回流8小时，除去成孔剂，同时将3-(2，3-环氧丙氧)丙基转化为烷基二醇基。萃取后，过滤，用无水乙醇多次洗涤，真空干燥，得到烷基二醇基修饰的MCM-41材料。步骤1)中无修饰材料采用同样的方法去除成孔剂，得到MCM-41材料。

由X射线粉末衍射可知烷基二醇基修饰前后MCM-41材料都具有高度有序介孔结构；由傅立叶红外光谱可知，烷基二醇基修饰后的MCM-41，红外吸收在烷基的特征吸收峰2900cm^-1左右有了大的增强，证明了烷基二醇基的成功引入。

实施例2

1)含有成孔剂的介孔二氧化硅粉末的制备：

以十六烷基三甲基溴化铵、四乙氧基硅烷、氨水、氢氧化钠、水的摩尔比为0.1∶1.0∶3.2∶0.3∶80的比例将上述原料混合后，室温搅拌3小时后，将混合物转移到聚四氟反应釜中100℃晶化120小时，后过滤、洗涤、干燥。(Chu，C.T-W.，ect，J.Am.Chem.Soc.，114(1992)10834.)

2)材料的修饰步骤包括：将2.0g含有十六烷基三甲基溴化铵的介孔MCM-41二氧化硅粉末在80℃下真空干燥16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干燥正己烷，待材料完全分散于正己烷后，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℃下回流反应24小时。反应后抽滤得到产品，并用正己烷洗涤三次，真空干燥备用。

3)成孔剂去除步骤包括：将上面反应后干燥的材料2.0g放到200mL无水甲醇中，并加入2mL6M盐酸，60℃下搅拌回流12小时，除去成孔剂，同时将3-(2，3-环氧丙氧)丙基转化为烷基二醇基。萃取后，过滤，用无水甲醇多次洗涤，真空干燥。步骤1)中无修饰材料采用同样的方法去除成孔剂。

由X射线粉末衍射可知修饰前后MCM-41材料都具有高度有序介孔结构；由傅立叶红外光谱可知，烷基二醇基修饰后的MCM-41，红外吸收在烷基的特征吸收峰2900cm^-1左右有了大的增强，证明了烷基二醇基的成功引入。

应用例1

图4为本发明所制备材料与未修饰介孔材料孔外表面吸附大蛋白的紫外-吸收光谱比较图；

(a)1mg/mL卵清蛋白的紫外-可见吸收光谱；

(b)将未修饰的介孔材料MCM-41与(a)溶液混合2小时后上清液的紫外-可见吸收光谱；

(c)将烷基二醇基修饰的介孔材料MCM-41与(a)溶液混合2小时后上清液的紫外-可见吸收光谱。

其分析条件：1mg/mL卵清蛋白配制在20mM磷酸缓冲液中，pH 5.0。取实施例1制得的烷基二醇基修饰MCM-41和MCM-41各20mg，分别加到4mL配制好的蛋白溶液中，放到摇床中吸附2小时后取上清液，后采用PerkinElmer公司的Lambda35紫外-可见分光光度计对所取的上清液的进行吸光度值扫描，扫描范围400nm-200nm。(卵清蛋白分子量43000，是一种大于所采用的介孔材料孔径(2.7nm)的蛋白，所以卵清蛋白在材料上的吸附是发生在孔外表面的。)根据卵清蛋白的校正曲线，计算得到每克未修饰的MCM-41材料吸附卵清蛋白26mg，每克烷基二醇基修饰的MCM-41材料吸附卵清蛋白2mg。MCM-41材料外表面修饰烷基二醇基后，外表面对大于孔径的蛋白吸附量降低90％。

应用例2

图5为本发明所制备材料与未修饰介孔材料从2mg/mL的卵清蛋白中萃取200μg/mL胰岛素的质谱图比较。(a)采用未修饰介孔材料萃取胰岛素；(b)采用烷基二醇基修饰介孔材料萃取胰岛素。

分析条件：在2mg/mL卵清蛋白的磷酸缓冲溶液中加入胰岛素，使其浓度达到200μg/mL。将配制好的蛋白混合液作为待萃取液。取实施例1制得的烷基二醇基修饰MCM-41和MCM-41各10mg，分别加到2mL配制好的待萃取液中，放到摇床中吸附2小时后离心弃上清液，用去离子水洗材料几次。后采用80％的乙腈水溶液(含0.1％甲酸)解析吸附在材料上的蛋白。解析液采用Waters公司ESI-Q-Tof质谱分析，流速20μL/min。离子源温度120℃，解析气为氮气，温度180℃，流速380L/h。电喷雾极化电压为3000V。(胰岛素分子量5800，是一种分子尺寸小于材料孔径的蛋白。)图5给出了分别采用两种材料萃取后解析液的质谱图，并分别标出了胰岛素的分子离子峰。修饰后，介孔材料对蛋白基质中低分子量蛋白的萃取效率大大增加，离子强度增加到约为原来的二倍。

Claims (7)

1.一种在介孔硅材料的孔外表面修饰功能基团的制备方法，其特征在于：

1)材料的修饰：将0.5-5.0g含有成孔剂的介孔二氧化硅粉末在80-150℃下真空干燥2-20小时；将干燥好的二氧化硅粉末加入到烧瓶中，并在氮气保护下向烧瓶内加入30-150mL无水有机溶剂，待材料完全分散于无水有机溶剂后，加入2-10mL带有功能基团的修饰试剂，氮气保护下在60-120℃下回流反应3-24小时；反应后抽滤得到产品，并用无水有机溶剂分别洗涤2-4次，真空干燥后备用；

2)成孔剂去除：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3-10mL 1-12M盐酸萃取，20-90℃下搅拌6-24小时，萃取后过滤，用无水醇洗涤2次以上，真空干燥得成品。

2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述含有成孔剂的介孔二氧化硅粉末是采用如下过程获取的，将0.5-5.0g的成孔剂溶于10-150mL的水中，加入酸或碱，调溶液终pH值在2-5或8-13，再加入3-50mL四甲氧基或四乙氧基硅烷；搅拌1-8小时后，20-150℃反应1-5天；然后经过滤、洗涤、干燥，得到含成孔剂的介孔材料。

3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：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或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；所述介孔二氧化硅粉末为M41S系列、FSM-16、HMS、SBA-n、KIT-1或MSU等类型。

4.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述修饰试剂为带有不同官能团的硅氧烷。

5.按照权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述带有不同官能团的硅氧烷为3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、5，6-环氧己基三乙氧基硅烷、氨基硅氧烷、巯基硅氧烷、乙烯基硅氧烷、烷基硅氧烷、苯基硅氧烷或烷基氯硅氧烷。

6.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述无水有机溶剂为惰性有机溶剂干燥甲苯、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：所述萃取成孔剂试剂醇可以是甲醇、乙醇或异丙醇。

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