CN102070135A - 两亲性多孔中空碳微球及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两亲性多孔中空碳微球及其制备方法与其作为载体富集、担载活性分子或催化剂的应用，以及利用两亲性从分散体系中分离、回收多孔中空碳微球的方法。该方法将酵母菌分散于细胞壁表面保护剂的水溶液中，然后进行碳化处理，即得到所述两亲性多孔中空碳微球。所制备的中空碳微球的孔径大小可以根据需要控制在介孔和大孔范围，能适用于不同大小客体分子的装载、储存和运输；利用两亲性多孔中空碳微球能自发地从极性或非极性分散体系迅速向两相界面转移的特点，能够很方便地从反应混合体系中分离和回收这些微球。简易而低成本的合成方法，以及中空碳微球的特殊性质，都有助于其在能量储存、药物输送，人工细胞、催化载体等领域的应用。

Description

两亲性多孔中空碳微球及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种两亲性多孔中空碳微球及其制备方法与应用。

背景技术

近年来由于其独特的性质和巨大的潜在应用价值，具有良好规整结构的中空微球，特别是具有多孔球壳的中空微球受到了众多研究者的广泛关注。多孔球壳结构使得客体分子如染料、药物、相变材料、细胞和蛋白质等能够自由地进入微球的内部空腔，从而大大提高了这些活性分子的装载、储藏和运输效率。因此，这种多孔中空的结构特征将有助于多孔中空微球在能量储存、药物输送，人工细胞、催化载体等领域的应用。

目前制备多孔中空微球的方法主要是微乳液法、超分子自组装法和模板法等。总体来说，这些方法或者在产品尺寸和孔径大小控制方面还存在问题，或者是制造工艺比较繁琐。同时，用这些方法制备得到的产品往往需要在进一步的表面化学改性之后，才能符合特定应用的需要。这就使得整个载体材料的制备过程过于复杂，提高了生产的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种两亲性多孔中空碳微球及其制备方法。

本发明所提供的两亲性多孔中空碳微球是按照包括下述步骤的方法制备得到的：将酵母菌分散于细胞壁表面保护剂的水溶液中，然后进行碳化处理，即得到所述两亲性多孔中空碳微球。

其中，所述酵母菌的形状可为球形或椭球形。所述酵母菌可以是活菌也可以是死菌。当所述酵母菌为干酵母菌时，所述干酵母菌的加入量与所述细胞壁表面保护剂的水溶液中配比为10-200g∶1L。

本发明中的细胞壁表面保护剂起到保护酵母细胞壁结构完整性，避免细胞壁瓦解的作用。所述表面保护剂具体可为丁二醛、戊二醛或己二醛，所述表面保护剂的水溶液中表面保护剂的浓度可为0.01-0.1mol/L。

本发明中所述碳化处理可在反应釜中进行。所述碳化处理的温度为恒温，所述恒温的温度为150-240℃，恒温的时间为10-24小时。

本发明的方法还包括对得到的多孔中空碳微球用去离子水洗涤并干燥的步骤。

本发明制备的多孔中空碳微球的前身是酵母菌的多聚糖细胞壁，由于酵母菌属具有基本相同的细胞壁结构，所以酵母菌属中的任意一种均可用作本发明的原料，如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、葡萄汁酵母等。

按照上述方法制备得到的中空碳微球的粒径分布集中在2-4微米。除了具备中空结构外，微球球壳上还均匀分布着大量孔隙。在制备过程中通过改变表面保护剂的种类、浓度以及碳化处理的温度、时间，使得制备出的两亲性多孔中空碳微球的孔径可以在介孔(2-50nm)和大孔(＞50nm)范围内进行调控。当表面保护剂的浓度为0.05-0.1mol/L，恒温时间为10-14小时时，球壳孔隙集中在介孔范围；当表面保护剂的浓度为0.01-0.05mol/L，恒温时间为10-24小时时，球壳孔隙集中在大孔范围。

本发明的另一个目的是提供上述方法制得的两亲性多孔中空碳微球作为载体富集、担载活性分子或催化剂的应用。

其中，所述活性分子可为蛋白质、多肽、生长因子、药物、染料等中的一种，所述催化剂可为纳米尺度的金属或金属氧化物催化剂如Ag、SrO₂、TiO₂等，以及生物催化剂，如脂肪酶、葡萄糖苷酶等中的一种。

用所述两亲性多孔中空碳微球作为特定载体富集、担载活性分子或催化剂的方法为：将两亲性多孔中空碳微球与活性分子溶液或催化剂溶液混合，使所述两亲性多孔中空碳微球吸附活性分子或催化剂，然后将两亲性多孔中空碳微球从溶液中分离出来，即可将活性分子或催化剂装载于两亲性多孔中空碳微球中。

所述活性分子溶液和催化剂溶液中的溶剂成分均为具备保持相应活性分子和催化剂活性所要求的离子种类、浓度和pH值的极性或非极性溶液。所述吸附的温度范围为-20℃-90℃，吸附的时间为5-600分钟。吸附过程中可将溶液静置也可适当震荡。

本发明的再一个目的是提供一种利用相转移法从稳定的分散体系中分离回收上述两亲性多孔中空碳微球的方法。

本发明实现该目的所采用的技术方案如下：对于两亲性多孔中空碳微球在极性(或非极性)溶剂中形成的稳定分散体系，加入非极性(或极性)溶剂，并适当震荡后，两亲性多孔中空碳微球迅速地从原来稳定的分散体系中向两相界面转移，并最终全部聚集于两相界面上，此时即可实现两亲性多孔中空碳微球的回收。

其中，所述极性溶剂可以是水、甲酰胺、乙腈、甲醇、丙酮等已知的极性溶剂中的一种，所述非极性溶剂可以是甲苯、氯仿、溴乙烷、四氯化碳、环己烷、己烷等已知的非极性溶剂中的一种。

本发明提供了一种简单易行，成本低廉的两亲性多孔中空碳微球的制备方法，该方法制备的两亲性多孔中空碳微球的孔径大小可以根据需要控制在介孔(2-50nm)和大孔(＞50nm)范围，能适用于不同大小客体分子的装载、储存和运输；同时由于该微球材料具备特殊的两亲性，其作为催化载体使用时，既能用于极性介质(如水、乙醇)，也能用于非极性介质(如甲苯、氯仿)，且利用两亲性多孔中空碳微球能自发地从极性或非极性分散体系迅速向两相界面转移的特点，能够很方便地从反应混合体系中分离和回收这些微球；另外，利用其两亲性表面性质和多孔中空结构，两亲性多孔中空碳微球能够实现特定活性分子或催化剂在其内部空腔的自动富集、担载特定的活性分子或催化剂。简易而低成本的合成方法，以及上述两亲性多孔中空微球的特殊性质，都有助于其在能量储存、药物输送，人工细胞、催化载体等领域的应用。

附图说明

图1为实施例1制备的两亲性介孔中空碳微球a的扫描电镜(SEM)形貌照片。

图2为实施例2制备的两亲性介孔中空碳微球b的扫描电镜(SEM)形貌照片。

图3为实施例3制备的两亲性大孔中空碳微球的扫描电镜(SEM)形貌照片。

图4为实施例1制备的两亲性介孔中空碳微球的红外图谱。

图5为实施例1制备的两亲性介孔中空碳微球a的氮气吸附-脱附等温线及孔径分布图。

图6为实施例2制备的两亲性介孔中空碳微球b的氮气吸附-脱附等温线及孔径分布图。

图7为实施例3制备的两亲性大孔中空碳微球的氮气吸附-脱附等温线及孔径分布图。

图8为实施例4制备的在内部空腔富集了蛋白质的两亲性多孔中空碳微球的激光共聚焦照片。

图9为实施例5中利用相转移实现两亲性多孔中空碳微球分离前后的照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和生物材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1、两亲性介孔中空碳微球a的制备

称取椭球形酿酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)(生产厂家为安琪酵母股份有限公司，商品名称为耐高温酿酒高活性干酵母，商品目录号80000012)1g，分散于100ml的0.1mol/L丁二醛中，然后转移到反应釜中放到恒温箱中在180℃下加热14小时，将得到的沉淀物用去离子水洗涤，在20℃下干燥24小时，干燥后得到两亲性多孔中空碳微球。

用扫描电镜观察两亲性多孔中空碳微球。利用氮气吸附法测定两亲性多孔中空碳微球球壳上的孔径分布。利用傅立叶转换红外线光谱仪对两亲性多孔中空碳微球的表面官能团进行红外表征。

扫描电镜下产品的结构如图1所示，所制备的中空碳微球为直径2-4微米的球形。其氮气吸附-脱附等温线和孔径分布图如图5所示，根据氮气吸附-脱附等温线，两亲性多孔中空碳微球球壳上的平均孔径为12.1nm，属于介孔范围。其红外表征结果如图4所示，说明其表面不仅含有羟基和醛基等亲水性官能团，还有疏水性的芳香结构。

实施例2、两亲性介孔中空碳微球b的制备

制备方法基本同实施例1，不同之处在于：所采用的表面保护剂为戊二醛，浓度为0.05mol/L，酵母菌用量为5g，其余步骤同实施例1。

扫描电镜下产品的结构如图2所示，所制备的中空碳微球为直径2-4微米的球形。其氮气吸附-脱附等温线和孔径分布图如图6所示，根据氮气吸附-脱附等温线，其球壳上的平均孔径为43.5nm。其红外表征结果与实施例1近似。

实施例3、两亲性大孔中空碳微球的制备

制备方法基本同实施例1，不同之处在于，所采用的表面保护剂为己二醛，浓度为0.01mol/L，酵母菌用量为20g，其余步骤同实施例1。

扫描电镜下产品的结构如图3所示，所制备的中空碳微球同样为直径2-4微米的球形。其氮气吸附-脱附等温线和孔径分布图如图7所示，根据氮气吸附-脱附等温线，其球壳上的平均孔径为50.2nm，其红外表征结果与实施例1近似。

实施例4、两亲性多孔中空碳微球富集蛋白质的方法

将异硫氰酸荧光素(FITC)标记的卵清蛋白溶于pH 7.4的磷酸缓冲液，形成1mg/mL的FITC-卵清蛋白溶液，再将实施例3制备得到的两亲性大孔中空碳微球浸入到该溶液中，在20℃吸附1小时后，离心除去上清液，将两亲性大孔中空碳微球从溶液中分离出来，即可将卵清蛋白装载于两亲性多孔中空碳微球中。

使用激光共聚焦显微镜对装载了荧光蛋白后的两亲性多孔中空碳微球进行观察。通过激光共聚焦显微镜拍摄到的荧光蛋白的密集程度和分布情况见图8，利用两亲性内表面的吸附和特殊的多孔球壳结构，两亲性多孔中空碳微球在其内部空腔富集了大量蛋白质。

实施例5、从稳定的分散体系中分离两亲性多孔中空碳微球的方法

本实施例提供一种利用相转移从以甲苯为介质的稳定的分散体系中分离两亲性多孔中空碳微球的方法，具体步骤如下：将25mg两亲性多孔中空碳微球均匀地分散到3mL甲苯中，向该分散体系中滴加0.2mL去离子水并轻微震荡，两亲性多孔中空碳微球即迅速地转移到甲苯-水两相界面，从而聚集在两相体系的最下层，实现了与甲苯的分离。该过程如图9所示。

Claims (13)

1.一种制备两亲性多孔中空碳微球的方法，包括下述步骤：将酵母菌分散于细胞壁表面保护剂的水溶液中，然后进行碳化处理，即得到所述两亲性多孔中空碳微球。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述细胞壁表面保护剂为丁二醛、戊二醛或己二醛；所述细胞壁表面保护剂的水溶液中表面保护剂的浓度为0.01-0.1mol/L。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述酵母菌的形状为球形或椭球形，所述酵母菌为干酵母菌，所述干酵母菌的加入量与所述细胞壁表面保护剂的水溶液中配比为10-200g∶1L。

4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：所述碳化处理在恒温条件下进行，所述恒温的温度为150-240℃，所述恒温的时间为10-24小时；所述碳化处理在反应釜中进行。

5.根据权利1-4中任一所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对得到的多孔中空碳微球用去离子水洗涤并干燥的步骤。

6.权利要求1-5中任一所述方法制备得到的两亲性多孔中空碳微球。

7.根据权利要求6所述的两亲性多孔中空碳微球，其特征在于：所述两亲性多孔中空碳微球的粒径为2-4微米。

8.根据权利要求6或7所述的两亲性多孔中空碳微球，其特征在于：所述两亲性多孔中空碳微球的孔为介孔或大孔，所述介孔的孔径为2-50nm，所述大孔的孔径＞50nm。

9.权利要求6-8中任一所述的两亲性多孔中空碳微球作为活性分子或催化剂载体的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述活性分子为蛋白质、多肽、生长因子、药物或染料；所述催化剂为纳米尺度的金属和金属氧化物催化剂如Ag、SrO₂、TiO₂等，以及生物催化剂，如脂肪酶、葡萄糖苷酶等。

11.根据权利要求9或10所述的应用，其特征在于：所述活性分子或所述催化剂装载于所述两亲性多孔中空碳微球中的方法为：将两亲性多孔中空碳微球与活性分子溶液或催化剂溶液混合，使所述两亲性多孔中空碳微球吸附活性分子或催化剂，然后将两亲性多孔中空碳微球从溶液中分离出来，即得到了装载了活性分子或催化剂的两亲性多孔中空碳微球。

12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于：所述活性分子溶液或催化剂溶液中的溶剂为极性或非极性溶剂；所述吸附在-20℃-90℃的条件下进行，所述吸附的时间为5-600分钟。

13.一种从稳定的分散体系中分离回收两亲性多孔中空碳微球的方法，其特征在于：对于两亲性多孔中空碳微球在极性溶剂中形成的稳定分散体系，加入非极性溶剂并震荡后，两亲性多孔中空碳微球从原来稳定的分散体系中向两相界面转移，并最终全部聚集于两相界面上，即实现两亲性多孔中空碳微球的分离回收；

对于两亲性多孔中空碳微球在非极性溶剂中形成的稳定分散体系，加入极性溶剂并震荡，即实现两亲性多孔中空碳微球的分离回收。

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