CN104148030B - 富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功能化无机材料和分析技术领域，特别是涉及一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法。本发明提供一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，具体包括如下步骤：1）将聚乙烯亚胺分子固定于二氧化硅微球表面；2）对聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球进行有机苯硼酸功能化修饰。通过本发明所提供的制备方法所制备的二氧化硅微球，能够对低浓度的顺式二羟基化合物进行富集分离，有助于解决实际分离样品中顺式二羟基化合物丰度低、检测干扰物多等问题。

Description

富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及功能化无机材料和分析技术领域，特别是涉及一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，所述制备方法所制备的二氧化硅微球及其应用。

背景技术

顺式二羟基化合物是含有顺式二羟基结构的一类化合物，如儿茶酚类、糖类、糖脂、糖蛋白、糖肽、核苷和核苷酸等。目前，这些顺式二羟基化合物在中药学、代谢组学、脂质组学、糖组学及蛋白质组学等领域中体现出重要的研究价值，如儿茶素和表儿茶素在银杏及连翘等中药中存在，多具有止泻、保肝、降低胆固醇、抗炎等方面的作用；糖蛋白的主要生物学功能为细胞或者分子的生物识别，同时也可作为受体蛋白或者肿瘤细胞表面抗原，调控细胞的增殖和分化，与很多疾病如肿瘤、糖尿病等的发生发展有关，可作为异常标志为临床诊断提供信息，有助于疾病诊断或预后判断；同样，核苷类化合物也具有显著的生理功能，尿液中异常核苷的检测也可为癌症等疾病的早期诊断提供有效信息。但是，这些顺式二羟基化合物在样品中的丰度往往较低，且检测易受其他高丰度化合物的干扰。因此，对这些顺式二羟基化合物进行选择性富集、纯化和分离具有非常重要的研究价值。

有机苯硼酸能与顺式二羟基化合物在不同条件下实现可逆结合和解离，即在碱性条件下共价结合形成环状酯，而在酸性条件下解离。这种特殊的性质使得有机苯硼酸被广泛应用于顺式二羟基化合物的富集分离。但是，大部分有机苯硼酸功能化的材料在选择性富集顺式二羟基化合物方面具有亲和力弱、吸附量低等缺陷，不能有效地富集样品中浓度很低的顺式二羟基化合物。所以，制备亲和力高、吸附量高的有机苯硼酸功能化的材料是非常重要的。

聚乙烯亚胺(Polyethylenimine,PEI)是一种水溶性高分子阳离子聚合物，分为线性和分枝状两种，其中分枝状聚乙烯亚胺富含伯胺、仲氨和叔胺基，具有较高的反应活力，易于进行化学修饰，例如能够很容易地环氧基、醛基、异氰酸酯化合物和酸性气体反应。

因此，将聚乙烯亚胺修饰在比表面积较大的二氧化硅基质表面，并利用其表面高密度且反应活泼的氨基结合有机苯硼酸，为顺式二羟基化合物的高效选择性富集、纯化和分离提供了一种新的技术思路。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法及其应用，以及由所述制备方法所获得的二氧化硅微球，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，具体包括如下步骤：

1)将聚乙烯亚胺分子固定于二氧化硅微球表面：将二氧化硅微球活化，然后对活化后的二氧化硅微球进行环氧丙基或者其他活性功能基团(如醛基、羧基、酯基、卤代烃、酰氯、氰基等)的修饰，再将环氧丙基或者其他活性功能基团表面修饰后的二氧化硅微球分散在聚乙烯亚胺溶液中，气体保护条件下60-80℃搅拌反应12-24h，反应结束后抽滤，固相物洗涤、干燥后即得到聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球；

2)对聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球进行有机苯硼酸功能化修饰：将步骤1)得到的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球分散在有机苯硼酸衍生物溶液中，气体保护条件下60-80℃搅拌反应12-24h，反应结束后抽滤，固相物洗涤、干燥后即得到硼酸功能化的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球。

优选的，所述气体保护时使用的气体为氮气。

优选的，所述二氧化硅微球为全多孔二氧化硅微球或无孔二氧化硅微球。

更优选的，所述全多孔二氧化硅微球的粒径为0.5-50μm，更优选为10-40μm，最优选为20μm。

更优选的，所述无孔二氧化硅微球的粒径为10-3000nm，更优选为800-3000nm，最优选为1400nm。

优选的，所述步骤1中，二氧化硅微球活化的具体条件为：将二氧化硅微球加质量分数为10～15％的盐酸溶液中，90-105℃回流反应12-36h；反应结束后，固相物抽滤，水洗至中性，真空干燥即可。

更优选的，每1g二氧化硅微球对应使用15-30ml盐酸溶液。

优选的，所述步骤1中，对活化后的二氧化硅微球进行环氧丙基的修饰的具体方法为：将二氧化硅微球加入甲苯，超声分散后加入γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，二氧化硅微球、甲苯、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的投料比为：每1g二氧化硅微球对应加入20-60mL甲苯、2-6mLγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷；气体保护下，90-115℃回流反应12-36h；反应结束后，抽滤，固相物冲洗、晾干后得到环氧丙基功能化的二氧化硅微球。

更优选的，每1g二氧化硅微球对应加入40mL甲苯、4mLγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。

更优选的，所述固相物冲洗的具体方法为：依次用甲苯、丙酮、乙醚进行冲洗，优选为无水丙酮和无水乙醚。

更优选的，所述甲苯为除水甲苯。

优选的，所述步骤1中，将环氧丙基或者其他活性功能基团表面修饰后的二氧化硅微球分散在聚乙烯亚胺溶液中时，二氧化硅微球与聚乙烯亚胺溶液中聚乙烯亚胺的质量比为1：0.25～1，更优选为1：0.75。

优选的，所述步骤1中，所述聚乙烯亚胺溶液的浓度为2.5-25g/L，溶剂为乙醇-水的混合液，其中乙醇和水的体积比为1～5：1。

优选的，所述步骤1中，所述聚乙烯亚胺的分子量为300-800,000Da，更优选为600-70000Da。

优选的，所述步骤1中，所述固相物洗涤的具体方法为依次用水、乙醇、乙醚进行冲洗，所述水优选为超纯水，所述乙醇优选为无水乙醇，所述乙醚优选为无水乙醚。

优选的，所述步骤2中，所述有机苯硼酸衍生物具体为3-丙烯酰胺基苯硼酸(CAS No：99349-68-5)。

更优选的，所述步骤2中，将步骤1)得到的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球分散在3-丙烯酰胺基苯硼酸溶液中时，二氧化硅微球与3-丙烯酰胺基苯硼酸溶液中3-丙烯酰胺基苯硼酸的质量比为1：0.2～0.8，更优选为1：0.4。

更优选的，所述步骤2中，3-丙烯酰胺基苯硼酸溶液的浓度为2-10g/L，溶剂为甲醇-水的混合液，其中甲醇和水的体积比为1～5：1。

优选的，所述步骤2中，所述固相物洗涤的具体方法为依次用水、甲醇、乙醚进行冲洗，所述水优选为超纯水，所述甲醇优选为无水甲醇，所述乙醚优选为无水乙醚。

本发明第二方面提供所述富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法所制备的二氧化硅微球。

本发明第三方面提供所述富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法所制备的二氧化硅微球在富含顺式二羟基化合物分子中的富集、纯化和分离中的应用。

本发明合成了一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球，它是首先对二氧化硅微球表面修饰环氧丙基或者其他活性官能基团，然后利用环氧丙基的开环反应或者其他反应机理键合不同分子量的分枝状聚乙烯亚胺分子，使其表面富含伯胺、仲胺及叔胺等活性功能基团，然后利用氨基的高反应活性，对其进行有机苯硼酸修饰，从而最终制备得到富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球。利用该富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球作为顺式二羟基化合物的富集分离材料，对低浓度的顺式二羟基化合物进行富集分离，有助于解决实际分离样品中顺式二羟基化合物丰度低、检测干扰物多等问题。

附图说明

图1显示为本发明富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备流程图示；

图2显示为本发明间丙烯酰氨基苯硼酸的核磁共振结果；

图3显示为本发明富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球填充毛细管色谱柱用于分离邻间对苯二酚混合标样色谱图；

图4显示为本发明富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球填充毛细管色谱柱用于分离腺苷和脱氧腺苷混合标样色谱图；

图5显示为本发明富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球填充的SPE柱用于选择性富集混苷中核苷后洗脱液的高效液相色谱图；

图6显示为本发明富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球填充的SPE柱用于选择性富集健康男性尿液中核苷后洗脱液的高效液相色谱图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指绝对压力。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备流程图如图1所示。

实施例1：环氧丙基功能化的20μm全多孔二氧化硅微球的制备

称取1g粒径为20μm的全多孔二氧化硅微球，加入40mL除水甲苯，超声分散后加入4mLγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，磁力搅拌，氮气保护，115℃回流反应24h。反应结束后，抽滤，依次用甲苯、丙酮、无水乙醚进行冲洗，晾干后得到环氧丙基功能化的20μm全多孔二氧化硅微球。

实施例2：环氧丙基功能化的1.4μm无孔二氧化硅微球的制备

称取1g粒径为1.4μm的无孔二氧化硅微球，加入40mL除水甲苯，超声分散后加入4mLγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，磁力搅拌，氮气保护，115℃回流反应24h。反应结束后，抽滤，依次用甲苯、丙酮、无水乙醚进行冲洗，晾干后得到环氧丙基功能化的1.4μm无孔二氧化硅微球。

实施例3：分子量600Da聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备

取1g上述实施例1或实施例2中制备的环氧丙基功能化的二氧化硅微球，加入80mL乙醇-水(1:1，v/v)，超声分散后，加入0.75g分子量600Da的聚乙烯亚胺。磁力搅拌，氮气保护，置于65℃油浴锅中进行回流反应12h。反应结束后，抽滤，依次用超纯水、无水乙醇、无水乙醚进行冲洗，晾干后得到分子量600Da聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球。

实施例4：分子量70,000Da聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备

取1g上述实施例1或实施例2中制备的环氧丙基功能化的二氧化硅微球，加入80mL乙醇-水(1:1，v/v)，超声分散后，加入0.75g分子量70,000Da的聚乙烯亚胺。磁力搅拌，氮气保护，置于65℃油浴锅中进行回流反应12h。反应结束后，抽滤，依次用超纯水、无水乙醇、无水乙醚进行冲洗，晾干后得到分子量70,000Da聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球。

实施例5：3-丙烯酰胺基苯硼酸的制备

称取1.14g间氨基苯硼酸，溶于27mL浓度为1.2M NaOH溶液，磁力搅拌，盐冰浴条件下缓慢滴加1220μl丙烯酰氯。反应1h后，滴加1M的盐酸溶液调节pH至2.0。析出固体后，抽滤，加入20mL超纯水，加热至85℃溶解后，趁热抽滤，除去不能溶解的杂质后，滤液置于室温重结晶，最后抽滤后干燥即得到白色或者乳白色的3-丙烯酰胺基苯硼酸固体。核磁共振谱图如图2所示。

实施例6：3-丙烯酰胺基苯硼酸功能化的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备

取1g上述实施案例3或者实施案例4制备得到的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球，加入80mL甲醇-水(1:1，v/v)，超声分散后，加入0.4g上述说实施案例5制备的3-丙烯酰胺基苯硼酸。磁力搅拌，氮气保护，置于65℃油浴锅中进行回流反应12h。反应结束后，抽滤，依次用超纯水、甲醇、无水乙醚进行冲洗，晾干后得到3-丙烯酰胺基苯硼酸功能化的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球。

实施例7：有机苯硼酸功能化的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球对顺式二羟基化合物选择性富集的考察

1)微径液相色谱表征方法

利用传统高压匀浆法将制备得到的1.4μm粒径的有机苯硼酸功能化的无孔二氧化硅微球填充至100μm内径的熔融毛细管中，填料两端烧制塞子防止填料在使用过程中泄露，然后将其装于TriSep-2100GV加压毛细管电色谱仪(Unimicro Technologies,Inc.,Pleasanton,CA,USA)进行表征，检测器为紫外检测器，检测波长为254nm。进样为：1mg/mL邻位苯二酚溶液，1mg/mL间位苯二酚溶液，1mg/mL对位苯二酚溶液，邻位、间位、对位苯二酚混合溶液(三种物质在混合溶液中的浓度均为1mg/mL)；或者1mg/mL腺苷溶液，1mg/mL脱氧腺苷溶液，腺苷、脱氧腺苷混合溶液(两种物质在混合溶液中的浓度均为1mg/mL)。流动相梯度为：0-10min，100mM甲酸铵溶液(pH＝8.95)，流动相A；10min后转换为100mM甲酸溶液，流动相B。选择性分离结果见图3、图4。图3中，曲线2为1mg/mL邻位苯二酚溶液检测结果，曲线3为1mg/mL间位苯二酚溶液检测结果，曲线4为1mg/mL对位苯二酚溶液检测结果，曲线1为邻位、间位、对位苯二酚混合溶液检测结果；图4中，曲线2为1mg/mL腺苷溶液检测结果，曲线3为1mg/mL脱氧腺苷溶液检测结果，曲线1为腺苷、脱氧腺苷混合溶液检测结果。

2)固相萃取柱(SPE)表征方法

称取30mg制备得到的20μm粒径的有机苯硼酸功能化的聚乙烯亚胺修饰的全多孔二氧化硅微球填充至1mL固相萃取柱中，填料顶部和底部分别放入聚丙烯筛板。依次加入4mL甲醇、1mL 0.005％稀氨水淋洗平衡SPE柱后，上样，即4种核苷与4种脱氧核苷的混合标准溶液，待平衡后收集流出液，标记为流出液；然后用2mL 0.005％氨水淋洗SPE柱，收集流出液，标记为淋洗液；再用2mL 200mM甲酸溶液洗脱SPE柱，收集洗脱液，标记为洗脱液。将洗脱液旋干后，用10mM甲酸溶液复溶后，利用高效液相色谱进行检测。检测条件：流动相A—10mM甲酸铵的水溶液，流动相B—乙腈。梯度：0-9min，2％-10％B；9-16min，10％B；16-24min，10-100％B；24-25min，2％B。色谱柱：RP-C18，5μm，4.6×250mm。流速：1.2mL/min。色谱分离结果见图5。

实施例8：有机苯硼酸功能化的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球用于富集健康人尿样中核苷

尿样预处理：取健康男性尿样1mL，加入1滴浓氨水，10,000r/min离心5min除去沉淀，上清液标记为碱化尿样。

SPE富集纯化过程：称取30mg上述实施案例制备得到的20μm粒径的有机苯硼酸功能化的聚乙烯亚胺修饰的全多孔二氧化硅微球填充至1mL固相萃取柱中，填料顶部和底部分别放入聚丙烯筛板。依次加入4mL甲醇、1mL 0.005％稀氨水淋洗平衡SPE柱后，上样，即上述处理的碱化尿样，待平衡后收集流出液，标记为流出液；然后用2mL 0.005％氨水淋洗SPE柱，收集流出液，标记为淋洗液；再用2mL 200mM甲酸溶液洗脱SPE柱，收集洗脱液，标记为洗脱液。将洗脱液旋干后，用100μL体积的10mM甲酸溶液复溶后，利用高效液相色谱进行检测。检测条件：流动相A-10mM甲酸铵的水溶液，流动相B-乙腈。梯度：0-5min，2％B；5-22min，2％-10％B；22-27min，10％B；27-35min，10％-100％B；35-40min，100％B；40min，2％B。色谱柱：RP-C18，5μm，4.6×250mm。流速：1.2mL/min。色谱分离结果见图6。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，具体包括如下步骤：

1)将聚乙烯亚胺分子固定于二氧化硅微球表面：将二氧化硅微球活化，然后对活化后的二氧化硅微球进行环氧丙基的修饰，再将环氧丙基表面修饰后的二氧化硅微球分散在聚乙烯亚胺溶液中，气体保护条件下60-80℃搅拌反应12-24h，反应结束后抽滤，固相物洗涤、干燥后即得到聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球；

2)对聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球进行有机苯硼酸功能化修饰：将步骤1)得到的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球分散在有机苯硼酸衍生物溶液中，气体保护条件下60-80℃搅拌反应12-24h，反应结束后抽滤，固相物洗涤、干燥后即得到硼酸功能化的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球；所述有机苯硼酸衍生物具体为3-丙烯酰胺基苯硼酸；

所述二氧化硅微球为全多孔二氧化硅微球或无孔二氧化硅微球；

所述全多孔二氧化硅微球的粒径为0.5～50μm，所述无孔二氧化硅微球的粒径为10-3,000nm；

所述聚乙烯亚胺的分子量为300-800,000Da。

2.如权利要求1所述的一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，二氧化硅微球活化的具体条件为：将二氧化硅微球加质量分数为10～15％的盐酸溶液中，90-105℃回流反应12-36h；反应结束后，固相物抽滤，水洗至中性，真空干燥即可。

3.如权利要求1所述的一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，对活化后的二氧化硅微球进行环氧丙基的修饰的具体方法为：将二氧化硅微球加入甲苯，超声分散后加入γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，二氧化硅微球、甲苯、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的投料比为：每1g二氧化硅微球对应加入20-60mL甲苯、2-6mLγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷；气体保护下，90-115℃回流反应12-36h；反应结束后，抽滤，固相物冲洗、晾干后得到环氧丙基功能化的二氧化硅微球。

4.如权利要求1所述的一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，将环氧丙基表面修饰后的二氧化硅微球分散在聚乙烯亚胺溶液中时，二氧化硅微球与聚乙烯亚胺溶液中聚乙烯亚胺的质量比为1：0.25～1。

5.如权利要求1所述的一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述聚乙烯亚胺溶液的浓度为2.5～25g/L，溶剂为乙醇-水的混合液，其中乙醇和水的体积比为1～5：1。

6.如权利要求1所述的一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，将步骤1)得到的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球分散在3-丙烯酰胺基苯硼酸溶液中时，二氧化硅微球与3-丙烯酰胺基苯硼酸溶液中3-丙烯酰胺基苯硼酸的质量比为1：0.2～0.8。

7.如权利要求1所述的一种富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，3-丙烯酰胺基苯硼酸溶液的浓度为2～10g/L，溶剂为甲醇-水的混合液，其中甲醇和水的体积比为1～5：1。

8.如权利要求1-7任一权利要求所述的富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法所制备的二氧化硅微球。

9.如权利要求1-7任一权利要求所述的富含有机苯硼酸的聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅微球的制备方法所制备的二氧化硅微球在富含顺式二羟基化合物分子中的富集、纯化和分离中的应用。