CN111116851A - 一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，将种子微球分散在有机溶剂中，在机械搅拌的条件下加入硅烷偶联剂，然后调节pH值使溶液呈碱性，反应后得到双键修饰的磁性微球；将双键修饰的磁性微球分散在有机溶剂中，然后加入季铵盐单体、引发剂、交联剂，水浴加热至40℃～90℃，反应1～24h，得到季铵盐修饰的磁性微球。季铵盐对生物大分子有非常强的吸附能力，可对生物大分子进行快速分离，得率在90％以上；因表面富含季铵盐，对生物大分子具有很强的吸附能力且分离得率高。所制备的微球特别适用于自动化生物大分子的分离提取。

Description

一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法
技术领域
本发明涉及一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，属于功能高分子微球制备技术领域。
背景技术
近年来磁性微球作为一种新型的生物分离技术和靶向药物的固相载体，受到了人们的广泛关注和研究。从上世纪80年代初到今天，出现了很多产品Dynabeads、SeraMag、Sepharose 4FF、Sepharose6FF等。这些磁性微球的出现打破了有机物和金属没有交集的传统观念。磁性微球在生物分离上表现出了各种优异的性能：操作简单、分离纯度高等，利用这些特性将繁琐复杂的操作简单化，大大缩短测试周期。因此，磁性微球在核酸提取、细胞分离、化学发光等领域得到了广泛的应用。
磁性微球的主流制备方法有：a.化学共沉淀法；b.水热法；c.以羧基乳胶微球为核，在羧基乳胶微球的表面吸附阳离子聚合物，通过阳离子聚合物再吸附磁流体，多次反复后形成具有一定磁性能的微球，如美国专利U.S.Pat.NO.7989065 B2；d.以多孔微球为核，氨基修饰后吸附铁盐在孔洞中，铁盐在碱性条件下共沉淀形成磁颗粒封闭于空洞中使多孔微球具有磁性能，如美国专利U.S.Pat.NO.4654267。
这些微球直接使用的效果不是很好，但通过在微球表面修饰硅羟基、羧基、氨基等之后可用于生物分离等领域。现用于核酸提取的大多是硅羟基的表面，使用高盐体系吸附低盐脱附的方式。这种方法需要大量的试剂或稀释液来制备用于核酸分离的样品和裂解结合条件。这就使得在裂解结合或洗涤洗脱过程中不得不添加化学物质构成。而且，部分磁性微球的饱和磁化强度偏低，虽然结合量高，但受限于磁性微球的饱和磁化强度，使得分离得到的核酸量偏低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，特点是：将引发剂、交联剂、季铵盐单体通过自由基聚合的方法，在种子微球表面包覆季铵盐基团。
进一步地，上述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其中，所述季铵盐单体结构式为：
Figure BDA0002335578520000021
式中R1带有碳碳双键，R2、R3、R4是以直链或支链方式排列的碳链长度为1～10个原子的烃基，R5是卤代元素、磺酸根或硫酸根带负电荷的基团。
进一步地，上述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其中，将种子微球分散在有机溶剂中，在机械搅拌的条件下加入硅烷偶联剂，然后调节pH值使溶液呈碱性，反应后得到双键修饰的磁性微球；
将双键修饰的磁性微球分散在有机溶剂中，然后加入季铵盐单体、引发剂、交联剂，水浴加热至40℃～90℃，反应1～24h，得到季铵盐修饰的磁性微球。
进一步地，上述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其中，所述引发剂为过氧化物引发剂、偶氮类引发剂、氧化还原引发剂中一种或多种。
进一步地，上述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其中，所述引发剂为过氧化苯甲酰、过硫酸钾、偶氮二异丁腈、过硫酸铵中一种或多种。
进一步地，上述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其中，所述种子微球的粒径为10nm～5μm。
进一步地，上述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其中，所述交联剂为二烯单体、三烯单体、多烯单体中一种或多种。
进一步地，上述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其中，所述交联剂为二乙烯基苯、N’N亚甲基双丙烯酰胺、季戊四醇三丙烯酸酯中一种或多种。
进一步地，上述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其中，所述种子微球为Fe3O4、CoFe2O4、NiFe2O4的磁性微球、聚合物磁性微中一种或多种。
进一步地，上述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其中，季铵盐单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵中一种或多种。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①通过自由基聚合的方法将磁性颗粒、交联剂、季铵盐单体和引发剂一同聚合，在磁性微球的表面包覆大量的季铵盐；季铵盐对生物大分子有非常强的吸附能力，可对生物大分子进行快速分离，得率在90％以上；因表面富含季铵盐，对生物大分子具有很强的吸附能力且分离得率高；
②季铵盐磁性微球的粒径分布宽，可以从几十纳米到几微米，而且种子微球可以是聚合物磁性微球也可以是金属材料；
③表面的季铵盐基团含量可以通过调节季铵盐单体的投料量来调节，可控；季铵盐基团带正电荷，对生物大分子的抓取能力强；
④本发明制备方法可实现生产连续化，提高产能，整个工艺流程简捷；所制备的微球特别适用于自动化生物大分子的分离提取。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1：本发明所制备的季铵盐修饰的磁性微球扫描电镜照片。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。
本发明提供一种高饱和磁化强度高、高结合效率、工艺流程简单、适用于自动化的能快速生物大分子的磁性微球的制备方法。将引发剂、交联剂、季铵盐单体通过自由基聚合的方法，在种子微球表面包覆季铵盐基团。
季铵盐单体结构式为：
Figure BDA0002335578520000051
式中R1带有碳碳双键，R2、R3、R4是相同或不同的以直链或支链方式排列的碳链长度为1～10个原子的烃基，R5是卤代元素、磺酸根或硫酸根带负电荷的基团。
首先，将粒径为10nm～5μm种子微球分散在有机溶剂中，在机械搅拌的条件下加入硅烷偶联剂，硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，然后调节pH值使溶液呈碱性，反应后得到双键修饰的磁性微球；
将双键修饰的磁性微球分散在有机溶剂中，然后加入季铵盐单体、引发剂、交联剂，水浴加热至40℃～90℃，反应1～24h，得到季铵盐修饰的磁性微球。
其中，引发剂为过氧化物引发剂、偶氮类引发剂或氧化还原引发剂，具体可采用过氧化苯甲酰、过硫酸钾、偶氮二异丁腈、过硫酸铵中一种或多种。
交联剂为二烯单体、三烯单体或多烯单体，具体采用二乙烯基苯、N’N亚甲基双丙烯酰胺、季戊四醇三丙烯酸酯中一种或多种。
种子微球为Fe3O4、CoFe2O4、NiFe2O4的磁性微球、聚合物磁性微或其组合。
有机溶剂为乙醇或乙腈，季铵盐单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或二甲基二烯丙基氯化铵。
实施例1
称取10g的四氧化三铁磁性微球(平均粒径100nm)分散在200ml的乙醇溶液中，边搅拌边加入1g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，然后加入10g的氢氧化钠溶液(0.5g/ml)，40℃反应15小时，得到表面双键修饰的磁性微球，保存备用。
实施例2
称取10g的四氧化三铁磁性微球(平均粒径500nm)分散在200ml的乙醇溶液中，边搅拌边加入1g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，然后加入10g的氢氧化钠溶液(0.5g/ml)，70℃反应3小时，得到表面双键修饰的磁性微球，保存备用。
实施例3
称取10g的双键修饰的四氧化三铁磁性微球(平均粒径100nm)分散在200ml的乙醇溶液中，再加入5g的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.25g的二乙烯基苯和0.1g的偶氮二异腈。溶液经过超声后倒入三口烧瓶中，搅拌均匀，加热至70℃，反应5小时，得到表面季铵盐修饰的磁性微球。
实施例4
称取10g的四氧化三铁磁性微球(平均粒径1μm)分散在200ml的乙醇溶液中，边搅拌边加入1g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，然后加入10g的氨水，70℃反应3小时，得到表面双键修饰的磁性微球，保存备用。
实施例5
称取10g的四氧化三铁磁性微球(平均粒径500nm)分散在400ml的乙醇溶液中，边搅拌边加入2g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，然后加入10g的氨水，70℃反应3小时，得到表面双键修饰的磁性微球，保存备用。
实施例6
称取10g的双键修饰的四氧化三铁磁性微球(平均粒径500nm)分散在200ml的乙腈溶液中，再加入5g的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.25g的二乙烯基苯和0.1g的偶氮二异腈。溶液经过超声后倒入三口烧瓶中，搅拌均匀，加热至70℃，反应5小时，得到表面季铵盐修饰的磁性微球。
如图1所示，磁性微球表面有薄薄的壳层，且有部分絮状物黏附在微球表面，壳层和絮状物表面有大量的阳离子基团，可抓取大量的生物大分子。
实施例7
称取10g的双键修饰的四氧化三铁磁性微球(平均粒径500nm)分散在400ml的乙腈溶液中，再加入5g的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.2g的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.1g的偶氮二异腈。溶液经过超声后倒入三口烧瓶中，搅拌均匀，加热至70℃，反应3小时，得到表面季铵盐修饰的磁性微球。
实施例8
称取10g的双键修饰的四氧化三铁磁性微球(平均粒径500nm)分散在400ml的乙腈溶液中，再加入6.8g的二甲基二烯丙基氯化铵、0.2g的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.14g的偶氮二异腈。溶液经过超声后倒入三口烧瓶中，搅拌均匀，加热至70℃，反应3小时，得到表面季铵盐修饰的磁性微球。
实施例9
称取10g的双键修饰的四氧化三铁磁性微球(平均粒径400nm)分散在400ml的乙腈溶液中，再加入6.8g的二甲基二烯丙基氯化铵、0.2g的二乙烯基苯和0.14g的偶氮二异腈。溶液经过超声后倒入三口烧瓶中，搅拌均匀，加热至70℃，反应3小时，得到表面季铵盐修饰的磁性微球。
实施例10
称取10g的双键修饰的四氧化三铁磁性微球(平均粒径400nm)分散在400ml的乙腈溶液中，再加入6.8g的二甲基二烯丙基氯化铵、0.68g的二乙烯基苯和0.15g的偶氮二异腈。溶液经过超声后倒入三口烧瓶中，搅拌均匀，加热至70℃，反应5小时，得到表面季铵盐修饰的磁性微球。
综上所述，本发明通过自由基聚合的方法将磁性颗粒、交联剂、季铵盐单体和引发剂一同聚合，在磁性微球的表面包覆大量的季铵盐；季铵盐对生物大分子有非常强的吸附能力，可对生物大分子进行快速分离，得率在90％以上；因表面富含季铵盐，对生物大分子具有很强的吸附能力且分离得率高。
季铵盐磁性微球的粒径分布宽，可以从几十纳米到几微米，而且种子微球可以是聚合物磁性微球也可以是金属材料；
表面的季铵盐基团含量可以通过调节季铵盐单体的投料量来调节，可控；季铵盐基团带正电荷，对生物大分子的抓取能力强；
本发明制备方法可实现生产连续化，提高产能，整个工艺流程简捷；所制备的微球特别适用于自动化生物大分子的分离提取。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。

Claims (10)

1.一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：将引发剂、交联剂、季铵盐单体通过自由基聚合的方法，在种子微球表面包覆季铵盐基团。
2.根据权利要求1所述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：所述季铵盐单体结构式为：
Figure FDA0002335578510000011
式中R1带有碳碳双键，R2、R3、R4是以直链或支链方式排列的碳链长度为1～10个原子的烃基，R5是卤代元素、磺酸根或硫酸根带负电荷的基团。
3.根据权利要求1所述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：将种子微球分散在有机溶剂中，在机械搅拌的条件下加入硅烷偶联剂，然后调节pH值使溶液呈碱性，反应后得到双键修饰的磁性微球；
将双键修饰的磁性微球分散在有机溶剂中，然后加入季铵盐单体、引发剂、交联剂，水浴加热至40℃～90℃，反应1～24h，得到季铵盐修饰的磁性微球。
4.根据权利要求1或3所述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：所述引发剂为过氧化物引发剂、偶氮类引发剂、氧化还原引发剂中一种或多种。
5.根据权利要求1或3所述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：所述引发剂为过氧化苯甲酰、过硫酸钾、偶氮二异丁腈、过硫酸铵中一种或多种。
6.根据权利要求1或3所述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：所述种子微球的粒径为10nm～5μm。
7.根据权利要求1或3所述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：所述交联剂为二烯单体、三烯单体、多烯单体中一种或多种。
8.根据权利要求1或3所述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：所述交联剂为二乙烯基苯、N’N亚甲基双丙烯酰胺、季戊四醇三丙烯酸酯中一种或多种。
9.根据权利要求1或3所述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：所述种子微球为Fe3O4、CoFe2O4、NiFe2O4的磁性微球、聚合物磁性微中一种或多种。
10.根据权利要求1或3所述的一种核壳结构的多聚季铵盐磁性微球的制备方法，其特征在于：季铵盐单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵中一种或多种。
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