CN1193818C

CN1193818C - 一种二氧化硅磁性微球及其制备方法

Info

Publication number: CN1193818C
Application number: CNB021110352A
Authority: CN
Inventors: 朱以华; 答鸿; 杨晓玲
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: CN1380133A

Abstract

本发明公开一种二氧化硅磁性微球及其制备方法，所述二氧化硅磁性微球具有稳定性高；能提供更高的成键能力；易功能化；无裸露磁粒子；磁层厚度大；对磁场响应强及均匀性优好等特点。同时该二氧化硅磁性微球对各种水溶液分散性较好，可以接生物活性物质，如抗体、抗原、酶、蛋白质或核酸。特别适用于生物和医药制品的分离和纯化方面。

Description

一种二氧化硅磁性微球及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅磁性微球及其制备方法，特别涉及一种多层核壳式的二氧化硅磁性微球以及它的制备方法。

背景技术

二氧化硅磁性微球能够方便地在外磁场下从悬浮液中分离，而撤去外磁场这些微球不显示任何剩磁，因此适用于细胞分离、亲和纯化、DNA探针检测和磁酶免疫分析等。

二氧化硅粒子是一种公认的吸附剂和吸附剂的载体。这种载体可以用离心、过滤和类似的方法重复使用，但在隔离吸附物或提取物时，采用离心、柱分离或类似的方法，需要花费大量时间，而且采用的设备比较昂贵，使用不方便。

美国专利USP 5,734,020(1998)公开的一种方法，将多孔的无机硅材料浸渍在磁流体中，置于摇床上吸附平衡，离心除去多余的磁流体，洗涤后制成磁性微球，利用孔中的磁性物质，通过磁场进行目标生物物质的分离。然而，这些磁性微球的性质不能充分控制，原因是微球的直径、孔直径、孔体积、微球的比表面积、磁物质含量很难保持一致。

为了保持磁性微球的性质一致，美国专利USP 6,103,379(2000)公开了另一种制备方法，通过沉淀法将四氧化三铁纳米粒子包覆在单一尺寸的高分子(如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚氯甲基苯乙烯)微球的表面，形成核壳型磁性高分子微球，然后用硅烷水解法在磁性微球外包覆二氧化硅保护层。然而沉淀法不能保持高分子微球表面高的氧化铁磁层，造成磁性物质含量低，需要用很强的磁选器才能将其分离。

采用层层静电自组装的方法可以提高核壳型微球的壳层。文献(Caruso F，Susha A，Giersig M，Mhwald H.Magnetic Core-shell Particles：Preparation of Magnetite Multilayers onPolymer Latex Microspheres，.Adv.Mater.1999，11：950-952)报道了采用层层静电自组装的方法将纳米四氧化三铁组装于高分子微球的研究。但是这样得到的磁性高分子微球外层全是裸露的磁性粒子，对很多生物活型物质有毒害作用，限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的之一是提出一种具有超顺磁性、磁性粒子/聚解电解质层层包裹在二氧化硅微球表面，并且最外层再包裹纳米二氧化硅结构的单分散、窄分布的二氧化硅磁性微球，解决上述现有技术中存在的问题；

本发明的目的之二在于公开目的之一所述的二氧化硅磁性微球的制备方法。

实现本发明目的的技术方案：

本发明所述的二氧化硅磁性微球是一种多层的核壳型微球。其中内核是二氧化硅微球，核外是有机材料和纳米磁性粒子交替吸附序列层。例如，ABABA，其中A是阳离子聚电解质，B是纳米磁性粒子。序列层数并不受限制。最后一层有机层外面是纳米二氧化硅胶体粒子。

所述的二氧化硅微球为单一尺寸的平均粒径为0.05-10μm的二氧化硅微球，最合适的是平均粒径为0.1-2μm的二氧化硅微球。

所述的有机材料为含有多个离子或可电离的带相同电荷的官能团的聚合物，如聚电解质。特别是阳离子聚电解质，如poly(diallyldimethylammonium chloride)(″PDDA″)，poly(N-methyl-4-vinylpyridinium bromide)，或poly(D-lysinehydrobromide)。

所说的纳米磁性粒子可以包括超顺磁性的纳米Fe₃O₄粒子、纳米γ-Fe₂O₃粒子或掺过渡金属元素如铬、钴、铜、镁、锰、镍、锌和它们的混合物纳米铁氧体粒子等，最合适的是纳米Fe₃O₄粒子。

所说的纳米二氧化硅胶体粒子为单一尺寸的平均粒径为1-20nm的二氧化硅胶体粒子，最合适是5-15nm的二氧化硅胶体粒子。

本发明所述的二氧化硅磁性微球的制备方法包括如下步骤：

(1)将二氧化硅微球(其合成参见J.Colloid InterfaceSci.1968，(26)62-69“Controlled Growth of MonodisperseSilica Spheres in the Micron Size Range”)加入由有机材料和可溶性盐组成的水溶液中，二氧化硅微球与水溶液的质量比值为0.01-0.1；水溶液中有机物的浓度为0.1-5g/L；可溶性盐的浓度为0.2-0.6M，调节水溶液的pH值为9-11。在5-50℃下搅拌5-100min，形成二氧化硅微球吸附有机材料的水溶性悬浮液，该悬浮液采用离心方法除去清液后，用去离子水水洗/离心/重新分散3-5遍后得水溶性二氧化硅悬浮液。

(2)将含纳米磁性粒子质量百分比为0.5-10％的水溶性磁流体加入由步骤(1)所得水溶性二氧化硅悬浮液中，水溶性磁流体与水溶性二氧化硅悬浮液的体积比值为0.01-0.05，在5-50℃下搅拌5-100min后用离心方法除去多余的磁流体，用去离子水水洗/离心/重新分散3-5遍，再离心得到沉积物。

(3)将由步骤(2)所得沉积物再加入上述由有机材料和可溶性盐组成的水溶液中，除不用调pH值外，其它按步骤(1)再进行一次，得水溶性二氧化硅悬浮液。再将含纳米磁性粒子质量百分比为0.5-10％的水溶性磁流体加入所得水溶性二氧化硅悬浮液中重复步骤(2)，如此循环多次，得到微球的最外层为有机物吸附的水溶性二氧化硅悬浮液。

(4)用碱调节由步骤(3)所得水溶性二氧化硅悬浮液的pH值为9-11，加入纳米二氧化硅胶体粒子，纳米二氧化硅胶体粒子与二氧化硅微球的质量比值为0.1-2，即得本发明所述二氧化硅磁性微球。

具体实施方法

1)超顺磁性的纳米Fe₃O₄粒子或其它铁氧体粒子的制备：

将氨水或NaOH水溶液加入FeCl₂与FeCl₃混合液(或含部分过渡金属盐以取代等摩尔相应价态的铁盐)中，直至pH值为8-11，最好为10-11。然后，在55-90℃下搅拌0.5-5小时。二价与三价金属盐的摩尔比为0.4-0.6。得到粒径小于30nm的超顺磁性的纳米Fe₃O₄粒子或其它铁氧体粒子悬浮液。再加入5-10％重量比的脂肪酸盐，如油酸钠，熟化30-60min后，冷却至室温，用酸，如HCl调pH至4-6，然后过滤，水洗，再醇洗，最后80℃干燥，得到超顺磁性的纳米Fe₃O₄粒子或其它铁氧体粒子。

2)水溶性磁流体的制备：

将步骤1)得到的超顺磁性的纳米Fe₃O₄粒子或其它铁氧体粒子加上质量百分比为5-15％的阴离子表面活性剂，如十二烷基硫酸钠，十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠搅拌混合，配制成含纳米磁性粒子为0.5-10％(质量百分比)的水溶性磁流体。

3)二氧化硅磁性微球的制备：

i)将技术方案所说的有机材料和可溶性盐，如NaCl或KCl等配制成溶液A。溶液A中有机物的浓度为0.1-5g/L，盐的浓度为0.2-0.6M。

ii)将技术方案所说的二氧化硅微球搅拌分散在溶液A中，用碱，如NaOH调节水溶液的pH值，pH值最好在9-11之间。5-50℃下搅拌10-30min，形成二氧化硅微球吸附有机材料的水溶性悬浮液，二氧化硅微球与溶液A的质量比值为0.02-0.05。然后用离心，除去上清液，用去离子水水洗/离心/重新分散3-5遍。

iii)将步骤2)中得到的水溶性磁流体加入到洗涤过的二氧化硅悬浮液中，5-50℃下搅拌10-30min，磁流体与二氧化硅悬浮液的体积比值为0.01-0.05。然后用离心，除去多余的磁流体，用去离子水水洗/离心/重新分散3-5遍，再离心得到沉积物。

iv)将步骤iii)中得到沉积物再分散在溶液A中，除不用调pH值外，其它按步骤ii)的操作再进行一次。

v)将步骤2)中得到的水溶性磁流体加入到步骤iv)得到的悬浮液中，按iii)的步骤继续吸附纳米磁性粒子，按iv)的步骤吸附有机物，如此循环多次，得到微球的最外层为有机物吸附的悬浮液。

vi)用碱，如NaOH调节悬浮液的pH值，pH值最好在9-11之间。再加入技术方案所说的纳米二氧化硅胶体粒子。纳米二氧化硅胶体粒子与二氧化硅微球的质量比值为0.2-1。

上述制得的二氧化硅磁性微球具有如下特点：(1)稳定性比磁性高分子微球高，磁性高分子微球在有机溶液中易发生溶胀；(2)最外层包覆的是1-20nm的二氧化硅粒子，因此，与相同直径的光滑磁性微球相比，其比表面积大，能提供更高的成键能力；(3)表面的化学组成是二氧化硅，非常容易功能化；(4)无裸露磁粒子，1g这种二氧化硅磁性微球浸没在10mL1M的HCl中，70℃浸泡2h，铁离子浓度低于10ppm；(5)磁层厚度大，可通过组装次数控制。如组装10次纳米Fe₃O₄粒子，磁层厚度可达150-200nm，(但这并不作为厚度的限制)，因此，对磁场响应强；(6)由于内核二氧化硅微球比较均匀一致，因此，组装后的二氧化硅磁性微球也能保持比较好的均匀一致性。

这种二氧化硅磁性微球对各种水溶液分散性较好，可以接生物活性物质，如抗体、抗原、酶、蛋白质或核酸。特别适用于生物和医药制品的分离和纯化方面。

下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保护范围。

实施例1

将1.0mol/L NaOH水溶液缓慢加入1.0mol/L的FeCl₂和2.0mol/L的FeCl₃混合水溶液中，直至pH值为10。然后在85℃下搅拌1h，得到超顺磁性的纳米Fe₃O₄粒子悬浮液。再加入10％重量比的分散剂油酸钠，熟化40min后，冷却至室温，再用HCl调pH至5，然后过滤，水洗，醇洗，然后80℃干燥，得到超顺磁性的纳米Fe₃O₄粒子。用透射电子显微镜(TEM)观察，Fe₃O₄粒子的粒径为8-12nm。

实施例2

将实施例1制得的纳米Fe₃O₄粒子2g，十二烷基苯磺酸钠0.2g，去离子水100g搅拌混合，制成水溶性磁流体。

实施例3

1)称取2g平均粒径为220nm的二氧化硅微球。将其倒入100mL的小烧杯中，加入100mL浓度为1g/L的阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDADMAC)(含0.5M NaCl)水溶液。加4M的NaOH水溶液，调pH值至10，室温下搅拌20min。用离心机在5000转的转速下离心15min。去除上清液。用去离子水水洗/离心/重新分散4遍，得到吸附一层PDADMAC的微球。

2)将实施例2中得到的水溶性磁流体1mL加入到洗涤过的二氧化硅悬浮液中，室温下搅拌吸附15min，然后用离心，除去多余的磁流体，用去离子水水洗/离心/重新分散4遍，再离心得到纳米Fe₃O₄粒子吸附在第二层的微球沉积物。

3)再加入100mL浓度为1g/L的阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDADMAC)(含0.5M NaCl)水溶液。室温下吸附15min，然后用离心，除去上清液，用去离子水水洗/离心/重新分散4遍，得到PDADMAC吸附在第三层的微球。

4)不断重复步骤2)、3)，最后得到二氧化硅微球外面第一、三、五、七、九、十一层为PDADMAC吸附层，第二、四、六、八、十层为纳米Fe₃O₄粒子吸附层。

5)将质量比为10％的硅胶(二氧化硅平均粒径为10nm)5mL加入到100mL上述的多层吸附的微球悬浮液中，用NaOH调节悬浮液的pH值为10。室温下吸附15min，然后用离心，除去多余的硅胶，用去离子水水洗/离心/重新分散4遍，得到最外层吸附二氧化硅纳米粒子的二氧化硅磁性微球。用Coulter公司LS-230激光粒度仪测得吸附前二氧化硅微球和多层吸附后的磁性二氧化硅微球的平均粒径分别为220nm和548nm，偏差系数分别为4.9％和9.3％。将1g这种二氧化硅磁性微球浸没在10mL1M的HCl中，70℃浸泡2h，测得铁离子浓度低于10ppm。

实施例4

除了用0.9mol/L的FeCl₂与0.1mol/L的NiCl₂的混合溶液取代1.0mol/L的FeCl₂水溶液外，其它条件同实施例1，得到超顺磁性的纳米Ni_0.1Fe_2.9O₄粒子。用透射电子显微镜(TEM)观察，其粒径仍为8-12nm。再按实施例2的步骤，用十二烷基硫酸钠取代实施例2中的十二烷基苯磺酸钠，也得水溶性磁流体。最后按实施例3的步骤，选用平均粒径为318nm的二氧化硅微球为核，用阳离子聚电解质PAH取代实施例3中的PDADMAC，并且交替吸附PAH为10层，吸附纳米磁性粒子为9层，最外吸附一层纳米二氧化硅粒子，得到二氧化硅磁性微球。用Coulter公司LS-230激光粒度仪测得吸附前二氧化硅微球和多层吸附后的磁性二氧化硅微球的平均粒径分别为318nm和1025nm，偏差系数分别为5.0％和13.4％。将1g这种二氧化硅磁性微球浸没在10mL1M的HCl中，70℃浸泡2h，测得铁离子浓度低于10ppm。

Claims

1、一种二氧化硅磁性微球，其特征是所述二氧化硅磁性微球为核壳型微球，其内核是二氧化硅微球，核外是有机材料和纳米磁性粒子交替吸附序列层，序列层数并不受限制，最外层是纳米二氧化硅胶体粒子，

所述的有机材料为含有多个离子或可电离的带相同电荷的官能团的聚合物；

所说的纳米磁性粒子为超顺磁性的纳米Fe₃O₄粒子、纳米γ-Fe₂O₃粒子或掺过渡金属元素及其混合物纳米铁氧体粒子；

所述的二氧化硅微球为单一尺寸的平均粒径为0.05-10μm的二氧化硅微球；

所说的纳米二氧化硅胶体粒子为单一尺寸的平均粒径为1-20nm的二氧化硅胶体粒子。

2、如权利要求1所述二氧化硅磁性微球，其特征为其中所述有机材料为阳离子聚电解质，所述纳米磁性粒子为纳米Fe₃O₄粒子。

3、如权利要求1或2所述的二氧化硅磁性微球的制备方法，其特征为所述的方法包括如下步骤：

(1)将二氧化硅微球加入由有机材料和可溶性盐组成的水溶液中，二氧化硅微球与水溶液的质量比值为0.01-0.1；水溶液中有机物的浓度为0.1-5g/L；可溶性盐的浓度为0.2-0.6M，调节水溶液的pH值为9-11，在5-50℃下搅拌5-100min，形成二氧化硅微球吸附有机材料的水溶性悬浮液，该悬浮液采用离心方法除去清液后，用去离子水水洗/离心/重新分散3-5遍后得水溶性二氧化硅悬浮液；

(2)将含纳米磁性粒子质量百分比为0.5-10％的水溶性磁流体加入由步骤(1)所得水溶性二氧化硅悬浮液中，水溶性磁流体与水溶性二氧化硅悬浮液的体积比值为0.01-0.05，在5-50℃下搅拌5-100min后用离心方法除去多余的磁流体，用去离子水水洗/离心/重新分散3-5遍，再离心得到沉积物；

(3)将由步骤(2)所得沉积物再加入上述由有机材料和可溶性盐组成的水溶液中，除不用调pH值外，其它按步骤(1)再进行一次，得水溶性二氧化硅悬浮液，再将含纳米磁性粒子质量百分比为0.5-10％的水溶性磁流体加入所得水溶性二氧化硅悬浮液中重复步骤(2)，如此循环得到微球的最外层为有机物吸附的水溶性二氧化硅悬浮液；

(4)用碱调节由步骤(3)所得水溶性二氧化硅悬浮液的pH值为9-11，加入纳米二氧化硅胶体粒子，纳米二氧化硅胶体粒子与二氧化硅微球的质量比值为0.1-2，即得所述二氧化硅磁性微球。

4、如权利要求4所述的制备方法，其特征为其中所述的可溶性盐为NaCl或KCl。

5、如权利要求4所述的制备方法，其特征为其中所述的二氧化硅微球与可溶性盐水溶液的质量比值为0.02-0.05；所述的二氧化硅微球与纳米二氧化硅胶体粒子的质量比值为0.2-1。