CN1911495A

CN1911495A - 单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球及其制备方法

Info

Publication number: CN1911495A
Application number: CN 200610017068
Authority: CN
Inventors: 杨文胜; 陆子阳; 王刚
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: CN100500277C

Abstract

本发明的单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球及其制备方法属于磁性纳米材料领域。首先通过共沉淀法制得铁氧体超顺磁性纳米粒子以及用乳液聚合法合成出表面带有功能基团的单分散聚合物微球；再将它们混合，利用二者之间的配位作用使它们复合；然后进行有机硅或无机硅包覆二氧化硅；最后将复合后的粒子在500～700℃下煅烧5～12h，得到中空结构的超顺磁性微球。本发明制备方法简单，磁性微球的粒度和其内的空腔尺寸可以控制。产品化学和胶体稳定性好，抗酸性强，不同磁性微球之间磁含量均一，易进一步功能化，可用于生物检测、生物分离和靶向药物输运等领域。

Description

单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球及其制备方法

技术领域

本发明属磁性纳米材料技术领域，特别涉及一种单分散二氧化硅包覆的中空结构的超顺磁性微球及其制备方法。

背景技术

超顺磁性纳米颗粒由于其独特的性质(无剩磁)在生物分离、免疫检测、靶向药物等生物医学领域具有广泛的应用前景。但因其自身化学稳定性、胶体稳定性及生物相容性差等缺点，其表面经常需要修饰保护层，如聚合物或二氧化硅等。由于二氧化硅具有化学和胶体稳定性好、生物相容性好等优点使其成为保护磁性颗粒的最理想材料之一。发明人曾使用未经任何表面处理和超声处理的铁氧体纳米粒子进行二氧化硅包覆得到了具有不同大小及核数的铁氧体-二氧化硅核壳微粒，经表面修饰后适用于生物分离，但这些方法所得到的铁氧体-二氧化硅核壳微粒的粒径分布较宽且核数不均匀，难以满足一些定量应用的要求。

中空结构的磁性纳米粒子更是在靶向药物和药物缓释等应用方面有着显著的优越性。而现有技术合成中空结构的磁性微球的方法主要是layer-by-layer(lbl)方法，在聚合物微球表面吸附聚电解质，通过静电吸附磁性颗粒，然后再溶解掉中间的聚合物模板得到中空磁性微球。这种方法操作繁琐，产率低，且静电作用对溶液极性、pH值等环境敏感而易被破坏，不利于进一步修饰二氧化硅。

与本发明相近的合成中空结构磁性微球的方法是以聚合物嵌段共聚物为模板原位合成四氧化三铁纳米粒子，见中国专利03151300.X，发明名称为“空心超顺磁性四氧化三铁钠米微粒的制备方法”。该方法采用聚氧乙烯一聚氧丙烯一聚氧乙烯嵌段共聚物作为模板，将聚氧乙烯一聚氧丙烯一聚氧乙烯嵌段共聚物溶解在水中，聚氧乙烯一聚氧丙烯一聚氧乙烯嵌段共聚物的浓度范围为1.0×10^-5～0.08mol/l。将二价铁盐和三价铁盐也溶解在上述得到的水溶液中，Fe²⁺的浓度范围为0.0001mol/l～1mol/l，Fe²⁺和Fe³⁺的摩尔比为1∶2；将所得到的混合溶液升温至50～90℃，在氮气保护下电动搅拌，迅速加入碱溶液，OH^-与Fe³⁺摩尔比为10∶1，立即产生黑色粒子：电动搅拌0.5～15h后冷却至室温，再陈化0.5～15h，将制得的黑色粒子用磁铁分离，并用去离子水反复洗涤，然后在超声波作用下重新分散在去离子水中得到悬浮液，将悬浮液用离心机离心分离，弃去下层沉淀，用直径为小于0.2μ的过滤装置过滤除去粗大粒子得到分散在水中的空心超顺磁性四氧化三铁纳米微粒。但其合成的磁性纳米粒子的粒径可控性和均一性差，粒子没有进行表面修饰，没有去除模板的过程，这些都限制了其在生物领域的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对背景技术磁性中空微球制备方法的缺陷，发明了分别制备铁氧体超顺磁性纳米粒子和聚合物模板在再使二者复合、最后采用二氧化硅包覆再去除模板的制备方法，制备出一种粒径可控、磁性强、化学及胶体稳定性好的单分散二氧化硅包覆的中空结构超顺磁性微球。

本发明的单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球，由二氧化硅层和磁性颗粒组成，具有中空结构，所说的磁性颗粒为单磁畴的铁氧体纳米粒子，包括Fe₃O₄纳米粒子；所说的中空结构，是空腔为一个直径在0.05～1μm的球形，磁性颗粒围绕在空腔周围；所说的二氧化硅层是共价偶联在磁性颗粒外表面的壳层，其厚度在1～50nm之间。

与背景技术不同，该磁性微球由表面包覆的二氧化硅层及在其内表面共价偶联的磁性颗粒组成，具有中空结构，空腔为单一的球形。即，磁性颗粒围绕在空腔周围，共价偶联在二氧化硅层的内表面；所说的二氧化硅层是由有机硅源或无机硅源其中的至少一种通过水解和缩合而成，二氧化硅的厚度在1～50nm之间；整个磁性微球呈单分散性，粒径在0.06～1.05μm之间；不同球之间磁含量均一，化学和胶体稳定性好，抗酸性强。

前述的铁氧体纳米粒子包括Fe₃O₄纳米粒子，还可以是CoFe₂O₄、MnFe₂O₄或ZnFe₂O₄纳米粒子，其粒径介于5～15nm之间，具有超顺磁性。

本发明的磁性微球制备的技术方案是：首先通过共沉淀法制得铁氧体超顺磁性纳米粒子以及用乳液聚合法合成出表面带有功能基团的单分散聚合物微球作模板，再将两者混合，利用聚合物表面的功能基团与铁氧体纳米粒子间的配位作用使它们复合；然后转移到乙醇相通过有机硅包覆二氧化硅或在水相通过无机硅包覆二氧化硅，得到二氧化硅包覆的复合粒子；最后将复合粒子煅烧，得到单分散二氧化硅包覆的中空结构超顺磁性微球。

具体的制备过程有铁氧体纳米粒子的制备，聚合物模板的制备，聚合物模板与铁氧体纳米粒子复合，二氧化硅包覆，以及高温煅烧。

(1)所说的铁氧体纳米粒子的制备，是在40～80℃下，将摩尔比为1∶2的Fe²⁺、Co²⁺、Zn²⁺或Mn²⁺和Fe³⁺的溶液加入到碱性水溶液中搅拌，所得沉淀用永磁铁收集并用高纯水洗涤，最后超声分散在水中，得到铁氧体纳米粒子溶胶；铁氧体纳米粒子的制备条件和过形成机理与背景技术基本是相同的。但本发明不是将Fe²⁺、Fe³⁺与聚合物模板的原料同时混合在一起的。

(2)所说的聚合物模板的制备，是将苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸在水溶液中通过乳液聚合得到聚合物微球。

(3)所说的聚合物模板与铁氧体纳米粒子复合，是将聚合物微球与铁氧体纳米粒子溶胶混合，使铁氧体纳米粒子固定在聚合物微球表面，再离心除去未反应的磁性粒子，得到复合粒子。

(4)所说的二氧化硅包覆，是将复合粒子分散在乙醇中，加入氨水和正硅酸乙酯(TEOS)进行有机硅包覆；或是将复合粒子分散在水中加入硅酸钠并将pH值调到9～10进行无机硅包覆。

(5)所说的高温煅烧，是将包覆二氧化硅后的粒子在马弗炉里500～700℃下煅烧5～12小时，除去聚合物模板得到中空磁性微球。

前述的聚合物模板的制备，可以使用，也可以不使用表面活性剂。将亲油性烯类单体和亲水性烯类单体的水溶液通过乳液聚合，得到表面功能化的聚合物微球。

聚合物模板的制备具体的可以是，在水中加入苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸，按体积比水∶苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯∶丙烯酸＝100∶5～25∶0.25～0.5；通氮气25～35分钟，再置于65～70℃水浴中；按0.05～0.25g/100ml比例加入过硫酸钾(KPS)或过硫酸铵(APS)，搅拌下反应10～14小时，得到粒径均匀的大小为0.05～1μm的聚合物微球。在聚合物模板的制备中，所添加的表面活性剂是指一种或一种以上的高分子表面活性剂，比如，加入十二烷基苯璜酸钠作表面活性剂，表面活性剂在水中的质量百分含量在0～10％之间。

在聚合物模板与铁氧体纳米粒子复合过程中，将聚合物微球与铁氧体纳米粒子混合，通过铁氧体纳米粒子与聚合物微球上的表面活性基团的配位作用使磁性粒子固定在聚合物微球表面，再通过离心除去游离的磁性粒子。所说的高温煅烧，在于除去聚合物模板，以得到中空的磁性微球。

在用有机硅包覆二氧化硅过程中，粒子的质量百分含量在0.03～0.1％之间，氨水的质量百分含量在2～10％之间，TEOS的百分含量在0.5～2％之间；在用无机硅包覆二氧化硅过程中，硅酸钠的百分含量在0.1～0.5％之间。

本发明的二氧化硅包覆的中空结构磁性微球的制备方法简单易行，磁性微球的粒度和其内的空腔尺寸可以控制，使磁性微球的粒度分布较窄且核数均匀。用本发明的方法制得的二氧化硅包覆的中空结构磁性微球的结构为球壳形状，最外面的SiO₂层包覆由铁氧体纳米粒子构成的磁性颗粒层，中间是中空结构。整个磁性微球呈单分散性，粒径以及空腔尺寸均匀，不同磁性微球之间磁含量均一，化学和胶体稳定性好，抗酸性强，易于进一步功能化，可用于生物检测、生物分离和靶向药物输运等领域。

附图说明

图1为本发明的单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球的电镜照片。

具体实施方案

实施例1 铁氧体纳米粒子的合成：Fe₃O₄纳米粒子的制备

称取1g的FeCl₃·6H₂O和0.37g的FeCl₂·4H₂O，用20ml经过通氮除氧的水溶解得到混合溶液。取130ml水在250mL的圆底烧瓶中通氮除氧，加入12.5ml的质量百分比浓度为25～28％的浓氨水，在剧烈搅拌下迅速向其中倒入上述的铁盐混合溶液，在80℃下反应1h。反应完毕后，用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离出黑色的固体，所得固体用高纯水清洗3～5次即得粒径为6～10nm的Fe₃O₄纳米粒子。

将Fe₃O₄纳米粒子定容到6mg/ml后取出20ml超声10分钟，得到铁氧体纳米粒子溶胶，以便用于与聚合物微球复合。

实施例2 铁氧体纳米粒子的合成：CoFe₂O₄纳米粒子的制备

称取1g的FeCl₃·6H₂O和0.38g的CoCl₂·4H₂O，用20ml经过通氮除氧的水溶解得到混合溶液。取130ml水在250mL的圆底烧瓶中通氮除氧，加入12.5ml的质量百分比浓度为25-28％的浓氨水，在剧烈搅拌下迅速向其中倒入上述的混合盐溶液，在50℃下反应1h。反应完毕后，用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离出黑色的固体，所得固体用高纯水清洗3～5次即得粒径为3～13nm的CoFe₂O₄纳米粒子。

将CoFe₂O₄纳米粒子超声分散在水中，得到铁氧体纳米粒子溶胶。

可将CoCl₂换为MnCl₂或ZnCl₂得到相应的MnFe₂O₄或ZnFe₂O₄纳米粒子。

实施例3 聚合物微球的合成：聚苯乙烯—丙烯酸(PS-AA)聚合物微球的合成

在250ml三颈瓶中加入100ml水、0.12g NaHCO₃、5ml苯乙烯(St)和0.5ml丙烯酸(-AA)，通N₂半小时，将其置于70℃水浴中，加入0.05g过硫酸钾(KPS)在机械搅拌下反应10h得到粒径为300nm的聚苯乙烯—丙烯酸微球。

若在反应体系中加入8g十二烷基苯璜酸钠，则得到粒径为80nm的聚合物微球。

实施例4 聚合物微球的合成：聚甲基丙烯酸甲酯—丙稀酸(PMMA-AA)聚合物微球的合成

在250ml三颈瓶中加入100ml水、25ml甲基丙烯酸甲酯(MMA)和0.25ml丙烯酸(AA)，通N₂半小时，将其置于65℃水浴中，加入0.25g过硫酸铵(APS)在机械搅拌下反应14h得到粒径为1μm的聚甲基丙烯酸甲酯—丙稀酸微球。

实施例5 聚合物微球与磁性纳米粒子复合

将实施例3中的300nm的聚苯乙烯—丙烯酸离心提纯后加入到实施例1中的Fe₃O₄溶胶中，在机械搅拌下反应12小时后离心分离，倾去上层未反应的Fe₃O₄纳米粒子，沉淀用等量水超声分散，得到磁性颗粒层约在10nm的聚合物磁性微球。

可将300nm的聚苯乙烯—丙烯酸微球换成80nm的聚苯乙烯—丙烯酸纳米粒子或1μm的聚甲基丙烯酸甲酯—丙稀酸微球，同样能够得到不同粒度的聚合物磁性微球。

Fe₃O₄可换成CoFe₂O₄、MnFe₂O₄或ZnFe₂O₄纳米粒子，同样能够得到相应材料磁性颗粒的聚合物磁性微球。

实施例6 二氧化硅包覆：无机硅包覆

称取0.4666gNa₂SiO₃(SiO₂含量为45％)溶在100ml水中，用阳离子树脂调节溶液的pH为10。取10ml实施例5中的1.010μm的聚甲基丙烯酸甲酯—丙稀酸微球复合CoFe₂O₄纳米粒子聚合物磁性微球，加入到90ml水中。将上面的Na₂SiO₃和复合微球溶液混合后，在室温下，以300rpm搅拌速度在500ml圆底烧瓶中反应10h。反应完毕后，用永磁铁从反应溶液中分离产物，并用高纯水清洗3～5次，定容到10ml即得粒径为1.012μm的二氧化硅包覆的磁性聚合物微球，二氧化硅的厚度为2nm。

实施例7-二氧化硅包覆：有机硅源包覆

向250ml圆底烧瓶中依次加入100ml乙醇、2ml水、3.4ml质量百分比浓度为25～28％的浓氨水和0.6mlTEOS，在40℃下，以200rpm搅拌速度加入2ml如实施例5中所得到的310nm的聚苯乙烯—丙烯酸复合Fe₃O₄纳米粒子聚合物磁性微球，反应12h后，用永磁铁从反应溶液中分离产物，并用高纯水清洗3～5次即得粒径约为320nm的二氧化硅包覆的磁性聚合物微球，二氧化硅的厚度约为10nm。

再加入3mlTEOS继续反应12h，二氧化硅的厚度可增长至40nm。

实施例8 聚合物微球模板的去除

将实施例7过程所得到的二氧化硅包覆的磁性聚合物微球置于马弗炉中在500℃下煅烧12h，即可制得相应的中空结构的二氧化硅包覆的磁性微球。也可以升高煅烧温度，相应的减少煅烧时间，同样实现去除聚合物微球模板的目的。

制得的单分散二氧化硅包覆的磁性微球的电镜照片见图1。

本发明方法制得的二氧化硅包覆的磁性聚合物微球，按本实施例的温度和时间煅烧，即在500～700℃下煅烧5～12小时，都能够除去聚合物模板，得到二氧化硅包覆的中空结构的磁性微球。

Claims

1、一种单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球，由二氧化硅层和磁性颗粒组成，具有中空结构，所说的磁性颗粒为单磁畴的铁氧体纳米粒子，包括Fe₃O₄纳米粒子；其特征在于，所说的中空结构是，空腔为一个直径在0.05～1μm的球形，磁性颗粒围绕在空腔周围；所说的二氧化硅层是共价偶联在磁性颗粒外表面的壳层，其厚度在1～50nm之间。

2、按照权利要求1所述的单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球，其特征在于所说的磁性颗粒是CoFe₂O₄、MnFe₂O₄或ZnFe₂O₄纳米粒子，其粒径在5～15nm之间。

3、按照权利要求1或2所述的单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球，其特征在于，所说的磁性微球呈单分散性，粒径在0.06～1.05μm之间。

4、一种权利要求1所述的单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球的制备方法，制备过程有铁氧体纳米粒子的制备，聚合物模板的制备，聚合物模板与铁氧体纳米粒子复合，二氧化硅包覆，以及高温煅烧；

(1)所说的铁氧体纳米粒子的制备，是在40～80℃下，将摩尔比为1∶2的Fe²⁺、Co²⁺、Zn²⁺或Mn²⁺和Fe³⁺的溶液加入到碱性水溶液中搅拌，所得沉淀用永磁铁收集并用高纯水洗涤，最后超声分散在水中，得到铁氧体纳米粒子溶胶；

(2)所说的聚合物模板的制备，是将苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸在水溶液中通过乳液聚合得到聚合物微球；

(3)所说的聚合物模板与铁氧体纳米粒子复合，是将聚合物微球与铁氧体纳米粒子溶胶混合，使铁氧体纳米粒子固定在聚合物微球表面，再离心除去未反应的磁性粒子，得到复合粒子；

(4)所说的二氧化硅包覆，是将复合粒子分散在乙醇中，加入氨水和正硅酸乙酯进行有机硅包覆；或是将复合粒子分散在水中加入硅酸钠并将pH值调到9～10进行无机硅包覆；

5、按照权利要求4所述的单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球的制备方法，其特征在于，在聚合物模板的制备中，加入十二烷基苯璜酸钠作表面活性剂，表面活性剂在水中的质量百分含量在0～10％之间。

6、按照权利要求4或5所述的单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球的制备方法，其特征在于，所说的聚合物模板的制备，是在水中加入苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸，按体积比水∶苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯∶丙烯酸＝100∶5～25∶0.25～0.5；通氮气25～35分钟，再置于65～70℃水浴中；按0.05～0.25g/100ml比例加入过硫酸钾(KPS)或过硫酸铵(APS)，搅拌下反应10～14小时。

7、按照权利要求4或5所述的单分散二氧化硅包覆的中空结构磁性微球的制备方法，其特征在于，所说的二氧化硅包覆，在用有机硅包覆二氧化硅过程中，复合粒子的质量百分含量在0.03～0.1％之间，氨水的质量百分含量在2～10％之间，正硅酸乙酯的百分含量在0.5～2％之间；在用无机硅包覆二氧化硅过程中，硅酸钠的百分含量在0.1～0.5％之间。