CN1947848A

CN1947848A - 一种功能化的磁性分离棒及其制备方法

Info

Publication number: CN1947848A
Application number: CN 200610023169
Authority: CN
Inventors: 邓春晖; 张祥民
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2006-01-09
Filing date: 2006-01-09
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2026-01-09
Also published as: CN1947848B

Abstract

本发明涉及一种功能化的磁性分离棒及其制造方法。首先在短棒状稀土永磁铁表面涂敷一层高分子材料，从而得到磁棒性。然后让磁棒与功能化的磁性聚合物微球通过磁吸引作用结合在一起，从而获得了功能化的磁性分离棒。通过使用不同强度的稀土磁铁，可以得到吸附强度不同的功能化的磁性分离棒；通过使用不同功能化的磁性聚合物微球，可以获得功能各异的功能化的磁性分离棒。本发明方法简单，原料易得，所制得的功能化的磁性分离棒的磁响应性能可控，同时由于其功能化过程易于调节因此该分离棒可以适应各种分离及检测场合的使用。

Description

一种功能化的磁性分离棒及其制备方法

技术领域

本发明属于功能纳米材料与纳米技术领域，具体涉及一种功能化的磁性分离棒及其制备方法。

背景技术

近年来，随着纳米科技的迅速发展，纳米材料及技术已经在生物医学、生物工程、环境工程等领域显示巨大的应用价值。作为一种新型的高效分离技术，磁分离技术越来越成为学术界和产业界研究的热点课题。磁性分离技术主要依赖一种具有磁响应性的微球或颗粒，这些微球或颗粒能与目标物质进行结合并且在外加磁场的作用下从其环境中分离出来，然后采用各种方法将被分离出来的目标从微球或颗粒上解离下来，从而实现对目标物质的有效分离、提取、纯化。这些微球或粒子通常粒径在几十纳米到几微米之间，其比表面积非常高，同时，由于其表面性质(如表面功能基团、表面亲/疏水性、表面电荷等)可以很方便地进行调控，因此利用其可高效、高通量、快速分离目标物质。

就磁性微球的制备方法而言，主要有两大类，一是物理包裹法，即以合成高分子或者天然高分子包裹无机磁性颗粒而制备的磁性微球。这种方法操作简单，但是制备的微球的形状不规则且尺寸大多在微米级甚至更大，另一个特点是其粒径分布一般都很宽，这些都导致所制备的磁性微球难以在更广泛的领域发挥作用。Dekker将磁性颗粒悬浮在聚乙烯亚胺(PEI)溶液中，通过过滤，干燥处理制得外包PEI的磁性微球(Dekker RFM.Appl.Biotech.，1989，22：289)。Cuyper等用磷脂处理磁性纳米颗粒，制得磁性脂质体微球(M.D.Cuyper，M.Jonian，Langmuir，1990，7：647)。二是单体聚合法，其中主要有悬浮聚合法、分散聚合法、乳液聚合法(包括无皂乳液聚合、种子聚合)等。Margel等人在油溶性引发剂、悬浮稳定剂和无机磁性粒子存在下制备了粒径范围为0.03um-80um的磁性聚丙烯醛类微球(S.Margel，U.Beitler USP 4,783,336，1988)。Daniel等采用微悬浮聚合得到了粒径范围为0.03um-5um的憎水磁性聚合物微球(J.C.Daniel，J.L.Schuppsier，USP 4,358,388.1982)。悬浮聚合制备的微球粒径也比较大，粒径分布较宽。乳液聚合是目前应用较多的一种制备磁性聚合物微球的方法。Furusawa等将磁性颗粒沉积到带有功能基团的高分子乳胶粒子上，然后采用种子乳液聚合制得夹心结构的磁性微球(K.Furusawa，K.Nagashima，C.Anzai，Colloid Polym.Sci，1994，272：1104)。国内孙宗华等用磁流体作为核，采用改进的乳液聚合制备了粒径范围为0.06um-10um的磁性聚苯乙烯微球(邱广明，孙宗华，化学试剂，1993，15(4)：324)。Ugelstad等首先提出原位法制备单分散磁性高分子微球，其特点在于先用两步溶胀法制备多孔的聚苯乙烯微球，然后在聚苯乙烯微球的孔道内用碱沉淀铁盐，从而制得了单分散的磁性聚苯乙烯微球(J.Ugelstad，P.C.Mork，R.Schmid，et al，Polym.Int，1993，30：15.)。

此外，也可以无机材料包裹纳米磁性颗粒而制备得磁性微球，其中无机材料主要是二氧化硅，因为二氧化硅是一种生物惰性材料，而且这种无机复合微球很容易表面功能化，因此可以广泛应用于生物医药、临床诊断以及免疫分析等领域。国内朱以华等以单分散的二氧化硅微球作为模板，利用静电自组装，制备了核壳均为二氧化硅、中间是多层磁性纳米颗粒的二氧化硅磁性微球(朱以华，答鸿，杨晓玲，中国专利，公开号：CN1380133A)。王柯敏等在反相微乳液体系中通过正硅酸乙酯水解合成了分别包裹磁性颗粒水溶性荧光物质的磁性荧光颗粒(谭蔚泓，王柯敏，肖丹，中国专利，公开号CN 1342515A)，Ramesh等通过Fe(CO)₅的声化学沉积来制备磁性二氧化硅磁性微球(S.Ramesh，R.Prozorov，A.Gedanken，Chem.Mater.，1997，9(12)：2996)。

20世纪70年代，荷兰科学家Ugelstad提出了原位合成法制备单分散性的微米级聚苯乙烯磁性微球，并且以此成功地开发了基于聚苯乙烯的磁性微球系列商品化产品(Dynal beads)(Ugelstad J，Berge A，Ellingsen T，et al，Prog Polym Sci，1992，17，87-161.)。随后国际上许多研究小组纷纷加入到磁性微球的制备以及应用的研究中，随着研究的深入，磁性微球已经在分离科学、临床诊断、生物工程、医学、靶向给药制剂、免疫分析、细胞培养基等领域显示巨大的应用价值。

从现有的文献报道来看，大多数关于磁分离技术使用的材料是单一的磁性微球或微粒，并且直接将其投入到含有目标物质的体系中，然后用磁场将结合有目标物质的微球或微粒截留在容器中，然后进行分析检测。如William等利用4.5um的磁性聚苯乙烯微珠(Dynabeads)与人骨髓混合并通过外加磁场分离出单核细胞(E.J.William，M.R.Angelyn，Journal of Immunological methods，1989m 121，289-294)。Sieben等研究了表面键合各种官能团的磁性二氧化硅球对于活乳腺癌细胞的分离效果(S.Sieben，C.Bergemann，A.Lubbe，et al.Magnetism and magnetic materials，2001，225，175-179)。Taylor等直接使用二氧化硅/四氧化三铁复合粒子研究了从玉米仁中分离g-DNA的效果(J.I.Taylor，C.d Hurst，M.J.Davies，et al Journal of Chromatography A，2000，890，159-166)。Horak等采用分散聚合的方法制备了磁性聚甲基丙烯酸羟乙酯微球并研究了其对核糖核酸酶的固定化效果及其性能的影响(D.Horak，B.Rittich，J.Safar，et al.Biotechnology progress，2001，17，447-452.)。尽管磁性微球的应用方面的研究已经取得不断的进展，然而许多学者发现，单纯的磁性微球的磁响应强度还不能满足实际应用的需要，比如使用即使磁组分含量高达40％的磁性聚合物微球，其磁饱和强度不到25emu/g，从一个含有该微球的水分散液体中分离出该微球需要大约0.5h，显然这样的分离速度是不够的。因此，在保持聚合物微球高比表面积的特点同时，为了提高分离速度，一种办法是继续增加微球的磁性组分的含量，但目前的磁性微球的制备技术很难达到这一目的。一种行之有效的方法是先将磁性微球固定在一个永磁棒表面，制成磁性分离棒，然后将分离棒用于各种分离场合，这样就可以极大地提高磁响应速度达到快速分离的效果，同时，通过预先对磁性聚合物微球的物理化学性能，特别是表面功能进行设计或改性，可以获得不同功能化的磁性分离棒。使磁性微球在目标物的分离提取等领域的应用带来了许多方便，目前尚元该类研究结果的报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备方便、能快速分离且有效分离多种目标物的功能化的磁性分离棒及其制备方法。

本发明提出的一种功能化的磁性分离棒，是一种具有多层结构的具有磁性的分离棒。棒的最内层是强磁性的短棒状永磁铁，中间层是包覆在磁铁表面的一层高分子材料(如聚四氟乙烯、聚丙烯等)，最外层是表面功能化的具有顺磁性的材料层，即该磁性分离棒的核心部分。使用表面功能化不同的磁性功能材料可以制得功能各异的磁性分离棒。表面功能化的具有顺磁性的材料是磁性聚合物微球或颗粒，其表面带有-COOH，-OH，-NH₂，-CHO，-COOR等官能团的一种或几种，或者C₆₀、碳纳米管(CNTs)等功能纳米材料，或者抗原(抗体)、外源凝集素等具有特异性识别能力的生物分子。通过将上述表面功能化的磁性微球或颗粒与棒状永磁铁结合，可以制得具有磁响应性，同时具有各种不同功能的磁性分离棒。该分离棒磁场强度可以根据需要调节，大小在10-2000G为好，最外层功能材料厚度也可以自由控制，厚度20nm到1000um。

本发明中，中间层的高分子材料是聚甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯。

本发明中，最外层的顺磁性材料是磁性聚合物微球组成。

本发明中，磁性聚合物微球流体力学粒径是50nm-1.0mm。

本发明中，磁性聚合物微球是表面带有-COOH，-OH，-NH₂，-CHO，-COOR官能团的一种或几种磁性聚合物微球。

本发明中，最外层的顺磁性材料是C₆₀或者碳纳米管功能化的磁性聚合物微球。

本发明中，最外层的顺磁性材料是抗原抗体、外源凝集素或寡核苷酸功能化的磁性聚合物微球。

上述功能化的磁性分离棒是通过磁相互作用使功能化的磁性微球或颗粒与棒状永磁铁相结合，从而得到表面吸附了功能化的磁性微球或颗粒的磁性分离棒。功能化的磁性微球或颗粒是通过各种高分子单体，特别是丙烯酸酯类单体在无机磁性纳米粒子存在下通过乳液聚合、分散聚合等方法制备而成，也可以是在磁性纳米粒子存在下，通过溶胶-凝胶法制备得到的功能化的磁性二氧化硅微球或磁性二氧化钛微球，也可以是上述磁性微球经过进一步改性得到的其它功能化的磁性微球，如表面结合了C₆₀的磁性聚合物微球或表面结合特殊抗原(抗体)的磁性聚合物微球。

本发明的具体制备方法如下：

先采用乳液聚合、分散聚合、悬浮聚合或者溶胶-凝胶法制备功能化的磁性聚合物微球，获得带有一种或几种功能团的聚合物微球，或者对磁性聚合物微球进行后期改性使其结合功能纳米材料或者结合具有特异性识别能力的生物分子，然后将功能化的磁性聚合物微球或颗粒吸附在覆有高分子材料的短棒状永磁铁表面。

本发明的制备方法，其具体步骤是：

(1)在无机磁性纳米颗粒存在下，以含不饱和碳碳双键的单体一种或几种作为主单体，以带-COOH，-OH，-NH₂，-CHO，-COOR基团的碳碳双键不饱和单体作为共聚单体，以带有两个不饱和碳碳双键的二乙烯基苯、甲基丙烯酸乙二醇酯或亚甲基双丙烯酰氨作为交联剂，通过乳液聚合、分散聚合或悬浮聚合制备内包裹无机磁性纳米颗粒、表面带有不同官能团的磁性聚合物微球，其中无机磁性纳米颗粒与聚合物重量比是0.5∶1-9∶1；

(2)或者将(1)中获得的磁性聚合物微球进行后期处理使其表面官能团进行转化，或在其表面进一步结合C₆₀、碳纳米管、抗原抗体或生物凝聚素，得到相应的各种功能化的磁性聚合物微球；

(3)在上述(1)或(2)中制备得到的功能化的磁性聚合物微球的分散液中投入外裹高分子材料的短棒磁铁，吸附0.5-2.0小时后，取出磁铁，用溶剂水润洗2-4次，即得到功能化的磁性分离棒。

本发明的制备方法，其具体步骤是：

(1)直接将疏水改性的无机磁性纳米颗粒与聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯或聚苯乙烯一种或几种线性聚合物一起乳化、分散，经过分离、干燥即可以得到磁性聚合物微球；

本发明中，线性聚合物的分子量是1000g/mol-400000g/mol。

本发明制备方法，其具体步骤是：

(1)在无机磁性纳米颗粒存在下，使用正硅酸烷基酯、硅酸钠或正钛酸酯作的驱体，采用溶胶-凝胶法在无机磁性纳米颗粒的表面包覆二氧化硅或二氧化钛，从而制备出磁性二氧化硅微球或磁性二氧化钛微球；

本发明中，无机磁性纳米颗粒是Co、Ni或铁氧体纳米粒子中的一种或几种。

本发明中，铁氧体纳米粒子是Fe₃O₄或γ-三氧化二铁。

本发明中，主单体是丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或苯乙烯，共聚单体是丙烯酸、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸羟乙酯，交联剂是二乙烯基苯、甲基丙烯酸乙二醇酯或亚甲基双丙烯酰胺。

以上方法制备的功能化的磁性分离棒，其功能性主要来自功能化的磁性聚合物微球或颗粒，因此可以通过改变功能化的磁性微球的表面性质，就可以获得不同功能的磁性分离棒，从而满足各种不同应用场合。

本发明中使用单体聚合法先制备各种磁性聚合物微球并对其进行功能化，然后将其吸附在棒状永磁铁表面制备了功能化的磁性分离棒，改变功能化微球的用量，可以使分离棒的最外层厚度控制在纳米尺寸到微米尺寸甚至更大范围。本发明方法简单易行，原料易得，制备过程重复性好易于放大生产，所制得的磁性分离棒磁响应性强。

附图说明

图1是本发明磁性分离棒制备过程示意图。图中

表示外裹高分子材料(如聚四氟乙烯，聚甲基硅氧烷、聚丙烯等)的棒状永磁铁(磁场强度10-2000G)

表示功能化的磁性聚合物微球，其中

代表微球，代表表面带有的特定官能团，如-COOH，-NH₂，-OH，-COOR，-CHO等；也可以代表其它诸如抗体(或抗原)、生物凝聚素等对特定物质具有特异识别作用的功能物质；也可以是键合在微球表面的碳纳米管(CNTs)、碳60(C₆₀)等功能材料。

表示功能化的磁性分离棒，即通过磁相互作用吸附了功能化的磁性聚合物微球的磁性棒。

图2是本发明磁性分离棒应用示意图。图中

(1)是功能化的磁性分离棒投入到含有目标分离物质的混合体系液中；

(2)是通过磁力搅拌器(旋转磁场)的搅拌作用使功能化的磁性分离棒和目标物充分作用(化学或物理结合)(即分离棒对目标物质进行捕捉)；

(3)是取出结合了目标物的磁性分离棒；

(4)是如果目标物质容易从分离棒脱附(理脱附)，可以直接将分离棒送入检测系统；

(5)是如果是通过化学键合作用结合在分离棒上，可以通过化学反应使其先从棒上解离下来(化学解离)；

(6)是然后再检测系统(如气相色谱、分光光度计等)进行分析、检测。

具体实施方式

实施例1：在250mL三颈瓶中，加入0.5g表面改性四氧化三铁粉末和200mL的去离子水，超声分散后，加入0.2g十六烷基三甲基溴化铵，2.0g甲基丙烯酸甲酯，0.2g甲基丙烯酸钠，0.2g甲基丙烯酸乙二醇酯，0.3g过硫酸钾，室温搅拌乳化并通氮气除氧，然后升温至70℃，维持氮气氛和搅拌状态，反应12h后停止反应，制备得到表面带羧基的磁性聚(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸)微球。用乙醇/水溶液洗涤磁性微球，然后分散在去离子水中得到磁性聚(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸)微球的水分散液(2.0wt％)。微球流体力学粒径为220nm，磁性含量为15wt％。

向上述得到的磁性聚(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸)微球的水分散液(2.0wt％)中投入直径为0.5cm长2.0cm的外表包覆聚四氟乙烯的棒状永磁铁(200G)，在旋转磁场中搅拌0.5h后，取出棒状永磁铁，即得到表面吸附了磁性聚(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸)微的磁性分离棒。

实施例2：在250mL三颈瓶中，加入0.5g表面改性四氧化三铁粉末和200mL的去离子水，超声分散后，加入0.2g十六烷基三甲基溴化铵，2.0g甲基丙烯酸甲酯，0.2g甲基丙烯酸羟乙酯，0.2g甲基丙烯酸二乙二醇酯，0.3g过硫酸钾，室温搅拌乳化并通氮气除氧，然后升温至70℃，维持氮气氛和搅拌状态，反应12h后停止反应，制备得到表面带羟基的磁性聚(甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸羟乙酯)微球。用乙醇/水溶液洗涤磁性微球，然后分散在去离子水中得到磁性聚(甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸羟乙酯)微球的水分散液(2.0wt％)。微球流体力学粒径为200nm，磁性含量为12wt％。

向上述得到的磁性聚(甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸羟乙酯)微球的水分散液中(2.0wt％)投入直径为1.2cm长3.0cm的外表包覆聚四氟乙烯的棒状永磁铁(200G)，在旋转磁场中搅拌1h后，取出棒状永磁铁，即得到表面吸附了磁性聚(甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸羟乙酯)微球的磁性分离棒。

实施例3：在一个250mL的三颈瓶中，加入0.02g的四氧化三铁粉末，用40mL去离子水和160mL无水乙醇超声分散，然后在高速搅拌(600rpm)下加入4mL浓氨水，待体系升温至40℃后加入1.00g正硅酸乙酯，维持搅拌12小时后，加入2mL r-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)，继续于40℃避光搅拌12小时。产物用先用乙醇后用去离子水离心分离洗涤，得到磁性二氧化硅微球的水分散液(2.0wt％)。微球粒径为50nm，表面带有氨基，磁含量为6.0wt％。

向上述得到的磁性二氧化硅微球的水分散投入直径为0.5cm长2.0cm的外表包覆聚四氟乙烯的棒状永磁铁(200G)，在旋转磁场中搅拌1.5h后，取出棒状永磁铁，即得到表面吸附了磁性聚二氧化硅微球的磁性分离棒。

实施例4：在100mL三颈瓶中，加入实施例3所制备的0.02g干燥后的磁性二氧化硅微球粉末和0.005g羧基碳纳米管(即表面带有羧基的多壁碳纳米管或单壁碳纳米管)，加入60mL无水四氢呋喃，超声分散后的去离子水，在机械搅拌下再加入0.002g二环己基碳二亚胺(脱水剂)，升温至80℃反应12h。通过磁分离，得到表面键合了磁性二氧化硅球的碳纳米管。磁含量为4.5wt％。

向上述得到的键合了磁性二氧化硅球的碳纳米管的水分散液中投入直径为0.5cm长2.0cm的外表包覆聚四氟乙烯的棒状永磁铁(200G)，在旋转磁场中搅拌2h后，取出棒状永磁铁，即得到表面吸附了碳纳米管功能化的磁性二氧化硅球的磁性分离棒。

实施例5：在100mL三颈瓶中，加入实施例1中得到的磁性聚(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸)微球0.20g，分散在无水四氢咐喃中，然后加入0.50g碳化二亚胺作用下，40oC反应8h后，利用磁铁分离出碳化二亚胺活化的磁性微球，洗涤后分散在磷酸缓冲溶液中，加入过量的寡聚核苷酸(5’-氨基功能化的寡核苷酸(相对碳化二亚胺的量)，反应2h得到键合寡核苷酸的磁性聚合物微球。洗涤后分散在磷酸缓冲溶液中，得到含有3.0wt％的磁性聚合物微球的分散液。

向上述得到的键合了键合寡核苷酸的磁性聚合物微球的分散液中投入直径为0.5cm长2.0cm的外表包覆聚四氟乙烯的棒状永磁铁(200G)，在旋转磁场中搅拌2h后，取出棒状永磁铁，即得到表面吸附了键合寡核苷酸的磁性聚合物微球的磁性分离棒。

Claims

1、一种功能化的磁性分离棒，其特征是一种具有多层结构的磁性棒，其中最内层是强磁性的短棒状永磁铁，中间层是包覆在磁铁表面的高分子材料层，最外层是表面功能化的具有顺磁性的材料层，即该磁性分离棒的核心部分，该分离棒磁场强度在10-2000G范围，各层厚度在20nm到1000μm范围。

2、如权利要求1所述的磁性分离棒，其特征是中间层的高分子材料是聚甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯。

3、如权利要求1所述的磁性分离棒，其特征是最外层的顺磁性材料是磁性聚合物微球组成。

4、如权利要求3所述的磁性分离棒，其特征是磁性聚合物微球流体力学粒径是50nm-1.0mm。

5、如权利要求3或4所述的磁性分离棒，其特征是磁性聚合物微球是表面带有-COOH，-OH，-NH₂，-CHO，-COOR官能团的一种或几种磁性聚合物微球。

6、如权利要求3所述的磁性分离棒，其特征是最外层的顺磁性材料是C₆₀或者碳纳米管功能化的磁性聚合物微球。

7、如权利要求3所述的磁性分离棒，其特征是最外层的顺磁性材料是抗原抗体、外源凝集素或寡核苷酸功能化的磁性聚合物微球。

8、一种功能化的磁性分离棒的制备方法，其特征是先采用乳液聚合、分散聚合、悬浮聚合或者溶胶-凝胶法制备功能化的磁性聚合物微球，获得带有一种或几种功能团的聚合物微球，或者对磁性聚合物微球进行后期改性使其结合功能纳米材料或者结合具有特异性识别能力的生物分子，然后将功能化的磁性聚合物微球或颗粒吸附在覆有高分子材料的短棒状永磁铁表面。

9、如权利要求8所述的功能化的磁性分离棒的制备方法，其特征是：

10、如权利要求8所述的功能化的磁性分离棒的制备方法，其特征是：

11、如权利要求10所述的功能化的磁性分离棒的制备方法，其特征是线性聚合物的分子量是1000g/mol-400000g/mol。

12、如权利要求8所述的功能化的磁性分离棒的制备方法，其特征是：

(1)在无机磁性纳米颗粒存在下，使用正硅酸烷基酯、硅酸钠或正钛酸酯作前驱体，采用溶胶-凝胶法在无机磁性纳米颗粒的表面包覆二氧化硅或二氧化钛，从而制备出磁性二氧化硅微球或磁性二氧化钛微球；

13、如权利要求9、10或12所述的功能化的磁性分离棒的制备方法，其特征是无机磁性纳米颗粒是Co、Ni或铁氧体纳米粒子中的一种或几种。

14、如权利要求13所述的功能化的磁性分离棒的制备方法，其特征是铁氧体纳米粒子是Fe₃O₄或γ-三氧化二铁。

15、如权利要求9所述的功能化的磁性分离棒的制备方法，其特征是主单体是丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或苯乙烯，共聚单体是丙烯酸、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸羟乙酯，交联剂是二乙烯基苯、甲基丙烯酸乙二醇酯或亚甲基双丙烯酰胺。