EP2432587A1 - Poröse, magnetische kieselgelformkörper, deren herstellung und anwendung - Google Patents

Poröse, magnetische kieselgelformkörper, deren herstellung und anwendung

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EP2432587A1
EP2432587A1 EP10710546A EP10710546A EP2432587A1 EP 2432587 A1 EP2432587 A1 EP 2432587A1 EP 10710546 A EP10710546 A EP 10710546A EP 10710546 A EP10710546 A EP 10710546A EP 2432587 A1 EP2432587 A1 EP 2432587A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaped body
magnetic
particles
silica gel
moldings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10710546A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karin Cabrera Perez
Anita Leinert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Merck Patent GmbH
Original Assignee
Merck Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Merck Patent GmbH filed Critical Merck Patent GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/34—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites
    • H01F1/342—Oxides
    • H01F1/344—Ferrites, e.g. having a cubic spinel structure (X2+O)(Y23+O3), e.g. magnetite Fe3O4

Definitions

  • the present invention relates to porous, magnetic or magnetizable silica moldings having novel properties which simplify certain separations and organic reactions.
  • a method for producing these moldings and their possible applications is described,
  • applications in molecular biology and separation technology are also known.
  • such particles can be used inter alia in magnetic data storage.
  • Magnetic particles have a magnetic core, for example of maghemite ( ⁇ Fe 2 O 3 ) or magnetite (Fe 3 O) or of other metal oxides or metal compounds. These particles can be provided with coatings in different ways For example, they are coated with silanes, various organic polymers or natural biopolymers (chitosan, gelatin, etc.)
  • Solid phase reactions is the complicated separation of the particles after adsorption from the mixture or after the reaction when the particulate adsorbent is added to the activated carbon in the liquid or liquid reaction mixture, because there is a special device for the separation of the particulate, magnetic adsorbent which is capable of the particles with the help of a magnetic field from the
  • silica gel bodies have been polymerized.
  • these silica gel bodies have proven to be unsuitable for practical use for the separation of reaction products from liquid mixtures because they are not dimensionally stable and among the
  • silica gel bodies have no interconnected pore structure, so that on the one hand, the for the Adsorption / desorption or available for the solid phase reaction surfaces are low and on the other hand, no sufficient fluid exchange can take place in the monolithic body used.
  • the object of the present invention is therefore to provide moldings which on the one hand are magnetic or magnetizable and on the other hand have the largest possible surface area.
  • the pore structure should allow the flow of liquids through the molding.
  • magnetic or magnetizable porous shaped bodies with flow pores can be provided if they are produced by a sol-gel method in which magnetic or magnetizable particles are added to the reaction solution.
  • the present invention therefore relates to moldings with für fluorescence containing magnetic or magnetizable particles.
  • the shaped body consists essentially of silica gel or silica gel hybrid materials
  • the shaped body contains magnetic or magnetizable particles which have a core or a layer of iron oxide, such as maghemite (y-Fe 2 ⁇ 3 ) or magnetite (Fe 3 O 4 ).
  • the shaped bodies have a bimodal pore distribution with macroporous flow pores having a pore diameter greater than 0.1 ⁇ m and mesopores having a pore diameter between 2 and 200 nm.
  • the shaped body is cylindrically shaped.
  • the shaped body contains magnetic or magnetizable particles whose surface
  • the shaped body is functionalized with separation effectors.
  • the molding is completely or partially surrounded by a cladding layer.
  • the present invention also provides a process for the production of moldings with flow pores containing magnetic or magnetizable particles by a sol-gel process, magnetic or magnetizable particles being added to the reaction mixture.
  • the reaction mixture contains alkoxysilanes and / or organoalkoxysilanes.
  • the present invention also relates to the use of the shaped bodies according to the invention for the enrichment or isolation of analytes from liquid media, as carrier materials for
  • Solid phase reactions as support materials for catalysts, enzymes, antibodies or other reactants.
  • the shaped body according to the invention is used in a liquid medium as a stirring fish.
  • the shaped body used as stirring fish can serve to isolate desired reaction products from the medium.
  • a shaped body is a three-dimensional body.
  • Moldings are often referred to as monolithic moldings or monoliths. Examples of moldings are regular, eg round or irregular shaped bodies.
  • Shaped bodies are preferably three-dimensional bodies which are in at least one dimension (eg height,
  • Width or depth have a length of more than 1 mm.
  • Par- or columnar (cylindrical) bodies are particularly preferred according to the invention.
  • the molding according to the invention can be produced in any desired form. This can e.g. can be produced by selecting a gelling vessel having a corresponding shape in the production of the shaped body or the shaped body after the production by mechanical action, such as. Grinding or cutting, processed and brought into the desired shape. In particular moldings with small and / or irregular shapes can be produced by mechanical action of larger moldings.
  • elongated shaped bodies are preferred, i. Moldings which have a greater extent in one direction than in the other two directions or disc-shaped moldings. Particular preference is given to columnar or cylindrical shaped bodies.
  • the solids content or the framework is made of e.g. Silica gel also called skeleton, to allow a distinction from the pores.
  • Magnetic or magnetizable particles according to the invention are particles which either have their own magnetism, i. without outer
  • magnetisable particles for example paramagnetic, superparamagnetic, ferrimagnetic or ferromagnetic materials, is obvious to a person skilled in the art that, according to the invention, only those magnetisable particles are used which exhibit this property under the later conditions of use
  • Particles are solid materials that have a small diameter. Particles are often referred to as pigments. They are, for example, round, platelike, oblong or irregular in shape.
  • the magnetic or magnetizable particles used according to the invention are preferably round or irregular in shape.
  • Particle is very variable. Typical diameters are between 5 nm and 100 ⁇ m, preferably between 25 nm and 80 ⁇ m.
  • the particles can be porous or non-porous._ The particles can be ordered from one material or, for example, layer by layer, can be made up of different components.
  • Flow pores are pores or channels that control the flow of e.g. allow a liquid or a gas through a molding.
  • the liquid can enter the molding at one point and exit at another location. Accordingly, pores which are only in the form of a notch in the surface of a molded article are not flow pores.
  • the shaped bodies according to the invention which contain magnetic or magnetisable particles are shaped bodies in which the magnetic or magnetisable particles are distributed in the shaped body.
  • the magnetic or magnetisable particles are distributed in the skeleton of the shaped body.
  • the magnetic or magnetizable particles are polymerized into the molding.
  • the particles can be distributed homogeneously to inhomogeneously in the shaped body.
  • the type of distribution of the particles in the molding can be influenced by the process control. In general, the production of the shaped body according to the invention by means of a sol-gel process.
  • An inhomogeneous distribution can be produced, for example, if the synthesis is carried out in the presence of a magnetic field or the gelation mold in which the synthesis takes place is stored so that a majority of the particles can sink to the bottom of the gelling mold before being gelled. If the particles are homogeneously distributed in the reaction solution prior to gelling by stirring and filled into the gelling mold shortly before gelation, moldings having a more homogeneous, optically marbled form arise discerning distribution of the particles. In order to achieve a very homogeneous distribution, for example, the gelling mold can be moderately agitated or shaken before and during gelling.
  • the main constituent of the shaped body consists of silica gel or silica gel hybrid materials.
  • the shaped body comprises the magnetic or magnetisable particles
  • Other additives such as pigments, fibers or the like may also be added
  • the shaped bodies according to the invention which consist essentially of silica gel or silica gel hybrid materials, besides the magnetic or magnetizable particles no further constituents, the proportion of which exceeds 5%, preferably 3%, of the total weight.
  • Kieselgel Hybrid materials are materials that, unlike pure silica gel materials, are not just SiO 2 . Instead, instead of or in addition to the alkoxysilanes customary for the production of silica gel materials, one or more organoalkoxysilanes are additionally or rather preferably used in their preparation. In most cases, the proportion of organoalkoxysilanes is at least 10%, preferably between 15 and 50% (mol%). However, organoalkoxysilanes can also be used up to 100%.
  • Organoalkoxysilanes are silanes in which one to three alkoxy groups, preferably an alkoxy group, of a tetraalkoxysilane are replaced by organic radicals, such as preferably C1 to C20 alkyl, C2 to C20 alkenyl or C5 to C20 aryl, more preferably C1 to C8 alkyl.
  • organic radicals such as preferably C1 to C20 alkyl, C2 to C20 alkenyl or C5 to C20 aryl, more preferably C1 to C8 alkyl.
  • organoalkoxysilanes are methyltrimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, vinylt ⁇ methoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, bis-functional silanes of the formula I.
  • R is typically an alkyl, alkenyl or aryl radical, such as C1 to C20 alkyl, C2 to C20 alkenyl or C5 to C20 aryl, preferably a C1 to
  • C8 is alkyl and 5n is preferably 1 to 8.
  • bis (triethoxysilyl) ethane bis (triethoxysilyl) methane and bis (triethoxysilyl) octane. 10
  • organoalkoxysilanes are e.g. in WO 03/014450 or US 4,017,528. These documents also reveal the manufacture. _ of particles or monolithic moldings of organoalkoxysilanes.
  • suitable particles are all particles that are magnetic or magnetizable.
  • these are particles from the group of iron oxides, such as maghemite ( ⁇ -Fe 2 ⁇ 3 ) or magnetite (Fe 3 O 4 ), barium, zinc or cobalt ferrite, elemental cobalt or magnetic or magnetizable mica particles , Fine particulate chromium oxides, cobalt oxides or zinc oxides can also be used.
  • the particles can be constructed homogeneously from a material or consist of different materials.
  • the particles may, for example, consist of a nonmagnetic material into which in turn smaller magnetic or magnetizable particles are introduced or polymerized.
  • the particles may also include a magnetic or magnetisable core, such as magnetite particles or one or more magnetic or magnetizable elements' n have, such as particles having a core of a non-magnetic component, with a layer of a magnetic or magnetizable material is enveloped.
  • a magnetic or magnetisable core such as magnetite particles or one or more magnetic or magnetizable elements' n have, such as particles having a core of a non-magnetic component, with a layer of a magnetic or magnetizable material is enveloped. Examples of these are inorganic particles z. Mica, titania, silica or calcium carbonate coated with Fe 3 O 4 .
  • the oc particles can have further layers or functionalities, such as for example 35
  • a layer according to the invention means that a core is completely or partially covered with another material.
  • the wrapping does not have to be complete.
  • a layer also applies if another material is applied which covers the core only in places.
  • suitable particles are for example iron particles (10 .mu.m), [Art. No. 1.03819.0100 (Merck KGaA)] or Micona Matte Black (Item No. 17437 (Merck KGaA) and Mica Black (Item No. 17260 (Merck KGaA), ie mica particles containing iron oxide and in the case of Mica Black are additionally coated with titanium dioxide.
  • the particles are used in an amount of 0.5 to 10 g, preferably 2 to 5 g of magnetic particles per 50 ml of skeletal former (e.g., TMOS), the skeletal forming agent being the basic reagent for the formation of the silica gel skeleton, i. usually represents the amount of alkoxysilanes or organoalkoxysilanes used.
  • skeletal former e.g., TMOS
  • the skeletal forming agent being the basic reagent for the formation of the silica gel skeleton, i. usually represents the amount of alkoxysilanes or organoalkoxysilanes used.
  • the preparation of the magnetic or magnetizable particles is known to the person skilled in the art.
  • Maghemite and magnetite are particularly easy to produce in nanoparticulate form by precipitation reactions.
  • magnetite is prepared by precipitation from a strongly alkaline solution of Fe (II) and Fe (III) salts in a stoichiometric ratio of 1: 2 (Massart, IEE Trans. Magn. 1981, MAG-17, 1247).
  • the reaction conditions temperature, concentrations, reaction time, type of lye, etc.
  • the particles produced in this way usually have a very small diameter (7 - 10 nm). Subsequent oxidation of the magnetite produces maghemite, which has similar magnetic properties.
  • the very small particle size of ⁇ 10 nm results in the iron oxide being superparamagnetic, ie it shows its ferrimagnetic properties only in the presence of an external magnetic field and has no magnetic remanence.
  • This is a general phenomenon of all ferri- and ferromagnetic materials with sufficiently small particle sizes. It therefore results from the fact that the Particle size ⁇ n of the same order of magnitude as the Weiss domains, which can be regarded as the smallest elementary magnetic domains. In the case of magnetite, this order of magnitude is about 30 nm. Magnetite particles with a much larger average diameter are therefore no longer superparamagnetic.
  • Superparamagnetism is a desirable or indispensable property in the majority of applications because nanoparticles with remanent magnetism act as small permanent magnets and would clump together due to their magnetic properties.
  • the person skilled in the art is able to select suitable magnetic or magnetizable particles depending on the field of application of the shaped body according to the invention. For example, he considers their toxicological properties and / or their size. The size The particle has an influence on its magnetic properties as well as on its processing during production
  • particles whose surface is wholly or partially hydrophilic with functional groups such as e.g. Hydroxyl groups, functionalized distribute particularly homogeneous during production in the molding.
  • the functionalization of the surface with hydrophilic groups can e.g. by covalent attachment of suitable functionalities or by coating the particles.
  • Particularly preferred according to the invention are magnetic or
  • magnetizable particles used whose surface has a coating with SiO 2 andf or Al 2 O 3 , and / or TiO 2 and / or zirconium oxide.
  • Coating of particles or pigments with these substances is the
  • the coating can be carried out, for example, wet-chemically or by means of chemical vapor deposition. Examples of suitable
  • coated particles are produced, for example, by mixing the particles present in aqueous suspension with the
  • Coating reagent The coating reagent settles in case
  • the metal compounds can be metered in succession or simultaneously to the suspension.
  • Suitable inorganic silicon compounds are those under the
  • Alkali silicates e.g. Potassium water glass and soda water glass.
  • soda water glass is used in the post-coating.
  • Suitable zirconium or aluminum salts are in particular the halides, nitrates and sulfates, preferably the chlorides.
  • a coating by acid precipitation is possible.
  • the particles to be coated are initially introduced in aqueous acidic solution.
  • Adjustment of the pH of the aqueous acidic solution is typically carried out with HCl and NaOH. As a rule, a pH between 1 and 4, preferably between 1.5 and 3, is set. Then the coating solution is added. If you want to produce a coating with titanium dioxide, this is for example a T ⁇ OCI 2 - solution. Typically, the addition is by dropwise addition with stirring at room temperature.
  • the mixture is tempered for a period of 5 minutes to 5 hours, preferably with stirring or shaking at a temperature typically between 40 and 100 0 C.
  • the resulting coated particles are typically filtered off with suction and washed. Then the particles can be dried by means of vacuum and / or heating. In addition, the particles can be finally annealed.
  • the object of the invention is achieved by the production of porous moldings, in the skeleton of which magnetic or magnetizable particles are embedded.
  • magnetic or magnetizable materials are created with large surfaces available for adsorption / desorption or for the organic solid phase reaction.
  • the moldings of the invention have at least macropores with a diameter greater than 0.1 .mu.m, which serve as flow pores.
  • the macropores diameter between 0.1 and 5 .mu.m, preferably between 0.5 and 3.5 microns.
  • the molding has a bimodal or oligomodal pore distribution, in addition to the macropores, for example, mesopores with a pore diameter between 2 and 200 nm, preferably between 5 and 50 nm, are present.
  • the mesopores are in the
  • Walls of the macropores and so enlarge the surface of the molding.
  • the macropores will typically be measured by mercury porosimetry, while the mesopores will be determined by nitrogen adsorption / desorption to BET.
  • the total pore volume of the shaped bodies according to the invention is typically between 1mL / g and 4mL / g, preferably between 1.5mL / g and 3.5ml_ / g.
  • the surface of the shaped bodies according to the invention is typically between 50m 2 / g and 750m 2 / g, preferably between 100m 2 / g and 500m 2 / g.
  • the production of the shaped bodies according to the invention is preferably carried out via a sol gel process. SoI-GeI methods are known to the person skilled in the art.
  • Suitable processes for the production of monolithic shaped bodies can be found, for example, in WO 98/29350 or WO 95/03256.
  • the production of the moldings can be carried out, for example, by reacting alkoxysilanes under acidic conditions in a gelling mold
  • a pore-forming phase e.g. an aqueous solution of an organic polymer
  • hydrolyzed to a porous gel body and polycondensed Thereafter, the gel is aged and finally the pore-forming substance is separated.
  • Preparation process is a sol-gel process in which organoalkoxysilanes and / or alkoxysilanes such as tetramethoxysilane (TMOS) or tetraethoxysilane (TEOS) or mixtures thereof as a precursor for the formation of the silica gel structure and a template or porogen for the formation of the macroporous structure, eg. B. PEO (polyethylene glycol), be used. Both components are presented in acidified solution. It comes to hydrolysis and polycondensation.
  • TMOS tetramethoxysilane
  • TEOS tetraethoxysilane
  • PEO polyethylene glycol
  • silicate-rich and aqueous, methanolic phase dissolved with PEO spinodal segregation of the two phases
  • the shaped bodies can be treated after the polycondensation with reagents which attack the skeleton of the shaped body.
  • reagents which attack the skeleton of the shaped body.
  • these are, for example, basic solutions, such as ammonia solution or acid solutions, e.g. HF solutions. Details can be found in WO 95/03256.
  • Moldings having a bimodal pore distribution are preferably produced by adding, in accordance with WO 98/29350, reagents to the reaction mixture prior to the polycondensation, e.g. Upon heating, release a substance that attacks the silica skeleton of the molding. Examples of such substances can be found in WO 98/29350.
  • reagents e.g. Upon heating, release a substance that attacks the silica skeleton of the molding. Examples of such substances can be found in WO 98/29350.
  • urea is used for this purpose. In the case of urea, ammonia is formed on heating.
  • the skeleton of the molding partially attacked and there are micro and / or mesopores preferably in the skeleton and thus in the Walls of macropores (flow pores).
  • the organic, nonhydrolyzable radicals themselves can also cause the formation of porous structures in the molding.
  • the formation of the mesopores is by means of an aging process, e.g. in WO 95/03256 and especially in WO 98/29350 (addition of a thermally decomposable substance such as urea).
  • the addition of the particles takes place at the same time or directly after the mixture of the remaining reagents, i. the preparation of the acidic aqueous solution, which typically comprises at least alkoxysilanes and / or
  • Organoalkoxysilane as a precursor for the formation of the silica gel structure and a porogen for the formation of the macroporous structure and optionally contains, for example, urea as a precursor for a skeletal attacking substance.
  • the mixture is stirred briefly for a short time Mixing takes place, then the polycondensation takes place in a suitable gelling.
  • monolithic shaped bodies are obtained in which magnetic or magnetizable particles are copolymerized.
  • the monolithic moldings can be subjected to a thermal treatment after the polycondensation, for example to assist in the aging, the separation of the porogens, the formation of mesopores, etc.
  • a thermal treatment for example to assist in the aging, the separation of the porogens, the formation of mesopores, etc.
  • erfo ⁇ gt thermal treatment at temperatures between 30 and 300 0 C.
  • the shaped bodies according to the invention can be wholly or partially filled with a
  • Envelope layer to be surrounded. For one, it can be at this
  • Covering layer to act a solid shell or the like as it is known for example for cartridges or chromatography columns.
  • it may be a permeable, e.g. holey reticulated envelope or a permeable or semipermeable membrane, e.g. a
  • the cladding layer may e.g. serve to mechanically stabilize the monolithic body or else - especially in the case of semipermeable membranes - increase the selectivity of the separation of target molecules / analytes.
  • Silanes in the sense of present invention are all Si-containing compounds which have at least one functionality with which they can form a covalent bond with the molding (corresponds to L in formula A), and at least one functionality which can serve as a separation effector (corresponds to R in formula A) ). In general, these are mono-, di- or tri-functional silanes such as alkoxy- or chlorosilanes.
  • other reactive Si-containing compounds such as silazanes, siloxanes, cyclic siloxanes, disilazanes and disiloxanes fall into the term "silanes.” Examples of suitable silanes are given by formula A.
  • L is Cl, Br, I, C 1 -C 5 alkoxy, dialkylamino or trifluoromethanesulfonate and
  • R is straight-chain or branched C1-C30-alkyl (such as, for example, methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, tert-butyl, sec-butyl, cyclohexyl, octyl, octadecyl), alkenyl, alkynyl, aryl (such as phenyl or alkaryl (such as C 1 -C 5 -phenyl), cyano or cyanoalkyl (such as cyanopropyl), aminoalkyl or hydroxyalkyl (such as aminopropyl or propyldiol), nitro, ester, ion exchanger, etc.
  • m 2 or 3
  • R may also be two or three have three different meanings, so that one to three identical or different radicals R can be present in a molecule.
  • ionic, hydrophobic, chelating or chiral groups for example ionic groups such as the carboxyl or the sulfonic acid group as for the
  • the silanes may also have at least one reactive functional group which may be subsequently added e.g. can be reacted with ligands such as saccharides, nucleic acids, peptides or proteins or catalytically active functionalities.
  • ligands such as saccharides, nucleic acids, peptides or proteins or catalytically active functionalities.
  • the silanes themselves can carry ligands such as saccharides, nucleic acids, peptides or proteins.
  • the shaped bodies according to the invention can be used for the adsorption of polar substances for sample enrichment.
  • the shaped bodies according to the invention can be used as solid phase for solid phase reactions, e.g. Peptide or Oligonukleotidsynthesen be used.
  • the shaped bodies according to the invention can be hydrophobic
  • Functionalities such as C18-. C8, C4, etc silanes, are derivatized and used for the adsorption of hydrophobic molecules.
  • the moldings of the invention can be derivatized with suitable silanes (with functional end groups) and used for the immobilization of proteins, antibodies and for the adsorption of biologically relevant substances.
  • the shaped bodies according to the invention can be provided with chiral separation effectors. In this way, one enantiomer can be bound adsorptively from one mixture of enantiomers while the other enantiomer remains in solution. In this way, a simple and selective Enantiomerentren ⁇ ung allows.
  • reactants for the organic synthesis can be immobilized and used for the synthesis.
  • the reactant or catalyst is firmly bound to the molding and can be conveniently removed from the reaction solution, e.g. be removed by means of a magnetic rod.
  • Such reactants may be, for example, acids or bases or redox partners, which, although participating in the reaction, nevertheless evolve unchanged from the reaction.
  • the shaped bodies according to the invention can be placed in a kind of "pre-column holder" or cartridge and preceded by a chromatographic column, followed by pumping a suitable mobile phase through the coupled device, desorbing the adsorbed analytes from the tablet and transferring them to the chromatography column
  • a qualitative as well as quantitative analysis can then be carried out on the chromatographic column by means of suitable HPLC or LC / MS systems, as well as coupling with another analytical device, such as a mass spectrometer.
  • the reaction equilibrium of a reaction can be deliberately shifted to the side of a desired reaction product and the yield can be increased.
  • this method enables easy separation of a reaction product from the reaction solution by simply removing the magnetic shaped body used as a stirrer from the reaction solution by means of a magnet.
  • the magnetic separation body is e.g. into a new, suitable solution. By stirring on a magnetic stirrer, the desorption process can be accelerated.
  • the molding used as a stirrer can also be in a suitable holder such as
  • Passage column with a suitable eluent to separate the adsorbed target molecules and isolate.
  • Shaped body can be used to separate the target molecules, but on the other hand, the magnetic properties of the polymerized particles by a separation from the
  • Devices like single magnetic particles around the particles to bind over a magnet and to win the supernatant solution.
  • Magnetic monoliths according to the publication by Leventis et al. (Nano Lett. Vol. 2, 2003, pp. 63-66) produced under the influence of an NMR magnet, characterized by BET and SEM images and investigated for magnetic properties.
  • Solution A contains the silica
  • Solution B contains the alkaline catalyst for the sol-gel reaction and the magnetic particles suspended in
  • Solution A 4,414 ml of TMOS in 3,839 ml of methanol
  • Solution B 4.414 ml of methanol, 1.514 ml of water, 20 ⁇ l of conc. NH 4 OH,
  • the magnetic particles align differently on the magnet.
  • the monoliths thus prepared are kept for 2 days
  • Magnetic properties are detectable in all monoliths with the different particles.
  • the SEM images show no uniform structures that reveal a bimodal pore system with macropores. On the contrary, fragments of polymerized silica gels, some of which have smooth surfaces, can be recognized. Likewise, the added particles are recognizable in the SEM images.
  • black marbled monoliths which have a total pore volume of 2.05 mL / g.
  • 82% macropores of size 2 ⁇ m and 18% mesopores of size 11.8 nm can be assigned (all determined by means of mercury porosimetry measurements).
  • a surface SBET of 120.9m 2 / g can be determined by nitrogen adsorption.
  • the resulting monoliths can be held with a bar magnet. They may also be placed in a MeOH-filled beaker and stirred on a magnetic stirrer.
  • Black marbled monoliths are obtained which have a total pore volume of 2.86 ml / g. Of these, 72% macropores of size 0.95 ⁇ m and 28% mesopores of size 10.6 nm can be assigned (all determined by means of mercury porosimetry measurements). Furthermore, a surface SBET of 236 m 2 / g can be determined by means of nitrogen adsorption.
  • SEM images show the classical monolith structure with a connected silica gel skeleton interrupted by macropores.
  • the resulting monoliths can be held with a bar magnet. They are also placed in a MeOH-filled beaker and stirred on a magnetic stirrer.
  • Black marbled monoliths are obtained which have a total pore volume of 2.9 ml / g. Of these, 77.7% macropores of size 1.78 ⁇ m and 22.3% mesopores of size 10 nm can be assigned (all determined by means of mercury porosimetry measurements). Furthermore, a surface S B ET of 279 m 2 / g can be determined by means of nitrogen adsorption. The resulting monoliths exhibit magnetic properties and can be held with a bar magnet.
  • Black marbled monoliths are obtained which have a total pore volume of 3.1 mL / g. Of these, 77.6% macropores of size 1.68 ⁇ m and 22.4% mesopores of size 10.5 nm can be assigned (all determined by means of mercury porosimetry measurements). Furthermore, a surface S B ET of 287 m 2 / g can be determined by means of nitrogen adsorption.
  • the resulting monoliths exhibit magnetic properties and can be held with a bar magnet.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft poröse, magnetische Kieselgelformkörper mit neuen Eigenschaften, durch die Stofftrennungen aus Reaktionslösungen bzw. Festphasenreaktionen vereinfacht werden. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung dieser Trennmaterialien sowie deren mögliche Anwendungen beschrieben.

Description

Poröse, magnetische Kieselgelformkörper, deren Herstellung und Anwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft poröse, magnetische oder magnetisierbare Kieselgelformkörper mit neuen Eigenschaften, durch die bestimmte Stofftrennungen und organische Reaktionen vereinfacht werden. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung dieser Formkörper sowie deren mögliche Anwendungen beschrieben,
Stand der Technik
Es ist bekannt, magnetische Partikel für unterschiedlichste Anwendungen einzusetzen; beispielsweise in der Medizin (drug delivery, Hyperthermie Therapie, Kontrastmittel für MRI = magπetic resonanz imaging) und Diagnostik. Es sind aber auch Anwendungen in der Molekularbiologie und Separationstechnologie bekannt. Darüber hinaus können solche Partikel unter anderem auch in der magnetischen Datenspeicherung eingesetzt werden.
Magnetische Partikel besitzen einen magnetischen Kern, z.B. aus Maghämit (γ Fe2O3) oder Magnetit (Fe3O^ oder aus anderen Metalloxiden bzw. Metallverbindungen. Diese Partikel können auf unterschiedliche Art und Weise mit Coatings versehen sein. So sind entsprechende Magnetpartikel bekannt, die beispielsweise mit Silanen, verschiedensten organischen Polymeren oder natürlichen Biopolymeren (Chitosan, Gelantine etc.) beschichtet sind. Aufgrund der jeweiligen Beschichtungen lassen sich diese Materialien für unterschiedliche technische
Anwendungen einsetzen.
Von besonderem Interesse ist in der heutigen Forschung die Herstellung immer kleinerer Partikel, insbesondere in Größenordnungen im Nano- meter-ßereich, wobei Materialien m/t besonders engen Partikelgrößenverteilungen (möglichst monodispers) angestrebt werden, um sie für medi- zinische Anwendungen verwenden zu können und gegebenenfalls durch geeignete Funktionalisierungen biokompatibel zu machen. Da es sich bei den gängigen magnetischen Partikeln um nicht poröse Materialien handelt, besitzen sie in der Regel nur kleine Oberflächen (z.B. <50m2/g). Große Oberflächen sind jedoch immer dann wünschenswert, wenn Stofftrennungen durchgeführt werden sollen und wenn Stoffkompo- nenten aus einem flüssigen oder gasförmigen Gemisch isoliert werden sollen. Dieses ist insbesondere von Bedeutung, wenn beispielsweise große Flüssigkeitsmengen in möglichst kurzer Zeit behandelt werden sollen und gegebenenfalls selektiv spezielle Inhaltsstoffe gebunden und entfernt oder gezielt Stofftrennungen durchgeführt werden sollen. Dafür sind große Oberflächen bzw. hohe Kapazitäten erforderlich. Große Oberflächen werden auch dann benötigt, wenn organische Reaktionen unter Verwendung von gebundenen Reaktanden (für Festphasenreaktionen wie z.B. Merrifieldreaktionen) an einem Festkörper durchgeführt werden sollen. Je größer die Oberfläche desto größer der gebundene Anteil des Reaktanden und desto effizienter die organische Reaktion.
Ein Nachteil der Verwendung von partikulären Teilchen für die selektive
Abtrennung von Stoffen aus Stoffgemischen bzw. für
Festphasenreaktionen ist die aufwendige Abtrennung der Teilchen nach der Adsorption aus dem Stoffgemisch bzw. nach der Reaktion, wenn das partikuläre Adsorbens analog zu Aktivkohle in das flüssige Stoff- oder Reaktionsgemisch gegeben wird, weil für die Abtrennung des partikulären, magnetischen Adsorbens eine besondere Vorrichtung vorhanden sein muss, die geeignet ist, die Partikel mit Hilfe eines Magnetfelds aus dem
Stoff gemisch abzutrennen.
Durch Leventis et al. (Nano Lett. Vol. 2 No. 1 , 2002, S. 63 - 66) wiederum sind monolithische Kieselgelkörper beschrieben, in die magnetische
Partikel einpolymerisiert worden sind. Diese Kieselgelkörper haben sich aber für den praktischen Gebrauch zur Abtrennung von Reaktionsprodukten aus flüssigen Gemischen als nicht geeignet herausgestellt, weil sie nicht formstabil sind und unter den
Anwendungsbedingungen leicht zerfallen, bzw. „zerbröseln". Außerdem weisen nach Leventis hergestellte Kieselgelkörper keine miteinander verbundene Porenstruktur auf, so dass einerseits die für die Adsorbtion/Desorption bzw. für die Festphasenreaktion zur Verfügung stehenden Oberflächen gering sind und andererseits kein ausreichender Flüssigkeitsaustausch in dem verwendeten monolithischen Körper stattfinden kann.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Formkörper zur Verfügung zu stellen, die einerseits magnetisch oder magnetisierbar sind und andererseits eine möglichst große Oberfläche aufweisen. Darüberhinaus sollte die Porenstruktur den Durchfluss von Flüssigkeiten durch den Formkörper ermöglichen.
Lösung der Aufgabe
Es wurde gefunden, dass magnetische oder magnetisierbare poröse Formkörper mit Durchflußporen zur Verfügung gestellt werden können, wenn diese nach einem SoI-GeI Verfahren hergestellt werden, bei dem der Reaktionslösung magnetische oder magnetisierbare Partikel zugesetzt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher Formkörper mit Durchflußporen, die magnetische oder magnetisierbare Partikel enthalten.
in einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Formkörper im wesentlichen aus Kieselgel oder Kieselgel-Hybrid-Materialien
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Formkörper magnetische oder magnetisierbare Partikel, die einen Kern oder eine Schicht aus Eisenoxid, wie Maghämit (y-Fe2θ3) oder Magnetit (Fe3O4) aufweisen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weisen die Formkörper eine bimodale Porenverteilung auf mit makroporösen Durchflußporen mit einem Porendurchmesser größer 0,1 μm und Mesoporen mit einem Porendυrchmesser zwischen 2 und 200 nm. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Formkörper zylindrisch geformt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält der Formkörper magnetische oder magnetisierbare Partikel, deren Oberfläche
Hydroxylgruppen aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Formkörper mit Separationseffektoren funktionalisiert.
In einer anderen Ausführungsform ist der Formkörper ganz oder teilweise mit einer Hüllschicht umgeben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit Durchflußporen, die magnetische oder magnetisierbare Partikel enthalten, nach einem Sol-Gel-Verfahren, wobei dem Reaktionsgemisch magnetische oder magnetisierbare Partikel zugesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Reaktionsgemisch Alkoxysilane und/oder Organoalkoxysilane.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Formkörper zur Anreicherung oder Isolierung von Analyten aus flüssigen Medien, als Trägermaterialien für
Festphasenreaktionen, als Trägermaterialien für Katalysatoren, Enzyme, Antikörper oder anderen Reaktanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Formkörper in einem flüssigen Medium als Rührfisch verwendet. Während der Reaktion kann der als Rührfisch eingesetzte Formkörper zur Isolierung gewünschter Reaktionspvodukte aus dem Medium dienen.
Die oben beschriebenen einzelnen Aspekte bzw. Gegenstände der Erfindung können auch in jeder beliebigen Kombination von zwei oder mehreren Aspekten bzw. Gegenständen verwirklicht werden. Erfindungsgemäß ist ein Formkörper ein dreidimensionaler Körper. Formkörper werden häufig auch als monolithische Formkörper oder Monolithen bezeichnet. Beispiele für Formkörper sind regelmässig, z.B. rund, oder unregelmäßig geformte Körper. Bevorzugt sind Formkörper dreidimensionale Körper, die in mindestens einer Abmessung (z.B. Höhe,
Breite oder Tiefe) eine Länge von mehr als 1 mm aufweisen. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind quader- oder säulenförmige (zylindrische) Körper. Der erfindungsgemäße Formkörper kann in jeder beliebigen Form hergestellt werden. Diese kann z.B. erzeugt werden, indem bei der Herstellung des Formkörpers ein Geliergefäß mit einer entsprechenden Form gewählt wird oder der Formkörper nach der Herstellung durch mechanische Einwirkung, wie z.B. Schleifen oder Schneiden, bearbeitet und in die gewünschte Form gebracht wird. Insbesondere Formkörper mit kleinen und/oder unregelmässigen Formen können durch mechanische Einwirkung aus größeren Formkörpern hergestellt werden. Bevorzugt sind erfindungsgemäß längliche Formkörper, d.h. Formkörper, die in einer Richtung eine größere Ausdehnung haben als in die beiden anderen Richtungen oder scheibenförmige Formkörper. Besonders bevorzugt sind säulenförmige bzw. zylindrische Formkörper. Bei porösen Formkörpern wird erfindungsgemäß der Festkörperanteil bzw. das Gerüst aus z.B. Kieselgel auch als Skelett bezeichnet, um eine Unterscheidung von den Poren zu ermöglichen.
Magnetische oder magnetisierbare Partikel sind erfindungsgemäß Partikel, die entweder über einen Eigenmagnetismus verfügen, d.h. ohne äußeren
Einfluss magnetisch sind, oder solche, die kein eigenes magnetisches Feld haben, aber einen magnetischen Dipol bilden, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt sind. Dementsprechend fallen unter den
Begriff „magnetische oder magnetisierbare Partikel" beispielsweise paramagnetische, superparamagnetische, ferrimagnetische oder ferromagnetische Materialien. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass erfindungsgemäß nur solche magnetisierbaren Partikel eingesetzt werden, die diese Eigenschaft unter den späteren Anwendungsbedingungen zeigen
- insbesondere bei der Temperatur, bei der die erfindungsgemäßen Formkörper später eingesetzt werden sollen. Partikel sind feste Materialien, die einen kleinen Durchmesser haben. Partikel werden oft auch als Pigmente bezeichnet. Sie sind z.B. rund, plättchenförmig, länglich oder unregelmässig geformt. Die erfindungsgemäß eingesetzten magnetischen oder magnetisierbaren Partikel sind bevorzugt rund oder unregelmäßig geformt. Die Größe der
Partikel ist sehr variabel. Typische Durchmesser liegen zwischen 5 nm und 100μm, bevorzugt zwischen 25 nm und 80 μm. Die Partikel können porös oder unporös sein._ Die Partikel können aus einem Material bestellen oder - beispielsweise schichtweise - aus verschiedenen Komponenten aufgebaut sein.
Durchflussporen sind Poren oder Kanäle, die den Durchfluss von z.B. einer Flüssigkeit oder einem Gas durch einen Formkörper erlauben. Dabei kann die Flüssigkeit an einer Stelle in den Formkörper eintreten und an einer anderen Stelle wieder austreten. Dementsprechend sind Poren, die sich nur in Form einer Einkerbung in der Oberfläche eines Formkörpers befinden, keine Durchflussporen.
Die erfindungsgemäßen Formkörper, die magnetische oder magnetisierbare Partikel enthalten, sind Formkörper, bei denen die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel in dem Formkörper verteilt sind. Bei den erfindungsgemäßen porösen Formkörpern sind die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel im Skelett des Formkörpers verteilt. Bevorzugt sind die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel in den Formkörper einpolymerisiert. Dabei können die Partikel homogen bis inhomogen in dem Formkörper verteilt sein. Die Art der Verteilung der Partikel im Formkörper lässt sich durch die Verfahrensführung beeinflussen. In der Regel erfolgt die Herstellung der erfindungsgemäßen Formkörper mittels eines Sol-Gel Verfahrens. Eine inhomogene Verteilung kann beispielsweise erzeugt werden, wenn die Synthese in Anwesenheit eines Magnetfeldes erfolgt oder die Gelierform, in der die Synthese stattfindet, so gelagert wird, dass eine Mehrzahl der Partikel vor dem Ausgelieren zum Boden der Gelierform sinken kann. Werden die Partikel vor dem Ausgelieren durch Rühren homogen in der Reaktionslösung verteilt und kurz vor dem Ausgelieren in die Gelierform gefüllt, so entstehen Formkörper mit einer homogeneren, optisch als marmoriert zu erkennenden Verteilung der Partikel. Um eine sehr homogene Verteilung zu erzielen, kann beispielsweise die Gelierform vor und während des Ausgelierens moderat bewegt oder geschüttelt werden.
„Formkörper im wesentlichen aus Kieselgel oder Kieselgel-Hybrid-
Materialien" bedeutet erfindungsgemäß, dass der Hauptbestandteil des Formkörpers, genauer gesagt der Hauptbestandteil des Skeletts des Formkörpers, aus Kieselgel oder Kieselgel-Hybrid-Materialien besteht. Zudem weist der Formkörper natürlich erfindungsgemäß die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel auf. Desweiteren können dem Formkörper während der Herstellung weitere Zusätze wie Pigmente, Fasern oder ähnliches zugesetzt werden. Auch kann der Formkörper nach der Herstellung an der Oberfläche z.B. mit Separationseffektoren derivatisiert werden. Zumeist weisen die erfindungsgemäßen Formkörper, die im wesentlichen aus Kieselgel oder Kieselgel-Hybrid-Materialien bestehen, neben den magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln keine weiteren Bestandteile auf, deren Anteil 5%, bevorzugt 3%, des Gesamtgewichts übersteigt.
Kieselgel Hybrid-Materialien sind Materialien, die im Gegensatz zu reinen Kieselgel-Materialien nicht nur aus SiO2 bestehen. Vielmehr werden bei ihrer Herstellung statt oder bevorzugt neben den für die Herstellung von Kieselgelmaterialien üblichen Alkoxysilanen zusätzlich ein oder mehrere Organoalkoxysilane verwendet. Zumeist liegt der Anteil der Organoalkoxysilane bei mindestens 10%, bevorzugt zwischen 15 und 50% (Mol%). Organoalkoxysilane können aber auch bis zu 100% eingesetzt werden. Organoalkoxysilane sind Silane, in denen ein bis drei Alkoxygruppen, bevorzugt eine Alkoxygruppe, eines Tetraalkoxysilans durch organische Reste, wie bevorzugt C1 bis C20 Alkyl, C2 bis C20 Alkenyl oder C5 bis C20 Aryl, besonders bevorzugt C1 bis C8 Alkyl, ersetzt sind. Beispiele für besonders geeignete Organoalkoxysilane sind Methyltrimethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Vinyltήmethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Ethyltriethoxysilan, bis-funktionelle Silane der Formel I
(RO),-3-Si-(CH2)n -Si-(OR)1-3 I wobei R typischerweise ein Alkyl, Alkenyl oder Aryl- Rest ist, wie C1 bis C20 Alkyl, C2 bis C20 Alkenyl oder C5 bis C20 Aryl, bevorzugt ein C1 bis
C8 Alkylrest und 5 n bevorzugt 1 bis 8 ist.
Beispiele für bevorzugte Verbindungen sind BTME (Bis(trimethoxysilyl) ethan mit R = Methyl und n = 2)), Bis(triethoxysilyl)ethan, Bis(triethoxysilyl)methan und Bis(triethoxysilyl)octan. 10
Weitere Organoalkoxysilane sind z.B. in WO 03/014450 oder US 4,017,528 offenbart. Diese Dokumente offenbaren zudem die Herstellung . _ von Partikeln bzw. monolithischen Formkörpern aus Organoalkoxysilanen.
Erfindungsgemäß geeignete Partikel sind alle Partikel, die magnetisch oder magnetisierbar sind. Bevorzugt handelt es sich dabei um Partikel aus der Gruppe der Eisenoxide, wie Maghämit (γ-Fe2θ3) oder Magnetit (Fe3O4), Barium-, Zink- oder Cobaltferrit, aus elementarem Cobalt oder magnetische oder magnetisierbare Glimmer-Partikel. Auch fein partikuläre Chromoxide, Kobaltoxide oder Zinkoxide können eingesetzt werden. Die Partikel können homogen aus einem Material aufgebaut sein oder aus verschiedenen Materialien bestehen. Die Partikel können z.B. aus einem nichtmagnetischen Material bestehen, in das wiederum kleinere magnetische oder magnetisierbare Partikel eingebracht oder ein polymerisiert sind. Genauso können die Partikel auch einen magnetischen oder magnetisierbaren Kern aufweisen, wie beispielsweise Magnetit-Partikel oder einen oder mehrere magnetische oder magnetisierbare Bestandteile „n aufweisen, wie z.B. Partikel, die einen Kern aus einem nicht-magnetischen Bestandteil aufweisen, der mit einer Schicht eines magnetischen oder magnetisierbaren Materials umhüllt ist. Beispiele hierfür sind anorganische Partikel z. B. Glimmer (Mica), Titandioxid, Siliziumdioxid oder Kalziumkarbonat, die mit Fe3O4 beschichtet wurden. Zudem können die oc Partikel weitere Schichten oder Funktionalitäten aufweisen, wie zum 35
Beispiel eine Beschichtung mit SiO∑ und/oder Zirkonoxid und/oder AbO3, und/oder Tiθ2- Eine Schicht bedeutet erfindungsgemäß, dass ein Kern ganz oder teilweise mit einem weiteren Material umhüllt ist. Dabei muss die Umhüllung nicht vollständig sein. Als Schicht gilt erfindungsgemäß, auch, wenn ein weiteres Material aufgebracht wird, das den Kern nur stellenweise bedeckt.
Erfindungsgemäß geeignete Partikel sind beispielsweise Eisenpartikel (10μm), [Art. Nr. 1.03819.0100 (Merck KGaA)] oder Micona Matte Black (Art. Nr. 17437 (Merck KGaA) und Mica Black (Art. Nr. 17260 (Merck KGaA), d.h. Glimmer-Partikel, die mit Eisenoxid und im Fall von Mica Black zusätzlich mit Titandioxid beschichtet sind.
Vorzugsweise werden die Partikel in einer Menge von 0,5 bis 10 g, bevorzugt 2 bis 5 g magnetische Partikel bezogen auf 50 ml Skelettbildner (z.B. TMOS) eingesetzt, wobei der Skelettbildner das Basisreagenz für die Ausbildung des Kieselgelskeletts, d.h. in der Regel die Menge der eingesetzten Alkoxysilane bzw. Organoalkoxysilane darstellt.
Die Herstellung der magnetischen oder magnetisierbaren Partikel ist dem Fachmann bekannt.
Maghämit und Magnetit sind in nanopartikulärer Form besonders einfach durch Fällungsreaktionen herzustellen. Üblicherweise wird Magnetit durch Ausfällung aus einer stark alkalischen Lösung von Fe(II)- und Fe(lll)-salzen im stöchiometrischen Verhältnis 1 : 2 hergestellt (Massart, IEE Trans. Magn. 1981, MAG-17, 1247). Die Reaktionsbedingungen (Temperatur, Konzentrationen, Reaktionsdauer, Art der Lauge, usw.) können in weiten Bereichen variiert werden. Die auf diese Weise hergestellten Partikel haben meist einen sehr kleinen Durchmesser (7 - 10 nm). Eine nachträgliche Oxidation des Magnetits liefert Maghämit, das ähnliche magnetische Eigenschaften aufweist. Die sehr geringe Partikelgröße von < 10 nm führt dazu, dass das Eisenoxid superparamagnetisch ist, d. h. dass es seine ferrimagnetischen Eigenschaften nur in Gegenwart eines äußeren Magnetfeldes zeigt und keine magnetische Remanenz besitzt. Dies ist ein generelles Phänomen aller ferri- und ferromagnetischen Materialien bei hinreichend geringen Partikelgrößen. Es resultiert daher daraus, dass die Partikelgröße \n derselben Größenordnung liegt wie die Weiß'schen Bezirke, die als kleinste elementarmagnetische Domänen angesehen werden können. Im Falle von Magnetit liegt diese Größenordnung bei etwa 30 nm. Magnetitpartikel mit wesentlich größerem mittleren Durchmesser sind also nicht mehr superparamagnetisch. Superparamagnetismus ist in der Mehrzahl der Anwendungen eine wünschenswerte bzw. unabdingbare Eigenschaft, da Nanopartikel mit Remanenzmagnetismus als kleine Permanentmagnete wirken und sich aufgrund der magnetischen Eigenschaften zusammenballen würden.
Als Alternative zum Massart-Verfahren hat sich bislang nur das erstmals von Sugimoto und Matijevic beschriebene Oxidationsverfahren durchgesetzt (Sugimoto et al., J. Colloid Interface Sei. 74, 227, 1979). Hierbei wird keine stöchiometrische Mischung aus Fe(II) und Fe(III) eingesetzt, sondern nur eine Fe(ll)-salzlösung. Dabei wird in alkalischem Medium aus einer Fe(ll)-Salzlösung zunächst dunkelgrünes Fe(OH)2 ausgefällt (sog. „green rust"), das anschließend durch ein zugesetztes Oxidatiσnsmittel in der Hitze zu sehr reinem kristallinen Magnetit oxidiert wird. Als Oxidationsmittel wird in der Regel Nitrat eingesetzt, es können jedoch prinzipiell auch andere Oxidationsmittel wie Luftsauerstoff verwendet werden. Die Partikel, die mit dieser Methode gewonnen werden, können durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen in ihrer Größe in gewissen Grenzen variieren. Sie sind mit durchschnittlich 50 - 200 nm allerdings wesentlich größer als die bisher beschriebenen und damit auch nicht superparamagnetisch.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung magnetischer oder magnetisierbarer Eisenoxid-Partikel findet sich in der unveröffentlichten DE 102008015365.6 bzw. der korrespondierenden WO 2009/115176.
Der Fachmann ist in der Lage, je nach Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Formkörpers geeignete magnetische oder magnetisierbare Partikel auszuwählen. Dabei zieht er beispielsweise ihre toxikologischen Eigenschaften und/oder ihre Größe in Betracht. Die Größe der Partikel hat zum einen Einfluss auf ihre magnetischen Eigenschaften und zum anderen auch auf ihre Verarbeitung während der Herstellung
Es wurde weiterhin gefunden, dass Partikel, deren Oberfläche ganz oder teilweise mit hydrophilen funktionellen Gruppen, wie z.B. Hydroxylgruppen, funktionalisiert ist, sich besonders homogen während der Herstellung im Formkörper verteilen.
-J O Die Funktionalisierung der Oberfläche mit hydrophilen Gruppen kann z.B. durch kovalente Anbindung geeigneter Funktionalitäten oder durch Beschichtung der Partikel erfolgen.
Besonders bevorzugt werden erfindungsgemäß magnetische oder
15 magnetisierbare Partikel eingesetzt, deren Oberfläche eine Beschichtung mit SiO2 undfoder AI2O3, und/oder TiO2 und/oder Zirkon-Oxid aufweist. Die
Beschichtung von Partikeln oder Pigmenten mit diesen Substanzen ist dem
Fachmann bekannt. Die Beschichtung kann beispielsweise nasschemisch oder mittels Chemical Vapour Deposition erfolgen. Beispiele für geeignete
20 Herstellverfahren werden z.B. in DE 2106613 oder EP 5,601 ,144 offenbart.
Die Herstellung der beschichteten Partikel geschieht beispielsweise durch Vermischen der in wässriger Suspension vorliegenden Partikel mit dem
Beschichtungsreagenz. Das Beschichtungsreagenz setzt sich im Falle
25 einer Beschichtung mit Siθ2 zusammen aus einer wasserlöslichen anorganischen Siliziumverbindung und wenn gewünscht weiteren Salzen, wie z.B. Aluminium- und/oder Zirkoniumsalzen. Die Metallverbindungen können nacheinander oder gleichzeitig zu der Suspension zudosiert werden. Geeignete anorganische Siliziumverbindungen sind die unter dem
30 Namen "Wasserglas" in den Handel kommenden wässπgen Lösungen von
Alkalisilicaten, wie z.B. Kaliwasserglas und Natronwasserglas. Vorzugsweise wird bei der Nachbeschichtung Natronwasserglas verwendet. Geeignete Zirkonium- bzw. Aluminiumsalze sind insbesondere die Halogenide, Nitrate und Sulfate, vorzugsweise die Chloride. Durch
35 geeignete pH- und Temperaturbedingungen wird eine Ausfällung der Silizium-, Zirkonium- bzw. Aluminiumsalze bzw. -hydroxide, -oxide bewirkt, die sich auf den in der Suspension verteilten Partikeln niederschlagen.
Auch eine Beschichtung mittels Säurefällung ist möglich. Dabei werden die zu beschichtenden Partikel in wässriger saurer Lösung vorgelegt. Die
Einstellung des pH-Wertes der wässrigen sauren Lösung erfolgt typischerweise mit HCl und NaOH. Es wird in der Regel ein pH-Wert zwischen 1 und 4, bevorzugt zwischen 1,5 und 3 eingestellt. Dann wird die Beschichtungslösung zugegeben. Will man eine Beschichtung mit Titandioxid erzeugen, ist dies beispielsweise eine TΪOCI2- Lösung. Typischerweise erfolgt die Zugabe durch Zutropfen unter Rühren bei Raumtemperatur.
Anschließend wird die Mischung über einen Zeitraum von 5 Minuten bis 5 Stunden bevorzugt unter Rühren oder Schütteln bei einer Temperatur typischerweise zwischen 40 und 1000C temperiert.
Die erhaltenen beschichteten Partikel werden typischerweise abgesaugt und nachgewaschen. Dann können die Partikel mittels Vakuum und/ oder Erhitzen getrocknet werden. Zudem können die Partikel abschließend geglüht werden.
Erfindungsgemäß werden bevorzugt Partikel eingesetzt, die nicht geglüht wurden, da die nicht geglühten Partikel eine höhere Anzahl an
Hydroxylgruppen aufweisen.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe erfolgt durch die Herstellung von porösen Formkörpern, in deren Skelett magnetische oder magnetisierbare Partikel einpolymeπsiert sind. Auf diese Weise werden magnetische oder magnetisierbare Materialien kreiert mit großen für die Adsorbtion/Desorption bzw. für die organische Festphasenreaktion zur Verfügung stehenden Oberflächen.
Die erfindungsgemäßen Formkörper weisen zumindest Makroporen mit einem Durchmesser größer 0,1 μm auf, die als Durchflussporen dienen. Typischerweise weisen die Makroporen Durchmesser zwischen 0,1 und 5 μm auf, bevorzugt zwischen 0,5 und 3,5 μm. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Formkörper eine bimodale oder oligomodale Porenverteilung auf, bei der zusätzlich zu den Makroporen noch z.B. Mesoporen mit einem Porendurchmesser zwischen 2 und 200 nm, bevorzugt zwischen 5 und 50 nm, vorhanden sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform befinden sich die Mesoporen in den
Wänden der Makroporen und vergrößern so die Oberfläche des Formkörpers.
Die Makroporen werden typischerweise mittels Quecksilberporosimetrie gemessen während die Mesoporen mittels Stickstoffadsorption/desorption nach BET ermitteln werden.
Das Gesamtporenvolumen der erfindungsgemäßen Formkörper liegt typischerweise zwischen 1mL/g und 4mL/g, bevorzugt zwischen 1 ,5mL/g und 3,5ml_/g. Die Oberfläche der erfindungsgemäßen Formkörper liegt typischerweise zwischen 50m2/g und 750m2/g, bevorzugt zwischen 100m2/g und 500m2/g.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Formkörper erfolgt bevorzugt über ein SoI Gel Verfahren. SoI-GeI Verfahren sind dem Fachmann bekannt.
Beispiele für geeignete Verfahren zur Herstellung monolithischer Formkörper finden sich beispielsweise in WO 98/29350 oder WO 95/03256. Die Herstellung der Formkörper kann beispielsweise erfolgen, indem man in einer Gelierform Alkoxysilane unter sauren Bedingungen in
Gegenwart einer porenbildenden Phase, z.B. einer wässrigen Lösung eines organischen Polymers, zu einem porösen Gelkörper hydrolysiert und polykondensiert. Danach wird das Gel gealtert und schließlich die porenbildene Substanz abgetrennt.
Ein typisches Beispiel für ein erfindungsgemäß geeignetes
Herstellverfahren ist ein SoI-GeI Verfahren, in dem Organoalkoxysilane und/oder Alkoxysilane wie Tetramethoxysilan (TMOS) oder Tetraethoxysilan (TEOS) oder Mischungen davon als Precursor für die Ausbildung der Kieselgelstruktur und ein Templat bzw. Porogen für die Ausbildung der Makroporenstruktur, z. B. PEO (Polyethylenglycol), eingesetzt werden. Beide Komponenten werden in angesäuerter Lösung vorgelegt. Es kommt zur Hydrolyse und Polykondensation. Während der Polykondensation wird ein Punkt erreicht, bei dem es zur sogenannten spinodalen Entmischung der zwei Phasen (silikatreich und wässrig, methanolische Phase mit PEO gelöst) kommt. Hierbei bildet sich das silikatische Grundgerüst aus, das ein miteinander verbundenes Netzwerk ausbildet und durch Transportporen (= Durchflussporen) unterbrochen wird.
Zur Herstellung der erfindυngsgemäßen Materialien mit einer bimodalen Porenverteilung können die Formkörper nach der Polykondensation mit Reagenzien behandelt werden, die das Skelett des Formkörpers angreifen. Das sind beispielsweise basische Lösungen, wie Ammoniak-Lösung oder saure Lösungen, wie z.B. HF-Lösungen. Details finden sich in WO 95/03256.
Bevorzugt werden Formkörper mit einer bimodalen Porenverteilung erzeugt, indem entsprechend WO 98/29350 dem Reaktionsgemisch vor der Polykondensation Reagenzien zugesetzt werden, die z.B. beim Erhitzen eine Substanz freisetzen, die das Silika-Skelett des Formkörpers angreift. Beispiele für derartige Substanzen finden sich in WO 98/29350. Bevorzugt wird dafür Harnstoff eingesetzt. Im Fall von Harnstoff entsteht beim Erhitzen Ammoniak.
Somit wird entweder durch Nachbehandlung mit z.B. Ammoniak-Lösung oder durch Zusatz von z.B. Harnstoff zu dem Reaktionsgemisch und nachträgliche thermische Behandlung zur Zersetzung des Harnstoffs das Skelett des Formkörpers partiell angegriffen und es entstehen mikro- und/oder bevorzugt Mesoporen im Skelett und somit auch in den Wänden der Makroporen (Durchflussporen). Auf diese Weise werden Formkörper erzeugt, die sowohl einen schnellen und effektiven Stofftransport durch die Durchflussporen erlauben wie auch eine große Oberfläche z.B. für Adsorption oder Festphasenreaktionen aufweisen. Bei der Herstellung von Kieselgel Hybrid Formkörpern können auch die organischen, nicht hydrolysierbaren Reste selbst die Ausbildung von porösen Strukturen im Formkörper bewirken.
Die Makroporenbildung kann sowohl bei Kieselgel Formkörpern wie auch bei Kieselgel Hybrid Formkörpern durch folgende Detergentien unterstützt werden: z.B. kationische Detergentien wie CTAB (CH3(CH2)i5N+(CH3)3BQ, nicht ionische Detergentien wie PEO (Polyethylenglykol), Brij 56 (CH3(CH2)I5-(OCH2CH2)IO-OH), Brij 58 (CH3(CH2)i5-(OCH2CH2)2o-OH) und Triton® X-Detergentien (CH3)3CCH2CH(CH3)-C6H4θ(CH2CH2O)χH mit x=8 (TX-114) oder x=10 (TX-100) oder Blockcopolymere wie Pluronic® P-123 (EO)2o(propylene oxide, PO)70(EO)20 oder Tween® 85 (Polyoxyethylene sorbitan trioleate)).
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bildung der Mesoporen mittels eines Alterungsverfahrens, wie z.B. in WO 95/03256 und besonders in WO 98/29350 (Zugabe einer thermisch zersetzbaren Substanz wie Harnstoff) offenbart.
Durch Zusatz von magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln an geeigneter Stelle der Reaktion, insbesondere vor Beginn der Polykondensation, können nun diese in die Skelett-Struktur des Formkörpers eingebaut werden. Die resultierenden Formkörper zeigen anschließend magnetische Eigenschaften.
Bevorzugt erfolgt die Zugabe der Partikel zugleich oder direkt im Anschluß der Mischung der übrigen Reagenzien, d.h. der Herstellung der sauren wässrigen Lösung, die typischerweise zumindest Alkoxysilane und/oder
Organoalkoxysilane als Precursor für die Ausbildung der Kieselgelstruktur und ein Porogen für die Ausbildung der Makroporenstruktur sowie optional z.B. Harnstoff als Precursor für eine das Skelett angreifende Substanz enthält. Das Gemisch wird noch kurz gerührt, damit eine effektive Durchmischung erfolgt, dann erfolgt die Polykondensation in einer geeigneten Gelierform.
Bevorzugt werden als Gelierformen Formen aus Kunststoff oder Glas, besonders bevorzugt aus silanisiertem Glas verwendet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren erhält man monolithische Formkörper, in die magnetische oder magnetisierbare Partikel einpolymerisiert sind.
Die monolithischen Formkörper können nach der Polykondensation z.B. zur Unterstützung der Alterung, der Abtrennung der Porogene, zur Ausbildung von Mesoporen etc. einer thermischen Behandlung unterzogen werden. Typischerweise erfo\gt die thermische Behandlung bei Temperaturen zwischen 30 und 3000C.
Die erfϊndungsgemäßen Formkörper können ganz oder teilweise mit einer
Hüllschicht umgeben werden. Zum einen kann es sich bei dieser
Hüllschicht um eine feste Ummantelung oder ähnliches handeln, wie sie beispielsweise für Kartuschen oder Chromatographiesäulen bekannt ist. Zum anderen kann es sich um eine durchlässige, z.B. löchrige, netzartige Umhüllung oder eine permeable oder semipermeable Membran, z.B. eine
Dialysefolie, handeln.
Die Hüllschicht kann z.B. dazu dienen, den monolithischen Körper mechanisch zu stabilisieren oder aber auch - insbesondere im Fall von semipermeablen Membranen - die Selektivität der Abtrennung von Zielmolekülen/Analyten erhöhen.
Darüber hinaus ist es möglich, die Oberfläche der erfindungsgemäßen Formkörper zu modifizieren. Typischerweise erfolgt dies über kovalente Anbindung weiterer Funktionalitäten, auch Separationseffektoren genannt, an die Oberfläche der Formkörper. Bevorzugt erfolgt die kovalente Anbindung an den Formkörper über Silane. Silane im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Si-haltigen Verbindungen, die zumindest eine Funktionalität aufweisen, mit der sie eine kovalente Bindung mit dem Formkörper eingehen können (entspricht L in Formel A), und zumindest eine Funktionalität, die als Separationseffektor dienen kann (entspricht R in Formel A). Im Allgemeinen sind dies mono-, di- oder tri-funktionelle Silane wie Alkoxy- oder Chlorsilane. Auch andere reaktive Si-haltige Verbindungen wie Silazane, Siloxane, cyclische Siloxane, Disilazane und Disiloxane fallen erfindungsgemäß unter den Begriff „Silane". Beispiele für geeignete Silane gibt Formel A,
LnRmSl A
wobei
1 < m < 3 und
1 < n < 3 und wobei n + m zusammen 4 ergibt,
L Cl, Br, I, C1-C5 alkoxy, dialkylamino oder trifluormethansulfonat ist und
R geradkettig oder verzweigt C1 bis C30 alkyl (wie z.B. methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, tert.-butyl, sek.-butyl, cyclohexyl, octyl, octadecyl), alkenyl, alkinyl, aryl (wie phenyl) oder alkaryl (wie C1-C5- phenyl), cyano oder cyanoalkyl (wie cyanopropyl), aminoalkyl oder hydroxyalkyl (wie aminopropyl oder propyldiol), nitro, ester, Ionenaustauscher, etc. Dabei kann R bei m = 2 oder 3 auch zwei oder drei verschiedene Bedeutungen haben, so dass in einem Molekül ein bis drei gleiche oder verschiedene Reste R vorhanden sein können.
Genauere Angaben zu den Reagenzien sind dem Fachmann bekannt und finden sich beispielsweise in K.K. Unger, Porous Silica, Elsevier Scientific
Publishing Company, 1979. Beispiele für besonders geeignete Separationseffektoren sind ionische, hydrophobe, chelatisierende oder chirale Gruppen, z.B. ionische Gruppen wie die Carboxyl- oder die Sulfonsäuregruppe wie für die
Kationenaustauschchromatographie geeignet, alkylierte Amino- oder
Ammoniumgruppen wie für die Anionenaustauscherchromatographie geeignet, lang- und mittelkettige Alkylgruppen oder Arylgruppen wie für die reversed-phase Chromatographie geeignet.
Weitere Einzelheiten zu möglichen Separationseffektoren und geeigneten Silanen finden sich in WO 94/19687, insbesondere auf den Seiten 4 und 5.
Genauso können die Silane auch mindestens eine reaktive funktionelle Gruppe aufweisen, die nachträglich z.B. mit Liganden, wie Sachariden, Nukleinsäuren, Peptiden oder Proteinen oder auch katalytisch wirksamen Funktionalitäten umgesetzt werden kann. Genauso können die Silane selbst Liganden, wie Saccharide, Nukleinsäuren, Peptiden oder Proteinen tragen.
Eine bevorzugte Methode zur Einführung insbesondere saccharidischer Separationseffektoren ist in WO 2006084461 offenbart.
Die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Formkörper sind vielfältig. Im folgenden sind einige Beispiele gegeben:
- Die erfindungsgemäßen Formkörper können für die Adsorption von polaren Substanzen für die Probenanreicherung eingesetzt werden.
- Die erfindungsgemäßen Formkörper können als Festphase für Festphasenreaktionen wie z.B. Peptid- oder Oligonukleotidsynthesen eingesetzt werden.
- Die erfindungsgemäßen Formkörper können mit hydrophoben
Funktionalitäten, wie C18-. C8-, C4-, etc -Silanen, derivatisiert werden und für die Adsorption von hydrophoben Molekülen eingesetzt werden. - Die erfindungsgemäßen Formkörper können mit geeigneten Silanen (mit funktionellen Endgruppen) derivatisiert werden und für die Immobilisierung von Proteinen, Antikörpern sowie zur Adsorption von biologisch relevanten Substanzen verwendet werden.
- Die erfindungsgemäßen Formkörper können mit chiralen Separationseffektoren versehen werden. Auf diese Weise kann aus einem Enantiomerengemisch ein Enantiomer adsorbtiv gebunden werden, während das andere Enantiomer in Lösung bleibt. Auf diese Weise wird eine einfache und selektive Enantiomerentrenπung ermöglicht.
- Auf den erfindungsgemäßen Formkörpern können für die organische Synthese wichtigen Reaktanden immobilisiert werden und für die Synthese zum Einsatz kommen. Der Reaktand oder Katalysator ist dabei fest an dem Formkörper gebunden und kann nach erfolgter Reaktion bequem aus der Reaktionslösung, z.B. mittels eines Magnetstabes, entfernt werden. Solche Reaktanden können beispielsweise Säuren oder Basen oder Redoxpartner sein, welche zwar an der Reaktion teilnehmen, jedoch selbst aus der Reaktion unverändert hervorgehen.
- Die erfindungsgemäßen Formkörper können nach Adsorption von Analyten in eine Art „Vorsäulenhalterung" oder Kartusche eingelegt werden und einer Chromatographiesäule vorgeschaltet werden. Anschließend wird eine geeignete mobile Phase durch die gekoppelte Vorrichtung gepumpt und dabei die adsorbierten Analyten von dem Formkörper desorbiert und auf die Chromatographiesäule übertragen. Auf der Chromatographiesäule kann dann eine qualitative wie auch quantitative Analyse mittels geeigneter HPLC bzw. LC/MS Systeme erfolgen. Genauso kann eine Kopplung mit einer anderen Analysevorrichtung, wie z.B. einem Massenspektrometer erfolgen.
Die mechanische Stabilität der erfindungsgemäß hergestellten monolithischen Formkörper erlaubt es sogar, diese in Reaktionslösungen als Magnetrührer einzusetzen. Da der erfindungsgemäße Formkörper
Durchflußporen besitzt, können geeignete Analyten durch den Formkörper diffundieren und an der inneren Oberfläche adsσrbtiv gebunden werden. Zu diesem Zweck sind große Oberflächen notwendig, um eine genügend hohe Konzentrationen des Analyten binden zu können. Die Oberfläche der erfindungsgemäßen Formkörper kann durch die zusätzliche Ausbildung von Mesoporen weiter vergrössert werden.
Dieses bietet die Möglichkeit, während der Durchmischung einer Reaktionslösung gewünschte Zielmoleküle aus der Lösung zu adsorbieren und abzutrennen. Hierdurch lässt sich beispielsweise gezielt das Reaktionsgleichgewicht einer Reaktion auf die Seite eines gewünschten Reaktionsprodukts verschieben und die Ausbeute erhöhen. Gleichzeitig ermöglicht dieses Verfahren eine einfache Abtrennung eines Reaktionsprodukts aus der Reaktionslösung, indem der als Rührer benutzte magnetische Formkörper in einfacher Weise mit Hilfe eines Magneten aus der Reaktionslösung entfernt wird. Zur Desorption der gewünschten Moleküle wird der magnetische Trennkörper z.B. in eine neue, geeignete Lösung gegeben. Durch Rühren auf einem Magnetrührer kann der Desorptionsvorgang beschleunigt werden. Der als Rührer benutzte Formkörper kann auch in einer passenden Halterung wie eine
Trennsäule mit einem geeigneten Eluenten durchströmt werden, um die adsorbierten Zielmoleküle abzutrennen und zu isolieren.
Während herkömmliche magnetische Partikel nur sehr kleine Oberflächen besitzen, können erfindungsgemäß hergestellte magnetische Monolithen, welche eine vergleichbare Menge magnetische Partikel enthalten, im
Vergleich dazu eine um den Faktor 10-15 größere Oberfläche besitzen.
Dieses hat den Vorteil, dass einerseits die adsorptiven Eigenschaften des
Formkörpers zur Abtrennung der Zielmoleküle genutzt werden können, andererseits aber auch die magnetischen Eigenschaften der einpolymerisierten Partikel, indem eine Abtrennung aus der
Reaktionslösung vereinfacht wird. Wie bereits erwähnt können mittels eines Magnetstabes die erfindungsgemäß hergestellten magnetischen oder magentisierbaren Formkörper leicht und in Sekunden aus einer Reaktionslösung entfernt werden. Man braucht keine aufwendigen
Vorrichtungen wie bei einzelnen magnetischen Partikeln, um die Partikel über einen Magneten zu binden und die überstehende Lösung zu gewinnen.
Die vorliegende Beschreibung ermöglicht es dem Fachmann die Erfindung umfassend anzuwenden und auszuführen. Auch ohne weitere
Ausführungen wird daher davon ausgegangen, dass ein Fachmann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann.
Bei etwaigen Unklarheiten versteht es sich von selbst, die zitierten Veröffentlichungen und Patentliteratur heranzuziehen. Dementsprechend ist die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen, insbesondere der korrespondierenden Anmeldung DE 10 2009
017943.1 , eingereicht am 17.04.2009, durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt.
Zum besseren Verständnis und zur Verdeutlichung der Erfindung werden im Folgenden Beispiele gegeben, die im Rahmen des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen. Diese Beispiele dienen auch zur Veranschaulichung möglicher Varianten. Aufgrund der allgemeinen Gültigkeit des beschriebenen Erfindungsprinzips sind die Beispiele jedoch nicht geeignet, den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nur auf diese zu reduzieren.
Weiterhin versteht es sich für den Fachmann von selbst, dass sich sowohl in den gegebenen Beispielen als auch in der übrigen Beschreibung die in den Zusammensetzungen enthaltenen Komponentenmengen in der Summe immer nur zu 100 Gew. bzw. mol-% bezogen auf die Gesamtzusammensetzung aufaddieren und nicht darüber hinausgehen können, auch wenn sich aus den angegebenen Prozentbereichen höhere Werte ergeben könnten. Sofern nichts anderes angegeben ist, gelten %- Angaben als Gew. oder mol-%, mit Ausnahme von Verhältnissen, die in Volumenangaben wiedergegeben sind, wie beispielsweise Elutionsmittel, zu deren Herstellung Lösungsmittel in bestimmten Volumenverhältnissen im Gemisch verwendet werden. Die in den Beispielen und der Beschreibung sowie in den Ansprüchen gegebenen Temperaturen gelten immer in °C.
Beispiele
Vergleichsbeispiele:
Es wurden magnetische Monolithen entsprechend der Publikation von Leventis et al. (Nano Lett. Vol. 2, 2003, S. 63 - 66) unter Einfluss eines NMR-Magneten hergestellt, mittels BET und REM-Aufnahmen charakterisiert und auf magnetische Eigenschaften untersucht.
Vergleichsbeispiel 1
Es werden zwei Lösungen A und B hergestellt. Lösung A enthält den Silika-
Prekursor in Methanol gelöst. Lösung B enthält den alkalischen Katalysator für die Sol-Gel-Reaktion und die magnetischen Partikel suspendiert in
Wasser/Methanol.
Lösung A: 4.414 ml TMOS in 3.839 ml Methanol
Lösung B: 4.414 ml Methanol, 1.514 ml Wasser, 20μl konz. NH4OH,
57 mg magnetische Partikel
Beide Lösungen werden bei Raumtemperatur zusammengegeben, gut vermischt und an den Magneten gestellt. Das SoI-GeI bildet sich nach 5 -
10 Minuten. Die magnetischen Partikel richten sich am Magneten unterschiedlich aus. Die so hergestellten Monolithen werden 2 Tage bei
Raumtemperatur stehen gelassen. Anschließend werden sie mit folgenden Lösungen gewaschen: Ethanol, Aceton und anschließend bei niedriger Temperatur im Trockenschrank getrocknet.
Zum Vergleich werden nach diesem Beispiel Monolithen hergestellt, in denen unterschiedliche magnetische Partikel eingesetzt werden:
a) ohne magnetische Partikel b) Micona Matte Black Art. Nr. 17437 (Merck KGaA)
C) Mica Black Art. Nr. 17260 (Merck KGaA) d) Eisenpartikel (10μm) Art. Nr. 1.03819.0100 (Merck KGaA) Ergebnis:
Farbe:
Die erhaltenen Monolithen sind alle klar und durchsichtig. Ein Teil des
Monolithen ohne Partikel ist gelb.
Die glasartige Erscheinung der Monolithen, die nach Leventis et al. hergestellt wurden, bestätigt, dass diese keine Transportporen aufweisen und keine miteinander verbundene Porosität (siehe REM-Aufnahmen)
Festigkeit:
Die erhaltenen Monolithen sind nicht formstabil, sondern „bröselig" und können nicht als Monolith gewonnen werden
Verteilung der Partikel am NMR:
Die Partikel steigen im Reagenzglas nur ca. 3 cm hoch und richteten sich an der Wand des Reagenzglases aus, welche zum NMR zeigt.
Schrumpfunqsverhalten:
Alle Monolithen weisen ein starkes Schrumpfungsverhalten auf
Magnetische Eigenschaften:
Magnetische Eigenschaften sind bei allen Monolithen mit den verschiedenen Partikeln nachweisbar.
BET-Messungen:
Tabelle 1:
Die BET-Messungen ergeben, dass es sich bei den nach Leventis hergestellten magnetischen Monolithen um solche handelt, die zwar große Oberflächen aufweisen, aber nur hervorgerufen durch Mesoporen zwischen 3.5 und 4.7 nm. Das jedoch recht kleine Gesamtporenvolumen von 0.53 bis 0.84 cm3/g zeigt ebenfalls, dass diese Materialien keine makroporösen Durchflussporenaufweisen.
REM-Auf nahmen:
Die REM-Aufnahmen zeigen keine gleichmäßigen Strukturen, die ein bimodales Porensystem mit Makroporen erkennen lassen. Vielmehr lassen sich Bruchstücke von durchpolymerisierten, zum Teil mit glatten Oberflächen ausgestatteten Kieselgelen, erkennen. Ebenso sind die zugesetzten Partikel in den REM-Aufnahmen erkennbar. Erfindunqsgemäße Beispiele:
Beispiel 1 :
Es werden 10,2 g PEO, 9,0 g Harnstoff und 50 mL TMOS in 100 mL 0,01 n
Essigsäure unter Kühlung gelöst und auf eine Temperatur von 300C erwärmt. Anschließend werden 5 g magnetische Teilchen, Mica Black, Art. 1.17260 (Fa. Merck) in die Lösung untergerührt und zum Ausgelieren in Rohre gefüllt. Dort werden sie ca. 18 Stunden belassen. Anschließend werden sie im Umlufttrockenschrank bei erhöhter Temperatur (80-1100C) für ca. 24 Stunden gealtert, aus den Rohren entnommen, mit Wasser und Wasser/Ethanol gewaschen und über Nacht bei 400C getrocknet.
Auf diese Weise werden schwarz marmorierte Monolithen erhalten, die ein Gesamtporenvolumen von 2.05 mL/g aufweisen. Davon können 82 % Makroporen der Größe 2 μm und 18 % Mesoporen der Größe 11.8 nm zugeordnet werden (alles ermittelt über Quecksilberporosimetriemessun- gen). Des weiteren kann eine Oberfläche SBET von 120.9m2/g mittels Stickstoffadsorption ermittelt werden.
REM Aufnahmen zeigen die klassische Monolithenstruktur mit einem verbundenen Kieselgelskelett, unterbrochen von Makroporen. Man sieht deutlich die einpolymerisierten Mica Black Teilchen.
Die resultierenden Monolithen können mit einem Stabmagneten gehalten werden. Sie können ebenso in ein mit MeOH gefülltes Becherglas gegeben werden und auf einem Magnetrührer zum Rühren gebracht werden.
Beispiel 2:
Es werden 10,2 g PEO, 9,0 g Harnstoff und 50 mL TMOS in 100 mL 0,01 n Essigsäure unter Kühlung gelöst und auf 30 0C erwärmt. Anschließend werden 5g magnetische Teilchen, Microna Matte Black, Art. 1.17437 (Fa. Merck) in die Lösung untergerührt und zum Ausgelieren in Rohre gefüllt. Dort werden sie ca. 18 Stunden belassen. Anschließend werden sie im Umlufttrockenschrank bei erhöhter Temperatur (80-110°C) für ca. 24 Stunden gealtert, aus den Rohren entnommen, mit Wasser und Was- ser/Ethanol gewaschen und über Nacht bei 400C getrocknet.
Es werden schwarz marmorierte Monolithen erhalten, die ein Gesamt- porenvolumen von 2.86 ml_/g aufweisen. Davon können 72 % Makroporen der Größe 0.95 μm und 28 % Mesoporen der Größe 10.6 nm zugeordnet werden (alles ermittelt über Quecksilberporosimetriemessungen). Des weiteren kann eine Oberfläche SBET von 236 m2/g mittels Stickstoffadsorption ermittelt werden.
REM Aufnahmen zeigen die klassische Monolithenstruktur mit einem verbundenen Kieselgelskelett, unterbrochen von Makroporen. Man erkennt die einpolymerisierten Microna Matte Black Teilchen.
Die resultierenden Monolithen können mit einem Stabmagneten gehalten werden. Sie werden ebenso in ein mit MeOH gefülltes Becherglas gegeben und auf einem Magnetrührer zum Rühren gebracht.
Beispiel 3
Es werden 10,2 g PEO, 9,0 g Harnstoff und 50 mL TMOS in 100 mL 0,01 n Essigsäure unter Kühlung gelöst und auf 30 0C erwärmt. Anschließend werden 2g magnetische Teilchen, Mica Black, Art. 1.17260 (Fa. Merck) in die Lösung untergerührt und zum Ausgelieren in Rohre gefüllt. Dort werden sie ca. 18 Stunden belassen. Anschließend werden sie im Umlufttrocken- schrank bei erhöhter Temperatur (80-110 0C) für ca. 24 Stunden gealtert, aus den Rohren entnommen, mit Wasser und Wasser/Ethanol gewaschen und über Nacht bei 40 0C getrocknet.
Es werden schwarz marmorierte Monolithen erhalten, die ein Gesamt- porenvolumen von 2.9 ml_/g aufweisen. Davon können 77,7 % Makroporen der Größe 1.78 μm und 22,3 % Mesoporen der Größe 10 nm zugeordnet werden (alles ermittelt über Quecksilberporosimetriemessungen). Des weiteren kann eine Oberfläche SBET von 279 m2/g mittels Stickstoff- adsorption ermittelt werden. Die resultierenden Monolithen zeigen magnetische Eigenschaften und können mit einem Stabmagneten gehalten werden.
Beispiel 4
Es werden 10,2 g PEO, 9,0 g Harnstoff und 50 ml_ TMOS in 100 ml_ 0,01 n Essigsäure unter Kühlung gelöst und auf 30 0C erwärmt. Anschließend werden 2 g magnetische Teilchen, Microna Matte Black, Art. 1.17437 (Fa. Merck) in die Lösung untergerührt und zum Ausgelieren in Rohre gefüllt. Dort werden sie ca. 18 Stunden belassen. Anschließend werden sie im Umlufttrockenschrank bei erhöhter Temperatur (80-110 0C) für ca. 24 Stunden gealtert, aus den Rohren entnommen, mit Wasser und Wasser/Ethanol gewaschen und über Nacht bei 40 0C getrocknet.
Es werden schwarz marmorierte Monolithen erhalten, die ein Gesamtpo- renvolumen von 3.1 mL/g aufweisen. Davon können 77,6 % Makroporen der Größe 1.68 μm und 22,4 % Mesoporen der Größe 10.5 nm zugeordnet werden (alles ermittelt über Quecksilberporosimetriemessungen). Des weiteren kann eine Oberfläche SBET von 287 m2/g mittels Stickstoffad- sorption ermittelt werden.
Die resultierenden Monolithen zeigen magnetische Eigenschaften und können mit einem Stabmagneten gehalten werden.
Beispiel 5 - Modifikation mit Separationseffektoren
Es werden 3 cm eines magnetischen Monolithen (ca. 4.6 mm i.d.) wie unter Beispiel 1 (unter Verwendung von 3 g Mica Black) beschrieben in eine Lösung von 20% Aminopropyl-trimethoxysilan (v/v) in wasserfreiem Toluol gegeben und für ca. 10 Stunden bei 11O0C unter Reflux gekocht. Danach wird der Formkörper mit Toluol und Heptan gewaschen.
Beispiel 6 - Anwendungsbeispiel
Es werden 3 cm eines magnetischen Monolithen (ca. 4.6 mm i.d.) wie unter Beispiel 1 (unter Verwendung von 3 g Mica Black) beschrieben in eine Lö- sung von 5 mL Heptan/Dioxan (95/5 v/v) mit 2-, 3-, und 4-Nitroacetoρhe- non (je 42.5, 30 und 15 mg) gegeben und über Nacht gerührt. Der magnetische Monolith wird dann der Lösung entnommen und zweimal für 2 h in jeweils 5 mL Ethylacetat gerührt, um die adsorbierten Proben wieder zu desorbieren. Das Ethylacetat wird mit Stickstoff abgeblasen und der
Rückstand wieder in Heptan/Dioxan 95/5; (v/v) aufgenommen. Anschließend werden Wiederfindungsraten mittels quantitativer HPLC bestimmt. Es können 90-100 % der Probe vom Monolithen desorbiert werden. In der Ausgangslösung wird keine Probe mehr gefunden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Formkörper mit Durchflußporen, der magnetische oder magnetisierbare Partikel enthält.
2. Formkörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper im Wesentlichen aus Kieselgel oder Kieselgel-Hybrid- Materialien besteht.
3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper magnetische oder magnetisierbare Partikel enthält, die einen Kern oder eine Schicht aus Eisenoxid, wie Maghämit (γ-Fe2θ3) oder Magnetit (Fe3θ4) aufweisen.
4. Formkörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper magnetische oder magnetisierbare Partikel enthält, deren Oberfläche Hydroxylgruppen aufweist.
5. Formkörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper eine bimodale Porenverteilung aufweist mit makroporösen Durchflußporen mit einem Porendurchmesser größer 0,1 μm und Mesoporen mit einem Porendurchmesser zwischen 2 und 200 nm.
6. Formkörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper zylindrisch geformt ist.
7. Formkörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper mit Separationseffektoren funktionalisiert ist.
8. Formkörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper ganz oder teilweise mit einer Hüllschicht umgeben ist.
9. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit Durchflußporen, die magnetische oder magnetisierbare Partikel enthalten, nach einem SoI-GeI- Verfahren, wobei dem Reaktionsgemisch magnetische oder magnetisierbare Partikel zugesetzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass magnetische oder magnetisierbare Partikel zugesetzt werden, deren Oberfläche Hydroxylgruppen aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch Alkoxysilane und/oder Organoalkoxysilane enthält.
12. Verwendung der Formkörper nach einem oder mehren der Ansprüche 1 bis 8 zur Anreicherung oder Isolierung von Analyten aus flüssigen Medien, als Trägermaterialien für Festphasenreaktionen, als
Trägermaterialien für Katalysatoren, Enzyme oder anderen Reaktanden.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper in einem flüssigen Medium als Rührfisch verwendet wird.
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