本发明涉及复合材料制备技术领域，特别涉及一种磁性纳米聚苯乙烯羧基微球及其制备方法。
背景技术：
磁珠是一种具有超顺磁性的复合功能微球，因其表面修饰有氨基、羧基等功能基团，可以偶联蛋白、dna等。所以在细胞分离、固定化酶、免疫诊断及肿瘤靶向治疗、dna提取等方面均有广泛的应用。在实际操作中，应用良好的纳米磁珠必须要同时做到粒径均一、每个颗粒的磁含量一致、磁性粒子包埋效果良好、单分散性良好、官能团修饰稳定和磁响应性良好。目前的纳米磁珠常见的制备方法是在纳米fe3o4表面修饰高分子层，在制备过程中一方面会出现fe3o4纳米粒子团聚造成粒径不均一的问题，另一方面也会造成粒子磁含量不一致，部分粒子粒径大，含磁量高，磁响应好，而部分粒子粒径小，含磁量小，磁响应弱，在使用过程磁性粒子不能与溶液很好的分离。
技术实现要素：
本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种磁性纳米聚苯乙烯羧基微球及其制备方法，该方法具有简单易控、产品批次一致性好的特点，该方法制备的磁性纳米聚苯乙烯羧基微球具有磁响应性好、粒径均一、单分散性良好、颗粒磁含量一致、磁性粒子包埋效果良好、官能团修饰稳定的特点。
根据本发明的一个方面，提供磁性纳米聚苯乙烯羧基微球的制备方法，包括以下步骤：
制备表面具有稳定羧基、粒径均一且粒径范围为60nm～300nm的交联纳米聚苯乙烯羧基微球；将制备的交联纳米聚苯乙烯羧基微球均匀分散到含有还原性有机溶剂的铁/钴/锰/镍的盐溶液中，形成均相液；使均相液在高温高压条件下保温反应，制成复合磁性纳米粒子；去除复合磁性纳米粒子表面的磁性粒子，得到磁性纳米聚苯乙烯羧基微球。
其中，形成均相液的步骤包括：将制备的交联纳米聚苯乙烯羧基微球加入至碱液和还原性有机溶剂的混合液中，超声分散，得到分散液a；将铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物均匀溶解于还原性有机溶剂和水的混合液中，得到溶液b；将溶液b缓慢滴加到分散液a中，滴加过程伴随剧烈搅拌，滴加完毕后继续搅拌，并加入表面活性剂，然后剧烈搅拌、超声，直至形成均相液。
其中，制成复合磁性纳米粒子的步骤包括：反应温度为160℃-250℃，反应体系压力为0.3mpa～3mpa，反应时间为4-20h。
其中，所述磁性纳米聚苯乙烯羧基微球的制备方法还包括位于形成均相液的步骤和制成复合磁性纳米粒子的步骤之间的去除均相液中的大颗粒的步骤。
其中，制备交联纳米聚苯乙烯羧基微球的步骤包括：在氮气和冷凝水的环境下，利用提纯的苯乙烯单体、交联剂和烯酸在纯水和引发剂的混合溶液聚合反应，形成乳浊液；将乳浊液过筛、离心去除沉淀；向过筛并去除沉淀的乳浊液中加入铁/钴/锰/镍的盐溶液，絮凝沉淀后，再次离心去除上清液，洗涤得到交联纳米聚苯乙烯羧基微球。
其中，聚合反应步骤中，交联剂质量占苯乙烯单体质量的1％～10％，烯酸的质量占苯乙烯单体质量的1％～10％，引发剂的质量占苯乙烯单体质量的0.3％～3％，苯乙烯单体与纯水的体积比为5～20％，反应温度为60～90℃，反应时间为6-20h，反应伴随150～500r/min的搅拌；再次离心获得交联聚苯乙烯羧基微球的步骤中，铁/钴/锰/镍盐的用量为乳浊液的质量的0.1％-3％，再次离心的转速为5000r/min～10000r/min。
其中，去除表面磁性粒子的步骤包括：将复合磁性纳米粒子分散到酸溶液中，在适当的温度和力度下进行搅拌溶解，直至颗粒从黑色变为红棕色；分离取得红棕色粒子并进行洗涤，得到磁性纳米聚苯乙烯羧基微球。
其中，形成均相液的步骤中，碱的质量为铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物质量的1-25％；铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物的用量与还原性有机溶剂的用量的比为1g：10-40ml；水的体积是还原性有机溶剂与水的混合液的总体积的3％-30％；表面活性剂的质量为铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物质量的1.5-3倍。
其中，交联剂为二乙烯苯，引发剂为过硫酸钾、偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰中的一种。
根据本发明第二方面，提供该制备方法合成的磁性纳米聚苯乙烯羧基微球。
本发明中，提纯的苯乙烯单体(st单体)、交联剂和烯酸在纯水中在引发剂的作用下发生聚合反应，通过控制原料的相对用量和反应条件，得到粒径均一，尺寸位于60nm～300nm之间的交联纳米聚苯乙烯羧基微球(交联纳米ps羧基微球)。再通过离心去除乳浊液中团聚的大颗粒。再向剩余乳浊液中加入铁/钴/锰/镍盐，再离心分离得到表面具有大量稳定羧基的交联纳米ps羧基微球，。
本发明中，制备交联ps羧基微球时，铁/钴/锰/镍盐的质量是乳浊液的质量的0.1％～3％，其目的是降低交联ps羧基微球表面电荷后能将其从乳浊液中分离出来，再通过无水乙醇和纯水洗涤去掉未反应的单体或未成球的活性片段，得到纯粹的交联ps羧基微球。
本发明中，制备磁性纳米聚苯乙烯羧基微球(磁性纳米ps羧基微球)时，碱液的主要作用是在微球表面先形成少量fe(oh)3溶胶粒子，阻止交联ps微球表面的相互接触，同时提供碱性环境，促进反应的进行。还原性有机溶剂的主要作用为高粘度阻止纳米粒子的团聚，同时作为反应过程中的还原剂。水的作用是促进fe3+向交联ps粒子中扩散，用量过少，生成的fe3o4自组装成球形，难以向ps粒子中扩散，用量过多，生成大量的fe(oh)3沉淀，不能生成fe3o4，影响样品磁响应性。表面活性剂的主要作用是促进fe3+还原，阻止颗粒的团聚。高压反应釜的反应温度为160℃～250℃，温度过低，fe3+无法被还原，温度过高，会造成交联ps粒子团聚或分解，同时提高了设备要求；反应时间为4h～20h，时间过短反应进行不彻底。
本发明中，制备磁性纳米ps羧基微球时，适宜的酸溶解温度是必要的，酸溶解温度过低容易导致溶解速度过慢，溶解温度过高导致反应程度不易控制。搅拌的作用是保持溶液浓度均匀，防止粒子表面溶解速度不一。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明合成的交联ps羧基微球，粒径位于60nm到300nm之间，合成过程中加入交联剂和功能单体，保证了微球在高温高压条件下的稳定性和单分散性，并使得微球孔隙较大，可以容纳粒子，为容纳磁性粒子保证磁响应性提供了必要条件。
2、本发明在合成交联ps羧基微球时，功能单体烯酸在水溶液中反应时，疏水端碳碳双键连接st、dvb并参与聚合反应，而羧基因其亲水性停留在微球表面，反应结束后羧基以碳碳单键的形式被固定在高分子微球表面，因此具有很高的稳定性。
3、本发明在高温高压条件下合成磁性粒子，使得铁离子能进入微球内部并生成磁性四氧化三铁，保证了微球的磁响应性，同时反应体系属于均相体系，保证了粒子磁含量的一致性。
4、本发明具备步骤创新，先合成交联ps羧基微球，保证最终微球粒度的均一性，再进行复合粒子的合成，保证粒子磁含量的一致性。
5、本发明通过酸溶解表面裸露的磁性粒子，使制得的纳米微球兼具交联ps羧基微球和磁性粒子的优势特性，并且包覆效果良好。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明涉及利用交联ps羧基微球制备磁性纳米ps羧基微球的方法。其中交联ps羧基微球制备方法的试验合成参数包括：st单体与纯水体积比为1:4～1:20；二乙烯苯(dvb)质量占st单体质量的1％～10％；烯酸的质量占st单体质量的1％～10％；引发剂为过硫酸钾(kps)、偶氮二异丁腈(aibn)、过氧化苯甲酰(bpo)中的一种，引发剂的质量占st单体质量的0.3％～3％；反应温度为60～90℃；搅拌速度为150～500r/min；反应时间为6～20h；离心转速为5000r/min～10000r/min；fecl3用量为乳浊液的质量的0.5％～3％。
在一些实施方式中，st单体与纯水体积比为1:4～1:10；例如：1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9或1:10。
在一些实施方式中，二乙烯苯(dvb)质量占st单体质量的1％～5％；例如：1％、2％、3％、4％或5％。
在一些实施方式中，烯酸的质量占st单体质量的3％～10％；例如：3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％。
在一些实施方式中，烯酸为丙烯酸(aa)。
在一些实施方式中，离心转速为5000r/min～7000r/min，例如：5000r/min、6000r/min或7000r/min。
在一些实施方式中，离心转速为7000r/min～10000r/min，例如：7000r/min、7500r/min、8000r/min、8500r/min、9000r/min、9500r/min或10000r/min。
在一些实施方式中，反应温度为70～90℃。
在一些实施方式中，搅拌速度为250～500r/min。
在一些实施方式中，反应时间为8～20h。
在一些实施方式中，反应时间为10～20h，例如：10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h或20h。
复合磁性纳米粒子的制备方法涉及的试验合成参数包括：碱的质量为铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物质量的1-25％；还原性有机溶剂的用量与其溶解的铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物的用量的比为10-40ml：1g；水的体积是均相液的总体积的3％-30％；表面活性剂的质量为铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物质量的1.5-3倍；反应温度为160℃-250℃，反应体系压力为0.3mpa～3mpa，反应时间为4-20h。
均相液的总体积大致为还原性有机溶剂的体积与水的体积之和，忽略不同液体混合及碱、铁盐等其他因素的影响。
“铁/钴/锰/镍盐”为铁盐、钴盐、锰盐或镍盐中的一种。
在一些实施方式中，铁盐的结晶水合物为fecl3·6h2o。
碱的用量是指碱固体的用量而非碱溶液的用量。
在一些实施方式中，碱的质量为铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物质量的5-20％；例如：5％、8％、10％、12％、15％、18％或20％。
在一些实施方式中，碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
在一些实施方式中，还原性有机溶剂为乙二醇。
在一些实施方式中，还原性有机溶剂的用量与其溶解的铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物的用量的比为15ml：1g，在一些实施方式中，还原性有机溶剂的用量与其溶解的铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物量的比为36ml：1g。
于其他实施方式中，还原性有机溶剂的用量与其溶解的铁/钴/锰/镍盐的结晶水合物的用量的比还可以为10ml：1g、18ml：1g、20ml：1g、25ml：1g、28ml：1g、30ml：1g、35ml：1g、40ml：1g，等等。
在一些实施方式中，水的体积是均相液的总体积的5％-15％，例如：5％、8％、10％、12％或15％。
在另一些实施方式中，水的体积是均相液的总体积的16％-30％，例如：16％、18％、20％、23％、25％、28％或30％。
在一些实施方式中，反应温度为160℃-250℃，例如：160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃或250℃。
在一些实施方式中，反应体系的压力为0.3mpa～1mpa，例如：0.3mpa、0.4mpa、0.5mpa、0.6mpa、0.7mpa、0.8mpa、0.9mpa或1.0mpa。
在另一些实施方式中，反应体系的压力为1.2mpa～3mpa，例如：1.2mpa、1.4mpa、1.6mpa、1.8mpa、2.0mpa、2.3mpa、2.5mpa、2.8mpa或3.0mpa。
在一些实施方式中，反应时间为4～10h，例如：4h、5h、6h、7h、8h、9h或10h。
在另一些实施方式中，反应时间为11～20h，例如：11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h或20h。
磁性纳米ps羧基微球的制备方法中，去除表面磁性粒子涉及的试验合成参数包括：溶解温度为45℃～75℃；酸的浓度为0.1mol/l～0.5mol/l，酸的h+总量为铁/钴/锰/镍离子的摩尔数的3-6倍；搅拌速度为150r/min～300r/min。
在一些实施方式中，溶解温度为45℃；在一些实施方式中，溶解温度为75℃。
于其他实施方式中，溶解温度还可以为50℃、53℃、55℃、58℃、60℃、63℃、65℃、68℃或250℃。
在一些实施方式中，酸的浓度为0.1mol/l；在一些实施方式中，酸的浓度为0.5mol/l。
于其他实施方式中，酸的浓度还可以为0.2mol/l、0.3mol/l或0.4mol/l。
在一些实施方式中，酸为盐酸或硫酸。
在一些实施方式中，搅拌速度为150r/min；在一些实施方式中，搅拌速度为300r/min。
于其他实施方式中，搅拌速度还可以180r/min、200r/min、230r/min、250r/min或280r/min。
下面将通过实施例的形式对本发明的技术方案做进一步解释。
实施例1：交联ps羧基微球x1的制备
量取5ml经过提纯的st单体(4.55g)、0.15gdvb和0.3gaa加入到带机械搅拌的四口烧瓶中，再量取50ml纯水和0.1g过硫酸钾加入四口烧瓶，将四口烧瓶放入常温水浴锅中，接入冷凝水和高纯n2，调节搅拌速度为250r/min，15min后开始升温到70℃，8h后结束反应。
将反应生成的乳浊液先过400目标准筛，然后在7000r/min条件下离心10min，离心完后取未沉淀的乳浊液，向乳浊液中加0.1gfecl3·6h2o使之絮凝，再次离心后去除上清液，沉淀用水和无水乙醇各洗涤3次后备用，得到交联ps羧基微球x1。
实施例2：交联ps羧基微球x2的制备
量取10ml经过提纯的st单体(9.09g)、0.3gdvb和0.3gaa加入到带机械搅拌的四口烧瓶中，再量取50ml纯水和0.1g过硫酸钾加入四口烧瓶，将四口烧瓶放入常温水浴锅中，接入冷凝水和高纯n2，调节搅拌速度为500r/min，15min后开始升温到90℃，20h后结束反应。
将反应生成的乳浊液先过400目标准筛，然后在5000r/min条件下离心10min，离心完后取未沉淀的乳浊液，向乳浊液中滴加0.3gfecl3·6h2o使之絮凝，再次离心后去除上清液，沉淀用水和无水乙醇各洗涤3次后备用，得到交联ps羧基微球x2。
实施例3：复合磁性纳米粒子y1的制备方法
将0.25gnaoh溶于50mleg中，再将实施例1制得的交联ps羧基微球x1加入其中，剧烈搅拌使其分散，在进行超声使之形成均一乳浊液，得到乳浊液a；另取80mleg、5gfecl3·6h2o、20mlh2o混合超声，得到溶液b，在剧烈搅拌下，将b缓慢滴加到a中，滴加完毕后继续搅拌10min，再向体系中加入7.5gnaac，再通过剧烈搅拌和超声使其形成均相液。
将得到的均相液过400目标准筛后加入到200ml的带聚四氟内胆的高压反应釜中，在0.4mpa、160℃条件下保温4h后取出，得到含有黑色的沉淀的混合物，冷却后使用磁铁分离，去除上清液，得到黑色磁性粒子，用无水乙醇洗涤三次即可得到复合磁性纳米微球y1。
实施例4：复合磁性纳米粒子y2的制备方法
将1.00gkoh溶于50mleg中，再将实施例2制得的交联ps羧基微球x2加入其中，剧烈搅拌使其分散，在进行超声使之形成均一乳浊液，得到乳浊液a；另取80mleg、5gfecl3·6h2o、20mlh2o混合超声，得到溶液b，在剧烈搅拌下，将b缓慢滴加到a中，滴加完毕后继续搅拌10min，再向体系中加入15gnaac，再通过剧烈搅拌和超声使其形成均相液。
将得到的均相液过400目标准筛后加入到200ml的带聚四氟内胆的高压反应釜中，在0.8mpa、250℃条件下保温20h后取出，得到含有黑色的沉淀的混合物，冷却后使用磁铁分离，去除上清液，得到黑色磁性粒子，用无水乙醇洗涤三次即可得到复合磁性纳米微球y2。
实施例5：磁性纳米ps羧基微球z1的制备方法
将实施例3制备的复合磁性纳米微球y1加入带机械搅拌的250ml四口烧瓶中，向其中加入200ml浓度为0.5mol/l的盐酸溶液，在45℃溶解12h，保持搅拌速度300r/min，结束后颗粒变为红棕色，使用磁铁分离出磁性粒子，用无水乙醇和纯水各洗涤3次，然后分散到pbs溶液中，在4℃条件下保存，即可得到磁性纳米ps羧基微球z1。
实验结果：样品粒径100nm，pdi为0.028，磁吸附时间：15s，通过拉曼光谱检测表面未发现fe3o4的特征峰，说明包覆效果良好。
实施例6：磁性纳米ps羧基微球z2的制备方法
将实施例4制备的复合磁性纳米微球y2加入带机械搅拌的250ml四口烧瓶中，向其中加入250ml浓度为0.1mol/l的硫酸溶液，在75℃溶解12h，保持搅拌速度150r/min，结束后颗粒变为红棕色，使用磁铁分离出磁性粒子，用无水乙醇和纯水各洗涤3次，然后分散到pbs溶液中，在4℃条件下保存，即可得到磁性纳米ps羧基微球z2。
实验结果：样品粒径150nm，pdi为0.031，磁吸附时间：10s，通过拉曼光谱检测表面未发现fe3o4的特征峰，说明包覆效果良好。
对比例1：复合磁性纳米粒子y1＇的合成试验
将0.25gnaoh溶于50mleg中，再将实施例1制得的ps微球x1加入其中，剧烈搅拌使其分散，在进行超声使之形成均一乳浊液，得到乳浊液a；另取50mleg、5gfecl3·6h2o、50mlh2o混合超声，得到溶液b，在剧烈搅拌下，将b缓慢滴加到a中，滴加完毕后继续搅拌10min，再向体系中加入7.5gnaac，再通过剧烈搅拌和超声使其形成均相液。
将得到的均相液过400目标准筛后加入到200ml的带聚四氟内胆的高压反应釜中，在0.4mpa、160℃条件下保温4h后取出，得到棕黄色浑浊液，冷却后用磁铁分离，未能得到黑色磁性粒子。
实验结果：相比实施例3，增加了水的用量，最终得到棕黄色浑浊液，未能生成磁性黑色沉淀，冷却用磁铁分离，未能得到实施例3制备的纳米ps羧基微球y1。
对比例2：复合磁性纳米粒子y1＇＇的合成试验
将0.25gnaoh溶于50mleg中，再将实施例1制得的ps微球x1加入其中，剧烈搅拌使其分散，在进行超声使之形成均一乳浊液，得到乳浊液a；另取80mleg、5gfecl3·6h2o、20mlh2o混合超声，得到溶液b，在剧烈搅拌下，将b缓慢滴加到a中，滴加完毕后继续搅拌10min，再向体系中加入7.5gnaac，再通过剧烈搅拌和超声使其形成均相液。
将得到的均相液过400目标准筛后加入到200ml的带聚四氟内胆的高压反应釜中，在0.4mpa、150℃条件下保温6h后取出或在0.4mpa、160℃条件下保温3.5h，得到棕黄色浑浊液，冷却后使用磁铁分离，未能得到黑色磁性粒子。
实验结果：相比实施例3，高温反应时间不足或温度不够，反应生成棕黄色浑浊液无法合成复合磁性粒子。
对比例3：复合磁性纳米粒子y1″＇的合成试验
将0.25gnaoh溶于50mleg中，再将实施例1制得的ps微球x1加入其中，剧烈搅拌使其分散，在进行超声使之形成均一乳浊液，得到乳浊液a；另取100mleg、5gfecl3·6h2o混合超声，得到溶液b，在剧烈搅拌下，将b缓慢滴加到a中，滴加完毕后继续搅拌10min，再向体系中加入7.5gnaac，再通过剧烈搅拌和超声使其形成均相液。
将得到的均相液过400目标准筛后加入到200ml的带聚四氟内胆的高压反应釜中，在0.4mpa、160℃条件下保温4h，得到含有黑色的沉淀的混合物，冷却后使用磁铁分离，去除上清液，得到黑色磁性粒子。
实验结果：相比实施例3，反应体系未加入水，实验合成了200nm左右的标准球形四氧化三铁，但其未能与ps微球复合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。