一种表面复合修饰颗粒聚集体载体材料及制备方法与应用与流程

本发明属于复合材料的制备技术领域，具体涉及一种表面复合修饰颗粒聚集体载体材料及制备方法与应用。

背景技术：

众所周知，磁性颗粒的应用非常广泛，如细胞分离、药物运输、生物分离、酶或者蛋白标记、生物传感器等。但是裸露的磁性颗粒易氧化、易聚集、易分解，大大的限制了它们的应用范围。磁性颗粒中Fe₃O₄颗粒聚集体具有颗粒小、磁响应性强、生物相容性好、比表面积大等优点，但因具有较高的化学活性，在空气中易被氧化，而逐渐丧失磁性和分散性，从而影响到Fe₃O₄颗粒聚集体的应用。因此，将磁性Fe₃O₄颗粒通过适当的表面包覆或分子修饰，形成核-壳结构即能保持其稳定性，同时又具有表面活性基团。

目前，人们会采用二氧化硅对聚集体进行包覆，在一定程度上，虽然能够提高颗粒聚集体的稳定性，但是其表面没有功能基团，从而影响到聚集体的固载能力。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的缺点和不足，也为了食品化学及材料工程等相关产业的发展及深入应用，本发明的目的在于提供一种表面复合修饰颗粒聚集体载体材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供由上述制备方法得到的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料。

本发明的再一目的在于提供上述表面复合修饰颗粒聚集体载体材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种表面复合修饰颗粒聚集体载体材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)Fe₃O₄颗粒的制备；

(2)SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)的制备；

(3)配制低共熔试剂(DES)：所述低共熔试剂由氯化胆碱和氢供体制备而成；

(4)将低共熔试剂和稀释剂进行混合，得到混合液；将SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)加入混合液中，超声分散处理，搅拌处理，分离，洗涤至中性，烘干，得到表面复合修饰颗粒聚集体载体材料。

步骤(1)中所述Fe₃O₄颗粒的制备，具体为：将水溶性三价铁盐和水溶性二价铁盐溶入水中，混合均匀，调节pH值至9～10，然后置于内衬四氟乙烯的反应釜内，密闭反应釜，在130～140℃下加热处理3～4h，冷却，分离，洗涤至中性，烘干，得到Fe₃O₄颗粒。

所述水溶性三价铁盐和水溶性二价铁盐的用量为：Fe³⁺与Fe²⁺的摩尔比1.6:1。

所述调节pH的物质为氨水，包括25％(v/v)氨水和浓氨水。

所述分离是指采用磁铁吸引分离；所述洗涤是指用采用去离子水、无水乙醇交替洗涤；所述烘干的的温度为45～60℃，时间为2～5h。

步骤(2)中所述SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)的制备，具体为：将Fe₃O₄颗粒加入乙醇水溶液，配制Fe₃O₄乙醇溶液；将Fe₃O₄乙醇溶液室温下超声波分散处理30～40min，调节pH值至9～10，加入正硅酸乙酯(TEOS)，继续超声波分散处理，静置，分离，洗涤至中性，烘干，得到SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)。

所述Fe₃O₄颗粒与正硅酸乙酯(TEOS)的摩尔比为4:1～8:1。

所述乙醇水溶液中乙醇与水的体积比为80：100。所述Fe₃O₄乙醇溶液质量浓度为1.0～1.3g/L。

所述超声波分散处理的超声功率为700～1000W，超声频率为40kHz。所述调节pH的物质为氨水，包括25％(v/v)氨水和浓氨水。

所述继续超声波分散处理的时间为15～30min；所述继续超声波分散处理的超声功率为700～1000W，超声频率为40kHz。

所述静置时间为2～5h；所述分离是指采用磁铁吸引分离；所述洗涤是指用采用去离子水、无水乙醇交替洗涤；所述烘干的的温度为45～60℃，时间为2～5h。

步骤(3)中所述氢供体为尿素、葡萄糖或甘油；所述低共熔试剂为氯化胆碱和尿素时，氯化胆碱：尿素的摩尔比为1:2，记为DES1；所述低共熔试剂为氯化胆碱和葡萄糖时，氯化胆碱：葡萄糖的摩尔比为1:1，记为DES2；所述低共熔试剂为氯化胆碱和甘油时，氯化胆碱：甘油的摩尔比为1:1，记为DES3。

步骤(3)中所述低共熔试剂的制备，具体为将氯化胆碱和氢供体试剂混合，于100℃～120℃下加热搅拌至澄清透明为止，即得低共熔试剂。

步骤(4)中所述SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)加入混合液后，Fe₃O₄@SiO₂的质量浓度为15～25g/L；

步骤(4)中所述超声分散处理10～30min，所述搅拌时间为2～3h。

步骤(4)中所述洗涤是指用去离子水、无水乙醇交替洗涤。

步骤(4)中所述的稀释剂为甲醇、乙醇或水，优选为甲醇。

步骤(4)中所述的DES和稀释剂的体积比为1:3～1:5。

步骤(4)中所述超声功率为700～1000W，超声频率为40kHz。

步骤(4)中所述烘干的温度为45～60℃，时间为2～5h。

所述表面复合修饰颗粒聚集体载体材料由上述方法制备得到。

所述表面复合修饰颗粒聚集体载体材料用于生物医药领域和催化剂领域。

本发明原理如下：

水热法处理的原理：较高的反应温度,有利于磁性能的提高；在封闭容器中进行,产生相对高压(0.3～4MPa),避免组分挥发,提高产物的纯度和保护环境；同时原料易得、粒子纯度高、分散性好、晶形好；

SiO₂包覆Fe₃O₄超顺磁性纳米颗粒：SiO₂可以减小磁性纳米粒孔之间的磁偶极相互作用，阻止粒子团聚；具有优良的生物相容性、亲水性及优良的化学稳定性和胶体稳定性，所以Fe₃O₄纳米粒子表面经SiO₂改性后，具有强磁响应性并且克服了Fe₃0₄纳米粒子易氧化的缺点。

低共熔试剂对SiO₂包覆Fe₃O₄超顺磁性纳米颗粒表面修饰：低共熔试剂可使表面引入充分的-NH₂，-OH等功能性基团，既发挥其极性和低挥发性，又提高载体与固载物结合效率。同时，复合功能化修饰材料相比传统修饰试剂具有可生物降解、无毒、成本低等优势。

利用低共熔试剂和二氧化硅材料对Fe₃O₄颗粒进行表面化学修饰，复合修饰后的产品由球形颗粒聚集而成，Fe₃O₄颗粒分布均匀，结构稳定。聚集体体系具有更好的分散性，较大的比表面积和磁响应性，表面具有丰富的功能基团。

本发明的制备方法及所得产物具有如下优点及有益效果：

(1)复合修饰后的产品由球形颗粒聚集而成，Fe₃O₄颗粒分布均匀，聚集体体系具有更好的分散性，较大的比表面积，表面有丰富的功能基团，具有较好的稳定性和较高的固载率；

(2)超顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒作为一种磁性纳米微粒，表面经复合修饰后,具有良好的磁导向性、较好的生物相容性和活性基团等特点，因此具有广泛的应用；在生物医药方面应用主要为靶向药物、酶固定、细胞快速分离等方面；另外,还可以应用在催化剂的载体上,以其为载体的催化剂,既保持了催化剂的催化性能,又使催化剂易于分离回收。

附图说明

图1为实施例1制备的Fe₃O₄颗粒和SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)的TEM图；其中a为Fe₃O₄颗粒的TEM图，b为SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)的TEM图；

图2为实施例1制备的Fe₃O₄@SiO₂与Fe₃O₄@SiO₂-DES1颗粒红外光谱图；

图3为实施例1制备的Fe₃O₄、Fe₃O₄@SiO₂以及实施例1～3制备的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DESs)固定化酶颗粒磁滞曲线图；

图4为实施例1～3制备的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DESs)固载酶量图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种表面复合修饰颗粒聚集体载体材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备Fe₃O₄颗粒分散体系：将Fe(NO₃)₃和FeSO₄溶液按摩尔比1.6:1混合均匀，迅速加入适量25％(v/v)氨水搅拌，调节pH值至9，将溶液置于内衬四氟乙烯的反应釜内，130℃下加热处理4h，室温冷却，磁铁吸引分离，用去离子水、无水乙醇交替洗涤至中性，45℃烘干3h；

(2)SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)：将Fe₃O₄颗粒置入80％(v/v)乙醇溶液，配制成质量浓度为1.2g/L的Fe₃O₄乙醇溶液；室温下超声波分散处理(超声频率为40kHz，超声功率为850W)30min，迅速加入适量25％(v/v)氨水搅拌，调节pH值至9，加入正硅酸乙酯(TEOS)(Fe₃O₄颗粒与TEOS摩尔比为8:1)，继续超声波分散处理20min(超声频率为40kHz，超声功率为850W)，静置4h，磁铁吸引分离，用去离子水、无水乙醇交替洗涤至中性，烘干(烘干的温度为50℃,烘干的时间为3h)；

(3)低共熔试剂(DES)的配制：将氯化胆碱和尿素按摩尔比为1:2混合，100℃水浴下加热，不断搅拌，至澄清透明为止，即得低共熔试剂(DES1)；

(4)低共熔试剂对SiO₂包覆Fe₃O₄超顺磁性纳米颗粒表面修饰(Fe₃O₄@SiO₂-DES)：将DES(deep eutectic solvents)和甲醇按体积比为1:4进行混合，加入SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)，配制质量浓度为15g/L的Fe₃O₄@SiO₂混合溶液；超声波分散处理10min后(超声频率为40kHz，超声功率为850W)，搅拌2h，磁铁吸引分离，用去离子水、无水乙醇交替洗涤至中性，45℃烘干(烘干的时间为3.5h)，得到表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DES1)。

所制备Fe₃O₄颗粒和SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)的TEM图如图1所示，从图中可以看出，载体颗粒呈球形，粒径均在100nm以下，表面有不规则物，Fe₃O₄纳米颗粒较均匀镶嵌于其中，分散性和稳定性较好。

所制备的载体材料和Fe₃O₄@SiO₂的红外谱图如图2所示，从图中可知，颗粒表面有丰富的功能基团，且修饰较稳定。

实施例2

一种表面复合修饰颗粒聚集体载体材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备Fe₃O₄颗粒分散体系：将Fe(NO₃)₃和FeSO₄溶液按摩尔比1.6:1混合均匀，迅速加入适量25％(v/v)氨水搅拌，调节pH值至9.5，将溶液置于内衬四氟乙烯的反应釜内，135℃下加热处理3.5h，室温冷却，磁铁吸引分离，用去离子水、无水乙醇交替洗涤至中性，50℃烘干(烘干的时间为3h)；

(2)SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)：将Fe₃O₄颗粒置入80％(v/v)乙醇溶液，配制成质量浓度为1.0g/L的Fe₃O₄乙醇溶液；室温下超声波分散处理35min(超声频率为40kHz，超声功率为850W)，迅速加入适量25％(v/v)氨水搅拌，调节pH值至9.5，加入正硅酸乙酯(TEOS)(Fe₃O₄颗粒与TEOS摩尔比为6:1)，继续超声波分散处理20min(超声频率为40kHz，超声功率为850W)，静置4h，磁铁吸引分离，用去离子水、无水乙醇交替洗涤至中性，烘干(50℃烘干3h)；

(3)低共熔试剂(DES)的配制：将氯化胆碱和葡萄糖试剂按照摩尔比为1:1进行混合，110℃水浴下加热，不断搅拌，至澄清透明为止，即得低共熔试剂(DES2)；

(4)低共熔试剂对SiO₂包覆Fe₃O₄超顺磁性纳米颗粒表面修饰(Fe₃O₄@SiO₂-DES)：将DES(deep eutectic solvents)和甲醇按体积比为1:5进行混合，加入SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)，配制质量浓度为20g/L的Fe₃O₄@SiO₂混合溶液，超声波分散处理20min后(超声频率为40kHz，超声功率为850W)，搅拌2.5h，磁铁吸引分离，用去离子水、无水乙醇交替洗涤至中性，50℃烘干3h，得到表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DES2)。

本实施例制备的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DESs)固定化酶颗粒磁滞曲线图如图3所示；

本实施例制备的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DESs)固载酶量图如图4所示。

实施例3

一种表面复合修饰颗粒聚集体载体材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备Fe₃O₄颗粒分散体系：将Fe(NO₃)₃和FeSO₄溶液按摩尔比1.6:1混合均匀，迅速加入适量25％(v/v)氨水搅拌，调节pH值至10，将溶液置于内衬四氟乙烯的反应釜内，140℃下加热处理3h，室温冷却，磁铁吸引分离，用去离子水、无水乙醇交替洗涤至中性，60℃烘干2.5h；

(2)SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)：将Fe₃O₄颗粒置入80％(v/v)乙醇溶液，配制成质量浓度为1.3g/L的Fe₃O₄乙醇溶液；室温下超声波分散处理40min(超声频率为40kHz，超声功率为850W)，迅速加入适量25％(v/v)氨水搅拌均匀，调节pH值至9，加入正硅酸乙酯(TEOS)(Fe₃O₄颗粒与TEOS摩尔比为4:1)，继续超声波分散处理20min(超声频率为40kHz，超声功率为850W)，静置4h，磁铁吸引分离，用去离子水、无水乙醇交替洗涤至中性，烘干(60℃烘干2.5h)；

(3)配制低共熔试剂(DES):将氯化胆碱和甘油试剂按照摩尔比为1:1混合，120℃水浴下加热，不断搅拌，至澄清透明为止，即得低共熔试剂(DES3)；

(4)低共熔试剂对SiO₂包覆Fe₃O₄超顺磁性纳米颗粒表面修饰(Fe₃O₄@SiO₂-DES)：将DES(deep eutectic solvents)和甲醇按体积比为1:3进行混合，加入SiO₂包覆Fe₃O₄颗粒(Fe₃O₄@SiO₂)，配制质量浓度为25g/L的Fe₃O₄@SiO₂混合溶液，超声波分散处理30min后(超声频率为40kHz，超声功率为850W)，搅拌3h，磁铁吸引分离，用去离子水、无水乙醇交替洗涤至中性，60℃烘干(烘干的时间为2.5h)，得到表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DES3)。

本实施例制备的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DESs)固定化酶颗粒磁滞曲线图如图3所示；

本实施例制备的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DESs)固载酶量图如图4所示。

性能测试：

将实施例1～3所制备的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料进行性能测试，测试结果如图3和4所示。其中图3为实施例1制备的Fe₃O₄、Fe₃O₄@SiO₂以及实施例1～3制备的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DESs)固定化酶颗粒磁滞曲线图；图4为实施例1～3制备的表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DESs)固载酶量图。

从图中可知，磁性Fe₃O₄纳米颗粒饱和磁化强度为65.42emu/g,固定化酶后饱和磁化强度仍在21.90emu/g以上，有利于分离回收(如图3示)。

DES3修饰的复合颗粒(表面复合修饰颗粒聚集体载体材料(Fe₃O₄@SiO₂-DES3))以淀粉酶为固载物，其固载量达182.5ug/10mg，是良好固定化酶的载体材料(如图4示)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。