专利名称：尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒及其制备方法
技术领域：
本发明属于纳米颗粒新材料，更确切地说是涉及一种尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒及其制备方法。
背景技术：
分子印迹技术是近年来集高分子合成、分子设计、分子识别、仿生生物工程等众多学科优势发展起来的一门边缘学科分支。分子印迹聚合物(Molecularly ImprintedPolymers，MIPs)即具有与天然抗体同样的识别性能，又具有和高分子同样的高稳定性，因而广泛应用于生物工程、临床医学、环境监测、食品工业等众多领域，已经成为新世纪最有潜力的新材料之一。
分子印迹聚合物的制备目前大多数制备采用封管聚合的方法(Wulff G.Molecularrecognition in polymers by imprinting with template，polymeric reagents andcatalytics，Am.Chem.Soc.Sym.Ser.，1986，308(2)186-200)。即将印迹分子、功能单体、交联剂和引发剂按一定比例溶解在惰性溶剂(通常是氯仿或甲苯)中，然后移入一玻璃安培瓶中，采用超声波脱气，通氮气除氧，在真空下密封安培瓶，经热引发(60～120℃)或紫外光照射(在室温下波长通常为366nm)引发聚合一定时间(通常是24h)得到块状聚合物。经粉碎、研磨、筛选等过程获得适度大小的粒子，洗脱除去模板分子，经真空干燥后即成。其存在的主要问题是①.聚合物的粉碎、研磨、筛选等预处理手续繁琐，最终得到的聚合物粒子均匀度较差，制备率也较低(为总量的50％左右)。②.由于网络的高交联性及尺寸较大，致使模板难以除去，对于成本控制是极为不利。而新发展起来的悬浮聚合(Berglund J.，Nicholls I.A.，Lindbladh C.Recognition inmolecularly imprinte polymer-adrenoreceptor mimics，Bioorg.Med.Chem.Lett.，1996，6(18)2237-2242)，则可以直接制备球形分子印迹纳米颗粒，只需经过模板分子的洗脱便可直接使用。此法所制得的分子印迹聚合物具有形状规整、比表面大、吸附能力强、抗机械性、耐高温高压、耐多种有机溶剂、抗酸碱等诸多性能，有很好的应用前景，但是仍然存在MIPs颗粒尺寸较大且不易控制，模板分子难以除去的问题。
关键是目前制得的分子印迹聚合物纳米颗粒，尺寸较大且不可控(一般直径达到几十甚至上百个纳米)，导致模板分子难以去除。另外由于纳米颗粒不含有磁性成分而无法用磁场进行简单和方便的处理，只能进行静态分离其操作过程烦琐、复杂。分子印迹聚合物缺乏磁响应性也限制了其更广泛的应用。
发明内容
本发明旨在提供一种尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒及其制备方法，以弥补已有技术的不足。
本发明的技术构思是通过将分子印迹技术与原子转移自由基聚合反应相结合，使得聚合物纳米颗粒壳层尺寸可控，对印迹分子具有专一识别能力，同时使得聚合物具有磁响应性。使分子印迹聚合物纳米颗粒达到特定的目的，以扩展分子印迹聚合物的应用前景。
因此，本发明的复合纳米颗粒具有对模板分子专一识别能力的聚合物壳层和纳米尺寸的核，其特征是聚合物壳层为尺寸可控的印迹聚合物层，复合纳米颗粒的核为磁性纳米粉末。印迹聚合物壳层的尺寸是通过原子转移自由基聚合反应时间控制，纳米颗粒的核为MnFe2O4、Fe3O4或者Fe2O3磁性材料。
本发明的方法是首先在磁性纳米粉末表面接上原子转移自由基聚合反应引发剂，在催化剂的作用下引发原子转移自由基聚合反应(同时发生分子印迹聚合反应)，在磁性纳米粉末表面形成包含模板分子的聚合物层，经模板分子洗脱得到尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒。
本发明具体方法如下a.印迹模板分子(1)将磁性纳米粉末加入到ATRP引发剂浓度为0.5～2mol/L的水溶液中，水浴超声分散5～120分钟至溶液无沉淀存在；向上述溶液中添加盐酸使pH值维持在4～6，并转入到带有搅拌器的反应器中，搅拌1～72小时；搅拌停止后离心分离，得到引发剂功能化的磁性纳米颗粒粉末，用水洗涤至中性并干燥；(2)将已经功能化的磁性纳米颗粒加入反应器中，依次加入功能单体、模板分子、交联剂，搅拌使之完全溶解，得到半透明状粘稠溶液A；(3)在另外一个反应器中将联合催化剂加入致孔剂中搅拌使之完全溶解，然后加入溶液A并混合均匀，得到溶液B；(4)溶液B通氮气1～60分钟，除去氧及水分；然后反应器置于50～120℃的油浴中，搅拌反应1～72小时，通过控制时间长短可以得到不同尺寸的纳米颗粒，时间越短尺寸越小(即印迹聚合物壳层越薄)；离心分离得到含有模板分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒；b.洗脱模板分子(1)将制备的含有模板分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，用5～100mL的氯仿分散至溶液无沉淀存在；然后加入甲醇5～100mL，搅拌5～120分钟，之后离心分离；(2)离心所得固体用乙酸/甲醇体积比为10/1～1/10的混合溶液浸泡，振荡1～72小时；滤去浸泡液后用甲醇反复洗涤直至中性，然后于50～120℃，用真空烘箱干燥至恒重，即得到尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒。
其中上述磁性粉末为Fe、Co、Ni、Mn或其氧化物、或其合金；引发剂为卤代丙酸、卤代乙酸、2-溴-2-甲基丙酸(BMPA)；致孔剂为苯及其衍生物、卤代甲烷、四氢呋喃(THF)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO)；模板分子为氨基酸及其衍生物、手性化合物、药物、农药等化合物；
功能单体为丙烯酸以及其酯类、乙烯基吡啶类；交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、二乙烯基苯(DVB)；联合催化剂为卤化亚铜与连砒啶类联合催化剂。
本发明的壳/核结构的分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒结合了分子印迹聚合物专一识别性，磁性复合纳米颗粒的磁响应性和原子转移自由基聚合技术的可控性三重特性，将在许多领域如相似化合物的分离、痕量化合物的分离和富集、模拟酶催化、传感器、医学等相关领域具有更广泛的应用前景。
具体实施例方式
实施例1.
a.印迹模板分子(1)将MnFe2O4磁性粉纳米粉末(9nm)25mg加入到含有引发剂3-氯丙酸的浓度为1mol/L的水溶液中，水浴超声分散10分钟，得到微黄的溶液；向上述溶液中添加盐酸使pH值维持在4，并转入到带有搅拌器的反应器中，搅拌1小时；搅拌停止后离心分离，得到微黄色的3-氯丙酸功能化的磁性纳米颗粒，用水洗涤至中性并干燥；(2)将已经3-氯丙酸功能化的磁性纳米颗粒加入反应器中，依次加入功能单体甲基丙烯酸1mmol、模板分子茶碱20mg、交联剂EGDMA 5mmol，搅拌使之完全溶解，得到半透明状粘稠溶液A；(3)在另一反应器中将联合催化剂溴化亚铜15mg和2，2-连吡啶20mg加入致孔剂DMF中搅拌使之完全溶解，得到蓝色溶液；蓝色溶液加入溶液A中并混合均匀，得到溶液B；(4)溶液B通氮气10分钟，除去氧及水分；然后反应器置于60℃的油浴中，搅拌反应24小时；离心分离得到含有茶碱模板分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒。
b.洗脱模板分子(1)将制备的含有茶碱分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，用5mL的氯仿分散，溶液变为微黄色；然后加入甲醇10mL，搅拌30分钟，然后离心分离；(2)离心所得固体用乙酸/甲醇为1/9(V/V)的混合溶液浸泡，振荡3小时；滤去浸泡液后用甲醇反复洗涤直至中性，然后于60℃，用真空烘箱干燥至恒重。
所制得的壳/核结构的分子印迹聚合物复合磁性纳米颗粒，壳层为茶碱印迹聚合物层，其尺寸控制在15nm；核为MnFe2O4磁性材料，MnFe2O4含量为69.1％；以咖啡因为对比分子，其对茶碱的分离因子为8.16。
实施例2.
a.印迹模板分子(1)将Fe3O4磁性粉纳米粉末(9nm)25mg加入到含有ATRP引发剂BMPA的浓度为0.5mol/L的水溶液中，水浴超声分散60分钟，溶液变为微黄色；向上述溶液中添加盐酸使pH值维持在5，并转入到带有搅拌器的反应器中，搅拌24小时；搅拌停止后离心分离，得到微黄色的BMPA功能化的磁性纳米颗粒，用水洗涤至中性并干燥；(2)将已经功能化的磁性纳米颗粒加入反应器中，依次加入功能单体4-乙烯基吡啶1mmol、模板分子咖啡因20mg、交联剂DVB 5mmol，搅拌使之完全溶解，得到半透明状粘稠溶液A；(3)在反应器中将联合催化剂氯化亚铜15mg和4，4-二-壬基-2，2-连吡啶40mg加入致孔剂DMSO中搅拌使之完全溶解，溶液变为蓝色；然后加入溶液A并混合均匀，得到溶液B；(4)溶液B通氮气30分钟，除去氧及水分；然后反应器置于100℃的油浴中，搅拌反应20小时；离心分离得到含有咖啡因模板分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒。
b.洗脱模板分子(1)将制备的含有咖啡因分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，用5mL的氯仿分散，溶液变为微黄；然后加入甲醇100mL，搅拌30分钟，之后离心分离；(2)离心所得固体用乙酸/甲醇体积比为1/9的混合溶液浸泡，振荡30分钟；滤去浸泡液后用甲醇反复洗涤直至中性，然后于100℃，用真空烘箱干燥至恒重。所制得的壳/核结构的分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，壳层为咖啡因印迹聚合物层，其尺寸控制在13nm；核为Fe3O4磁性材料，Fe3O4含量为77.5％，以茶碱为对比分子，其对咖啡因的分离因子为7.83。
实施例3.
a.印迹模板分子(1)将Fe2O3磁性粉纳米粉末(9nm)25mg加入到含有ATRP引发剂溴代乙酸的浓度为2mol/L的水溶液中，水浴超声分散30分钟，溶液变为微黄色；向上述溶液中添加盐酸使pH值维持在4，并转入到带有搅拌器的反应器中，搅拌48小时；搅拌停止后离心分离，得到微黄色的溴代乙酸功能化的磁性纳米颗粒，用水洗涤至中性并干燥；(2)将已经功能化的磁性纳米颗粒加入反应器中，依次加入功能单体4-乙烯基吡啶1mmol、模板分子乙基对硫磷20mg、交联剂DVB5mmol，搅拌使之完全溶解，得到半透明状粘稠溶液A；(3)在反应器中将联合催化剂氯化亚铜15mg和4，4-二-特丁基-2，2-连砒啶50mg加入致孔剂甲苯中搅拌使之完全溶解，溶液变为蓝色；然后加入溶液A并混合均匀，得到溶液B；(4)溶液B通氮气60分钟，除去氧及水分；然后反应器置于50℃的油浴中，搅拌反应48小时；离心分离得到含有乙基对硫磷模板分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒。
b.洗脱模板分子(1)将制备的含有乙基对硫磷分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，用5mL的氯仿分散，溶液变为微黄色，然后加入甲醇100mL，搅拌100分钟，然后离心分离；(2)离心所得固体用乙酸/甲醇体积比为9/1的混合溶液浸泡，振荡60分钟；滤去浸泡液后用甲醇反复洗涤直至中性，然后于80℃，用真空烘箱干燥至恒重。
所制得的壳/核结构的分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，壳层为乙基对硫磷印迹聚合物层，其尺寸控制在18nm；核为Fe2O3磁性材料，Fe2O3含量为57.3％，以甲基对硫磷为对比分子，其对乙基对硫磷的分离因子为5.68。
实施例4.
a.印迹模板分子(1)将MnFe2O4磁性粉纳米粉末(9nm)25mg加入到含有ATRP引发剂3-溴丙酸的浓度为0.5mol/L的水溶液中，水浴超声分散100分钟，溶液变为微黄色；向上述溶液中添加盐酸使pH值维持在4，并转入到带有搅拌器的反应器中，搅拌50小时；搅拌停止后离心分离，得到微黄色的3-溴丙酸功能化的磁性纳米颗粒，用水洗涤至中性并干燥；(2)将已经功能化的磁性纳米颗粒加入反应器中，依次加入功能单体三氟甲基丙烯酸1mmol、模板分子多巴胺(去甲肾上腺素前体)20mg、交联剂EGDMA5mmol，搅拌使之完全溶解，得到半透明状粘稠溶液A；(3)在反应器中将联合催化剂溴化亚铜15mg和4，4-二-正庚基-2，2-连砒啶100mg加入致孔剂四氢呋喃中搅拌使之完全溶解，溶液变为蓝色；然后加入溶液A并混合均匀，得到溶液B；(4)溶液B通氮气60分钟，除去氧及水分；然后反应器置于50℃的油浴中，搅拌反应18小时；离心分离得到含有多巴胺模板分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒。
b.洗脱模板分子(1)将制备的含有多巴胺分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，用5mL的氯仿分散，溶液变为微黄色；然后加入甲醇5mL，搅拌20分钟，然后离心分离；(2)离心所得固体用乙酸/甲醇体积比为1/9的混合溶液浸泡，振荡120分钟；滤去浸泡液后用甲醇反复洗涤直至中性，然后于50℃，用真空烘箱干燥至恒重。所制得的壳/核结构的分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，壳层为多巴胺印迹聚合物层，其尺寸控制在12nm；核为MnFe2O4磁性材料，MnFe2O4含量为80.5％，以去甲肾上腺素为对比分子，其对多巴胺的分离因子为3.79。
权利要求
1.一种尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，具有对模板分子专一识别能力的聚合物壳层和纳米尺寸的核，其特征是聚合物壳层为尺寸可控的印迹聚合物层，纳米颗粒的核为磁性纳米粉末。
2.如权利要求1所述的尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，其特征是印迹聚合物壳层的尺寸通过原子转移自由基聚合反应时间控制。
3.如权利要求1所述的尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，其特征是核为铁磁性纳米粉末。
4.如权利要求1所述的尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，其特征是所述的聚合物壳层的模板分子是茶碱、咖啡因、乙基对硫磷或者多巴胺分子其中之一。
5.如权利要求1或3所述的尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，其特征是纳米颗粒的核为MnFe2O4、Fe3O4或者Fe2O3其中之一的磁性材料。
6.一种尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤a.印迹模板分子(1)将磁性纳米粉末加入到引发剂浓度为0.5～2mol/L的水溶液中，水浴超声分散5～120分钟至溶液无沉淀存在；再向上述溶液中添加盐酸使pH值维持在4～6，并转入到带有搅拌器的反应器中，搅拌1～72小时；搅拌停止后离心分离，得到引发剂功能化的磁性纳米颗粒，用水洗涤至中性并干燥；(2)将上述已功能化的磁性纳米颗粒加入反应器中，依次加入功能单体、模板分子、交联剂，搅拌使之完全溶解，得到半透明状粘稠溶液A；(3)在另外一个反应器中将联合催化剂加入致孔剂中，搅拌使之完全溶解；然后加入溶液A并混合均匀，得到溶液B；(4)溶液B通氮气1～60分钟，除去氧及水分；然后反应器置于50～120℃的油浴中，搅拌反应1～72小时；离心分离得到含有模板分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒；b.洗脱模板分子(1)将制备的含有模板分子的印迹聚合物磁性复合纳米颗粒，用5～100mL的氯仿分散至溶液无沉淀存在；然后加入甲醇5～100mL，搅拌5～120分钟之后离心分离；(2)离心所得固体用乙酸/甲醇体积比为10/1～1/10的混合溶液浸泡，振荡1～72小时；滤去浸泡液后用甲醇反复洗涤直至中性，然后于50～120℃，用真空烘箱干燥至恒重，即得到尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒。
7.如权利要求6所述的尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒的制备方法，其特征是所述的引发剂为卤代丙酸、卤代乙酸、2-溴-2-甲基丙酸；
8.如权利要求6所述的尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒的制备方法，其特征是所述的催化剂为卤化亚铜与连砒啶类的联合催化剂。
全文摘要
本发明涉及一种尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒及其制备方法。该纳米颗粒具有对模板分子专一识别能力的聚合物壳层和纳米尺寸的核，其特征是纳米颗粒的核为磁性纳米粉末，聚合物壳层尺寸通过原子转移自由基聚合反应时间控制。其方法是首先在磁性纳米粉末表面接上原子转移自由基聚合反应引发剂，在催化剂的作用下引发原子转移自由基聚合反应，同时发生分子印迹聚合反应，在磁性纳米粉末表面形成包含模板分子的聚合物层，经模板分子洗脱得到尺寸可控分子印迹聚合物磁性复合纳米颗粒。该颗粒可用于相似化合物的分离、痕量化合物的分离和富集、模拟酶催化、传感器、医药等相关领域。
文档编号B82B1/00GK1773635SQ20051001806
公开日2006年5月17日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者杨黄浩, 周文辉, 王海娟 申请人:国家海洋局第一海洋研究所