一种基于四氧化三铁纳米颗粒高效组装结构的磁性复合微球的制备方法与流程

本发明涉及磁性纳米材料技术领域，尤其涉及一种基于四氧化三铁纳米颗粒高效组装结构的磁性复合微球的制备方法。

背景技术：

磁性复合微球不仅具有在复合微球合成、制备方面的表面功能化、微观结构可控化，同时具有在磁场在的快速磁响应性，可以实现自动化操控，因而在生物医学等方面的需求与日俱增，常常被应用于免疫诊断、核酸提取、细胞分选等领域，大大提高了实际检测效率和检测灵敏度。

针对不同的需求，对磁性复合微球粒径的均一性、表面功能基团、磁响应性与微观结构的要求均有较大差异。作为免疫诊断中化学发光平台检测所用的磁性复合微球，其要求具有极好的单分散性、大小均一性、高悬浮性、高磁响应性能。传统的制备方法如：共沉淀法、热分解法等方法所制备的磁性复合微球，大小不均一，悬浮性能差，无法满足实际检测需要。因此，目前市场上化学发光用磁性复合微球多采用模板法制备。

目前，国际市场上化学发光用磁性复合微球生产商主要有thermofisher、roche、jsr等公司，其中thermofisher和roche主要利用聚合物多孔模板，磁性物质填充密度中等。jsr以聚合微球为模板，只在聚合物微球表层负载磁性物质，磁含量少，而且微球尺寸过大（3~10μm）导致比表面积低，因而降低了吸附效率，同时工艺复杂导致成本高昂。

中国专利文献上公开了“一种制备四氧化三铁-高分子磁性复合微球的方法”，其公告号为cn104072656a，该发明以四氧化三铁粒子和苯乙烯-丙烯酸丁酯共聚物组成高分子磁性复合微球，通过改变四氧化三铁与单体添加量的比例在一定范围内调控微球的磁含量，容易获得高磁含量的磁性微球。但是，该方法可控性差，难以控制每个球内的磁含量，造成不同磁分离速度有较大差异，甚至可能存在磁性极弱或者不含有磁性的微球。而且该方法合成的磁性微球尺寸过大，在溶液中悬浮稳定性差，易发生沉降。因此不适合应用在化学发光平台。

技术实现要素：

本发明为了克服现有磁性复合微球表层负载磁性物质含量少、磁响应性低，尺寸过大且均一性差等问题，提供了一种基于四氧化三铁纳米颗粒高效组装结构的磁性复合微球的制备方法，该方法基于油溶性四氧化三铁纳米颗粒与放射状硅球模板制备磁性复合微球，采用该方法制得的磁性复合微球尺寸均一、四氧化三铁纳米颗粒负载均匀且致密、性能稳定、易于功能化。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于四氧化三铁纳米颗粒高效组装结构的磁性复合微球的制备方法，包括以下步骤：

（1）氩气气氛下，将油胺，n-甲基-2-吡咯烷酮和乙酰丙酮铁混合，于200~350℃搅拌反应8~15min后，将温度降至50~60℃，加入乙醇，离心收集沉淀并溶于氯仿中，得到四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液；

（2）配置十六烷基三甲基溴化铵（ctab）水溶液，加入乙醚，乙醇和氨水（25~28wt%）室温搅拌15~30min，接着注入正硅酸乙酯（teos）和（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷（mps），室温搅拌4~6h，离心收集沉淀并萃取残余的有机模板，离心收集固体物质重复萃取一次，得到放射状硅球，将其分散在乙醇中，加入25~28wt%氨水、（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷，室温搅拌8~16h，离心收集沉淀，再分散在乙醇中，得到巯基化放射状硅球模板的乙醇溶液；

（3）取步骤（2）所得的巯基化放射状硅球模板的乙醇溶液，离心去除上清液，加入步骤（1）所得的四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液，超声混匀，离心收集沉淀，得到放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物；利用巯基-金属亲和作用，在有机相中对四氧化三铁纳米颗粒直接组装，无需对四氧化三铁纳米颗粒进行任何表面改性及修饰，从而保证四氧化三铁纳米颗粒在模板上均匀致密的负载；

在放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物中加入辛基三甲氧基硅烷（otms），超声溶解，加入甲醇和氨水混合液，超声、离心收集沉淀，得到硅烷化的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物；

将硅烷化的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物分散在水中，搅拌12~18h，离心收集沉淀，将沉淀分散在乙醇/水/氨水混合液中，分批加入正硅酸乙酯（teos），之后离心收集沉淀，溶于乙醇，得到放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅微球（sis）的乙醇溶液。经过有机硅烷水解缩合以及stöber二氧化硅生长可获得水溶性及胶体稳定性优良的复合物，将其进一步功能化，可应用于生物医学研究。

本发明以放射状介孔硅为模板，利用载体放射状硅球的超大孔道和高度可及的内表面，实现四氧化三铁纳米颗粒的超高负载量从而达到单模板内信号最大化，采用中心-放射状介孔孔道的填充工艺，充分利用模板，实现从内到外完全填充。首先在有机相中利用巯基-金属亲和作用制备了高负载的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒组装体；以正辛基三甲氧基硅烷/甲醇/氨水为水解体系，实现了该疏水组装体的硅烷化修饰，并确保修饰过程中放射状硅球载体对四氧化三铁纳米颗粒的超高负载量。通过有机硅烷水解缩合、stöber生长过程制备了性质稳定、性能优越的微球。采用本发明的方法得到的磁性复合微球比于传统的三明治结构，磁负载量提高10倍，大大提高了磁含量，兼具较好的反应动力学与较好的磁响应性。同时模板大小均一，最终得到的磁性复合微球粒径均一，重复性好，尺寸达到纳米级，比表面积高，具有较好的磁响应性、悬浮性，很好的解决了磁响应与反应动力学的矛盾，适用于分析检测领域。

作为优选，步骤（2）中，所述萃取的方法为：将所得沉淀分散在盐酸甲醇混合液中，于50~60℃搅拌3~6h。

作为优选，盐酸甲醇混合液由36~38wt%盐酸水溶液与甲醇按照体积比1：1配制而成；所述盐酸甲醇混合液的体积用量以十六烷基三甲基溴化铵的质量计为0.2ml/mg。

作为优选，步骤（1）中，所述油胺与n-甲基-2-吡咯烷酮的体积用量比为9:1；所述乙酰丙酮铁的用量为0.5~1mmol。

作为优选，步骤（2）中，所述十六烷基三甲基溴化铵水溶液的浓度为6-8g/l；所述水，乙醚，乙醇和氨水的体积用量比为14：2~3：1：0.16~0.2；

萃取前，所述正硅酸乙酯和（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷的体积用量以十六烷基三甲基溴化铵的质量计分别为5~8ml/g和80ul/g。

作为优选，步骤（2）中，萃取后，所述25~28wt%氨水的体积用量以十六烷基三甲基溴化铵的质量计为5ml/g；所述（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷的体积用量以十六烷基三甲基溴化铵的质量计为2ml/g。

作为优选，步骤（3）中，所述巯基化放射状硅球模板与四氧化三铁纳米颗粒的质量比为1：（0.6~0.7）；所述辛基三甲氧基硅烷的体积用量以巯基化放射状硅球模板的质量计为22~33ml/g。

作为优选，步骤（3）中，所述甲醇和氨水混合液中甲醇与氨水的体积比为1：0.025；所述甲醇和氨水混合液的体积用量以巯基化放射状硅球模板的质量计为1.7~1.8ml/mg。

作为优选，步骤（3）中，所述乙醇/水/氨水混合液中乙醇、水、氨水的体积比为1：0.25：0.03125，所述乙醇/水/氨水混合液的体积用量以巯基化放射状硅球模板的质量计为2.8~2.9ml/mg。

作为优选，步骤（3）中，所述正硅酸乙酯的体积用量以乙醇、水、氨水混合液的体积计为1μl/ml。

因此，本发明具有如下有益效果：

（1）利用载体放射状硅球的超大孔道和高度可及的内表面，实现四氧化三铁纳米颗粒的超高负载量从而达到单模板内信号最大化，兼具较好的反应动力学与较好的磁响应性。同时模板大小均一，最终得到的磁性微球粒径均一，重复性好，适用于分析检测领域；

（2）利用巯基-金属亲和作用，在有机相中对四氧化三铁纳米颗粒直接组装，无需对四氧化三铁纳米颗粒进行任何表面改性及修饰，从而保证四氧化三铁纳米颗粒在模板上均匀致密的负载；

（3）经过有机硅烷水解缩合以及stöber二氧化硅生长可获得水溶性及胶体稳定性优良的复合物，将其进一步功能化，可应用于生物医学研究。

附图说明

图1是实施例1制得的四氧化三铁纳米颗粒的tem图。

图2是实施例1制得的巯基化放射状硅球模板的sem图。

图3是实施例1制得的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物的sem图。

图4是实施例1制得的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物的tem图。

图5是实施例1制得的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅微球的tem图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。

实施例1：

（1）四氧化三铁纳米颗粒的合成：

首先，将15ml油胺在圆底烧瓶中缓慢加热至300℃并搅拌30分钟。进行脱气处理后保持瓶内始终充满氩气，然后将含有3ml油胺，2mln-甲基-2-吡咯烷酮和0.5mmol乙酰丙酮铁的混合溶液注入到烧瓶中，在300℃下保持10min后将溶液缓慢冷却至60℃。然后将30ml乙醇溶液加入到反应混合物中，得到黑色沉淀。通过离心收集产物并用乙醇洗涤，最后分散在20ml氯仿中，得到四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液；该步骤中制得的四氧化三铁纳米颗粒的tem如图1所示，粒径约为5~10nm，分散性好；

（2）巯基化放射状硅球模板的合成：

首先，将0.5gctab溶解到70ml去离子水中，再加入15ml乙醚，5ml乙醇以及0.8ml氨水，室温下磁力搅拌30min；然后，慢慢加入2.5mlteos和40ulmps，室温下继续搅拌4h。将产物离心并用乙醇洗涤3次，最后分散在50ml盐酸和50ml甲醇的混合溶液中，于60℃下搅拌6小时。重复萃取一次，最后将放射状硅球分散在200ml乙醇中。在上述放射状硅球乙醇溶液中加入2.5ml氨水和1mlmps，然后在室温下剧烈搅拌12小时。通过离心收集最终产物，用乙醇洗涤3次后分散在50ml乙醇中，得到巯基化放射状硅球模板的乙醇溶液；该步骤中制得的巯基化放射状硅球模板的sem图如图2所示，巯基化放射状硅球模板尺寸均一，分散性好，具有丰富的孔道结构，完全适合用来填充纳米粒子；

（3）sis（放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅）微球的制备：

取0.5ml上述巯基化放射状硅球的乙醇溶液，离心去除上清，然后加入1ml上述四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液并超声7分钟，得到均一的溶液。通过离心收集放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物并用氯仿洗涤一次以除去过量的四氧化三铁纳米颗粒；该步骤得到的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物的sem图和tem图如图3和图4所示，所得复合物的孔道内已经填满致密的四氧化三铁纳米颗粒，四氧化三铁纳米颗粒的负载量相当高；

将该沉淀物在空气中稍干燥，加入150μlotms，超声溶解。然后将该溶液与7.5ml甲醇和187.5μl氨水的混合液混合，超声30分钟。通过离心收集复合物并用甲醇洗涤以除去过量的otms；

将硅烷化的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物分散在16.5ml水中，搅拌18小时以形成有机二氧化硅层。为了通过stöber法生长二氧化硅壳，将上述复合物离心并分散在10ml乙醇，2.5ml水，312.5μl氨水的混合物中，每1h加入一次teos，共加入7次，正硅酸乙酯的体积用量以乙醇、水、氨水的混合液的体积计为1μl/ml。反应结束后，将产物离心并用乙醇洗涤3次，然后溶于20ml乙醇中，得到sis的乙醇溶液。本实施例最终制得的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅微球（sis）的tem图如图5所示，从图中可以看出该微球尺寸均一，约为300nm，复合微球分散性好，磁性纳米粒子填充密度高。

实施例2：

（1）四氧化三铁纳米颗粒的合成：

首先，将15ml油胺在圆底烧瓶中缓慢加热至300℃并搅拌30分钟。进行脱气处理后保持瓶内始终充满氩气，然后将含有3ml油胺，2mln-甲基-2-吡咯烷酮和1mmol乙酰丙酮铁的混合溶液注入到烧瓶中，在300℃下保持10min后将溶液缓慢冷却至60℃。然后将30ml乙醇溶液加入到反应混合物中，得到黑色沉淀。通过离心收集产物并用乙醇洗涤，最后分散在20ml氯仿中，得到四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液；

（2）巯基化放射状硅球模板的合成：

首先，将0.5gctab溶解到70ml去离子水中，再加入10ml乙醚，5ml乙醇以及1ml氨水，室温下磁力搅拌30min；然后，慢慢加入4mlteos和40ulmps，室温下继续搅拌6h。将产物离心并用乙醇洗涤3次，最后分散在50ml盐酸和50ml甲醇的混合溶液中，于60℃下搅拌6小时。重复萃取一次，最后将放射状硅球分散在200ml乙醇中。在上述放射状硅球乙醇溶液中加入2.5ml氨水和1mlmps，然后在室温下剧烈搅拌12小时。通过离心收集最终产物，用乙醇洗涤3次后分散在50ml乙醇中，得到巯基化放射状硅球模板的乙醇溶液；

（3）sis（放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅）微球的制备：

取0.5ml上述巯基化放射状硅球的乙醇溶液，离心去除上清，然后加入1ml上述四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液并超声5分钟，得到均一的溶液。通过离心收集放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物并用氯仿洗涤一次以除去过量的四氧化三铁纳米颗粒。将该沉淀物在空气中稍干燥，加入100μlotms，超声溶解。然后将该溶液与7.5ml甲醇和187.5μl氨水的混合液混合，超声30分钟。通过离心收集复合物并用甲醇洗涤以除去过量的otms。将硅烷化的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物分散在16.5ml水中，搅拌18小时以形成有机二氧化硅层。为了通过stöber法生长二氧化硅壳，将上述复合物离心并分散在10ml乙醇，2.5ml水，312.5μl氨水的混合物中，每1h加入一次teos，共加入9次，正硅酸乙酯的体积用量以乙醇、水、氨水的混合液的体积计为1μl/ml。反应结束后，将产物离心并用乙醇洗涤3次，然后溶于20ml乙醇中，得到放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅微球sis的乙醇溶液。

实施例3：

（1）四氧化三铁纳米颗粒的合成：

首先，将30ml油胺在圆底烧瓶中缓慢加热至300℃并搅拌30分钟。进行脱气处理后保持瓶内始终充满氩气，然后将含有6ml油胺，4mln-甲基-2-吡咯烷酮和0.5mmol乙酰丙酮铁的混合溶液注入到烧瓶中，在300℃下保持10min后将溶液缓慢冷却至60℃。然后将60ml乙醇溶液加入到反应混合物中，得到黑色沉淀。通过离心收集产物并用乙醇洗涤，最后分散在40ml氯仿中，得到四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液；

（2）巯基化放射状硅球模板的合成：

首先，将1gctab溶解到140ml去离子水中，再加入30ml乙醚，10ml乙醇以及1.6ml氨水，室温下磁力搅拌30min；然后，慢慢加入5.0mlteos和80ulmps，室温下继续搅拌4h。将产物离心并用乙醇洗涤3次，最后分散在100ml盐酸和100ml甲醇的混合溶液中，于60℃下搅拌6小时。重复萃取一次，最后将放射状硅球分散在400ml乙醇中。在上述放射状硅球乙醇溶液中加入5ml氨水和2mlmps，然后在室温下剧烈搅拌12小时。通过离心收集最终产物，用乙醇洗涤3次后分散在100ml乙醇中，得到巯基化放射状硅球模板的乙醇溶液；

（3）sis（放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅）微球的制备：

取1ml上述巯基化放射状硅球的乙醇溶液，离心去除上清，然后加入2ml上述四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液并超声7分钟，得到均一的溶液。通过离心收集放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物并用氯仿洗涤一次以除去过量的四氧化三铁纳米颗粒。将该沉淀物在空气中稍干燥，加入300μlotms，超声溶解。然后将该溶液与15ml甲醇和375μl氨水的混合液混合，超声30分钟。通过离心收集复合物并用甲醇洗涤以除去过量的otms。将硅烷化的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物分散在33ml水中，搅拌18小时以形成有机二氧化硅层。为了通过stöber法生长二氧化硅壳，将上述复合物离心并分散在20ml乙醇，5ml水，625μl氨水的混合物中，每1h加入一次teos，共加入7次，正硅酸乙酯的体积用量以乙醇、水、氨水的混合液的体积计为1μl/ml。反应结束后，将产物离心并用乙醇洗涤3次，然后溶于40ml乙醇中，得到放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅微球sis的乙醇溶液。

实施例4：

（1）四氧化三铁纳米颗粒的合成：

首先，将30ml油胺在圆底烧瓶中缓慢加热至300℃并搅拌30分钟。进行脱气处理后保持瓶内始终充满氩气，然后将含有6ml油胺，4mln-甲基-2-吡咯烷酮和1mmol乙酰丙酮铁的混合溶液注入到烧瓶中，在300℃下保持10min后将溶液缓慢冷却至60℃。然后将60ml乙醇溶液加入到反应混合物中，得到黑色沉淀。通过离心收集产物并用乙醇洗涤，最后分散在40ml氯仿中，得到四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液；

（2）巯基化放射状硅球模板的合成：

首先，将1gctab溶解到140ml去离子水中，再加入20ml乙醚，10ml乙醇以及2ml氨水，室温下磁力搅拌30min；然后，慢慢加入8mlteos和80ulmps，室温下继续搅拌6h。将产物离心并用乙醇洗涤3次，最后分散在100ml盐酸和100ml甲醇的混合溶液中，于60℃下搅拌6小时。重复萃取一次，最后将放射状硅球分散在400ml乙醇中。在上述放射状硅球乙醇溶液中加入5ml氨水和2mlmps，然后在室温下剧烈搅拌12小时。通过离心收集最终产物，用乙醇洗涤3次后分散在100ml乙醇中，得到巯基化放射状硅球模板的乙醇溶液；

（3）sis（放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅）微球的制备：

取1ml上述巯基化放射状硅球的乙醇溶液，离心去除上清，然后加入2ml上述四氧化三铁纳米颗粒的氯仿溶液并超声5分钟，得到均一的溶液。通过离心收集放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物并用氯仿洗涤一次以除去过量的四氧化三铁纳米颗粒；将该沉淀物在空气中稍干燥，加入200μlotms，超声溶解。然后将该溶液与15ml甲醇和375μl氨水的混合液混合，超声30分钟。通过离心收集复合物并用甲醇洗涤以除去过量的otms。将硅烷化的放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒复合物分散在33ml水中，搅拌18小时以形成有机二氧化硅层。为了通过stöber法生长二氧化硅壳，将上述复合物离心并分散在20ml乙醇，5ml水，625μl氨水的混合物中，每1h加入一次teos，共加入9次，正硅酸乙酯的体积用量以乙醇、水、氨水的混合液的体积计为1μl/ml。反应结束后，将产物离心并用乙醇洗涤3次，然后溶于40ml乙醇中，得到放射状硅球/四氧化三铁纳米颗粒/二氧化硅微球sis的乙醇溶液。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。