一种二氧化硅包覆磁性多孔聚苯乙烯微球的制备方法与流程

1.本发明涉及一种纳米微米材料，尤其涉及一种二氧化硅包覆磁性多孔聚苯乙烯微球的制备方法。


背景技术：

2.现今通常采用材料复合的方式来制备聚合物复合微球，以增加聚合物微球的功能特性。在复合微球的制备方面，磁性聚合物微球由于具有体相材料所不具备的一些物理化学性质而得到广泛关注。顾名思义，磁性聚合物微球是由磁性材料和非磁性的聚合物材料共同构成。一方面它们不但具有聚合物本身的特性，如通过表面改性可以改变微球表面基团等，另一方面其所显现的超顺磁性可使微球材料均匀分散于溶液中，而施加外加磁场又可以实现快速分离。通过不同功能分子修饰的磁性聚合物微球可与抗原、抗体、蛋白质、dna/rna等结合，因此广泛应用于细胞快速分离、核酸提取、蛋白纯化、生物医学等领域。
3.一般来讲，磁性高分子微球所用磁性材料要求粒径要小，通常在10-30nm左右，这既有利于与高分子材料结合，又可使材料具有超顺磁性。而在众多磁性材料中，fe3o4磁性纳米粒子因制备工艺简便、磁响应时间短、性质稳定等优点，成为磁性微球所选的热门材料。磁性颗粒合成中比较常用的方法主要有共沉淀法、水/溶剂热法等。共沉淀法是目前使用最普遍的方法，其特征是简单易操作。具体为：在惰性气体保护下，铁盐和亚铁盐溶液按2:1或更大的比例进行混合，于一定温度下加入过量的碱，将ph值调至8-14范围内，高速搅拌下进行共沉淀反应，沉淀转化为fe3o4纳米颗粒后，经过洗涤、过滤、干燥等步骤得到fe3o4纳米颗粒粉末。相比共沉淀法，此前也已有不少文献报道用水或溶剂热法合成fe3o4纳米颗粒。水/溶剂热法是在特制的密闭反应容器，即高压釜里，以水溶液/有机溶剂为反应介质，在高温、高压的反应环境中，使得通常难溶或不溶的物质溶解、反应并重结晶，从而得到理想的产物。在水/溶剂热法合成fe3o4纳米颗粒的过程中，反应条件如溶剂、反应温度和反应时间等都会对合成产物产生很大的影响。通常fe3o4纳米颗粒的粒径会随着反应时间的延长而增大。
4.目前，磁性聚合物微球制备方法主要有层层自组装、水热合成、共沉淀、模板法等，在磁性微球最外层需要包裹一层涂层，如无机二氧化硅、纤维素、琼脂糖、高分子聚合物等。这些外层需要易于表面修饰，且对蛋白、核酸等的非特异性吸附要小，而包裹外层后还需要在最外层修饰相应的功能基团以满足某些应用。按照磁性材料与聚合物之间的分布结构关系大致可分为以下几种：1、核壳结构，即磁性纳米粒子分布在聚合物内部，被聚合物完全包覆；2、反核壳结构，即核是聚合物材料，磁性纳米粒子通过静电吸引或者络合等方式分布在聚合物表面形成壳层结构；3、夹心结构，核和壳均为聚合物成分，磁性纳米粒子分布在核壳结构之间，这类微球制备一般都是采用模板法，在第二种微球的基础上再包覆一层聚合物材料；4、分散结构，磁性纳米粒子分散在聚合物微球之中。
5.一般来讲，在核酸提取领域中所用磁性高分子微球结构一般是以“三明治”夹心型为主的硅基磁珠，即以多孔聚苯乙烯微球为载体，在其表面沉积无机磁性颗粒，随后在最外层包覆一层或多层聚合物。
6.相比用共沉淀法制备的硅基磁珠在制备过程中具有易团聚、粒径分布比较广、分散性相对较差等缺点，用水/溶剂热法合成具有两个优点：一是相对高的温度(130-250oc) 有利于磁吸性能的提高；二是反应在封闭容器中进行，可避免组分挥发，有利于提高产物的纯度和保护环境。而在该领域制备单分散性好、磁吸效率高、粒径均一的磁性微球成为当前主要目标。因此需要提供一种单分散性好、磁响应时间短、沉降速度慢且制备相对简单的聚苯乙烯磁性微球的制备方法。


技术实现要素：

7.本发明旨在解决上述缺陷，提供一种二氧化硅包覆磁性多孔聚苯乙烯微球的制备方法。
8.为了克服背景技术中存在的缺陷，公开了一种以交联多孔聚苯乙烯微球为载体，在微球上负载fe3o4，最后包覆二氧化硅层的合成方法，意在提供一种单分散性良好、磁分离效果好、具有超顺磁性且粒径分布均一的多孔聚苯乙烯磁性微球的合成方法，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种二氧化硅包覆磁性多孔聚苯乙烯微球的制备方法，该制备方法包括：s1、通过硝化试剂加热方式对聚合物微球表面进行硝化处理，聚合物微球与硝化试剂质量体积比为0.025-0.05g/ml，硝化温度为25-60oc，硝化时间为1-24h，随后用洗涤试剂洗涤，60oc真空干燥12h以上；s2、将步骤s1得到的微球与铁盐溶液通过溶剂热法进行反应，球与铁盐质量比为1:1-5，反应温度为160-250oc，反应时间为8-12h，反应完毕倒去上层乙二醇，用洗涤剂清洗，60oc真空干燥12h，得到磁性fe3o4包覆的多孔聚苯乙烯微球；s3、制备无水乙醇和水的混合溶剂，将步骤s2得到的微球缓慢地加入混合溶剂，随后加入氨水超声搅拌均匀后，再加入正硅酸乙酯，混合均匀得到溶液，正硅酸乙酯与氨水的体积比为1:1-10，氨水质量浓度为25-30%，微球与正硅酸乙酯的质量体积比为1-10g/ml，反应温度为25-40oc，反应时间为6-8h，反应结束后，将产物磁分离，用洗涤试剂洗涤，即得到表面包覆有二氧化硅层的多孔聚苯乙烯磁性微球。
9.根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述聚合物微球为乙烯基单体通过聚合得到。
10.根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述乙烯基单体为苯乙烯、丙烯酸酯、乙烯基酯中的一种或多种，或者为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯中的一种或多种。
11.根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述聚合物微球为多孔交联的，粒径为0.5-3.0μm，呈球形。
12.根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述硝化试剂选自浓硝酸（65-68%）、浓硝酸-二氯甲烷混合液，浓硝酸-浓硫酸（95-98%）混合液或者浓硝酸-冰醋酸混合液。
13.根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述浓硝酸-浓硫酸混合液是v
浓硝酸
：v
浓硫酸
=1:3的混合液。
14.根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述步骤s2中铁盐为无水三氯化铁，根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述步骤s2中溶剂热法的反应溶剂为乙二醇或者乙二醇-二乙二醇。
15.根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述步骤s3中混合溶剂无水乙醇与水的比例为5:1，所用到的碱为氨水。
16.根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述步骤s1中的洗涤剂为水和/或甲醇，步骤s2中的洗涤剂为水和/或50%无水乙醇，步骤s3中的洗涤剂为水和/或无水乙醇。
17.本发明的有益效果是：本发明制得的微球单分散性好、沉降速度慢、磁分离效率好且粒径均一，包括以聚合物微球为起始种球，利用混酸试剂对其表面进行硝化，而后与铁盐溶液通过溶剂热法在微球表面/孔内生成磁性fe3o4，得到具有超顺磁性的聚合物微球，随后用正硅酸乙酯在上述微球最外层包覆二氧化硅层，还可在此基础上对上述微球表面进行功能化修饰，得到表面功能化的磁性聚苯乙烯微球，通过控制并优化所用铁含量，可使得磁性微球表面官能化更易实现，微球磁吸效果更好。上述制备过程简便、可操作性强、制备效率高。得到的多孔聚苯乙烯磁性微球粒径均一、在外加磁场下可快速分离、单分散性优异且沉降速度慢，且与多数外层为聚合物的磁性微球不同的是，本发明以胶体化学方法在聚合物外层包裹二氧化硅层，因此可使微球表面修饰不同基团，为实际材料多样性应用提供了可能性。
具体实施方式
18.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.一种以分散聚合方法制备多孔交联聚苯乙烯种球，通过溶剂热法在其孔内/表面生成fe3o4，随后包覆硅层制得二氧化硅包覆的多孔聚苯乙烯磁性微球的制备方法。具体该制备方法包括：s1、通过硝化试剂加热方式对聚合物微球表面进行硝化处理，聚合物微球与硝化试剂质量体积比为0.025-0.05g/ml，硝化温度为25-60oc，硝化时间为1-24h，随后用洗涤试剂洗涤，60oc真空干燥12h以上；s2、将步骤s1得到的微球与铁盐溶液通过溶剂热法进行反应，球与铁盐质量比为1:1-5，反应温度为160-250oc，反应时间为8-12h，反应完毕倒去上层乙二醇，用洗涤剂清洗，60oc真空干燥12h，得到磁性fe3o4包覆的多孔聚苯乙烯微球；s3、制备无水乙醇和水的混合溶剂，将步骤s2得到的微球缓慢地加入混合溶剂，随后加入氨水超声搅拌均匀后，再加入正硅酸乙酯，混合均匀得到溶液，正硅酸乙酯与氨水的体积比为1:1-10，氨水质量浓度为25-30%，微球与正硅酸乙酯的质量体积比为1-10g/ml，反应温度为25-40oc，反应时间为6-8h，反应结束后，将产物磁分离，用洗涤试剂洗涤，即得到表面包覆有二氧化硅层的多孔聚苯乙烯磁性微球。
20.优选例，聚合物微球为乙烯基单体通过聚合得到。
21.优选例，乙烯基单体为苯乙烯、丙烯酸酯、乙烯基酯中的一种或多种，或者为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯中的一种或多种。
22.优选例，聚合物微球为多孔交联的，粒径为0.5-3.0μm，呈球形。
23.优选例，硝化试剂选自浓硝酸（65-68%）、浓硝酸-二氯甲烷混合液，浓硝酸-浓硫酸（95-98%）混合液或者浓硝酸-冰醋酸混合液。
24.优选例，浓硝酸-浓硫酸混合液是v
浓硝酸
：v
浓硫酸
=1:3的混合液。
25.优选例，步骤s2中铁盐为无水三氯化铁。
26.优选例，步骤s2中溶剂热法的反应溶剂为乙二醇或者乙二醇-二乙二醇。
27.优选例，步骤s3中混合溶剂的无水乙醇与水的比例为5:1。
28.优选例，步骤s1中的洗涤剂为水和/或甲醇，步骤s2中的洗涤剂为水和/或50%无水乙醇，步骤s3中的洗涤剂为水和/或无水乙醇。
29.实施例1，制备步骤如下：s1、10.0g粒径值为1.3μm的多孔交联聚苯乙烯微球抽滤为湿饼备用，100ml浓硝酸和300ml浓硫酸混合后加入备好的微球中，30oc搅拌2h，产物过夜静置后弃去上清液，依次用水、甲醇洗涤，60oc真空干燥12h以上。
30.s2、称量3.0g无水三氯化铁，快速加入已量取好的180ml乙二醇中，35oc磁力搅拌至无水三氯化铁全部溶解，加入2.75g氢氧化钠和0.75ml水，继续搅拌至溶解后，将步骤s1制得的样品取1.0g加入，搅拌0.5h，抽真空0.5h，将该溶液转移至另一干燥的锥形瓶中，用锡箔纸包裹住瓶塞口，置于190oc温度下反应12h，后倒去上层乙二醇，分别用50%无水乙醇和水清洗，60oc真空干燥12h。
31.s3、取1.0g步骤s2得到的磁性微球分散在120ml混合溶剂中，混合溶剂为无水乙醇:水=5:1，加入12ml氨水，超声搅拌30min，8ml正硅酸乙酯分散于20ml无水乙醇中，均匀混合后缓慢滴加进上述溶液，滴加完成，继续反应6h，温度保持在35oc。反应结束后，将产物磁分离，用无水乙醇和水连续洗涤，即得1.5μm二氧化硅包覆聚苯乙烯磁性微球产品。
32.步骤s3制备得到的二氧化硅包覆多孔聚苯乙烯磁性微球分散在纯水中，即得二氧化硅包覆的聚苯乙烯磁性微球。
33.实施例2，制备步骤如下：s1、10.0g粒径值为2.5μm的多孔交联聚苯乙烯微球抽滤为湿饼备用，100ml浓硝酸和300ml浓硫酸混合后加入备好的微球中，30oc搅拌2h，产物过夜静置后弃去上清液，依次用水、甲醇洗涤，60oc真空干燥12h以上。
34.s2、称量5.0g无水三氯化铁，快速加入已量取好的300ml乙二醇中，35oc磁力搅拌至无水三氯化铁全部溶解，加入4.58g氢氧化钠和1.25ml水，继续搅拌至溶解后，将步骤s1制得的样品取3.0g加入，搅拌0.5h，抽真空0.5h，将该溶液转移至另一干燥的锥形瓶中，用锡箔纸包裹住瓶塞口，置于190oc温度下反应12h，后倒去上层乙二醇，分别用50%无水乙醇和水清洗，60oc真空干燥12h。
35.s3、取1.0g步骤s2得到的磁性微球分散在120ml混合溶剂（无水乙醇:水=5:1）中，加入12ml氨水，超声搅拌30min，10ml正硅酸乙酯分散于20ml无水乙醇中，均匀混合后缓慢滴加进上述溶液，滴加完成，继续反应6h，温度保持在35oc。反应结束后，将产物磁分离，用无水乙醇和水连续洗涤，即得2.8μm二氧化硅包覆聚苯乙烯磁性微球产品。
36.步骤s3制备得到的二氧化硅包覆多孔聚苯乙烯磁性微球分散在纯水中，即得二氧化硅包覆的聚苯乙烯磁性微球。
37.实施例3，制备步骤如下： s1、10.0g粒径值为2.8μm的多孔交联聚苯乙烯微球抽滤为湿饼备用，100ml浓硝酸和300ml浓硫酸混合后加入备好的微球中，30oc搅拌2h，产物过夜静置后弃去上清液，依次用水、甲醇洗涤，60oc真空干燥12h以上。
38.s2、称量7.5g无水三氯化铁，快速加入已量取好的400ml乙二醇中，35oc磁力搅拌至无水三氯化铁全部溶解，加入6.89g氢氧化钠和3.2ml水，继续搅拌至溶解后，将步骤s1制得的样品取5.0g加入，搅拌0.5h，抽真空0.5h，将该溶液转移至另一干燥的锥形瓶中，用锡箔纸包裹住瓶塞口，置于200oc温度下反应12h，后倒去上层乙二醇，分别用50%无水乙醇和水清洗，60oc真空干燥12h。
39.s3、取1.0g步骤s2得到的磁性微球分散在120ml混合溶剂，无水乙醇:水=5:1中，加入12ml氨水，超声搅拌30min，10ml正硅酸乙酯分散于20ml无水乙醇中，均匀混合后缓慢滴加进上述溶液，滴加完成，继续反应6h，温度保持在35oc。反应结束后，将产物磁分离，用无水乙醇和水连续洗涤，即得3.0μm二氧化硅包覆聚苯乙烯磁性微球产品。
40.步骤s3制备得到的二氧化硅包覆多孔聚苯乙烯磁性微球分散在纯水中，即得二氧化硅包覆的聚苯乙烯磁性微球。
41.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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。