一种表面功能化的微米级多孔顺磁性球形树脂颗粒的制备方法与流程

本发明涉及固体材料技术领域，具体涉及一种不同表面功能化的微米级多孔顺磁性球形树脂颗粒的制备方法。

背景技术：

磁性材料，特别是磁性纳米材料，因其较高的比表面积和顺磁特性使其出在快速、简便的进行分离富集物质时展现出巨大优势。但纳米材料在使用时也具有明显的不足和缺陷，包括制备方法不够简便、稳定，颗粒易团聚，溶液中的残留易堵塞过滤装置等问题。而微米级的功能化的树脂多孔颗粒具有高强度、高比表面、耐酸碱等优良特性，在医药、生物和化学化工等领域被广泛用做分离、分析和富集材料。但相对磁性材料，单纯的树脂颗粒无法依靠磁场进行快速的分离和转移。制备具有顺磁特性的微米级功能化的多孔树脂颗粒的材料则能有效的结合前述两种材料的优势，使其在分离富集及其与自动化仪器结合时带来更大的优势。

技术实现要素：

本发明提供了一种具有顺磁性能的聚合物微球的制备方法；所述方法包括如下步骤：

(1)通过硝化试剂对聚合物微球表面进行硝化处理；

(2)将步骤(1)得到的微球与亚铁盐或亚铁盐与其他金属的盐的组合、和碱进行反应；

优选的，所述的聚合物微球为乙烯基单体聚合得到，可以为一种乙烯基单体的均聚物，也可以两种以上的乙烯基单体的共聚物；所述的乙烯基单体优选自：苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸酯、乙烯基酯、及其衍生物，更优选自：苯乙烯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、乙酸乙烯酯中的一种或多种；

在本发明的一个优选实施例中，所述的乙烯基单体为苯乙烯，所述的聚合物微球为苯乙烯的均聚物；

上述步骤(1)中所用的聚合物微球可采用现有技术中公开的方法制备得到，也可以采用商购；

优选的，所述的聚合物微球为多孔交联的；优选的，聚合物微球的交联度为40-80％；更优选为60-80％；

优选的，所述的聚合物微球为球形；

优选的，所述的微球的粒径为100-400目，更优选为200-400目；

优选的，所述的微球的比表面积100-600m²/g，更优选为300-500m²/g；

优选的，所述的微球的孔径为3-50nm，更优选为3-10nm；

优选的，所述的硝化试剂优选自：浓硝酸(65-70wt％)、浓硝酸(65-70wt％)-浓硫酸(>98wt％)的混合液、浓硝酸(65-70wt％)-冰醋酸的混合液；

优选的，所述的浓硝酸-浓硫酸的混合液为浓硝酸与浓硫酸以体积比1:1的混合液；

优选的，所述的浓硝酸-冰醋酸的混合液为浓硝酸与冰醋酸以体积比1:1的混合液；

优选的，所述的亚铁盐为氯化亚铁或硫酸亚铁，如四水合氯化亚铁或七水合硫酸亚铁；

优选的，所述的其他金属为镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)。

在本发明的一个实施例中，步骤(2)中将步骤(1)得到的微球与亚铁盐、碱反应，形成磁性粒子Fe₃O₄；

优选的，所述的碱为氨水；在本发明一个优选实施例中，所述氨水为饱和氨水；

优选的，所述的聚合物微球与硝化试剂的质量体积比为0.5-10g/ml；更优选为1-5g/ml；

优选的，所述的硝化时间为1-24h，更优选为1-10h；

优选的，所述的硝化温度为室温；

优选的，步骤(2)中，步骤(1)得到的微球与亚铁盐的质量比例为1:0.6-5；更优选为1:0.8-1.5；

优选的，步骤(2)中，步骤(1)得到的微球与碱的质量体积比为0.1-10g/ml，更优选为0.1-1.0g/ml；

优选的，步骤(2)的反应温度50-70℃，反应时间2-3小时。

在本发明的一个实施例中，所述的步骤(1)包括：室温下，将聚合物微球悬浮于溶剂中，使用硝化试剂对其表面进行硝化处理，使其表面含有硝基官能团，处理后的颗粒洗涤，干燥。

优选的，所述的悬浮用溶剂为二氯甲烷或四氢呋喃；

优选的，所述的洗涤试剂为蒸馏水和/或甲醇。

在本发明的一个优选实施例中，所述的步骤(2)包括：将步骤(1)得到的硝化颗粒悬浮于溶剂中，氮气保护下，加入饱和氨水和水溶性亚铁盐，升温进行氧化还原反应，反应后的颗粒洗涤，浮选，干燥。

优选的，所述的悬浮用溶剂为蒸馏水；

优选的，所述的洗涤试剂为蒸馏水和/或甲醇。

本发明还提供一种由上述方法制备得到的具有顺磁性能的聚合物微球；

优选的，所述的微球为具有顺磁性能的多孔交联聚苯乙烯颗粒；

优选的，所述的微球的铁含量为1-20％(质量百分数)，优选为1-10％，更优选为5-10％。

在本发明的一个优选实施例中，所述的微球的铁含量为10％；

优选的，所述的微球为球形；

优选的，所述的微球的粒径为100-400目，更优选为200-400目；

优选的，所述的微球的比表面积100-500m²/g，更优选为300-450m²/g；

优选的，所述的微球的孔径为3-50nm，更优选为3-10nm。

本发明还提供一种表面环氧基活化的磁性聚合物微球的制备方法，所述方法包括：利用环氧基单体对上述具有顺磁性能的聚合物微球表面进行环氧基活化；

优选的，所述的环氧基单体为丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯烯丙基缩水甘油酯、丁烯基缩水甘油酯中的一种或多种，和/或，二缩水甘油醚、环氧醇中的一种或多种；

优选的，所述的二缩水甘油醚为丁二醇二缩水甘油醚；

优选的，所述的环氧醇为环氧丙醇。

在本发明的一个优选实施例中，所述的环氧基单体为环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的组合；

在本发明的一个更优选的实施例中，所述的环氧基单体为体积比为1：1：1的环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的组合；

优选的，所述的环氧基单体与具有顺磁性能的聚合物微球的重量比例为1：3-2：1；

优选的，所述的的反应温度为65-75℃；

优选的，所述的的反应时间为16-24h。

在本发明的一个优选实施例中，上述方法包括：

将上述具有顺磁性能的聚合物微球悬浮于溶剂中，加入环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油醚、丁二醇二缩水甘油醚，搅拌下加热反应，反应后的颗粒洗涤，干燥。

优选的，所述的悬浮用溶剂为乙二醇二甲醚；

优选的，所述的洗涤试剂为无水乙醇和/或甲醇。

本发明还提供一种上述方法制备得到的表面环氧基活化的磁性聚合物微球。

本发明还提供一种表面功能化的磁性聚合物微球的制备方法，所述方法包括：功能化反应物与上述表面环氧基活化的磁性聚合物微球表面反应；

在本发明的一个实施例中，所述的功能化反应物为含功能化基团的化合物，通过与微球表面环氧基反应连接或聚合，实现表面功能化；

在本发明的一个优选实施例中，所述的功能化反应物为功能化聚合单体，所述方法包括：采用自由基聚合技术，引发功能化聚合单体在上述表面环氧基活化的磁性聚合物微球表面进行聚合反应；

步骤(2)中，采用的引发剂可为偶氮类引发剂、有机或无机过氧化物引发剂，优选自：过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰、2,2’-偶氮双(2-甲基丙脒)二盐酸盐；

所述的功能化基团优选自：羟基、羧基、氨基、巯基、酰胺基、季铵基、磺酸基、咪唑、吡啶、吡咯烷酮基中的一种或多种；

优选的，所述的功能化聚合单体含有乙烯基和功能化基团。

在本发明的一个优选实施例中，所述的功能化聚合单体选自：乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、苯乙烯磺酸钠、乙烯基咪唑、甲基丙酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰胺；

优选的，所述的引发剂与功能化聚合单体的重量比为1：10-100，优选为1:20-40；

优选的，所述的功能化聚合单体与步骤(1)得到的颗粒的重量比为1：5-100，优选为1:5-50，更优选为1:5-10。

在本发明的一个优选实施例中，上述方法包括：

将上述表面环氧基活化的磁性聚合物微球悬浮于溶剂中，加入引发剂、功能化聚合单体，升温聚合，产物洗涤、干燥。

优选的，所述的溶剂选自：乙醇、甲醇、水及各种比例的乙醇(或甲醇)-水混合溶液，所述的溶剂与颗粒的体积重量比为5-20ml/g；

优选的，所述的洗涤试剂选自：无水乙醇、甲醇、水中的一种或多种。

本发明另一方面还提供一种上述方法制备得到的表面功能化的磁性聚合物微球。

优选的，所述的微球为具有顺磁性能的多孔交联聚苯乙烯颗粒；

优选的，所述的微球铁含量为1-20％(质量百分数)，优选为1-10％，更优选为5-10％。

在本发明的一个优选实施例中，所述的微球的铁含量为10％；

优选的，所述的微球为球形；

优选的，所述的微球的粒径为100-400目，更优选为200-400目；

优选的，所述的微球的比表面积100-500m²/g，更优选为300-450m²/g；

优选的，所述的微球的孔径为3-50nm，更优选为3-10nm；

优选的，所述的微球的功能化基团选自：羟基、羧基、氨基、巯基、酰胺基、季铵基、磺酸基、咪唑、吡啶、吡咯烷酮基中的一种或多种。

本发明还提供一种上述制备方法和制备得到的微球在生物工程(如固定化酶)、生物医学(如靶向药物、酶标、临床诊断)、细胞学(如细胞分离、细胞标记)、化学分离(如固相萃取)等领域中的应用。

优选的，所述的应用为在固相萃取中的应用。

本发明还提供一种固相萃取材料，包括上述具有顺磁性能的聚合物微球、表面环氧基活化的磁性聚合物微球、表面功能化的磁性聚合物微球；

在本发明的一个优选实施例中，所述的固相萃取材料包括上述表面功能化的磁性多孔交联聚苯乙烯球形颗粒，所述功能化的基团选自：羟基、吡咯烷酮基、磺酸基、咪唑基、季铵基、酰胺基中的一种或多种；

优选的，所述的微球铁含量为1-20％，优选为1-10％，更优选为5-10％。

在本发明的一个优选实施例中，所述的微球的铁含量为10％。

本发明还提供一种上述固相萃取材料的制备方法，所述制备方法包括上述具有顺磁性能的聚合物微球的制备步骤；

优选的，所述制备方法还包括利用环氧基单体对上述具有顺磁性能的聚合物微球表面进行环氧基活化的步骤；

优选的，所述制备方法还包括功能化反应物与上述表面环氧基活化的磁性聚合物微球表面反应的步骤。

本发明中所述的聚合物微球颗粒的干燥优选使用真空干燥方式。

本发明提供的具有顺磁性能的聚合物微球的制备方法，包括以聚合物微球为起始原料，使用硝化试剂对其表面进行硝化，而后通过与水溶性亚铁盐的氧化还原反应在微球表面生成磁性材料，得到具有顺磁性能的聚合物微球，还可以在此基础上对上述微球表面进行环氧基活化、功能化衍生，得到表面功能化的磁性聚合物微球。通过优化和控制微球铁含量，可以尽量减小磁化过程对微球孔径、比表面积等参数的影响，且后续磁化微球的表面官能化更容易实现，微球的吸附效果更好。上述制备方法工艺简单，反应条件温和，工艺可操作性强，选择性多，易操作，制备效率较高。得到的具有顺磁性能的聚合物微球，特别是表面功能化的交联聚苯乙烯球形颗粒采用外加磁场即可实现快速高效分离，可以再生和重复利用，比表面积大，且表面功能化，可广泛用于固定化酶、靶向药物制备、酶或同位素标记、细胞分离、细胞表面标记、固相萃取，特别是用作固相萃取材料的效果好。

附图说明

图1所示为本发明实施例3提供的铁含量对磁性微球的比表面积、孔径的影响结果。

图2所示为本发明实施例4提供的铁含量对磁性微球的吡咯烷酮取代度的影响结果。

图3所示为本发明实施例5提供的铁含量对吡咯烷酮顺磁性微球的对乙酰氨基酚吸附率的影响结果。

图4所示为本发明实施例11提供的磁性微球吸的萃取实验结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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作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。

实施例1

制备步骤如下：

(1)10.0g多孔交联聚苯乙烯球形颗粒(200-300目，80％交联，400m²/g)悬浮于100ml二氯甲烷中，加入浓硝酸(65-70wt％)3ml，室温下搅拌12h。产物过滤，依次用水、甲醇洗涤，60℃真空干燥6小时以上。

(2)将步骤(1)制得的干燥颗粒悬浮于50ml蒸馏水中，氮气保护下加入40ml饱和氨水、13.0g七水合硫酸亚铁，搅拌下60℃反应3小时。产物过滤，水洗、浮选，60℃真空干燥6小时以上。

(3)将6.0g步骤(2)制得的产物悬浮于40ml乙二醇二甲醚中，加入环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的混合溶液(体积比为1：1：1)3.0g，65℃搅拌反应24小时。反应后的颗粒用无水乙醇、甲醇洗涤，真空干燥6小时以上。

(4)将2.0g步骤(3)得到的颗粒悬浮于20ml无水乙醇中，加入乙烯基吡咯烷酮0.20g、0.01g偶氮二异丁腈，搅拌下70℃反应24小时。产物乙醇、甲醇洗涤、真空干燥6小时以上，得到吡咯烷酮功能化的颗粒。制得的产物经测试，具有顺磁性，含铁量6％，200-300目，球形，比表面316m²/g，孔径4.6nm。

实施例2

制备步骤如下：

(1)10.0g多孔交联聚苯乙烯球形颗粒(200-400目，60％交联，500m²/g)悬浮于100ml二氯甲烷中，加入浓硝酸(65-70wt％)冰醋酸的混合液(体积比1：1)4ml，室温下搅拌12h。产物过滤，依次用水、甲醇洗涤，60℃真空干燥6小时以上。

(2)将步骤(1)制得的干燥颗粒悬浮于50ml蒸馏水中，氮气保护下加入40ml饱和氨水、9.2g四水合氯化亚铁，搅拌下75℃反应2小时。产物过滤，水洗、浮选，60℃真空干燥6小时以上。

(3)将6.0g步骤(2)制得的产物悬浮于40ml乙二醇二甲醚中，加入环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的混合溶液(体积比为1：1：1)3.0g，65℃搅拌反应24小时。反应后的颗粒用无水乙醇、甲醇洗涤，真空干燥6小时以上。

(4)将2.0g步骤(3)得到的颗粒悬浮于20ml无水乙醇中，加入0.2g甲基丙烯酸羟乙酯，0.01g偶氮二异丁腈，搅拌下70℃反应24小时。产物乙醇、甲醇洗涤、真空干燥6小时以上，得到羟基功能化的颗粒。

制得的产物经测试，具有顺磁性，含铁量8％，200-400目，球形，比表面401m²/g，孔径3.8nm。

实施例3

参照实施例1步骤(1)和(2)制备磁性微球，调节硝化试剂、亚铁盐添加量，得到不同铁含量的磁性微球，以用于磁化的基础聚合物微球(铁含量为0)为对照，对比磁化得到的铁含量对微球的比表面积、孔径的影响，结果如图1所示。

由图1结果可知，磁化过程都会使微球比表面积下降，不同铁含量对微球的孔径影响不同，铁含量为1％和15％，对微球的孔径影响相对较小。

实施例4

(1)参照实施例1步骤(1)和(2)制备磁性微球，调节硝化试剂、亚铁盐添加量，制备得到铁含量分别为1％、3％、5％、8％、10％、12％、15％、18％、20％的磁性微球。

(2)将6.0g步骤(1)制得的产物悬浮于40ml乙二醇二甲醚中，加入环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的混合溶液(体积比为1：1：1)3.0g，65℃搅拌反应24小时。反应后的颗粒用无水乙醇、甲醇洗涤，真空干燥6小时以上。

(3)将2.0g步骤(2)得到的颗粒悬浮于20ml无水乙醇中，加入乙烯基吡咯烷酮0.20g、0.01g偶氮二异丁腈，搅拌下70℃反应24小时。产物经乙醇、甲醇洗涤，真空干燥6小时以上，得到吡咯烷酮功能化的颗粒。经元素分析测试含氮量，折算每克磁性微球中吡咯烷酮的毫摩尔数(mmol/g)，结果如图2所示。

由图2可知，铁含量越高，制备得到的磁性微球的吡咯烷酮取代度越低，固相萃取过程优选的相应取代度范围0.5-0.8mmol/g。即优选铁含量范围为1-10％，铁含量越高顺磁性越强，因此优选铁含量为5-10％。

实施例5

(1)取实施例4制备得到的铁含量分别为1％、3％、5％、8％、10％、12％、15％、18％、20％的吡咯烷酮顺磁性微球各10mg。

(2)将0.30mg对乙酰氨基酚溶解于30ml去离子水并置于50ml离心管中，然后将步骤1中的磁性微球，涡旋振荡3min，用磁铁吸附磁性微球，取离心管内液体用HPLC分析，计算HPLC分析数据后，对乙酰氨基酚吸附率与铁含量关系曲线如图3所示。

由图3可知，铁含量为1-10％的微球吸附效果较好。

实施例6

制备步骤如下：

使用200-400目的多孔交联聚苯乙烯球形颗粒，采用类似实施例1中的方法得到经环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的混合溶液反应过的干燥颗粒。取10.0g悬浮于90ml甲醇-水(4：1，体积比)中，加入2.0g苯乙烯磺酸钠、0.10g过硫酸铵，60℃反应24小时，得到磺酸基功能化的颗粒。

产物经洗涤干燥后测试具有顺磁性，比表面384m²/g，孔径4.5nm。

实施例7

使用200-400目的多孔交联聚苯乙烯球形颗粒，采用类似实施例1中的方法得到经环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的混合溶液反应过的干燥颗粒。取15.0g悬浮于120ml乙醇中，加入1.5g乙烯基咪唑、0.075g过氧化苯甲酰，75℃反应18小时，得到咪唑功能化的颗粒。

产物经洗涤干燥后测试具有顺磁性，比表面384m²/g，孔径4.5nm。

实施例8

使用200-400目的多孔交联聚苯乙烯球形颗粒，采用类似实施例1中的方法得到经环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的混合溶液反应过的干燥颗粒。取10.0g悬浮于100ml乙醇-水(9：1，体积比)中，加入1.5g甲基丙酰氧乙基三甲基氯化铵，0.05g2,2’-偶氮双(2-甲基丙脒)二盐酸盐，70℃反应20小时，得到0.5-0.7mmol/g季铵基功能化的颗粒。

产物经洗涤干燥后测试具有顺磁性，比表面413m²/g，孔径4.5nm。

实施例9

使用200-400目的多孔交联聚苯乙烯球形颗粒，采用类似实施例1中的方法得到经环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的混合溶液反应过的干燥颗粒。取10.0g悬浮于100ml乙醇-水(3：1，体积比)中，加入2.0g丙烯酰胺、0.075g过氧化苯甲酰，75℃反应24小时，得到酰胺功能化的颗粒。

产物经洗涤干燥后测试具有顺磁性，比表面384m²/g，孔径4.5nm。

实施例10

制备步骤如下：

(1)Fe₃O₄纳米粒子制备：在N₂环境下，将一定量、离子数比n(Fe³⁺)：n(Fe²⁺)为2∶1的混合盐溶液置于三口烧瓶中，加水稀释，加热到55℃，缓慢加入过量的氨水反应0.5h，升温至70℃熟化0.5h，得到黑色产物，洗涤干燥后配成一定浓度备用。

(2)Fe₃O₄纳米粒子表面：改性取3mL硅烷偶联剂KH-570于圆底烧瓶中，依次加入水、冰醋酸，室温下搅拌至体系均匀。70℃、N₂氛围下，在上述体系中加入一定量纳米Fe₃O₄水溶液，反应至黑亮的油状物析出。

(3)聚苯乙烯磁性微球制备：取一定量硅烷化改性的Fe₃O₄、St、MMA、去离子水于三口烧瓶，超声分散预处理10min，形成稳定体系，氮气保护，70℃恒温水浴，搅拌、冷凝回流，逐滴加入K₂S₂O₈溶液，反应4h，分离洗涤，用1mol/L盐酸浸泡24h后水洗至中性，磁分离得到聚苯乙烯磁性微球。

(4)使用上述制备的多孔交联聚苯乙烯球形颗粒，采用类似实施例1中的方法得到经环氧丙醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丁二醇二缩水甘油醚的混合溶液反应过的干燥颗粒。取10.0g悬浮于100ml乙醇-水(9：1，体积比)中，加入1.5g甲基丙酰氧乙基三甲基氯化铵，0.05g2,2’-偶氮双(2-甲基丙脒)二盐酸盐，70℃反应20小时，得到0.3mmol/g季铵基功能化的颗粒。

产物经洗涤干燥后测试具有顺磁性，比表面430m²/g，孔径4.6nm。

对比实施例8和10可知，采用本申请的方法制备得到的磁性微球更容易实现后续的表面功能化。

实施例11萃取效果实验

以实施例8中得到的磁性微球做萃取实验，10mg的多孔季铵基功能化聚苯乙烯磁性微球作为吸附剂、100mL的10mg/L的甲基橙溶液，取8份10mL甲基橙溶液(10mg/L)，用0.1mol/L的HNO₃和0.1mol/L NaOH调节pH＝3、4、5、6、7、8、9、10，分别加入10mg多孔季铵基功能化聚苯乙烯磁性微球吸附剂，经涡旋振荡然后用磁铁进行分离，用紫外分光光度计进行测定吸光度值。实验结果如图4所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。