一种表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料及其制备方法与应用与流程

本发明属于功能化磁性纳米材料技术领域，尤其涉及一种表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术：

蛋白质糖基化是一种常见的蛋白质翻译后修饰，与多种生命活动密切相关。目前针对糖蛋白的研究方法主要是先将糖蛋白酶切成肽段，再通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(maldi-tofms)或液相色谱串联质谱(lc-ms/ms)进行分析。由于复杂生物样本中糖蛋白含量低，在质谱分析中，同时存在高丰度的非糖基化肽段的信号抑制和干扰。因此，对糖肽进行选择性富集分离，是开展糖蛋白研究的关键。

目前针对糖肽富集的方法主要有：凝集素亲和色谱法、硼酸亲和色谱法、酰肼化学法和亲水相互作用色谱法。其中，凝集素亲和色谱法特异性高，无法实现多种糖链结构的糖肽富集；酰肼化学法富集过程会对糖链造成破坏，无法得到完成的糖链信息；硼酸与糖链的相互作用力较弱，对复杂样品中糖肽富集效率有限。而亲水相互作用色谱法由于其操作简单，并且能保留完整的糖链信息，在糖蛋白研究中具有巨大的应用前景。然而，采用亲水相互作用色谱法对糖肽进行富集时所使用的亲水材料通常为表面修饰亲水基团层的纳米材料，存在选择性有限，灵敏度低等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料及其制备方法与应用。

本发明提供了一种表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料，它由磁性纳米颗粒、包覆在所述磁性纳米颗粒表面的二氧化硅层和通过在所述二氧化硅层的表面修饰末端带有碳碳双键的硅烷偶联试剂以沉淀聚合的方式聚合在所述二氧化硅层表面的亲水性离子液体层组成。

上述的材料中，所述末端带有碳碳双键的硅烷偶联试剂可为3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯。

上述的材料中，所述亲水性离子液体可为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。

上述的材料中，所述表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料的结构式可如下：

式ⅰ中，●表示外层包覆二氧化硅层的磁性纳米颗粒；n为10～100之间的正整数。

上述的材料中，所述磁性纳米颗粒的粒径可为20～200nm，如150～200nm。

上述的材料中，所述磁性纳米颗粒可为fe3o4磁性纳米颗粒，如γ-fe3o4磁性纳米颗粒。

上述的材料中，所述二氧化硅层的厚度无特殊要求。

本发明还提供了上述任一项所述的表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)在磁性纳米颗粒的表面包覆二氧化硅层，得到产物ⅰ；

(2)在所述产物ⅰ中二氧化硅层的表面修饰末端带有碳碳双键的硅烷偶联试剂，得到表面修饰有碳碳双键的产物ⅱ；

(3)在引发剂和交联剂存在的条件下，所述表面修饰有碳碳双键的产物ⅱ与离子液体进行沉淀聚合，即可得到所述表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料。

上述的制备方法中，步骤(1)中，所述磁性纳米颗粒可为fe3o4磁性纳米颗粒，如γ-fe3o4磁性纳米颗粒。所述γ-fe3o4磁性纳米颗粒可按照常规方法制备得到，如在六水合三氯化铁的乙二醇溶液中加入无水乙酸钠，得混合液；对所述混合液进行加热，冷却后干燥即可得到所述γ-fe3o4磁性纳米颗粒。

所述在六水合三氯化铁的乙二醇溶液中，六水合三氯化铁的质量和乙二醇的体积比可为(0.6～3)g：(20～100)ml，具体可为0.675g：30ml；

所述六水合三氯化铁与所述无水乙酸钠的质量比可为(0.6～3)：(1.5～7)，具体可为0.675：1.8；

所述加热的温度可为200℃，时间可为8～12小时，具体可为8小时。

上述的制备方法中，步骤(1)中，可采用常规的方法在所述磁性纳米颗粒的表面包覆二氧化硅层。在本发明的具体实施例中，通过如下步骤在所述磁性纳米颗粒的表面包覆二氧化硅层：将磁性纳米颗粒分散在由乙醇、水和浓氨水组成的混合液中，经搅拌后加入正硅酸乙酯，继续搅拌反应，即可得到产物ⅰ。

上述的制备方法中，步骤(2)中，可采用常规的方法在所述二氧化硅层的表面修饰末端带有碳碳双键的硅烷偶联试剂。在本发明的具体实施例中，通过如下步骤在所述二氧化硅层的表面修饰末端带有碳碳双键的硅烷偶联试剂：在氮气的保护条件下，以异丙醇为溶剂，所述产物ⅰ和所述末端带有碳碳双键的硅烷偶联试剂进行反应，即可得到所述末端带有碳碳双键的产物ⅱ。

上述的制备方法中，步骤(3)中，所述表面修饰有碳碳双键的产物ⅱ的质量与所述离子液体的体积比可为(30～50)mg：(50～300)μl，具体可为40mg：(50～300)μl、(30～50)mg：200μl或40mg：200μl。

所述引发剂与所述离子液体的质量比可为1：(10～1000)，具体可为1：40；所述引发剂可为偶氮二异丁腈。

所述交联剂与所述离子液体的质量比可为1：(1～5)，具体可为1：1；所述交联剂可为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺。

所述沉淀聚合的温度可为85～95℃，具体可为95℃；时间可为1.5～3小时，具体可为1.5小时。

所述沉淀聚合以无水乙腈为溶剂。

本发明也提供了上述任一项所述的表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料在富集糖肽中的应用。

本发明进一步提供了利用上述任一项所述的表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料对糖进行富集的方法，包括如下步骤：利用所述表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料吸附糖肽样品中的糖肽，用外加磁场分离吸附有糖肽的表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料，即可实现对所述糖肽的富集。

上述的方法中，所述聚合离子液体修饰的磁性纳米材料与所述糖肽样品的质量比可为(10～20)：1)，具体可为20：1。

所述糖肽样品可以糖肽样品溶液的形式存在；所述溶液的浓度可为1pmol/ml～1mmol/ml，具体可为10pmol/ml～1mmol/ml、10pmol/ml、50pmol/ml或1mmol/ml；

所述表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料的质量和所述糖肽样品溶液的体积比可为20ug：(0.1～5)μl，具体可为20ug：1μl。

上述的方法中，所述吸附的步骤可如下：将糖肽样品和所述表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料置于富集缓冲溶液中进行震荡孵育。

所述表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料的质量和所述富集缓冲溶液的体积比可为20ug：(50～200)μl，具体可为20ug：50μl。

上述的方法中，所述富集缓冲溶液可为体积比为88：11.9：0.1的无水乙腈、水和三氟乙酸的混合液。

上述的方法中，所述震荡孵育的频率可为1000～1500rpm，具体可为1500rpm；时间可为10～30分钟，具体可为10分钟。

上述的方法中，所述方法在所述吸附之前还包括用富集缓冲液洗涤所述表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料的步骤。所述富集缓冲溶液可为体积比为88：11.9：0.1的无水乙腈、水和三氟乙酸的混合液。

上述的方法中，所述方法在所述分离之后还包括用洗脱液洗涤吸附有糖肽的表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料并收集洗脱液的步骤。所述洗脱液可为体积比为30：69.9：0.1的无水乙腈、水和三氟乙酸的混合液。

本发明进一步提供了一种糖肽的分析方法，它包括上述任一项所述的对糖肽进行富集方法以及对富集得到的糖肽进行maldi-tofms分析的步骤。

本发明具有如下有益效果：

(1)通过沉淀聚合的方法，在磁性纳米颗粒表面聚合了离子液体；材料合成方法简单、清洁、快速。

(2)通过聚合的离子液体与糖肽的亲水相互作用及静电相互作用，实现对糖肽高效地选择性富集；糖肽富集效果好，可以实现低浓度人血清白蛋白(如igg)中糖肽的富集检测。

附图说明

图1为表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料的合成路线示意图。

图2为实施例1中合成过程中各产物的透射电镜照片和扫描电镜照片，其中，图2(a)为fe3o4纳米颗粒的透射电镜图，图2(d)为fe3o4纳米颗粒的扫描电镜图；图2(b)为fe3o4@mps的透射电镜图，图2(e)为fe3o4@mps的扫描电镜图；图2(c)为fe3o4@mps@pmac的透射电镜图，图2(f)为fe3o4@mps@pmac的扫描电镜图。

图3为将表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料应用于糖肽的高效富集流程图。

图4为实例1中表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料富集人免疫球蛋白酶解液前后的maldi-tof质谱图，其中，图4(a)为富集前的人免疫球蛋白酶解液(1pmol)；图4(b)表面聚合离子液体的磁性纳米材料富集后的人免疫球蛋白酶解液(1pmol)。

图5为实施例2中表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料富集不同浓度的人免疫球蛋白酶解液后的maldi-tof质谱图，其中，图5(a)为50fmol，图5(b)为10fmol。

图6为实施例3中表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料富集人免疫球蛋白酶解液与牛血清白蛋白酶解液混合液前后的maldi-tof质谱图，其中，图6(a)为人免疫球蛋白酶解液与牛血清白蛋白酶解液混合液(1μg)；图6(b)为表面聚合离子液体的磁性纳米材料富集后的人免疫球蛋白酶解液与牛血清白蛋白酶解液混合液(1μg)。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中所用的磁性纳米颗粒(γ-fe3o4)通过如下步骤制备得到：称取0.675g六水合三氯化铁溶解于30ml乙二醇中，超声5min,得到的黄色透明液体，加入1.8g无水乙酸钠，室温下机械搅拌30min，所得溶液转移至teflon内衬不锈钢高压反应釜，加热至200℃，反应8h后，取出反应釜，冷却后，将所得颗粒用无水乙醇和水清洗3次，50℃干燥过夜得fe3o4磁性纳米颗粒。所得fe3o4磁性纳米颗粒的透射电镜图和扫描电镜图如图2所示，粒径约为150～200nm。

人免疫球蛋白及牛血清白蛋白酶解液的配制过程如下：称取1mg人免疫球蛋白或牛血清白蛋白，溶解于1ml50mm碳酸氢铵溶液中，加入20μl1moll-¹二硫苏糖醇，37℃变性4h。加入7.2mg碘代乙酰胺，遮光烷基化反应1h后，按照酶与蛋白质质量比1:50加入胰蛋白酶，37℃下酶切12h。酶切结束后，c18spe柱脱盐，冻干，-20℃保存。

人免疫球蛋白酶解液和牛血清白蛋白酶解液混合液的配制过程如下：将酶切所得的人免疫球蛋白酶解液和牛血清白蛋白酶解液分别用富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)溶解成浓度为1μg/μl的溶液，按体积比1：100配置成人免疫球蛋白酶解液和牛血清白蛋白酶解液混合液(igg:bsa1:100,w/w,1μg/μl)。

实施例1、制备表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料并对糖肽进行富集和检测

一、制备表面聚合离子液体的磁性纳米材料

按照图1所示合成路线示意图制备表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料，具体步骤如下：

步骤1：制备二氧化硅包覆的磁性纳米颗粒

将200mg磁性纳米颗粒(γ-fe3o4,粒径150～200nm)超声分散在200ml乙醇、50ml水和1.5ml浓氨水(28wt％)的混合液中，室温下机械搅拌30min，逐滴加入0.5ml正硅酸乙酯(teos)，继续搅拌反应12h。所得产物(fe3o4@sio2)分别用乙醇和水清洗3次。

步骤2：采用mps在二氧化硅包覆的磁性纳米颗粒表面修饰碳碳双键

将步骤1所得产物用异丙醇清洗3次后，超声分散于50ml异丙醇中，在氮气保护条件下，逐滴加入1ml3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(mps)，室温下机械搅拌过夜，所得颗粒(fe3o4@mps)用乙醇清洗3次。所得颗粒(fe3o4@mps)的透射电镜图和扫描电镜图如图2所示。

步骤3：在修饰有碳碳双键的二氧化硅包覆的磁性纳米颗粒的表面聚合离子液体

取60mg步骤2所得颗粒用无水乙腈清洗3次，超声分散于50ml无水乙腈中，加入200μl亲水性离子液体(甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵)，200mgn,n’-亚甲基双丙烯酰胺和5mg偶氮二异丁腈，超声混匀后置于95℃油浴锅，30min内加热至沸腾状态，反应持续1.5h后终止，所得产物(fe3o4@mps@pmac)依次用乙醇和水清洗3次。所得产物(fe3o4@mps@pmac)的透射电镜图和扫描电镜图如图2所示。

上述制备得到的表面聚合离子液体的磁性纳米材料的结构式如下：

式ⅰ中，●表示外层包覆二氧化硅层的磁性纳米颗粒；n为10～100之间的正整数。

二、采用上述表面聚合离子液体的磁性纳米材料对糖肽进行富集和检测

(1)表面聚合离子液体的磁性纳米材料对糖肽富集

按照图3所示流程图对糖肽进行富集和检测，具体步骤如下：

步骤1：称取表面聚合离子液体修饰的磁性纳米材料1mg，超声分散于1ml富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)中，然后吸取20μl上述悬浊液，通过外加磁场分离磁性纳米颗粒，并用富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)清洗3次。

步骤2：将上述磁性纳米颗粒(20μg)重悬于50μl富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)中，向其中加入1μl(1mmol/ml)人免疫球蛋白酶解液，室温下震荡混合30min，然后在外加磁场作用下，分离磁性纳米颗粒，并用200μl富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)充分洗涤3次，将所得磁性纳米颗粒分散于20μl洗脱液(无水乙腈/水/三氟乙酸,30:69.9:0.1,v/v/v)中，室温下震荡孵育(1500rpm)10min，通过外加磁场分离磁性纳米颗粒，取适量(1μl)收集的洗脱液滴加于maldi靶盘上，待其充分挥发后，滴加适量dhb基质(2,5-二羟基苯甲酸，含1％磷酸，溶于80％乙腈中)，挥发结晶后，进行maldi-tofms分析。

通过对比富集前人免疫球蛋白酶解液与富集后洗脱液的ms结果，表明该材料对人免疫球蛋白酶解液中糖基化肽段有特异性的富集效果。未富集时，在人免疫球蛋白酶解液的maldi质谱图上，仅能鉴定到4条糖基化肽段，并且在分子量范围1000～2000内有大量的高丰度非糖基化肽段信号，而经过材料富集人免疫球蛋白酶解液的maldi质谱图中，可以鉴定出27条糖基化肽段，同时1000～2000分子量范围内的非糖基化肽段被去除。此结果表明所制备的磁性纳米颗粒对于糖基化肽段有着良好的富集作用(图4)。

实施例2、表面聚合离子液体的磁性纳米材料对糖肽富集灵敏度检测

称取表面聚合离子液体的磁性纳米材料1mg，超声分散于1ml富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)中，然后吸取20μl上述悬浊液，通过外加磁场分离磁性纳米颗粒，并用富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)清洗3次。

将上述磁性纳米颗粒(20μg)重悬于50μl富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)中，向其中加入1μl(50pmol/ml或10pmol/ml)人免疫球蛋白酶解液，室温下震荡混合30min，然后在外加磁场作用下，分离磁性纳米颗粒，并用200μl富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)充分洗涤3次，将所得磁性纳米颗粒分散于20μl洗脱液(无水乙腈/水/三氟乙酸,30:69.9:0.1,v/v/v)中，室温下震荡孵育10min，通过外加磁场分离磁性纳米颗粒，取适量(1μl)收集的洗脱液滴加于maldi靶盘上，待其充分挥发后，滴加适量dhb基质(2,5-二羟基苯甲酸，含1％磷酸，溶于80％乙腈中)，挥发结晶后，进行maldi-tofms分析。

通过对低丰度人免疫球蛋白酶解液进行富集，结果表明该材料对人免疫球蛋白酶解液中糖基化肽段有高灵敏度的富集效果。经过材料富集后，50fmol人免疫球蛋白酶解液的maldi质谱图中可以鉴定出20条糖基化肽段，当人免疫球蛋白酶解液浓度进一步降低至10fmol时，仍可以从其maldi质谱图中鉴定到8条糖基化肽段。结果如图5所示，表明所制备的磁性纳米颗粒可以对于糖基化肽段实现高灵敏度富集。

实施例3、表面聚合离子液体的磁性纳米材料对糖肽富集选择性检测

称取表面聚合离子液体的磁性纳米材料1mg，超声分散于1ml富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)中，然后吸取20μl上述悬浊液，通过外加磁场分离磁性纳米颗粒，并用富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)清洗3次。

将上述磁性纳米颗粒(20μg)重悬于50μl富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)中，向其中加入1μl人免疫球蛋白酶解液和牛血清白蛋白酶解液混合液(igg:bsa1:100,w/w,1μg/μl)，室温下震荡混合30min，然后在外加磁场作用下，分离磁性纳米颗粒，并用200μl富集缓冲液(无水乙腈/水/三氟乙酸,88:11.9:0.1,v/v/v)充分洗涤3次，将所得磁性纳米颗粒分散于20μl洗脱液(无水乙腈/水/三氟乙酸,30:69.9:0.1,v/v/v)中，室温下震荡孵育10min，通过外加磁场分离磁性纳米颗粒，取适量(1μl)收集的洗脱液滴加于maldi靶盘上，待其充分挥发后，滴加适量dhb基质(2,5-二羟基苯甲酸，含1％磷酸，溶于80％乙腈中)，挥发结晶后，进行maldi-tofms分析。

通过比对富集前后人免疫球蛋白酶解液与牛血清白蛋白酶解液混合液结果，表明该材料对糖基化肽段有高选择性的富集效果。由于牛血清白蛋白中不含糖基化位点，未富集时，受高丰度的牛血清白蛋白酶解产物的信号干扰，在混合酶解液的maldi质谱图上，无法鉴定到糖基化肽段，并且在分子量范围1000～2000内有大量的高丰度非糖基化肽段信号，而经过材料富集混合酶解液的maldi质谱图中，可以鉴定出10条糖基化肽段，同时1000～2000分子量范围内的非糖基化肽段被去除。此结果(图6)表明所制备的磁性纳米颗粒对于糖基化肽段有着高选择性的富集效果。