专利名称：一种磁性纳米颗粒及其制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米材料领域，更具体地，涉及生物医药产业中用于分离应用的一种磁性纳米颗粒及其制备方法。
背景技术：
在医药行业中，分离技术主要用于目标药物的回收、提取和纯化，传统的分离技术主要包括离心、过滤、层析、结晶等步骤，该过程往往需要消耗大量的能源，并占据着60%以上的生产成本。在美国的制药行业中有超过1000亿美元的药物是通过发酵方式获得的，而发酵液中的有效药物含量极低，高昂的分离成本和巨大的能耗促使科学家们纷纷研究开发新的高效分离技术。而磁性纳米颗粒填料具有极高的比表面积和独特的磁性特征，在实际的分离应用中可大幅降低分离成本，有效降低能耗，还可避免环境污染，因此受到了广泛的关注。市场上应用最为广泛的磁性纳米颗粒主要为金属氧化物纳米颗粒，如氧化铝、二氧化钛、四氧化三铁、氧化锌、氧化锆等。其中，只有基于四氧化三铁的纳米颗粒可带有磁性。文献“Protein separations using colloidal magnetic nanoparticles，，中公开了一种以四氧化三铁作为基质，表面采用磷脂涂层的纳米胶体颗粒，该颗粒对蛋白的吸附量可达到1. 2克/毫升。但是，这种颗粒的四氧化三铁基质与磷脂涂层之间存在静电作用，在实际分离过程中不可避免 出现涂层脱落的现象，不仅会影响纳米颗粒的使用寿命，而且会导致纳米颗粒之间的聚集，更严重的是从纳米颗粒上脱落的涂层会污染蛋白质分子。因此，该种磁性纳米颗粒难以在生物分离中获得应用。此外，一些过渡金属的合金也可以作为基质，如铁钼合金、钴钼合金等。文献“Nitrilotriacetic Acid-Modified Magnetic Nanoparticles as a General Agent toBind Histidine-Tagged Proteins”中公开了一种磁性铁钼合金纳米颗粒,在其表面键合次氨基三乙酸，再络合上镍离子，形成对组氨酸标记的重组蛋白具有亲和吸附作用的磁性纳米颗粒。该颗粒的亲和吸附能力可达到2 3毫克/毫升。但是生产过程中需要以贵金属钼作为原料，成本昂贵；而且，该颗粒的磁性取决于“铁钼合金”的生产过程，整个生产工艺复杂，过程难以控制。由于现有技术在制备过程、成本控制、分离效果等方面有一定的不足。因此，有必要提出一种磁性纳米颗粒及其制备方法，以实现有效控制吸附填料的制备成本、使制备过程易于控制、提高填料的吸附效果、减少分离成本并避免因填料的排放造成环境污染。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种性能稳定、生物分离性能优良、通过简单的外加磁场即可实现目标物质与杂质分离的磁性纳米颗粒。本发明另一目的在于提供一种工艺简单、制备过程易于控制的一种磁性纳米颗粒的制备方法。为实现本发明的第一个目的，本发明提供了一种磁性纳米颗粒，包括金属钴纳米颗粒内核和包覆在所述金属钴纳米颗粒内核外部的硅胶层，所述硅胶层表面镶嵌有至少一个羟基与至少一个含氧碳链，所述含氧碳链的末端至少含有一个功能基团。作为本发明的进一步改进，所述功能基团包括磺酸基团、季胺基团。作为本发明的进一步改进，所述含氧碳链包含至少2个氧原子。为实现本发明的另一个目的，本发明提供了一种磁性纳米颗粒该制备方法主要包括以下步骤
(1)以脂肪醇为溶剂，以钴盐和硼氢化物为原料，形成表面设有若干个羟基的金属钴纳米颗粒；
(2)将金属钴纳米颗粒加入到四乙氧基硅烷溶液中并与3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷反应，使金属钴纳米颗粒的外部包覆一层硅胶层，且硅胶层上镶嵌至少一个末端含有活性环氧基团的碳链；
(3)在活性环氧基团上通过偶联剂偶联可用于生物分离的功能基团。作为本发明的进一步改进，所述步骤(I)中的脂肪醇为乙醇、丙醇、乙二醇、甘油或任意两种或两种以上的混合物。作为本发明的进一步改进，所述钴盐为氯化钴，所述硼氢化物为硼氢化钠。作为本发明的进一步改进，所述制备方法还包括所述步骤(I)在底部带有磁性装置的反应釜中进行。作为本发明的进一步改进，所述金属钴纳米颗粒的平均粒径范围为50(T900nm。作为本发明的进 一步改进，所述步骤(3)中，与活性环氧基团发生偶联反应的偶联剂包括亚硫酸钠、三甲胺。作为本发明的进一步改进，通过所述偶联反应在末端含有活性环氧基团的碳链上衍生出磺酸基团、季胺基团。与现有技术相比，本发明的有益效果是由于金属钴具有磁性，因此在药物分离过程后便于该颗粒的回收，从而能降低能耗，避免环境污染，同时该制备方法的制备过程易于控制，工艺简单且制造成本相对低廉。
附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的各实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中
图1为本发明一种磁性纳米颗粒的制备方法步骤(I)中金属钴纳米颗粒反应装置的剖视图。图中
喷雾器11、喷雾器12、反应釜2、反应溶液层21、反应终止液层22、金属钴纳米颗粒层23、磁性装置3。图2为本发明在表面形成大量羟基的金属钴纳米颗粒的剖视图。图3为本发明一种磁性纳米颗粒的制备方法步骤(2)中经过表面修饰后表面形成带有活性环氧基团的金属钴纳米颗粒的剖视图。图4为本发明第一种实施方式中一种磁性纳米颗粒的剖视图。图5为本发明第二种实施方式中另一种磁性纳米颗粒的剖视图。
具体实施例方式附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的各实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。发明首先介绍了术语定义和说明，然后介绍了一种用于生物医药分离的磁性金属钴纳米颗粒及其制备方法的相关实施例。1.说明书和权利要求中所用术语的定义和说明
在详细介绍下述实施例详情前，先定义或阐述一些术语。术语“溶胶-凝胶法”是指将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。术语“基团”是指作为某些化合物的分子组成部分的稳定原子团，如氢基、氨基、
偶氣基、自由基等。 术语“键合”是指相邻的两个或多个原子间的强烈相互作用。术语“化学键”是指分子内或晶体内相邻两个或多个原子(或离子)间强烈的相互作用力的统称，其主要包括“共价键”、“离子键”、“金属键”。术语“极性溶剂”是指含有永久电偶极的分子的溶剂，其极性强，介电常数大，其主
要包括羟基或羰基等极性基团。术语“终止剂”是指终止剂也称“链终止剂”，是能与引发剂(或催化剂)或增长链迅速起反应，从而有效地破坏其活性，使聚合反应终止的物质。适时终止聚合反应，可获得分子量均匀、分子结构稳定的高品质聚合物产品。终止剂除起着消除体系活性中心的作用外，还兼有防止老化的作用。术语“色谱分离”是指是一种分离复杂混合物中各个组分的有效方法。它是利用不同物质在由固定相和流动相构成的体系中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质随流动相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配，从而使各物质达到分离。术语“离子交换”是指借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换，以达到提取或去除溶液中某些离子的目的，是一种属于传质分离过程的单元操作。本发明提供一种磁性纳米颗粒，其包括金属钴纳米颗粒内核和包覆在所述金属钴纳米颗粒内核外部的硅胶层。其中，所述硅胶层表面镶嵌有至少一个羟基与至少一个含氧碳链，所述含氧碳链的末端至少含有一个功能基团。进一步，所述功能基团包括磺酸基团、季胺基团，所述含氧碳链包含至少2个氧原子。本发明还提供一种磁性纳米颗粒及其制备方法，该制备方法主要包括以下步骤
(I)以脂肪醇为溶剂，以钴盐和硼氢化物为原料，形成表面设有若干个羟基的金属钴纳米颗粒；(2)将金属钴纳米颗粒加入到四乙氧基硅烷溶液中并与3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷反应，使金属钴纳米颗粒的外部包覆一层硅胶层，且硅胶层上镶嵌至少一个末端含有活性环氧基团的碳链；(3)在活性环氧基团上通过偶联剂偶联用于生物分离的功能基团。其中，所述步骤(I)中的脂肪醇为乙醇、丙醇、乙二醇、甘油或任意两种或两种以上的混合物。其中，所述钴盐为氯化钴，所述硼氢化物为硼氢化钠。
其中，所述制备方法还包括所述步骤(I)在底部带有磁性装置的反应釜中进行。其中，所述步骤(3)中，与活性环氧基团发生偶联反应的偶联剂包括亚硫酸钠、三甲胺，在末端含有活性环氧基团的碳链上衍生出磺酸基团、季胺基团。
以下以多个实施例对本发明的一种磁性纳米颗粒及其制备方法进行说明。实施例1
图1为本发明一种磁性纳米颗粒的制备方法步骤(I)中金属钴纳米颗粒反应装置的剖视图。在规格为500ml容积并带有磁性装置3的反应釜2中加入120ml液体石蜡和30ml6-巯基-1-己醇以构成反应终止液层22。该反应釜2底部的磁性装置为电磁铁3。然后再向反应釜2中加入IOOml无水乙醇作为反应溶液。反应溶液由5g CoCl2和3g NaBH4的乙醇溶液(各100ml)组成。两种溶液分别通过喷雾器11与喷雾器12喷入反应釜2中，以构成反应溶液层21。该喷雾器的喷射速度为2ml/min。随着反应溶液层21中CoCl2和NaBH4反应的进行，金属钴纳米颗粒不断变大，重力不断增加。当重力大于由电磁铁3产生的向上的磁场斥力时，金属钴纳米颗粒进入反应终止液层22中，并与反应终止剂6-巯基-1-己醇反应，在其表面形成含有大量羟基的金属钴纳米颗粒，参图2所示。该金属钴纳米颗粒的平均直径为900纳米，并沉淀到反应釜2底部的金属钴纳米颗粒层23区域中。反应釜2中生成金属钴纳米颗粒的化学反应过程如化学反应式(I)和(2)所示。CoCl2 + 2NaBH4 CSf1Cff,OH , Co + H2 + B2H6 + 2NaCl (I)
B2H6 + 6CH3CH20H 2B(OCH2CH3)3 + 6H2 (2)
在反应终止液层22中的终止液为6-巯基-1-己醇，其含有末端为巯基，可与金属钴纳米颗表面形成弱作用力，从而阻止金属钴纳米颗的增长，同时还在金属钴纳米颗表面形成大量羟基。图3为本发明实施例1中经表面修饰活性环氧基团后的金属钴纳米颗粒的示意图。将表面键合有羟基的金属钴纳米颗粒取出并洗涤，重新分散至200ml四乙氧基硅烷溶液中，并加入20ml的3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷，在室温(20°C)条件下反应16小时，使金属钴纳米颗表面键合上活性环氧基团，环氧密度为0. 3-0. 4mmol/g,其化学反应过程如下化学反应式(3)所示。
权利要求
1.一种磁性纳米颗粒，包括金属钴纳米颗粒内核和包覆在所述金属钴纳米颗粒内核外部的硅胶层，其特征在于所述硅胶层表面镶嵌有至少一个羟基与至少一个含氧碳链，所述含氧碳链的末端至少含有一个功能基团。
2.根据权利要求1所述的磁性纳米颗粒，其特征在于所述功能基团包括磺酸基团、季胺基团。
3.根据权利要求1所述的磁性纳米颗粒，其特征在于所述含氧碳链包含至少2个氧原子。
4.一种磁性纳米颗粒的制备方法，其特征在于，该制备方法主要包括以下步骤 (1)以脂肪醇为溶剂，以钴盐和硼氢化物为原料，形成表面设有若干个羟基的金属钴纳米颗粒； (2)将金属钴纳米颗粒加入到四乙氧基硅烷溶液中并与3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷反应，使金属钴纳米颗粒的外部包覆一层硅胶层，且硅胶层上镶嵌至少一个末端含有活性环氧基团的碳链； (3)在活性环氧基团上通过偶联剂偶联用于生物分离的功能基团。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中的脂肪醇为乙醇、丙醇、乙二醇、甘油或任意两种或两种以上的混合物。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述钴盐为氯化钴，所述硼氢化物为硼氢化钠。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括所述步骤(I)在底部带有磁性装置的反应釜中进行。
8.根据权利要求4或7任一项所述的制备方法，其特征在于所述金属钴纳米颗粒的平均粒径范围为50(T900nm。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中，与活性环氧基团发生偶联反应的偶联剂包括亚硫酸钠、三甲胺。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于通过所述偶联反应在末端含有活性环氧基团的碳链上衍生出磺酸基团、季胺基团。
全文摘要
本发明提供了一种磁性纳米颗粒，包括金属钴纳米颗粒内核和包覆在所述金属钴纳米颗粒内核外部的硅胶层，硅胶层的外部镶嵌有至少一个羟基与至少一个含氧碳链，该含氧碳链的末端偶联功能基团，该功能基团包括磺酸基团、季胺基团。由于该磁性纳米颗粒内核为金属钴，而非四氧化三铁或铂合金，所以材料成本更低，分离效果更佳。此外，本发明提供了一种磁性纳米颗粒的制备方法，该制备方法工艺简单。同时，由于金属钴具有磁性，因此在药物分离过程之后，通过外加磁场的作用即可实现磁性纳米颗粒的回收，从而能降低能耗，避免环境污染。
文档编号H01F1/26GK103065753SQ20111031852
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者瞿欢欢, 徐炜政, 黄学英 申请人:苏州赛分科技有限公司