CN102198385B - 一种磁性荧光双功能氧化硅空心微球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁性荧光双功能氧化硅空心微球的制备方法。具体步骤为：磁性纳米颗粒采用共沉淀法制备，经过油酸表面修饰后分散在长链烷烃中，由苯乙烯单体、超疏水剂、磁性纳米颗粒的烷烃分散液、正硅酸烷基酯组成的油相，和溶解了表面活性剂的水相混合，经过预乳化和细乳化过程得到细乳液液滴体系，在液滴进行自由基聚合时，通过加入碱催化剂来控制氧化硅的形成及体系中有机、无机组分的相分离；在反应过程中加入荧光素标记的硅烷偶联剂和适量的氨水，可得到不同粒径，不同无机壳层厚度，不同磁性颗粒固含量，具有稳定荧光信号的空心复合微球。本发明方法简单，原料成本低、易得。所制得的荧光氧化硅磁性空心复合微球的粒径分布窄，且具有高的磁性物质含量，荧光特性稳定。
Description
发明领域
本发明属于磁性复合功能材料的制备技术领域，具体涉及一种具有荧光特性、高磁性物质含量的氧化硅磁性复合空心微球的制备方法。
背景技术
带有磁性内核的氧化硅空心微球，由于同时具有空心结构、磁响应性及易于功能化修饰的氧化硅表面，因而可广泛应用于细胞分离，酶免疫磁分析，药物控释载体等生物医学领域，因而受到研究者的关注，成为新的研究热点。传统方法制备氧化硅磁性空心微球的思路是与不带磁性的纯氧化硅空心微球制备的思路基本相同，基本采用模板辅助法来制备，构成模板的材料种类繁多，包括聚合物微球、表面活性剂分子构成的胶束（任怡，柳开郎，余竹芳，陆燕，王旭东，李晨曦，中国专利，公开号: CN101792149A）、双亲嵌段聚合物、气泡等硬模板或者软模板。其中报道最为广泛的方法就是采用聚苯乙烯等高分子微球为模板, Caruso 等[Caruso F., et al., Chem. Mater., 2001, 13,109-116.]采用带正电聚苯乙烯微球为模板，在层层静电自组装形成多层氧化硅壳层时，间隔组装上磁性纳米颗粒层，除去聚合物模板后，就得到了氧化硅包被磁性纳米颗粒的空心微球。孙康等[孙康，窦红静，马武伟，中国专利，公开号：CN101183588.]利用带有负电荷的高分子微纳米球为模板，通过在模板表面原位反应生成以磁性纳米粒子壳层，还可以在此微球表面再包裹一层氧化硅壳层，再进一步通过烧灼去除模板来获得空心磁性微纳米球。以上方法要么操作过程十分复杂，需要单独制备和去除模板，要么包裹的磁性物质含量有限，微球的磁响应性不佳。
此外，Kim等人[Kim J., et al., J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 688-689.]在采用CTAB胶束为模板制备氧化硅介孔微球时，加入一定量的油酸修饰的磁性纳米颗粒，从而借助磁性颗粒与表面活性剂疏水端的疏水作用力将少量磁性颗粒包裹在介孔材料中，但是，得到的氧化硅磁性介孔结构的尺寸可调范围较小，而且能够包裹的磁性物质含量较低，微球的磁响应性不佳。Wu 等（J. Appl. Phys., 2006,99,1）采用碳酸钙颗粒为模板，使用溶胶-凝胶法合成了碳酸钙/磁性纳米颗粒/氧化硅复合微球，再采用酸溶等过程除去模板，得到一种新型的磁性氧化硅空心微球，由于所用纳米碳酸钙模板本身粒径不均匀，影响了空心微球的均匀性，此外，酸溶过程可能会破坏磁性纳米颗粒，影响空心微球的磁性能。
专利公开号为CN 101195085的中国专利公开了《磁性空心二氧化硅粒子的制备方法》，该发明提出了一种基于固体磁性纳米颗粒稳定的乳液体系，原位制备磁性空心氧化硅粒子的方法。借助于化学合成的磁性粒子在油水界面自组装形成的界面膜，再使氧化硅溶胶在界面膜上反应得到磁性氧化硅复合结构，最后通过热干燥来去除之前引入的有机溶剂，从而制得磁性空心氧化硅微球。该方法将磁性颗粒的制备与后续氧化硅复合结构的获得放在一个过程中，优点是采用整个过程相对简单，但是，制备得到的磁性纳米颗粒的饱和磁化强度很低，小于15emu/g，使得空心微球的磁性能也受到影响，另外需要热干燥除去有机溶剂，会一定程度上导致空心微球的团聚，影响其分散稳定性。
此外，可采用在带有孔隙结构的氧化硅微球中引入磁性纳米颗粒的思路。有文献报道，利用氧化硅空心微球的较大孔道，将磁性纳米颗粒填充进去[Dechao Niu, et al., J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 15144-15147.]。Chen 等[Chen Y., et al., 2010 3RD INTERNATIONAL NANOELECTRONICS CONFERENCE, 2010, 1, 959-960.]报道了采用真空浸渍技术，将磁性纳米颗粒通过表面孔道结构填充到预先制备得到的氧化硅介孔空心结构中，但是，使用这些方法制备的带有磁性颗粒的氧化硅空心微球，对于负载的磁性纳米颗粒的尺寸和数量会受到空心微球的孔径尺寸、数量的限制，所以制备得到的微球饱和磁化强度一般较小，磁响应性不佳。Yuan 等[Yuan J., et al., J. Magn. Magn. Mater., 2010, 322, 2172-2176.]在修饰了磺酸基的氧化硅空心微球表面，通过吸附2,3价铁盐，再促使铁盐共沉淀反应在氧化硅空心微球表面成核生长，得到磁性纳米颗粒包裹氧化硅壳层的空心结构，该结构具有良好的磁响应性，但是氧化硅壳层因为未暴露在外，而不能被进一步表面修饰，因此该材料体系难以作为生物分子连接的载体，限制了后续的生物医学应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁性荧光双功能氧化硅空心微球的制备方法。
本发明提出了先利用共沉淀法制备具有高饱和磁化强度的疏水性超顺磁性纳米颗粒，然后在有磁性纳米颗粒存在的有机单位的细乳液聚合过程中引入氧化硅的溶胶-凝胶反应的一锅法方法，利用接合有荧光分子的硅烷偶联剂作为共聚分子参与氧化硅的缩聚反应，并且利用反应中的碱原位去除聚合产生的聚合物内核，从而得到具有荧光特性、高磁性物质含量的氧化硅包裹磁性纳米颗粒的空心微球。由于，不需要单独制备和去除模板，整个过程简单，高效，不需要热干燥，空心微球可保持良好的分散性。
本发明提出的一种磁性荧光双功能氧化硅空心微球的制备方法，磁性纳米颗粒采用共沉淀法制备，经过油酸表面修饰后分散在长链烷烃中；由苯乙烯单体、超疏水剂、磁性纳米颗粒的烷烃分散液、正硅酸烷基酯的细乳液聚合的油相，溶解了表面活性剂的水相跟前述油相混合，经过预乳化和细乳化过程得到细乳液液滴体系，其特征在于在液滴进行自由基聚合时，通过加入碱催化剂来控制氧化硅的形成及体系中有机、无机组分的相分离行为，得到氧化硅包被磁性颗粒作为壳层聚合物作为内核的核-壳结构微球，并且通过对加入碱液的时机和用量的控制可以原位去除聚合物内核；再在反应体系中加入荧光染料标记过的有机硅烷偶联剂对氧化硅壳层进行表面修饰，可得到不同粒径，不同无机壳层厚度，不同磁性颗粒固含量，具有稳定荧光信号的空心复合微球，具体步骤如下：
(1) 使用共沉淀法制备磁性纳米颗粒，将所得磁性纳米颗粒超声分散在适量长链烷烃中，再旋转蒸发蒸干烷烃，备用；
(2) 将适量表面活性剂溶解于一定量的去离子水中得到水相，将苯乙烯单体、超疏水剂、正硅酸烷基酯和步骤(1)所得的磁性纳米颗粒混合超声制成均匀的油相，然后与水相混合，500 W下超声细乳化一段时间。加入相对于苯乙烯单体1-2%的引发剂，室温搅拌通N2 25-35 min，然后将反应体系转入加热水浴中，引发聚合，加入适量碱，将体系pH值调节到8.0-10.0之间；整个体系按照重量百分比计，无机磁性纳米颗粒占0.04-0.15 %，苯乙烯单体占12.6-15.1%，表面活性剂占0.19-0.43 %，超疏水剂占0.76-0.84 %，引发剂占0.1-0.3 %，正硅酸烷基酯占2.1-7.6 %，其余为去离子水，其总重量满足100%；
(3) 当步骤（2）中聚合进行20-80 min后，加入0.035-0.1 mL的氨水，在50-80℃下反应3-6 h；加入20 mL醇到反应体系，2.0-8.0 mL氨水，在50-70℃下机械搅拌3-5 h，以原位除去聚苯乙烯内核；
(4) 在步骤（3）反应体系中再加入40 g去离子水，然后加入事先用0.8-4.0 mg荧光染料标记过的有机硅烷偶联剂20-60 μL，在避光、室温条件下进行18 h翻转反应；反应结束后，磁分离下无水乙醇反复充分洗涤去体系中各种未充分反应的试剂和未结合的荧光染料，得到空心微球。
本发明中，步骤(1)中所述磁性纳米颗粒可以是Fe3O4颗粒或者γ-Fe2O3颗粒中任一种。
本发明中，步骤(1)中所述长链烷烃可以是正己烷、环己烷、正辛烷或者癸烷中任一种。
本发明中，步骤(2)中所述表面活性剂可以是十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）或十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）等中任一种。
本发明中，步骤(2)中所述超疏水剂可以是十六烷长链烷烃或者十六醇带长链的醇等其中的一种。
本发明中，步骤(2)中所述碱可以是氨水、氢氧化钾、氢氧化钠或四甲基氢氧化铵等其中的一种。
本发明中，步骤(2)中所述引发剂可以是偶氮二异丁腈或过硫酸钾等其中的一种。
本发明中，步骤(3)中所述醇可以是甲醇、乙醇或异丙醇等中一至几种。
本发明中，步骤(2)中所述正硅酸烷基酯可以是正硅酸甲酯或者正硅酸乙酯等中任一种。
本发明中，步骤(4)中所述有机硅烷偶联剂是能够被荧光染料标记的硅烷偶联剂，可以是三甲氧基氨丙基硅烷、三乙氧基氨丙基硅烷（APS）或N-(β-氨乙基)- γ-丙基三乙氧基硅烷等中任一种。
本发明中，步骤(4)中所述荧光染料可以是异硫氰酸荧光素（FITC）, 四甲基罗丹明-5-异硫氰酸荧光素（TRITC）或若丹明B-异氰酸酯等中任一种。
本发明制备的具有荧光特性的氧化硅磁性空心微球，其粒径可以在180-400 nm间变化，通过控制水相中表面活性剂的用量可以调节空心微球的整体尺寸；此外空心微球的壁厚可以在15-40 nm范围内变化，通过控制St单体与TEOS的比例，氨水的用量可以调节空心微球的壁厚；通过改变无机铁氧体纳米颗粒的用量，可以调节空心微球的磁性物质含量；通过改变氨基硅烷偶联剂和荧光染料的用量，可以调节空心微球的荧光信号强度。本发明方法简单，原料成本低、易得。所制得的荧光氧化硅磁性空心复合微球的粒径分布窄，且具有高的磁性物质含量，荧光特性稳定。
附图说明
图1 氧化硅磁性空心微球的透射电镜照片。
图2 荧光氧化硅磁性空心微球的照片，其中：（a）荧光显微镜照片，（b）光学显微镜照片。
图3 氧化硅磁性空心微球的磁性能曲线。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1. 将24 g FeCl3 ·6H2O和9.82 g FeCl2 ·7H2O溶解在适量水中，加入适量氨水，通N2气，在80℃下加热30min， 然后加入3.76 g油酸，继续加热搅拌反应1h，然后停止通N2，挥发氨水，直至停止搅拌后有大量黑色沉淀物出现，则反应可停止，磁分离下分别用去离子水将沉淀洗至中性，再用去离子水和乙醇各洗3次，得到的磁性颗粒，将磁性颗粒超声分散在适量正辛烷中，再旋转蒸发蒸干正辛烷，备用; 将0.092 g SDS溶解于40 g去离子水中，将8 g 苯乙烯单体、0.4 g 十六烷、1 g TEOS、和55 mg 磁性颗粒的分散液混合超声制成均匀的油相，然后与表面活性剂的水溶液混合，500 W下超声细乳化10 min。加入相对于苯乙烯单体1.0 %的AIBN，室温搅拌通N2 30 min，然后将反应体系转入70℃温度范围的水浴，开始引发聚合，聚合进行60 min后，加入0.05 mL的氨水，反应再在70℃下进行6 h；加入20 mL无水乙醇到反应体系，5.0 mL氨水，在60℃下机械搅拌3 h，以原位除去聚苯乙烯内核，再加入40 g去离子水，然后加入由1.5 mg荧光染料标记过的有机硅烷偶联剂（APS）40 μL，在避光、室温条件下进行18 h翻转反应。反应结束后，磁分离下无水乙醇反复充分洗涤去体系中各种未充分反应的试剂和未结合的荧光染料，得到空心微球；微球总尺寸360 nm，氧化硅壳层15 nm，表面荧光信号良好，避光保存。
实施例2. 将24 g FeCl3 ·6H2O和9.82 g FeCl2 ·7H2O溶解在适量水中，加入适量氨水，通N2气，在80℃下加热30min， 然后加入3.76 g油酸，继续加热搅拌反应1h，然后停止通N2，挥发氨水，直至停止搅拌后有大量黑色沉淀物出现，则反应可停止，磁分离下分别用去离子水将沉淀洗至中性，再用去离子水和乙醇各洗3次，得到的磁性颗粒，将磁性颗粒超声分散在适量正辛烷中，再旋转蒸发蒸干正辛烷，备用；将0.12 g SDBS溶解于40 g去离子水中，将8 g 苯乙烯单体、0.4 g 十六烷、2 g 正硅酸甲酯、和80 mg 磁性颗粒的分散液混合超声制成均匀的油相，然后与表面活性剂的水溶液混合，500 W下超声细乳化10 min。加入相对于苯乙烯单体1.0 %的过硫酸钾，室温搅拌通N2 30 min，然后将反应体系转入70℃温度范围的水浴，开始引发聚合，聚合进行60 min后，加入0.1 mL的氨水，反应再在70℃下进行6 h；加入20 mL无水乙醇到反应体系，5.0 mL氨水，在60℃下机械搅拌3 h，以原位除去聚苯乙烯内核，再加入40 g去离子水，然后加入由1.5 mg荧光染料标记过的三甲氧基氨丙基硅烷40 μL， 在避光、室温条件下进行18 h翻转反应。反应结束后，磁分离下无水乙醇反复充分洗涤去体系中各种未充分反应的试剂和未结合的荧光染料，得到空心微球；微球总尺寸400 nm，氧化硅壳层40 nm，表面荧光信号良好，避光保存。
实施例3. 将24 g FeCl3 ·6H2O和9.82 g FeCl2 ·7H2O溶解在适量水中，加入适量氨水，通N2气，在80℃下加热30min， 然后加入3.76 g油酸，继续加热搅拌反应1h，然后停止通N2，挥发氨水，直至停止搅拌后有大量黑色沉淀物出现，则反应可停止，磁分离下分别用去离子水将沉淀洗至中性，再用去离子水和乙醇各洗3次，得到的磁性颗粒，将磁性颗粒超声分散在适量正辛烷中，再旋转蒸发蒸干正辛烷，备用；将0.23 g SDS溶解于40 g去离子水中，将8 g 苯乙烯单体、0.4 g 十六醇、1 g TEOS、和55 mg 磁性颗粒的分散液混合超声制成均匀的油相，然后与表面活性剂的水溶液混合，500 W下超声细乳化10 min。加入相对于苯乙烯单体1.0 %的AIBN，室温搅拌通N2 30 min，然后将反应体系转入70℃温度范围的水浴，开始引发聚合，聚合进行60 min后，加入0.05 mL1%的氢氧化钠水溶液，反应再在70℃下进行6 h；加入20 mL无水甲醇到反应体系，5.0 mL氨水，在60℃下机械搅拌3 h，以原位除去聚苯乙烯内核，再加入40 g去离子水，然后加入由1.5 mg荧光染料标记过的三乙氧基氨丙基硅烷40 μL，在避光、室温条件下进行18 h翻转反应。反应结束后，磁分离下无水乙醇反复充分洗涤去体系中各种未充分反应的试剂和未结合的荧光染料，得到空心微球；微球总尺寸180 nm，氧化硅壳层18 nm，表面荧光信号良好，避光保存。
实施例4. 将24 g FeCl3 ·6H2O和9.82 g FeCl2 ·7H2O溶解在适量水中，加入适量氨水，通N2气，在80℃下加热30min， 然后加入3.76 g油酸，继续加热搅拌反应1h，然后停止通N2，挥发氨水，直至停止搅拌后有大量黑色沉淀物出现，则反应可停止，磁分离下分别用去离子水将沉淀洗至中性，再用去离子水和乙醇各洗3次，得到的磁性颗粒，将磁性颗粒超声分散在适量正辛烷中，再旋转蒸发蒸干正辛烷，备用；将0.08 g CTAB溶解于40 g去离子水中，将8 g 苯乙烯单体、0.4 g 十六烷、2 g 正硅酸甲酯、和20 mg 磁性颗粒的分散液混合超声制成均匀的油相，然后与表面活性剂的水溶液混合，500 W下超声细乳化10 min。加入相对于苯乙烯单体1.0 %的过硫酸钾，室温搅拌通N2 30 min，然后将反应体系转入70℃温度范围的水浴，开始引发聚合，聚合进行60 min后，加入0.1 mL的氨水，反应再在70℃下进行6 h；加入20 mL异丙醇到反应体系，5.0 mL氨水，在60℃下机械搅拌3 h，以原位除去聚苯乙烯内核，再加入40 g去离子水，然后加入由1.5 mg荧光染料标记过的有机硅烷偶联剂（APS）40 μL，在避光、室温条件下进行18 h翻转反应。反应结束后，磁分离下无水乙醇反复充分洗涤去体系中各种未充分反应的试剂和未结合的荧光染料，得到空心微球；微球总尺寸380 nm，氧化硅壳层36 nm，磁性物质含量相对较低，表面荧光信号良好，避光保存。
Claims (8)
1.一种磁性荧光双功能氧化硅空心微球的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1) 使用共沉淀法制备磁性纳米颗粒，将所得磁性颗粒超声分散在适量长链烷烃中，再旋转蒸发蒸干长链烷烃，备用；
(2) 将适量表面活性剂溶解于一定量的去离子水中得到水相，将苯乙烯单体、超疏水剂、正硅酸烷基酯和步骤(1)所得的磁性纳米颗粒的烷烃分散液混合超声制成均匀的油相，然后与水相混合，500 W下超声细乳化一段时间；加入相对于苯乙烯单体1-2%的引发剂，室温搅拌通N2 25-35 min，然后将反应体系转入加热水浴中，引发聚合，加入适量碱，将体系pH值调节到8.0-10.0之间；整个体系按照重量百分比计，无机磁性纳米颗粒占0.04-0.15 %，苯乙烯单体占12.6-15.1%，表面活性剂占0.19-0.43 %，超疏水剂占0.76-0.84 %，引发剂占0.1-0.3 %，正硅酸烷基酯占2.1-7.6 %，其余为去离子水，其总重量满足100%；所述碱是氨水、氢氧化钾、氢氧化钠或四甲基氢氧化铵中的一种；
(3) 当步骤（2）中聚合进行20-80 min后，加入0.035-0.1 mL的氨水，在50-80℃下反应3-6 h；加入20 mL醇到反应体系，2.0-8.0 mL氨水，在50-70℃下机械搅拌3-5 h，以原位除去聚苯乙烯内核；
(4) 在步骤（3）反应体系中再加入40 g去离子水，然后加入事先用0.8-4.0 mg荧光染料标记过的有机硅烷偶联剂20-60 μL，在避光、室温条件下进行18 h翻转反应；反应结束后，磁分离下无水乙醇反复充分洗涤去体系中各种未充分反应的试剂和未结合的荧光染料，得到空心微球；所述有机硅烷偶联剂是三甲氧基氨丙基硅烷、三乙氧基氨丙基硅烷或N-(β-氨乙基)- γ-丙基三乙氧基硅烷中任一种；所述荧光染料是异硫氰酸荧光素、四甲基罗丹明-5-异硫氰酸荧光素或若丹明B-异氰酸酯中任一种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述磁性纳米颗粒是Fe3O4颗粒或γ-Fe2O3颗粒中任一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述长链烷烃是正己烷、环己烷、正辛烷或者癸烷中任一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述表面活性剂是十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十六烷基三甲基溴化铵中任一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述超疏水剂是十六烷长链烷烃或者十六醇带长链的醇中的一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述引发剂是偶氮二异丁腈或过硫酸钾中的一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述醇是甲醇、乙醇或异丙醇中一至几种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述正硅酸烷基酯是正硅酸甲酯或者正硅酸乙酯中任一种。
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