磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的合成及表征

晏雨微，胡志雄，張維農(nóng)，齊玉堂

(武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430023)

硼酸基團(tuán)與含1，2-或1，3-二醇基團(tuán)的多羥基化合物之間具有可逆、特異性相互作用，是一類十分重要的分子識別受體，自然界中存在大量多羥基化合物，如單糖、多糖、核苷、核糖核苷、糖蛋白等，它們對于生物體的生命活動起著十分重要的作用，利用苯硼酸與這些物質(zhì)之間的特異性識別作用，可以實(shí)現(xiàn)該類重要生命活性物質(zhì)的分離、檢測、富集純化等，因而，苯硼酸及其衍生物受到眾多研究者的關(guān)注和重視。

間氨基苯硼酸(3-aminophenylboronic acid，m-APBA)的分子結(jié)構(gòu)中既具有反應(yīng)活性的氨基，又具有特異性功能作用的苯硼酸結(jié)構(gòu)，是制備苯硼酸類功能材料的重要原料。如Chen等［1］以m-APBA為原料，使用原位聚合一步法合成了硼酸親和毛細(xì)管整體柱，并將其用于糖肽與糖蛋白的高選擇性富集濃縮分析;Sun等［2］使用m-APBA對聚(甲基丙烯酸甲酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)整體柱進(jìn)行修飾，得到陽離子交換整體柱，并對其色譜性能進(jìn)行評價，結(jié)果表明可以從雞蛋清中一步分離純化得到溶菌酶，并可用于核糖核酸酶A和細(xì)胞色素C的復(fù)性。Cmmizzo等［3］使用m-APBA對聚苯乙烯-二乙烯基苯納米基質(zhì)納米粒子進(jìn)行修飾，制備得到可再生的果糖可視化納米傳感器。

磁性分離(Magnetic Separation)是在磁場作用力的驅(qū)動下，根據(jù)物質(zhì)的磁性差異對目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行分離、純化的一種分離、純化技術(shù)手段。由于其操作簡單、快捷、高效，在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，磁性分離已在細(xì)胞分析［4］、免疫檢測［5］、固定化酶［6］、靶向藥物［7］及親和分離等諸多領(lǐng)域均展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力，因此，發(fā)展基于苯硼酸識別受體的磁性功能材料具有十分重要的研究價值與意義。

在以往的報道中，通常是以苯硼酸類化合物作為配體，對相關(guān)材料表面進(jìn)行功能化修飾以達(dá)到應(yīng)用目的，該方法合成過程相對較為復(fù)雜，成本較高。本課題組［8］曾利用苯胺及其衍生物易氧化聚合生成聚苯胺類化合物的特點(diǎn)，以m-APBA為功能單體，采用化學(xué)氧化聚合法成功制備了聚單氨基苯硼酸納米纖維，該方法可以簡單、直接、快速制得苯硼酸類功能材料，本文將該方法的優(yōu)勢與磁性分離的特點(diǎn)結(jié)合起來，在堿性條件下低溫緩慢氧化m-APBA得到聚合間氨基苯硼酸納米粒子，并采用多種手段對其進(jìn)行了形態(tài)、結(jié)構(gòu)、磁學(xué)性質(zhì)表征，該類磁性苯硼酸類功能材料的合成方法國內(nèi)外尚未見報道。

1 實(shí)驗部分

1.1 主要儀器及試劑

1.1.1 儀器

S-3000N型高分辨掃描電子顯微鏡(日本日立公司);STA/449C同步熱分析儀(德國耐馳公司);Bruker D8-Advanced X射線粉末衍射儀(德國布魯克公司);AVTAR-370傅里葉變換紅外光譜儀(美國尼高力公司);MicroMag Model 2900型變梯度磁力儀(美國普林斯頓測量公司)。

1.1.2 試劑

氯化亞鐵、三氯化鐵、過硫酸銨(天津科密歐化學(xué)試劑有限公司，分析純)，m-APBA(上海晶純實(shí)業(yè)有限公司，分析純)，實(shí)驗所用其他試劑均為分析純，實(shí)驗用水為二次蒸餾水。

1.2 樣品制備

1.2.1 Fe3O4磁性納米粒子的制備

按照摩爾比1∶1.5稱取 FeCl2和 FeCl3，溶于100 mL經(jīng)氮?dú)獬醯恼麴s水中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下于50℃水浴中攪拌30 min(1 000 r·min－1)，使之充分混勻。隨后加入適量氨水，調(diào)整溶液pH至10左右，繼續(xù)攪拌30 min后，于80℃水浴中靜置保溫陳化30 min。所得的磁性納米粒子用0.5%的氨水溶液清洗，再用蒸餾水、無水乙醇各清洗3次以上，最后60℃真空干燥12 h，得到Fe3O4磁性微粒。

1.2.2 磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的制備

按照摩爾比1.5∶1稱取m-APBA及上述Fe3O4納米粒子。先將稱好的Fe3O4納米粒子超聲分散于20 mL pH=11的NaOH溶液中，再加入m-APBA，于0—5℃條件下機(jī)械攪拌30 min左右后，慢速加入20 mL與m-APBA等摩爾的過硫酸銨溶液，攪拌反應(yīng)24 h。將反應(yīng)得到的磁性納米粒子用磁鐵收集，先用大量蒸餾水洗至洗液澄清，然后用適量稀鹽酸除去未被包覆的Fe3O4微粒，再依次用水、無水乙醇洗至分散均勻，真空干燥后即得磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子。

1.3 磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的表征

采用AVTAR-360傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測試樣品的紅外光譜;采用S-3000N掃描電鏡(SEM)對樣品的形貌進(jìn)行表征;采用Bruker D8-Advance X射線掃描儀觀測樣品晶型;采用Netzsch STA449C綜合熱分析儀在N2氛圍內(nèi)對樣品進(jìn)行熱重分析;采用MicroMag Model-2900變梯度磁力儀對樣品的磁性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的合成機(jī)理

磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的合成機(jī)理如圖1所示。先采用共沉淀法制備Fe3O4磁性納米粒子，然后將Fe3O4納米粒子作為磁核，超聲分散于間氨基苯硼酸(m-APBA)溶液中，由于m-APBA水溶性較差，加入適量堿可增加其溶解性能，本實(shí)驗控制初始pH值為11，使得Fe3O4納米粒子通過靜電作用對m-APBA產(chǎn)生吸附作用，吸附達(dá)到平衡后，其表面吸附的m-APBA分子在過硫酸銨的氧化作用下發(fā)生陽離子自由基聚合反應(yīng)，最終得到核殼結(jié)構(gòu)的磁性聚合物納米粒子。在鏈的增長階段，反應(yīng)會產(chǎn)生自動加速效應(yīng)，并放出大量的熱，為了避免暴聚、獲得具有結(jié)構(gòu)均均的聚間氨基苯硼酸磁性納米粒子，實(shí)驗反應(yīng)溫度用冰浴控制在0—5℃。

圖1 磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子合成機(jī)理

2.2 磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的形貌

將共沉淀法合成的Fe3O4與磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子噴金處理后，進(jìn)行掃描電鏡測定，結(jié)果如圖2(a)和(b)所示，從圖中可以看出，合成所得的Fe3O4與磁性聚間氨基苯硼酸納米材料均呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，由于粒度與磁性的關(guān)系，分散性不佳，磁性Fe3O4納米粒子粒徑約為20 nm，與文獻(xiàn)報道［9］基本一致，包覆聚合間氨基苯硼酸后，所得聚合物磁性納米粒子明顯增大，粒徑約為50 nm。

圖2 樣品的SEM照片

2.3 磁性聚間氨基苯硼酸的紅外光譜

圖3 Fe3 O4(a)與磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子(b)的紅外光譜圖

將共沉淀法合成的Fe3O4與磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子制作KBr壓片，測定紅外光譜，結(jié)果如圖3所示。兩種磁性納米粒子的紅外圖在577.64 cm－1處均出現(xiàn)強(qiáng)的振動吸收峰，對應(yīng)Fe-O的特征峰，說明兩種樣品均含有 Fe3O4晶體;在1 600—1 100 cm－1范圍內(nèi)，兩者的紅外光譜差異明顯，F(xiàn)e3O4的紅外光譜圖中基本上無吸收峰出現(xiàn)，而磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子出現(xiàn) 1 564 cm－1，1 489 cm－1，1 300 cm－1和 1 127cm－1等四處特征吸收峰，其中1 564 cm－1和1 489 cm－1處的特征峰分別歸屬為醌環(huán)和苯環(huán)的 C=C鍵的伸縮振動峰［10］1 300 cm－1處的特征峰分別為亞芳胺的C-N鍵的伸縮振動峰，1 127cm－1對應(yīng)于共軛芳環(huán)的C=N伸縮振動，與本研究小組合成的聚間氨基苯硼酸納米纖維的紅外吸收光譜相一致。另外，3 267 cm－1處-OH的強(qiáng)伸縮振動峰也證明了聚合物中B-OH結(jié)構(gòu)的存在;而885.46 cm－1和797.07 cm－1兩處的特征峰則說明苯環(huán)上的取代為間位取代。以上紅外光譜結(jié)果表明所得磁性納米材料表面被聚間氨基苯硼酸所包覆，磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子被成功制備。

2.4 磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的XRD分析

XRD是表征材料晶體結(jié)構(gòu)的一種有效手段，圖4比較了空白Fe3O4與磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的X射線衍射光譜。從圖中可看出，兩者均出現(xiàn)了明顯的特征峰(2θ =30.1°，35.5°，43.1°，53.4°，57.0°和 62.6°)，分別對應(yīng)反尖晶石型 Fe3O4的(220)，(311)，(400)，(422)，(511)以及(440)面的衍射峰，說明所制得的微粒為反尖晶石型的Fe3O4單晶或者其與非晶形態(tài)物質(zhì)的復(fù)合產(chǎn)物，包覆聚間氨基苯硼酸后，所得磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子仍保持了Fe3O4的尖晶石結(jié)構(gòu)。

圖4 Fe3O4與磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的XRD譜圖

2.5 磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的熱重分析(TGA)

圖5對空白Fe3O4與磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的TGA、DSC(示差掃描量熱)等熱分析結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示Fe3O4(虛線)呈兩步失重特征，200℃之前的第一階段失重對應(yīng)于表面吸附的痕量水以及結(jié)合水，失重率約為2.35%;250—450℃間的第二階段失重可能與Fe-OH的脫水縮合有關(guān)，失重率約為3.92% 。

與空白Fe3O4相比，磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子表現(xiàn)出明顯不同的失重行為，從其TGA和DSC曲線上可以看出，主要呈現(xiàn)三段式的失重特征:第一階段失重為200℃之前的水分子及小分子的損失，失重率約為2.91%;第二階段失重為200—550℃之間低聚物的分解與聚苯胺鏈段的斷裂，其失重率約為7%;第三個階段650℃以上的持續(xù)失重，對應(yīng)聚間氨基苯硼酸的分解，失重率約10%左右。DSC曲線中100℃處的吸熱證實(shí)第一階段主要為吸附水的損失，200—550℃之間較大的放熱疊加峰，說明低聚物的分解與聚苯胺鏈段的斷裂均為放熱反應(yīng)。

圖5 Fe3 O4(a)與磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的TGA(b)與DSC(c)分析

2.6 磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的磁學(xué)性能分析

圖6為Fe3O4與磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子常溫(298 K)下測定得到的磁滯回線。結(jié)果表明，兩種材料均表現(xiàn)出強(qiáng)順磁性，F(xiàn)e3O4的飽和磁化強(qiáng)度為78.25 emu/g，包覆聚間氨基苯硼酸后，所得磁性納米粒子磁性稍有所降低，其飽和磁化強(qiáng)度為53.31 emu/g，與文獻(xiàn)［11］報道的硅膠磁性微球相比，磁性響應(yīng)優(yōu)勢明顯。

圖6 Fe3O4與磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子的的磁滯回線

3 結(jié)論

筆者首次以m-APBA為功能單體，采用化學(xué)氧化法聚合法成功制備了磁性聚間氨基苯硼酸納米粒子，并使用掃描電鏡(SEM)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、熱重分析(TGA)、X射線衍射(XRD)和磁學(xué)測量(MPMS)對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果表明該材料為反尖晶石結(jié)構(gòu)的納米顆粒，平均粒徑約為50 nm;并具有良好的順磁性，飽和磁化強(qiáng)度為53.31 emu/g。該材料可能在生物傳感器、分離、分析等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力。

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