磁性分子印跡聚合物中磁核的制備和表征

楊 帆，付 東，李 鵬，謝 洋，隋 新，黃 波

(黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

0 引 言

磁性分子印跡聚合物是一種具有優(yōu)異磁性和高選擇性識別能力的新型高分子材料，在外磁場的作用下可以快速地將目標(biāo)物從溶液中分離，無需繁瑣的離心或過濾[1]。由于其選擇特異性高，比表面積大、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在生物分離分析、富集與純化等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛能[2-7]。在磁性分子印跡聚合物的制備過程中，磁核的性能對聚合物的功能起著關(guān)鍵的作用[8]。

近年來，F(xiàn)e3O4磁性納米粒子因具有親水性好、穩(wěn)定性高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被用于多種磁性材料的制備[9-13]。以Fe3O4納米粒子為磁核而合成的磁性材料在生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，例如在新型冠狀病毒(COVID-19)的核酸提取檢測中，F(xiàn)e3O4磁性納米粒子作為一種重要的原材料被廣泛使用[14]，然而目前該原材料的高端產(chǎn)品主要依賴于進(jìn)口，國產(chǎn)的Fe3O4磁性納米材料仍存在顆粒均一性、重復(fù)性差等缺陷[15]。由于Fe3O4磁性納米顆粒有著自發(fā)降低表面能的趨勢，易發(fā)生團(tuán)聚，而通過有機(jī)分子的修飾對其表面改性可以提高Fe3O4納米顆粒的性能[16]。Chen H M等[17]通過聚甲基丙烯酸甲酯接枝改性Fe3O4納米粒子合成了Fe3O4@SiO2@PMMA磁性復(fù)合納米微球，并將其應(yīng)用于蛋白質(zhì)的吸附分離。杜迎翔等[18]以羧甲基-β-環(huán)基糊精為手性選擇劑，制備了核殼型磁性APTES-Fe3O4納米粒子，成功分離了氧氟沙星和普納洛爾對映體。Patio-Ropero M J等[19]用乙烯基改性硅烷化Fe3O4作為磁核成功合成了核殼結(jié)構(gòu)的磁性分子印跡聚合物。在磁性分子印跡聚合物結(jié)構(gòu)中，磁核起到磁響應(yīng)的作用，是影響磁性分子印跡材料磁場分離速度及效果的主要介質(zhì)，同時還不能對富集目標(biāo)物產(chǎn)生化學(xué)影響與干擾。因此，磁核必須具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、超順磁性和生物相容性才能滿足磁性分子印跡材料的性能要求[20]。

為解決上述問題，首先用溶膠-凝膠共沉淀法制備Fe3O4水基磁性流體；然后以SiO2對Fe3O4納米粒子進(jìn)行包覆，通過3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)對硅烷化的Fe3O4磁性納米粒子進(jìn)行表面改性；最后加入4-甲基丙烯酰氧基偏苯三酸酐(4-META)進(jìn)一步接枝合成磁性微球，增強(qiáng)磁核的穩(wěn)定性和分散性的同時，可以對其表面進(jìn)行功能化接枝修飾，賦予有效的功能基團(tuán)，為下一步磁性分子印跡聚合反應(yīng)提供更好的鍵合作用。同時采用TEM、SEM、 FIRT、XRD和VSM儀器對得到的磁性納米粒子進(jìn)行表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

FeCl2·4H2O、FeCl3·6H2O為分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙氧基化烷基脂肪醇聚氧乙烯醚、硅酸四乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、4-甲基丙烯酰氧基偏苯三酸酐(4-META)、十二烷基磺酸、過硫酸鉀鈉均為分析純，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氫氧化鈉、甲醇、乙醇、氨水、乙腈、丁腈等溶劑均為分析純，購自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；明膠、氮?dú)獾荣徸蕴旖蚴杏来蠡瘜W(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JEM-2100透射電子顯微鏡，日本電子株式會社；SU5000掃描電子顯微鏡，日立科學(xué)儀器有限公司；VSM-250振動樣品磁強(qiáng)計(jì)，長春英普磁電技術(shù)開發(fā)有限公司；FTr7600紅外光譜儀，天津港東科技股份有限公司；X′Pert3 Po.X射線衍射儀，荷蘭帕納科有限公司；LD600-1電子天平，沈陽龍騰電子有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

Fe3O4水基磁性流體的制備：稱取40.0 g NaOH溶于100 mL去離子水中，置于500 mL三頸瓶中，并通入氮?dú)馊コ鯕狻７謩e稱取10.0 g FeCl2·4H2O與20.0 g FeCl3·6H2O，溶于100 mL去離子水后快速混合，滴加到上述三頸瓶中，攪拌加熱至85 ℃，反應(yīng)50 min；用1 mol·L-1的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為11；在反應(yīng)溶液中少量多次加入0.42 g乙氧基化烷基脂肪醇聚氧乙烯醚，氮?dú)獗Ｗo(hù)下恒溫持續(xù)反應(yīng)20 min，得到黑色懸浮液；在懸浮液中少量多次加入0.5 g十二烷基磺酸鈉，將溫度升至90 ℃，反應(yīng)30 min，得到固含量為6%的Fe3O4水基磁性流體。

Fe3O4@SiO2的制備：量取10 mL Fe3O4水基磁性流體量溶于400 mL體積比為5∶1的乙醇-水溶液中，加入10 mL氨水，室溫?cái)嚢?0 min，攪拌速度為300 r·min-1；將15 mL硅酸四乙酯加入60 mL乙醇中，混合溶液逐滴加入到上述反應(yīng)液中，繼續(xù)室溫?cái)嚢? h，攪拌速度為300 r·min-1；磁性分離出Fe3O4@SiO2納米粒子，依次用去離子水和甲醇洗滌3次，真空干燥。

APTES-Fe3O4@SiO2的制備：將1.0 g Fe3O4@SiO2加到0.5 mL APTES和60 mL乙醇混合溶液中，60 ℃回流8 h。將反應(yīng)產(chǎn)物依次用去離子水和甲醇洗滌3次，真空烘干，得到APTES-Fe3O4@SiO2。

APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的制備：將1.5 g明膠溶于50 mL丁腈溶液中，室溫?cái)嚢?0 min；將1.0 g 4-META加到明膠丁腈混合液中，繼續(xù)攪拌30 min，用1 mol·L-1的NaOH溶液調(diào)至pH=9，加入0.3 g過硫酸鉀并升溫至70 ℃，恒溫反應(yīng)2.5 h。稱取0.2 g APTES-Fe3O4@SiO2于10 mL乙腈溶液中，超聲溶解15 min后快速加到上述混合液中，氮?dú)夥諊滤?0 ℃反應(yīng)24 h得到APTES-Fe3O4@SiO2-4-META磁球。

2 結(jié)果與討論

2.1 透射電子顯微鏡(TEM)分析

Fe3O4、APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的TEM圖像見圖1。由圖1(a)可見，F(xiàn)e3O4粒徑在12 nm左右；由圖1(b)可見，F(xiàn)e3O4納米粒子經(jīng)過SiO2包覆和APTES表面改性后的APTES-Fe3O4@SiO2粒子粒徑急速增大，平均粒徑約為200 nm，并在磁核周圍形成比較均勻的包覆層；由圖1(c)可見，接枝4-META后的APTES-Fe3O4@SiO2-4-META粒子的平均粒徑則繼續(xù)增至約330 nm，微球表面相對光滑，并形成了較為完整的核殼體結(jié)構(gòu)。

圖1 SEM圖像Fig.1 SEM images

2.2 電子掃描顯微鏡(SEM)分析

電子掃描電鏡對Fe3O4、APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的形態(tài)表征見圖2。由圖2(a)可見，F(xiàn)e3O4納米粒子呈球狀結(jié)構(gòu)且粒子大小基本均一，平均直徑約為12 nm；由圖2(b)可見，經(jīng)過APTES修飾的表面硅烷化的 Fe3O4的粒徑明顯增加，外觀呈圓球形，而且粒子之間發(fā)生團(tuán)聚的現(xiàn)象比Fe3O4納米粒子的程度低；由圖2(c)可見，磁球的平均粒徑約為200 nm，表明4-META在APTES-Fe3O4@SiO2的表面耦合成功。

圖2 TEM圖像Fig.2 TEM images

圖3 紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum

2.3 傅里葉紅外光譜(IR)分析

使用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀對3種磁性粒子進(jìn)行了表面官能團(tuán)的表征。Fe3O4、APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的紅外光譜見圖3。由圖3(a)可見，在587 cm-1處的伸縮振動峰為Fe-O鍵的特征吸收峰，說明成功制備了Fe3O4納米粒子；由圖3(b)、3(c)可見，圖中均未出現(xiàn)Fe-O鍵的特征峰，是因?yàn)镕e3O4納米粒子被包裹在內(nèi)層，未顯現(xiàn)；出現(xiàn)在950 cm-1處和1 580 cm-1處的伸縮振動峰，分別為Si-O-Si鍵的特征峰和-NH2的特征峰，說明Fe3O4納米粒子表面被包覆了氨基修飾的二氧化硅層。曲線(c)與(b)相比，在2 720 cm-1處和2 850 cm-1處出現(xiàn)的特征峰所對應(yīng)的官能團(tuán)分別為-CHO和-CH2，證明APTES-Fe3O4@SiO2-4-META磁球制備成功。

2.4 X射線衍射(XRD)分析

分別對3種材料進(jìn)行了X射線衍射實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)e3O4、APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的XRD譜圖見圖4，3種樣品在10°～80°區(qū)間內(nèi)，2θ值 為29.90°, 35.55°, 43.23°, 52.78°, 57.17°和62.85°時，分別對應(yīng)6個相對較強(qiáng)的衍射峰(220), (311), (400), (422), (511)和(440)，符合JCPDS國際中心磁性數(shù)據(jù)庫中Fe3O4的數(shù)據(jù)(JCPDS卡: Fe3O419-629)[21]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成的APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META中Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，其中APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的衍射峰強(qiáng)度略微有所降低，可能是因META修飾后外部包覆層變化引起的。

2.5 磁性能分析(VSM)

使用振動樣品磁強(qiáng)計(jì)對3種材料的磁學(xué)性能進(jìn)了評估，APTES-Fe3O4@SiO2-4-META和Fe3O4、APTES-Fe3O4@SiO2的磁滯回歸線圖(磁場范圍：±40 000 Oe)見圖5。由圖5可見，F(xiàn)e3O4納米粒子的飽和磁化強(qiáng)度為 45.10 emu·g-1, APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的飽和磁化強(qiáng)度分別為42.24 emu·g-1和40.12 emu·g-1。測試結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4納米粒子經(jīng)過修飾和表面改性后的磁性微球的磁感應(yīng)力有所下降，并隨著粒徑的增加，包覆層越厚影響越大，這是由于修飾分子的屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致的。3種磁性粒子的磁滯回線均為曲線且通過0點(diǎn)，即均無磁滯現(xiàn)象，無剩磁和矯頑力，說明3種磁性粒子均具有超順磁性。APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的飽和磁化強(qiáng)度有所降低，但仍大于40 emu·g-1，在外加磁場作用下可快速地聚集和分散，滿足作為磁性分子印跡材料中的磁核的磁性分離的要求。

圖4 XRD譜圖Fig. 4 XRD pattern

圖5 磁滯回線圖Fig.5 Hysteresis loop diagram

3 結(jié) 論

采用溶膠-凝膠共沉淀法制備了Fe3O4水基磁性流體，通過4-META和APTES對其硅烷化的納米粒子進(jìn)行表面改性，成功制備了APTES-Fe3O4@SiO2-4-META磁性微球，平均粒徑330 mm，飽和磁化強(qiáng)度40.12 emu·g-1。合成的磁性微球具有超順磁性、小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，更適合進(jìn)行下一步的生物功能化修飾，可作為磁核用于磁性分子印聚合物中，以連接多種生物功能分子，并獲得分離和富集性能更加優(yōu)異的磁性材料。