一种聚合物纳米磁珠及其制备方法、应用与流程

1.本发明涉及磁性材料技术领域，特别是涉及一种聚合物纳米磁珠及其制备方法、应用。


背景技术：

2.磁珠一般是指具有超顺磁性，在磁场中能够迅速聚集，离开磁场后又能够再度均匀分散的磁性颗粒。磁性聚合物微球是近年发展起来并广泛应用的一种新型多功能试剂，其主要通过适当的方法使聚合物与无机物结合起来形成具有一定磁性及特殊结构的微球。因为聚合物磁珠同时兼具高分子微球和磁珠的诸多特性，不但能通过共聚及表面改性等方法赋予其各种表面官能团(如羟基、羧基、氨基、环氧基、醛基、巯基等)，还能跟随磁场的变化而定向移动，因此聚合物磁珠在细胞分离、固定化酶、靶向药物、免疫测定、分离纯化等领域得到广泛应用。
3.目前，聚合物磁珠的制备方法主要包括乳液聚合法、种子聚合法、悬浮聚合法、分散聚合法、二步溶胀法等，其中适合于制备纳米级聚合物磁珠的制备方法主要是乳液聚合法，以及基于乳液聚合法改变而来的细乳液聚合法和无皂乳液聚合法，其原理即将磁性内核分散在聚合物单体乳液中，引发单体的聚合反应，将磁性内核包覆在颗粒内部，形成内部磁核、外部聚合物的核壳结构磁性颗粒。然而受限于磁性内核的制备方法，所得到的聚合物磁珠往往存在磁性不足的问题。
4.中国专利文献上公开了“一种合成系列单分散铁酸盐纳米磁珠的方法”，其公告号为cn1645530a，该发明以可溶性三价铁离子盐为原料，在乙二醇溶液中，在200～300℃下进行溶剂热反应，形成fe3o4纳米磁珠。在相同的反应条件下，通过添加一种或多种二价可溶性金属离子的盐与可溶性三价铁离子盐共同进行反应，控制添加量，使二价金属离子与三价铁离子的摩尔比为0.01～1∶2，形成铁氧体纳米磁珠及复合铁氧体纳米磁珠。但是该方法制备的单分散铁酸盐纳米磁珠存在磁响应性低的缺点。
5.中国专利文献上公开了“一种高磁响应核壳纳米聚合物微球的制备方法”，其公告号为cn102408524a，该发明以溶剂热法制备的单分散高磁响应性fe3o4内核，然后以丙烯酸类单体作为功能单体，通过沉淀聚合法制备了表面含羧基的单分散高磁响应性和高磁含量的纳米级高交联度核壳磁性聚合物微球。但是该方法制备的磁珠仍然存在磁性不足的问题，此外该方法消耗大量溶剂、污染严重。
6.中国专利文献上公开了“一种高磁性微粒径纳米磁珠及其制备方法”，其公告号为cn110038533a，该发明将氯化铁、氯化钴和氯化镍等比混合并溶解在乙二醇中，之后移入反应釜并高温反应形成铁钴镍合金fe-co-nio
x
磁性纳米颗粒，最后在铁钴镍合金fe-co-nio
x
磁性纳米颗粒表层依次包覆碳层和二氧化硅层得到500～600nm的二氧化硅磁珠，并在最外层共价接枝聚乙二醇。但是该方法制备的纳米磁珠同样没有解决磁强度不够的问题。


技术实现要素：

7.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种聚合物纳米磁珠及其制备方法、应用，用于解决现有纳米磁珠的磁强度低的问题。
8.为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过包括以下技术方案获得的。
9.本发明提供一种聚合物纳米磁珠，包括聚合物纳米磁珠包括磁性内核、依次包覆在所述磁性内核外的磁性夹层和聚合物层；所述磁性内核采用共沉淀法制得，所述磁性内核包括金属氧化物和/或金属氢氧化物，且金属元素至少包括fe；所述磁性夹层采用溶剂热法制得，所述磁性夹层包括金属氧化物，且金属元素至少包括fe；所述磁性内核和磁性夹层中铁的价态至少包括三价。
10.优选地，所述磁性内核中，金属元素还包括m，所述m选自co、ni、mn中的一种或多种；fe与m的摩尔比为1：(0～1)，fe元素中，三价铁的占比为1.5～70％。
11.优选地，所述磁性夹层中金属元素还包括m'，所述m'选自co、ni、mn中的一种或多种，fe与m'的摩尔比为1：(0～0.5)；fe元素中，三价铁的占比为5～95％。
12.优选地，所述聚合物层表面经过改性修饰处理。
13.本发明还提供了一种聚合物纳米磁珠的制备方法，包括以下步骤：
14.1)将沉淀剂、水溶性金属盐和水混合均匀，发生共沉淀反应，固液分离，得到磁性内核；所述水溶性金属盐至少包括fe盐；所述fe盐中铁的价态至少包括三价；
15.2)将磁性内核、能溶于有机溶剂的金属盐和有机溶剂混合均匀，于密闭体系中发生溶剂热反应，在磁性内核表面原位生长磁性夹层，固液分离，得到表面原位有生长磁性夹层的磁性内核；所述能溶于有机溶剂的金属盐至少包括fe盐；所述fe盐中铁的价态至少包括三价；
16.3)将表面原位有生长磁性夹层的磁性内核、聚合物单体、分散剂和引发剂和反应介质混合均匀，引发聚合反应，在表面原位生长有磁性夹层的磁性内核表面包覆聚合物层，固液分离，得到所述聚合物纳米磁珠。
17.优选地，步骤1)中，共沉淀反应的温度为40～85℃。
18.优选地，共沉淀反应中还加入有改性剂，所述改性剂选自聚乙二醇、油酸、十一烯酸、聚乙烯醇、脂肪醇聚氧乙烯醚和对乙酰氨基酚中的一种或多种。
19.优选地，步骤2)中，所述溶剂热反应的温度为150～300℃。
20.优选地，溶剂热反应中还加入有稳定剂；当能溶于有机溶剂的金属盐中不包含二价金属盐时，还加入有还原剂。
21.本发明还提供了一种聚合物纳米磁珠在细胞分选、免疫分析、核酸分析、生物芯片或微生物检测的应用。
22.如上所述，本发明的聚合物纳米磁珠及其制备方法、应用，具有以下有益效果：通过磁性离子的引入，磁性内核采用共沉淀法制得，磁性夹层采用溶剂热法制得，金属颗粒以磁性内核为核进行原位生长，结构更加致密、内核具有更强磁性，使得最终的聚合物磁珠产品具有足够的磁饱和强度，通过磁珠表面的进一步功能化，扩大了应用范围。
附图说明
23.图1显示为实施例1制得的磁性内核的sem图。
24.图2显示为实施例1制得的表面原位有生长磁性夹层的磁性内核的sem图。
25.图3显示为实施例1制得的表面原位有生长磁性夹层的磁性内核的磁滞回线曲线图。
26.图4显示为实施例1制得的聚苯乙烯纳米磁珠的sem图。
27.图5显示为实施例1制得的聚苯乙烯纳米磁珠的磁滞回线曲线图。
28.图6显示为实施例2制得的羧基修饰的聚苯乙烯纳米磁珠的sem图。
29.图7显示为实施例2制得的羧基修饰的聚苯乙烯纳米磁珠的磁滞回线曲线图。
30.图8显示为实施例3制得的环氧基修饰的聚苯乙烯纳米磁珠的sem图。
31.图9显示为实施例3制得的环氧基修饰的聚苯乙烯纳米磁珠的磁滞回线曲线图。
具体实施方式
32.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
33.须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。
34.此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
35.本技术实施例提供了一种具体的聚合物纳米磁珠，包括聚合物纳米磁珠包括磁性内核、依次包覆在所述磁性内核外的磁性夹层和聚合物层；所述磁性内核采用共沉淀法制得，所述磁性内核包括金属氧化物和/或金属氢氧化物，且金属元素至少包括fe；所述磁性夹层采用溶剂热法制得，所述磁性夹层包括金属氧化物，且金属元素至少包括fe；所述磁性内核和磁性夹层中铁的价态至少包括三价。
36.本发明的聚合物纳米磁珠通过磁性离子的引入，磁性内核采用共沉淀法制得，磁性夹层采用溶剂热法制得，金属颗粒以磁性内核为核进行原位生长，结构更加致密、内核具有更强磁性，使得最终的聚合物磁珠产品具有足够的磁饱和强度，通过磁珠表面的进一步功能化，扩大了应用范围。
37.在一个具体的实施方式中，所述磁性内核中，金属元素还包括m，所述m选自co、ni、mn中的一种或多种；fe与m的摩尔比为1：(0～1)，如具体为1:(0～0.2)、1:(0.2～0.5)、1:(0.5～0.8)、1:(0.8～1)，fe元素中，三价铁的占比为1.5～70％，如具体为1.5～20％，20～40％，40～70％。
38.在一个具体的实施方式中，所述磁性夹层中金属元素还包括m'，所述m'选自co、
ni、mn中的一种或多种，fe与m'的摩尔比为1：(0～0.5)，如具体为1:(0～0.2)、1:(0.2～0.5)；fe元素中，三价铁的占比为5～95％，如具体为5～30％，30～50％，50～70％，70～95％。
39.在一个更为具体的实施方式中，所述磁性内核中，金属元素包括fe和mn，fe与mn的摩尔比为1:0.5；fe元素中，三价铁的占比为45.5％。
40.在一个更为具体的实施方式中，所述磁性夹层中，金属元素包括fe；fe元素中，三价铁的占比为78％。
41.在本技术的上述技术方案中，fe元素中，三价铁的占比按照实际配方、工艺折算得出。
42.在一个具体的实施方式中，所述磁性内核的平均粒径为5～50nm。
43.在一个具体的实施方式中，所述磁性夹层的厚度为40～200nm。
44.在一个具体的实施方式中，所述聚合物层的厚度为50～～200nm。
45.在一个具体的实施方式中，所述聚合物纳米磁珠的磁响应性为50～80emu/g。
46.在一个具体的实施方式中，所述聚合物纳米磁珠的平均粒径为100～500nm。
47.在一个具体的实施方式中，所述聚合物层表面经过改性修饰处理。
48.本发明还提供了一种聚合物纳米磁珠的制备方法，包括以下步骤：
49.1)将沉淀剂、水溶性金属盐和水混合均匀，发生共沉淀反应，固液分离，得到磁性内核；所述水溶性金属盐至少包括fe盐；所述fe盐中铁的价态至少包括三价；
50.2)将磁性内核、能溶于有机溶剂的金属盐和有机溶剂混合均匀，于密闭体系中发生溶剂热反应，在磁性内核表面原位生长磁性夹层，固液分离，得到表面原位有生长磁性夹层的磁性内核；所述能溶于有机溶剂的金属盐至少包括fe盐；所述fe盐中铁的价态至少包括三价；
51.3)将表面原位有生长磁性夹层的磁性内核、聚合物单体、分散剂和引发剂和反应介质混合均匀，引发聚合反应，在表面原位生长有磁性夹层的磁性内核表面包覆聚合物层，固液分离，得到所述聚合物纳米磁珠。
52.在一个具体的实施方式中，步骤1)中，共沉淀反应的温度为40～85℃，如具体为40～50℃，50～60℃，60～70℃，70～85℃。
53.在一个具体的实施方式中，共沉淀反应中还加入有改性剂，所述改性剂选自聚乙二醇、油酸、十一烯酸、聚乙烯醇、脂肪醇聚氧乙烯醚和对乙酰氨基酚中的一种或多种。
54.在一个具体的实施方式中，所述沉淀剂选自氢氧化钠、氢氧化钾和氨水中的一种或多种。
55.在一个具体的实施方式中，步骤2)中，所述溶剂热反应的温度为150～300℃，如具体为150～200℃，200～250℃，250～300℃。
56.在一个具体的实施方式中，所述有机溶剂选自三乙胺、四氯化碳、乙二醇、甲醇、乙醇、1,2-二甲基乙烷、二乙胺、吡啶、甲苯、二甲苯、苯酚、氨水、苯、甲酸、丙酮和乙腈中的一种或多种。
57.在一个具体的实施方式中，溶剂热反应体系中还加入有稳定剂；当能溶于有机溶剂的金属盐中不包含二价金属盐时，还加入有还原剂。
58.在一个具体的实施方式中，所述水溶性金属盐还包括co盐、ni盐和mn盐中的一种
或多种
59.在一个具体的实施方式中，所述能溶于有机溶剂的金属盐还包括co盐、ni盐和mn盐中的一种或多种。
60.在一个具体的实施方式中，步骤3)中：所述稳定剂选自十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯醇、十二烷基硫酸钠、羟甲基纤维素、十二烷基磺酸钠、β-环糊精、聚乙烯吡咯烷酮、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、聚乙二醇、羧甲基纤维素和中的一种或多种。
61.在一个具体的实施方式中，所述还原剂选自水合肼、乙酸钠、葡萄糖、柠檬酸、抗坏血酸、硫代硫酸钠、乙二胺和硼氢化钠中的一种或多种。
62.在一个更为具体的实施方式中，步骤2)中，以聚合物反应体系物料总重量为基准，所述表面原位有生长磁性夹层的磁性内核加入量为1～10wt％，如具体为1～3wt％，3～5wt％，5～8wt％，8～10wt％。
63.在一个具体的实施方式中，所述聚合物单体选自苯乙烯、甲基苯乙烯、乙基苯乙烯、氯甲基苯乙烯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、二乙烯基苯、二丙烯基苯、丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯和丙烯酸缩水甘油酯的一种或多种。
64.在一个具体的实施方式中，所述分散剂选自聚乙烯吡咯烷酮、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、β-环糊精、明胶、木质素、吐温和司班中的一种或多种。
65.在一个具体的实施方式中，所述引发剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异丁酸二甲酯、过氧化苯甲酰叔丁酯、过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵中的一种或多种。
66.在一个具体的实施方式中，所述反应介质选自水、乙醇、甲醇和异丙醇中的一种或多种。
67.在一个更为具体的实施方式中，聚合反应在保护气氛中进行，所述保护气氛选自氮气、氩气中的一种或两种。
68.在一个具体的实施方式中，还包括将聚合物层表面进行改性修饰处理。
69.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
70.总实施例
71.本技术实施例提供了一种更为具体的聚合物纳米磁珠的制备方法，包括以下步骤：
72.(1)溶液a配置：按溶剂50％-95％、第一金属盐1.5％-30％、第二金属盐5％-30％等的比例称取试剂并溶解混合均匀；
73.(2)溶液b配置：按水0％-95％、沉淀剂5％-100％等的比例称取试剂并溶解混合均匀；
74.(3)溶液c配置：按溶剂50％-95％、第三金属盐0％-20％、第四金属盐5％～50％，稳定剂0.2％-3％、还原剂0.2％-3％等的比例称取试剂并溶解混合均匀；
75.(4)将溶液a转移至三口烧瓶中，安装搅拌器并开启搅拌；
76.(5)迅速加入溶液b，强烈搅拌并开始升温，继续反应一定时间；
77.(6)停止加热，加入改性剂(溶液a的0.05％-3％)后继续搅拌5min，将烧瓶内混合物磁分离，并分别用水和乙醇清洗多次，之后干燥得磁性内核；
78.(7)将磁性内核(溶液c的1％-10％)均匀分散在溶液c中，并将溶液c转移入水热釜内，密封好后进行高温处理，处理结束后降温分离并清洗得表面原位有生长磁性夹层的磁性内核；
79.(8)将0.5％-10％的表面原位有生长磁性夹层的磁性内核分散在40％-90％的反应介质中，加入0.5％-15％引发剂，0.2％-10％分散剂，5％-70％单体，通入保护气，开启搅拌，并开始加热引发聚合反应，待反应结束后，磁分离产物并多次清洗，即得高磁性聚合物纳米磁珠。
80.第一金属盐包括：过渡金属(优选钴、锰、镍、铁等)的水溶性盐(优选盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐等)，其中的一种或几种组合；
81.第二金属盐包括：三价铁的水溶性盐(优选盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐等)，其中的一种或几种组合；
82.第三金属盐包括：过渡金属(优选钴、锰、镍、铁等)的能溶于有机溶剂的盐(优选盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐等)，其中的一种或几种组合；
83.第四金属盐包括：三价铁的能溶于有机溶剂的盐(优选盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐等)，其中的一种或几种组合。
84.实施例1
85.本实施例提供了一种聚合物纳米磁珠的制备方法，包括以下步骤：
86.(1)在100ml烧杯中量取20wt％硝酸锰和25wt％六水氯化铁溶于55wt％水中，转移入250ml三口烧瓶中，开启搅拌150rpm；另取一个烧杯，量取16wt％氢氧化钠并溶解于84wt％去离子水，然后将氢氧化钠水溶液迅速加入到烧瓶中，调整转速到550rpm并升温至70℃，继续反应2h。反应结束后停止加热，往烧瓶中加入1wt％油酸，继续搅拌5min后冷却至室温。停止搅拌，并将反应物使用乙醇和去离子水各清洗3遍，然后70℃真空干燥得到磁性内核(铁元素中三价铁占比45.5％)；其sem图如图1所示；
87.(2)量取1.5wt％的磁性内核、6wt％六水氯化铁和2wt％醋酸钠加入到90％乙二醇中，搅拌直至完全溶解；量取0.5wt％聚乙二醇加入到上述混合液中，搅拌使其混合均匀；混合溶液转移到聚四氟乙烯衬里中，密闭在不锈钢反应釜中。将高压反应釜加热至250℃，并保持15h恒温；反应结束后待反应釜温度降至室温，产物使用乙醇和去离子水各清洗3遍，然后70℃真空干燥得到表面原位有生长磁性夹层的磁性内核，其中，磁性内核里铁元素中三价铁占比45.5％，磁性夹层里铁元素中三价铁占比78％，表面原位有生长磁性夹层的磁性内核的sem图如图2所示。对表面原位有生长磁性夹层的磁性内核进行磁饱和强度测试，磁响应性为85.7990emu/g，结果见图3。
88.(3)取250ml烧杯，量取20％聚苯乙烯单体，2％二乙烯基苯单体，1.5％过氯酸钾，1.5％十二烷基硫酸钠苯磺酸钠，5wt％表面原位有生长磁性夹层的磁性内核，将其分散到70wt％去离子水中；搅拌均匀并超声分散30min，然后将混合物转移到三口烧瓶中，安装好搅拌器；通入n2，开始机械搅拌，转速200rpm，开始升温，温度设定85℃；8h后关闭反应，将反应物磁分离并使用乙醇和去离子水各清洗3遍，然后70℃真空干燥，得聚苯乙烯纳米磁珠，其sem图如图4所示。对聚苯乙烯纳米磁珠进行磁饱和强度测试，磁响应性为72.9453emu/g，
结果见图5。
89.实施例2
90.本实施例提供了一种羧基修饰的聚合物纳米磁珠的制备方法，包括以下步骤：
91.取250ml烧杯，量取8％聚苯乙烯单体，3％丙烯酸单体，1％二乙烯基苯单体，1％过氯酸钾，2％十二烷基硫酸钠苯磺酸钠，5wt％实施例1中制备的表面原位有生长磁性夹层的磁性内核，将其分散到80wt％去离子水中；搅拌均匀并超声分散30min，然后将混合物转移到三口烧瓶中，安装好搅拌器。开始机械搅拌，转速200rpm，开始升温，温度设定85℃。8h后关闭反应，将反应物磁分离并使用乙醇和去离子水各清洗3遍，然后70℃真空干燥，得到羧基修饰的聚苯乙烯纳米磁珠，其sem图如图6所示。对羧基修饰的聚苯乙烯磁珠进行磁饱和强度测试，磁响应性为75.1190emu/g，结果见图7。
92.本实施例还提供了一种羧基修饰的聚苯乙烯磁珠在抗体化学偶联中的应用，包括以下步骤：
93.取0.2wt％羧基修饰的聚苯乙烯磁珠，加入58wt％50mm mes缓冲液(ph＝5.6)悬浮混匀。取2.7wt％edc和nhs混合溶液，快速加入到上述磁珠溶液中混匀，在37℃下使用摇床活化60min。之后磁分离并倒掉上层清液，磁珠使用38.7wt％10mm pbs缓冲液(ph＝7.2)重新分散。
94.取0.4wt％的10％浓度的igg溶液加入到上述pbs磁珠缓冲液中，旋涡混匀并37℃摇床混合3h。反应结束后磁分离并取上清液测量蛋白浓度，计算磁珠对抗体igg的吸附量。经测试计算，igg的吸附量达到0.207mg/mg。
95.实施例3
96.本实施例提供了一种环氧基修饰的聚合物纳米磁珠的制备方法，包括以下步骤：
97.将2％的pvp，0.2％的过氧化苯甲酰，9％甲基丙烯酸缩水甘油酯，1％二乙烯基苯加入到82.8％的乙醇/水(3:1)混合溶液中，加入5wt％实施例1中制备的表面原位有生长磁性夹层的磁性内核，搅拌(200rpm)溶解并混合均匀，通氮气；开始升温加热，设定80℃，然后反应12h。反应结束后，将反应物磁分离并使用乙醇和去离子水各清洗3遍，然后70℃真空干燥，得到环氧基修饰的聚苯乙烯纳米磁珠，其sem图如图8所示。对环氧基修饰的聚苯乙烯磁珠进行磁饱和强度测试，磁响应性为73.0749emu/g，结果见图9。
98.综上所述，本发明通过磁性离子的引入，磁性内核采用共沉淀法制得，磁性夹层采用溶剂热法制得，金属颗粒以磁性内核为核进行原位生长，结构更加致密、内核具有更强磁性，使得最终的聚合物磁珠产品具有足够的磁饱和强度，通过磁珠表面的进一步功能化，扩大了应用范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
99.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。