（物理化学专业论文）电子束辐照法制备磁性核壳微球的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 近来，具有光、电、磁及生物等特殊性质的无机，有机复合微球的制备、功 能化及应用的研究已经成为胶体微粒研究的一个重要方向。人们采用各种合成 方法和合成路线去设计和制备无机聚合物核壳微球，磁性高分子微球一方面具 有与生物活性物质反应的特殊功能基团，可以作为生物活性物质的载体；另一 方面又具有超顺磁性，在外加磁场作用下能快速分离的特点，在生物工程、生 物医学、细胞分离与标记等领域的研究日益广泛。本文采用一种新颖的技术一 电子束辐照技术一制备了单分散的功能性无机聚合物核壳微球，为功能性材 料的发展和应用开拓了新的思路。 制备f e 3 0 4 磁性高分子微球的关键是如何制备纳米f e 3 0 4 磁粉以及单体在 聚合的过程中如何把f e 3 0 4 纳米磁粉包覆在聚合物里面而形成核壳式结构的微 球。本论文的目的，是得到一种适宜的方法制备纳米f e 3 0 4 磁粉和核壳式磁性 微球并讨论了影响微球平均粒径的因素。论文主要进行了以下几个方面的研究 与探索： 1 采用化学共沉淀法制备出了可达到纳米级分散的f e 3 0 4 纳米粒子。深 入探讨了沉淀剂的种类、铁盐和沉淀剂比例、反应温度、熟化温度等各种因素 对产物的粒径及磁性能的影响，对f e 3 0 4 纳米粒子进行了晶体结构、粒径、磁 性能、铁含量等性能的表征。表征结果表明产物具有完美的晶体结构，粒径约 8 r i m ，比饱和磁化强度为6 9 7 e m u g ，磁响应性强，具有超顺磁性，剩磁和矫顽 力均为零，粒径分布均匀，分散性良好。 2 在共沉淀法制备f e 3 0 4 纳米磁粉的基础上，以丙烯酰胺( a m ) 为单体 在反相微乳液中通过电子束辐照的方法制备了具有核壳结构的磁性复合微球 f e 3 0 4 p a m 。采用x r d 、a im 、i r 、f t - i r 、l s p s d a 、v s m 、t g a 等对样品 进行了表征。结果表明磁性高分子微球f e 3 0 4 p a m 粒径大小为1 5 4 r i m ，呈球 形，表面光滑，比饱和磁化强度为3 7 e m u g ，矫顽力为零。分析了乳化剂用量， 单体浓度，磁粉用量，辐照剂量等对f e 3 0 4 p a m 微球粒径的影响规律。 3 在共沉淀法制备f e 3 0 4 纳米磁粉的基础上，以丙烯酰胺( 气m ) 为单体 上海大学硕士学位论文 在水溶液中通过电子束辐照的方法制备了具有核壳结构的磁性复合微球 f e 3 0 v p a m 。采用x r d 、a f m 、i r 、f t - i r 、l s p s d a 、v s m 、t g a 等对样品 进行了表征。结果表明制备的磁性f e 3 0 4 p a m 高分子微球平均粒径约为 1 1 5 m ，呈球形；v s m 表明比饱和磁化强度为1 6 e m u g ，矫顽力为0 。分析了 单体浓度，磁粉用量，交联剂浓度，辐照剂量等对f e 3 0 4 p a m 微球粒径的影响 规律。 关键词：纳米f e 3 0 4 粒子；f e 3 0 d p a m 磁性高分子核壳微球；电子束辐照；单体聚合： 反相微乳液 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m a g n e t i cp o l y m e r i cp a r t i c l e s ，d u et ot h e i rr e l a t i v e l yr a p i da n d e a s ym a g n e t i cs e p a r a t i o n , h a v eb e e nu s e di nb i o m e d i c a la n db i o e n g i n e e r i n gs u c ha s c e l ls e p a r a t i o n i m m u n o a s s ya n dn u c l e i ca c i d sc o n c e n t r a t i o n i na d d i t i o n , m a g n e t i c p o l y m e r i cp a r t i c l e so f f e rah i g hp o t e n f i a li ns e v e r a la r e a so fa p p l i c a t i o ns u c ha s d e t o x i f i c a t i o no fb i o l o g i c a lf l u i da n dt h em a g n e t i cg u i d a n c eo fp a r t i c l es y s t e m s f o r s p e c i f i cd r u gd e l i v e r yp r o c e s s t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st h ep r e p a r a t i o n o ff u u c t i o n a l i z e dm a g n e t i cc o r e s h e l lp o l y m e rm i c r o s p h e r e sb yan o v e lm e t h o d w h i c hi se l e c t r o nb e a m i r r a d i a t i o n , i nt h ep r e p a r a t i o no ff e 3 0 4m a g n e t i cp o l y m e rm i c r o s p h e r e s ，i ti si m p o r t a n tt o p r e p a r em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sa n de f l s u r em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e si se m b e s s e db y m o n o m e ra n df o r mg o r e s h e l lc o m p o s i t e m i c r o s p h e r e sd u r i n g t h em o n o m e r s p o l y m e r i z a t i o n i nv i e wo ft h i ss t u d y , t h eo b j e c t i v e so ft h ec u r r e n tw o r kw e l - et o d e v e l o pac o n v e n i e n tm e t h o dt op r e p a r em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sa n dc o r e s h e l l c o m p o s i t em i c r o s p h e r e sa n dd i s c u s st h ei n f l u e n c ef a c t o r so na v e r a g ep a r t i c l es i z eo f m i c r o s p h e r e s t h et h e s i sm a j o re x p l o r e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 f e 3 0 4n a n a - p a r t i c l e s ，w h i c hc a nb ed i s p e r s e di nn a n os c a l e ，w e r ep r e p a r e db y m e a n so fc h e m i c a lc o - p r e c i p i t a t i o nm e t h o d s u c hi n f l u e n c i n gf a c t o r s 雒t h et y p eo f p r e c i p i t a n t , t h er a t i ok 帆髓f 加e 3 + a n dp r e c i p i t a n t , t h es u r f a e t a n t s , t h er e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，t h ec i l r i n gt e m p e r a t u r ew e r es u r v e y e d s o m ep r o p e r t i e ss u c ha sc r y s t a l s t r u c t u r e ，p a r t i c l es i z e ，m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n di r o nc o n t e n tw e r ec h 剐m 硎z e d t h e p a r t i c l es i z eo f t h ep r o d u c ti sa b o u t8 n mw i mp e r f e c tc r y s t a ls u u c t u r e t h es a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o nb e i n g6 9 7 e m u g t h ep a r t i c l es i z ed i s t r u b u t i o n i sh o m o g e n e o u sw i t h 9 0 0 dd i s p e r s i o n 2 t h em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ep e r p a r e db yt h ec h e m i c a lc o p r e c i p i t a t i o no f f e r r o u s c h l o r i d ea n df e r d c c h l o r i d e f e 3 0 j p a mc o r e - s h e l lc o m p o s i t em a g n e t i c p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e db ye b i r r a d i a t i o ni nr e v a m i c r o e m u l i s i o na n d c h 铷阿c t e r i z c d b y x r d 、a f m 、i r 、f t - i r 、l s p s d a 、v s m 、t g a t h er e s u l t s i n d i c a t e 上海大学硕士学位论文 t h a tt h ef e 3 0 , p a mm i c r o s p h e r ew a ss p h e r i c a la n di t sd i a m e t e rw a sa b o u t1 5 4 n m t h es a t u r a t i o nm a g n e c t i z a f i o ni s3 7e m u g i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ed i a m e t e r o ft h ec o r e s h e hm i c r o p a r t i c l e sc a nb ec o n t r o l l e db yc h a n g i n gc o n c e n t r a t i o no f e m u l s i f i c a t i o no p - 1 0 , m o n o m e ra m , m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sf e 3 0 4a n dd o s e so f i r r a d i a t i o n 3 t h em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ep e r p a r e db yt h ec h e m i c a lc o p r e c i p i t a t i o no f f e r r o u s c h l o r i d ea n df e r d c c h l o d d e f e 3 0 4 p a mc o l e s h e l lc o m p o s i t em a g n e t i c p a r t i c l e s w e r es y n t h e s i z e db ye b i r r a d i a t i o na n dc h a r a g t c r i z e db yx r d 、a f m 、i r 、 f t - i r 、l s p s d a 、v s m 、t g a t h er e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e m i c r o s p h e r e w a ss p h e r i c a l a n di t sd i a m e t e r 啪sa b o m1 1 5n m t h ef 斌l l r a t i o nm a g n e c t i z a t i o ni s1 6e m u g i th a s b e e nf o u n dt h a tt h ed i a m e t e ro ft h ec o r e s h e l lm i c r o p a r t i c l e sc a nb ec o n t r o l l e db y c h a n g i n gc o n c e n t r a t i o no f m o n o m e ra m ，m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sf e 3 0 4a n dd o s e so f i r r a d i a l j o n k e y w o r d s ：n a n o - p a r t i c l e sf e a 0 4 ；f e 3 0 4 p a mc o r e - s h e l lm a g n e t i cc o m p o s i t e m i c r o s p h e r e s ；e b - i r r a d i a t i o n ；m o n o m e rp o l y m e r i z a t i o n ；r e v e r s em i c r o e m u l i s i o n i v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：j 皂亟照日期： 导师签名： g 也塑日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金青年基金资助，项目编号：5 0 3 0 3 0 0 9 1 2 课题研究的目的和意义 纳米材料技术是纳米科技领域中最富活力、研究内涵最丰富的学科分支。纳 米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，一般在1 - l o o n m 之间。当小粒子尺 寸进入纳米量级( 1 1 0 0 n m ) 时，其本身具有量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效 应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质【l 】。f e 3 0 4 纳米粒子在粒径 小于3 0 n m 时，具有超顺磁性，即在没有外界磁场作用时，没有磁性；而存在外 界磁场作用时，则极易被磁化；外界磁场撤销后，又会在极短时间内退磁，没有 磁滞现象，矫顽力为零。超顺磁性的出现可归因为：在小尺寸下，当各向异性能 减d , n 与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化 方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米磁性微粒显现 超顺磁性的临界尺寸是小同的。目前，f e 3 0 4 纳米材料已经在化工、机械、电子、 印刷、医学等行业得到应用，并以其显著的磁敏、气湿敏特性在高密度磁记录材 料、气湿敏传感器件、磁性免疫细胞分离、核磁共振的造影成像以及药物控制释 放等领域有巨大的应用前景。 磁性高分子微球具有磁性，在磁场作用下可定向运动到特定部位，或迅速从 周围介质中分离出来，且质轻，易加工，流动性好，在细胞生物学( 细胞分离、 细胞标记等) ，生物医学( 靶向药物、临床诊断等) 和生物工程( 酶的固定化等) 诸多 领域展现了广阔的研究和应用前景。尤其是纳米级磁性高分子微球，由于粒径小， 比表面积大，可偶联的生物分子容量大，且能分散在体系中不易沉降，非常适合 在生物体系中使用。这些性能使其具有广阔的应用前景，因而在生化分离、靶向 制剂、固定化酶、免疫分析、催化研究等方面起到了极为广泛的应用口4 】。因此 研究磁性高分子微球的制备及其应用就有比较现实的意义。 1 3 纳米f e 3 0 4 磁性材料的制备技术 上海大学硕士学位论文 纳米f e 3 0 4 的制备方法主要有五种：微乳液法、共沉淀法、氧化沉淀法、机 械球磨法、水热法。 1 3 1 微乳液法 微乳液是由表面活性剂、油相、水相及助溶剂等在适当比例下混合自发形成 的热力学稳定体系，具有透明( 或半透明) 、低粘度、各向同性、分散相液滴极 其微小和均匀等特点。油包水( w o ) 型微乳液中的水核是一个“微型反应器”，化 学反应被限制在水核内，故最终得到的粒径受水核大小控制的纳米微粒 5 1 。 1 3 2 共沉淀法 化学共沉淀法制备超微粒子的过程是溶液中形成胶体粒子的凝聚过程，可分 为2 个阶段：第一个阶段是形成晶核，第二个阶段是晶体( 晶核) 的生长。采用 化学共沉淀法制备纳米磁性四氧化三铁是将二价铁盐和三价铁盐溶液按一定比 例混合，将碱性沉淀剂快速地加入到上述铁盐混合溶液中，搅拌、反应一段时间 即得到纳米磁性四氧化三铁 6 1 ，其反应式为：f e 2 + + 2f e ”+ 8 0 w + f e 3 0 4 + 4 h 2 0 。 1 3 3 氧化沉淀法 所谓氧化沉淀法，即是在碱性条件下向起始悬浮液f e ( o h ) 2 中通入空气或加 入其它氧化剂，将部分f e 2 + 氧化为f e 3 + 。其反应式如下：3 f e 2 + + 4 0 h + 0 2 f e 3 0 4 + 2 h 2 0 。邓建国等人【7 】通过向聚7 , - - 醇和f e s 0 4 7 h 2 0 混合体系中加入质 量分数为4 0 的h 2 0 2 作氧化剂，利用此法制备了纳米f e 3 0 4 ，经检测其粒径为 2 0 3 0n i n ，且粒径分布均匀。l a iq i o n g y u 等人s 】也通过向f e ( o h ) 2 悬浮液体 系中加入质量分数为1 0 的h 2 0 2 而制得了粒径范围为8 1 0n m 的f e 3 0 4 磁性 纳米微粒。 1 3 4 机械球磨法 高能量球磨法，常常又被称为一种机械化学现象，在混合粉末中能引发化学 反应。过去的十几年内该法在已知物质的转型和新物质的合成上己被证实为一种 很有潜力的方法。利用此法已经制备了诸如金属陶瓷、无定形和纳米晶形的合金 材料以及高温相态的氮化物、碳化物和硅化物等。g e r a r d of g o y a 9 1 通过这种方 2 上海大学硕士学位论文 法制得了平均粒径为7 l o 衄a 的f e 3 0 4 粒子。其大致过程为：将磁粉混合物f1 ， ( f e 3 0 4 ) = 9 9 9 9 ，0 5 删和甲醇( 2 0 4 0 n a ) 混合导入钢瓶中，并密封在氩气环 境中进行研磨，研磨一段时间后取出分析其粒径。 1 3 5 水热法 水热反应是指高温、高压下，在水( 水溶液) 或水蒸汽等流体中进行有关化 学反应的总称。水热法系指在高压釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反 应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解、反应、重结晶而得到理想的产物。水 热法具有两个特点，一是较高的反应温度( 1 3 0 2 5 0 ) ，有利于磁性能的提高； 二是在封闭容器中进行，产生相对高压 ( o 3 4 ) m p a ，避免组分挥发，另外还具 有原料易得、粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控及成本相对较低等优点。杨 华等人【1 0 1 利用此法制备 f e 3 0 4 磁流体，他们将f e e l 3 和f e e l 2 制得f e 3 0 4 粒子 的前驱物，再将纳米f e 3 0 4 粒子的前驱物转入到水热反应釜中的聚四氟乙烯烧杯 中，加热反应釜进行反应。经过洗涤、干燥，即得干燥的纳米f e 3 0 4 粒子。 1 4 磁性高分子微球的研究现状 1 4 1 磁性聚合物微球的分类 磁性聚合物微球按照其结构特点可以大致分为以下几种类型。 第一类，核壳式，即内核是无机磁性颗粒，外壳是聚合物，这种复合微球中， 无机磁性颗粒完全被聚合物包埋，形成典型的核壳结构，如图1 - 1 a 所示。 第二类，反核壳式，即内核是聚合物，外壳是无机磁性颗粒，在这类复合微 球中无机颗粒通过静电作用或络合等方式沉积在聚合物微球的表面从而形成无 机磁性壳层，如图1 1 b 所示。 图1 - 1 磁性聚合物微球结构 3 上海大学硕士学位论文 第三类，夹心式，即内外层均为聚合物，中间为无机磁性颗粒，这类复合微 球是通过对第二类微球再包募一层聚合物而制备的，如图1 1 c 所示。 1 4 2 磁性聚合物微球的制备 近几十年的发展，产生了许多制备磁性高分子微球的方法，主要包括包埋法， 聚合法，原位生成法等，本文将对这些方法的特点和优缺点做简要综述。 一包埋法 包埋法是制备磁性复合材料最早的一类方法，它是利用机械搅拌超声分散等 方法将磁性微球分散于天然或合成高分子溶液中，通过雾化，絮凝，沉积，蒸发 等手段制得高分子微球。磁性粒子表面与亲水高分子之间存在一定的亲和力，所 以把磁性粒子浸泡于高分子溶液中再经过乳化处理就可以再磁性粒子表面形成 高分子壳层，为了增加微球的稳定性常用交联剂交联高分子壳层等稳定化处理， 天然高分子微球均采用这种方法制备 利用共混包埋的方法，可以制备出磁性聚乙二醇( p e o ) 、聚乙烯醇( p v a ) 、 聚乙烯亚胺( p e i ) 、聚丙烯酰胺( p a m ) 等磁性聚合物微球。一些含有特殊功能基团 的烷氧基硅烷可以通过共混改性的方法对四氧化三铁颗粒进行包覆，形成硅烷化 磁性颗粒。施卫贤【l i 】用硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷( k h - 5 7 0 ) 对f e 3 0 4 进行表面改性，机理是f e 3 0 4 颗粒表面的羟基化作用形成的少量羟基与 硅烷偶联剂水解所产生的羟基发生的脱水反应，通过这种化学键使硅烷偶联剂吸 附到四氧化三铁表面，使f e 3 0 4 强烈的亲水性转变成亲油性，能有效的提高f e 3 0 4 微粒与单体及其聚合物的亲和性。f e 3 0 4 的改性过程如图2 ： 慨 e 图l - 2 硅烷改性纳米四氧化三铁粒子过程 包埋法得到的杂化微球，核壳之间的结合主要是通过范德华力( 包括氢键) 4 上海大学硕士学位论文 和无机金属粒子与高分子壳层功能基的共价键，利用该法制备磁性高分子杂化微 球具有制备简单，操作容易的优点。但是对于高分子壳层厚度的控制还不成熟， 而且往往存在包覆不完整、形状不规则、尺寸大小不好掌握等缺陷。为了制备包 覆均匀、厚度可控的有机物外包覆的杂化材料，通常采用聚合法。 二原位生成法 原位生成法是u g e l s t a d 等创立的一种制备混合结构型单分散超顺磁性高分 子微球。原位生成法制备磁性高分子微球一般包括四个步骤：( 1 ) 采用种子聚合 技术制备单分散大孔型聚苯乙烯微球；( 2 ) 对微球孔内、外进行磺化( s 0 3 ) 或硝 化( - n 0 2 ) 以使其具有亲水性界面；( 3 ) 浸泡微球于铁盐水溶液中，在适当的反应 条件下使超顺磁性f e 2 0 3 或f e 3 0 4 ，在孔内合成；( 4 ) 选用一种含活性功能基团的 单体对微球进行溶胀、聚合、包被，使微球孔道封闭，表面功能化。 中科院的万梅香课题组采用这种方法制备出一系列的聚吡咯f e ，, o 。复合材 料【1 2 1 3 1 。其制备聚吡咯f e x o ，复合材料合成路线为 坠n a o h 等i 凰： 邮t ：j d n d a f e z o ，) 该法的优点是可以制备出各种粒径的致密或多孔磁性复合材料，同时在聚合过程 中只经一次聚合成型，不需热加工，避免了由此产生的降解，从而保持了基本性 能的稳定。原位聚合法虽然制备方法简单，但是在物理性能方面存在一定的缺陷。 由于磁性粒子未完全包覆在高聚物基体内部，因为铁系氧化物为活性碱性氧化 物，在空气中的稳定性不高，从而在一定程度上影响了复合材料的环境稳定性。 此外，这种聚合法虽然新颖，但同时也具有很大的体系依赖性，并非所有聚合体 系都能够在聚合物生成后通过一定的处理得到无机磁性粒子。 二单体聚合法 单体聚合法是在磁性微粒有机单体引发剂表面活性剂，稳定剂等物质存在的 情况下，通过乳液聚合、分散聚合、种子聚合和悬浮聚合等方法，使磁性颗粒与 聚合物复合成磁性高分子微球的方法。该方法合成磁性高分子微球的关键是解决 5 上海大学硕士学位论文 无机磁性颗粒与有机单体之间的相容性问题。 l 悬浮聚合法 该法是指首先制得磁性纳米粒子、单体及分散剂的悬浮液，再经聚合得到产 物。阳承利“1 在疏水性f e 3 0 4 磁流体存在下，以甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 为聚合单 体，- - 7 , 烯苯( o v a ) 为交联剂，过氧化苯甲酸( b p o ) 为引发剂，聚乙烯醇( p v a ) 为稳定剂，采用喷流式悬浮聚合法制备了磁性聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 微球， 磁性微球的比饱和磁化强度为1 6 8e 舶a u g ，表现为超顺磁性，微球的尺寸为 1 0 0 0 r i m ，大小比较均一。从文献报道的例子中可以看出，悬浮聚合法方法虽然 简单，但制得的复合物微球粒径多在微米级，粒径分布不均匀，包覆效果也不是十 分理想所以该法应用不多。 2 分散聚合 分散聚合是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种特殊的聚合方法，通常是指溶解 在有机溶剂( 或水) 的单体，在稳定剂的存在下聚合成不溶性的聚合物而分散在连 续相中。分散聚合体系起始组分由引发剂、单体、稳定剂( 分散剂) 和分散介质四 种基本成分组成。有时为特殊需要，还要加入交联剂、共聚单体、表面活性剂、 无机盐等组分。邱广明等【l s l 以磁性胶体粒子为种子，制备了氧化铁p ( s t - a a ) 核壳 复合微球。包建军【1 司在分散聚合的基础上进行了改进通过微波辐照引起的 f e 3 + f e 2 + 的水解快速成核，微波可以将铁磁粒子的直径从1 4 3 n m - 2 4 8 n m 减少到 1 1 4 n m - 2 1 9 n m 。 3 乳液聚合 乳液聚合是目前应用较多的一种制备磁性复合材料的方法，包括无皂乳液聚 合，种子乳液聚合，微乳液聚合等。 成都有机所的邱广明等【1 刀利用改进的乳液聚合法合成出具有疏水性表面 ( p s t ) 的磁性高分子微球，控制聚合条件可得平均粒径介于o 0 6 o 7 u m 之间的各种 磁性聚乙烯微球。但通过此法合成的磁性高分子微球响较弱。为了得到粒径分布 均匀。磁响应强的磁性分子微球，他们采用了分散聚合法，合成出带羟基磁性高分 子微球1 埘，f c 3 0 4 含量可控制在0 5 - - 2 5 。周春华 2 0 1 以表面包敷有反应型的 表面活性剂n a u a ( 十一烯酸钠) 的f e j 0 4 磁性胶体粒子为种子，运用无皂乳液聚合 方法原位制备出f e 3 0 4 p ( n a l i a s t b a ) 核壳磁性复合微球 6 上海大学硕士学位论文 4 辐照聚合 国内张津辉等鲫在磁流体存在的条件下，采用1 ，射线源，于常温下辐照引发 聚合水溶性的丙烯酰胺和烯丙胺，制得了具有良好理化性能及稳定性很好的磁性 微球。并将其用于固相放射免疫分析及微量蛋白质亲和富集，收到较好的效果。 葛学武1 采用丫辐照引发，将丫辐照和单体分散聚合结合起来制得了平均粒径为 1 8 p r o 的f e 2 0 3 p s t 微球。 辐射引发聚合法为制备磁性高分子提供了一条新的思路，它采用清洁的y 射 线代替引发剂，减少了杂质的混入，而且反应在室温就可进行，具有反应条件温 和，制备工艺简单的特点。 1 4 3 磁性聚合物微球的应用 一靶向药物 靶向给药又称定位释放药物，其原理是利用药物载体的p h 敏感性、热敏性、 磁性等特点，在外部环境的作用下对病变组织实行靶向给药，即把药物直接定位 于靶区，或给药后通过一定方法使药物聚结于靶区，使靶区药物浓度高于正常组 织。靶向给药可减少用药剂量，增强药物对靶组织定位的特异性，提高疗效和减 少药物的毒副作用。磁性聚合物微球靶向给药是以表面功能化磁性聚合物微球为 药物载体与药物结合后，通过口服和注射进入体内，在外加磁场作用下，将药物 载至预定区域缓慢释放以达到需要的浓度。 磁性聚合物微球用作靶向给药载体的理想状态是表面或本体载有药物的磁 性聚合物微球能把药物载至靶向组织并释放。在实际应用中，磁性聚合物微球的 大小、电荷和表面化学性质严重影响药物在体内的循环时间和药效锄。另外， 磁性聚合物微球的磁性等内在性质在很大程度上又决定于微球的大小。对静脉注 射，微球粒径在1 0 1 0 0 n m 之间最好，在此范围内的微球，既能避开体内网状内 皮组织系统，又能进入体内组织中细小毛细管，从而达到在特定组织中的最佳分 布嗍。 m o r i m o t o 等晓卯把磁性聚合物微球用于动物实验发现，在磁场作用下，静脉 注射磁性微球到达外界放有磁场的肺部，而在没有磁场的作用下，药物主要集中 在肝脏。w i d d e r 等嘶1 采用热固化法制成含有阿霉素磁性白蛋白微球，并进行了 白鼠肿瘤实验，取得了良好效果；g u p 恤, 2 s 1 等用磁性血清蛋白微球作为亚德里亚 7 上海大学硕士学位论文 酶素的载体，在老鼠体内实现了靶向给药，通过研究发现：在使用一定剂量药物 的磁性聚合物微球进行实验时，药物在靶区的浓度是非靶向区域( 肝、心脏) 的自 由药物浓度的8 倍。d e v i n e n i 等人嗍合成含氨甲叶酸( 抗肿瘤药) 磁性聚合物微球， 用以治疗肿瘤，m t a 通过2 二甲胺甲基1 乙基链接在磁性粒子的表面，通过水 解可以释放药物，但是实验发现在4 5 m i n 内药物又重新分配，导致小鼠的死亡。 g h a s s a b i a n 等啪1 将地塞米松和f e 3 0 4 包埋于白蛋白微球中，用于治疗淋巴细胞肿 瘤。王平康等人d 1 1 把磁性聚合物微球用作药物载体时，通过其控释速率对药效 影响研究指出搅拌速度和成型温度对微球中最后形成的微型通道程度起决定作 用，微球中特有的微型水解通道的多少、宽窄及交联程度又是决定微球能否控释 的主要因素。邱广亮等1 采用乳化复合技术，将顺铂和氧化铁一起包于牛血清 蛋白中制成靶向顺铂白蛋白微球，将其用于体内后，在外部磁场的作用下，顺铂 白蛋白微球定向聚积并滞留在肺部，提高了肺癌的有效治疗效果，进一步的体外 药物试验表明磁性顺铂白蛋白微球具有一定的缓释作用，可适当抑制药物的毒副 性。徐慧显等t 3 3 , 弘1 用磁性葡聚糖微球固定化l 天冬酰胺酶来治疗急性淋巴白血 病和用磁性葡聚糖微球治疗乳腺癌，都取得了良好的治疗效果。 二生物分离 由于磁性聚合物微球具有粒径小、比表面积大、悬浮稳定性好、表面功能性 基团多样性等特点，故可通过各种物理和化学作用高效地与目标产物偶联，然后 在外磁场的作用下实现固液相的分离。上述操作可省去离心、过滤等繁杂操作， 十分快速和简单，可广泛地应用于细胞分离和分类、蛋白质提纯和核酸分离等领 域。 在磁性聚合物微球表面接上具有生物活性的吸附剂或其它( 如抗体、外源凝 结素等) ，利用它们与细胞的特异性结合，在外磁场的作用下将细胞分离、分类 以及对其种类、数量分布进行研究。c h a t t 喇e e 邯1 等人分别用聚苯乙烯磁性微球 和白蛋白磁性微球与外源凝结素结合，用于分离红血细胞，通过两者对比发现， 白蛋白磁性微球效率比聚苯乙烯磁性微球的效率高得多，但是成本高。u u m a n 等利用多烷基亚胺、氨基葡萄糖磁性微球，以定向吸附法从血液中提取红细 胞，其分离纯度可达到9 9 0 , 6 。b r i s c o e 等b 7 1 利用磁性微球成功地在骨髓稗植过程 中对骨髓中的t 细胞进行了提纯，使之应用于进一步的分类、培养、功能研究和 3 上海大学硕士学位论文 流式细胞术等，而p o y n t o n 等b 8 1 用含有抗生素蛋白、植物凝结素等配体结合的磁 性微球，进行骨髓中t 细胞的分离，应用于白血病的治疗。r e m b a u m 等认为鲫 用于细胞分离的磁性微球需有如下特点：( 1 ) 化学稳定性好，在细胞分离介质中不 凝结；( 2 ) 具有灵敏的磁响应性；( 3 ) 不与非特定细胞结合：( 4 ) 能快速彻底地分离细 胞。 三固定化酶 t m a k o 等啪1 把磁性聚合物微球用于固定化溶栓酶、胰凝乳蛋白酶、葡糖氧化 酶等，结果发现固定化酶保持初加入酶的活性5 0 8 0 。邱广亮等1 采用乳化复 合技术制备出粒径为1 0 0 3 0 0 n m 的磁性淀粉复合微球，以此微球为载体采用溴化 氰共价结合法、戊二醛交联法、物理吸附法固定化a 乙酞乳酸脱羧酶，将固定化 a 一乙酞乳酸脱羧酶用于啤酒发酵具有明显降低双乙酞的效果，而且由于其具有 磁性，可通过施加外磁场方便简单地与酒液分离，而不影响啤酒风味，从而缩短 生产周期，大大降低成本。邱广亮等m 1 用明胶包埋磁性氧化铁制备出稳定的纳 米级磁性明胶复合微球，考察了磁性固定化酶最适宜温度、p o 值等，他们指出 磁性固定化酶比自由酶的热稳定性、贮存稳定性及操作稳定性显著提高。a k g o l 等m 1 用羧基二咪唑( c d i ) 活化的磁性聚乙烯醇微球来固定转化酶，同样发现固定 转化酶的稳定性显著提高。陈捷等1 聚乙烯醇包埋纳米级磁流体，又经过活性 色素辛巴蓝修饰，使载体具有特异性亲和吸附能力，在实验中以溶菌酶为目标蛋 白，发现吸附行为对时间几乎没有依赖性，温度对载体的吸附容量也几乎没有影 响，但这种磁性亲和载体存在一定程度表面非特异性吸附，这对蛋白质的专一性 吸附不利。b i l k o v a 等卯在硫酸铜存在下用高碘酸钠活化半乳糖氧化酶酶后，把 它固定在磁性纤维素和磁性p ( h e m a e d m a ) 微球上，被定向固定的酶表现出很 高的存储活性和对环境的低敏感性。 四环境食品微生物检测 以磁性微球为基础的免疫磁性分离( i m s ) 技术不但广泛应用于医学、生物学 的各个领域，而且在环境和食品卫生检测方面的也有所应用。沙门氏菌是引起食 物中毒最常见的菌属之一。s k j e r v e 等报道了用免疫磁性分离技术从乳及乳制品、 肉类和蔬菜中分离出沙门氏菌，其检测限为每克l x l 0 2 个细菌删。免疫磁分离 技术可快速将目标微生物从样品中分离出来，如果和其它检验方法，如酶联免疫 9 上海大学硕士学位论文 吸附分析( e u s a ) ，多聚酶链式反应( p c r ) ，荧光免疫分析( f i a ) ，电子化学发光 ( e c l ) 相结合，则可数倍地提高分离效率和检测极限。y u 等m 1 利用i m s f i a 技 术，不进行过滤等预处理，直接对环境水样本进行检测。用该方法能快速有效地 探测环境中水的s e b ( 1 0 m g m 1 ) 其分析灵敏度为5 4 - 8 7 。目前，磁性高分子微 球的研究多限于实验室阶段和初步的应用研究，但其中仍有一些成功应用的例 子。如挪威的d y n a l 公司开发了一系列的商品化磁性高分子微球d y n a b e a d s 。该 公司的系列产品己经成功的应用于微生物学、免疫学、分子生物学、癌症研究等 领域，同时还在美、英、德、日、澳等国建立了分支机构。另据报道，澳大利亚 联邦科学与工业研究组织( c s i r o ) 研制成功粒径为1 0 0p r o 的磁性离子交换树脂 珠粒，用于除去饮用水中的有机物。该产品即将实现商业化。 1 4 4 磁性聚合物微球的表征 磁性聚合物微球的的各项特征如，平均粒径、粒径分布、磁含量、磁响应性 及耐酸碱性等，需要用不同的仪器和实验方法进行表征。同时，为了进一步探讨 反应机理，对磁性聚合物微球进行必要的表征显得尤为重要。磁性聚合物微球通 常的表征方法如下： 一磁性聚合物微球形貌、结构及组成分析 采用s e m ，a f m 分析可直观地观察磁性聚合物微球表观形貌，如球形规整 性、表面粗糙度等，本文主要采用a f m 对微球进行形貌分析，a f m 的优势是不 仅可以在二维水平上对微球形貌观察也可以在三维层面对微球形貌观察。采用红 外光谱( 瓜) 则可以对磁性聚合物微球的基体、表面功能基及磁性无机物质进行定 性分析。例如，邱广明等m 1 认为，在5 8 0 c m 1 的吸收峰可证明有f e 3 0 4 晶粒的存 在。 二平均粒径及粒径分布 乳胶粒的粒径及粒径分布是衡量磁性聚合物微球的一个重要指标。目前， 对聚合物乳液的制备而言，最常用的乳胶粒的粒径测定方法有以下六种：光散射 法，消光法，肥皂滴定法，离心法，电子显微镜法，水动力色谱法。利用前三种 方法，能测得乳胶粒的平均粒径：而利用后三种方法，除了可以得到乳胶粒的平 均粒径以外，还可以得到乳胶粒的粒径分布。对于磁性聚合物微球的研究而言， l o 上海大学硕士学位论文 主要采用电子显微镜法、光学法及水动力色谱法进行表征。本文采用光散射仪分 别在油相和水相中测定了核壳微球的粒径分布。 1 电子显微镜法 电子显微镜法主要包括t e m 、s e m , a f m 等几种种方法。利用电子显微镜 法可直接观察和测量磁性聚合物微球的粒径，也可以拍照，由具有代表性的照片 直接量取一定数量磁性聚合物微球的直径，由统计的方法求得数均粒径。电子显 微镜法是在磁性聚合物微球研究的早中期所广泛采用的一类方法，随着各种新型 理论的出现和新型仪器的发明，现在多采用光学法和水动力色谱法对磁性聚合物 微球的平均粒径和粒径分布进行表征。 2 光学法 随着激光、光导纤维以及电子和计算机技术的长足进展，光学法测粒技术 得到了迅速的发展。与上述传统方法相比，光学方法具有测量粒度范围广、重复 性好、精度高、不接触样品、不要求导电介质，测量时间短，可实现快速实时测 量等优点，还易于同电子计算机相配合，实现测量过程和数据处理的自动化。因 此光学法己被确认为是一种先进的、最具有广泛发展前景的测粒方法。测定粒径 的光学方法主要有激光脉冲全息法、衍射法和光散射法等几种，其中光散射法又 分为角散射法和全散射法两大类。光学法测粒适用范围广，可对气液、气固、液 固双相介质中的各种细微颗粒进行测量，其测量范围宽、精度高、重复性好，当 与计算机配合使用时，可以实现快速、在线、实时测量，使测量结果达到很高的 智能化程度。 3 水动力色谱法0 - i d c ) h d c 是一种简便、快速测量磁性高分子微球粒径及粒径分布的方法，该 方法易于实现在线测量，因此，自7 0 年代以来，h d c 发展较快。其工作原理为， 通过高压进样阀将待测乳液和标识物混合物注入内装1 8 2 0 r i m 的聚苯乙烯、玻璃 或硅胶填料的工作柱。根据压力和流量不同，物料流出时间约在2 0 - 1 5 0 r a i n 之间。 经过工作柱就把乳胶粒分级，粒径大的流速快，先流出，粒径小的后流出。经检 测器所得的信号输入计算机，进行处理后，其结果用记录仪记录下来，即得平均 粒径及粒径分布。 三磁含量 上海大学硕士学位论文 磁含量是磁性聚合物微球的另一个重要的指标。目前，磁性聚合物微球磁 含量的测定方法大致可分为灼烧法、比色法和原子吸收光谱法三种方法。其中灼 烧法和原子吸收光谱法是目前所广泛采用的方法。此外，在空气或氮气氛下用 t g - d t a 分析法进行磁含量的测得具有简便、准确的特点，也是一种切实可行的 方法。 四磁响应性 由于磁含量是描述磁响应性的一个较直接的依据，因此，磁含量的大小可 在一定程度上反应出磁性微球的磁响应性。丁小斌等人m 1 采用分光光度法对磁 响应性进行了定量的描述。其原理是将磁性高分子微球分散于水溶液中，测定经 不同磁分离时间后，溶液的透光率变化。测定过程为，将o 1 9 9 磁性微球分散于 1 0 m l 水中，经4 2 0 0 高斯磁场分离或自然沉降一段时间后，取离液面二分之一 处溶液，用分光光度计测其5 8 0 n m 波长下的透光率。 五表面功能基含量 当磁性聚合物微球用于细胞分离、有机合成及工业分离等领域，我们希望 它单位表面积含有更多的功能基数量，因此对磁性聚合物微球表面功能基的测定 也显得尤为重要。目前，表面功能基的含量几乎都采用电导滴定的方法。 1 5 论文主要研究内容和目标 由上述调研可以看出，磁性高分子微球的制备方法发展很快，并且已取得了 很大的进展，但作为理想载体磁性高分子微球在许多方面还不尽人意。本论文的 目标是利用电子束辐照能量大，无污染，反应条件温和宜控的特点，在共沉淀法 制备的纳米f e 3 0 4 粒子基础上，利用电子束辐照制备f e 3 0 v p a m 磁性核壳微球， 并对微球的性能进行了测试和表征。