（化学工程专业论文）多孔磁性复合微球的合成与表征.pdf

中文摘要 本文介绍了一种制备均。粒径的磁教球n 0 力法。和：氧化砩ij 辑i n l 化铁l t i ；j 混合溶胶中，加入尿素、甲醛并存酸性条什卜i 致其发生聚合反应，得到分敞良 好日粒径分布在d v 5 u m 问的脲醛树脂氧化硅氢氧化铁复合微球。经过真空 干燥处理除去微球内部的分子结合水后，按照定的j t 温程序对该复合微球：可湍 煅烧，最后得到粒径4 1 j m 左右的s io ：v h 。o 复合微球。通过刈其进行镜照1 1 、 粒度分布、比表面积及孔径测试、x r d j 剁、f e 。0 含黾：分析、磁州测定、反制j 色 谱分离性能等表征与测试工作，iq - 知该复合微球为一种机械强度较高的磁。r l ：多孔 复合微球。由于其较大的比表面积、较强的磁性、：丧面存在的大量硅羟基，该复 合微球可以成为一种新的磁性微球，在制药、生物技术和牛命科学领域何 i = 好的 应用i u 景。 在s y f e l 0 复合微球制备成功的越础h 又探讨了z r o ! yh 复合微球 的制备。 关键词： 磁性微球，s i o ：vf e 。0 复合微球，超顺磁性，反相色谱，z r o 。7 、。，0 复合微球 a b s t r a c t f h i st h e s i sd e s c r i b e san e wa p p r o a c hf o l 。p r e p a r a t i o no fu n i f o r ma n dm a g n e t i c m i c r o s p h e r e s a c c o r d i n gt o t h i sm e t h o d ，t h em o n o d i s p e r s eu r e a f o r m a l d e h y d e r e s i n s s i 0 2 r f e 2 0 3c o m p o s i t em i c r o s p h e r e s a l e o b t a i n e d t h r o u g hd i s p e r s i v e p o l y m e r i z a t i o no fu r e aa n dt b r m a l d e h v d ei nt h ep r e s e n c eo ft h em i x t u r eo fs i l i c as o l a n df e ( ( ) h ) 3s 0 1 t h eo r g i n o r g a n i cc o m p o s i t em i c r o s p h c r c sh a v et h el y a r t i c l es i z e si n “1 er a n g eo f4 - 5 b t m t h ed r i e dc o m p o s i t em m o s p h e r e sa r et h e ns t e p l h e a t e di n 1 o v e nt oa t l b r ds i 0 2 t f e 2 0 3c o m p o s i t em i c r o s p h e r e sw i t hp a r t i c l es i z e so fa b o u t4 9 i n t h ec o m p o s i t em i c r o s p h e r e sa r et h o r o u g h l yc h a r a c t e r i z a e db yar a n g eo ft e c h n i q u e s i n c l u d i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) 、s o r p t o m e t e r 、x r a yd i f f r a c t i o n i n s t r u m e n t 、z e e m a na t o m i ca d s o r p t i o ns p e c t r o p h o l o m e t r y 、v i b r a t i n gs a m p l e m a g n e t o m e t e ra n dh i g h p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o l l l a t o g r a p h y ( h p l c ) t h er e s u l t s s h o wt l l a tt h es i o d y - f e 2 0 3m i c r o s p h e r e s a r c p o r o u s ，m a g n e t i z a b l e a n dh i g h p r e s s u r e r e s i s t e d s i n e et h es i 0 2 t f e 2 0 3c o m p o s i t em i c r o s p h e r e sh a v eh i g hs u r f a c e a r e a ( 15 2 ，5 m 2 g ) a n d l o t so fs i l a n o lo nt h es u r f a c ea n da r ee a s i l ym a g n e t i z e di n m a g n e t i cf i e l d ，t h e yc a nb eu s e da sm a g n e t i cs u p p o r t sa n df i n da p p l i c a t i o n si n b i o t e c h n o l o g y 、p h a r m a c e u t i c a la n d l i f es c i e n c er e s e a r c h b a s e do nt h ee x p e r i e n c ew t i hp r e p a r a t i o ns 1 0 2 7 一f e 2 0 3c o m p o s i t em i c r o s p h e r e s ， w ec a r l 。l e do u tt h er e s e a r c ho np r e p a r a r a t i o no fz r 0 2 7 一f e 2 0 3c o m p o s i t em i c r o s p h me s k e y w o r d s ： m a g n e t i cm i c r o s p h e r e s ，s i 0 2 y f c 2 0 3c o m p o s i t em i c r o s p h e r e s s u p e r p a r a m a g n e t i c ，r e v e r s e d - p h a s el i q u i dc h l 。o m a t o g r a p h y ，z r o d y f e ? 0 3c o m p o s i t e m i c r o s p h c r c s 独创性说明 本人生命所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除，文中特别加以标注和致谢之处外，沦文中不包含其他人已经发表 或撰。；过的硎究成果，也不包含为获得丕望厶堂或其他教育机构的，学：付或证怕 i 刚史川过的材利。与我吼- 作的m 志刈小研究所做的人车【】员献均以n 沦丈l 1 作 了明确地说明j 亍表示了谢意。 学位论文作名一签名：勇乏戈，趣签字h 期：爻科年2 月，闩 学位论文版权使用授权书 本：学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定，特授 权丞建太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数斟i 库进行舱索，为聚 ，i i 影印、缩【= _ 】或扫描等复制手段保存、汇编咀供合阅和借阅。同煮学校向罔家有 关部i 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保鬻的学位沦文扫一解密后适用本授权说明) 学位论义作者签名：沃矗，起 签寸：r 期：0 阳每：炙月，几 刷雠：勾盔 签产同期：三知年。q 。z ? ，z 犬律人学硕十毕业论文 引言 引言 磁性分离( m a g n e t i cs e p e r a t j 0 1 1 ) 就是依抛物赝的磁性筹异，在磁场作只j 力 的驱动f 1 ，把磁性组分从非磁性组分混合物- i t 分离出来的种分离技术。传统的 磁性分离理论方法已经神：许多工业过程c ，获得t 应用，如冶金t 业巾的矿物磁选 分离。磁性分离技术在生物化学和生物医学工袱领域中的应用是2 0 眦纪7 0 ! 代 后期发展起来的。由于生物体系中的绝大多数k 物分子都是无磁性韵，为了给欲 分离的目标生物分子赋予磁性，需要预先制备种磁性载体颗粒( m a g n e t ic c a r r i e rp a r t i c l e s ) 作为运载工具，借助于磁性分离装置( m a g n e t ic s e p a r a t o r ) ， 对目标生物分子进行负载、运载、和卸载等分离操作，从而实现目标牛物分子的 磁性分离过程。出r 磁性分离的简单方便，。他得这。技术得到了深入发展。目前， 在生物和医学领域，磁性分离已在细胞分离、免疫检测、靶向药物、固定化酶及 亲和分离等诸多方面展现出重要的应用自h 景。 磁性分离载体是生物磁性分离的重要组成部分。理想的磁性分离载体应当具 仃超m 页磁性，即无外磁场时无剩磁，以防止磁性聚合物颗粒之间山于磁性相瓦吸 弓i 而造成使用过程中的分散问题。它要求分i 岛载体粒径分布窄、磁性强且均， 兀磁性颗粒泄漏。同时载体须具有一定的机械强度和较稳定的化学性质。 y f e 一0 s i o z 复合微球是一种新型的无机磁性分离载体。t - f e , o ，是氧化铁除 以n f e 一0 形式外存在的一种重要形式，普通的y f e 0 颗粒在外界磁场f 表现出 顺磁性，纳米级的yf e ，0 ，则表现出超顺磁性。正是由于纳米级? - - f e 。0 的特殊磁学 性能，引起了人们对它的广泛兴趣。但是纳米绂的7 一f e ，0 很不稳定，颗粒之l a j e 容易发生团聚，而且在较高温度下会转变为抗磁忭的一f 0 ；。因而，人们努力 寻找合适的体系来稳定yf e 。0 ；粒子。将y f 一。0 纳米粒子稳定于s i o 。体系q - 是一 种合理的方法，并已经有人证实r 这个方法的卅。行性。得到的v f e1 0 ，s i 0 。复合 微球l “卡其良好的磁学性能及表面呵修饰一f i ：，a ，以j 迎用f ，l ：化过程分离、吲定化 酶、药物控制释放等方面。 尚效液桐色谱( 1 1 】g h p e r f o r m a n c el 。】ql 1 c hr o m a t o g r a p h y ，h p l c ) 足种新 型的分离分析技术。它利用被分析物质在流动相和固定相中分配系数的差异，j t l i g j 州做相对移动时，使被测物质在两十i ：1 2 _ 蚓进 。反复多次分配，这样使原来的分 配差异产生较人效果，使各组分分丌，以达到分离分析的目的。高效液州弘渊- 4 定棚作为h p i ，c 的主要组成部分，是高效液十 t 5 ：谱力。池赖以生存利发展的纂础。 理惩的色谱固定相，应当具备较好的球以均匀的粒度分布、适宜的比表而积、 很好的机械强度等条件。目前人们制得的? h 化，s i 0 ，复合微球存扫二着粒径人小、 _ j | 二孔、比表面积小等缺陷，凶而很难应用i l l p l c 填料方面。 天津人学硕十毕业论文 本文致力于发展新型的磁性分离载体，介绍了一种新型的多孔y f e 。0 s i o 。 复合磁性微球的制备技术，并将其用于反相高效液相色谱分离。在实验室现有的 研究綦础二，做了以下工作： ( 1 )考察了利用分散聚台法制箭i 丫l 分敞复合微球的影响因素及最佧合成 条什。在此基础上，制备山分敝【3 ，的脲醛树脂二氧化娃氯氧化铁 复合微球，通过高温煅烧，得到了具有良好磁性的s i 01 y f e ：0 多孔 复合微球。 ( 2 )对多孔s i o ! vf o 。0 磁性复合微球进ij ：厂表征测定。根据该微球的物 理化学性质，提出使用浚复合微球作为反州商效液柑色谱填利。经过 实验证明，该复合微球完全j 以作为反相填料，从而赋予该磁性微球 一种新的功能一用于反牛目色谱填判。 ( 3 )在制备多孔s i o ：v f e ：0 。磁性复合微球成功的基础上，研究了z r o ? 浴 胶、z r 晚微球及多孔z r o = y f e 0 磁性复合微球的合成。 天沣人学硕十? 毕业论文第一章文献综述 l - 1 磁性微球介绍 1 1 1 磁性微球特性 第一章文献综述 磁性微球( m a g n e l jcm i c r o s p h e r e ! g ，m 抓) 作为种磁性分离载体，足从【： 个世纪七十年代丌始发展起来并已应用于生物学、医学、材料学等各个领域的新 型多功能试剂。磁性微球一般由磁核与其他基质复合而成。由于磁核对外磁场的 制应，磁性微球h j 在磁场中做定 q 移动。利川这一性质叫以x , 1m m s 进行定位，或 将m m s 从周围介质( 多为液体) 中迅速分离出来：也可以变换移动磁场，借助m m s x 、j 研究对象施力。由于m m s 的表面多为可修饰表面，可与各种生物活性物质( 如 抗体、抗原、酶、受体、核酸等) 偶联，这些生物活性物质被固定于m m s ：之后 u j 以存反应介质中进一步识别相应的抗体、配体、底物、核酸，从而达到分离或 检测的目的。因此，m m s 集载体功能和分离功能于一身，利用物理学、化学及生 物医学原理，将许多繁琐复杂的步骤简单化，使传统测试或分离的周期大大缩短， 在牛物医学( 临床诊断、酶标、靶向药物) 、细胞学( 细胞标记、细胞分离) 和生物 l 粥! ( 酶的同定) 等领域都有着广泛的应用i u 景。 随着欲分离的目标生物分子和其所应用的生物体系不同，对磁性微球的性能 要求和评价标准也不同。理想情况f ，磁性微球j 衄该满足以下几个条件： ( 1 )具柯尽可能高的比饱和磁化强度和低的剩余磁化强度，比饱和磁化 强度大司。以提高磁性分离的呵操作性，剩余磁化强度低可以避免使 用过程中的磁性川聚。剩余磁化强度为零的超顺磁性 ( s u p e r p a r a m a g n e t i c ) 载体颗粒可以完全消除磁性团聚；不同的磁 性载体颗粒应该具有均的磁性性能，以保持相似的分离条件。 ( 2 )表面含有丰富的有机活性功能基创如一o h 、一( ：( ) h 、c o o n 、- n i l 等，易与各种有机官能川键合；尘物褶容性一好，亲水性：表面能够减 少与目标生物分子的非特异一i j ：结合：微球心具有较大的比表血积； 颗粒粒皮分嘶j 较窄，典仃均的形状和密度。 ( 3 )具有较高的机械强度和化学稳定一m 能够抵抗机械摩擦、酸碱腐蚀、 微生物降解，无毒性，尤泄漏和i 污染等。 ( 4 )制备工艺简单。 大津入学硕十毕业论文 第一章文献综述 1 1 2 磁性微球的结构 磁性微球要求既有较高的磁性，又以二表携带能与亲和配基共价键合的有机 衍r l ：功能璀。磁性微球按照奠材料纰成 ：篮分为磁性乍物大分予微球、磁性高 分j ，微球和磁性无机复合微球。磁眺， ：物人分j 7 微球指门】蚩i 1 质、多糖等生物犬 分子将磁性颗粒包覆于其中得到的磁性微球，f 1 前其应用局限于一些生化分离领 域。现在研究和应用中普遍应用的是无机磁m 田微颗粒与有机高分子化合物构成 的复合材料。# k c f - ，无机复合材料的磁1 m 散球p 捌山于其较强的磁性、较高的机 械强度及简单的制备方法等优点，在核酸分离、生化合成、固定化酶等方而都有 着很好的应用前景，对其的研究也同益广泛。 磁性颗粒核心的种类很多，较常t 【 j 的有余属( f e 、c o ) ，氧化铁( vf e ：0 ：、h ，0 ) ， 铁氧体( c o f e 0b a f e 0 。) ，氧化铬和氮化铁。其中f e ，0 ，和yf e l 0 。是两种应用较 多的磁性颗粒。磁性微球的结构与其制备力法相关。常见的儿利幢6 构类掣( 以聚 合物磁性微球为例) 有核一壳型、混合型、多层型。见图1 1 。 ( a ) _ m a g 【l d f cm a t e r i a lc o r e ( b ) 圜 p o l v m e d cm a t e r i a l 11 衍点件载休烦粒的结构( c - ) 穆，茅，儿fh ) 混舟型，( cj 多层型 f i g1 1x l l u c t ur eo i m a g n c l i c 。c i c r s 1 1 - 3 磁性微球的制备方法 1 1 3 1 共混包埋法 ( c ) 共混包埋法是将磁性超微颗粒均匀分散存亲水性高分了水溶液h ，通过交 人泮人学硕 - 毕业论文 第一章文献综述 联、絮凝、雾化、脱水等手段使高分子包裹在磁性颗粒表面，形成核一壳结构的 磁性聚合物微球，是目前文献中比较常用的制备力。法之。 ( i ) 天然高分子 天然高分子含有丰富的功能基团，与生物的相容性较好，易生物降解，适合 制作各利，用途的磁性分离载体。蜇门质川以直接用来包士里磁性颗粒。如 m e h t a 等1 4 1 j 碳：亚股将牛血清白蛋白( b s a ) 变联在新鲜制备的纳米f e o 颗 粒表而，制得外包蛋白的磁性分离载体。多糖也可以用来包埋磁性颗粒。李 欣等i5 】i 每纤维素( c e l l u l o s e ) 与yf e 。o 混合成磁性粘胶液，采用反相悬浮包 埋法制得毫米级磁性珠状纤维素。 ( 2 ) 合成l 苗分r 利用类似天然高分了共混包埋的方法，岜叮以制备出磁性聚乙二：醇( 肌( ；) 、 聚乙烯醇( p v a ) 、聚乙烯亚胺( p e i ) 等磁性聚合物微球，但此法制备的磁性载 体稳定性不足。 ( 3 ) 硅烷衍生物 些含功能基团的烷氧基硅烷或氯硅烷可以通过共混改性的方法对磁性 f e 。o 颗粒进行包裹，形成硅烷化磁性颗粒，用于硅烷化的试剂很多，如用 y 一缩甘油丙基三甲氧基硅烷( g l y m o ) 与f e ，0 颗粒表面的一o h 缩和可以得到 含王1 ：氧基的磁性分离载体怕j 。 共混包埋法制备磁性分离载体主要是通过范德华力、氢键、配位键或共价键 等作用，使水溶性高分子链缠绕在f e ，0 颗粒表血，形成聚合物包被的磁性微球， 采剧此法制备磁性微球的优点是简单方便，表 衄本身含有各种活性功能基团，可 直接偶联所需配基，缺点是制备出来的磁性徽球大小难以控制，粒度分布较宽， 形状不觇则，不同微球磁性颗粒含量也不致，微球磁性强弱差别很大，磁性颗 粒易于外界接触，容易泄漏。 1 1 3 2 活化溶胀法 为了解决共混包埋法巾磁性微球粒径大小l ：、磁性颗粒易泄漏等问题， l i f o 】s t a d 等【8 】创立了活化溶胀法( a c t jv a te ds w c | 1n g ) 。活化溶胀法是一种制备 腿岔组1 = f ：i 删r p 分敞超顺磁性聚合物微球n 0 ，j ；上。这种。i k $ , j 备磁。阽聚合物微球 般包括网个步骤：( 1 ) 采用种子聚合技术制备坼分散大孔型聚苯乙烯微球；( 2 ) 对微球孔内、外进行磺化或硝化以使其其有泉水忖界面；( 3 ) 浸泡微球】j 铁盐水 溶液- 扣，在适当的条件下使超顺磁性f ：e n ! 戈y f 吼o ：舀：孔内合成；( 4 ) 选用种岔 活性功能基团的单体列微球进行溶胀、聚合、包被，使微球孔道封闭，式助箍 化。重复第三步操作司以使微球中的磁性剽! 粒含量达到需要的水平。 大泮人学硕十毕业论文第一章文献综述 u g e l s t a d 法是e j 自u 制备磁性聚合物微球最好的方法，用此法制备的磁性聚 合物微球单分散性好，磁性颗粒含量均匀“j 以控制，甚至已有商品聚合物磁性 微球。只是此法的制备过程十分复杂，成本很高，价格昂贵，是一个缺憾。 1 1 3 3 界面沉积法 棚对于活化溶胀泫而吉+ ，界丽沉积 蚓“备磁+ p l - t , 致球步骤稍简单砦。它是制 备多层结构磁性聚合物微球的一种方法。 ：u r u s a w a 等人的做法【”是预先制备一种 表面含有某种功能基团的聚合物乳胶粒，与纳米磁性颗粒均匀混合，通过调节 f ) l l 值使聚合物乳胶粒与磁性颗粒- a i f i fj 听，；f j - i 乜铀十日反，磁性微粒借助于静电吸引 沉积在聚合物乳胶表面，然后以i - = l f lj 废粒为种r 进行乳液聚合，表【f i _ 再包被一层 聚合物，形成央心式结构的聚合物微球。用这利，方法制备的磁性微球具有粒径可 控、大小均匀、磁含量一致等优点，但是过程仍过于复杂。 1 1 3 4 单体聚合法 币体聚合法是在磁性微粒存在下，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聚合物微球的方法。在制得合适 的磁流体基础上，采用这种方法可以用步或至多两步合成单分散且磁性良好的 磁性微球。采用此类方法合成磁性聚合物微球的关键是如何解决无机磁性颗粒与 有机烯类单体之间的相容性问题。 有机烯类单体有亲水性单体和疏水性r p 体。泉水性单体如丙烯醛、丙烯酸等， 与亲水性磁性f e 、；o 。或y f e ：o 。颗粒相容性较好，i _ 以在单体聚合成球的过程中直 接掺入磁件颗粒，使两者复合成磁性聚合物微球。如c o c k e r 等在磁性l ；e 。0 。微粒 存在f ，采用反相悬浮技术合成了6 0 6 0 0 p m 的聚丙烯酰胺磁性微球t 。亲水性 单体聚合法由r o i 能使较多的磁| 牛颗粒集- | 存微球内部，形成的微球磁。h ：股较 弱，化学和机械稳定性也不好优点是农i u 含宵n i l 。、c h o 、一c o o h 等功能基引， “j 以通过双功能试剂或直接与生物配基偶联。 有机亲油性烯类单体如苯乙烯、丙烯酸酯等与尢机亲水性磁性颗粒桐容性较 左，聚合过程巾容易发生相分离，致使合成的微球磁性颗粒含量低，分粕也不均 。针对这个问题，研究者相继提出了些办法阻” ，但仍未彻底解次这个问题。 1 34 1 悬浮聚合t r i c o t 等人【l 3 1 存汕溶性引发剂、悬浮稳定剂和磁粉共存 的条件f ，制得1 广粒径范围为0 0 5 m m 、3 m m 的磁性高分子微球。m a r g e l 等【1 4 荆川j 悬浮聚合，制得了粒径范围为0 0 3 “m , h o p m 的暇性聚丙烯醛类微球，井列其衷 而哜萆、羧璀及双键禽节进行了测定 叭 ir 锋采j 微悬浮聚合得到了粒径 范围为00 3 p m 5 p m 的憎水磁性高分了微球，但所得磁性微球中的磁性：尢机微粒 天津人学硕十毕业论文 第一章文献综述 倾向于迁移至微球的四周。c h a r m o t 等同样采用微悬浮聚合合成了粒径范围为 0 ，0 3 u m l0 l l m 的憎水交联复合磁性微球。n ：该发明巾磁性微粒集中于复合磁性 微球的内部，壳体几乎不含磁性微粒。但所得微球中仍有大于1 0 的不含磁粉 的“空白”微球，需要在磁场下加以分离。 怂浮柴合法烈有微球粒径分伽宽的缺点，l 州此目6 u 研究较多的为乳液聚合法 和分敞聚合法。 1 1 3 4 2 乳液聚合乳液聚合是h 前应_ 较多的一种制各磁性高分子微球的 力法，它还包括无皂乳液聚合、种i l l 液聚合等方法。s o lc 7 l 在分散有磁陀粒 f 的水相体系中乳化单体，得到稳定的乳化体系、然后应用乳液聚合得到了胶体 尺寸的疏水磁性高分子微球。邱广明等| 】8 i 利用乳液聚合法制备出单分散的亚 微米级磁性微球，研究了分散介质、单体、种子粒子及p h 调节剂等因素对聚合 行为和磁性微球的影响：作者认为，采用磁流体合成磁性高分子微球的关键是在 矾流体表面产q - 聚合引发点，形成理想聚合场所，因此对乳液聚合法进行了改进， 采用吸附。溶胀的方法、得到了单分散性好，县有良好机械稳定性和耐酸性的磁 憾意分子微球【。 磁性l 岛分子微球在生物医学领域的应用较广，如用作诊断试剂等，但鹾领域 对磁性高分子微球的要求较高，不仅要求其单分散性好，并且应无非特异性凝聚 凶素( 如乳化剂等) 。而乳液聚合制备的磁性高分子微球无法满足这些要求，因此 人们义丌发了无鬯乳液聚合技术。无皂乳液聚合足指存不合乳化剂或仪含微餐乳 化剂( 其浓度小于临界胶束浓度c m c ) 的条什f 进行的聚合反应。 y a n a s e 等在磁流体存在的条件下，不外加表面活性剂，制得了磁性聚苯乙 烯微球。并详细地讨论了磁流体中的表面活性剂、引发剂用量、单体、添加剂 ( c a c l ，、荧光染料) 等对聚合反应和微球特征的影响。作者认为【1 ”，在磁流体存 存r f l j s l 液聚合行为_ = 【j 常规乳液聚合行为类似，但前者的反应机理比后者复杂得 多。同时，他们列商业磁流体进行超滤处理( 除女体系中存在的游离表面活e 剂 和其它添加剂) ，得到了超滤磁流体，并比较j 7 这两种磁流体存在f 的聚合反应。 t j i 未经处理的磁流体得到的微球粒径较小，微球彼此删的磁含量差异大，粒径分 散性较大，目磁粉倾向 i 靠近微球的边缘。而l j j 超滤磁流体得到的微球粒径较大， 分散性小，日磁粉确：微球内分敞均匀。陔课题绷还就磁性高分予微球的磁含最的 测定方法进行了研究，作1 1 ： 认为，用热火重 彳- 姒 分析( t ( h ) t a ) 的方法求确定磁 含量足平十切实呵行的方法。 k o n d o l 2 0 1 等人在共沉淀法合成超细磁流体的基础】：，j j 两步无皂乳液聚合技 术，制备出热敏性的磁性聚苯乙烯n 异丙基丙烯酰胺甲基丙烯酸( p ( s _ l n i p a m m a a ) ) 微球。在s e m 和t e m 观察胶乳微粒的形念和分却，动态光散射法测 走泮人学硕十毕业论文第一章文献综述 定流体动力学商释，超冠微电泳分析测定(训市，热霞法分析磁含吊的綦础h 他们认为，磁性胶乳微粒的流体动力学r 径( h r d r o d y n a m i cd i a m t e r ) 随磁流体 单体重量比的提高而明显减小，这与y a n a s e 等得出的结论致。 由于y a n a s e 等制备的磁性聚苯乙烯微球表面缺少功能基，而k o n d o 等采用 的两步法较复杂，因此，t t w e e 等人口l j 采用一步无皂乳液聚合技术，在磁流体存 在的条件下j ，合成出平均粒径为3 0 n m 的磁性高分子微球，并对平均粒径及粒径 分布、表面羧基含量、磁含量、酸碱稳定性进行了测定。他们发现，用丙烯酸钠 ( n a a a l a ) 代替甲基丙烯酸( m a a ) 不但能提高磁性微球的单分散性，还能提岛其 灰i n 】羧丛含量。 l 3 ，- 1 3 分散聚合 利用无皂乳液聚合技术难以得到粒径大j 二1 p m 的磁性 高分子微球，而当磁性高分子微球用，绑地分离、固定化载体的领域时，为能 在磁场卜陕速分离，多希望利用粒径火rl t - u 1 1 的磁性高分了微球。分散聚合法刈 于合成大粒径、单分散性的磁性高分子微球具有得天独厚的优势。同时，该方法 是向微球表面引入功能基团更为方便的方法。 分散聚合是指一种由溶于有机溶剂( 或水) 的单体通过聚合生成不溶于该溶 剂的聚合物，而且形成胶态稳定的分散体系的聚合方式。孙宗华等人【2 ”利用分 散聚合法，以水乙醇为分散介质，合成了含有一c o o h 、一o h 、一c h o 等不同 表面功能基的核一壳型磁性复合胶乳微球，并研究了分散介质、引发剂、蒙合单 体、种子粒子等因素对复合微球形成的影响。随后，其课题组还制备出热敏性的 磁年聚苯乙烯n 异丙基内烯酰胺( p ( 蜥、川a m ) ) 微球f 2 3 j ，研究了引发剂、单 体、稳定剂浓度等聚合条件对微球合成n 0 影，并采用扫描电镜、红外光谱、j l 索分析、热分析等手段对热敏性磁忭商分f 微球的形貌、结构进行了表雉。州叫， 通过测定不同温度f 的流 术动力学自径，研究了其热敏性。 rl c h a r d 等1 24 | 在磁流体、有机溶剂、荦体、稳定剂、共稳定剂、引发剂共存 的条件下利用分散聚合法合成了粒径范围为o 1 m 一5 p m ，磁含量0 5 一j o ， 税径分布标准偏差不大丁1 5 的单分散疏水磁性高分了微球。作者认为，为了 得到单分散微球，制备过程中必须满足以下条件：( 1 ) 成核阶段快，所有核心同 卜j 形成；( 2 ) 在微球成长的阶段，连续相中的所有齐聚物自由基在达到临界凝聚 t 寸之前，必须被体系中已存在的微球所捕获，以避免形成新的徽球：( ：”在微 球的成长阶段必须避免微球问彼此的凝聚。 1 1 4 磁性微球的功能化方法 4 。1 表面功能化 大泮人学硕十毕业论文 笫一章文献综述 磁性载体表血必须含有反应性功能基凼，如一n i t ：、一c l i o 、一c 0 0 1 t 等，以便通 过适当的有机化学反应与特定官能团键合形成满足各种应用需要的磁性分离载 体。 天然或合成的亲水性有机高分r 化合物本身含有丰富的活性功能基团，如多 撼( 一0 1 ”、聚丙烯醛( 一c l i o ) 、聚丙烯酸( 一c o ( ) 1 1 ) 等。他们与磁性颗粒直接复合形成 的磁，r 1 ：分离载体1 i 需要功能化。羟丛、氨丛、琊氧基硅烷包裹的磁性颗粒也含有 相应的活性功能基团。疏水性草体聚合法制各的磁性聚合物微球的表面般不含 功能基团，通常有两种功能化方法。 种足与含功能基团的亲水性单体共聚。例 如苯乙烯( s t ) 与甲基丙烯酸羟7 , n ( h e m a ) 、丙烯酸等单体的共聚可以产生含羟基 利竣基的磁性聚合物微球 2 0 2 5 】。研究表明简单的一步共聚法只能使很少的功能基 川定位积聚合物微球表而，而绝大多数功能g - i 于l 被包埋在微球内部。 如于共聚法 简单方伎，无需后功能化，在一些列配基偶联效率要求不高的分析检测和实验研 究中仍广泛使用。 另一种聚合物微球表而功能化的方法是通过高分子化学反应，大多数离子交 换与吸附树脂采用这种方法，典型的反应如聚苯乙烯的磺化、胺化、氯甲基化等 1 2 6 1 。此类反心虽然能获得高容量的表面活性功能基团，但是，高温强酸性等剧 烈反应条件对聚合物微球中磁性氧化铁的分解限制了这一方法的使用。 1 1 4 2 配基固定化 功能化的聚合物微球可以通过各种化学反应与相应的配基偶联【27 ”j 。目前 磁性微球在生物方面的应用大多采用生物亲和配基，如抗体与抗原、激素与受 体、酶0 辅酶等。磁性强球表面的功能荩团10 生物亲和酣基表面的n h 。的偶联， 除了含醛基的载体能直接与氨基形成席夫碱( s c h i f fb a s e ) 外，其余各种基团均 须预先活化。活化的过程，也就是对微球表面的功能基团通过化学反应进行转 化，使之可以，o 生物亲和配基表面的氨基反应。 1 1 5 磁性分离方法与分离装置 磁性分离的应j e ；j 领域和研究对象不同，对磁巾聿分离装置的要求也不一样 存外加磁场作用下，流体中的磁性颗粒运动辛要受两种力的控制， 。种是f 1 用在磁性颗粒上的磁场力恤可由下式7 , 1 算： f m = 1 1 6 4 x d ，3 + ( z ，一z ，) + h + g r a d ( h ) 式( 1 一1 ) 另种是磁性颗粒所受到的粘滞阻力讥“ , s t o k e s 方程给h ： f m ：6 z 。，7 + d 。+ v 式( 12 ) 人泮人学硕十毕业论文第一章文献综述 其中d 矿z ，分别是磁性颗粒的随径和磁化率，r 、z ，分别是生物流体的粘 度和磁化率，r 是磁性颗粒相对于流体的运动速率。 山式( 1 一1 ) 和( 卜2 ) 可知磁性颗粒n q 分离特征是由磁性分离装旨的磁场性 质( h ，g r a d h ) 、磁性颗粒的性质( 4 、石，) 和流体( 叩、z ，) 的性质决定的，磁性颗 粒粒行= 较大、磁性强或流体粘度小的体系相刈比较容易分离，般的磁场强度 和梯度的磁性分离装置即可满足府用需要，而对于那砦磁性颗粒粒释较小、磁 性弱或流体粘度大的体系来晚完令的磁陀分离就必须有在很高的磁场强度和 梯度f 进行。 磁性分离的方式主要有以下几种类型：j 昆合澄清式、高梯度磁分离过滤 式、磁性双水相萃取及磁稳定流化床( m s f b ) 。 ( 3 ) ( 4 ) 混合澄清式：混合澄清操作中依靠磁性介质加速相分离或粒子 的沉淀，以代替传统的重力沉降或离，1 3 过程。此方法操作简单， 日j 0 主要应用丁分析检测硐研宄领域。 高梯度磁分离过滤( h g m s f ) ；高梯度磁分离的研究在2 0 世纪中 期就已经开始研究，并卞要麻兀1 于水处理、环保及g i 物技术领域 【2 9 】。高梯度磁分离装置中一般采辟j 曲二轻较大或具有尖锐凸起的可 磁化填料，填料经外加磁场磁化后，住其周围可产q i 很l 铺的局部 场强梯度，从而捕获流绐料液中的磁性粒子，使得固液分离删。 磁性双水相萃取；磁性双水相萃取是在体系中加入磁性介质，使 其均匀分散在非连续相，在磁场作用下可大大缩短分离时间，为 操作的连续化打下基础。f ly g a r e 等人利用磁性聚乙_ d 一醇葡萄糖 双水相系统成功地实现了蛋门质与细胞碎片的分离i 引】。 磁稳定流化床( m s f b ) ；磁稳定流化眯在通常的流化床外部施加匀 强磁场，限制磁性粒子的随机运动，减小混返程度，使床层既具 仃炎似的稳定结构，义l 仃 定的流动性，为提高传质效率、简 化操作过程创造了条仆m s m 确：，l ! 物技术r t q ! 要f i 用j 吸刖分 离、砌定化酶催化及牛化分l 过刊“i ，如张宏等人将此稳定流化 床技术用r 酵母细胞的划定化，呵以叫显提高产r 牢m | 。 h 前，磁性分离在列刎夏学领域的应川1 i 要是细胞分离、免疫检测及分析洲 试，一些专利文献已经针对这些体系的应用需要设计m 了各式锌样的磁分离装 第一章文献综述 血管，经磁场导向至肝脏，进行靶向药物治疗试验”。 1 1 6 4 固定化酶 游离酶在削k 上应用很多，但只能用一一次，将酶同定在磁性微球表面小仅 能上f l 加眦的稳定一p 4 - ，i l l 川l 能够揪容易j 0 迎过僦h 一分离器叫收，酶消耗齄少，蛳 催化反应还可以在磁场控制的生物反、i 器r 连续进行，磁场稳定流念化q i 物皮 j 、v 器就是其。| j 例。人多数同定化隅的力式赴将f 1i 4 1 酶连接在磁陀微球表1 f 或 扎啦1 ，例如孙宗华等将陌f e ，0 _ 1 l l ，h 蛋【j 晦的固定化，考察了l 吲定化条 f l 圾载体对磁性酶活性的影响 3 8 】。磁性微球固定化酶还有一些变化方式，可直 接将纳米磁性颗粒吸附在含胞内酶的细胞表面或掺入其内也可以使嗨磁化。 d a u e r 等采用这一方法使酵母磁化，并用高梯度磁分离装黄进行了分离”。 1 1 6 5 两相分离 磁性强化相分离是近年来提出的一个新概念，在液相粘度人、有乳化剂存 在、两相密度差小、相比特别大或特别小的液一液萃取过程中，完全的相分离往 仆比较难，磁性翱粒的引入能够有效加速这一过程的实现。双水相苇取是依 据聚合物与聚合物或无机盐水溶液之阳的1 ：不相容性建立起来的种! l 化分离 技术。由于两相唰界f f ： i 张力小，干h 分离消耗时n = | jk ，w jk s tr 6 m 等将葡聚糖稳定 的铁磁流体或氧化铁颗粒引入葡聚糖聚乙醇的般水相体系中的葡聚糖柑，借 助j 二外加磁场，可以使相分离时间减少几十倍1 4 。 1 1 6 6 亲和分离 在磁性微球表面偶联各种各样的特异性亲和配基，通过亲和吸附、解吸和 磁场分离等操作，可以一步从复杂的原始7 卜物体系。p 分离出纯的f = 1 标，j 二物活4 叶 物质，具有选择性高、凹收率高等优势，是尘化分离的重要发展方向之 。 l o s e p h s o n 等人采用硅烷化的磁性微球刈人j 1 1 l 中淋巴细胞进行了分离拉。 除了以1 几炎m 婴应j 之外，磁性微球l 王r j _ 以应j l d 丁磁j l 振图像( m e j l 列比 刺以及作为彳j 机合成的闻相载体等- l 。1 j i 1 2v f e 。0 。i s i o 。复合微球及其应j j r 股水说，俄俐高分j i 微球或端磁一】：牛物人分子微球普遍存在着机械强度 差、比表面积小等问题，这限制了它们存睹如磁稳定流化床等领域的j 龃川i 。而 无机磁性复合微球如7f e 。0 s i o ：复合微球，于其良好的机械强度，表断存存 “j j 人量j 键台羟基等优势斯逐步引起人f 的研究兴趣。 第章文献综述 咖管，经磁场导向至肝脏，, i i - ；e 1 s j f j j 物治，试验阳。 1 1 6 4 固定化酶 游离酶1 1 ：i ：工业上应h j 很多，但只能川玖，将酶固定舀：磁性微球表嘶不仅 i i k i l 鹤 助l 酶的 埏h ，j l 能够 艮存劫“，j 迎过慨。阽分f 器收，酶消i i 少，嗍 催化反应还可以在磁场控制的，j 二物反心器l l i 连续进行，磁场稳定流念化，1 物反 府器就是其e 卜一例。大多数定化酶的山“ii 将酶连接舀：碱陀微球太i f l i - 戈 孔鼙h 例如孙宗华锋将i ；sr e ；0 ，川p ”p 受蚺的圳定化，考察了l 围定化条 件及载体对磁性酶活性的影响口。磁性微球蚓定化酶还有一些变化方式，i i 直 接将纳米磁性颗粒吸附仵含胞内酶的细胞表岫或掺入其内也可以使酶磁化。 d a u e r 等采用这一方法使酵母磁化，并用高梯度磁分离装胃进行了分离p 。 1 1 6 5 两相分离 磁性强化相分离是近年来提出的个新概念，在液相粘度大、有：j l i j 4 制存 存、两相密度差小、相比特别大或特别小的液液萃取过程中，完全的相分离往 纷比较粥难，磁性颗粒的引入能够有效加速这一过程的实现。双水同萃墩魁依 掘聚合物与聚合物或无机毹水溶液之叫的7 m i 柙容性建市起来的一种“化分离 技术。于两相州界丽张力小，相分离 ：f 【j 十t 卜j 叫k w 1k “r 6 m 等将葡聚栅稳定 的铁磁流体或氧化铁颗粒引入葡聚糖一聚乙醇的双水相体系中的葡聚特十，借 助于外加磁场，可以使相分离b l - t 1 日j 减少几十倍1 4 0 1 。 1 1 6 6 亲和分离 在磁性微球表面偶联各种各样的特异r ：亲, i ：n t l e 蓼，通过亲和吸l s f , j 、解吸和 磁场分离等操作，可以一步从复杂的原始( i - 物体系【 分离出纯的f 1 标牛物 l l 性 物质，具有选择性高、回收率高等优势，是生化分离的重要发展方札之 。 l ( s e p h s o n 等人采用矗毫烷化的磁性微球对人m i 中淋巴细胞进行了分离口。 除r 叭【一几l 类重要应川之外，磁阡微球迂i 【j 以皿川 i 磁l 振l 铡像( 川) “ l i 剂以：3 乏作为彳丁, t v i 合成的例州拔佛引“j 1 2 1 ，f e 。0 。s i o 。复合微球及其心用 一般术说，磁性高分子微球歧揣磁悱l - 物人分f 微球酱趟存相者机械姒嫂 夕兰、比表面积小等问题，这限制了它们枉i - t ；如磁稳定流化床等领域的、州j 。胁 兀机磁性复合微球如y f e ：0 s i o 复f i 徽球， jr 其良女，的机械强度，表 。r 的人量；q - 键合羟暴等优势向逐步，j i 越，l _ i i 川川i 究兴趣。 大泮人学硕十毕业论文第章文献综述 铁是可变价元素，存在着不同价态雨i 晶体结构的氧化物，这些氧化物已广泛 用作磁记录材料i “、颜料等。目前已涉及的氧化物主要包括7 - f e 2 0 3 、0 【一f e 2 0 3 剧l e e j 0 4 。 y f e ：0 。是氧化铁除咀0 【一f e 。0 形式存在外的一种重要形式。从晶体结构而言， y f e 。0 属f 尖晶石结构，结构式可表示为f e ”( n ：。f e l + i 。) 0 ，三价铁离子占掘在 氧离予堆积成的四面体和八面体空隙位置上，并在八面体位置存在一定数量的空 位。vf e 。0 是一种亚稳相，长时i q 处于4 0 0 。c 左右的工作温度下，将不可逆的转 化为刚玉型结构的稳定的df e 。0 相。0 lf e 0 相的稳定性较高，是氧化铁存在的 1 。蛰肜式。r 发i 1 列出j 曲种形式自蛑e 化铁f | 1 = = 要性质。 当常规的v f e 2 0 3 颗粒粒径减小到纳米级别( 1 - l o o n m ) h , j ，纳米材料与常规材 料在磁结构方面的巨大差异，必然在磁学性能匕表现出来【4 “。当晶粒尺寸减小 到临界尺寸( 即达到纳米级别1 1 0 0 n m ) 时，常规的顺磁性y f e 。0 颗粒会转变为超 顺磁性。纳米级y f e ：0 ，颗粒所具有的超顺磁性，引起了人们的广泛关注。由于这 一特性，它可以应用于磁记录材料、生化过程分离、医疗诊断、药物控制释放等 方面【4 “。正是由于它的广泛用途，人们很早就丌始对它的合成方法及特性进行 表