专利名称：一种具有核壳结构的磁性金属氧化物微球及其制备方法
技术领域：
本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种具有核壳结构的磁性金属氧化物微球及其合成方法。
背景技术：
随着纳米科技的迅速发展，纳米材料已经在生物医学、生物工程、环境工程等领域显示巨大的应用价值。作为一种新型的高效分离技术，磁分离技术越来越成为学术界和产业界研究的热点课题。磁性分离技术主要依赖一种具有磁响应性的微球或颗粒，这些微球或颗粒能与目标物质进行结合并且在外加磁场的作用下从其环境中分离出来，从而实现对目标物质的有效分离。这些微球或粒子通常粒径在几十纳米到几微米之间，其比表面积非常高，同时，由于其表面性质(如表面功能基团、表面亲/疏水性、表面电荷等)可以很方便地进行调控，因此利用其可高效、高通量、快速分离目标物质。
早在20世纪70年代，荷兰科学家Ugelstad首次就已经制备了单分散性的微米级聚苯乙烯磁性微球，并且成功地开发了基于聚苯乙烯的磁性微球系列产品。Ugelstad等开发聚苯乙烯微球已经成功地应用在细胞分离、临床诊断等领域。随后国际上许多研究小组纷纷加入到磁性微球的制备以及应用的研究中，随着研究的深入，磁性微球的许多新的应用已经或者正在被开发出来，磁性微球的应用领域已从原来的分离、诊断外延到其它生物工程、医学、医药领域，如靶向给药制剂、免疫分析、细胞培养基等等。
就所制备的磁性微球而言，主要有两大类，一是以合成高分子或者天然高分子包裹无机磁性颗粒而制备的磁性微球。目前这一类研究得比较多，采用微包囊的技术是制备磁性微球的一种比较原始的方法。这种方法操作简单，但是制备的微球的形状不规则且尺寸大多在微米级甚至更大，另一个特点是其粒径分布一般都很宽，这些都导致所制备的磁性微球难以在更广泛的领域发挥作用。Dekker将磁性颗粒悬浮在聚乙烯亚胺(PEI)溶液中，通过过滤，干燥处理制得外包PEI的磁性微球(Dekker R F M.Appl.Biotech.，1989，22289)。Cuyper等用磷脂处理磁性纳米颗粒，制得磁性脂质体微球(Cuyper M D，JonianM.Langmuir，1990，7647)。单体聚合法是继Ugelstad后研究得最多的制备方法，其中主要有悬浮聚合法、分散聚合法、乳液聚合法(包括无皂乳液聚合、种子聚合)等。Margel等人在油溶性引发剂、悬浮稳定剂和无机磁性粒子存在下制备了粒径范围为0.03um-80um的磁性聚丙烯醛类微球(Margel S，Beitler U.USP4,783,336，1988)。Daniel等采用微悬浮聚合得到了粒径范围为0.03um-5um的憎水磁性聚合物微球(Daniel J C，Schuppsier J L.USP4,358,388.1982)。悬浮聚合制备的微球粒径也比较大，粒径分布较宽。乳液聚合是目前应用较多的一种制备磁性聚合物微球的方法。Furusawa等将磁性颗粒沉积到带有功能基团的高分子乳胶粒子上，然后采用种子乳液聚合制得夹心结构的磁性微球(Furusawa K，Nagashima K，Anzai C，Colloid Polym.Sci，1994，2721104)。国内孙宗华等用磁流体作为核，采用改进的乳液聚合制备了粒径范围为0.06um-10um的磁性聚苯乙烯微球(邱广明，孙宗华，化学试剂，1993，15(4)324)。Ugelstad等首先提出原位法制备单分散磁性高分子微球，其特点在于先用两步溶胀法制备多孔的聚苯乙烯微球，然后在聚苯乙烯微球的孔道内用碱沉淀铁盐，从而制得了单分散的磁性聚苯乙烯微球(Ugelstad J，Mork P C，Schmid R，et al，Polym.Int，1993，3015.)。
二是以无机材料包裹纳米磁性颗粒而制备得磁性微球，或者是将无机磁性颗粒通过吸附的方法沉积到无机材料表面制备的磁性微球。其中无机材料主要是二氧化硅，因为二氧化硅是一种生物惰性材料，而且这种无机复合微球很容易表面功能化，因此可以广泛应用于生物医药、临床诊断以及免疫分析等领域。国内朱以华等以单分散的二氧化硅微球作为模板，利用静电自组装，制备了核壳均为二氧化硅、中间是多层磁性纳米颗粒的二氧化硅磁性微球(朱以华，答鸿，杨晓玲，中国专利，公开号CN1380133A)。王柯敏等在反相微乳液体系中通过正硅酸乙酯水解合成了分别包裹磁性颗粒水溶性荧光物质的磁性荧光颗粒(谭蔚泓，王柯敏，肖丹，中国专利，公开号CN 1342515A)，Ramesh等通过Fe(CO)5的声化学沉积来制备磁性二氧化硅磁性微球(Ramesh S，Prozorov R，and Gedanken A，Chem.Mater.，1997，92996)。
在蛋白质研究领域，研究者们发现很多金属氧化物，如Zr02、TiO2等都能选择性地分离富集复杂样品中的磷酸化肽段(W.Gao，L.Dickinson，C.Grozinger，F.G.Morin，L.Reven，Langmuir 1996，12，6429.；D.Brovelli，G.Hahner，L.Ruiz，R.Hofer，G.Kraus，A.Waldner，J.Schlosser，P.Oroszlan，M.Ehrat，N.D.Spencer，Langmuir 1999，15，4324.；M.Textor，L.Ruiz，R.Hofer，A.Rossi，K.Feldman，G.Hahner，N.D.Spencer，Langmuir 2000，16，3257)。金属氧化物以其高选择性和较好的结果重现性成为分离富集磷酸化肽段的又一有力手段。金属氧化物可采用装填成柱子或是直接离心分离的方法用于分离富集磷酸化肽段。装柱使用相对复杂；使用高速离心，仍存在两点不足操作费时费力；高速离心可能造成高质量的非磷酸化肽段和磷酸化肽段共沉淀下来。因此，制备表面覆盖有这类金属氧化物的磁性微球一方面可以同时实现选择性、快捷地分离和富集功能化蛋白、多肽。
发明内容
本发明目的在于提出一种具有核壳结构的磁性金属氧化物微球制备方法。该方法简单易行，微球外壳层化学组成可调，且微球粒径易于控制。
本发明提出的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球，是一种以四氧化三铁微球为核、以由金属醇盐水解形成的金属氧化物为壳的核壳结构的磁性微球，其粒径为210-850nm。由于该微球不仅具有磁性内核，还具有各种金属氧化物外壳，因此该微球一方面具有磁响应性的内核，另一方面具有其他金属氧化物的表面特性，因而在蛋白质、多肽、甚至一些小分子吸附分离等方面具有重要应用价值。
上述具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的可由下述方法合成获得，采用水热法在Fe3O4表面覆盖一层无定型碳，得到Fe3O4@C微球；接着将Fe3O4@C微球分散在预水解的金属醇盐的醇水溶液中，使微球表面吸附大量无机寡聚物，最后将吸附了寡聚物的Fe3O4@C微球在氮气氛中煅烧，即得到内核为四氧化三铁、外壳为金属氧化物的磁性金属氧化物微球。使用200-800nm不同尺寸的四氧化三铁微球，可以调节最终磁性金属氧化物微球大小为210-850nm，使用不同的金属醇盐可以调变外层金属氧化物的种类。
本发明所提出的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的制备方法，其特征在于具体步骤如下(1)将0.05-1.0g四氧化三铁微球分散在0.1-2M无机酸水溶液中，超声处理5-10min，利用磁铁分离洗涤，然后分散在10-100mL 20g/L葡萄糖水溶液中并于18O-200℃水热反应4-12h。产物用磁铁分离，并用去离子水洗涤，得到磁性碳球Fe3O4@C，再用真空烘干，备用。
上述合成体系中，四氧化三铁微球含量为0.05-10wt.％，葡萄糖含量为0.2-2wt％，其余为去离子水。
(2)将0.1-5.0g金属醇盐溶解在20mL体积比为4/1的醇/水溶液中，搅拌均匀，加入0.01-1.0g步骤(1)得到的Fe3O4@C微球，并超声振荡，使微球表面吸附无机寡聚物；利用磁场将吸附了无机寡聚物的Fe3O4@C微球分离，并用乙醇洗涤，最后在氮气氛中于500-800℃煅烧50-120分钟，即得到核壳结构的磁性金属氧化物微球。
上述合成体系中，金属醇盐含量为0.5-25wt.％，Fe3O4@C微球含量为0.05-5.0wt％，其余为溶剂。
本发明所提出的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的制备方法，其中所用的无机酸是硝酸、硫酸或盐酸等强酸的一种或几种。
本发明所提出的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的制备方法，其中所用的醇是甲醇、乙醇或异丙醇等一种或几种。
本发明所提出的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的制备方法，其中，所用的金属醇盐是钛、铝、锆、铟或镓金属的异丙醇盐、丙醇盐、丁醇盐或异丁醇盐。
本发明所提出的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的制备方法，其粒径可以控制在纳米尺寸到微米变化，通过控制发应体系中的醇、水、碱比例以及正硅酸烷基酯作前驱体的用量，可以制得不同粒径的二氧化硅磁性荧光微球。这种微球具有磁响应性并且在紫外、可见光激发下即能发出荧光。本发明方法简单，原料易得。所制得的复合微球粒径呈窄分布且粒径大小可控。
目前国内外磁性微球的研究主要偏重于其磁学性质，本发明目标在于提出一种具有功能表面的磁性金属氧化物微球。本发明先在四氧化三铁微球表面覆盖一层很薄的碳记为Fe3O4@C，并进一步吸附无机寡聚物，最后通过煅烧脱水的方法获得了外层为各种金属氧化物，内核为磁性粒子的功能化磁性金属氧化物微球。通过过这种方法制备的微球具有以下特点(1)具有磁性内核，磁响应性(2)微球粒径大小可调节，(3)微球具有核壳结构。(4)微球制备方法简单，稳定性高。
图1中(a)，(b)，(c)分别是Fe3O4、Fe3O4@C和Fe3O4@TiO2微球的透射电镜图。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1称取0.1g平均粒径为300nm的四氧化三铁微球分散在1M盐酸水溶液中，超声处理5min，然后利用磁铁分离洗涤3次，将洗涤后的微球分散在40mL 20g/L葡萄糖水溶液中并于180℃水热反应6h。产物用磁铁分离，并用去离子水洗涤4次，将得到的磁性碳球Fe3O4@C经真空烘干后备用。
称取0.5g异丙醇铝溶解在20mL醇/水(体积比4/1)溶液中搅拌10min，加入0.2g上述得到的Fe3O4@C微球并超声振荡2min，然后利用磁场将吸附了氢氧化铝寡聚物的Fe3O4@C微球分离，并用乙醇洗涤3次，最后在氮气中于600℃煅烧1小时，即得到约320nm的内核为四氧化三铁微球外壳为氧化铝的微球。
实施例2称取0.2g平均粒径为200nm的四氧化三铁微球分散在0.5M盐酸水溶液中，超声处理8min，然后利用磁铁分离洗涤5次，将洗涤后的微球分散在20mL 20g/L葡萄糖水溶液中并于180℃水热反应10h。产物用磁铁分离，并用去离子水洗涤3次，将得到的磁性碳球Fe3O4@C经真空烘干后备用。
称取0.7g异丙醇锆溶解在20mL醇/水(体积比4/1)溶液中搅拌10min，加入0.1g上述得到的Fe3O4@C微球并超声振荡3min，然后利用磁场将吸附了氢氧化锆寡聚物的Fe3O4@C微球分离，并用乙醇洗涤3次，最后在氮气中于500℃煅烧2小时，即得到约220nm的内核为四氧化三铁微球外壳为氧化锆微球。
实施例3称取0.3g平均粒径为600nm的四氧化三铁微球分散在2M盐酸水溶液中，超声处理10min，然后利用磁铁分离洗涤4次，将洗涤后的微球分散在80mL 20g/L葡萄糖水溶液中并于190℃水热反应5h。产物用磁铁分离，并用去离子水洗涤3次，将得到的磁性碳球Fe3O4@C经真空烘干后备用。
称取1.0g异丙醇铟溶解在20mL醇/水(体积比4/1)溶液中搅拌10min，加入0.2g上述得到的Fe3O4@C微球并超声振荡2min，然后利用磁场将吸附了氢氧化铟寡聚物的Fe3O4@C微球分离并用乙醇洗涤3次，最后在氮气中于700℃煅烧50-80分钟，即得到约650nm的内核为四氧化三铁微球外壳为氧化铟微球。
实施例4称取1.0g平均粒径为800nm的四氧化三铁微球分散在1.5M盐酸水溶液中，超声处理8min，然后利用磁铁分离洗涤5次，将洗涤后的微球分散在100mL 20g/L葡萄糖水溶液中并于180℃水热反应12h。产物用磁铁分离，并用去离子水洗涤3次，将得到的磁性碳球Fe3O4@C经真空烘干后备用。
称取1.0g正丁醇钛溶解在20mL醇/水(体积比4/1)溶液中搅拌10min后，加入0.3g上述得到的Fe3O4@C微球并超声振荡2min，然后利用磁场将吸附了钛酸寡聚物的Fe3O4@C微球分离并用乙醇洗涤3次，最后在氮气中于800℃煅烧60分钟，即得到约820nm的内核为四氧化三铁微球外壳为二氧化钛微球。
Fe3O4、Fe3O4@C和Fe3O4@TiO2的透射电镜见图1(a)-(c)所示。
权利要求
1.一种具有核壳结构的磁性金属氧化物微球，其特征在于其内核为四氧化三铁微球，内核尺寸为200-800nm，外壳为由金属醇盐水解形成的金属氧化物，尺寸为210-850nm；并由下述方法合成获得首先，采用溶剂热法合成四氧化三铁微球，并进一步通过水热法在四氧化三铁微球表面覆盖一层无定型碳，得到Fe3O4@C微球，接着将该Fe3O4@C微球分散在预水解的金属醇盐的醇水溶液中，使微球表面吸附无机寡聚物，最后将吸附了无机寡聚物的Fe3O4@C微球在氮气中煅烧，从而制得具有核壳结构的磁性金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球，其特征在于所述金属醇盐是钛、铝、锆、铟或镓金属的异丙醇盐、丙醇盐，丁醇盐或异丁醇盐。
3.一种如权利要求1所述的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的制备方法，其特征在于具体步骤如下(1)将0.05-1.0g四氧化三铁微球分散在0.1-2M无机酸水溶液中，超声处理5-10min，利用磁铁分离洗涤，然后分散在10-100mL 20g/L葡萄糖水溶液中并于180-200℃水热反应4-12h；产物用磁铁分离，并用去离子水洗涤，得到磁性碳球Fe3O4@C，经真空烘干，备用；上述合成体系中，四氧化三铁微球含量为0.05-10wt.％，葡萄糖含量为0.2-2wt％，其余为去离子水；(2)将0.1-5.0g金属醇盐溶解在体积比4/1为20mL醇/水溶液，搅拌均匀，加入0.01-1.0g步骤(1)得到的Fe3O4@C微球，并超声振荡，使微球表面吸附无机寡聚物，利用磁场将吸附了无机寡聚物的Fe3O4@C微球分离，并用乙醇洗涤，最后在氮气氛中于500-800℃煅烧50-120分钟，即得到核壳结构的磁性金属氧化物微球；上述合成体系中，金属醇盐含量为0.5-25wt％，Fe3O4@C微球含量为0.05-5.0wt％，其余为溶剂。
4.根据权利要求3所述的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的制备方法，其特征是所用的无机酸是硝酸、硫酸或盐酸的一种或几种。
5.根据权利要求3所述的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的制备方法，其特征所用的醇是甲醇、乙醇或异丙醇一种或几种。
6.根据权利要求3所述的具有核壳结构的磁性金属氧化物微球的制备方法，其特征金属醇盐是钛、铝、锆、铟或镓金属的异丙醇盐、丙醇盐，丁醇盐或异丁醇盐。
全文摘要
本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种具有核壳结构的磁性金属氧化物微球及其制备方法。该微球的内核为四氧化三铁微球，外壳为金属氧化物。首先，通过水热法在四氧化三铁微球表面覆盖一层无定型碳，得到磁性碳微球Fe
文档编号C01G49/08GK101066988SQ200710040489
公开日2007年11月7日 申请日期2007年5月10日 优先权日2007年5月10日
发明者邓春晖 申请人:复旦大学