一种二氧化硅纳米纤维膜及其制备方法和应用与流程

本发明涉及纳米材料领域，具体地，涉及一种二氧化硅纳米纤维膜、一种二氧化硅纳米纤维膜的制备方法以及由该方法制得的二氧化硅纳米纤维膜及二氧化硅纳米纤维膜在rna吸附中的应用。
背景技术：
：目前，硅胶是应用最广泛的一种极性吸附剂，具有多孔性网状结构，它的主要优点是具有化学惰性同时具有较大的吸附量，易于制备不同类型、不同孔径、不同表面积的多孔性硅胶。传统的rna提取主要方法为利用相似相容原理进行提取或利用化学试剂萃取核酸(煮沸裂解法、酚-氯仿法)。这两种方法由于大量使用有机溶剂，如苯酚、氯仿等，容易引起环境污染。从而利用硅胶对rna的特异吸附性能产生了新一代提取rna的方法，可分为硅膜吸附法、硅胶磁珠法等。硅基质的过滤吸附操作，大大简化了核酸纯化过程，提供了一种快速、高通量的纯化方式。目前，硅基质吸附法已经成为核酸分离纯化最主流的技术。rna特异性吸附于硅胶膜的原理是硅胶膜在低ph值、高离序盐存在的条件下，可以选择性吸附rna片段，而蛋白质和其它杂质不会被吸附。再通过一系列的漂洗、离心等步骤将残留的引物、核苷酸、蛋白质等杂质去除。最后用低盐、高ph值的洗脱缓冲液将纯净的rna从滤膜上洗脱下来。静电纺丝技术是利用高压电源产生的强大静电场力，将聚合物溶液或熔体纺成直径在微米至纳米范围内的超细纤维或纤维毡。该方法制成的超细纤维具有很大的比表面积，因而表面能和活性很大，从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应以及量子尺寸效应等。现有技术虽然利用静电纺丝技术制备得到了用于吸附rna的硅胶膜，但需要添加导向剂，需要高温反应形成硅源，后续还需要经过煅烧、修饰等处理，工艺条件较复杂，另外制得的硅胶膜比表面积小，进而过滤效率较低，制备成本较高，不利于大规模生产。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提供一种二氧化硅纳米纤维膜的制备方法，通过该方法制备得到的二氧化硅纳米纤维膜具有纳米级纤维直径，厚度小，由此使得其孔径和比表面积较大，表面能和表面活性高。将本发明提供的二氧化硅纳米纤维膜应用于rna提取试剂盒吸附柱中，具有提取范围种类广、快速简便、提纯率高、性价比高的优点。为了实现上述目的，本发明的第一方面，本发明提供一种二氧化硅纳米纤维膜，该二氧化硅纳米纤维膜的纤维直径为80-600nm。根据本发明的第二方面，本发明提供一种二氧化硅纳米纤维膜的制备方法，该方法包括：(1)制备含有纳米二氧化硅、表面活性剂、高分子聚合物和溶剂的纺丝液；(2)利用静电纺丝技术对步骤(1)所述纺丝液进行处理，干燥得到二氧化硅纳米纤维膜；其中，步骤(1)所述纳米二氧化硅的平均粒径为20-120nm。根据本发明的第三方面，本发明提供由上述方法制得的二氧化硅纳米纤维膜。根据本发明的第四方面，本发明还提供了本发明所述的二氧化硅纳米纤维膜在rna吸附中的应用。通过上述技术方案，本发明的优点如下：(1)本发明提供的二氧化硅纳米纤维膜制备方法工艺简单，克服了现有技术中需要添加导向剂、高温反应形成硅源及后续煅烧、修饰等处理的缺陷；(2)本发明提供的二氧化硅纳米纤维膜制备方法成本低廉，通过控制纺丝机电压、时间及纺丝液粘度等因素能够方便而且精确的控制二氧化硅纳米纤维膜的厚度及均匀性；(3)本发明提供的二氧化硅纳米纤维膜具有纳米级纤维直径，厚度小，由此使得其具有孔径和比表面积较大，表面能和表面活性高等特点；(4)本发明提供的二氧化硅纳米纤维膜用于纯化分离血液样品中的总rna，rna回收率可以达到≥80％，光密度od260/280值≥1.9，光密度od260/230≥1.8，利用本发明提供的二氧化硅纳米纤维膜纯化的rna片段可直接用于酶切、连接、测序、标记和杂交等各种常规分子生物操作。本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为实施例1所制备纳米二氧化硅分散液的sem图；图2为实施例1所制备二氧化硅纳米纤维膜s-1的全貌sem图；图3为实施例1所制备二氧化硅纳米纤维膜s-1的局部sem图；图4为实施例1所制备二氧化硅纳米纤维膜s-1的单根纤维sem图；图5为对比例1所制备二氧化硅纳米纤维膜d-1的全貌sem图。具体实施方式以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。本发明提供了一种二氧化硅纳米纤维膜，二氧化硅纳米纤维膜的纤维直径为80-600nm，优选为100-300nm，进一步优选为200-300nm。在本发明中，所述二氧化硅纳米纤维膜的纤维直径指的是二氧化硅纳米纤维膜中纤维线直径。在本发明中，所述二氧化硅纳米纤维膜的纤维直径通过对至少20张扫描电子显微镜照片中二氧化硅纳米纤维膜中的纤维线直径计算平均值的方法测定的。优选地，所述二氧化硅纳米纤维膜的纤维直径通过对20-50张扫描电子显微镜照片中二氧化硅纳米纤维膜中的纤维线直径计算平均值的方法测定的。根据本发明的一种优选实施方式，所述二氧化硅纳米纤维膜的密度为1-4kg/m3，优选为1.2-2kg/m3。在本发明中，所述二氧化硅纳米纤维膜的密度是指在室温下，所测单位体积的质量。根据本发明的一种优选实施方式，所述二氧化硅纳米纤维膜的厚度为25-55μm，优选为30-50μm。在本发明中，所述二氧化硅纳米纤维膜的厚度通过螺旋测微器测定。根据本发明的一种优选实施方式，所述二氧化硅纳米纤维膜由纳米二氧化硅作为硅源采用静电纺丝技术制得。根据本发明的一种优选实施方式，所述纳米二氧化硅的平均粒径为20-120nm，优选为20-50nm。采用该优选的平均粒径能够使得二氧化硅纳米纤维膜纤维直径和厚度更小，由此使得其孔径和比表面积较大，表面能和表 面活性高，进而提高二氧化硅纳米纤维膜的rna吸附性能。在本发明中对所述纳米二氧化硅的形状没有特别的限制，所述纳米二氧化硅可以包括二氧化硅纳米球、二氧化硅纳米线和二氧化硅纳米棒中的一种或多种。根据本发明的一种优选实施方式，该二氧化硅纳米纤维膜含有高分子聚合物。根据本发明的一种优选实施方式，所述高分子聚合物选自聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸和壳聚糖中的一种或多种。本发明提供的二氧化硅纳米纤维膜具有纳米级纤维直径，厚度小，由此使其具有孔径和比表面积较大，表面能和表面活性高等特点，用于rna纯化过程中具有较高的过滤效率。本发明提供的二氧化硅纳米纤维膜只要具有前述特征即可实现本发明的目的，对其制备方法无特殊要求，凡是能够制备出具有前述特征和性质的二氧化硅纳米纤维膜的方法均可用于本发明，针对本发明，优选二氧化硅纳米纤维膜按照如下制备方法制备，该方法包括：(1)制备含有纳米二氧化硅、表面活性剂、高分子聚合物和溶剂的纺丝液；(2)利用静电纺丝技术对步骤(1)所述纺丝液进行处理，干燥得到二氧化硅纳米纤维膜；其中，步骤(1)所述纳米二氧化硅的平均粒径为20-120nm。根据本发明的一种优选实施方式，步骤(1)所述纳米二氧化硅的平均粒径为20-50nm。在本发明中，无特别说明情况下，所述步骤均在室温下进行。根据本发明的一种优选实施方式，所述纺丝液中，纳米二氧化硅的含量 为3-7重量％，表面活性剂的含量为0.5-1重量％，高分子聚合物的含量为7-13重量％，溶剂的含量为79-89重量％。根据本发明的一种优选实施方式，所述纺丝液的粘度为800-1700cp。在本发明中，所述纺丝液的粘度通过美国brookfield粘度计测得。本发明对所述纺丝液的制备方法没有特别的限制，只要使得纳米二氧化硅、表面活性剂、高分子聚合物和溶剂混合均匀即可，优选地，步骤(1)所述纺丝液的制备包括：1】将纳米二氧化硅和表面活性剂溶于溶剂中，得到纳米二氧化硅分散液；2】将高分子聚合物溶于溶剂中，得到高分子聚合物溶液；3】将步骤1】所述纳米二氧化硅分散液和步骤2】所述高分子聚合物溶液混合得到纺丝液。本发明对所述将纳米二氧化硅和表面活性剂溶于溶剂中的方式没有特别的限制，只要能够将纳米二氧化硅和表面活性剂溶于所述溶剂即可，优选地，先将纳米二氧化硅加入溶剂中，然后加入表面活性剂搅拌，超声处理后进行研磨，优选所述超声在细胞破碎仪中进行，优选所述研磨在研磨分散机中进行。本领域技术人员能够根据纳米二氧化硅的平均粒径和表面活性剂的种类选择合适的超声处理时间和研磨时间。根据本发明，优选地，超声处理时间为2-4小时，研磨时间为6-8小时。本发明对所述将高分子聚合物溶于溶剂中的方式没有特别的限制，只要将高分子聚合物溶于溶剂中即可实现本发明的目的，优选将高分子聚合物溶于溶剂中后，经过超声搅拌得到高分子聚合物溶液。本发明中，步骤1】和步骤2】所述的溶剂可以相同，也可以不同，并且对所述溶剂没有特别的限制，只要能够溶解纳米二氧化硅、表面活性剂和 高分子聚合物即可。优选地，所述溶剂选自水、乙醇、n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜、四氯化碳、二氯甲烷和三氯甲烷中的一种或多种。在本发明中，所述表面活性剂可以为本领域常用的任何表面活性剂，优选地，所述表面活性剂选自十二烷基磺酸钠、偏磷酸钠、聚丙烯酸铵、硅烷偶联剂、聚乙二醇400、聚乙二醇2000和羧甲基纤维素中的一种或多种。根据本发明的一种优选实施方式，所述高分子聚合物选自聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸和壳聚糖中的一种或多种。本发明对步骤(2)所述静电纺丝技术没有特别的限制，本领域技术人员能够根据产品的需要对静电纺丝技术的实施参数进行选择。优选地，步骤(2)所述静电纺丝技术的实施参数包括：接收辊转速为2-4m/min，针头横扫速度为10-15cm/min，微量泵推速为0.7-2.0m/min，施加电压为15-25kv，注射器针头到接收辊的距离为10-15cm，静电纺丝的时间为4-8h。在本发明中，对步骤(2)所述干燥的条件没有特别的限制，可以为本领域常用的干燥条件，优选地，干燥的条件包括：干燥温度为80-120℃，干燥时间为2-4h。本发明还提供了上述制备方法制得的二氧化硅纳米纤维膜。本发明创造性的采用静电纺丝技术利用纳米二氧化硅和高分子聚合物制备纳米二氧化硅颗粒复合高分子的纳米纤维膜，所制得的二氧化硅纳米纤维膜具有纳米级纤维直径，厚度小，由此使得其具有孔径和比表面积较大，表面能和表面活性高等特点，即具有更好的过滤效率，并且不需要后续的煅烧、修饰处理，大大降低了制备成本。本发明还提供了所述二氧化硅纳米纤维膜在rna吸附中的应用。本发明所提供的二氧化硅纳米纤维膜具有特异性吸附微小核糖核酸的性能，将其填充在rna吸附柱内最终可以达到纯化rna的目的。以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和所产生的有益效果，旨在帮助阅读者更清楚地了解本发明的精神实质所在，但不能对本发明的实施范围构成任何限定。以下实施例中，扫描电子显微镜(sem)照片采用s-3400n型扫描电子显微镜获得，工作条件为5-15kv，样品电流为30ma，工作距离为5mm；所述二氧化硅纳米纤维膜的纤维直径通过对30张扫描电子显微镜照片中二氧化硅纳米纤维膜中的纤维线直径计算平均值的方法测定。实施例1(1)称取5g二氧化硅纳米球(平均粒径为40nm)溶于35gn,n-二甲基甲酰胺中，然后滴加0.8g聚乙二醇400(国药集团)，搅拌后用细胞破碎仪超声2h，放入研磨分散机中研磨分散8h得到纳米二氧化硅分散液，纳米二氧化硅分散液的sem图如图1所示，从图中可以看出纳米二氧化硅分散液分散均匀；(2)称取10g聚丙烯腈(百灵威科技有限公司)溶于49.2gn,n-二甲基甲酰胺中，超声搅拌得到高分子溶液；(3)将步骤(1)所述纳米二氧化硅分散液倒入步骤(2)所述高分子溶液中，搅拌均匀后得到纺丝液，纺丝液的粘度为1400cp；(4)利用静电纺丝技术处理步骤(3)所述纺丝液，用一次性针筒(直径2cm)抽取15ml纺丝液，静电纺丝技术的实施参数包括：接收辊转速为3.5m/min，针头横扫速度为12.5cm/min，微量泵推速为1.4m/min，施加电压为22kv，注射器针头到接收辊的距离为12cm，静电纺丝时间为6h，然后， 于100℃干燥3小时自然降温即得二氧化硅纳米纤维膜s-1。图2为二氧化硅纳米纤维膜s-1的全貌sem图，由图2可以看出，采用本发明方法制备的二氧化硅纳米纤维膜分散性好；图3为二氧化硅纳米纤维膜s-1的局部sem图，图4为二氧化硅纳米纤维膜s-1的单根纤维sem图，由图3和图4可以看出，采用本发明方法制备的二氧化硅纳米纤维膜纤维直径均匀。二氧化硅纳米纤维膜s-1的纤维直径、厚度和密度列于表1。对比例1(1)将10g去离子水和1g盐酸滴加到23g正硅酸乙酯(国药集团)中，搅拌2h待用；(2)称取10g聚乙烯醇(国药集团)溶于60g去离子水中，80℃下搅拌溶解得到高分子溶液；(3)将步骤(1)得到的溶液倒入步骤(2)所述高分子溶液中，搅拌均匀后得到纺丝液，纺丝液的粘度为1200cp；(4)利用静电纺丝技术处理步骤(3)所述纺丝液，用一次性针筒(直径2cm)抽取15ml纺丝液，静电纺丝技术的实施参数包括：接收辊转速为3.5m/min，针头横扫速度为12.5cm/min，微量泵推速为1.4m/min，施加电压为22kv，注射器针头到接收辊的距离为12cm，静电纺丝时间为6h，制备得到半成品二氧化硅纳米纤维膜；(5)将步骤(4)所述半成品二氧化硅纳米纤维膜置于马弗炉中于600℃下煅烧3h，升温速率为10℃/min，自然降温后得到二氧化硅纳米纤维膜d-1。图5为二氧化硅纳米纤维膜d-1的全貌sem图，从图5中可以看出，二氧化硅纳米纤维膜d-1的分散性差，纤维直径不均匀。二氧化硅纳米纤维膜d-1的纤维直径、厚度和密度列于表1。实施例2(1)称取3g二氧化硅纳米线(平均粒径为20nm)溶于20g二甲基亚砜中，然后滴加0.5g羧甲基纤维素(c104984，阿拉丁)，搅拌后用细胞破碎仪超声2h，放入研磨分散机中研磨分散8h得到纳米二氧化硅分散液；(2)称取7g聚乳酸(2003d，美国natureworks)溶于69.5gn,n-二甲基甲酰胺中，超声搅拌得到高分子溶液；(3)将步骤(1)所述纳米二氧化硅分散液倒入步骤(2)所述高分子溶液中，搅拌均匀后得到纺丝液，纺丝液的粘度为800cp；(4)利用静电纺丝技术处理步骤(3)所述纺丝液，用一次性针筒(直径2cm)抽取15ml纺丝液，静电纺丝技术的实施参数包括：接收辊转速为2m/min，针头横扫速度为10cm/min，微量泵推速为0.7m/min，施加电压为15kv，注射器针头到接收辊的距离为10cm，静电纺丝时间为4h，然后，于80℃干燥4小时自然降温即得二氧化硅纳米纤维膜s-2。本实施例制备的二氧化硅纳米纤维膜纤维直径均匀，分散性和实施例1所制备二氧化硅纳米纤维膜相当。二氧化硅纳米纤维膜s-2的纤维直径、厚度和密度列于表1。实施例3(1)称取7g二氧化硅纳米棒(平均粒径为50nm)溶于30g二氯甲烷中，然后滴加1g硅烷偶联剂(kh-560)，搅拌后用细胞破碎仪超声2h，放入研磨分散机中研磨分散8h得到纳米二氧化硅分散液；(2)称取13g聚乳酸(2003d，美国natureworks)溶于49g二氯甲烷中，超声搅拌得到高分子溶液；(3)将步骤(1)所述纳米二氧化硅分散液倒入步骤(2)所述高分子溶液中，搅拌均匀后得到纺丝液，纺丝液的粘度为1700cp；(4)利用静电纺丝技术处理步骤(3)所述纺丝液，用一次性针筒(直径2cm)抽取15ml纺丝液，静电纺丝技术的实施参数包括：接收辊转速为4m/min，针头横扫速度为15cm/min，微量泵推速为2m/min，施加电压为25kv，注射器针头到接收辊的距离为15cm，静电纺丝时间为8h，然后，于120℃干燥2小时自然降温即得二氧化硅纳米纤维膜s-3。本实施例制备的二氧化硅纳米纤维膜纤维直径均匀，分散性和实施例1所制备二氧化硅纳米纤维膜相当。二氧化硅纳米纤维膜s-3的纤维直径、厚度和密度列于表1。实施例4按照实施例1的方法制备二氧化硅纳米纤维膜，不同的是，步骤(1)所述纳米二氧化硅的平均粒径为100nm，制得二氧化硅纳米纤维膜s-4。本实施例制备的二氧化硅纳米纤维膜纤维直径均匀，纳米硅源分散性略差于实施例1所制备二氧化硅纳米纤维膜。二氧化硅纳米纤维膜s-4的纤维直径、厚度和密度列于表1。实施例5按照实施例1的方法制备二氧化硅纳米纤维膜，不同的是，步骤(1)滴加聚乙二醇400的量为0.2g，制得二氧化硅纳米纤维膜s-5。本实施例制备的二氧化硅纳米纤维膜纤维直径均匀，纳米硅源分散性略差于实施例1所制备二氧化硅纳米纤维膜。二氧化硅纳米纤维膜s-5的纤维直径、厚度和密度列于表1。实施例6按照实施例1的方法制备二氧化硅纳米纤维膜，不同的是，步骤(2) 所述聚丙烯腈的使用量为5g，制得二氧化硅纳米纤维膜s-6。本实施例制备的二氧化硅纳米纤维膜纤维直径均匀，纳米硅源分散性略差于实施例1所制备二氧化硅纳米纤维膜。二氧化硅纳米纤维膜s-6的纤维直径、厚度和密度列于表1。表1纤维直径，nm厚度，μm密度，kg/m3s-1200301.2d-1980666.7s-2210321.9s-3320362.0s-4560423.7s-5600512.9s-6450472.5试验例1在本试验例中，对采用本发明所提供的方法制备的二氧化硅纳米纤维膜进行rna吸附性能评价，评价指标主要包括：rna回收率、od260/280和od260/230，评价结果列于表2。将上述实施例制备的二氧化硅纳米纤维膜进行无菌处理后，将其填充到rna提取试剂盒吸附柱中，制备成小样用于检测分析。rna回收率的测定采用标准样品回收率的方法测定：制备初始样本的浓度为100ng/μl的rna标准样品溶液，依照qiagenrneasyminikit的使用方法操作；od260/280和od260/230的测定采用紫外可见分光光度计对试样进行测定。表2rna回收率，％od260/280od260/230s-1852.01.86d-1641.681.76s-2831.901.92s-3821.921.85s-4831.751.90s-5801.831.85s-6811.931.82由表1和表2的结果可以说明，较之现有方法制备的二氧化硅纳米纤维膜，本发明提供的方法制得的二氧化硅纳米纤维膜纤维直径、厚度和密度较小，进而具有较大的孔径和比表面积，纳米硅源分散性好，rna回收率更高，od260/280与od260/230更接近标准值，表明本发明提供的方法制得的二氧化硅纳米纤维膜具有更好的rna吸附性能。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。当前第1页12