一种高分子磁性微球及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物化学，具体是一种高分子磁性微球及其制备方法和应用。

背景技术：

1、高分子磁性微球是指通过适当的方法使高分子聚合物与无机磁性粒子结合形成具有一定磁性及特殊结构的复合微球，同时具有磁效应和生物相容性的微球在医学、生物、环保等领域具有广泛的应用前景。高分子磁性微球的常见制备方法有三种：第一种是先制备磁性材料内核，然后在其表面包覆高分子聚合物，形成核壳式结构；第二种是先制备非磁性的微球材料，然后以其为内核在表面或内部沉积磁性材料层，最后在磁性材料层上包覆高分子聚合物，形成核-层-壳的“三明治”结构；第三种是将磁性材料和高分子聚合物混合均匀，然后通过一定的方式制备成球。其中，高分子聚合物可以通过单体分子聚合后形成，采用具有活性位点的单体分子进行聚合，所得到的高分子聚合物富含有大量的活性位点，能大幅提高微球表面活性位点的数量，通过这些活性位点，可形成或者引入相应的结合位点。

2、现有技术中公开了很多具有不同特性的高分子磁性微球及其制备方法；如专利申请cn 113117614 a公开了一种粒径均一的磁性微球的制备方法，包括以下步骤：以非交联聚合物球为种子，在含表面活性剂的水相中引入聚合单体、功能单体、致孔剂、交联剂和引发剂，通过一步溶胀聚合得到聚合物微球内核；在得到的微球表面通过离子树脂和磁性颗粒层层组装方式得到所述磁性微球。专利申请cn 103474190 a公开了一种纳米磁性高分子微球及其制备方法，其通过如下步骤制备：(1)制备亲油性fe3o4纳米粒子；(2)制备fe3o4/p(st)磁性微球种子乳液；(3)制备纳米磁性高分子微球；以及任选地，(4)季铵化改性步骤(3)的纳米磁性高分子微球。制得的表面季铵化纳米磁性高分子微球具有优异的自稳定性、超顺磁性、较强的磁响应性和较窄的粒径分布等诸多优点，具有广泛的工业应用前景。

3、然而本发明的发明人发现，目前所公开的高分子磁性微球的制备方法普遍存在以下局限性：

4、(1)常规高分子磁性微球制备过程中，亲水性单体虽然与亲水性磁性fe3o4或γ-fe2o3颗粒相容性较好，且制备出的高分子磁性微球表面富含功能基团，但由于磁性颗粒无法均匀分布于微球内部，导致微球的磁性不均，影响磁分离性能。疏水性单体与磁性颗粒的相容性较差，聚合过程中容易发生相分离，致使合成的微球磁性颗粒含量低。

5、(2)常规乳液法制备磁性微球时，反应体系需加入大量的乳化剂，且乳化剂较难清洗，容易存在残留。另外，磁性微球清洗过程需要增加破乳操作，而破乳操作容易增加微球团聚的风险。

6、(3)所制备得到的磁性微球粒径分布宽，形状不规则，粒径不易控制，微球磁性强弱差异较大。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高分子磁性微球及其制备方法和应用，采用本发明的制备方法制备高分子磁性微球，需要用到的乳化剂用量少，更利于高分子磁性微球的工业化生产；并且制备得到的磁性微球功能基团密度高，具有广泛的工业应用前景。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种高分子磁性微球的制备方法，所述制备方法包括：

4、(1)将功能单体与引发剂在连续相中预聚合，得到长链线性聚合物；

5、(2)再将壳层单体、乳化剂、磁性种球和步骤(1)的含长链线性聚合物混合并反应，得到表面富含功能基团的高分子磁性微球。

6、其中，所述功能单体选自亲水功能单体和疏水功能单体中的一种或多种，包括丙烯酸(aa)、甲基丙烯酸(maa)、丙烯酸钠(sa)、丙烯酰胺(am)、乙烯基磺酸钠(svs)、乙烯基苯硼酸、4-乙烯基苯甲醛、马来酸(ma)、衣康酸(ia)、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟丙酯(hpma)、甲基丙烯酸甲酯(mma)、丙烯酸丁酯(ba)、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯((hema))、丙烯酸羟丙酯、4-戊烯酸、十一烯酸，及它们的衍生物中一种或多种。

7、其中，所述壳层单体选自含苯乙烯基的单体、含环氧基团的单体、含丙烯酸基团的脂类中一种或多种。

8、在本发明的一些实施方式中，所述含苯乙烯基的单体包括苯乙烯(st)、α-甲基苯乙烯(ams)、α-乙基苯乙烯，及它们的衍生物中一种或多种。

9、在本发明的一些实施方式中，所述含环氧基团的单体包括甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)、丙烯酸缩水甘油酯、丙烯基缩水甘油酯、丁烯基缩水甘油酯等中一种或多种。

10、在本发明的一些实施方式中，所述含丙烯酸基团的脂类包括甲基丙烯酸甲酯(mma)、丙烯酸甲酯中一种或两种。

11、在本发明的一些实施方式中，所述功能单体与壳层单体混合的最小比值为壳层单体质量的1/10。

12、在本发明的一些实施方式中，所述引发剂包括过硫酸钾(kps)和/或过硫酸铵(aps)；优选地，所述功能单体与引发剂的用量比为1:(0.01～0.5)。

13、在本发明的一些实施方式中，所述连续相为水；优选地，所述功能单体(固相)与连续相的质量比为1:(30～150)，优选为1:(50～100)；或所述功能单体(液相)与连续相的体积比为1:(50～150)，优选为1:(50～100)。

14、在本发明的一些实施方式中，所述预聚合的条件包括：温度为60～100℃，优选为60～80℃；时间为20～150min，优选为30～120min，更优选为30～90min。

15、在本发明的一些实施方式中，所述乳化剂包括十二烷基磺酸钠(sls)、十二烷基硫酸钠(sds)、十二烷基苯磺酸钠(sdbs)、吐温20、吐温80等中一种或多种；优选地，所述乳化剂的加入量为使得反应体系中乳化剂的质量浓度为0.001wt％～2.4wt％，优选为0.01wt％～0.24wt％。

16、在本发明的一些实施方式中，所述磁性种球采用铁离子盐作为原料制得；所述铁离子盐为铁的二价水溶性盐、铁的三价水溶性盐中的至少一种；优选地，制备磁性种球的原料还可以包括含有锌、锰、钛、镍、钴、锆、铬等中任意一种或几种金属离子的水溶性盐。

17、作为本发明一种优选的实施方案，所述磁性种球采用三价水溶性铁离子盐和/或二价水溶性铁离子盐与含有锌、锰、钛、镍、钴、锆、铬中任意一种或几种金属离子的水溶性盐为原料制得。即可以采用含锌、锰、钛、镍、钴、锆、铬中任意一种或几种金属离子的水溶性盐与二价水溶性铁离子盐和三价水溶性铁离子盐为原料制得，也可以采用含有锌、锰、钛、镍、钴、锆、铬中任意一种或几种金属离子的水溶性盐与二价水溶性铁离子盐为原料制得，也可以采用含有锌、锰、钛、镍、钴、锆、铬中任意一种或几种金属离子的水溶性盐与三价水溶性铁离子盐为原料制得。

18、作为本发明一种优选的实施方案，所述二价可溶性铁离子盐为氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁及其水合物中一种或多种的混合物。

19、作为本发明一种优选的实施方案，所述三价可溶性铁离子盐为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁及其水合物中一种或多种的混合物。

20、作为本发明一种优选的实施方案，制备磁性种球采用的原料为四水合氯化亚铁(fecl2·4h2o)和六水合氯化铁(fecl3·6h2o)的混合盐。

21、作为本发明一种优选的实施方案，制备磁性种球时，可以采用溶剂热法和/或共沉淀法获得。

22、在本发明的一些实施方式中，通过共沉淀法制备磁性种球包括：将制备磁性种球的原料加热至30～70℃，加入碱性溶液，使析出沉淀；优选地，所述碱性溶液为氨水。

23、在本发明的一些实施方式中，通过溶剂热法制备磁性种球包括：将制备磁性种球的原料与高沸点溶剂混合通过热还原或者热分解制得。

24、在本发明的一些实施方式中，所述高沸点溶剂包括苯醚、苄醚、甲苯、二十烷、正十八烷、十八烯等中一种或多种。

25、在本发明的一些实施方式中，所述步骤(2)中，磁性种球与壳层单体的质量比为1:(0.05～1)。

26、在本发明的一些实施方式中，所述步骤(2)的反应条件包括：温度为60～100℃，优选为60～80℃；时间为8～30h，优选为15～26h，更优选为22～25h。

27、在本发明的一些实施方式中，所述步骤(2)将壳层单体、乳化剂、磁性种球和步骤(1)的长链线性聚合物混合步骤可以包括：

28、(a)将壳层单体、乳化剂混合后超声破碎成液滴；

29、(b)将步骤(a)的液滴、磁性种球和步骤(1)的长链线性聚合物混合。

30、在本发明的一些实施方式中，所述步骤(a)中乳化剂的用量为壳层单体的0.03wt％～0.05wt％。

31、在本发明的一些实施方式中，所述步骤(b)中磁性种球的加入量为使得磁性种球与壳层单体的质量比为1:(0.05～1)。

32、在本发明的一些实施方式中，所述步骤(a)为将壳层单体、交联剂、乳化剂混合后超声破碎成液滴。

33、在本发明的一些实施方式中，所述交联剂包括二乙烯基苯(dvb)和/或n’n-甲基双丙烯酰胺(mba)；优选地，所述交联剂的用量为壳层单体的40wt％～60wt％。

34、在本发明的一些实施方式中，在进行步骤(b)前先通过以下方法调整磁性种球的粒径：

35、将磁性种球分散在长链烷烃中形成磁流体；然后往磁流体中加入乳化剂制成乳液，最后蒸发掉油相。优选地，所述乳化剂的加入量为乳液的0.013wt％～0.15wt％。

36、在本发明的一些实施方式中，所述长链烷烃包括正己烷、环己烷、庚烷、辛烷、异辛烷等中一种或多种；更优选地，所述磁流体中磁性种球的质量占比为15wt％～60wt％。

37、在本发明的一些实施方式中，往磁流体中加入乳化剂后通过超声破碎法、均质乳化法、膜乳化法中一种或多种制成乳液。

38、在本发明的一些具体实施方式中，高分子磁性微球的制备方法包括：

39、1)将功能单体溶于连续相中，再在惰性气体保护下加入引发剂，在60～100℃下进行预聚合20～150min，得到含长链线性聚合物的反应体系；

40、2)将壳层单体及任选的交联剂加入到含乳化剂的溶液中制成乳化液滴后加入到步骤1)含长链线性聚合物的反应体系中；

41、3)将磁性种球加入到含乳化剂的溶液中通过超声破碎法、均质乳化法、膜乳化法中一种或多种制备得到磁性种球的含量为2wt％～6wt％、50～1000nm粒径分布的乳液；并将该乳液加入到步骤2)得到的反应体系中，在60～100℃下进行反应8～30h，得到表面富含功能基团的高分子磁性微球。

42、在本发明的一些实施方式中，所述高分子磁性微球表面的功能基团包括羧基、羟基、氨基、磺酸基、环氧基、苯硼酸基、吡咯基、醛基等中一种或多种。

43、在本发明的一些实施方式中，高分子磁性微球的制备方法还包括将步骤(2)得到的表面富含功能基团(优选为环氧基)的高分子磁性微球与含功能基团的化合物进行接枝反应。

44、在本发明的一些实施方式中，所述含功能基团的化合物是含氨基的化合物；优选为含氨基和包括羧基、羟基、磺酸基、环氧基、苯硼酸基、吡咯基、醛基等中一种或多种功能基团的化合物。

45、在本发明的一些实施方式中，所述接枝反应在碱性条件下进行。

46、在本发明的一些实施方式中，所述含功能基团的化合物包括甘氨酸、天冬氨酸、亚氨基二乙酸、氨基-五聚乙二醇羟基，氨基-四聚乙二醇羟基、氨基磺酸等中一种或多种。

47、在本发明的一些实施方式中，所述接枝反应包括如下步骤：将含功能基团的化合物溶解在碱性溶液中，然后加入步骤(2)得到的表面富含功能基团的高分子磁性微球。

48、在本发明的一些实施方式中，所述碱性溶液中oh-的摩尔质量为1～3mol/l。

49、在本发明的一些实施方式中，含功能基团的化合物在碱性溶液中的质量浓度为0.1wt％～2wt％。

50、第二方面，本发明提供了一种由第一方面所述的制备方法制备得到的高分子磁性微球。

51、在本发明的一些实施方式中，所述高分子磁性微球的粒径为200～400nm。

52、第三方面，本发明提供了第二方面所述的高分子磁性微球在制备核酸提取、化学发光检测、蛋白纯化中的应用。

53、本发明的有益效果如下：

54、本发明提供了一种高分子磁性微球制备方法，该制备方法提出了先将功能单体与引发剂在连续相中预聚合，得到长链线性聚合物；再将壳层单体、乳化剂、磁性种球、长链线性聚合物混合并反应，得到表面富含功能基团的高分子磁性微球。通过该制备方法制备高分子磁性微球，将功能单体先预聚合成长链线性聚合物，该长链线性聚合物在反应的初期能够充当稳定剂支持整个反应体系的稳定，从而能降低反应过程中乳化剂的用量，进而降低乳化剂的后期处理难度；该长链线性聚合物在反应后期聚合到微球的表面还能提高微球表面的功能基团含量，从而起到增加微球表面活性位点的作用效果。并且通过使用该方法制备磁微粒，可以仅用少量的功能单体就能实现高密度基团的磁珠的制备。

55、另外，本发明还提出了通过将磁性种球分散在长链烷烃中形成磁流体，然后往磁流体中加入乳化剂制成乳液，最后蒸发掉油相的方法调整磁性种球的粒径；在该过程中，磁性种球会发生团簇反应，可以得到大颗粒的磁性种球，因此，通过该过程，可以实现根据应用的要求来制备得到不同粒径的高分子磁性微球。

56、本发明的壳层单体使用了含环氧基团的单体，由该单体聚合得到的壳层还具有活性环氧基团，可以利用该活性环氧基团直接在微球表面接枝一些含有功能基团的化合物，从而能更进一步的提高微球表面的功能基团的数量，满足更多应用的需求。