专利名称：铁磁性多孔硅胶微球及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铁磁性多孔硅胶微球的制备方法，属于磁性多孔二氧化硅微球的制备技术。
背景技术：
磁场控制的传递和分离系统在医学、生物和化学领域具有诸多的应用，因此近年来获得了迅速的发展。在这些系统中，通常采用外加磁场来操控具有磁响应性的微粒的定向移动，因此可以用于将特定的治疗药物定向释放到身体的某个部位、从骨髓细胞中选择性地分离癌细胞、从复杂生物样品中提取目标分子等领域。磁场控制的流化床技术已经成为生物技术中的有力工具，在制备分离中磁性支持介质可以较迅速的被固定化，从而方便目标分子的回收。近年来磁性微流控装置的构建也引起了人们的关注，因为利用这些装置可以方便地实现微球在贮存、反应、检测等微量池之间的转移，从而在分析仪器的微型化和自动化方面发挥重要作用。
上面所提到的磁场控制传递和分离系统的成功与否在很大程度上取决于具有特殊性质的磁性微球的可获得性。磁性微球可以通过多种方法制备，这些方法大致可分成三类。在第一类方法中，磁性氧化铁的胶体直接沉积在交联聚苯乙烯微球或者可控孔径玻璃微球的多孔结构内，然后在微球的外表面涂布一层高聚物以防止氧化铁纳米粒子在使用过程中流失。第二类方法是在非多孔的微球上附着一层磁性纳米粒子，并用高聚物加以包裹，构成核壳型结构的磁性微球。第三类方法是基于在磁性胶体存在下单体的分散聚合，一步法制备磁性微球。
上述微球都有商品可提供，也有文献报道利用三价铁盐与四乙氧基硅烷(TEOS)混合制备纳米级的微球，经煅烧后得到具有磁性的氧化铁-二氧化硅复合微球。其缺点在于这些磁性微球为非多孔结构，比表面积小，不适于在色谱分离、催化反应等化学领域中应用。
发明内容
本发明目的在于提供了一种铁磁性多孔硅胶微球及其制备方法，所述的微球比表面积为100-450m2/g，孔径在5-15nm，粒径在0.5-20μm，该微球的制备方法过程简单，条件易控。
本发明是通过下述方案加以实现的，采用超顺磁的铁粒子，以脲醛树脂为模板，制备的铁磁性的多孔硅胶微球，其特征在于，该微球是以比表面积为100-450m2/g，孔径在5-15nm，粒径在0.5-20μm，二氧化硅为基材的微球，在该基材中均匀分散着具超顺磁性的三氧化二铁纳米微粒所构成。
上述微球的制备方法其过程包括氧化铁溶胶的制备、氧化铁/二氧化硅混合溶胶的制备、有机/无机复合微球的制备、磁性多孔硅胶的制备。
本发明是通过下述具体反应步骤来实现的1.按摩尔比为1-3.0将FeCl3.6H2O和NaHCO3混合加水搅拌使之充分溶解。
2.取适量二氧化硅溶胶，用包括浓硝酸的酸调节pH至2.0-2.5，按Fe2O3与SiO2摩尔比为0.01-1.0将氧化铁溶胶与二氧化硅溶胶混合。
3.在氧化铁/二氧化硅混合溶胶中加入尿素、甲醛反应单体，其摩尔比为1-1.5，并控制无机成分的百分比为60％，在pH为1-4，在5-50℃下反应1-24h，过滤收集复合微球。
4.上述方法制备得到的复合微球经干燥后分别在300-350℃、600-650℃和900-950℃各加热煅烧2-5h。氧化铁在高温下发生相变得到铁磁性多孔硅胶微球。
上述的Fe2O3与SiO2的优选摩尔比为0.3-0.5。
通过上述方法制备的铁磁性多孔硅胶微球采用含有氯代辛基硅烷试剂进行表面修饰，键合上疏水的化学官能团得到的铁磁性多孔硅胶微球可用作反相磁性色谱固定相。
上述的制备方法过程中煅烧步骤是极其重要的。对聚合反应制备得到的有机/无机复合微球进行阶梯式高温煅烧，可以起到三个方面的作用除去聚合物模板，诱导氧化铁相变和增强多孔微球的机械强度。首先，在300-350℃灼烧复合微球，使得脲醛树脂炭化。然后升温到600-650℃进一步煅烧，完全挥发除去有机成分。最后，将热处理温度升高到900-950℃，不仅可以增强多孔无机氧化物微球的机械强度，还可以促进氧化铁的相变，从非磁性、无定形氧化铁向磁性氧化铁转化。高温煅烧后的氧化物微球，可以被永久磁铁所吸引，因此表现出宏观磁响应性。
由于本发明的磁性多孔硅胶微球的表面含有大量的硅羟基和铁羟基，不仅可以作为反相磁性色谱固定相，而且可以直接用作正相色谱分离固定相或者催化反应的载体；也可以通过硅烷试剂对硅胶微球进行表面修饰，偶联上烷基、氨基、羧基或其他选择性相互作用配体，以制备可用于不同分离模式的磁性高效液相色谱填料。
本发明的优点和效果在于提供了一种比表面积大，孔隙率高，表面富含羟基的磁性硅胶微球，可以通过表面化学修饰来增强吸附选择性，适于作为色谱固定相或者催化反应的载体。其制备方法过程简单，条件易控，易于实现工业化，在磁场控制的传递过程和分离方法中具有潜在的应用前景。
图1为本发明实施例1所制备的多孔Fe2O3/SiO2微球的扫描电镜照片；图2为图1所示的Fe2O3/SiO2微球在室温下的磁滞回线图；图3为本发明实施例4所制备的Fe2O3/SiO2多孔微球的C8键合后的微球为填料的标样混合物的色谱分离谱图，谱图中峰1为尿嘧啶；峰2为丙酮；峰3为4-氯硝基苯；峰4为萘，色谱条件色谱柱150×4.6mm；流动相80％(v/v)甲醇-水溶液；流速1ml/min；紫外检测254nm。
具体实施例方式
实施例1磁性多孔微球的合成在含有150ml蒸馏水的烧杯中，加入21.5g FeCl3.6H2O和15g NaHCO3，搅拌得到澄清的红色铁溶胶，其pH为2-2.5。在另一烧杯中，分别加入225ml硅溶胶(30％)和16g尿素，搅拌溶解后，加浓HNO3调pH至1.5。一边搅拌一边将铁溶胶和硅溶胶混合，重调pH至1.5，在搅拌下迅速加入22ml甲醛(37％)溶液，混合均匀后停止搅拌，室温静置反应过夜。离心收集反应生成的复合微球，依次用水、水-甲醇(1∶1)、甲醇和丙酮洗涤。60℃真空干燥过夜，得到31g可以自由流动的黄色微球。对复合微球进行热处理，分别在300-350℃、600-650℃和900-950℃煅烧2h。通过磁分离除去非磁性硅胶微粒后，得到15g可以自由流动的棕红色磁性微球。以混合溶胶中氧化物含量的重量百分比来计算，磁性微球的得率为21％。
对磁性多孔微球的表征表明，微球的平均粒径为4μm，比表面积为150m2/g，平均孔径为10nm，氧化铁的重量百分比为19％，基于氧化铁归一化计算得到的饱和磁化率为31.6emu/g。
实施例2磁性多孔微球的合成在含有110ml蒸馏水的烧杯中，分别加入5.7g FeCl3.6H2O和4.0g NaHCO3，搅拌得到澄清的红色铁溶胶，其pH为2-2.5。在另一烧杯中，分别加入90ml硅溶胶(30％)和6.4g尿素，搅拌溶解后，加浓HNO3调pH至1.5。一边搅拌一边将铁溶胶和硅溶胶混合，重调pH至1.5，在搅拌下迅速加入8.8ml甲醛(37％)溶液，混合均匀后停止搅拌，室温静置反应过夜。离心收集反应生成的复合微球，依次用水、水-甲醇(1∶1)、甲醇和丙酮洗涤。60℃下真空干燥过夜，得到11.6g黄色微球。对复合微球进行热处理，分别在250-300℃、500-550℃和850-900℃煅烧1-2h。通过磁分离除去非磁性硅胶微粒后，得到平均粒径为5μm的棕红色磁性微球。
实施例3磁性多孔微球的合成在含有110ml蒸馏水的烧杯中，加入8.6g FeCl3.6H2O和6.0g NaHCO3，搅拌得到澄清的红色铁溶胶，其pH为2-2.5。在另一烧杯中，分别加入90ml硅溶胶(30％)和6.4g尿素，搅拌溶解后，加浓HNO3调pH至1.5。一边搅拌一边将铁溶胶和硅溶胶混合，重调pH至1.5，在搅拌下迅速加入8.8ml甲醛(37％)溶液，混合均匀后停止搅拌，室温静置反应过夜。离心收集反应生成的复合微球，依次用水、水-甲醇(1∶1)、甲醇和丙酮洗涤。60℃下真空干燥过夜，得到11.6g黄色微球。对复合微球进行热处理，分别在250-300℃、500-550℃和850-900℃煅烧1-2h。通过磁分离除去非磁性硅胶微粒后，得到5.7g可以自由流动的棕红色磁性微球。以混合溶胶中氧化物含量的重量百分比来计算，磁性微球的得率达到20％。
实施例4磁性色谱填料的制备在100ml干燥的甲苯中加入5g磁性多孔硅胶，超声分散后得到匀浆。将匀浆加热到100℃左右使得甲苯回流。蒸馏除去40ml左右甲苯，加入6滴三乙胺和4ml辛基三氯硅烷，在氮气气氛中加热回流18h。冷却后，过滤回收硅烷化磁性微球，依次用50ml甲苯、二氯甲烷、乙醇和丙酮洗涤。60℃下真空干燥9h。
称取3g硅烷化磁性微球，分散在40ml异丙醇中，制成匀浆，在8000psi的高压下装入150×4.6mm的不锈钢空管柱中。以80％(v/v)甲醇-水溶液为流动相，获得了对含有脲嘧啶、丙酮、4-氯硝基苯和萘的标准混合物的基线分离。
权利要求
1.一种铁磁性多孔硅胶微球，该微球采用超顺磁的铁粒子，以脲醛树脂为模板制备而成，其特征在于该微球是以比表面积为100-450m2/g，孔径在5-15nm，粒径在0.5-20μm，二氧化硅为基材的微球，在该基材中均匀分散着纳米级的超顺磁性的三氧化二铁微粒所构成。
2.一种制备按权利要求1所述的铁磁性多孔硅胶微球的方法，其过程包括氧化铁溶胶的制备、氧化铁/二氧化硅混合溶胶的制备、有机/无机复合微球的制备、磁性多孔硅胶的制备，其特征在于包括下述具体步骤1).按摩尔比为1-3.0将FeCl3.6H2O和NaHCO3混合加水搅拌使之充分溶解；2).取适量二氧化硅溶胶，用包括浓硝酸的酸调节pH至2.0-2.5，按Fe2O3与SiO2摩尔比为0.01-1.0将氧化铁溶胶与二氧化硅溶胶混合；3).在氧化铁/二氧化硅混合溶胶中加入尿素、甲醛反应单体，其摩尔比为1-1.5，并控制无机成分的百分比为60％，在pH为1-4，在5-50℃下反应1-24h，过滤收集复合微球；4).上述方法制备得到的复合微球经干燥后分别在300-350℃、600-650℃和900-950℃各加热煅烧2-5h，氧化铁在高温下发生相变得到铁磁性多孔硅胶微球。
3.按权利要求2所述的铁磁性多孔硅胶微球的制备方法，其特征在于Fe2O3与SiO2的优选摩尔比为0.3-0.5。
4.按权利要求1或权利要求2所述的铁磁性多孔硅胶微球的用途，其特征在于通过对微球的表面采用含有氯代辛基硅烷试剂进行表面修饰，键合上疏水的化学官能团得到的铁磁性多孔硅胶微球可用作反相磁性色谱固定相。
全文摘要
本发明公开了一种铁磁性多孔硅胶微球及其制备方法。所述的微球是以比表面积为100－450m
文档编号B01J2/02GK1480251SQ0313042
公开日2004年3月10日 申请日期2003年7月21日 优先权日2003年7月21日
发明者万谦宏, 陈磊, 张志超, 李文斌 申请人:天津大学