P(St-co-MAA)-Fe3O4@SiO2 pH磁性微球的制備與性能研究

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(1.衡陽師范學院 化學與材料科學學院，湖南 衡陽 421008；2.衡陽師范學院 湖南省功能金屬有機材料重點實驗室，湖南 衡陽 421008)

聚合物磁性復合微球既有無機磁性粒子的磁性能，也有高分子材料的生物相容性，最重要的是該類微球可以與親和素、抗體等有生物活性的物質連接實現生物載體功能，所以聚合物復合磁性微球可以廣泛應用在蛋白質測定、靶向藥物監測、免疫測定等醫療領域。還在化工生產中有良好前景，主要應用在橡膠和磁性塑料等領域，可用作無機-有機的填充材料。其制備方法有許多種,主要分為物理包埋法[1-5]和單體聚合法[6-9]等。

相對聚合法，包埋法是最早應用于磁性聚合物微球的制備。它的基本原理就是借助氫鍵、范德華力以及螯合作用使磁性微粒與大分子物質結合。單體聚合法是根據不同的聚合方法選擇性添加引發劑、表面活性劑以及穩定劑的方法。主要有：懸浮聚合[7]、分散聚合[8]、乳液聚合[9]等。由于制備的產品具有粒徑小，分散性好，易再官能化等優點，目前在磁性粒子表面接枝聚合制備磁性高分子微球的方法目前應用最廣泛。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

試驗所需的試驗試劑：FeCl2·4H2O、FeCl3·2H2O、丙烯酸、正硅酸乙酯(天津市科密歐化學試劑有限公司)，3-(甲基丙稀酰氧)丙基三甲氧基硅烷和牛血清蛋白(北京華威銳科化工有限公司)，苯乙烯、2,2-偶氮二異丁腈和聚乙烯吡咯烷酮(國藥集團化學試劑有限公司)，試劑均為分析純。

實驗所用儀器：紫外可見分光光度計(UV2501PC)，日本島津公司；紅外光譜儀(FTIR-8700)，日本島津公司；振動樣品磁強計(VSM7407)，美國 Lake Shore 公司；熱分析儀(STA449C)，德國耐馳公司。

1.2 Fe3O4的制備

按照文獻5的方案制備Fe3O4粒子。

1.3 Fe3O4@SiO2制備及表面修飾

在150 mL單口燒瓶中加入Fe3O4粒子、80 mL無水乙醇、4 mL氨水(25%)，并超聲分散40 min；然后加入1.2 mL正硅酸乙酯，室溫反應6 h制備Fe3O4@SiO2。

稱取0.3g Fe3O4@SiO2，之后依次加入0.5g MPS、40 mL乙醇溶液以及10 mL蒸餾水，超聲分散1 h，最后滴加2 mL氨水，于70℃油浴鍋中反應24 h制備表面雙鍵化修飾的磁性粒子。

1.4 P(St-co-MAA)-Fe3O4@SiO2微球的制備

稱取0.2 g偶氮二異丁腈、0.4 g聚乙烯吡咯烷酮，6mL苯乙烯、0.2 mL丙烯酸，60 mL無水乙醇分散在三頸燒瓶中，反應4h后加入表面雙鍵化修飾的磁性粒子，之后繼續反應5h。反應溫度為70℃，共反應9 h。反應結束經離心、洗滌和干燥得到產品。

1.5 吸附實驗

首先在洗滌干凈的數只離心試管中分別移入1 mL 磁性聚合物微球懸浮液、2 mL BSA溶液，其次加入磷酸緩沖溶液將溶液體積調整到5.0 mL；最后磁力攪拌，室溫孵化3.0 h。之后，離心分離收集上清液。微球用2 mL緩沖溶液洗滌，離心并收集上清液，重復洗滌2次。

2 結果與討論

2.1 磁性聚合物微球的表觀性能

圖1 左邊為磁場作用下的P(St-co-MAA)-Fe3O4@SiO2微球，右邊為撤銷磁場后的磁性聚合物微球

從圖1可以知道，制備的磁性微球具有強烈的磁性，在外加磁場的存在下能很快沉降下來，具有良好的油溶性，能很好地分散在乙醇溶液中。此外，圖1右圖還顯示出撤離磁場后磁性微球又再次均勻分散于水溶液中，由此證明，所制備的磁性微球具有超順磁性。

2.2 磁性微球的磁性能分析

從圖2中可以得到，經過包覆SiO2，飽和磁化強度值(Ms)有所下降(由于包覆的無機SiO2對磁性微球有一定的屏蔽作用)，磁性變弱(圖c)，最終產物的磁性下降趨勢減弱(圖a和b)。在外加磁鐵的作用下，最終產物能夠與蛋白質溶液在30s內分離開。

(a) P(St-co-MAA) -Fe3O4@SiO2微球，(b)雙鍵化修飾的Fe3O4@SiO2粒子，(c)Fe3O4@SiO2， (d) Fe3O4

2.3 紅外光譜

從圖3(a)可知，1707.00 cm-1左右為雙鍵的伸縮振動峰，很明顯是油酸中C=O的吸收峰，該峰證明產物已被油酸修飾。1317.38 cm-1以及上下100 cm-1差距之間可能是C-O鍵，由于C=O鍵(油酸中的羧基含有)收縮震動引起；574.79 cm-1為Fe-O鍵振動吸收峰，是Fe3O4的標識。分析圖3(b)可知：445.56 cm-1可能是Si-O鍵收縮震動產生，981.77 cm-1可能是Si-O鍵彎曲振動產生，證明成功制備了Fe3O4@SiO2粒子。分析圖3(c)紅外可知：1712.79 cm-1峰左右為碳碳雙鍵(MPS中的C=C)特征吸收峰，故該產品成功包裹上MPS。分析圖3(d)可知，1734 cm-1的羰基C=O伸縮振動吸收峰，1492 cm-1,1452 cm-1和1600 cm-1為芳環骨架伸縮振動吸收峰，通過這些吸收峰可以證明成功合成了P(St-co-MAA)-Fe3O4@SiO2微球。

(a)為Fe3O4粒子，(b)為Fe3O4@SiO2粒子，(c)為雙鍵化修飾的Fe3O4@SiO2粒子，(d)為P(St-co-MAA)-Fe3O4@SiO2微球

圖3 紅外光譜圖

2.4 SEM電鏡分析

圖4 P(St-co-MAA)-Fe3O4@SiO2 微球 SEM圖

從圖4可知：成功合成了磁性聚合物微球，該微球呈球形，表面較光滑，粒徑分布在0.87～3.97μm之間，粒徑分散性一般。此外，部分粒子呈現出團聚現象。

2.5 蛋白質吸附性測試

將一定量的磁性微球加入到不同濃度的BSA溶液中，孵化一定時間，計算微球表面的BSA吸附量，圖5所示。從圖5中可知，開始時，隨著蛋白質濃度的增大，微球表面負載的蛋白質增多；當BSA濃度為1.5時，微球表面吸附接近于飽和；此后繼續增大BSA濃度，微球表面的BSA負載量增加很少，達到了吸附飽和。

圖5 BSA 在微球上的吸附情況

3 結論

首先制備出分散性能較好的Fe3O4，然后在Fe3O4表面包裹一層SiO2，之后在SiO2層上引入碳碳雙鍵，并用分散聚合方法制備出磁性能較強的微球。并將制備的功能化磁性微球用于蛋白質的吸附實驗。實驗結果可知，成功制備了磁性聚合物微球，且能用于蛋白質的負載應用。