專利名稱：具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的磁性核殼微粒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬磁性材料領(lǐng)域，特別涉及一種核殼型磁性微粒及其制備方法。
背景技術(shù)：
磁性微粒在生物材料如細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA和RNA等的分離和純化、生物分子標(biāo)記和檢測(cè)、免疫分析和靶向藥物等生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。這主要是基于磁性微粒的外磁場(chǎng)響應(yīng)能力，比如磁性微粒在外磁場(chǎng)下的富集和定向運(yùn)動(dòng)。與常用的分離方法如沉淀法、離心法、離子交換法和各種層析方法相比，基于磁性微粒在外磁場(chǎng)作用下的富集而發(fā)展起來的磁分離技術(shù)具有方便快捷、所需設(shè)備簡單、提取效率高等特點(diǎn)。而將磁性微粒作為藥物載體，可以通過外磁場(chǎng)的作用實(shí)現(xiàn)藥物的定向輸送，把藥物直接送到病變部位，可以大大的提高療效，降低藥物的副作用，在一些重大疾病如癌癥的治療上有著廣泛的應(yīng)用前景。已有的商品中，磁性微粒多是通過乳液聚合法或懸浮聚合法制得的高分子微球。這種高分子微球由內(nèi)部的磁性核心和表面聚合物包覆層組成，其合成工藝一般比較復(fù)雜，合成中經(jīng)常會(huì)使用一些有毒的有機(jī)溶劑或聚合單體，微球一旦形成，很難再對(duì)其進(jìn)行其它的表面修飾。此外，由于構(gòu)成高分子微球表面的是一些有機(jī)聚合物，其生物相容性較差，無法在體內(nèi)應(yīng)用，而且這些聚合物包覆層的結(jié)構(gòu)通常比較疏松，容易造成內(nèi)部磁性粒子的泄漏，泄漏的磁性粒子對(duì)很多生物活性物質(zhì)有毒害作用，限制了其應(yīng)用范圍。
跟本發(fā)明最相接近的現(xiàn)有技術(shù)是Albert P.Philipse發(fā)表的一篇文獻(xiàn)“Magnetic Silica DispersonsPreparation and Stability ofSurface-Modified Silica Particles with a Magnetic Core”(Langmuir 1994，10，92～99)中公開的一種Fe3O4-二氧化硅磁性核殼微粒及其制作方法。所公開的具有磁場(chǎng)響應(yīng)能力的Fe3O4-二氧化硅核殼微粒是，其內(nèi)核是具有超順磁性的磁性Fe3O4納米粒子，外層是二氧化硅，在二氧化硅包覆層內(nèi)有6個(gè)或少于6個(gè)的磁性Fe3O4納米粒子。制作這種磁性微粒的方法有如下步驟制備磁性Fe3O4納米粒子——表面處理——無機(jī)硅源包覆——有機(jī)硅源包覆。所說的制備磁性Fe3O4納米粒子是采用已知的共沉淀法。所說的表面處理是使用四甲基氫氧化銨作膠溶劑，對(duì)磁性Fe3O4納米粒子進(jìn)行膠溶處理。所說的無機(jī)硅源包覆是以Na2SiO3作硅源，將膠溶處理后的磁性Fe3O4納米粒子放入Na2SiO3水溶液中充分?jǐn)嚢?，形成SiO2包覆Fe3O4的納米粒子，包覆層的厚度約1nm。所說的有機(jī)硅源包覆是以正硅酸乙酯作硅源，以乙醇為溶劑，以質(zhì)量百分比濃度為25-28％的濃氨水為催化劑加入經(jīng)無機(jī)硅源包覆的磁性Fe3O4納米粒子后攪拌，制備出Fe3O4-二氧化硅核殼微粒。制備過程中要通過滲析法對(duì)經(jīng)過無機(jī)硅源包覆的磁性Fe3O4納米粒子進(jìn)行提純，最后制備出的Fe3O4-二氧化硅核殼微粒要用專用的磁分離柱進(jìn)行提純。
背景技術(shù)：
的Fe3O4-二氧化硅核殼微粒的包覆層是無機(jī)的二氧化硅，因而微粒有著良好的生物相容性，較好的化學(xué)穩(wěn)定性，并可以通過不同的硅烷化試劑進(jìn)行各種表面修飾，經(jīng)修飾后的微粒可與各種生物材料結(jié)合。但是由于這種Fe3O4粒子-二氧化硅核殼微粒中包覆的磁性Fe3O4納米粒子只有6個(gè)或少于6個(gè)，磁性內(nèi)核數(shù)目太少，微粒磁性較弱，外磁場(chǎng)響應(yīng)能力弱，需要使用專用的磁分離柱并施加高強(qiáng)度外磁場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)該粒子的富集，這就限制了這種磁性微粒的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的磁性鐵氧體-二氧化硅核殼微粒及其制備方法。這種磁性鐵氧體-二氧化硅核殼微粒具有多核結(jié)構(gòu)，磁性物質(zhì)含量高，具有很強(qiáng)的外磁場(chǎng)響應(yīng)能力，在較低的磁場(chǎng)強(qiáng)度下不需專用的磁分離柱就能實(shí)現(xiàn)微粒的快速富集，同時(shí)二氧化硅包覆致密、化學(xué)穩(wěn)定性好、無裸露磁粒子、表面易功能化；制備方法中不需對(duì)磁性鐵氧體納米粒子進(jìn)行膠溶處理，工藝過程更簡單，所需設(shè)備由于微粒磁性強(qiáng)也變得簡單。
本發(fā)明的具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的磁性鐵氧體-二氧化硅核殼微粒，其內(nèi)核是二氧化硅包覆的磁性鐵氧體納米粒子，外殼是二氧化硅。所說的磁性鐵氧體納米粒子指Fe3O4納米粒子、γ-Fe2O3納米粒子或摻過渡金屬元素及其化合物的磁性鐵氧體納米粒子，它們具有超順磁性，粒徑為3～12nm。所述的微粒具有多核結(jié)構(gòu)，粒徑為0.2～10μm，每個(gè)微粒中包有20～1000個(gè)磁性鐵氧體納米粒子。微粒中磁性鐵氧體納米粒子的質(zhì)量百分含量為10～60％。
所述微粒的磁場(chǎng)響應(yīng)能力為對(duì)10ml該核殼微粒的水溶膠，在0.05T的外加磁場(chǎng)下，粒子富集時(shí)間在1分鐘以內(nèi)。通過透射電鏡可以看到這種具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的核殼微粒含有的磁性鐵氧體納米粒子的個(gè)數(shù)為20～1000個(gè)。
本發(fā)明的具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的磁性鐵氧體-二氧化硅核殼微粒的制備方法，有制備磁性鐵氧體納米粒子——無機(jī)硅源包覆——有機(jī)硅源包覆的工藝過程。即首先利用已知的共沉淀法制備磁性鐵氧體納米粒子，制得的磁性鐵氧體納米粒子的粒徑可以在3～12nm，在恒磁場(chǎng)下利用傾注法進(jìn)行純水清洗除去雜質(zhì)；將洗好的磁性鐵氧體納米粒子不經(jīng)過任何表面處理直接分散到含SiO2的水溶性無機(jī)鹽的水溶液中攪拌進(jìn)行第一次二氧化硅包覆，經(jīng)過這次無機(jī)硅源包覆在磁性鐵氧體納米粒子表面形成1～2nm厚的二氧化硅層，再在恒磁場(chǎng)下利用傾注法對(duì)無機(jī)硅源包覆的磁性鐵氧體納米粒子進(jìn)行純水清洗除去雜質(zhì)；對(duì)完成第一次二氧化硅包覆的磁性鐵氧體納米粒子分散到醇和水的混合溶劑中，在堿性條件下，通過正硅酸乙酯水解反應(yīng)進(jìn)行第二次二氧化硅包覆。通過反應(yīng)條件的控制可以得到尺寸為0.2～10μm的多核磁性鐵氧體-二氧化硅核殼微粒。
其中所述的磁性鐵氧體納米粒子是指具有超順磁性的納米Fe3O4粒子、γ-Fe2O3納米粒子或摻過渡金屬元素及其化合物的磁性鐵氧體納米粒子。
在前述的包覆工藝過程中，工藝條件是需要控制的。無機(jī)硅源包覆時(shí)，反應(yīng)溶液中磁性鐵氧體納米粒子的濃度為0.05～25g/L，SiO2的濃度為0.1～50g/L。將反應(yīng)溶液的pH調(diào)到8～11之間。攪拌速度為50～800rpm的條件下反應(yīng)5～24小時(shí)。有機(jī)硅源包覆時(shí)，醇和水的混合溶劑中的醇可以是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等，混合溶劑中醇的體積百分含量為30～100％，水的體積百分含量為0～70％，向上述溶液中加入質(zhì)量百分比濃度為25～28％的濃氨水，由此形成的混合溶液中，磁性鐵氧體納米粒子的濃度為0.05～1g/L，氨水在反應(yīng)溶液中的摩爾濃度為0.5～1mol/L。然后在50～500rpm的攪拌速度下逐滴加入正硅酸乙酯0.5～5ml/L，反應(yīng)3～30小時(shí)。
上述的有機(jī)硅源包覆中的逐滴加入正硅酸乙酯，正硅酸乙酯可以分批加入，每次的加入量為0.5～1.5ml/L，其中相鄰兩次加入的時(shí)間間隔為2～6h，正硅酸乙酯全部加完后，再繼續(xù)反應(yīng)3～24h。通過控制正硅酸乙酯的加入量，可以調(diào)節(jié)最后形成的磁性鐵氧體-二氧化硅核殼粒子的二氧化硅包覆層的厚度及所得到的核殼微粒的尺寸。
前述的在穩(wěn)恒磁場(chǎng)下利用傾注法用純水清洗除去雜質(zhì)時(shí)，可以使用強(qiáng)度為0.05～0.15T的永磁鐵。
如上所述，本發(fā)明在溫和的反應(yīng)條件下，通過簡單的工藝過程合成了磁性鐵氧體-二氧化硅核殼微粒，該微粒具有如下特點(diǎn)(1)磁性物質(zhì)含量高，有很強(qiáng)的外磁場(chǎng)響應(yīng)能力，在很低的外磁場(chǎng)作用下即可迅速富集；(2)二氧化硅包覆層的結(jié)構(gòu)致密，因而化學(xué)穩(wěn)定性高，抗氧化能力強(qiáng)；(3)無裸露的磁粒子，且有很好的抗漏能力；(4)表面的化學(xué)組成是二氧化硅，容易進(jìn)一步功能化，利用帶有氨基、巰基、環(huán)氧等基團(tuán)的硅烷化試劑對(duì)二氧化硅表面進(jìn)行修飾，即可得到帶有氨基、巰基、環(huán)氧等功能基團(tuán)的表面。
本發(fā)明所描述的磁性鐵氧體-二氧化硅核殼微粒在水中的分散性好，表面經(jīng)修飾后可以連接各種生物活性物質(zhì)(如細(xì)胞、抗體、抗原、酶或核酸)和藥物分子，特別適用于各種生物材料和醫(yī)藥制品的分離和純化，并可做為生物分子和藥物分子磁控定向輸送的載體。
本發(fā)明的磁性鐵氧體-二氧化硅核殼微粒的制備方法，工藝過程簡單，對(duì)設(shè)備要求較低。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1Fe3O4納米粒子的制備稱取27.45g的FeCl3·6H2O和10.10g的FeCl2·4H2O，用100ml經(jīng)過通氮除氧的水溶解得到混合溶液。取400ml水在1L的圓底燒瓶中通氮除氧，加入25ml的質(zhì)量百分比濃度為25-28％的濃氨水，在劇烈攪拌下迅速向其中倒入上述的鐵鹽混合溶液，在80℃下反應(yīng)1h。反應(yīng)完畢后，用0.1T的永磁鐵從反應(yīng)溶液中分離出黑色的固體，所得固體用高純水清洗3～5次即得粒徑為6～10nm的Fe3O4納米粒子。
實(shí)施例2γ-Fe2O3納米粒子的制備稱取27.45g的FeCl3·6H2O和10.10g的FeCl2·4H2O，用100ml經(jīng)過通氮除氧的水溶解得到混合溶液。取400ml水在1L的圓底燒瓶中通氮除氧，加入25ml的質(zhì)量百分比濃度為25-28％的濃氨水，在劇烈攪拌下迅速向其中倒入上述的鐵鹽混合溶液，在80℃下反應(yīng)1h。然后向反應(yīng)溶液中通入氧氣2h。反應(yīng)完畢后，用0.1T的永磁鐵從反應(yīng)溶液中分離出紅色的固體，所得固體用高純水清洗3～5次即得粒徑為6～10nm的γ-Fe2O3納米粒子。
實(shí)施例3CoFe2O4納米粒子的制備稱取27.86g的CoCl3·6H2O和10.10g的FeCl2·4H2O，用100ml經(jīng)過通氮除氧的水溶解得到混合溶液。取400ml水在1L的圓底燒瓶中通氮除氧，加入25ml的質(zhì)量百分比濃度為25-28％的濃氨水，在劇烈攪拌下迅速向其中倒入上述的混合鹽溶液，在50℃下反應(yīng)1h。反應(yīng)完畢后，用0.1T的永磁鐵從反應(yīng)溶液中分離出黑色的固體，所得固體用高純水清洗3～5次即得粒徑為3～13nm的CoFe2O4納米粒子。
實(shí)施例4無機(jī)硅源包覆(第一次二氧化硅包覆)稱取2.5g Na2SiO3(SiO2含量為45％)溶在500ml水中，用陽離子樹脂調(diào)節(jié)溶液的pH為9.6，向其中加入1g上述合成的Fe3O4納米粒子。在室溫下，以150rpm攪拌速度在1L圓底燒瓶中反應(yīng)12h。反應(yīng)完畢后，用0.1T的永磁鐵從反應(yīng)溶液中分離出黑色的固體，所得固體用高純水清洗3～5次即得粒徑為7～12nm的二氧化硅包覆的Fe3O4納米粒子。
實(shí)施例5有機(jī)硅源包覆(第二次二氧化硅包覆)向1L圓底燒瓶中依次加入450ml乙醇、50ml水、20ml質(zhì)量百分比濃度為25-28％的濃氨水、0.05g經(jīng)第一次二氧化硅包覆合成的Fe3O4納米粒子。在室溫下，以200rpm攪拌速度滴加0.3ml正硅酸乙酯，反應(yīng)3h后再滴加0.3ml正硅酸乙酯，繼續(xù)反應(yīng)12h。用0.1T的永磁鐵從反應(yīng)溶液中分離出黑色的固體，所得固體用高純水清洗3～5次即得平均尺寸為0.4μm的多核Fe3O4-SiO2核殼微粒。
取上述核殼微粒0.330g分散在10ml 1M HCl中浸泡10min，泄漏的鐵離子濃度為4ppm；取上述核殼微粒0.030g分散在1ml水中，在0.05T的磁場(chǎng)下，微粒的富集時(shí)間為10s；取上述核殼微粒0.030g分散在1ml 50％HNO3中，在95℃水浴中加熱24h后，在0.5T的磁場(chǎng)下，微粒的富集時(shí)間仍為10s。
實(shí)施例6將實(shí)施例4、5過程中的納米Fe3O4粒子換成γ-Fe2O3和/或CoFe2O4納米粒子，采用實(shí)施例4、5的制備過程，即可制得γ-Fe2O3-二氧化硅核殼微粒和/或CoFe2O4-二氧化硅核殼微粒。
權(quán)利要求
1.一種具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的磁性核殼微粒，其內(nèi)核是磁性鐵氧體納米粒子，外殼是二氧化硅，其特征在于，每個(gè)微粒中包覆有20～1000個(gè)磁性鐵氧體納米粒子；微粒中磁性鐵氧體納米粒子的質(zhì)量百分含量為10～60％。
2.按照權(quán)利要求1所述的具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的磁性核殼微粒，其特征在于，磁性鐵氧體納米粒子的粒徑為3～12nm；磁性鐵氧體-二氧化硅核殼微粒的粒徑為0.2～10μm。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的磁性核殼微粒，其特征在于，其磁場(chǎng)響應(yīng)能力為對(duì)10ml該核殼微粒的水溶膠，在0.05T的外加磁場(chǎng)下，微粒富集時(shí)間在1分鐘以內(nèi)。
4.按照權(quán)利要求1所述具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的核殼微粒的制備方法，有制備磁性鐵氧體納米粒子——無機(jī)硅源包覆——有機(jī)硅源包覆的工藝過程；首先利用已知的共沉淀法制備磁性鐵氧體納米粒子，然后對(duì)磁性鐵氧體納米粒子用無機(jī)硅源和有機(jī)硅源進(jìn)行兩次包覆，其特征在于，磁性鐵氧體納米粒子在進(jìn)行無機(jī)硅源包覆前不經(jīng)任何表面處理；無機(jī)硅源包覆時(shí)，反應(yīng)溶液中磁性鐵氧體納米粒子的濃度為0.05～25g/L，SiO2的濃度為0.1～50g/L，反應(yīng)溶液的pH值為8～11，攪拌速度為50～800rpm的條件下反應(yīng)5～24小時(shí)；有機(jī)硅源包覆時(shí)，醇和水的混合溶劑中醇的體積百分含量為30～100％，水的體積百分含量為0～70％，向上述溶液中加入質(zhì)量百分比濃度為25～28％的濃氨水，由此形成的混合溶液中，磁性鐵氧體納米粒子的濃度為0.05～1g/L，氨水的摩爾濃度為0.5～1mol/L，在50～500rpm的攪拌速度下逐滴加入正硅酸乙酯0.5～5ml/L，反應(yīng)3～30小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明的具有強(qiáng)磁場(chǎng)響應(yīng)能力的磁性核殼微粒及其制備方法屬磁性材料領(lǐng)域。該微粒的內(nèi)核是具有超順磁性的磁性鐵氧體納米粒子，外殼是二氧化硅，每個(gè)微粒中包覆有20～1000個(gè)磁性鐵氧體粒子。制備方法包括用共沉淀法制備鐵氧體粒子；再將洗好的鐵氧體粒子不經(jīng)過任何表面處理直接分散到含SiO
文檔編號(hào)H01F41/02GK1445797SQ0311135
公開日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月1日
發(fā)明者王剛, 楊百全, 莊家騏, 楊文勝, 李鐵津 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)