磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的合成及表征

晏雨微，胡志雄，张维农，齐玉堂

(武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉430023)

硼酸基团与含1，2-或1，3-二醇基团的多羟基化合物之间具有可逆、特异性相互作用，是一类十分重要的分子识别受体，自然界中存在大量多羟基化合物，如单糖、多糖、核苷、核糖核苷、糖蛋白等，它们对于生物体的生命活动起着十分重要的作用，利用苯硼酸与这些物质之间的特异性识别作用，可以实现该类重要生命活性物质的分离、检测、富集纯化等，因而，苯硼酸及其衍生物受到众多研究者的关注和重视。

间氨基苯硼酸(3-aminophenylboronic acid，m-APBA)的分子结构中既具有反应活性的氨基，又具有特异性功能作用的苯硼酸结构，是制备苯硼酸类功能材料的重要原料。如Chen等［1］以m-APBA为原料，使用原位聚合一步法合成了硼酸亲和毛细管整体柱，并将其用于糖肽与糖蛋白的高选择性富集浓缩分析;Sun等［2］使用m-APBA对聚(甲基丙烯酸甲酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)整体柱进行修饰，得到阳离子交换整体柱，并对其色谱性能进行评价，结果表明可以从鸡蛋清中一步分离纯化得到溶菌酶，并可用于核糖核酸酶A和细胞色素C的复性。Cmmizzo等［3］使用m-APBA对聚苯乙烯-二乙烯基苯纳米基质纳米粒子进行修饰，制备得到可再生的果糖可视化纳米传感器。

磁性分离(Magnetic Separation)是在磁场作用力的驱动下，根据物质的磁性差异对目标物质进行分离、纯化的一种分离、纯化技术手段。由于其操作简单、快捷、高效，在生物和医学领域，磁性分离已在细胞分析［4］、免疫检测［5］、固定化酶［6］、靶向药物［7］及亲和分离等诸多领域均展现出重要的应用潜力，因此，发展基于苯硼酸识别受体的磁性功能材料具有十分重要的研究价值与意义。

在以往的报道中，通常是以苯硼酸类化合物作为配体，对相关材料表面进行功能化修饰以达到应用目的，该方法合成过程相对较为复杂，成本较高。本课题组［8］曾利用苯胺及其衍生物易氧化聚合生成聚苯胺类化合物的特点，以m-APBA为功能单体，采用化学氧化聚合法成功制备了聚单氨基苯硼酸纳米纤维，该方法可以简单、直接、快速制得苯硼酸类功能材料，本文将该方法的优势与磁性分离的特点结合起来，在碱性条件下低温缓慢氧化m-APBA得到聚合间氨基苯硼酸纳米粒子，并采用多种手段对其进行了形态、结构、磁学性质表征，该类磁性苯硼酸类功能材料的合成方法国内外尚未见报道。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

1.1.1 仪器

S-3000N型高分辨扫描电子显微镜(日本日立公司);STA/449C同步热分析仪(德国耐驰公司);Bruker D8-Advanced X射线粉末衍射仪(德国布鲁克公司);AVTAR-370傅里叶变换红外光谱仪(美国尼高力公司);MicroMag Model 2900型变梯度磁力仪(美国普林斯顿测量公司)。

1.1.2 试剂

氯化亚铁、三氯化铁、过硫酸铵(天津科密欧化学试剂有限公司，分析纯)，m-APBA(上海晶纯实业有限公司，分析纯)，实验所用其他试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.2 样品制备

1.2.1 Fe3O4磁性纳米粒子的制备

按照摩尔比1∶1.5称取 FeCl2和 FeCl3，溶于100 mL经氮气除氧的蒸馏水中，氮气保护下于50℃水浴中搅拌30 min(1 000 r·min－1)，使之充分混匀。随后加入适量氨水，调整溶液pH至10左右，继续搅拌30 min后，于80℃水浴中静置保温陈化30 min。所得的磁性纳米粒子用0.5%的氨水溶液清洗，再用蒸馏水、无水乙醇各清洗3次以上，最后60℃真空干燥12 h，得到Fe3O4磁性微粒。

1.2.2 磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的制备

按照摩尔比1.5∶1称取m-APBA及上述Fe3O4纳米粒子。先将称好的Fe3O4纳米粒子超声分散于20 mL pH=11的NaOH溶液中，再加入m-APBA，于0—5℃条件下机械搅拌30 min左右后，慢速加入20 mL与m-APBA等摩尔的过硫酸铵溶液，搅拌反应24 h。将反应得到的磁性纳米粒子用磁铁收集，先用大量蒸馏水洗至洗液澄清，然后用适量稀盐酸除去未被包覆的Fe3O4微粒，再依次用水、无水乙醇洗至分散均匀，真空干燥后即得磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子。

1.3 磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的表征

采用AVTAR-360傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测试样品的红外光谱;采用S-3000N扫描电镜(SEM)对样品的形貌进行表征;采用Bruker D8-Advance X射线扫描仪观测样品晶型;采用Netzsch STA449C综合热分析仪在N2氛围内对样品进行热重分析;采用MicroMag Model-2900变梯度磁力仪对样品的磁性进行分析。

2 结果和讨论

2.1 磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的合成机理

磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的合成机理如图1所示。先采用共沉淀法制备Fe3O4磁性纳米粒子，然后将Fe3O4纳米粒子作为磁核，超声分散于间氨基苯硼酸(m-APBA)溶液中，由于m-APBA水溶性较差，加入适量碱可增加其溶解性能，本实验控制初始pH值为11，使得Fe3O4纳米粒子通过静电作用对m-APBA产生吸附作用，吸附达到平衡后，其表面吸附的m-APBA分子在过硫酸铵的氧化作用下发生阳离子自由基聚合反应，最终得到核壳结构的磁性聚合物纳米粒子。在链的增长阶段，反应会产生自动加速效应，并放出大量的热，为了避免暴聚、获得具有结构均均的聚间氨基苯硼酸磁性纳米粒子，实验反应温度用冰浴控制在0—5℃。

图1 磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子合成机理

2.2 磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的形貌

将共沉淀法合成的Fe3O4与磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子喷金处理后，进行扫描电镜测定，结果如图2(a)和(b)所示，从图中可以看出，合成所得的Fe3O4与磁性聚间氨基苯硼酸纳米材料均呈颗粒状结构，由于粒度与磁性的关系，分散性不佳，磁性Fe3O4纳米粒子粒径约为20 nm，与文献报道［9］基本一致，包覆聚合间氨基苯硼酸后，所得聚合物磁性纳米粒子明显增大，粒径约为50 nm。

图2 样品的SEM照片

2.3 磁性聚间氨基苯硼酸的红外光谱

图3 Fe3 O4(a)与磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子(b)的红外光谱图

将共沉淀法合成的Fe3O4与磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子制作KBr压片，测定红外光谱，结果如图3所示。两种磁性纳米粒子的红外图在577.64 cm－1处均出现强的振动吸收峰，对应Fe-O的特征峰，说明两种样品均含有 Fe3O4晶体;在1 600—1 100 cm－1范围内，两者的红外光谱差异明显，Fe3O4的红外光谱图中基本上无吸收峰出现，而磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子出现 1 564 cm－1，1 489 cm－1，1 300 cm－1和 1 127cm－1等四处特征吸收峰，其中1 564 cm－1和1 489 cm－1处的特征峰分别归属为醌环和苯环的 C=C键的伸缩振动峰［10］1 300 cm－1处的特征峰分别为亚芳胺的C-N键的伸缩振动峰，1 127cm－1对应于共轭芳环的C=N伸缩振动，与本研究小组合成的聚间氨基苯硼酸纳米纤维的红外吸收光谱相一致。另外，3 267 cm－1处-OH的强伸缩振动峰也证明了聚合物中B-OH结构的存在;而885.46 cm－1和797.07 cm－1两处的特征峰则说明苯环上的取代为间位取代。以上红外光谱结果表明所得磁性纳米材料表面被聚间氨基苯硼酸所包覆，磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子被成功制备。

2.4 磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的XRD分析

XRD是表征材料晶体结构的一种有效手段，图4比较了空白Fe3O4与磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的X射线衍射光谱。从图中可看出，两者均出现了明显的特征峰(2θ =30.1°，35.5°，43.1°，53.4°，57.0°和 62.6°)，分别对应反尖晶石型 Fe3O4的(220)，(311)，(400)，(422)，(511)以及(440)面的衍射峰，说明所制得的微粒为反尖晶石型的Fe3O4单晶或者其与非晶形态物质的复合产物，包覆聚间氨基苯硼酸后，所得磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子仍保持了Fe3O4的尖晶石结构。

图4 Fe3O4与磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的XRD谱图

2.5 磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的热重分析(TGA)

图5对空白Fe3O4与磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的TGA、DSC(示差扫描量热)等热分析结果进行了比较，结果显示Fe3O4(虚线)呈两步失重特征，200℃之前的第一阶段失重对应于表面吸附的痕量水以及结合水，失重率约为2.35%;250—450℃间的第二阶段失重可能与Fe-OH的脱水缩合有关，失重率约为3.92% 。

与空白Fe3O4相比，磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子表现出明显不同的失重行为，从其TGA和DSC曲线上可以看出，主要呈现三段式的失重特征:第一阶段失重为200℃之前的水分子及小分子的损失，失重率约为2.91%;第二阶段失重为200—550℃之间低聚物的分解与聚苯胺链段的断裂，其失重率约为7%;第三个阶段650℃以上的持续失重，对应聚间氨基苯硼酸的分解，失重率约10%左右。DSC曲线中100℃处的吸热证实第一阶段主要为吸附水的损失，200—550℃之间较大的放热叠加峰，说明低聚物的分解与聚苯胺链段的断裂均为放热反应。

图5 Fe3 O4(a)与磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的TGA(b)与DSC(c)分析

2.6 磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的磁学性能分析

图6为Fe3O4与磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子常温(298 K)下测定得到的磁滞回线。结果表明，两种材料均表现出强顺磁性，Fe3O4的饱和磁化强度为78.25 emu/g，包覆聚间氨基苯硼酸后，所得磁性纳米粒子磁性稍有所降低，其饱和磁化强度为53.31 emu/g，与文献［11］报道的硅胶磁性微球相比，磁性响应优势明显。

图6 Fe3O4与磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子的的磁滞回线

3 结论

笔者首次以m-APBA为功能单体，采用化学氧化法聚合法成功制备了磁性聚间氨基苯硼酸纳米粒子，并使用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)、X射线衍射(XRD)和磁学测量(MPMS)对其进行了结构表征，结果表明该材料为反尖晶石结构的纳米颗粒，平均粒径约为50 nm;并具有良好的顺磁性，饱和磁化强度为53.31 emu/g。该材料可能在生物传感器、分离、分析等领域具有较好的应用潜力。

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