磁性分子印迹聚合物中磁核的制备和表征

杨 帆，付 东，李 鹏，谢 洋，隋 新，黄 波

(黑龙江省科学院 高技术研究院，哈尔滨 150020)

0 引 言

磁性分子印迹聚合物是一种具有优异磁性和高选择性识别能力的新型高分子材料，在外磁场的作用下可以快速地将目标物从溶液中分离，无需繁琐的离心或过滤[1]。由于其选择特异性高，比表面积大、生物相容性好等优点，在生物分离分析、富集与纯化等领域具有很大的应用潜能[2-7]。在磁性分子印迹聚合物的制备过程中，磁核的性能对聚合物的功能起着关键的作用[8]。

近年来，Fe3O4磁性纳米粒子因具有亲水性好、稳定性高、绿色环保等优点被用于多种磁性材料的制备[9-13]。以Fe3O4纳米粒子为磁核而合成的磁性材料在生物、医学等领域的应用发展迅速，例如在新型冠状病毒(COVID-19)的核酸提取检测中，Fe3O4磁性纳米粒子作为一种重要的原材料被广泛使用[14]，然而目前该原材料的高端产品主要依赖于进口，国产的Fe3O4磁性纳米材料仍存在颗粒均一性、重复性差等缺陷[15]。由于Fe3O4磁性纳米颗粒有着自发降低表面能的趋势，易发生团聚，而通过有机分子的修饰对其表面改性可以提高Fe3O4纳米颗粒的性能[16]。Chen H M等[17]通过聚甲基丙烯酸甲酯接枝改性Fe3O4纳米粒子合成了Fe3O4@SiO2@PMMA磁性复合纳米微球，并将其应用于蛋白质的吸附分离。杜迎翔等[18]以羧甲基-β-环基糊精为手性选择剂，制备了核壳型磁性APTES-Fe3O4纳米粒子，成功分离了氧氟沙星和普纳洛尔对映体。Patio-Ropero M J等[19]用乙烯基改性硅烷化Fe3O4作为磁核成功合成了核壳结构的磁性分子印迹聚合物。在磁性分子印迹聚合物结构中，磁核起到磁响应的作用，是影响磁性分子印迹材料磁场分离速度及效果的主要介质，同时还不能对富集目标物产生化学影响与干扰。因此，磁核必须具有小尺寸效应、表面效应、超顺磁性和生物相容性才能满足磁性分子印迹材料的性能要求[20]。

为解决上述问题，首先用溶胶-凝胶共沉淀法制备Fe3O4水基磁性流体；然后以SiO2对Fe3O4纳米粒子进行包覆，通过3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对硅烷化的Fe3O4磁性纳米粒子进行表面改性；最后加入4-甲基丙烯酰氧基偏苯三酸酐(4-META)进一步接枝合成磁性微球，增强磁核的稳定性和分散性的同时，可以对其表面进行功能化接枝修饰，赋予有效的功能基团，为下一步磁性分子印迹聚合反应提供更好的键合作用。同时采用TEM、SEM、 FIRT、XRD和VSM仪器对得到的磁性纳米粒子进行表征。

1 实验部分

1.1 实验试剂

FeCl2·4H2O、FeCl3·6H2O为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；乙氧基化烷基脂肪醇聚氧乙烯醚、硅酸四乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、4-甲基丙烯酰氧基偏苯三酸酐(4-META)、十二烷基磺酸、过硫酸钾钠均为分析纯，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氢氧化钠、甲醇、乙醇、氨水、乙腈、丁腈等溶剂均为分析纯，购自天津市科密欧化学试剂有限公司；明胶、氮气等购自天津市永大化学试剂有限公司。

1.2 实验仪器

JEM-2100透射电子显微镜，日本电子株式会社；SU5000扫描电子显微镜，日立科学仪器有限公司；VSM-250振动样品磁强计，长春英普磁电技术开发有限公司；FTr7600红外光谱仪，天津港东科技股份有限公司；X′Pert3 Po.X射线衍射仪，荷兰帕纳科有限公司；LD600-1电子天平，沈阳龙腾电子有限公司。

1.3 实验方法

Fe3O4水基磁性流体的制备：称取40.0 g NaOH溶于100 mL去离子水中，置于500 mL三颈瓶中，并通入氮气去除氧气。分别称取10.0 g FeCl2·4H2O与20.0 g FeCl3·6H2O，溶于100 mL去离子水后快速混合，滴加到上述三颈瓶中，搅拌加热至85 ℃，反应50 min；用1 mol·L-1的NaOH溶液调节pH值为11；在反应溶液中少量多次加入0.42 g乙氧基化烷基脂肪醇聚氧乙烯醚，氮气保护下恒温持续反应20 min，得到黑色悬浮液；在悬浮液中少量多次加入0.5 g十二烷基磺酸钠，将温度升至90 ℃，反应30 min，得到固含量为6%的Fe3O4水基磁性流体。

Fe3O4@SiO2的制备：量取10 mL Fe3O4水基磁性流体量溶于400 mL体积比为5∶1的乙醇-水溶液中，加入10 mL氨水，室温搅拌20 min，搅拌速度为300 r·min-1；将15 mL硅酸四乙酯加入60 mL乙醇中，混合溶液逐滴加入到上述反应液中，继续室温搅拌5 h，搅拌速度为300 r·min-1；磁性分离出Fe3O4@SiO2纳米粒子，依次用去离子水和甲醇洗涤3次，真空干燥。

APTES-Fe3O4@SiO2的制备：将1.0 g Fe3O4@SiO2加到0.5 mL APTES和60 mL乙醇混合溶液中，60 ℃回流8 h。将反应产物依次用去离子水和甲醇洗涤3次，真空烘干，得到APTES-Fe3O4@SiO2。

APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的制备：将1.5 g明胶溶于50 mL丁腈溶液中，室温搅拌30 min；将1.0 g 4-META加到明胶丁腈混合液中，继续搅拌30 min，用1 mol·L-1的NaOH溶液调至pH=9，加入0.3 g过硫酸钾并升温至70 ℃，恒温反应2.5 h。称取0.2 g APTES-Fe3O4@SiO2于10 mL乙腈溶液中，超声溶解15 min后快速加到上述混合液中，氮气氛围下水浴50 ℃反应24 h得到APTES-Fe3O4@SiO2-4-META磁球。

2 结果与讨论

2.1 透射电子显微镜(TEM)分析

Fe3O4、APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的TEM图像见图1。由图1(a)可见，Fe3O4粒径在12 nm左右；由图1(b)可见，Fe3O4纳米粒子经过SiO2包覆和APTES表面改性后的APTES-Fe3O4@SiO2粒子粒径急速增大，平均粒径约为200 nm，并在磁核周围形成比较均匀的包覆层；由图1(c)可见，接枝4-META后的APTES-Fe3O4@SiO2-4-META粒子的平均粒径则继续增至约330 nm，微球表面相对光滑，并形成了较为完整的核壳体结构。

图1 SEM图像Fig.1 SEM images

2.2 电子扫描显微镜(SEM)分析

电子扫描电镜对Fe3O4、APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的形态表征见图2。由图2(a)可见，Fe3O4纳米粒子呈球状结构且粒子大小基本均一，平均直径约为12 nm；由图2(b)可见，经过APTES修饰的表面硅烷化的 Fe3O4的粒径明显增加，外观呈圆球形，而且粒子之间发生团聚的现象比Fe3O4纳米粒子的程度低；由图2(c)可见，磁球的平均粒径约为200 nm，表明4-META在APTES-Fe3O4@SiO2的表面耦合成功。

图2 TEM图像Fig.2 TEM images

图3 红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum

2.3 傅里叶红外光谱(IR)分析

使用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪对3种磁性粒子进行了表面官能团的表征。Fe3O4、APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的红外光谱见图3。由图3(a)可见，在587 cm-1处的伸缩振动峰为Fe-O键的特征吸收峰，说明成功制备了Fe3O4纳米粒子；由图3(b)、3(c)可见，图中均未出现Fe-O键的特征峰，是因为Fe3O4纳米粒子被包裹在内层，未显现；出现在950 cm-1处和1 580 cm-1处的伸缩振动峰，分别为Si-O-Si键的特征峰和-NH2的特征峰，说明Fe3O4纳米粒子表面被包覆了氨基修饰的二氧化硅层。曲线(c)与(b)相比，在2 720 cm-1处和2 850 cm-1处出现的特征峰所对应的官能团分别为-CHO和-CH2，证明APTES-Fe3O4@SiO2-4-META磁球制备成功。

2.4 X射线衍射(XRD)分析

分别对3种材料进行了X射线衍射实验，Fe3O4、APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的XRD谱图见图4，3种样品在10°～80°区间内，2θ值 为29.90°, 35.55°, 43.23°, 52.78°, 57.17°和62.85°时，分别对应6个相对较强的衍射峰(220), (311), (400), (422), (511)和(440)，符合JCPDS国际中心磁性数据库中Fe3O4的数据(JCPDS卡: Fe3O419-629)[21]。实验结果表明，合成的APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META中Fe3O4的晶体结构未发生改变，其中APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的衍射峰强度略微有所降低，可能是因META修饰后外部包覆层变化引起的。

2.5 磁性能分析(VSM)

使用振动样品磁强计对3种材料的磁学性能进了评估，APTES-Fe3O4@SiO2-4-META和Fe3O4、APTES-Fe3O4@SiO2的磁滞回归线图(磁场范围：±40 000 Oe)见图5。由图5可见，Fe3O4纳米粒子的饱和磁化强度为 45.10 emu·g-1, APTES-Fe3O4@SiO2和APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的饱和磁化强度分别为42.24 emu·g-1和40.12 emu·g-1。测试结果表明，Fe3O4纳米粒子经过修饰和表面改性后的磁性微球的磁感应力有所下降，并随着粒径的增加，包覆层越厚影响越大，这是由于修饰分子的屏蔽效应导致的。3种磁性粒子的磁滞回线均为曲线且通过0点，即均无磁滞现象，无剩磁和矫顽力，说明3种磁性粒子均具有超顺磁性。APTES-Fe3O4@SiO2-4-META的饱和磁化强度有所降低，但仍大于40 emu·g-1，在外加磁场作用下可快速地聚集和分散，满足作为磁性分子印迹材料中的磁核的磁性分离的要求。

图4 XRD谱图Fig. 4 XRD pattern

图5 磁滞回线图Fig.5 Hysteresis loop diagram

3 结 论

采用溶胶-凝胶共沉淀法制备了Fe3O4水基磁性流体，通过4-META和APTES对其硅烷化的纳米粒子进行表面改性，成功制备了APTES-Fe3O4@SiO2-4-META磁性微球，平均粒径330 mm，饱和磁化强度40.12 emu·g-1。合成的磁性微球具有超顺磁性、小尺寸效应和表面效应，更适合进行下一步的生物功能化修饰，可作为磁核用于磁性分子印聚合物中，以连接多种生物功能分子，并获得分离和富集性能更加优异的磁性材料。