聚乙二醇修飾的高分子磁性微球的合成及表征

第1卷第4期過(guò)程工程學(xué)報Vol.1 No.42001年10月The Chinese Journal of Process Engineering_Oct. 2001聚乙二醇修飾的高分子磁性微球的合成及表征姜波，官月平，主靖，劉會(huì )洲(中國科學(xué)院化工冶金研究所分離科學(xué)和工程青年實(shí)驗室及生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京10080摘要:利用顯微攝相、紅外光譜、激光粒度分析等手段對所合成的聚乙二醇(PEG)修飾的四氧化三鐵/聚乙烯醇(PVA)磁性高分子微球的形貌、結構組成、磁響應性、酸堿穩定性以及溫度穩定性進(jìn)行了表征.結果表明,所合成高分子磁性微球的粒度分布較窄，具有超順磁性和較強的磁響應性.微球被PEG有效功能化，在三相相轉移催化和生物技術(shù)領(lǐng)域中具有良好的應用前最.關(guān)鍵詞:磁性;高分子微球;聚乙二醇修飾;聚乙烯醇;合成;表征中圖分類(lèi)號: TQ028.4文獻標識碼:A文章編號: 1009 606X(2001)04- 0382-051前言70年代中期，Rogen 等!]將可溶性相轉移催化劑(phase transfer catalyst, PTC)固載到高分子載體上，制得- -類(lèi)既不溶于水、也不溶于有機相的固載化聚乙二二醇(PEG)相轉移催化劑.由于PEG來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，且穩定性好、無(wú)毒性，因此其應用越來(lái)越受到人們的重視.磁性高分子微球作為一類(lèi)新型的功能高分子材料，可以在磁場(chǎng)作用下方便、快速、低能耗地得以分離.通過(guò)共聚或表面改性向其中引入羥基、羧基、氨基等功能性基團，使磁性高分子微球在生物技術(shù)領(lǐng)域中的應用愈來(lái)愈受到重視，目前已有許多 關(guān)于磁性高分子微球吸附及分離蛋白質(zhì)的研究報道[-51.在磁性微球表面固載PEG,除了其潛在的催化性能外"，由于PEG身的特性以及對酶的固定化及修飾作用0.刀，可以改善磁性微球的生物相容性，擴展其在生物技術(shù)領(lǐng)域中的應用.2試劑與方法.2.1試劑苯乙烯,分析純，北京福星化工廠(chǎng)生產(chǎn)，使用前除去阻聚劑;聚乙_二醇(PEG)1000, 2000, 4000,日本產(chǎn)進(jìn)口分裝;氫氧化鈉,分析純，北京化I廠(chǎng);過(guò)氧化苯甲酰(BPO),國產(chǎn)分析純;四水合氯化亞鐵，分析純，北京雙環(huán)試劑廠(chǎng);六水合氯化鐵，分析純,北京市朝陽(yáng)區通惠化工廠(chǎng);醋酸乙烯酯，化學(xué)純,北京市旭東化工廠(chǎng);環(huán)氧氯丙烷,分析純,天津市化學(xué)試劑六;二甲基甲酰胺，分析純，北京化T廠(chǎng);二乙烯基苯，化學(xué)純，昆山市連沙助劑廠(chǎng). .2.2固載PEG的磁性微球的合成2.2.1四氧化三鐵/PVAc礅性微球的合成將35 g自制的磁凝體(d= 8nm，按文獻[8]制備,其中四氧化三鐵含量約15 g)溶入100 ml醋酸乙烯酯及10 ml二乙烯基苯所組成的有機相中，充分振蕩混合，并加入熱敏性引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰，使磁凝體與引發(fā)劑完全混溶于有機相中，制得油相磁性膠體.在一-個(gè)帶垂直擋流板的2L圓柱型攪拌式反應器中加入1000 ml蒸餾水，分別加入適量的PVA124和PVA1750作為懸浮聚合的分散劑.在60°C下恒溫攪拌1 h,使水相混合均勻后，引入磁性油相膠體.維持反應在759C進(jìn)行4h,隨后升溫到90°C熟化3h,使微球固化.冷卻后，產(chǎn)物用磁鐵沉降分離并用水反復洗滌數次，再用甲醇洗滌3次后自然揮干備用.收稿日期: 200090 08，慘回日期: 2000-12-05基金項目:國家杰出青年科學(xué)基金資助項目(編號: 299256171)作者簡(jiǎn)介:姜波(1976-), 男，湖北省武漢市人，碩上研究生，生化工程專(zhuān)業(yè):劉會(huì )洲，通訊聯(lián)系人。中國煤化工MYHCNMHG4期姜波等:聚乙二醇修飾的高分子磁性微球的合成及表征3832.2.2 PEG 側鏈的固載化取干燥后的Fe;O4/PVA磁性微球10 g,用甲醇洗滌數次后,將其轉移到含有200ml甲醇、5g氫氧化鈉、3 ml蒸餾水的圓底三口瓶中，略加攪拌, 50°C 下恒溫反應4 h,使醋酸乙烯酯微球上的醋酸基團醇解，在磁性微球表面產(chǎn)生可用于功能化的羥基.當醇解反應完成后，用礅鐵分離出磁性微球，轉移至100 ml錐瓶中，加入環(huán)氧氯丙烷20 ml和等量蒸餾水，用氫氧化鈉調節溶液pH約為11.3，在339C及140 r/min 的轉速下反應24 h,使磁性微球上的羥基得以活化，產(chǎn)生環(huán)氧基團反應結束后，用磁鐵將礅性微球分離，轉移 至含有適量不同分子量PEG(主要用PEG 4000表征)的30 ml二甲基甲酰胺的錐瓶中，在磁力攪拌下，于859C反應24h,產(chǎn)物經(jīng)磁分離，反復用水洗滌后干燥備用.2.3 PEG 修飾的高分子磁性微球的表征紅外光譜:將固載PEG 4000側鏈后的磁性微球樣品在65°C下千燥48 h, KBr壓片,用BrukerVector 22型紅外光譜儀測定和比較固載前后的紅外光譜.粒度分析:固載PEG 4000及未固載PEG的樣晶經(jīng)適度稀釋之后，用Malvem激光粒度儀分析測定磁性微球固載前后的粒度分布以及平均粒徑.顯微攝相:固載PEG 4000及未固載PEG的樣品經(jīng)適度稀釋之后，用Nikon顯微鏡觀(guān)察反應前后微球形貌，并攝相.酸堿穩定性測定:為考察Fe;O4 的包埋效果以及反應中的變化及其使用范圍，采用鄰菲蘿啉法!’測定了固載PEG后的磁性微球在不同pH溶液中鐵離子濃度隨時(shí)間的變化.熱穩定性分析:采用變溫紅外光譜測定.PEG含量測定:用分析紅外光譜相對峰強度方法測定固載PEG4000的微球中PEG大致含量.磁響應性測定:參照文獻[10]的方法， 取0.1 g固載PEG的磁性微球分散于10 ml水中(10 ml刻度試管中)，經(jīng)由表面3500 Gs的磁分離或自然沉降一定時(shí)間后， 取離液面1/2高度處溶液，用721型分光光度計測定580 nm波長(cháng)下的溶液透光率.3實(shí)驗結果與討論3.1反應前后磁性微球的形貌分析70W PIACPEG將反應前后的磁性高分子微球用蒸餾水稀釋-60定倍數，采用改進(jìn)的Malvem激光粒度分析儀[分析樣品在連接PEG側鏈前后的水力學(xué)半徑的變化30及粒度分布.圖1是磁性微球的粒徑分布，可以看復20出連接前后粒徑大致為正態(tài)分布.隨著(zhù)PEG側鏈的10連接，磁性微球的水力學(xué)半徑增加.圖2是反應前120 30 4050后的顯微照片，從圖可見(jiàn)，反應前磁性微球表面光Partidle size (um)滑，呈現出較好的球形，而與PEG反應后的磁性微圖1磁性微球的粒徑分布及分布擬合球，其邊緣結構松散，存在許多側鏈，這可能是反Fig1 Size distribution of the magnetic microspheres應中微球表面交聯(lián)被破壞,表面PVA側鏈伸展,PEG與其較易反應而形成的.由于表面PVA側鏈伸展，導致由激光粒度分析儀所測定的連接PEG后的磁性微球水力學(xué)半徑增加達1 um以上,平均粒徑由22.26 um增加到23.41 um.3.2紅外光譜分析將固載PEG 40000側鏈后的磁性微球樣品在659C下干燥48 h, KBr 壓片，測定和比較了它們中國煤化工MYHCNMHG384過(guò)程工程學(xué)報1卷.(間) Microphotogruph before PEG grafting(b) Micropholograph ater PEG grating圖2反應前后的顯微形貌Fig.2 Pbotographs before and ater grafing reaction (640x)的紅外光譜，結果如圖3所示，PEG 4000及PEG1000在波數1100 cm-附近存在一組強吸收峰，對應于PEG分子中的C-0一C鍵的伸縮振動(dòng)，可用作鑒定PEG存在的特征峰位用于確定PEG是否已成功地固載到磁性微球上1121.山圖可見(jiàn)，固載PEG側鏈的磁性微球在波數1100 cm '處存在較強的吸收峰，而在連接PEG側鏈前的各步反應產(chǎn)物中不存在此吸收峰，因此可確證PEG側鏈已經(jīng)有效固載由譜圖可見(jiàn)，磁性高分子微球中仍然存在著(zhù)羥基，在550 cm-!處的強吸收峰對應為Fe;O4的特征峰，在1600 cm '處的吸收峰則是交聯(lián)劑二乙烯基苯中苯環(huán)結構所對應的特征峰.由于PEG與構成磁性高分子微球的聚乙烯醇在分子結構上的相似性，無(wú)法通過(guò)滴定在分了鏈中的羥基數來(lái)確定PEG的含量由于在紅外光譜中PEG分子的C- - 0一C鍵的伸縮振動(dòng)十分顯著(zhù),而PVA中則不存在C- O-C鍵的仲縮振動(dòng)，因此采用C一0一C鍵伸縮振動(dòng)的峰強度I o c與高分子母體碳氫峰強度la之比來(lái)估計被固載的PEG含量，當PEG含量較低時(shí)，添加PEG引起的碳氫峰強度的增加相對于高分子母體碳氫峰強度而言是很小的，當PEG含最較高時(shí)此法誤差較大而會(huì )使比值偏低，根據Ic 。e Ilou對PEG會(huì )量作圖所得到的工作曲線(xiàn)(圖4),由固載化后的紅外光譜的相對強度可求出固載PEG會(huì )量約為190 mg'g0.7PEGpoak0.8-(a) IR spectra afer grafting with PEG10000.4-(b) IR spectra after grafting with PEG40000.3-(c) IR spectra after reaction with epichlorohydrin(d) IR spectra ofPVA magnetic microphere圖3固載PEG反應前后的IR圖400 3500 3000 2500 2000 1500 1000 600Fig.3 IR spectra ofPEG/PVA/Fe2O and PVAWavenumber (cm )3.3磁性微球的酸堿穩定性固載化PEG作為三相催化劑時(shí)，其使用條件主要為做性，磁性微球在生物技術(shù)領(lǐng)域中的應用主要集中在弱酸性環(huán)境到弱堿性環(huán)境為考察固載PEG后的磁性微球在其主要應用范圍中的酸堿穩定性，即FezO4的包埋穩定性，選擇了1 mol/L HCI(中國煤化工=2), H2O(pH=), 0.01mol/L NaOH(pH=12), 1 mol/L NaOH(pH=14)共5種HCN MH G干重為300 mg的固載PEG側鏈后的磁性高分子微球浸沒(méi)于40 ml溶液中時(shí)，溶液中鐵離子含最隨時(shí)間的變化,結果如圖5所示，由圖可以看出，固載PEG側鏈后的磁性高分子微球在1 mol/L HCI中不穩定，Fe;O4很快幾乎全部被溶解，這主要是由于固載化PEG時(shí)，高分子微球在羥基化過(guò)程中經(jīng)歷了一一個(gè)由疏水4期姜波等:聚乙二醇修飾的高分了磁性微球的合成及表征385表面向親水表面轉化的過(guò)程，微球內部結構變得更為親水和松散，所以在強酸性環(huán)境中，鹽酸滲入高分子微球內部而將Fe;O4溶解.在pH=2~14范圍磁性微球均較穩定.在pH=2的鹽酸溶液中，開(kāi)始時(shí)有部分Fe;O4溶解，這主要是反應時(shí)高分子表面Fe;O4的包埋程度下降所致，在48 h后溶液中的鐵離子含量趨于穩定(圖5),尚不及1 mol/L HCI溶液中的鐵離子濃度的1%，與官月平等1的研究結果相符.在中性水溶液中，幾乎不存在FegO4的泄露，在堿性環(huán)境下，磁性微球也十分穩定，因此在其主要應用pH范圍內，固載PEG的磁性高分子微球磁穩定性很好._0.0!盛0.I」40言0.0葉0.0.0.1.20.30204060801PEG concentatinTime (例圖4Ic_。con與PEG 4000含量的關(guān)系圖5溶液中Fe濃度隨時(shí)間的變化Fig.4Ic- a IlIan vs. PEG4000 concentationFig.S Change of Fe ion concentration in solution with time3. 4磁性微球的熱穩定性- -般生物技術(shù)應用的溫度不超過(guò)60°C, 因此采用變溫紅外光譜方法測定了5~60°C范圍固載PEG側鏈的磁性高分子微球的紅外光譜隨溫度的變化,如圖6所示.由圉可見(jiàn)，在5~ 60°C范圍內，固載PEG的磁性高分子微球的紅外光譜中PEG分子中的C--0一C鍵的伸縮振動(dòng)、高分子主體CH2峰強度均隨溫度的升高而加強。但在此溫度范圍之內，既無(wú)原有特征峰的消失，也無(wú)新官能團所對應的特征峰的出現，在主要的生物技術(shù)應用溫度范圍之內固載PEG的高分子磁性微球的熱穩定性良好.PEGC- o- c maynneie sreching vo ton.0-oc”|591300 1200 1100 1000 900 8003100300029002800Wavenumber (cm )Wevenumber (com )(a)C-0-C band(b)C- H band圖6高分子磁性微球的紅外變溫譜圖Fig,6 IR spectra of the magpetic micropheres at dfferent temperatures3.5高分子微球的磁響應性測定將微球分散于水溶液中，測定在有或無(wú)外界磁場(chǎng)的作用下、經(jīng)過(guò)不同的磁分離時(shí)間或自由沉降時(shí)間后溶液透光率的變化，如圖7所示.由圖7(a)可知，固載PEG的高分子磁性微球僅經(jīng)10 min磁分離后，溶液透光率可超過(guò)90%，基本達到完全分離;而無(wú)磁場(chǎng)時(shí)即使自然沉降2h,溶液透光率也只能達到約50%，可見(jiàn)高分子微球的磁分離效果十分顯著(zhù).中國煤化工MYHCNMHG386過(guò)程工程學(xué)報1卷00 -50t4C32(F 10(a) Magnetc separation(b)Depsion100200300400500 600020406080100120Tme()Time (min)圖7磁分離或自由沉降中透光率與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Trasitance time curves of the suspension of PEG modified magnetic microspheres4結論(1)采用懸浮聚合的方法,通過(guò)高分子功能化反應，獲得了固載有較高含量的功能化PEG側鏈的PVA高分子磁性微球.(2) PEG側鏈可以有效固載，PEG400 固載量約為190 mg/g,高分子微球具有較好的形貌和粒度分布:高分子磁性微球在pH=2~14范圍中均較穩定，在5~60°C溫度范圍內十分穩定，熱穩定性能良好:由于Fe;O4的存在，使得合成的高分子微球具有良好的磁響應性.參考文獻:[1] Rogen s L, Dulak L. 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Metall, CAS, Beiing 10080 China)Abstract: PEG-modified FezO/PVA magnetic polymer micropheres were synthesized and characterized bymicrophotograpby, laser difaction particle analysis, FT-IR spectroscopy etc. The results indicate that the size ofmicropheres preseats a Gaussian distribution, and PEG could be inmobilized 10 PVA magnetic microspheres. Themagnetic polymer microspheres are stable in a wide range of pH and temperature. The contents of PEG and FezO4were about 190 mg/g and 100 mg/g in the microspheres respectively. These properties make the microspherespromising in pplications in the field of catalysis and biotechnology.Key words: magnetim; polymer microsphere; PVA; PEG modification; synthesis; characterization中國煤化工MYHCNMHG