可控双亲性硅羟基磁珠Fe3O4@SiO2的制备

林祥华，李家玉

(广东顺德工业设计研究院(广东顺德创新设计研究院)，广东 顺德 528300)

磁珠是一种新型的功能材料，具备磁导向性、高比表面积、生物兼容性等一系列独特且优越的理化性质，可以有效缩短实验时间，是一种新型的高效率的试剂.磁珠内部包含一个磁核，常用的磁核是Fe3O4和γ-Fe2O3，在磁场的存在下能迅速聚集，离开磁场能够均匀分散[1-3].李亚栋等人采用溶剂热法制备Fe3O4磁性内核，采用三氯化铁、乙二醇、醋酸钠和聚乙二醇为原料，在200 ℃高温高压反应8 h以上得到200～800 nm磁性内核[4].但磁珠之间存在的范德华力和磁性引力会导致磁珠大量团聚，同时磁珠还存在稳定性差和容易氧化的缺点.因此，一般采用二氧化硅或高分子对磁珠进行修饰或包裹，能避免磁珠的氧化并保持磁性能、提高磁珠的稳定性和增加其亲水性[5-7].二氧化硅包裹后的磁珠呈现亲水性，通过表面活性剂(如油酸)对水溶性磁珠进行疏水化修饰可以分散在有机溶剂中获得较稳定的磁流体，通过单体聚合(如苯乙烯)获得聚合物复合微球提高磁珠的疏水性[8-10].用油酸和苯乙烯对磁珠进行疏水化修饰，难以精准控制疏水性强弱和疏水性密度，难以做到低疏水性，磁珠的表面特性难以控制.

基于此，笔者以裸磁珠Fe3O4、四乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、氨水、乙醇和水为原料，在25 ℃下反应24 h，可控制备双亲性硅羟基磁珠Fe3O4@SiO2.可控双亲性硅羟基磁珠表面含有大量硅羟基基团，具有优良的亲水性和表面反应活性，也可以进行功能性接枝，生物相容性好，能够分离核酸，或者与蛋白、抗体等生物活性物质偶联.

1 实验过程

反应所需的实验原材料甲基三甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、乙醇和氨水均购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度≥99.0%.水采用Millipore超纯水机过滤，18.2 MΩ·cm.

硅烷修饰剂包括亲水性硅烷修饰剂和疏水性硅烷修饰剂，疏水性硅烷修饰剂采用甲基三甲氧基硅烷，亲水性硅烷修饰剂采用四乙氧基硅烷，改变不同比例的疏水性硅烷修饰剂得到不同的可控双亲性硅羟基磁珠Fe3O4@SiO2.如表1所示，笔者采用4种方案制备可控双亲性硅羟基磁珠Fe3O4@SiO2，实验过程简述如下：

首先称取1 g裸磁珠Fe3O4(按照李亚栋方法自制[4])放入2 000 mL三口烧瓶中，量取8 mL四乙氧基硅烷、0 mL甲基三甲氧基硅烷、10 mL氨水、1 000 mL乙醇和250 mL水加入到三口烧瓶中，超声30 min分散均匀.将三口烧瓶置于25 ℃水浴中加热，以500 r/min的速率机械搅拌24 h，反应结束后，降至室温，得到黑色磁珠悬浮溶液.将上述反应液用强力磁铁吸引后至上清液为无色，弃去上清，黑色沉淀用水和乙醇混合液反复清洗干净，将样品放入干燥箱中70 ℃干燥24 h得到最终样品可控双亲性硅羟基磁珠Fe3O4@SiO2(方案1).

表1 4种实验方案

同理，按照表1改变甲基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷的比例分别得到Fe3O4@SiO2(方案2)、Fe3O4@SiO2(方案3)和Fe3O4@SiO2(方案4).

对可控双亲性硅羟基磁珠Fe3O4@SiO2(方案1)、Fe3O4@SiO2(方案2)、Fe3O4@SiO2(方案3)和Fe3O4@SiO2(方案4)进行透射电镜、比表面积和孔容测试.

2 结果与讨论

(a)方案1电镜图 (b)方案2电镜图 (c)方案3电镜图 (d)方案4电镜图 (e)方案1粒径图 (f)方案2粒径图 (g)方案3粒径图 (h)方案4粒径图

如图1(a～d)所示，磁珠在透射电镜下分布均匀，磁珠表面包裹有一层薄的二氧化硅层，表面粗糙，含有大量硅羟基.对透射电镜的图片进行粒径统计得到粒径分布图，如图1(e)所示，大部分Fe3O4@SiO2(方案1)磁珠的粒径介于330～480 nm之间，中位数为415 nm；如图1(f)所示，大部分Fe3O4@SiO2(方案2)磁珠的粒径介于340～480 nm之间，中位数为410 nm；如图1(g)所示，大部分Fe3O4@SiO2(方案3)磁珠的粒径介于340～460 nm之间，中位数为410 nm；如图1(h)所示，大部分Fe3O4@SiO2(方案4)磁珠的粒径介于340～440 nm之间，中位数为390 nm.由以上可知，4种类型磁珠的粒径差别不大，粒径呈正态分布，单分散性良好.

图2 可控双亲性硅羟基磁珠Fe3O4@SiO2的比表面积和孔容图

如图2所示，Fe3O4@SiO2(方案1)磁珠的比表面积是52.58 m2/g，孔容是12.08 cm3/g，比表面积和孔容都比较大，磁珠表面的硅羟基数目较多，具备亲水性.经5%的疏水性硅烷修饰剂处理后，Fe3O4@SiO2(方案2)磁珠的比表面积(49.37 m2/g)和孔容(11.34 cm3/g)都变小(图2)，磁珠表面的硅羟基密度变小，磁珠表面能降低，减少了团聚风险.经10%的疏水性硅烷修饰剂处理后，Fe3O4@SiO2(方案3)磁珠的比表面积(46.76 m2/g)和孔容(10.74 cm3/g)都继续变小(图2).经15%的疏水性硅烷修饰剂处理后，Fe3O4@SiO2(方案4)磁珠的比表面积(45.73 m2/g)和孔容(10.51 cm3/g)呈最小状态(图2)，通过对方案1、方案2、方案3和方案4制备的磁珠性能比较，随着甲基三甲氧基硅烷的加入比例变大，比表面积和孔容都依次变小，磁珠表面的硅羟基密度变小，磁珠表面能降低.

甲基三甲氧基硅烷等疏水性硅烷修饰剂与四乙氧基硅烷等亲水性硅烷修饰剂结构相似，都能水解交联生成二氧化硅.疏水性硅烷修饰剂的加入不仅使硅羟基磁珠具备碳链等疏水性基团，磁珠部分亲水性表面转变成疏水性表面，成功达到双亲性，同时具备亲水性和疏水性.既具有在水系中的润湿性和悬浮性，又可避免在有机体系中粒子集结和急剧稠化现象.该制备过程简单，原料简单，反应条件温和，能源消耗比较低，容易实现批量生产，且批间差小. 因此，能够通过调节疏水性基团的种类和数量可控调节硅羟基磁珠的表面性能，比如亲水性、疏水性、比表面积、孔容和硅羟基密度等，可以实现硅羟基磁珠的双亲性，获得多功能磁珠，以应对不同的生化应用.不仅可以和细胞、蛋白质、核酸、酶等生物配体发生偶联，在外磁场的作用下实现与待测样品的分离，还可以应用于蛋白质、多肽等疏水性生化物质的富集，也可以用来检测水中微量疏水物质，或者其他工业应用，如除油材料.

3 结论

可控制备了具有一定表面性质、形貌规则和粒径均匀的400 nm可控双亲性硅羟基磁珠Fe3O4@SiO2.随着甲基三甲氧基硅烷的加入比例变大，比表面积和孔容都依次变小，磁珠表面的硅羟基密度变小，磁珠表面能降低，成功实现双亲性.可以根据不同应用对磁珠表面特性进行合理调整，比如亲水性、疏水性、比表面积、孔容和硅羟基密度等，制备可控双亲性硅羟基磁珠，实现不同的功能，在生物、化学领域具有十分美好的前景.