聚乙二醇修饰的高分子磁性微球的合成及表征

第1卷第4期过程工程学报Vol.1 No.42001年10月The Chinese Journal of Process Engineering_Oct. 2001聚乙二醇修饰的高分子磁性微球的合成及表征姜波，官月平，主靖，刘会洲(中国科学院化工冶金研究所分离科学和工程青年实验室及生化工程国家重点实验室,北京10080摘要:利用显微摄相、红外光谱、激光粒度分析等手段对所合成的聚乙二醇(PEG)修饰的四氧化三铁/聚乙烯醇(PVA)磁性高分子微球的形貌、结构组成、磁响应性、酸碱稳定性以及温度稳定性进行了表征.结果表明,所合成高分子磁性微球的粒度分布较窄，具有超顺磁性和较强的磁响应性.微球被PEG有效功能化，在三相相转移催化和生物技术领域中具有良好的应用前最.关键词:磁性;高分子微球;聚乙二醇修饰;聚乙烯醇;合成;表征中图分类号: TQ028.4文献标识码:A文章编号: 1009 606X(2001)04- 0382-051前言70年代中期，Rogen 等!]将可溶性相转移催化剂(phase transfer catalyst, PTC)固载到高分子载体上，制得- -类既不溶于水、也不溶于有机相的固载化聚乙二二醇(PEG)相转移催化剂.由于PEG来源丰富，价格低廉，且稳定性好、无毒性，因此其应用越来越受到人们的重视.磁性高分子微球作为一类新型的功能高分子材料，可以在磁场作用下方便、快速、低能耗地得以分离.通过共聚或表面改性向其中引入羟基、羧基、氨基等功能性基团，使磁性高分子微球在生物技术领域中的应用愈来愈受到重视，目前已有许多 关于磁性高分子微球吸附及分离蛋白质的研究报道[-51.在磁性微球表面固载PEG,除了其潜在的催化性能外"，由于PEG身的特性以及对酶的固定化及修饰作用0.刀，可以改善磁性微球的生物相容性，扩展其在生物技术领域中的应用.2试剂与方法.2.1试剂苯乙烯,分析纯，北京福星化工厂生产，使用前除去阻聚剂;聚乙_二醇(PEG)1000, 2000, 4000,日本产进口分装;氢氧化钠,分析纯，北京化I厂;过氧化苯甲酰(BPO),国产分析纯;四水合氯化亚铁，分析纯，北京双环试剂厂;六水合氯化铁，分析纯,北京市朝阳区通惠化工厂;醋酸乙烯酯，化学纯,北京市旭东化工厂;环氧氯丙烷,分析纯,天津市化学试剂六;二甲基甲酰胺，分析纯，北京化T厂;二乙烯基苯，化学纯，昆山市连沙助剂厂. .2.2固载PEG的磁性微球的合成2.2.1四氧化三铁/PVAc礅性微球的合成将35 g自制的磁凝体(d= 8nm，按文献[8]制备,其中四氧化三铁含量约15 g)溶入100 ml醋酸乙烯酯及10 ml二乙烯基苯所组成的有机相中，充分振荡混合，并加入热敏性引发剂过氧化苯甲酰，使磁凝体与引发剂完全混溶于有机相中，制得油相磁性胶体.在一-个带垂直挡流板的2L圆柱型搅拌式反应器中加入1000 ml蒸馏水，分别加入适量的PVA124和PVA1750作为悬浮聚合的分散剂.在60°C下恒温搅拌1 h,使水相混合均匀后，引入磁性油相胶体.维持反应在759C进行4h,随后升温到90°C熟化3h,使微球固化.冷却后，产物用磁铁沉降分离并用水反复洗涤数次，再用甲醇洗涤3次后自然挥干备用.收稿日期: 200090 08，慘回日期: 2000-12-05基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(编号: 299256171)作者简介:姜波(1976-), 男，湖北省武汉市人，硕上研究生，生化工程专业:刘会洲，通讯联系人。中国煤化工MYHCNMHG4期姜波等:聚乙二醇修饰的高分子磁性微球的合成及表征3832.2.2 PEG 侧链的固载化取干燥后的Fe;O4/PVA磁性微球10 g,用甲醇洗涤数次后,将其转移到含有200ml甲醇、5g氢氧化钠、3 ml蒸馏水的圆底三口瓶中，略加搅拌, 50°C 下恒温反应4 h,使醋酸乙烯酯微球上的醋酸基团醇解，在磁性微球表面产生可用于功能化的羟基.当醇解反应完成后，用礅铁分离出磁性微球，转移至100 ml锥瓶中，加入环氧氯丙烷20 ml和等量蒸馏水，用氢氧化钠调节溶液pH约为11.3，在339C及140 r/min 的转速下反应24 h,使磁性微球上的羟基得以活化，产生环氧基团反应结束后，用磁铁将礅性微球分离，转移 至含有适量不同分子量PEG(主要用PEG 4000表征)的30 ml二甲基甲酰胺的锥瓶中，在磁力搅拌下，于859C反应24h,产物经磁分离，反复用水洗涤后干燥备用.2.3 PEG 修饰的高分子磁性微球的表征红外光谱:将固载PEG 4000侧链后的磁性微球样品在65°C下千燥48 h, KBr压片,用BrukerVector 22型红外光谱仪测定和比较固载前后的红外光谱.粒度分析:固载PEG 4000及未固载PEG的样晶经适度稀释之后，用Malvem激光粒度仪分析测定磁性微球固载前后的粒度分布以及平均粒径.显微摄相:固载PEG 4000及未固载PEG的样品经适度稀释之后，用Nikon显微镜观察反应前后微球形貌，并摄相.酸碱稳定性测定:为考察Fe;O4 的包埋效果以及反应中的变化及其使用范围，采用邻菲萝啉法!’测定了固载PEG后的磁性微球在不同pH溶液中铁离子浓度随时间的变化.热稳定性分析:采用变温红外光谱测定.PEG含量测定:用分析红外光谱相对峰强度方法测定固载PEG4000的微球中PEG大致含量.磁响应性测定:参照文献[10]的方法， 取0.1 g固载PEG的磁性微球分散于10 ml水中(10 ml刻度试管中)，经由表面3500 Gs的磁分离或自然沉降一定时间后， 取离液面1/2高度处溶液，用721型分光光度计测定580 nm波长下的溶液透光率.3实验结果与讨论3.1反应前后磁性微球的形貌分析70W PIACPEG将反应前后的磁性高分子微球用蒸馏水稀释-60定倍数，采用改进的Malvem激光粒度分析仪[分析样品在连接PEG侧链前后的水力学半径的变化30及粒度分布.图1是磁性微球的粒径分布，可以看复20出连接前后粒径大致为正态分布.随着PEG侧链的10连接，磁性微球的水力学半径增加.图2是反应前120 30 4050后的显微照片，从图可见，反应前磁性微球表面光Partidle size (um)滑，呈现出较好的球形，而与PEG反应后的磁性微图1磁性微球的粒径分布及分布拟合球，其边缘结构松散，存在许多侧链，这可能是反Fig1 Size distribution of the magnetic microspheres应中微球表面交联被破坏,表面PVA侧链伸展,PEG与其较易反应而形成的.由于表面PVA侧链伸展，导致由激光粒度分析仪所测定的连接PEG后的磁性微球水力学半径增加达1 um以上,平均粒径由22.26 um增加到23.41 um.3.2红外光谱分析将固载PEG 40000侧链后的磁性微球样品在659C下干燥48 h, KBr 压片，测定和比较了它们中国煤化工MYHCNMHG384过程工程学报1卷.(间) Microphotogruph before PEG grafting(b) Micropholograph ater PEG grating图2反应前后的显微形貌Fig.2 Pbotographs before and ater grafing reaction (640x)的红外光谱，结果如图3所示，PEG 4000及PEG1000在波数1100 cm-附近存在一组强吸收峰，对应于PEG分子中的C-0一C键的伸缩振动，可用作鉴定PEG存在的特征峰位用于确定PEG是否已成功地固载到磁性微球上1121.山图可见，固载PEG侧链的磁性微球在波数1100 cm '处存在较强的吸收峰，而在连接PEG侧链前的各步反应产物中不存在此吸收峰，因此可确证PEG侧链已经有效固载由谱图可见，磁性高分子微球中仍然存在着羟基，在550 cm-!处的强吸收峰对应为Fe;O4的特征峰，在1600 cm '处的吸收峰则是交联剂二乙烯基苯中苯环结构所对应的特征峰.由于PEG与构成磁性高分子微球的聚乙烯醇在分子结构上的相似性，无法通过滴定在分了链中的羟基数来确定PEG的含量由于在红外光谱中PEG分子的C- - 0一C键的伸缩振动十分显著,而PVA中则不存在C- O-C键的仲缩振动，因此采用C一0一C键伸缩振动的峰强度I o c与高分子母体碳氢峰强度la之比来估计被固载的PEG含量，当PEG含量较低时，添加PEG引起的碳氢峰强度的增加相对于高分子母体碳氢峰强度而言是很小的，当PEG含最较高时此法误差较大而会使比值偏低，根据Ic 。e Ilou对PEG會量作图所得到的工作曲线(图4),由固载化后的红外光谱的相对强度可求出固载PEG會量约为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图3固载PEG反应前后的IR图400 3500 3000 2500 2000 1500 1000 600Fig.3 IR spectra ofPEG/PVA/Fe2O and PVAWavenumber (cm )3.3磁性微球的酸碱稳定性固载化PEG作为三相催化剂时，其使用条件主要为做性，磁性微球在生物技术领域中的应用主要集中在弱酸性环境到弱碱性环境为考察固载PEG后的磁性微球在其主要应用范围中的酸碱稳定性，即FezO4的包埋稳定性，选择了1 mol/L HCI(中国煤化工=2), H2O(pH=), 0.01mol/L NaOH(pH=12), 1 mol/L NaOH(pH=14)共5种HCN MH G干重为300 mg的固载PEG侧链后的磁性高分子微球浸没于40 ml溶液中时，溶液中铁离子含最随时间的变化,结果如图5所示，由图可以看出，固载PEG侧链后的磁性高分子微球在1 mol/L HCI中不稳定，Fe;O4很快几乎全部被溶解，这主要是由于固载化PEG时，高分子微球在羟基化过程中经历了一一个由疏水4期姜波等:聚乙二醇修饰的高分了磁性微球的合成及表征385表面向亲水表面转化的过程，微球内部结构变得更为亲水和松散，所以在强酸性环境中，盐酸渗入高分子微球内部而将Fe;O4溶解.在pH=2~14范围磁性微球均较稳定.在pH=2的盐酸溶液中，开始时有部分Fe;O4溶解，这主要是反应时高分子表面Fe;O4的包埋程度下降所致，在48 h后溶液中的铁离子含量趋于稳定(图5),尚不及1 mol/L HCI溶液中的铁离子浓度的1%，与官月平等1的研究结果相符.在中性水溶液中，几乎不存在FegO4的泄露，在碱性环境下，磁性微球也十分稳定，因此在其主要应用pH范围内，固载PEG的磁性高分子微球磁稳定性很好._0.0!盛0.I」40言0.0叶0.0.0.1.20.30204060801PEG concentatinTime (例图4Ic_。con与PEG 4000含量的关系图5溶液中Fe浓度随时间的变化Fig.4Ic- a IlIan vs. PEG4000 concentationFig.S Change of Fe ion concentration in solution with time3. 4磁性微球的热稳定性- -般生物技术应用的温度不超过60°C, 因此采用变温红外光谱方法测定了5~60°C范围固载PEG侧链的磁性高分子微球的红外光谱随温度的变化,如图6所示.由圉可见，在5~ 60°C范围内，固载PEG的磁性高分子微球的红外光谱中PEG分子中的C--0一C键的伸缩振动、高分子主体CH2峰强度均随温度的升高而加强。但在此温度范围之内，既无原有特征峰的消失，也无新官能团所对应的特征峰的出现，在主要的生物技术应用温度范围之内固载PEG的高分子磁性微球的热稳定性良好.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图6高分子磁性微球的红外变温谱图Fig,6 IR spectra of the magpetic micropheres at dfferent temperatures3.5高分子微球的磁响应性测定将微球分散于水溶液中，测定在有或无外界磁场的作用下、经过不同的磁分离时间或自由沉降时间后溶液透光率的变化，如图7所示.由图7(a)可知，固载PEG的高分子磁性微球仅经10 min磁分离后，溶液透光率可超过90%，基本达到完全分离;而无磁场时即使自然沉降2h,溶液透光率也只能达到约50%，可见高分子微球的磁分离效果十分显著.中国煤化工MYHCNMHG386过程工程学报1卷00 -50t4C32(F 10(a) Magnetc separation(b)Depsion100200300400500 600020406080100120Tme()Time (min)图7磁分离或自由沉降中透光率与时间的关系Fig.7 Trasitance time curves of the suspension of PEG modified magnetic microspheres4结论(1)采用悬浮聚合的方法,通过高分子功能化反应，获得了固载有较高含量的功能化PEG侧链的PVA高分子磁性微球.(2) PEG侧链可以有效固载，PEG400 固载量约为190 mg/g,高分子微球具有较好的形貌和粒度分布:高分子磁性微球在pH=2~14范围中均较稳定，在5~60°C温度范围内十分稳定，热稳定性能良好:由于Fe;O4的存在，使得合成的高分子微球具有良好的磁响应性.参考文献:[1] Rogen s L, Dulak L. 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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中国煤化工MYHCNMHG