第1卷第4期過(guò)程工程學(xué)報(bào)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(guó)科學(xué)院化工冶金研究所分離科學(xué)和工程青年實(shí)驗(yàn)室及生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jié)構(gòu)組成、磁響應(yīng)性、酸堿穩(wěn)定性以及溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了表征.結(jié)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(qiáng)的磁響應(yīng)性.微球被PEG有效功能化，在三相相轉(zhuǎn)移催化和生物技術(shù)領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)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;表征中圖分類號(hào): TQ028.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào): 1009 606X(2001)04- 0382-051前言70年代中期，Rogen 等!]將可溶性相轉(zhuǎn)移催化劑(phase transfer catalyst, PTC)固載到高分子載體上，制得- -類既不溶于水、也不溶于有機(jī)相的固載化聚乙二二醇(PEG)相轉(zhuǎn)移催化劑.由于PEG來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，且穩(wěn)定性好、無(wú)毒性，因此其應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視.磁性高分子微球作為一類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(tuán)，使磁性高分子微球在生物技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)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(bào)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(duì)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(kuò)展其在生物技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用.2試劑與方法.2.1試劑苯乙烯,分析純，北京福星化工廠生產(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;過(guò)氧化苯甲酰(BPO),國(guó)產(chǎn)分析純;四水合氯化亞鐵，分析純，北京雙環(huán)試劑廠;六水合氯化鐵，分析純,北京市朝陽(yáng)區(qū)通惠化工廠;醋酸乙烯酯，化學(xué)純,北京市旭東化工廠;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;二乙烯基苯，化學(xué)純，昆山市連沙助劑廠. .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(xiàn)[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(jī)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(jī)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(yīng)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?cái)嚢? h,使水相混合均勻后，引入磁性油相膠體.維持反應(yīng)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(fù)洗滌數(shù)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(xiàng)目:國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào): 299256171)作者簡(jiǎn)介:姜波(1976-), 男，湖北省武漢市人，碩上研究生，生化工程專業(yè):劉會(huì)洲，通訊聯(lián)系人。中國(guó)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(cè)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(shù)次后,將其轉(zhuǎn)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(yīng)4 h,使醋酸乙烯酯微球上的醋酸基團(tuán)醇解，在磁性微球表面產(chǎn)生可用于功能化的羥基.當(dāng)醇解反應(yīng)完成后，用礅鐵分離出磁性微球，轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)溶液pH約為11.3，在339C及140 r/min 的轉(zhuǎn)速下反應(yīng)24 h,使磁性微球上的羥基得以活化，產(chǎn)生環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)結(jié)束后，用磁鐵將礅性微球分離，轉(zhuǎn)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(yīng)24h,產(chǎn)物經(jīng)磁分離，反復(fù)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(cè)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(cè)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(cè)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顯微鏡觀察反應(yīng)前后微球形貌，并攝相.酸堿穩(wěn)定性測(cè)定:為考察Fe;O4 的包埋效果以及反應(yīng)中的變化及其使用范圍，采用鄰菲蘿啉法!’測(cè)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(wěn)定性分析:采用變溫紅外光譜測(cè)定.PEG含量測(cè)定:用分析紅外光譜相對(duì)峰強(qiáng)度方法測(cè)定固載PEG4000的微球中PEG大致含量.磁響應(yīng)性測(cè)定:參照文獻(xiàn)[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(jì)測(cè)定580 nm波長(zhǎng)下的溶液透光率.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1反應(yīng)前后磁性微球的形貌分析70W PIACPEG將反應(yīng)前后的磁性高分子微球用蒸餾水稀釋-60定倍數(shù)，采用改進(jìn)的Malvem激光粒度分析儀[分析樣品在連接PEG側(cè)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(fù)20出連接前后粒徑大致為正態(tài)分布.隨著PEG側(cè)鏈的10連接，磁性微球的水力學(xué)半徑增加.圖2是反應(yīng)前120 30 4050后的顯微照片，從圖可見(jiàn)，反應(yīng)前磁性微球表面光Partidle size (um)滑，呈現(xiàn)出較好的球形，而與PEG反應(yīng)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(jié)構(gòu)松散，存在許多側(cè)鏈，這可能是反Fig1 Size distribution of the magnetic microspheres應(yīng)中微球表面交聯(lián)被破壞,表面PVA側(cè)鏈伸展,PEG與其較易反應(yīng)而形成的.由于表面PVA側(cè)鏈伸展，導(dǎo)致由激光粒度分析儀所測(cè)定的連接PEG后的磁性微球水力學(xué)半徑增加達(dá)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(cè)鏈后的磁性微球樣品在659C下干燥48 h, KBr 壓片，測(cè)定和比較了它們中國(guó)煤化工MYHCNMHG384過(guò)程工程學(xué)報(bào)1卷.(間) Microphotogruph before PEG grafting(b) Micropholograph ater PEG grating圖2反應(yīng)前后的顯微形貌Fig.2 Pbotographs before and ater grafing reaction (640x)的紅外光譜，結(jié)果如圖3所示，PEG 4000及PEG1000在波數(shù)1100 cm-附近存在一組強(qiáng)吸收峰，對(duì)應(yīng)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(cè)鏈的磁性微球在波數(shù)1100 cm '處存在較強(qiáng)的吸收峰，而在連接PEG側(cè)鏈前的各步反應(yīng)產(chǎn)物中不存在此吸收峰，因此可確證PEG側(cè)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羥基，在550 cm-!處的強(qiáng)吸收峰對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的特征峰.由于PEG與構(gòu)成磁性高分子微球的聚乙烯醇在分子結(jié)構(gòu)上的相似性，無(wú)法通過(guò)滴定在分了鏈中的羥基數(shù)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,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(qiáng)度I o c與高分子母體碳?xì)浞鍙?qiáng)度la之比來(lái)估計(jì)被固載的PEG含量，當(dāng)PEG含量較低時(shí)，添加PEG引起的碳?xì)浞鍙?qiáng)度的增加相對(duì)于高分子母體碳?xì)浞鍙?qiáng)度而言是很小的，當(dāng)PEG含最較高時(shí)此法誤差較大而會(huì)使比值偏低，根據(jù)Ic 。e Ilou對(duì)PEG會(huì)量作圖所得到的工作曲線(圖4),由固載化后的紅外光譜的相對(duì)強(qiáng)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(yīng)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(wěn)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(yīng)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(yīng)用范圍中的酸堿穩(wěn)定性，即FezO4的包埋穩(wěn)定性，選擇了1 mol/L HCI(中國(guó)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(cè)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(jié)果如圖5所示，由圖可以看出，固載PEG側(cè)鏈后的磁性高分子微球在1 mol/L HCI中不穩(wěn)定，F(xiàn)e;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(zhuǎn)化的過(guò)程，微球內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更為親水和松散，所以在強(qiáng)酸性環(huán)境中，鹽酸滲入高分子微球內(nèi)部而將Fe;O4溶解.在pH=2~14范圍磁性微球均較穩(wěn)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(yīng)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(wěn)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(jié)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(wěn)定，因此在其主要應(yīng)用pH范圍內(nèi)，固載PEG的磁性高分子微球磁穩(wěn)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(wěn)定性- -般生物技術(shù)應(yīng)用的溫度不超過(guò)60°C, 因此采用變溫紅外光譜方法測(cè)定了5~60°C范圍固載PEG側(cè)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(nèi)，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(qiáng)度均隨溫度的升高而加強(qiáng)。但在此溫度范圍之內(nèi)，既無(wú)原有特征峰的消失，也無(wú)新官能團(tuán)所對(duì)應(yīng)的特征峰的出現(xiàn)，在主要的生物技術(shù)應(yīng)用溫度范圍之內(nèi)固載PEG的高分子磁性微球的熱穩(wěn)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(yīng)性測(cè)定將微球分散于水溶液中，測(cè)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(dá)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(dá)到約50%，可見(jiàn)高分子微球的磁分離效果十分顯著.中國(guó)煤化工MYHCNMHG386過(guò)程工程學(xué)報(bào)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(jié)論(1)采用懸浮聚合的方法,通過(guò)高分子功能化反應(yīng)，獲得了固載有較高含量的功能化PEG側(cè)鏈的PVA高分子磁性微球.(2) PEG側(cè)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(wěn)定，在5~60°C溫度范圍內(nèi)十分穩(wěn)定，熱穩(wěn)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(yīng)性.參考文獻(xiàn):[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(guó)煤化工MYHCNMHG