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Fe3O4@SiO2@PMMA纳米微球合成及其应用

纳米磁性材料不仅具有磁性材料的特性还具有纳米材料特有的尺寸效应、表面效应和体积效应以及一些生物特性。近年来，纳米磁性材料因其特性，备受关注，其在药物运载以及细胞分离等方面具有广阔的应用前景。与数据库联用的基质辅助的激光解吸/离子化质谱（MALDI-ToF MS）用以标记多肽图谱是近年最常用的生物体蛋白质分析方法。尽管时间质谱对于微量的蛋白质或者多肽具有很灵敏的响应，但是这并不能满足实际分析测试的要求，因为这些蛋白质/多肽不仅仅是浓度很低，其质谱信号很容易受到外界干扰，在制备样品过程中痕量的污染也会造成很大的误差。磁性纳米材料是近来发展起来的一种用于标记待测蛋白质的新材料。因为其强大的磁性性质可以被用来于标靶蛋白质结合并实现其与主体溶液的分离纳米磁性材料目前主要被应用于富集痕量蛋白质/多肽。例如，C8改性的纳米磁性粒子，目前已经被应用于多肽的富集于分离。目前已经合成除了具有高度有序的介孔结构的磁性硅胶纳米微球，并利用其于尺寸选择性用于分离生物体蛋白质。尽管在使用磁性纳米粒子富集生物蛋白/多肽的领域已经取得了一些成就，但是设计合成具有特定孔结构、表面结构的具有一定功能的磁性纳米粒子仍然是目前的一个研究热点。
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是在工业上很经常用到的一种聚合物材料。近来的研究表明PMMA具有很好的生物相容性，可以吸附很多蛋白质/多肽，这以性质可以被用于蛋白质/多肽的富集。所以，合成表面用PMMA修饰的磁性纳米粒子是开发快速富集蛋白质/多肽材料的一个热门方向。本文将介绍一种双层核壳结构的磁性纳米粒子Fe3O4@SiO2@PMMA。利用溶液-凝胶和水相自由基聚合的方法合成的这种纳米粒子可以被用于蛋白质的质谱分析。
具体的合成过程为（图1），首先，利用溶液-凝胶合成具有核壳结构的Fe2O4@SiO2纳米微球，在Fe3O4微球上附着一层无定型太的SiO2。然后用3 - 甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）修饰Fe2O4@SiO2纳米微球表面。MPS是一种可聚合的硅烷偶联剂。最后再用制得的Fe3O4@SiO2-MPS纳米微球与甲基丙烯酸甲酯（MMA）进行水相自由基聚合从而得到Fe3O4@SiO2@PMMA这一具有双层核壳结构的磁性纳米微球。

图一
由于Fe3O4@SiO2@PMMA纳米微球具有强磁性核心以及可PMMA这一有机疏水外壳可与蛋白质/多肽发生吸附，其可以被应用于蛋白质的快速磁性分离以及富集过程。事实上Fe3O4@SiO2@PMMA纳米微球所具有的某些特性对于蛋白质的质谱分析具有很大的意义。
Fe3O4纳米微球的TEM照片显示其具有球形的外形，平均直径为170纳米左右（图二a）。高分辨率TEM照片显示了每个磁性纳米微球还有许多更小的微球组成（图二b）。Fe3O4@SiO2的TEM照片显示了黑色的Fe3O4微球核心外部附着了一层厚度为35nm的灰色的SiO2外壳（图三）。Fe3O4@SiO2@PMMA的TEM照片显示了Fe3O4@SiO2@PMMA纳米微球具有很好的分散度，其平均直径为270nm（图四）。

图二

图三 图四
SEM照片表明Fe3O4@SiO2微球具有很好的球形外形，其平均直径为240nm（图五a）。当聚合了PMMA后得到的Fe3O4@SiO2@PMMA微球的直径略微的变大（图五b），外形也有一些不规则的变化趋势。

图五
值得注意的是，在整个合成过程中，在Fe3O4表面覆盖一层SiO2是很有必要的，因为SiO2涂层可以使其在使用有机硅烷修饰磁性核心时更加容易与有效，同时在Fe3O4@SiO2@PMMA微球的实际应用中可以起到保护磁性Fe3O4核心的作用。粒子的磁性特征在300K条件下使用超导量子干涉仪（SQUID）测量。Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@PMMA的磁化值（magnetization values）分别为49.5和36.7 emug-1。由于纳米粒子的尺寸效应，两种粒子都表现出了超顺磁性质（图六）。Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@PMMA粒子悬浊液的稳定性很好，在静置8h后没有发生明显的聚沉。这是因为纳米微粒都带是电负性的，由于电荷互斥从而使悬浊液稳定。这一稳定的分散特性使其具有很高的吸附表面积。而另一方面来说，由于具有很高的顺磁性的核心，这些粒子在外加磁场的作用下又可以很迅速的从其分散液中分离出来。这两方面的性质使这一纳米粒子可以用于蛋白质的快速富集于分离。

图六 a）Fe3O4@SiO2；b）Fe3O4@SiO2@PMMA

使用Fe3O4@SiO2@PMMA微球分离蛋白质有一下几个方面的优势：
1） 最主要的优点在于Fe3O4@SiO2@PMMA微球可以有效的吸附富集多肽和蛋白质，这些被吸附在微球上的目标物质可以被直接用于质谱分析而不受任何干扰。
2） 第二个优点在于这一快速吸附富集过程不需要经过反复的超速离心，只需要外加一定强度的磁场即可。纳米微球的Fe3O4核心使微球具有很好的顺磁性，当靶蛋白被纳米微球吸附后，在磁场的作用下，蛋白质-微球配合物可以在0.5min内完成聚沉，从而实现蛋白质的快速分离。
3） 第三个优点在于这一以Fe3O4@SiO2@PMMA微球为媒介的多肽/蛋白质富集过程可以避免无机盐类的富集，从而减少了后续质谱分析时的干扰。
总的来说，本文介绍了利用溶液-凝胶以及水相自由基聚合的方法合成具有双层核壳结构的Fe3O4@SiO2@PMMA纳米微球。这一纳米微球具有磁性核心、有机疏水外壳以及很好的水相分散性质。可以被用于蛋白质的快速富集与分离。另一方面，通过这种纳米微球的设计与合成过程可以看到，使用不同的磁性核心于有机聚合物外壳可以合成不同的纳米微球用于生物蛋白分离。

参考文献
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存档日期： 存档编号:

北京化工大学
研究生课程论文

课程名称：高等无机化学 ＿＿＿
课程代号：＿Chem508＿＿＿＿＿＿＿＿
任课教师：＿＿杨文胜＿＿＿＿＿＿＿＿
完成日期：＿2013 ＿年＿11＿月＿30＿日
专 业：＿＿化学＿＿＿＿＿＿＿＿＿
学 号：＿＿2013200938＿＿＿＿＿＿
姓 名：＿＿范国凌＿＿＿＿＿＿＿＿

成 绩：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿