基于甲基丙烯酸缩水甘油酯制备环氧基磁球的方法和应用

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1.本技术涉及分离与分析检测的技术领域，尤其基于甲基丙烯酸缩水甘油酯制备环氧基磁球的方法和应用。

背景技术：

2.磁性纳米粒子具有顺磁性、表面易修饰、功能位点多、比表面积大等特点，是一类性能优异的吸附材料。因此，基于磁性纳米粒子所发展出的磁固相萃取技术(magnetic solid phase extraction,mspe)得到了越来越多的应用。此外，磁性纳米粒子在生物传感器的构建、蛋白纯化和核酸提取的过程中，也具有广阔的应用潜力。因此，开发功能化的磁性纳米粒子具有十分重要的意义。
3.作为样品前处理的吸附材料，不同功能基修饰的材料具有不同的性质，可以发挥出不同的作用。以巯基修饰的材料为例，基于巯基与亲硫元素之间的亲和作用，其可以用于环境中的汞、砷等元素及其形态分析，也可用于水样中的重金属离子(如hg
2+
等)去除；以氨基修饰的材料为例，基于氨基材料与目标元素之间的静电作用，其可以用于砷元素形态分析；以羧基修饰的材料为例，其可以用于环境样品中的稀土元素分析、过渡金属分析、铬元素形态分析等。
4.在生物分析当中，磁性纳米粒子也有着广泛的应用。环氧基修饰的磁球可以用于构建固定化酶反应器，或进一步修饰上链霉亲和素，抗体，核酸等；羧基修饰的磁球可以通过1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺/琥珀酰亚胺反应(edc/nhs)反应偶联蛋白质，多肽或者核酸；氨基磁球可以通过戊二醛交联蛋白质；氨三乙酸/亚氨基二乙酸(nta/ida)修饰的磁球可以用于组氨酸标签(his-tag)重组蛋白的纯化，谷胱甘肽(gsh)修饰的磁球可以用于谷胱甘肽转移酶标签蛋白的纯化，sio2修饰的磁球可以用于核酸提取，抗体偶联的磁珠可以用于细胞分选等。
5.在功能化的磁球材料中，某些功能基化的磁球是具有广泛修饰潜力的磁球，也可以认为是高反应活性的磁球；某些种类的磁球则具有高度选择性，这类磁球经过特殊的化学修饰或生物修饰，在生物分析中可以专一性地发挥某种专门的功能。例如，卤素修饰的磁球、双键修饰的磁球、环氧基磁球等是高反应活性的磁球；而氨基磁球、羧基磁球等是具有一定选择性的磁球；链霉亲和素磁球，抗体修饰的磁球等归属于专一性的磁球。
6.在高反应活性的磁球中，环氧基磁球的制备具有重要的意义。在各种官能团修饰的磁性纳米颗粒中，环氧基官能团修饰具有明显的优势，其反应活性高，可以很容易地与氨基、巯基等官能团发生开环偶联反应，因此易于后续改性。改性之后的环氧基磁球结构中存在羟基，因此具有良好的亲水性，在水溶液中分散性强。易于官能化修饰赋予了磁球以良好的选择性，优秀的分散性能使得磁球的吸附/解吸动力学良好，因此环氧基磁球经过后功能化修饰之后，具有成为优秀磁固相萃取材料的潜力。
7.环氧基磁珠可用于共价偶联胺、巯基或含羟基的配体。含羟基、胺和巯基的配体的偶联分别在ph 11～13、ph》9和ph 7.5～8.5下反应。不溶于水的配体可在50％有机溶剂(二
甲基甲酰胺)中偶联。其中，巯基的开环反应最为容易，即使在4℃、ph为中性的情况下，开环反应仍可以顺利进行，氨基的开环反应相对苛刻。目前，基于甲基丙烯酸缩水甘油酯制备环氧基磁球的方法，以及其在砷元素形态分析中的应用还未见报道。

技术实现要素：

8.有鉴于此，本技术提供基于甲基丙烯酸缩水甘油酯制备环氧基磁球的方法和应用，能够较好地选择性识别或捕获砷形态。
9.本技术提供一种基于甲基丙烯酸缩水甘油酯制备环氧基磁球的方法，包括：
10.提供fe3o4纳米粒子；
11.在纳米粒子的表面包覆形成二氧化硅；
12.使所述二氧化硅进行烯烃化修饰，得到烯烃化修饰中间物；
13.使所述烯烃化修饰中间物，同至少包含甲基丙烯酸缩水甘油酯的单体发生碳碳双键加成反应，得到侧接有环氧基团中间物；
14.使所述侧接有环氧基团中间物，利用其环氧基团同巯基修饰剂或氨基修饰剂发生取代反应，得到功能化磁球。
15.可选地，所述烯烃化修饰采用的修饰剂为带烯烃基硅氧烷偶联剂。
16.可选地，所述巯基修饰剂为胱胺。
17.可选地，所述氨基修饰剂为乙二胺或己二胺。
18.可选地，所述氨基修饰剂为单官能团保护的乙二胺或己二胺。
19.可选地，所述巯基修饰剂的取代反应过程在添加还原剂tcep/dtt的条件下进行。
20.第二方面，本技术提供一种由上述方法所得环氧基磁球的应用，用于砷元素的形态分析。
21.本技术的原理是：在fe3o4纳米粒子，表面包覆形成二氧化硅，再使所述二氧化硅进行烯烃化修饰，得到烯烃化修饰中间物，然后使所述烯烃化修饰中间物，同至少包含甲基丙烯酸缩水甘油酯的单体发生碳碳双键加成反应，得到侧接有环氧基团中间物；最后，使所述侧接有环氧基团中间物，利用其环氧基团同巯基修饰剂或氨基修饰剂发生取代反应，得到功能化磁球。基于环氧基与氨基/巯基之间高反应活性，制备了巯基功能化的磁球、氨基功能化的磁球。
22.此外，本技术以胱胺为巯基修饰剂，在碱性条件下，胱胺分子中的氨基使环氧基开环，巯基以二硫键的形式存在，既可以保护巯基不被空气中的氧气氧化，又可以避免巯基难闻的气味，待需要使用巯基磁球时，使用还原剂dtt/tcep将二硫键打断，清洗干净磁球之后，即可使用。
23.本技术相对于现有技术具有如下优点：
24.基于本技术开发的环氧基磁球的制备方法，自制的环氧基磁球粒径均一(约20nm)，其表面环氧基官能团含量为326μmol/g。基于环氧基与氨基/巯基之间高反应活性，通过一系列环氧基磁球后功能化方法，制备了氨基改性和巯基改性的功能化磁球，将氨基磁球、巯基磁球用于砷形态分析。在较宽ph范围内，巯基功能化磁球可定量吸附as(iii)，在酸性ph条件下，氨基功能化磁球对as(v)、mma和dma均表现出良好的吸附性能。所制备的功能化磁球为后续选择性识别或捕获砷形态提供了良好的技术保障。
附图说明
25.下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
26.图1为实施例1所制备的环氧基磁球的合成原理图。
27.图2为实施例1所制备的巯基功能化环氧基磁球的合成原理图。
28.图3为实施例1所制备的基于乙二胺/己二胺改性的氨基功能磁球的原理图。
29.图4为实施例1所制备的环氧改性磁球的透射电镜(tem)图。
30.图5为实施例2所制备的环氧基磁球中环氧基团含量的测定原理。
31.图6为实施例2所制备环氧基磁球中环氧基团含量测定中dtnb显后的紫外可见光谱。
32.图7为实施例2所制备的环氧基磁球中环氧基团含量的测定。
33.图8为实施例3不同氨基改性对吸附效果的影响。
34.图9为实施例3巯基/氨基功能化磁性微球在砷形态分析中的应用。
35.图10为实施例3巯基与氨基磁珠用量比对吸附率的影响。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
39.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
40.【实施例1】
41.基于甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)制备环氧基磁球的方法，原理如图1所示，包括以下步骤：
42.(1)fe3o4的制备：将fecl3·
6h2o(5.40g，20mmol)和fecl2·
4h2o(1.98g，10mmol)溶
于超纯水(100ml)中，惰性气体保护下升温至85℃，待溶液颜变成土黄，加入氨水(30％
×
8ml)，溶液中迅速有黑的fe3o4生成，老化30min之后，外加磁铁收集合成的磁球，用乙醇和水多次清洗磁球。清洗干净之后，将磁球保存在乙醇当中。
43.(2)fe3o4@sio2的制备：称取上一步制备得到的fe3o4(2g)，加入到乙醇/水的混合溶剂(4/1(v/v),200ml)中，用氨水(30％
×
3ml)将溶液的ph调整至9～10，缓慢滴加teos(4ml)，在室温下反应过夜之后，外加磁场收集生成的fe3o4@sio2，用乙醇和水多次清洗。清洗干净之后，将磁球保存在乙醇当中。
44.(3)fe3o4@sio2@kh570的制备：取fe3o4@sio2(1g)，加入乙醇/水的混合溶剂(4/1(v/v),125ml)中，用氨水(30％
×
3ml)将溶液的ph调至9～10，缓慢滴加kh570(2ml)。在40℃下反应过夜，外加磁场收集fe3o4@sio2@kh570，用乙醇和水多次清洗。清洗干净之后，将磁球烘干保存。
45.(4)fe3o4@sio2@kh570@gma的制备：取fe3o4@sio2@kh570(500mg)分散于dmf(50ml)中，加入mma(1.5ml)和gma(1.5ml)，超声脱气30min之后，将分散液转移到的三口烧瓶中，在氮气保护下，快速搅拌并升温至60℃，加入aibn(120mg)，继续升温至80℃，反应3h。反应完成之后，降温，收集并清洗磁球，最后将制备的epoxy-mb保存于dmf或etoh中备用。
46.(5)环氧基磁球的后功能化修饰：
47.i)巯基功能化：合成原理如图2所示，取环氧基磁珠(10mg/ml
×
4ml)，用碳酸盐缓冲液清洗干净，而后加入胱胺溶液(100mmol/l,1ml,用碳酸钠调节ph至10左右)，37℃下过夜反应，次日用蒸馏水将磁球清洗干净，备用。因为巯基磁球相对不稳定，胱胺改性的磁球其结构中的巯基是以二硫键前体的形式存在的，因此常规条件保存时，磁球是稳定的，在需要使用之前，用还原剂tcep/dtt将二硫键打断，即可以得到巯基磁球。
48.ii)氨基功能化:合成原理如图3所示，基于乙二胺/己二胺制备氨基功能化的磁球，需事先准备叔丁氧羰基单保护的乙二胺或者己二胺，在碱性条件下，过量的单保护的乙二胺/己二胺对环氧基磁球进行开环，待开环反应完成之后，将磁球分离，使用脱保护基的溶液对磁球进行处理，从而得到乙二胺/己二胺修饰的氨基化磁球。
49.采用透射电镜(tem,jeol,jem-2010ht,tokyo,japan)表征环氧基磁球的微观结构，结果见图4，从图中可以看出，本实验所制备的环氧基磁球呈现出核壳结构，粒径大约在20nm左右。
50.【实施例2】
51.环氧基磁球表面环氧基含量的测定
52.环氧基磁球表面环氧基的含量用5,5
’‑
二硫代双(2-硝基苯甲酸)(dtnb)法进行测量：取dtnb(4.0mg,0.01mmol)，溶于乙醇(10ml)之中，得到dtnb储备液(1mmol/l)，使用之前，用pbs稀释至五倍，作为dtnb工作液(0.2mmol/l)；取cys(17.5mg,0.1mmol)，溶于甲酸溶液(1％,10ml)中，此即为cys储备液(10mmol/l)。使用之前，用pbs将cys储备液依次稀释至0、0.005、0.01、0.02、0.05、0.10和0.20mmol/l，得到标准曲线；取巯基改性磁球(10mg/ml
×
100μl)和不同浓度的cys标准溶液(100μl),加入到dtnb工作液(0.2mmol/l
×
900μl)，显5min之后，使用uv-vis对显液进行波长扫描(400nm～500nm)，根据412nm处的吸光度值绘制标准曲线，采用外标法对巯基磁球表面的巯基含量进行测定，基于此换算环氧基磁球表面环氧基的含量，测定原理如图5所示。通过胱胺后修饰法，将环氧基磁球改性成巯基功能
化磁球，在胱胺试剂过量的情况下，可以保证环氧基向巯基的定量转化，之后，借助于dtnb试剂，对巯基磁球表面的巯基含量进行测定，从而根据巯基的含量换算得到环氧基含量。基于dtnb法测量环氧基磁球表面环氧基官能团含量的uv-vis数据见图6和图7。根据标准曲线法，测得环氧基磁球表面环氧基官能团的含量为326μmol/g。
53.【实施例3】
54.巯基/氨基功能化磁球在砷元素形态分析中的应用
55.考察了巯基/氨基改性环氧基磁球对as(iii)、as(v)、mma和dma的吸附性能。实验发现，巯基改性的磁球对as(iii)有较好的吸附，主要原因是基于巯基和as(iii)之间的亲和作用；氨基改性的磁球对as(v)、mma和dma有较好的吸附，主要归因于两者之间的静电作用。进一步考察不同种类的氨基改性(氨水、半胱胺、甜菜碱，组氨酸和乙二胺)磁球对as(v)、mma和dma的吸附行为，实验结果如图8所示，乙二胺改性的材料吸附效果最好，其对as(v)和mma可以定量吸附，对dma的吸附效率为66％。
56.为了实现四种砷形态的同时吸附，将巯基/氨基改性磁球混合，在不同ph条件下考察了混合材料对四种砷形态的吸附性能，实验结果如图9所示。可以看到，在所考察的ph范围内as(iii)可以定量吸附，as(v)在ph 3～8范围内可以定量吸附，mma在ph3～6范围吸附效率大于90％，而dma在ph6时达到最大吸附，吸附效率约为70％。
57.进一步地，考察了巯基/氨基改性磁球的混合比例对四种砷形态的影响。优化了三种比例(m(epoxy-sh)/m(epoxy-nh2)＝1mg/1mg、0.5mg/1.5mg和0.2mg/1.8mg)，结果如图10所示。可以看到，dma的吸附率随着氨基材料用量的增加而升高，as(iii)、as(v)和mma的吸附率基本不受材料用量比例的变化，均可以实现定量吸附。结果表明，巯基/氨基改性环氧基磁球基于亲和和静电作用，对不同的砷形态具有较好的吸附性能，可以作为mspe材料用于砷元素形态分析中。
58.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于甲基丙烯酸缩水甘油酯制备环氧基磁球的方法，其特征在于，包括：提供fe3o4纳米粒子；在纳米粒子的表面包覆形成二氧化硅；使所述二氧化硅进行烯烃化修饰，得到烯烃化修饰中间物；使所述烯烃化修饰中间物，同至少包含甲基丙烯酸缩水甘油酯的单体发生碳碳双键加成反应，得到侧接有环氧基团中间物；使所述侧接有环氧基团中间物，利用其环氧基团同巯基修饰剂或氨基修饰剂发生取代反应，得到功能化磁球。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述烯烃化修饰采用的修饰剂为带烯烃基硅氧烷偶联剂。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述巯基修饰剂为胱胺。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述氨基修饰剂为乙二胺或己二胺。5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述氨基修饰剂为单官能团保护的乙二胺或己二胺。6.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述巯基修饰剂的还原反应在添加还原剂tcep/dtt的条件下进行。7.一种由权利要求1所述方法所得环氧基磁球的应用，其特征在于，用于砷元素的形态分析。

技术总结

本申请公开了基于甲基丙烯酸缩水甘油酯制备环氧基磁球的方法和应用。本技术方案中，自制的环氧基磁球粒径均一(约20nm)，其表面环氧基官能团含量为326μmol/g。基于环氧基与氨基/巯基之间高反应活性，制备了巯基功能化的磁球和氨基功能化的磁球，并将其应用于砷元素形态的分析中。结果表明，在较宽pH范围内，巯基功能化磁球可定量吸附As(III)，在酸性pH条件下，氨基功能化磁球对As(V)、MMA和DMA均表现出良好的吸附性能，为后续选择性识别/捕获砷形态提供了良好的技术保障。本方法开发的环氧基磁球还可以用于进行螯合试剂改性，制备新的功能化磁球，并用于环境样品中元素及其形态的分析，在环境分析和生物分析中有着广泛的应用潜力。力。力。