对TNT具有敏感分子识别的分子印记氧化硅纳米粒子的制备方法

摘要

一种对TNT具有敏感分子识别的分子印记氧化硅纳米粒子的化学制备方法，包括用氧化硅球形粒子作模板，在其表面修饰上氨丙基，氧化硅球形粒子再进一步酰胺化，使其表面带特定的官能团。本发明的制备过程包括如下两个步骤：首先让反应单体处在一定的反应条件下轻度聚合，形成寡聚体，在模板表面形成一包覆层，然后改变反应条件，使模板表面的包覆层进一步聚合，形成交联状外壳。在交联聚合过程中球形模板表面的包覆层进一步熟化，形成了高度交联的聚合物纳米外壳，使其纳米外壳的刚性强，比表面积大，形成位点中的空间结构稳定、位点多、选择性好、形成带有分子识别性能可控壳厚的核壳结构纳米复合物球。

说明书

所属领域  本发明涉及材料科学领域，特别涉及具有对TNT具有敏感分子识别的分子印记氧化硅纳米粒子的化学制备方法。

背景技术  氧化硅复合物纳米球以其优越的特性，在许多领域都具有广泛的应用。如在医学和生物学领域：氧化硅复合物纳米球可以作为药物传递系统，将缓解药物有效的传送到病灶部位或者实现药物的控制释放；氧化硅复合物纳米球还可以用于生物大分子，如蛋白质、酶及核酸的微胶囊化、迁移及释放、基因疗法以及疾病的诊断等。在材料科学领域：由于复合物纳米球的核心是氧化硅纳米颗粒，用作聚合物复合材料的填料可以有效提高复合材料的强度和硬度；氧化硅复合物纳米球作为涂料的填料，可以赋予涂料不透明性；作为造纸材料使用时，还可以提高纸质的光泽，或者用于橡胶增韧塑料技术。催化剂领域：氧化硅复合物纳米球可用于杂化型催化剂的制备和光敏组分的保护。氧化硅复合物纳米球亦可作为微反应器使用，制备无机纳米颗粒。此外，氧化硅复合物纳米球还可用作紫外线吸收剂，用于化妆品工业中保护皮肤和头发不受紫外辐射。

因此，氧化硅复合物纳米球的制备一直都是聚合物科学的研究热点之一。目前人们已发展的制备氧化硅复合物纳米球的方法主要有以下三种：自组装法、模板法和微乳液-分散聚合法。其中模板法是最简单的制备复合物纳米球的方法，采用该方法可以方便地得到均匀的单分散复合物纳米球，并可进一步通过控制核模板的粒径以及后续单体的用量来调整核的大小和壳厚度，得到适合需求的复合物纳米球。利用模板法制备复合物纳米球有两种类型：其一是让带有相反电荷的聚电解质在球形模板表面逐层自组装，达到需要的壳厚后；另一类模板法是在模板表面化学键合可聚合或可交联的分子层，引发聚合或交联。同时为了得到空心复合物纳米球，利用合适的溶剂去除模板是必须的。常规的方法是通过氢氟酸和丙酮混合溶液或氟化铵和丙酮混合溶液与氧化硅核反应，外壳上的微孔使反应后的核组分扩散出来，这些微孔通常情况下很小(＜10nm)，反应后的产物扩散出来，从而形成空心的聚合物纳米壳。

复合物纳米球的应用方面，也有很大一部分是利用外壁壳的厚度。壳厚太厚，对复合物纳米球的识别性能的影响较大。可控壳厚的具有对TNT具有敏感分子识别的分子印记氧化硅纳米复合物粒子可以作为分子识别的载体的替代品，表现出更好的实用性和更广阔的应用前景。关于这方面的研究刚刚起步，且发展缓慢，尚处于现象描述阶段。比如Klaus Mosbach科研小组在2002年《Journal of Materials Chemistry》上的文章中报道可以通过在多孔氧化硅作为模板来制备分子印记聚合物；Peter A.G. Cormack科研小组在2003年《Angew.Chem.Int.Ed.》上的文章中报道通过沉淀聚合合成单分散分子印记聚合物微球。Brje Sellergren科研小组在2006年《Chem.Mater.》上的文章中报道在多空氧化硅的表面修饰上引发剂的方法合成了核-壳型分子印记聚合物微球。

由于上述制备方法的限制，分子印记聚合物都是在微米级的模板上印记，选择性和单分散性都比较差，且Brje Sellergren科研小组在多空氧化硅表面修饰引发剂是不稳定的分子印记复合物球的分散性较差，识别性能较低，外壳的厚度不可控，且都是对其他的分子具有识别功能，而不是对TNT分子识别。因此发展一种可功能化的带有对TNT分子识别可控壳厚的复合物纳米球的制备方法具有重要的意义。

近几十年来，为了改进印记能力，对分子印记聚合物的形貌控制吸引了大批的研究者。2005年Brje Sellergren科研小组的发明专利(US，PAT.NO.6,881,804)公开了“Porous，molecularly imprinted polymer and a process for thepreparation thereof”制备方法。它采用了下述步骤：(1)非孔空氧化硅外面包覆一层多孔空性氧化硅作为球形载体，平均粒径2-10um；(2)将功能单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)和目标分子9-(2-氨乙基)腺嘌呤分散到溶剂中，然后再扩散到多孔氧化硅的孔道里；(3)将交联剂乙二醇二甲基丙烯酸甲酯(EGDMA)、引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)和溶剂混合，搅拌；(4)将上述溶液混合，通入氮气后密封，在60℃恒温反应即得分子印记聚合物。但是由于有效的分子印记位点主要存在于表面或很浅的一层外壳上，在多空氧化硅孔道内印记的聚合物，其中有很多印记位点位于聚合物的内部，便会造成较大程度印记点的浪费。作为进一步的发展，人们利用模板法合成出了一大批具有印记外壳的核-壳结构复合物球。然而，作为核-壳结构球的延伸且理论上印记效果更好的复合物氧化硅纳米粒子分子识别尚未被报道。因为印记聚合物的密度比一般交联聚合物还要高，大量的分子印记聚合物的位点都是位于外表面层，而纳米层的比表面积大因而识别位点多，选择性好。

发明内容  发明目的：针对目前现有技术存在的不足之处，本发明首次利用纳米氧化硅作为模板法合成了带有可控壳厚的对TNT具有敏感分子识别的分子印记氧化硅纳米粒子的化学制备方法，并首次将纳米氧化硅复合物球功能化用于分子印记。所述方法为化学合成法，首先制备的单分散溶胶氧化硅纳米颗粒核结构进行两步表面修饰，然后再进行两步化学反应在其表面包覆，使其功能化。

本发明的技术方案是：一种对TNT具有敏感分子识别的分子印记氧化硅纳米粒子的化学制备方法，包括用氧化硅球形粒子作模板，在其表面修饰上氨丙基，其特征在于；所述的氧化硅球形粒子再进一步酰胺化，使其表面带特定的官能团，本发明的制备过程包括如下两个步骤：

1.1将功能单体、被识别分子和交联剂溶解在50毫升的乙腈中使其浓度分别为0.0020～0.0046摩尔/升、0.00264摩尔/升和0.0080～0.0184摩尔/升，再加入质量分数为2～5％的引发剂和20毫克两步修饰的球形模板，通氮去氧后密封，升温至50℃反应6个小时，在球形模板表面形成寡聚体，然后再升温至60℃反应18个小时在球形模板表面形成聚合物的包覆层，其为第一步反应；

1.2第二步反应是将反应体系再升温到85℃反应8小时，在交联聚合过程中球形模板表面的包覆层进一步熟化，形成了高度交联的聚合物外壳，使聚合物的外壳的刚性强，形成位点中的空间结构稳定、选择性好，形成带有分子识别性能可控壳厚的核壳结构纳米复合物球；

将所得核壳结构纳米复合物球离心再分别分散到乙醇溶液、去离子水中，超声离心三次去除未完全反应物，再将纳米复合物球的分散在50mL的体积比为8∶2的乙醇/乙酸溶液中提取被识别分子，被识别分子通过外壳上的开孔扩散出来溶解在溶液中，再洗涤三次便得到具有分子识别功能的纳米复合物球。

作为对现有技术的进一步改进，所说可控壳厚的核壳结构纳米复合物球的壳厚度能够通过调整后续单体之间的配比和总量加以控制；所说球形模板为表面经两步修饰富含丙烯酰胺的氧化硅小球；所说被识别分子为TNT；所说功能单体是功能性单烯类单体：丙烯酰胺(AAM)；所说交联剂是多烯类单体乙二醇二甲基丙烯酸甲酯(EGDMA)；所说引发剂是油溶性引发剂偶氮二异丁氰(AIBN)。

相对于现有技术的有益效果：

其一：相对于现有技术，2005年Brje Sellergren科研小组的发明专利(US，PAT.NO.6,881,804)公开了“Porous，molecularly imprinted polymer and aprocess for the preparation thereof”制备方法。它采用了平均粒径为2-10um的非孔空氧化硅外面包覆一层多孔空性氧化硅作为球形模板，分散到溶剂中，形成混合液，再将功能单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)，交联剂乙二醇二甲基丙烯酸甲酯(EGDMA)，被识别分子9-(2-氨乙基)腺嘌呤和引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)与上述溶液混合，然后扩散到多孔氧化硅的孔道里，再通入氮气后密封，在60℃恒温反应即得分子印记聚合物。但是由于有效的分子印记位点主要存在于表面或很浅的一层外壳上，在多孔氧化硅孔道内印记的聚合物，其中有很多印记位点位于聚合物的内部，便会造成较大程度印记点的浪费。

本发明采用了平均粒径为100nm的非孔氧化硅球形粒子作模板，在其表面修饰上氨丙基，修饰后的氧化硅球形粒子再进一步酰胺化，使其表面带特定的官能团，本发明的制备过程包括两个步骤：首先将20毫克两步修饰的氧化硅球形粒子模板分散到乙腈中，将功能单体丙稀酰胺(AAM)，交联剂乙二醇二甲基丙烯酸甲酯(EGDMA)，被识别分子TNT与上述溶液混合，再加入质量分数为2～5％的引发剂，通氮去氧后密封，升温至50℃反应6个小时，在球形模板表面形成寡聚体，然后再升温至60℃反应18个小时在球形模板表面形成聚合物的包覆层，其为第一步反应。第二步反应是将反应体系再升温到85℃反应8小时，在交联聚合过程中球形模板表面的包覆层进一步熟化，形成了高度交联的聚合物外壳，使聚合物的外壳的刚性强，形成位点中的空间结构稳定、选择性好，形成带有分子识别性能可控壳厚的核壳结构纳米复合物球。

综上所述，纳米分子印记技术尤其是在纳米氧化硅小球核作为模板由沉淀聚合包覆一层具有识别性能的纳米壳，从而增大纳米聚合物层的比表面积，增加了分子识别位点，提高选择性、结合量和识别性。

其二：本发明所提供的方法中，可控壳厚的核壳结构纳米复合物球的壳厚度能够通过调整后续单体之间的配比和总量加以控制。即带有识别性能壳的厚度是可以控制的，因此，可以通过优化反应条件得到适合需要的纳米复合物球。本发明所提供的方法另一大优势是可以加入被识别分子TNT得到具有某种特定功能的纳米复合物球。比如加入一定量的TNT可以合成带印记纳米复合物球，同时也可以用氨基酸作为被识别的分子，如色氨酸。并且本发明中的功能单体是丙烯酰胺(AAM)。可见，本发明所提供的方法是通用的，实用范围比较广泛。

其三：与传统的分子印记聚合物相比较，纳米分子印记聚合物具有较大的比表面积，较多的识别位点，较大的结合量和快速结合动力学，提高分子识别性能和选择性。图7中说明了所合成的具有TNT印记点的纳米复合物球的分子印记特性。图7A中有两种分子印记材料的饱和吸收曲线：(a)是纳米复合物球；(b)是传统的聚合物微球。由图7A可知，纳米复合物球具有更高的饱和吸附量，是传统分子印记聚合物微球的3倍；图7B中有两种分子印记材料的动力学曲线：(a)是纳米复合物球；(b)是传统的聚合物微球。由图7B中可知，纳米复合物球具有更快的结合速率，是传统分子印记聚合物球的3倍。

其四：选择溶胶氧化硅纳米颗粒作为球形模板目的因为其具有以下优点：(1)容易合成溶胶氧化硅纳米颗粒，其粒径范围可从5nm-2000nm，较大的表面积，相对较低成本；(2)在反应过程中具有化学和热的稳定性不与有机溶剂反应；(3)表面容易嫁接有机官能团；(4)对环境无害。

附图说明

图1是本发明所得纳米复合物球的形成机理示意图。

图2是本发明所采用的表面富含丙烯酰胺的氧化硅小球的扫描电镜图。

图3是本发明所得到的中间产物——两步修饰的氧化硅的红外谱图。

图4是本发明带有识别性能的核-壳透射电镜图。

图5是本发明带有识别性能的纳米复合物球透射电镜图。

图6是本发明带有识别性能的可控壳厚的纳米复合物球透射电镜图。

图7是本发明合成的纳米复合物球的饱和结合量曲线和动力学曲线图。

根据附图进一步解释具体实施方式

图1是本发明所得纳米复合物球的形成机理示意图。在图1中依次对氧化硅溶胶纳米颗粒表面进行氨基化和酰胺化两步修饰，利用两步修饰的氧化硅球作模板，采用两步化学反应，得到了纳米复合物球。

氧化硅溶胶颗粒必须进行修饰，使表面带上特种官能团，以利于氧化硅纳米粒子容易分散在有机溶剂当中和下一步反应在其表面发生。本发明采用的是在纯氧化硅溶胶颗粒表面嫁接氨丙基和丙烯酰氯反应，使其表面覆盖着丙烯酰胺，这样有利于所加功能单体即带有氨基的丙烯酰胺吸附在氧化硅溶胶颗粒表面，使反应在其表面发生；

两步化学反应是指首先让反应溶液处在较低温度，在适当的时间里进行轻度聚合，形成寡聚体，在修饰的氧化硅球表面形成一包裹层，这一薄层的厚度至关重要，需小心控制。然后升温到较高温度，氧化硅球表面的吸附层进一步聚合。在其后的反应中，剩余在溶液里的功能单体又吸附在外壳上进行聚合，因此可以通过控制功能单体的用量调整所得球壳的厚度。进一步升温使得壳层中寡聚体和功能单体进一步的聚合，此过程称之为熟化，目的使其刚性更强。

图2是本发明所采用的表面富含丙烯酰胺的氧化硅小球的扫描电镜图，由于采用两步修饰方法，在纯氧化硅小球表面嫁接了氨丙基和然后再与丙烯酰氯反应得到表面富含丙烯酰胺的氧化硅纳米球的扫描电子显微镜照片。

图3是本发明所得到的中间产物——两步修饰的氧化硅的红外谱图。从红外谱图可以清晰看出修饰上氨丙基的两个峰位分别为1400cm^-1和1450cm^-1，酰胺基团峰位在1725cm^-1。此红外谱图的峰位值表明修饰上了丙烯酰胺。

图4是本发明带有识别性能的核-壳透射电镜图：(A)100nm氧化硅纳米球上印记的聚合物壳，是本发明所得到得产物——核-壳结构的纳米复合物球。经过两步反应法可以在球形模板表面包覆一层纳米壳。扫描照片上可以清晰看到核-壳结构，可见，核壳结构纳米复合物球有两部分组成：中间的球形模板和很薄的纳米外壳。

图5是本发明带有识别性能的纳米复合物球透射电镜图：(A)100nm氧化硅纳米球上印记的聚合物壳，壳厚大约为30nm左右。图5上的插图是放大的纳米复合物球的透射照片，其形貌特征清晰可见。

图6是本发明带有识别性能的可控壳厚的纳米复合物球透射电镜图。在粒径为100nm修饰的氧化硅表面制备具有识别性能壳厚可控的核-壳型分子印记聚合物：(A)聚合物的壳厚大约为30nm。

图7是本发明合成的纳米复合物球的饱和结合量曲线和动力学曲线图。

其中图7A是两种分子印记材料的饱和吸收曲线：(a)是纳米复合物球；(b)是传统的聚合物微球。可见，带有纳米复合物球具有更高的饱和吸附量，是传统的聚合物微球的3倍。图7B是纳米复合物球(a)和传统的聚合物微球(b)的吸附动力学曲线，前者具有更快的结合速率，是后者的3倍多。

具体实施方式：一种对TNT具有敏感分子识别的分子印记氧化硅纳米粒子的化学制备方法，包括用氧化硅球形粒子作模板，在其表面修饰上氨丙基，其特征在于；所述的氧化硅球形粒子再进一步酰胺化，使其表面带特定的官能团，本发明的制备过程包括如下两个步骤：

第一步、把功能单体、被识别分子和交联剂溶解在50毫升的乙腈中使其浓度分别为0.0020～0.0046摩尔/升、0.00264摩尔/升和0.0080～0.0184摩尔/升，再加入质量分数为2～5％的引发剂和20毫克两步修饰的球形模板，通氮去氧后密封，升温至50℃反应6个小时，在球形模板表面形成寡聚体，然后再升温至60℃反应18个小时在球形模板表面形成低度聚合的包覆层，其为第一步反应；

第二步、将反应体系再升温到85℃反应8小时，在交联聚合过程中球形模板表面的包覆层进一步熟化，形成了高度交联的聚合物外壳，使聚合物的外壳的刚性更强。形成的位点中的空间结构更稳定，选择性更强。

若保持修饰的氧化硅球的量的不变，改变反应单体总量，将功能单体与交联剂的总量增加一倍，就可以改变壳的厚度，壳厚从30nm改变为10nm，如图6所示。

反应单体能够加入被识别分子，改变壳层的性能。如加入适量的TNT，不但可以提高外壳的刚性还可以形成TNT的印记聚合物进行分子识别。

实施例：根据沉淀聚合反应，利用纳米氧化硅作模板，采用两步反应可得到纳米复合物球。

1、单分散氧化硅溶胶纳米球的合成：在室温下，将3.6ml正硅酸乙酯(TEOS)溶解在88.1ml的乙醇中搅拌三分钟，11.9ml氨水(25％)迅速的加到上述反应混合物中，强烈搅拌三分钟，然后温和的搅拌24小时。所得氧化硅溶胶纳米球经过三次离心洗涤分散到甲苯中。

(1)上述所得的氧化硅纳米颗粒分散在50ml的甲苯中，然后滴加1ml的氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)，在惰性气氛下回流24小时。所得的产物的经过三次离心洗涤分散到甲苯中。

(2)在上述修饰的氧化硅纳米颗粒溶液中，加入0.2g的无水碳酸钾，然后超声分散的5分钟，再滴加1ml的丙烯酰氯在室温下搅拌反应12小时。所得聚合物微球经过三次离心洗涤分散到乙腈中。

2、把功能单体、被识别分子和交联剂溶解在50毫升的乙腈中使其浓度分别为0.0020～0.0046摩尔/升、0.00264摩尔/升和0.0080～0.0184摩尔/升，再加入质量分数为2～5％的引发剂和20毫克两步修饰的氧化硅球形模板，通氮去氧后密封，升温至50℃反应6个小时，在球形模板表面形成寡聚体，然后再升温至60℃反应18个小时在球形模板表面形成低度聚合的包覆层，从而形成了核壳结构纳米复合物球。