Synthesis, Characterization and Applications of Superparamagnetic Polymer Nanostructured Carriers for Affinity Separations of Biomolecules

本论文系统地开展了超顺磁性聚合物纳米载体的制备、表征及生物亲和分离应用等方面的研究工作，内容涉及超顺磁性Fe_3O_4／聚合物纳米颗粒的合成、表面功能化反应、亲和配基固定化、蛋白质亲和分离以及连续进行蛋白质亲和吸附、清洗和解吸操作的高梯度磁性分离过程和装置等。此外，还开展了铬盐清洁生产工艺中的固液磁性分离研究。主要取得了以下几个方面的创新性研究结果：首先，提出了一种合成超顺磁性聚合物纳米／微米球的新方法。从解决无机磁性Fe_3O_4颗粒与有机烯类单体的相容性入手，采用化学共沉淀法，制备了平均直径为8nm的超顺磁性Fe_3O_4颗粒，在制备过程中以非离子形式引入油酸，在Fe_3O_4颗粒表面形成一个具有双层结构的疏水处壳，并通过疏水相互作用凝聚成磁性Fe_3O_4凝胶，能够以单分子层结构形式溶解在非极性溶液中，也能够以双分子层结构形式溶解在碱性水溶液中，形成稳定的超顺磁性Fe_3O_4溶胶。将上述以疏水性烯类单体为基液的磁性Fe_3O_4溶胶引入O／W型细乳液聚合体系，采用油溶性引发剂使烯类单体油滴成为引发聚合反应的中心，合成出了四种粒径在100－400nm之间的单分散超顺磁性聚合物聚粒。经X射线衍射（XRD）、热重法（TG）、透射电镜（TEM）和磁性测量（VSM）等分析测试，结果表明磁性Fe_3O_4或γ-Fe_2O_3的含量可控制在8－12％左右，在同一颗粒内部以及不同颗粒之间分布比较均一，具有纳米尺度的无机／有机复合结构，具有超顺磁性，无外磁时无剩磁。把同样的方法用于O／W型悬浮聚合体系，合成出了四种微米尺寸的超顺磁性聚合物颗粒。还将含有亲水性烯类单体的水基磁性Fe_3O_4溶胶引入W／O型悬浮聚合体系，合成出了两种微米尺寸的亲水性超顺磁性聚合物颗粒。所有合成的磁性聚合物颗粒在酸性和碱性水溶液中是稳定的。其次，通过实验选择了几种不影响磁性颗粒磁性能的高分子化学反应，对合成的磁性聚合物颗粒进行了表面功能化，并用红外吸收光谱（FT－IR）表征了化学反应前后的分子结构变化。结果表明，磁性聚苯乙烯（PSt）颗粒与丁二酸酐发生Freidel-Crafts酰基化反应，可以在颗粒表面引入少量羧基（－COOH）；磁性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）颗粒分别与乙二醇、二缩三乙二醇、聚乙二醇等发生醇－酯交换反应，可以在颗粒表面接枝不同分子链长度的末端羟基（－OH）；磁性聚醋酸乙烯酯（PVAC）颗粒经过醇解和皂化反应可以获得表面羟基（－OH）；磁性聚丙烯酸甲酯（PMA）颗粒通过乙二胺或1,6乙二胺的胺解反应可以得到表面氨基（-NH_2），继而与一氯乙酸反应可以引入亚胺二乙酸（IDA）基团。在上述基础上，将亲和配基Cibacron Blue F3G-A通过三嗪环上的活性氯与磁性PMMA纳米颗粒表面的羟基共价键合，形成磁性PMMA－CB亲和分离载体。采用高梯度磁性分离装置，对牛血清蛋白（BSA）进行了模拟分离，结果表明，BSA在低盐浓度具有较高的吸附容量，提高盐浓度可以使大部分BSA解吸下来，吸附和解吸在10－20 min内达到平衡。还把金属离子Cu~(2+)螯合在表面含亚胺二乙酸（IDA）基团的磁性PMA纳米颗粒表面，得到磁性PMA－IDA－Cu~(2+)亲和分离载体，采用同样的装置，对牛血红蛋白(BHb)进行了模拟分离，结果表明，BHb的吸附容量很高，吸附平衡时间只需5－10 min，加入EDTA可以同时将Cu~(2+)和BHb完全解吸下来。同时，还设计了一种能连续进行蛋白质亲和吸附、清洗和解吸操作的高梯度磁分离过程和设备。其特点是采用永磁磁体为背景磁场源，通过移动磁轭实现捕获分离室和冲刷分离室之间的磁场切换，适合于以纳米磁性颗粒为载体的生物分子亲和分离体系。采用等效电路法对实验设备进行了磁路计算，并且实际测量了磁路工作气隙中的磁通密度，结果表明，磁场切换效果是显著的，设备的磁路系统能够满足纳米磁性颗粒的分离要求。建立了描述磁分离过程和设备的理论模型，模拟实验测量了超顺磁性聚合纳米颗粒在分离过程中有效分离时间t_(eff)和流体表观流速V_0的关系，并与模型预测值作了比较，结果表明，理论模型可以用于指导高梯度磁分离设备的设计和蛋白质亲和分离过程的操作。结合我所铬盐清洁生产工艺的研究，提出了从铬盐浸出浆液中将铬渣去除的高梯度磁分离方法。在高梯度磁分离装置上，测量了有效分离时间t_(eff)随流体粘度η、磁场强度H_0和流体流速V_0之间的变化。建立了高梯度磁分离器有效分离时间t_(eff)与设备、操作和物料性质参数之间的数学模型。分析了磁速度V_m与磁场强度H_0和操作温度T的关系。结果表明，模型预测结果与实验测量结果基本一致，为高梯度磁分离过程在铬盐清洁生产工艺中的应用提供了理论和实验依据

纳米结构的超顺磁性复合微球载体的制备及其应用

磁性纳米复合颗粒在生物技术、生物医学工程、环境保护和石油化工等领域中的应用是本世纪科学技术发展的重要方向之一,这一新兴研究课题具有强大的生命力和广阔的应用前景。采用化学共沉淀方法,通过控制成核速率和生长速率,制备了平均直径为8nm的磁性Fe_3O_4纳米颗粒,并用表面活性剂对其进行包覆,在Fe_3O_4纳米颗粒表面形成一个具有可调控的单分子层结构(疏水外壳,可溶解在非极性溶剂中形成稳定的胶体)或双分子层结构(亲水外壳,可溶解在水溶液中形成稳定的胶体),以此纳米磁性材料为磁性组分,合成出了一系列具有自主知识产权的纳米结构的磁性Fe_3O_4/有机或磁性Fe_3O_4/无机复合亚微米/微米球载体,..

醋酸乙烯酯—二乙烯苯（VAc—DVB）共聚物微球表面功能化反应的红外光谱研究

利用FTIR和漫反射－傅里叶变换红外（DR－FTIR）方法对醋酸乙烯酯（VAc)-二乙烯苯（DVB）共聚微球表面功能化反应进行了研究。结果表明，DR－FTIR光谱比透射FTIR光谱能够获得更多的微球表面信息

醋酸乙烯酯—二乙烯苯（VAc—DVB）共聚物微球表面功能化反应的红外光谱研究

利用FTIR和漫反射－傅里叶变换红外（DR－FTIR）方法对醋酸乙烯酯（VAc)-二乙烯苯（DVB）共聚微球表面功能化反应进行了研究。结果表明，DR－FTIR光谱比透射FTIR光谱能够获得更多的微球表面信息

醋酸乙烯酯-二乙烯苯（VAc-DVB）共聚物微球表面功能化反应的红外光谱研究

利用FTIR和漫反射－傅里叶变换红外（DR－FTIR）方法对醋酸乙烯酯（VAc)-二乙烯苯（DVB）共聚微球表面功能化反应进行了研究。结果表明，DR－FTIR光谱比透射FTIR光谱能够获得更多的微球表面信息