单分散、高饱和磁化强度超顺磁性微球的可控制备与生物医学应用

论文摘要

纳米超顺磁性微球已在分离纯化、免疫检测、影像诊断、靶向给药与治疗等领域得到广泛应用。对于不同的生物医学应用,对磁性微球的表面与微观结构、物理化学性质以及微球的粒径大小与分布的要求均有较大差别。目前,超顺磁性复合微球的制备技术正朝着如何制备粒径更小（纳米尺度）、更均匀（单分散）、磁性物质含量更高（高饱和磁化强度）、表面与微观结构可根据应用需求进行设计与调控的方向发展。本论文就是针对上述发展趋势,提出创新的制备方法以及通过对其机理的深入研究,在纳米尺度实现集尺寸均一、磁性物质含量高等性能于一身的磁性功能复合微球的可控制备,并对其应用研究进行初探。本论文主要制备了粒径单分散、高饱和磁化强度聚合物磁性微球和高饱和磁化强度氧化硅磁微球,并将上述两类微球应用于核酸纯化与免疫层析检测研究。主要研究结果如下:（1）通过对传统细乳液聚合法制备磁性复合微球存在问题的分析,提出了一步细乳液法联合磁分级方法实现了高饱和磁化强度磁性微球的可控制备,得到的纳米磁性微球平均Fe3O4含量为73wt%以上,通过精密磁场分选,可得到数组单分散粒径的磁性复合微球。（2）提出了基于细乳液复合液滴成核的乳液聚合制备方法（双细乳液法）,实现了粒径单分散、高饱和磁化强度磁性微球的可控制备。提出该方法的关键控制步骤是含有“纳米Fe3O4颗粒/辛烷”复合液滴的细乳液制备。通过对双细乳液聚合方法机理的研究,阐释影响磁性微球各项性能以及微观结构的重要因素,并发现Fe3+对聚合过程有阻聚作用。另外,磁细乳中辛烷以及交联共聚单体DVB对磁性复合微球形貌有影响,当磁细乳中辛烷含量较多时,得到的微球出现非常明显的非对称形貌,随着DVB用量的增加,微球微观偏析结构逐步改善。（3）在明晰双细乳制备方法机理的基础上,以核壳结构磁性复合微球为核,采用丙烯酸为共聚单体,制备表面具有羧基功能基团的磁性复合微球,羧基含量从0.27mmol/g0.5mmol/g。（4）通过分析异相成核与生长对氧化硅磁微球形貌影响规律,提出了以磁性颗粒聚集体和聚合物磁微球为核,再结合改进溶胶-凝胶方法,可控制备了高饱和磁化强度、粒径单分散的多组分复合氧化硅磁微球。以Fe3O4/PS聚合物磁性微球为例,制备得到的氧化硅磁性微球在2nm氧化硅壳层厚度时,微球中纳米Fe3O4颗粒含量达70wt%。并通过研究改进的溶胶-凝胶反应的工艺条件,实现对氧化硅表面结构的调控。（5）在外磁场作用下,以Fe3O4/PS聚合物磁性微球为核可以制备得到稳定的氧化硅磁性链状结构,链状结构长度可以通过磁场强度进行调节;在磁场的调制作用下,得到的磁性微球可以形成超顺磁性的胶体光子晶体。（6）以本论文制备的氧化硅磁性微球为载体,研究氧化硅表面微观结构与核酸提取的相互关系,表明所合成的氧化硅微球可有效应用于核酸的提取;以表面功能化聚合物磁性微球为信号标记物,以hCG为模式待检分子,微球可有效地应用于定量磁性免疫层析检测系统。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一篇 绪论
• 1.1 磁性微球的定义、分类
• 1.2 磁性微球的种类与制备方法进展
• 1.2.1 高分子复合磁微球
• 1.2.1.1 乳液聚合与无皂乳液聚合
• 1.2.1.2 微乳液聚合
• 1.2.1.3 悬浮聚合
• 1.2.1.4 分散聚合
• 1.2.1.5 种子聚合
• 1.2.1.6 细乳液聚合
• 1.2.2 大分子复合微球
• 1.2.2.1 大分子组装微球
• 1.2.2.2 大分子修饰磁性颗粒表面
• 1.2.3 无机磁微球
• 1.2.3.1 无机氧化硅磁性微球制备技术进展
• 1.3 磁性微球的生物医学应用
• 1.3.1 生物分离
• 1.3.1.1 细胞分离
• 1.3.1.2 蛋白分离纯化
• 1.3.1.3 核酸提取
• 1.3.2 体外检测与诊断
• 1.3.2.1 磁性微球为载体的免疫诊断
• 1.3.2.2 磁性微球为载体的核酸扩增病毒检测
• 1.3.2.3 生物传感器
• 1.3.3 靶向给药
• 1.4 体外生物医学应用对磁微球的要求
• 1.4.1 粒径与粒径分布
• 1.4.2 磁场响应程度
• 1.4.3 超顺磁性
• 1.5 本论文的目的、意义及研究内容、创新性
• 1.5.1 目的与意义
• 1.5.2 创新性：通过创新的合成路线使重要的三大特性同时实现
• 1.5.3 研究内容
• 1.5.3.1 粒径单分散、高饱和磁化强度聚合物磁性微球的制备
• 1.5.3.2 高饱和磁化强度硅磁微球的制备
• 1.5.3.3 磁微球与生物分子（核酸、蛋白）的相互作用以及在体外核酸分离与免疫诊断应用
• 参考文献
• 第二篇 单分散、高饱和磁化强度聚合物磁性复合微球的制备
• 第一章：前言
• 1.1 几种重要制备方法的比较与分析
• 1.2 细乳液聚合方法中的基本理论与各重要组成的作用
• 1.2.1 超疏水剂（Ultra-hydrophobe）与细乳液的稳定性
• 1.2.2 剪切均质的影响
• 1.2.3 细乳液的特征
• 1.3 本文的研究思路
• 1.3.1 通过磁分级后处理过程，对微球大小进行分选
• 1.3.2 基于双细乳的乳液聚合方法
• 第二章 试验部分
• 2.1 试验
• 2.1.1 试剂与仪器
• 3O₄ 颗粒与辛烷磁流体的制备'>2.1.2 纳米Fe₃O₄颗粒与辛烷磁流体的制备
• 2.1.3 一步细乳液聚合制备磁性复合微球
• 2.1.4 基于双细乳的种子乳液聚合法制备磁性复合微球
• 2.2 表征
• 2.2.1 表征仪器
• 2.2.2 制样方法与表征操作与条件
• 3O₄ 颗粒与磁性复合微球的粒径及微观结构表征'>2.2.2.1 纳米Fe₃O₄颗粒与磁性复合微球的粒径及微观结构表征
• 2.2.2.2 磁性复合微球的表面形貌表征
• 2.2.2.3 红外光谱分析
• 2.2.2.4 热失重分析
• 2.2.2.5 Zeta 电位分析
• 2.2.2.6 磁性复合微球羧基含量的表征
• 3O₄ 颗粒的晶体结构分析'>2.2.2.7 纳米Fe₃O₄颗粒的晶体结构分析
• 2.2.2.8 磁学性能表征
• 第三章 结果与讨论（一）——高悬浮稳定性磁流体的制备
• 3.1 磁流体的制备
• 3.1.1 磁流体形成机制假设
• 3.1.2 磁流体形成机制的证明
• 3O₄ 颗粒吸附构型研究'>3.1.3 油酸分子与纳米Fe₃O₄颗粒吸附构型研究
• 第四章 结果与讨论（二）——一步细乳液聚合法制备磁性复合微球
• 4.1 磁场分选对磁性微球粒径的调控影响
• 4.2 磁性复合微球粒径大小与磁性物质含量的关系研究
• 第五章 结果与讨论（三）——双细乳法制备单分散、高饱和磁化强度磁性复合微球及其反应机理研究
• 5.1 双细乳法制备单分散、高饱和磁化强度纳米磁性复合微球
• 5.1.1 一步细乳液聚合法与双细乳液聚合法制备磁性复合微球的对比分析
• 5.1.2 表面活性剂浓度对微球粒径的影响
• 5.1.3 超声功率对磁细乳制备的影响
• 5.1.4 磁流体的浓度与磁微球各项性质的影响研究
• 5.1.5 磁流体的分散状况对磁微球的影响研究
• 5.1.6 St 单体液滴的大小、均匀程度等对磁微球的影响研究
• 3 对聚合的阻聚作用以及温度对聚合反应的影响研究'>5.2 FeCl₃对聚合的阻聚作用以及温度对聚合反应的影响研究
• 5.2.1 反应温度对磁性复合微球制备的影响研究
• 3 对聚合的阻聚作用研究'>5.2.2 FeCl₃对聚合的阻聚作用研究
• 第六章 结果与讨论（四）——双细乳法制备核壳结构磁性复合微球以及表面功能化
• 6.1 表面功能化核壳复合微球的制备
• 6.1.1 核壳结构复合微球的制备
• 6.1.2 丙烯酸添加方式对聚合反应的影响
• 6.1.3 种子双细乳法制备羧基复合微球
• 6.2 磁细乳中辛烷对磁性复合微球形貌的影响
• 参考文献
• 第三篇 粒径单分散、高饱和磁化强度氧化硅磁微球的制备研究
• 第一章 前言
• 1.1 几种重要制备方法的比较与分析
• 1.2 本文的研究思路
• 3O₄/PS 聚合物磁性微球为核,联合溶胶-凝胶方法制备高饱和磁化强度、单分散粒径氧化硅磁性微球'>1.2.1 以Fe₃O₄/PS 聚合物磁性微球为核,联合溶胶-凝胶方法制备高饱和磁化强度、单分散粒径氧化硅磁性微球
• 1.2.2 以磁性颗粒聚集体为核，联合溶胶-凝胶方法制备高饱和磁化强度氧化硅磁性微球
• 第二章 实验部分
• 2.1 试验
• 2.1.1 药品与仪器
• 2.1.2 聚合物磁微球核的表面修饰与氧化硅磁微球的制备
• 3O₄ 颗粒球状聚集体与氧化硅磁微球的制备'>2.1.3 纳米Fe₃O₄颗粒球状聚集体与氧化硅磁微球的制备
• 2.1.3.1 阴离子表面活性剂组装球状磁性聚集体与氧化硅磁微球的制备
• 2.1.3.2 非离子表面活性剂组装球状磁性聚集体与氧化硅微球的制备
• 2.2 表征
• 2.2.1 表征仪器
• 2.2.2 制样方法与表征操作与条件
• 2.2.2.1 氧化硅磁性复合微球的粒径及微观结构表征
• 2.2.2.2 磁性复合微球的表面形貌表征
• 2.2.2.3 热失重分析
• 2.2.2.4 Zeta 电位分析
• 2.2.2.5 磁性复合微球氨基含量的表征
• 3O₄ 颗粒的晶体结构分析'>2.2.2.6 纳米Fe₃O₄颗粒的晶体结构分析
• 2.2.2.7 磁学性能表征
• 2.2.2.8 氧化硅磁性微球的比表面积、孔容、孔径分布分析
• 第三章 结果与讨论 （一）——单分散、高饱和磁化强度氧化硅磁性微球制备
• 3.1 阐述Sol-Gel 制备方法中关键因素
• 3.1.1 比表面积、孔容、孔径的调控
• 3.1.2 表面硅羟基数量的调控
• 3.2 不同磁性核对氧化硅磁性复合微球制备的影响
• 3.2.1 以聚合物磁微球为磁核结合改进的溶胶凝胶法制备氧化硅磁微球
• 3O₄ 颗粒球状聚集体为磁核结合改进的溶胶凝胶法制备氧化硅磁性微球'>3.2.2 以纳米Fe₃O₄颗粒球状聚集体为磁核结合改进的溶胶凝胶法制备氧化硅磁性微球
• 第四章 结果与讨论（二）——氧化硅壳层包覆影响因素研究
• 4.1 催化方式的对氧化硅磁性微球的影响研究
• 4.1.1 表面微观形貌分析
• 4.1.2 比表面积、孔容、孔径分布分析
• 4.1.3 表面硅羟基密度分析
• 4.2 溶剂的影响研究
• 4.3 醇／水比对氧化硅磁微球制备的影响研究
• 4.4 具有不同壳层厚度的硅磁微球的微观性能研究
• 4.4.1 硅磁微球的比表面积、孔容、孔径分布分析
• 4.4.2 表面硅羟基密度分析
• 4.5 前驱体种类对氧化硅磁性微球制备及性能的影响研究
• 4.5.1 MTMS 对微球表面性质的影响
• 4.5.1.1 比表面积、孔容、孔径分布分析
• 4.5.1.2 表面硅羟基密度分析
• 4.5.2 APS 对微球表面性质的影响
• 4.6 反应时间的影响研究
• 4.7 反应温度的影响研究
• 第五章 结果与讨论（三）——氧化硅磁性复合微球在外磁场作用下的组装行为研究
• 5.1 在外磁场作用下制备磁性氧化硅链状结构
• 5.2 磁致可调制光子晶体的初探
• 参考文献
• 第四篇 磁性微球在核酸分离与免疫检测中的应用初探
• 第一章 前言
• 1.1 氧化硅磁微球用于核酸提取
• 1.1.1 氧化硅吸附核酸原理
• 1.1.1.1 静电作用
• 1.1.1.2 疏水作用
• 1.1.1.3 氢键作用
• 1.2 磁性微球用免疫层析检测技术
• 1.3 本文的研究目标与思路
• 1.3.1 氧化硅磁微球用于核酸提取应用研究
• 1.3.2 功能聚合物微球用于免疫层析检测
• 第二章 实验部分
• 2.1 试验
• 2.1.1 药品与仪器
• 2.1.2 氧化硅磁微球用于核酸提取实验
• 2.1.2.1 核酸溶液配制
• 2.1.2.2 DNA 提取操作步骤
• 2.1.3 羧基磁微球用于免疫层析检测实验
• 2.1.3.1 免疫磁珠的制备
• 2.1.3.2 免疫层析试纸的构建
• 2.2 表征
• 2.2.1 表征仪器
• 2.2.2 制样方法与表征操作与条件
• 2.2.2.1 核酸纯度与浓度检测
• 2.2.2.2 琼脂糖凝胶电泳
• 2.2.2.3 BCA 试剂盒检测蛋白含量
• 2.2.2.4 免疫磁珠粒径表征
• 2.2.2.5 免疫层析磁信号定量检测
• 第三章 结果与讨论 （一）——氧化硅磁微球用于核酸提取应用研究
• 3.1 氧化硅磁微球表面微观结构和特性与核酸分子的相互作用研究
• 3.1.1 氧化硅磁微球比表面积对提取DNA 分子的影响
• 3.1.2 氧化硅磁微球孔容对提取DNA 的影响
• 3.1.3 氧化硅磁微球孔径对提取DNA 的影响
• 3.1.4 氧化硅磁微球表面硅羟基密度对提取DNA 的影响
• 3.2 氧化硅磁性微球对质粒DNA 分子的提取应用研究
• 3.2.1 盐酸胍浓度对质粒DNA 提取得率的影响
• 3.2.2 pH 值对DNA 提取效率的影响
• 3.2.3 离子强度对质粒DNA 提取效率的影响
• 3.2.4 磁珠用量对DN A 提取效率的影响
• 3.2.5 不同方法提取质粒DNA 比较
• 3.3 氧化硅磁性微球对全血基因组DNA 提取应用研究
• 3.3.1 磁珠用量对提取DNA 的影响
• 3.3.2 盐酸胍离盐液浓度对提取效果的影响
• 第四章 结果与讨论（二）——羧基磁微球用于免疫层析检测
• 4.1 以hCG 为模式的磁性免疫层析定性检测
• 4.2 以hCG 为模式的磁性免疫层析定量检测
• 参考文献
• 第五篇 全文总结
• 攻读博士期间发表论文与专利
• 致谢