磁性微球、制备方法及应用与流程

1.本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种磁性微球、制备方法及应用。


背景技术：

2.将磁性纳米材料制备的磁性微球应用于核酸提取，是核酸提取纯化技术的一次飞跃性的突破，核酸提取技术开始向高通量和全自动化方向进行发展。相比于传统的核酸提取方法，磁珠法核酸提取具有高效率、高通量、易于自动化等优点。作为核酸提取的固相载体，磁性微球对核酸提取效果有着决定性的影响。
3.目前用于核酸提取的磁性粒子或磁性微球，主要以超顺磁性二氧化硅微球为主，内核为超顺磁性四氧化三铁，外层包覆一层二氧化硅；也有少部分羧基磁珠、纤维素磁珠、琼脂糖磁珠等不同聚合物包覆层的磁珠应用于核酸提取。磁性二氧化硅具有非常好的物理稳定性和化学稳定性，二氧化硅能屏蔽化学试剂对内核四氧化三铁的影响，防止被酸腐蚀，同时保护四氧化三铁不被氧化，使磁珠能够长期保持较强的磁响应性能；二氧化硅层表面富含硅羟基，能在特定的溶液中高效结合核酸，在磁分离的作用下实现核酸的分离纯化。
4.磁性微球的粒径大小、磁含量对磁性微球的应用有极大的影响。磁性微球粒径小，比表面积大，在提取小片段核酸方面有优势，可以结合较多的核酸，但磁吸性能弱；磁性微球粒径大，磁吸性能好，能够分离大片段核酸或完整基因组，但比表面积下降后核酸载量有所降低；同时，磁含量越高，磁性微球磁吸性能越好，便于快速磁分离。针对不同的核酸样本和后期应用，可采用不同粒径的磁性微球来满足相应的要求。但是，传统的制备方法不可控，因而仅能够制备出小粒径的磁性微球，无法满足大粒径磁性微球的生产和使用需求。


技术实现要素：

5.基于此，提供一种粒径可控的、既能够制备小粒径，也能够制备大粒径的磁性微球的制备方法以及得到的磁性微球及应用。
6.本发明的第一目的在于提供一种磁性微球的制备方法，包括以下步骤：
7.将表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子与聚丙烯酸溶液混合，搅拌，使所述表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子与聚丙烯酸自组装为纳米复合粒子；
8.在所述纳米复合粒子表面包覆二氧化硅。
9.本发明的第二目的在于提供所述的磁性微球的制备方法制备得到的磁性微球。
10.本发明的第三目的在于提供一种磁性微球，包括内核和包覆在所述内核外的二氧化硅，所述内核为包括表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子与聚丙烯酸的原料形成的自组装颗粒。
11.本发明的第四目的在于提供一种核酸提取方法，采用所述的磁性微球进行核酸提取。
12.本发明将表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁和聚丙烯酸溶液以一定的比例在搅拌条件下混合均匀，从而使得表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁和聚丙烯酸在静电作用力
下自组装，形成纳米复合粒子；然后在纳米复合粒子上包覆二氧化硅，从而得到高磁含量的磁性微球。本发明的优势在于通过静电自组装作用使得一个或多个纳米四氧化三铁与聚丙烯酸自组装聚合自组装成球，通过调节表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁与聚丙烯酸的比例，以及调节加入的聚丙烯酸的分子量可以控制磁性微球的粒径。相对于现有技术，本发明具有至少以下所列的积极效果：可制备出多种尺寸的磁性微球，满足不同的应用要求，不仅可以制备小尺寸，还可制备大尺寸磁性微球，大尺寸的磁含量可达到80％，实现快速、高效地磁吸分离；制备工艺简单，条件温和，产率高，原料成本低，反应时间短，利于工业化大规模生产；作为一种核酸提取磁性微球，分散性好，磁响应快，适合在全自动化核酸提取仪上应用。
附图说明
13.图1为本发明实施例1所示的磁性微球的透射电镜图；
14.图2为本发明实施例2所示的磁性微球的透射电镜图；
15.图3为本发明对比例3所示的磁性微球的光学显微镜图片；
16.图4为本发明对比例1所示的磁性微球的透射电镜图；
17.图5为对比例2所示的磁性微球的透射电镜图；
18.图6为实施例1和实施例2所制备的磁性微球提取核酸的琼脂糖凝胶电泳图。
具体实施方式
19.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
20.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
21.本发明中，“第一方面”、“第二方面”、“第三方面”等仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性或数量，也不能理解为隐含指明所指示的技术特征的重要性或数量。
22.本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
23.本发明中，除了在操作实施例中所示以外或另外表明之外，所有在说明书和权利要求中表示成分的量、物化性质等所使用的数字理解为在所有情况下通过术语“约”来调整。因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值，本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性，适当改变这些近似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围，例如，1至5包括1、1.1、1.3、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5等等。涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
24.第一方面，本发明实施例提供一种磁性微球的制备方法，包括以下步骤：
25.将表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子与聚丙烯酸溶液混合，搅拌，使所述表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子与聚丙烯酸自组装为纳米复合粒子；
26.在所述纳米复合粒子表面包覆二氧化硅。
27.本发明实施例将表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁和聚丙烯酸溶液以一定的比例在搅拌条件下混合均匀，从而使得表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁和聚丙烯酸在静电作用力下自组装，形成纳米复合粒子；然后在纳米复合粒子上包覆二氧化硅，从而得到高磁含量的磁性微球。本发明的优势在于通过静电自组装作用使得一个或多个纳米四氧化三铁与聚丙烯酸自组装聚合自组装成球，通过调节表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁与聚丙烯酸的比例，以及调节加入的聚丙烯酸的分子量可以控制磁性微球的粒径。相对于现有技术，本发明具有至少以下所列的积极效果：可制备出多种尺寸的磁性微球，满足不同的应用要求，不仅可以制备小尺寸，还可制备大尺寸磁性微球，大尺寸的磁含量可达到80％，实现快速、高效地磁吸分离；制备工艺简单，条件温和，产率高，原料成本低，反应时间短，利于工业化大规模生产；作为一种核酸提取磁性微球，分散性好，磁响应快，适合在全自动化核酸提取仪上应用。
28.在本发明中，纳米四氧化三铁粒子通过表面氨基化得到表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子。其表面氨基化修饰方法为常规方法，没有具体限制，目的是为了获得表面氨基，只要能够实现氨基化修饰的方式都在本发明保护范围内。
29.在一些实施方式中，所述表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子的制备方法包括：
30.将纳米四氧化三铁粒子分散在乙醇水溶液中，与氨丙基三乙氧基硅烷混合后进行搅拌；
31.优选的，所述氨丙基三乙氧基硅烷与所述纳米四氧化三铁粒子的摩尔比为(5～20):100。具体的，氨丙基三乙氧基硅烷与纳米四氧化三铁粒子的质量比可以为5:100、6:100、7:100、8:100、9:100、10:100、11:100、12:100、13:100、14:100、15:100、16:100、17:100、18:100、19:100、20:100。
32.优选的，与氨丙基三乙氧基硅烷混合后进行搅拌可以在15℃～30℃下进行。
33.在本发明中，纳米四氧化三铁粒子的制备方法为常规方法，没有具体限制，只要能够实现氨基化修饰的方式都在本发明保护范围内。
34.在一些实施方式中，以三价铁盐、二价铁盐为原料，氨水为碱源，去离子水为溶剂，采用化学共沉淀法制备纳米四氧化三铁粒子。具体的，fe
3
与fe
2
的摩尔比可以为1.5～2。具体的，氨水与fe
3
和fe
2
之和的比值大于或等于1.5，以保证能提供足够的碱源。加入铁盐的浓度可根据实际需求的四氧化三铁产量来调整。反应的温度可以为55～65℃，反应时间可以为0.5h～1.5h。
35.优选的，可包括在对纳米四氧化三铁粒子进行氨基化修饰之前，将纳米四氧化三铁粒子产物用50％乙醇水溶液进行磁分离洗涤，直至洗涤液呈中性的步骤，通过该步骤有利于后续反应的进行。
36.通过调节修饰有氨基的纳米四氧化三铁和聚丙烯酸的比例以及加入的聚丙烯酸的分子量可以控制纳米四氧化三铁粒子与聚丙烯酸的自组装是否能够完成以及进而控制
得到的磁性微球的粒径。
37.在一些实施方式中，所述聚丙烯酸与所述表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子的质量比为(0.1～5):100。具体的，聚丙烯酸与表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子的质量比可以为0.1:100、0.2:100、0.3:100、0.4:100、0.5:100、0.6:100、0.7:100、0.8:100、0.8:100、1:100、1.5:100、2:100、2.5:100、3:100、3.5:100、4:100、4.5:100、5:100。
38.在一些实施方式中，所述聚丙烯酸的相对分子质量为600～5000。具体的，聚丙烯酸的相对分子质量可以为600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000。
39.在一些实施方式中，所述搅拌的速度为150r/min～600r/min。具体的，其搅拌速度可以实施为150r/min、200r/min、250r/min、300r/min、350r/min、400r/min、450r/min、500r/min、550r/min、600r/min。
40.在一些实施方式中，聚丙烯酸溶液通过滴加方式与表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子混合。具体的，可以用滴液漏斗滴或蠕动泵加将聚丙烯酸溶液滴加到表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子的分散液的反应釜中。
41.具体的，表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子与聚丙烯酸溶液混合的可以步骤包括：
42.将所述聚丙烯酸溶液滴加到盛置有所述表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子的分散液的反应容器中。
43.在一些实施方式中，所述聚丙烯酸溶液中的聚丙烯酸的质量浓度为0.02％～10％。具体的，聚丙烯酸的质量浓度可以为0.02％、0.04％、0.06％、0.08％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％。这里，质量浓度为1％指的是1g/100ml。
44.在一些实施方式中，表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子的分散液的浓度可以为0.2g/l～5g/l。例如为0.2g/l、0.4g/l、0.6g/l、0.8g/l、1g/l、2g/l、3g/l、4g/l、5g/l。
45.优选的，还包括滴加聚丙烯酸溶液完成反应后，对得到的产物进行磁分离洗涤的步骤，通过磁分离洗涤有利于后续反应的进行。
46.在一些实施方式中，采用正硅酸四乙酯对纳米复合粒子进行包覆以形成二氧化硅层。在所述纳米复合粒子表面包覆二氧化硅的步骤可以包括：将所述纳米复合粒子与正硅酸四乙酯在氨水中混合得到反应液，然后进行反应。反应液中纳米复合粒子质量浓度不宜过高，浓度过高会导致溶液黏度变大影响分散，进而会影响包覆产品的性质。在一实施例中，所述纳米复合粒子在所述反应液中的质量浓度可以为1％～15％。具体的，纳米复合粒子在反应液中的质量浓度可以为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％。这里，质量浓度为1％指的是1g/100ml。
47.正硅酸四乙酯包覆量影响磁性微球表面包覆结构的完整性。在一些实施方式中，所述正硅酸四乙酯与所述纳米复合粒子的质量比为(0.5～10):1。具体的，正硅酸四乙酯与纳米复合粒子的质量比可以为0.5:1、1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1、10:1。
48.第二方面，本发明实施例提供了上述任一实施方式的磁性微球的制备方法制备得到的磁性微球。
49.本发明制备的磁性微球可以为纳米级或者微米级，例如几十纳米至几十微米。在一些实施方式中，所述磁性微球的粒径为10nm～10μm。具体可以为20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm。
50.第三方面，本发明实施例提供了拥有上述特征的磁性微球，包括内核和包覆在所述内核外的二氧化硅，所述内核为包括表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁粒子与聚丙烯酸的原料形成的自组装颗粒。
51.第四方面，本发明实施例提供一种核酸提取方法，采用上述任意的磁性微球进行核酸提取。
52.所述核酸可以为脱氧核糖核酸或核糖核酸。
53.以下结合具体实施例进行说明。
54.实施例1
55.本实施例为磁性微球的一个具体实施方式，具体通过以下过程完成：
56.1.分别称取氯化铁14.2g和氯化亚铁6.3g，溶解于90ml的去离子水中，加入到反应釜中，在无氧条件下，高速搅拌；
57.2.加入50ml氨水，60℃反应1h后，反应结束，将产物用50％乙醇水溶液进行磁分离洗涤，直至洗涤液呈中性；
58.3.取步骤2中制备的纳米四氧化三铁2g，分散在40ml乙醇和10ml纯水的混合液中，加入200μl氨丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌反应3h；
59.4.反应结束后用纯水洗涤3次，得到表面修饰有氨基的纳米四氧化三铁；
60.5.取步骤4中的表面修饰有氨基的四氧化三铁1.5g，分散在50ml纯水中，加入到反应釜中高速搅拌分散；
61.6.取2ml 0.1％聚丙烯酸(分子量m.w 2000)溶液滴加到反应釜中，高速搅拌分散，转速400rpm/min，25℃反应1h；
62.7.反应结束后用纯水将产物进行洗涤数次，得到纳米复合粒子，保存于乙醇中；
63.8.取步骤7中制备的纳米复合粒子0.8g分散在100ml乙醇水溶液中，加入到反应釜中，乙醇：水体积比9:1，加入1.86g正硅酸四乙酯和0.5ml氨水，25℃反应3h；反应结束后用乙醇和纯水多次洗涤，得到产物磁性微球。磁性微球的透射电镜图如图1所示，其粒径大约为0.1～0.3μm。
64.实施例2
65.本实施例为磁性微球的一个具体实施方式，具体通过以下过程完成：
66.1.分别称取氯化铁14.2g和氯化亚铁6.3g，溶解于90ml的去离子水中，加入到反应釜中，在无氧条件下，高速搅拌；
67.2.加入50ml氨水，60℃反应30min后，反应结束，将产物用50％乙醇水溶液进行磁分离洗涤，直至洗涤液呈中性；
68.3.取步骤2中制备的纳米四氧化三铁2g，分散在40ml乙醇和10ml纯水的混合液中，加入200μl氨丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌反应3h；
69.4.反应结束后用纯水洗涤3次，得到表面修饰有氨基的四氧化三铁；
70.5.取步骤4中制备的表面修饰有氨基的四氧化三铁2g，分散在50ml纯水中，加入到
反应釜中高速搅拌分散；
71.6.取5ml 0.1％聚丙烯酸(分子量m.w 600)溶液滴加到反应釜中，高速搅拌分散，转速400rpm/min，25℃反应1h；
72.7.反应结束后用纯水将产物进行洗涤数次，得到纳米复合粒子，保存于乙醇中；
73.8.取步骤7中制备的纳米复合粒子1g分散在100ml乙醇水溶液中，加入到反应釜中，乙醇：水体积比9:1，加入1.86g正硅酸四乙酯和0.5ml氨水，25℃反应3h；反应结束后用乙醇和纯水多次洗涤，得到产物磁性微球。磁性微球的透射电镜图如图2所示，其粒径大约为0.1～0.4μm。
74.实施例3
75.本实施例为磁性微球的一个具体实施方式，具体通过以下过程完成：
76.1.分别称取氯化铁14.2g和氯化亚铁6.3g，溶解于90ml的去离子水中，加入到反应釜中，在无氧条件下，高速搅拌；
77.2.加入50ml氨水，60℃反应30min后，反应结束，将产物用50％乙醇水溶液进行磁分离洗涤，直至洗涤液呈中性；
78.3.取步骤2中制备的纳米四氧化三铁2g，分散在40ml乙醇和10ml纯水的混合液中，加入200μl氨丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌反应3h；
79.4.反应结束后用纯水洗涤3次，得到表面修饰有氨基的四氧化三铁；
80.5.取步骤4中制备的表面修饰有氨基的四氧化三铁2g，分散在50ml纯水中，加入到反应釜中高速搅拌分散；
81.6.取8ml 0.02％聚丙烯酸(分子量m.w 5000)溶液滴加到反应釜中，高速搅拌分散，转速500rpm/min，25℃反应1h；
82.7.反应结束后用纯水将产物进行洗涤数次，得到纳米复合粒子，保存于乙醇中；
83.8.取步骤7中制备的纳米复合粒子1g分散在100ml乙醇水溶液中，加入到反应釜中，乙醇：水体积比9:1，加入1.86g正硅酸四乙酯和0.5ml氨水，25℃反应3h；反应结束后用乙醇和纯水多次洗涤，得到产物磁性微球。磁性微球的透射电镜图如图3所示，其粒径大约为2～3μm。
84.对比例1
85.本对比例制备磁性微球的具体步骤如下：
86.1.分别称取氯化铁14.2g和氯化亚铁6.3g，溶解于90ml的去离子水中，加入到反应釜中，在无氧条件下，高速搅拌；
87.2.加入50ml氨水，60℃反应1h后，反应结束，将产物用50％乙醇水溶液进行磁分离洗涤，直至洗涤液呈中性；
88.3.取步骤2中制备的纳米四氧化三铁2g，分散在40ml乙醇和10ml纯水的混合液中，加入200μl氨丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌反应3h；
89.4.反应结束后用纯水洗涤3次，得到表面修饰有氨基的四氧化三铁；
90.5.取步骤4中制备的表面修饰有氨基的四氧化三铁1.5g，分散在50ml纯水中，加入到反应釜中搅拌分散；
91.6.取1ml 0.001％聚丙烯酸(分子量m.w 600)溶液滴加到反应釜中，搅拌分散，转速100rpm/min，25℃反应1h；
92.7.反应结束后用纯水将产物进行洗涤数次，保存于乙醇中；
93.8.取步骤7中制备的产物0.8g分散在100ml乙醇水溶液中，加入到反应釜中，乙醇：水体积比9:1，加入1.86g正硅酸四乙酯和0.5ml氨水，25℃反应3h；反应结束后用乙醇和纯水多次洗涤，得到产物，但四氧化三铁纳米粒子彼此粘连，无法聚集成球。产物的透射电镜图如图4所示。
94.对比例2
95.本对比例制备磁性微球的具体步骤如下：
96.1.分别称取氯化铁14.2g和氯化亚铁6.3g，溶解于90ml的去离子水中，加入到反应釜中，在无氧条件下，高速搅拌；
97.2.加入50ml氨水，60℃反应1h后，反应结束，将产物用50％乙醇水溶液进行磁分离洗涤，直至洗涤液呈中性；
98.3.取步骤2中制备的纳米四氧化三铁2g，分散在40ml乙醇和10ml纯水的混合液中，加入200μl氨丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌反应3h；
99.4.反应结束后用纯水洗涤3次，得到表面修饰有氨基的四氧化三铁；
100.5.取步骤4中制备的表面修饰有氨基的四氧化三铁1.5g，分散在50ml纯水中，加入到反应釜中高速搅拌分散；
101.6.取10ml 1％聚丙烯酸(分子量m.w 20000)溶液滴加到反应釜中，搅拌分散，转速100rpm/min，25℃反应1h；
102.7.反应结束后用纯水将产物进行洗涤数次，保存于乙醇中；
103.8.取步骤7中制备的产物0.8g分散在100ml乙醇水溶液中，加入到反应釜中，乙醇：水体积比9:1，加入1.86g正硅酸四乙酯和0.5ml氨水，25℃反应3h；反应结束后用乙醇和纯水多次洗涤，得到磁性产物，但团聚体无法分散成磁性微球。产物的透射电镜图如图5所示。
104.试验例：
105.利用本发明实施例1和实施例2得到的磁性微球对唾液样本进行核酸提取，具体步骤如下：
106.1.向1.5ml离心管中加入400μl唾液样本、20μl蛋白酶k溶液，以及200μl裂解液，涡旋混匀；
107.2.将离心管于55℃温浴10min，期间每隔5min摇晃混均一次；
108.3.向上述离心管中加入350μl异丙醇，再加入50μl磁性微球溶液，涡旋震荡3min混匀后静置2min。
109.4.将离心管置于磁力架上静置30s至磁性微球吸附完全，用移液枪去掉上清液；
110.5.向1.5ml离心管中加入800μl洗涤液i，将1.5ml离心管从磁力架上取下，用移液枪吹散磁性微球，涡旋震荡2min，磁性分离去掉上清液；
111.6.使用800μl洗涤液ii重复步骤5一次；
112.7.保持离心管于磁性分离器上，于是室温下开盖静置10min后，取下离心管；
113.7.加入100μl洗脱液，涡旋震荡1min使磁珠充分悬浮，于65℃加热10min后，将离心管置于磁性分离器上直至溶液澄清，转移上清液至新的1.5ml离心管中，得到纯化的dna。
114.8.将得到的dna溶液进行琼脂糖电泳，核酸提取效果如图6所示，结果表明实施例1和实施例2制备的磁性微球提取核酸平行组效果均较好。
115.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
116.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。