本發(fā)明涉及一種功能化介孔硅基材料，還涉及該材料的制備方法和應用，屬于功能材料領域。

背景技術：

介孔硅膠具有大表面積、易功能化修飾和穩(wěn)定性好等特點，在樣品前處理領域有著良好應用前景。作為吸附劑，材料的尺寸對萃取模式的選取有決定性影響。納米顆粒是分散固相萃取的良好吸附劑；尺寸較大(>10μm)的顆粒則可作為裝填型固相萃取的吸附劑。裝填型固相萃取相比分散固相萃取無需繁瑣耗時的高速離心步驟，具有操作簡單、快速、易微型化的特點。當前，功能化介孔硅膠納米顆粒的制備已較成熟。但是，尺寸較大(>10μm)的功能化介孔硅膠顆粒仍然存在制備困難的問題，難以獲得同時具有大顆粒尺寸、高比表面積和均勻修飾的功能化介孔硅膠，這嚴重限制了功能化介孔硅膠在樣品前處理領域的應用和發(fā)展。

合成介孔硅膠的方法主要可分為溶膠凝膠法和偽晶合成法。文獻報道的溶膠-凝膠法是使硅源前驅體水解縮聚并與模板劑自組裝合成介孔硅膠，主要用于合成納米尺寸到亞微米尺寸的顆粒。偽晶合成法是將非介孔硅膠轉換為介孔硅膠的方法，對顆粒尺寸無特定要求，適于大尺寸(>10μm)顆粒的合成。

當前，合成大尺寸功能化介孔硅基材料的一般策略是采用偽晶合成法先制備大尺寸介孔硅膠，再利用后接枝法在在已制備好的介孔硅膠表面修飾功能化基團。但是，該策略存在的問題是：由于硅基材料顆粒尺寸大，介孔孔道相對較長，修飾基團在孔道內(nèi)外分布不均勻，尤其是孔道深處難以實現(xiàn)有效修飾。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種功能化介孔硅基材料，顆粒尺寸大，比表面積大，介孔豐富，功能化修飾基團分布均勻且含量高。

本發(fā)明的另一發(fā)明目的是提供上述功能化介孔硅基材料的制備方法，首次結合溶膠凝膠法和共沉淀法制得大顆粒功能化介孔硅基材料，方法簡單，原料價廉易得，易大批量合成。

本發(fā)明為解決所提出的上述技術問題，所采用的技術方案為：

一種功能化介孔硅基材料，主要由聚乙烯亞胺和硅膠組成，顆粒尺寸為20μm～100μm，比表面積250～420m²/g，介孔孔徑分布范圍為2～15nm，最可幾孔徑為5.0～5.5nm。

按上述方案，所述功能化介孔硅基材料按照質(zhì)量百分比計，其中聚乙烯亞胺含量為13～30wt％。

按上述方案，所述介孔的最可幾孔徑為5.3～5.4nm。

上述功能化介孔硅基材料的制備方法，主要包括如下兩步：

第一步：在溶劑中，以酸為催化劑，以十六烷基三甲基溴化銨作為模板劑，正硅酸乙酯作為硅源前驅體發(fā)生預水解反應，得到預水解反應后的溶液；

第二步：將步驟1)所得預水解反應后的溶液中加入聚乙烯亞胺，引發(fā)體系中有機組分及無機組分發(fā)生共縮聚和共沉淀反應，過濾洗滌后，即得到聚乙烯亞胺修飾的介孔硅基材料，即功能化介孔硅基材料。

按上述方案，所述預水解反應的溫度為15～30℃，時間為1～5h。預水解反應優(yōu)選在攪拌條件下進行。

按上述方案，所述溶劑為乙醇與水的混合溶液，混合體積比為(1～3):2。

按上述方案，所述酸為濃磷酸，含85wt％H₃PO₄的粘稠狀濃溶液。

按上述方案，所述預水解反應中，正硅酸乙酯與十六烷基三甲基溴化銨的摩爾比為10:1～60:1，正硅酸乙酯與反應溶劑(乙醇與水混合溶劑)的質(zhì)量比為3:4～5:4，正硅酸乙酯與濃磷酸的質(zhì)量比為50:1～150:1。

按上述方案，所述聚乙烯亞胺和正硅酸乙酯的質(zhì)量比為1/10～3/10。

按上述方案，所述聚乙烯亞胺的平均分子量為50～100kDa。

按上述方案，所述聚乙烯亞胺以水溶液形式加入，其水溶液濃度優(yōu)選為25～75wt％。

按上述方案，所述第二步中的反應時間為0.5～5h，反應優(yōu)選在攪拌條件下進行。

按上述方案，所述洗滌分別采用硝酸銨的乙醇溶液和乙醇、水等。其中，用硝酸銨的乙醇溶液提取并除去反應產(chǎn)物中十六烷基三甲基溴化銨。

本發(fā)明所述的功能化介孔硅基材料具有大顆粒尺寸(20μm～100μm)和大比表面積，可以作為微型化裝填型固相萃取的吸附劑來應用。

同時，本發(fā)明所述的功能化介孔硅基材料中聚乙烯亞胺鏈上每三個原子就有一個氮原子，擁有極其豐富的可質(zhì)子化胺基，可以作為一種良好的陰離子交換材料來應用。應用方法可以為：將本發(fā)明所述功能化介孔硅基材料裝填于吸頭內(nèi)，制得介孔硅基材料的功能化吸頭，例如用于復雜樣品中磷酸化多肽的快速富集。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明所述的功能化介孔硅基材料，顆粒尺寸大，比表面積大，介孔豐富，功能化修飾基團分布均勻且含量高，聚合物含量可達30wt％左右；

2、本發(fā)明首次結合溶膠凝膠法和共沉淀法制得大顆粒的功能化介孔硅基材料，使聚乙烯亞胺參與到介孔硅膠形成過程中的水解-縮聚反應，直接合成目標產(chǎn)物，制備方法簡單，易大批量合成，原料價廉易得；

3、本發(fā)明中巧妙地利用高分子量聚乙烯亞胺獨特的性質(zhì)，其在合成中起到四個作用：功能化修飾試劑、硅源水解-縮聚反應催化劑、顆粒形成模板劑、介孔形成模板劑，有效保證形成大尺寸顆粒產(chǎn)物，并形成豐富的介孔結構；

4、本發(fā)明所述的功能化介孔硅基材料可以作為微型化裝填型固相萃取的吸附劑、良好的陰離子交換材料，應用廣泛，效果突出。

附圖說明

圖1為實施例1中的聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料的合成機理示意圖。其中TEOS為正硅酸乙酯，CTAB為十六烷基三甲基溴化銨，PEI為聚乙烯亞胺，PFMS為功能化介孔硅基材料。

圖2為實施例1中聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料的掃描電鏡圖。

圖3為實施例1中聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料的氮吸附-脫附等溫曲線和孔徑分布圖。

圖4為實施例2中聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料功能化吸頭的照片。

圖5為實施例3中聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料功能化吸頭富集β-酪蛋白與牛血清白蛋白混合酶解物的質(zhì)譜圖。其中，a、c、e為混合蛋白酶解物直接分析的質(zhì)譜圖；b、d、f為功能化吸頭富集后的質(zhì)譜圖；“β1～β5”標記表示磷酸化多肽信號；β-casein/BSA為β酪蛋白/牛血清白蛋白混合酶解物。

圖6為實施例3中聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料功能化吸頭富集牛奶酶解物和人血清中磷酸化多肽的質(zhì)譜圖。其中a、c分別為牛奶酶解物和人血清直接分析的質(zhì)譜圖；b、d分別為牛奶酶解物和人血清采用功能化吸頭富集后的質(zhì)譜圖；“β1～β5”、“α1～α14”和“F1～F4”標記表示磷酸化多肽信號。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明不僅僅局限于下面的實施例。

本發(fā)明所述功能化介孔硅基材料形成機理如圖1所示。首先，在磷酸催化下，正硅酸乙酯發(fā)生預水解并與模板劑十六烷基三甲基溴化銨自組裝形成溶膠體系。由于酸性適中的磷酸只能催化硅源發(fā)生預水解而難以催化后續(xù)的縮聚反應，該溶膠體系穩(wěn)定，無凝膠化現(xiàn)象。接著，加入聚乙烯亞胺后，引發(fā)體系中有機組分及無機組分的共縮聚和共沉淀反應，溶膠體系凝膠化，固體產(chǎn)物析出。在制備過程中聚乙烯亞胺的作用如下：(1)在聚乙烯亞胺的骨架結構中，每三個原子就有一個可質(zhì)子化的氮原子，這使得該聚合物具有明顯的堿性。本發(fā)明中的聚乙烯亞胺水溶液pH值約為10，故聚乙烯亞胺作為硅源水解-縮聚的堿性催化劑；(2)在聚乙烯亞胺鏈上帶有豐富的伯氨基和仲氨基，這兩個基團都具有高反應活性，易與硅羥基發(fā)生交聯(lián)，促使硅源與聚乙烯亞胺發(fā)生共縮聚反應，起到功能化修飾劑的作用；(3)本發(fā)明所選聚乙烯亞胺分子量較高(70kDa)，且聚乙烯亞胺在酸(磷酸)存在時會發(fā)生凝膠化現(xiàn)象，當硅源與聚乙烯亞胺共聚合和共沉淀時，容易形成大尺寸顆粒產(chǎn)物，起到顆粒形成模板劑的作用；(4)聚乙烯亞胺是由非極性的乙烯基和極性的氨基組成，是一種陰離子表面活性劑，可與十六烷基三甲基溴化銨共同參與介孔結構的形成，起到介孔形成模板劑的作用。

下述實施例中采用的聚乙烯亞胺的平均分子量為70kDa。

實施例1

一種功能化介孔硅基材料，其制備方法的步驟如下：

第一步：將0.5g十六烷基三甲基溴化銨溶解于7.5mL乙醇和7.5mL去離子水的混合溶液，然后加入15g正硅酸乙酯(正硅酸乙酯與十六烷基三甲基溴化銨的摩爾比52.6:1)，并滴加0.2mL濃磷酸；在室溫下攪拌2h，得到預水解反應后的溶液；

第二步：將第一步所得預水解反應后的溶液中加入50wt％聚乙烯亞胺的水溶液3g，引發(fā)體系中有機組分及無機組分發(fā)生共縮聚和共沉淀反應，再攪拌3h；將反應后所得固體產(chǎn)物過濾出來后用去離子水和乙醇清洗，得到粗產(chǎn)物；

第三步：為除去反應產(chǎn)物中的十六烷基三甲基溴化銨，將粗產(chǎn)物分散于50mL含0.2wt％硝酸銨的乙醇溶液中并在60℃下回流0.5h，重復進行6次該提取步驟；最后，將產(chǎn)物用去離子水清洗2次后干燥，即得到聚乙烯亞胺修飾的介孔硅基材料，即功能化介孔硅基材料。

實施例2

本實施例與實施例1的不同之處在于：50wt％聚乙烯亞胺的水溶液的加入量為6g。

實施例3

本實施例與實施例1的不同之處在于：50wt％聚乙烯亞胺的水溶液的加入量為9g。

通過掃描電子顯微鏡對實施例1～3制備的功能化介孔硅基材料進行表征，結果如圖2所示，其中圖2a、2b、2c分別對應與實施例1～3，可知：實施例1～3中所得功能化介孔硅基材料的聚乙烯亞胺含量不同，但是均由20～100μm的顆粒組成。

對實施例1-3制備的功能化介孔硅基材料進行氮氣吸附/脫附測試，結果如圖3所示，氮氣吸附/脫附等溫線均為IV型，表明實施例1-3中所得功能化介孔硅基材料具有典型的介孔結構特征，計算得到比表面積分別為404m²/g、286m²/g、261m²/g，即材料比表面積分布范圍為261～404m²/g；介孔孔徑分布范圍為2～15nm，最可幾孔徑分別為5.4nm、5.3nm、5.3nm，介孔結構保持一致。

對實施例1-3制備的功能化介孔硅基材料進行熱重分析，結果顯示材料熱失重分別為15.8wt％、24.4wt％、30.4wt％，即聚乙烯亞胺含量為15.8～30.4wt％；而對實施例1-3制備的功能化介孔硅基材料進行元素分析，結果顯示材料中4.3wt％，7.2wt％，9.3wt％，含氮量分布范圍為4.3～9.3wt％，換算成聚乙烯亞胺含量為13.2％～28.6wt％，與熱重分析結果比較一致，聚乙烯亞胺含量較高。

實施例4

本實施例與實施例1的不同之處在于：乙醇加入量為5mL；去離子水加入量為10mL；濃磷酸加入量為0.1mL；第一步反應時間為5h；75wt％聚乙烯亞胺的水溶液2g。

實施例5

本實施例與實施例1的不同之處在于：十六烷基三甲基溴化銨加入量為2g(正硅酸乙酯與十六烷基三甲基溴化銨的摩爾比13.2:1)；乙醇加入量為12mL；去離子水加入量為8mL；濃磷酸加入量為0.3mL；25wt％聚乙烯亞胺的水溶液6g，第二步反應時間為1h。

應用例

以實施例3制備的聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料為例，制備功能化吸頭

具體步驟如下：首先，將0.3mg脫脂棉填入200-μL吸頭前端(距吸頭尖端5mm處)；接著，加入1mg聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料作為吸附劑；最后，在吸附劑上端填入0.5mg脫脂棉，所得功能化吸頭如圖3所示。

將上述聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料功能化吸頭用于磷酸化多肽富集

將該功能化吸頭連接至移液器后，以簡單的抽/推操作進行磷酸化多肽富集實驗，具體實驗參數(shù)為：上樣體積、清洗體積和解吸體積均為50μL；上樣溶劑和清洗溶劑為ACN/0.2％FA(1/1,v/v)，解吸溶劑為ACN/5％NH₃·H₂O(1/1,v/v)；每個步驟抽/推次數(shù)為20次。

將上述所得解吸液旋干后用2μL基質(zhì)溶液(20mg/mL 2,5-二羥基苯甲酸溶解于ACN/H₂O/H₃PO₄(50/49/1,v/v/v))重新溶解，取1μL滴在MALDI靶板上，室溫晾干后進行MALDI-TOF分析。

考察了上述方法在β酪蛋白/牛血清白蛋白混合酶解物、脫脂牛奶酶解物和血清中磷酸化多肽的富集性能。圖5為不同比例的β酪蛋白/牛血清白蛋白混合酶解物富集前后質(zhì)譜圖；圖6a和6b為脫脂牛奶酶解物富集前后質(zhì)譜圖；圖6c和6d為血清富集前后質(zhì)譜圖。結果表明：在這些復雜樣品中，由于非磷酸化多肽的信號抑制，未富集的樣品均存在磷酸化多肽檢測困難的問題，而經(jīng)過聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料富集后均可以檢測到豐富的磷酸化多肽信號且無明顯非磷酸化多肽信號，說明聚乙烯亞胺修飾介孔硅基材料功能化吸頭可用于復雜樣品中磷酸化多肽的快速富集。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。