На правах рукописи

ГЕРВАЛЬД АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

Синтез магнитсодержащих полистирольных микросфер

Специальности: 02.00.06 – высокомолекулярные соединения

02.00.11 – коллоидная химия и физико-химическая механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА 2008 www.sp-department.ru 2

Работа выполнена в Московской государственной академии тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова на кафедре «Химия и технология высокомолекулярных соединений им. С.С. Медведева»

Научные руководители: Заслуженный деятель науки РФ, доктор химических наук, профессор ГРИЦКОВА Инесса Александровна доктор химических наук, профессор ПРОКОПОВ Николай Иванович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор ЧАЛЫХ Анатолий Евгеньевич доктор химических наук, профессор ШТИЛЬМАН Михаил Исаакович

Ведущая организация:

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Защита состоится «20» ноября 2008 г. в 1500 на заседании Диссертационного Совета Д 212.120.04 в Московской государственной академии тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова по адресу: г. Москва, пр. Вернадского, д. 86, корп. Т, ауд. Т-410.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, д.

86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться на сайте www.mitht.ru и в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат размещен на сайте «10» октября 2008 г.

и разослан «9» октября 2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 212.120. доктор химических наук, профессор Грицкова И.А.

www.sp-department.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Магнитсодержащие полимерные микросферы являются перспективными системами для использования в различных областях медицины и биотехнологии. Актуальность их получения в широком интервале диаметров с комплексом необходимых свойств в настоящее время очевидна.

Известные способы получения магнитсодержащих полимерных микросфер позволяют синтезировать частицы различной структуры, но с диаметрами более 0. мкм. Получение магнитсодержащих полимерных микросфер с размерами в нанометровой области с высоким содержанием магнитного материала в литературе практически не описано, хотя они востребованы, например, в иммуномагнитометрическом анализе.

Цель работы. Синтез высокодисперсных магнитсодержащих полимерных микросфер с узким распределением частиц по размерам и высоким содержанием магнитного материала.

Научная новизна Впервые определены условия синтеза высокодисперсных наночастиц магнетита (~10 нм) с узким РЧР и высокой магнитной восприимчивостью: мольное соотношение солей железа (III) и (II) – 2.75:1, концентрация солей железа (III) и (II) – 1.0 мас. %, концентрация гидрата аммиака – 8 мас. %, температура - 40С.

Разработан новый метод получения дисперсии магнетита в стироле, основанный на гидрофобизации поверхности магнетита с последующим его диспергированием в мономере.

Исследованы кинетические закономерности полимеризации стирола в присутствии магнетита, которые позволили разработать рецептуру синтеза высокодисперсных магнитсодержащих полимерных микросфер.

Предложен новый механизм синтеза магнитсодержащих полимерных наносфер методом миниэмульсионной полимеризации.

Синтезированы функциональные магнитсодержащие полимерные наносферы с диаметрами частиц в интервале 80-100 нм, содержащие на поверхности хлорметильные и карбоксильные группы.

www.sp-department.ru Практическая значимость Разработанные способы получения дисперсии магнетита в стироле и высокодисперсных магнитсодержащих полимерных микросфер со средним диаметром ~ нм, с узким РЧР и высоким содержанием магнитного материала опробованы в лаборатории биотехнологии Всероссийского научного центра молекулярной диагностики и лечения (ВНЦМДЛ) и показана перспективность их использования для синтеза магнитных композитов для медико-биологического использования.

Высокодисперсные магнитсодержащие полимерные микросферы были использованы в сравнительных испытаниях при проведении иммуномагнитометрического анализа, где показали лучшие результаты по сравнению с зарубежными аналогами.

Автор защищает:

1. Методологию синтеза высокодисперсных наночастиц магнетита (~10 нм) с узким РЧР и высокой магнитной восприимчивостью.

2. Условия получения устойчивых дисперсий магнетита в воде и в стироле.

3. Синтез высокодисперсных магнитсодержащих полимерных микросфер, характеризующихся узким распределением частиц по размерам, со средним диаметром ~ 100 нм и высоким содержанием магнитного материала.

4. Новый механизм получения магнитсодержащих полимерных наносфер методом миниэмульсионной полимеризации.

Личное участие автора являлось основополагающим на всех стадиях работы и состояло в постановке задач и целей исследования, разработке экспериментальных и теоретических подходов при выполнении эксперимента и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на II всероссийской конференции «Фагран-2004»

(Воронеж, ВорГУ, 2004), научно-технических конференциях «Наукоемкие технологии» (Москва, МИТХТ, 2005, 2006), научно-технической конференции «Наука и Образование» (Мурманск, МГТУ, 2005), на V Всероссийской выставке научнотехнического творчества молодежи «НТТМ-2005» (Москва, ВВЦ, 2005), 14-й межwww.sp-department.ru дународной выставке химической промышленности и науки - «ХИМИЯ-2007» (Москва, ЭКСПОЦЕНТР, 2007), 12 Международном конгрессе по эпидемиологии «ICID-2006» (Лиссабон, 2006) и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ в том числе 1 статья, опубликованная в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 119 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 41 рисунок. Список литературы содержит наименований.

Во Введении дано обоснование актуальности диссертационной работы и сформулирована ее цель.

Глава 1. В Литературном обзоре обсуждены монографии, обзоры и статьи об использовании магнитсодержащих полимерных микросфер в медицине и биотехнологии, рассмотрены основные типы магнитных материалов и методы получения магнитных наночастиц и магнитных жидкостей на их основе, а также дан подробный анализ публикаций по синтезу магнитсодержащих полимерных микросфер.

Глава 2. В Экспериментальной части представлены способы подготовки и очистки веществ и материалов, используемых в работе, методы синтеза и исследования свойств полимерных дисперсий. Использованы такие современные методы исследования как электронная сканирующая микроскопия (SEM), электронная просвечивающая микроскопия (TEM), лазерная автокорреляционная спектроскопия, потенциометрическое титрование, магнитометрический анализ и ряд других.

Глава 3. Результаты и обсуждение 3.1. Изучение условий синтеза магнетита и оптимизация его свойств Магнетит получали методом химического осаждения твердой фазы из раствора солей железа (III) и (II). Было изучено влияние на магнитную восприимчивость (коэффициент пропорциональности между напряженностью магнитного поля и намагничиваемостью вещества) наночастиц магнетита следующих параметров: мольного соотношения солей железа (III) и (II) и их типа; природы и концентрации основания;

условий синтеза (времени, температуры и гидродинамических условий проведения процесса).

Зависимость магнитной восприимчивости от мольного соотношения солей железа приведена на рис. 1а. Она носит экстремальный характер с явно выраженным максимумом при мольном соотношении Fe3+ и Fe2+, равном 2.75:1.

Рис. 1. Зависимость магнитной восприимчивости наночастиц магнетита (а) от соотношения солей железа при использовании различных солей железа (II): 1 – FeSO4·7H2O; 2 – FeCl2; (б) от содержания основания в исходной системе при использовании различных оснований: 1– LiOH; 2 – KOH; 3 – NaOH; 4 – NH3·H2О Влияние природы и концентрации основания (гидроксида лития, гидроксида калия, гидроксида натрия, гидрата аммиака) на магнитные свойства наночастиц магнетита показано на рис. 1б. Магнитная восприимчивость наночастиц магнетита увеличивалась в ряду: NH3·H2О > NaOH > KOH > LiOH. Наилучшие результаты были получены при использовании гидрата аммиака и показано, что наибольшая магнитная восприимчивость наблюдается при его концентрации, равной 8 мас. % (рис. 1б) Влияние температуры на процесс синтеза магнитных наночастиц изучали при мольном соотношении солей железа, равном 2.75:1, и концентрации гидрата аммиака, равной 8 мас. %. Как видно из данных, приведенных на рис. 2, с увеличением температуры растет скорость реакции образования магнетита, а его максимальный выход наблюдается при температуре 30-40С. При фиксированной температуре была исследована кинетика реакции получения магнетита и показано, что при температуре 40С время синтеза составляет 2 мин.

Рис. 2. Зависимость выхода магнетита от времени реакции осаждения при различной температуре: 1 – 5°С, 2 – 10°С, 3 – 20°С, 4 – 30°С, 5 – 40°С Одним из факторов, который может влиять на диаметр и дисперсность частиц, является гидродинамика процесса. Поэтому были проведены исследования по изучению влияния скорости перемешивания системы на средний диаметр наночастиц.

Установлено, что (рис. 3) при увеличении числа оборотов мешалки размер наночастиц магнетита уменьшается. Оптимальным был выбран режим, при котором скорость мешалки составляла 700 об/мин.

Еще одним фактором, который может влиять на размер и РЧР наночастиц, является концентрация солей железа (III) и (II) в системе (рис. 3).

При повышении концентрации солей железа наблюдается увеличение среднего диаметра, при этом, помимо частиц с диаметром более 30 нм, присутствуют и агрегаты частиц размером 100-200 нм.

Рис 3. Зависимость диаметра наночастиц магнетита от концентрации солей железа в системе при различной скорости вращения мешалки, об/мин: 1 - 100, 2 - 300, 3 - 500, 4 - Типичная микрофотография наночастиц магнетита представлена на рис. 4а. Наwww.sp-department.ru ночастицы имели средний размер порядка 10 нм и коэффициент вариации по размерам составлял 9.6% (рис. 4б). Структура магнитного материала подтверждена электронографическим методом.

Рис 4. (а) Электронная микрофотография наночастиц магнетита (SEM), (б) Распределение по размерам наночастиц дисперсии магнетита. Концентрация солей железа в растворе – 1 мас. %, мольное соотношение солей железа (III) и (II) – 2.75:1, концентрация гидрата аммиака в системе – 8 мас. %, температура синтеза - 40С Стирольную магнитную жидкость получали постепенной заменой водной дисперсионной среды на углеводородную.

Замена водной дисперсионной среды на углеводородную сопряжена с трудностью обеспечения устойчивости дисперсной фазы в сложной гетерофазной системе.

Для определения методологии замены одной среды на другую необходимо в первую очередь выбрать природу ПАВ и его оптимальную концентрацию.

Для выбора ПАВ, обеспечивающего коллоидную устойчивость магнитной жидкости, использовали ряд солей жирных кислот. Было показано (рис. 5), что наибольшая устойчивость наночастиц магнетита в водной суспензии достигается при использовании в качестве ПАВ олеата натрия.

Размер ассоциатов наночастиц магнетита зависит от массового соотношения ПАВ/магнетит. На рис. 5 представлены эти зависимости и видно, что наименьший размер ассоциатов наночастиц магнетита достигается при массовом соотношении между олеатом натрия и магнетитом равном 0.7. Проведенные исследования позволили разработать способ получения водной магнитной жидкости разной степени дисперсности (со средним размером агрегатов 10-40 нм).

Рис. 5. Зависимость размера агломератов наночастиц магнетита от соотношения ПАВ/магнетит: 1 – олеат, 2 – лаурат, 3 – стеарат, 4 – ундецилат, 5 – пальмитат Замену водной фазы на стирольную проводили в три этапа. Вначале получали стабильную водную суспензию магнетита, стабилизированную олеатом натрия.

Средний размер наночастиц составлял 10 нм. Второй этап включал гидрофобизацию поверхностного слоя частиц уксусной кислотой в условиях, обеспечивающих возможность редиспергирования магнетита. В процессе реакции между уксусной кислотой и олеатом натрия происходило осаждение магнетита в виде агрегатов. На третьей стадии добавляли стирол и редиспергировали магнетит с помощью ультразвука в течение 2 мин и получали суспензию агрегатов наночастиц магнетита, диаметр которых составлял 70-80 нм. Концентрация твердой фазы составляла 14 мас.

Типичная микрофотография наночастиц магнетита в стироле показана на рис. 6.

Рис. 6. Электронная микрофотография наночастиц магнетита в стирольной магнитной жидкости (TEM) 3.3. Получение магнитсодержащих полимерных микросфер Для выбора оптимальной рецептуры получения магнитсодержащих полимерных микросфер необходимо было знать кинетические закономерности гетерофазной полимеризации стирола в присутствии наночастиц магнетита. Исследования были начаты с изучения влияния объемного соотношения (стирол+магнетит)/вода на агрегативную устойчивость полимеризационной системы и диаметр полистирольных микросфер. При этом все остальные параметры оставались неизменными. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1. Влияние объемного соотношения (стирол+магнетит)/вода на коллоиднохимические характеристики магнитсодержащих полимерных микросфер (концентрация инициатора 1 мас. % в расчете на мономер, концентрация ПАВ – 5 мас. % в расчете на мономер, температура – 70°С) Объемное соотношение (стирол+магнетит)/вода 1:3 1:4 1:6 1: Как видно, при уменьшении содержания мономерной фазы снижается диаметр частиц, повышается устойчивость системы и РЧР становится уже. Во всех дальнейших исследованиях объемное соотношение (стирол+магнетит)/вода было равно 1:6.

Было изучено влияние концентрации додецилсульфат натрия (ДСН), цетилового спирта (ЦС) и инициатора на средние размеры полимерных микросфер. Показано, что при увеличении концентрации ДСН средний диаметр магнитсодержащих полимерных микросфер уменьшается, а изменение концентрации ЦС и инициатора практически не влияет на их размер. Все полимерные микросферы имели средний числовой диаметр ~ 100 нм.

Полученные результаты приведены на рис. 7. При варьировании концентрации ДСН в интервале от 0.3 мас. % до 10.0 мас. % в расчете на мономер получали полимерные микросферы со средним диаметром в диапазоне от 180 до 40 нм.

Рис. 7. Зависимость среднего диаметра магнитсодержащих полимерных микросфер от концентрации ДСН, при различных концентрациях цетилового спирта: 1 – 0. мас. % в расчете на мономер, 2 – 1.5 мас. % в расчете на мономер, 3 – 3.7 мас. % в расчете на мономер В табл. 2. и табл. 3 приведены результаты по влиянию параметров ультразвукового воздействия (время и мощность) на размер и РЧР полимерных микросфер.

Таблица 2. Влияние времени ультразвуковой обработки на среднечисловой диаметр полимерных микросфер при мощности воздействия на систему, равной 25% от максимально возможной Таблица 3. Влияние мощности ультразвукового воздействия на среднечисловой диаметр полимерных микросфер при времени воздействия, равном 2 минуты Увеличение мощности и времени ультразвукового воздействия на систему приводит к уменьшению размера микросфер и сужению РЧР. В качестве оптимальных параметров ультразвукового воздействия в дальнейших исследованиях были выбраны: время воздействия - 2 мин. и мощность – 40% от максимально возможной мощwww.sp-department.ru ности.

Из зависимостей конверсия-время, представленных на рис. 8, видно, что с увеличением концентрации инициатора скорость полимеризации увеличивается до конверсии ~ 80%, а затем заметно снижается, что, видимо, определяется ограничением диффузии радикалов из водной фазы к месту реакции из-за формирования прочного адсорбционного слоя на поверхности частиц. Практически полную конверсию мономера удалось получить при проведении полимеризации в присутствии двух инициаторов: персульфата калия и маслорастворимого – бензоилпероксида (ПБ).

Рис. 8. Зависимость выхода полимера от времени при различных концентрациях персульфата калия: 1 – 1.5 мас. % в расчете на мономер + ПБ (1 мас. % в расчете на мономер), 2 – 1.0 мас. % в расчете на мономер, 3 – 0.5 мас. % в расчете на мономер.

СДСН=2 мас. % в расчете на мономер, СЦС=3 мас.% в расчете на мономер, объемное соотношение (стирол + магнетит)/вода – 1/ На рис. 9 приведены кривые конверсия-время, полученные в присутствии наночастиц магнетита разной концентрации. Видно, что скорость полимеризации стирола в присутствии магнетита выше, чем в его отсутствие (кривые 1, 2 и 3), но мало зависит от его концентрации. Полимеризации проходила за 1-2 часа до полной конверсии мономера, при этом система была стабильна. Высказано предположение об образовании в присутствии магнетита ОВС – Fe2+/H2O2.

Рис. 9. Зависимость выхода полимера от времени в присутствии магнетита и без него: 1 – 0.6 г магнетита, 2 – 0.3 г магнетита, 3 – без магнетита. СДСН=2 мас.% в расчете на мономер, СЦС=3 мас. % в расчете на мономер, СПК=1.5 мас. % в расчете на мономер, СПБ=1.0 мас. % в расчете на мономер, объемное соотношение (стирол+магнетит)/вода – 1: На рис. 10. представлена микрофотография полимерной дисперсии, полученной в присутствии магнитных наночастиц по рецептуре: объемное соотношение (стирол+магнетит)/вода – 1:6, ДСН – 2 мас. % в расчете на мономер, цетиловый спирт мас. % в расчете на мономер, персульфат калия – 1.5 мас. % в расчете на мономер, перекись бензоила – 1.0 мас. % в расчете на мономер.

Рис. 10. Электронная микрофотография магнитсодержащих полимерных микросфер (TEM) Средний диаметр частиц полученной дисперсии составлял 80-100 нм, РЧР было узкое, а содержание магнетита в объеме полимерных микросфер составляло ~ мас. %. Однако в магнитной полимерной суспензии наряду с магнитонаполненными полимерными микросферами присутствуют и незаполненные магнитным материалом микросферы. Появление пустых (ненаполненных магнетитом) полимерных микросфер можно объяснить следующим образом.

Стирольная магнитная жидкость представляет собой суспензию, состоящую из агрегатов отдельных наночастиц магнетита, которые стабилизированы олеиновой кислотой, химически связанной с поверхностью наночастиц магнетита (рис. 11). Углеводородная часть молекул ПАВ, ориентированная в сторону мономера, образует гидрофобную оболочку вокруг ассоциатов ядер магнетита, объем которой определяется уже на стадии получения магнитной жидкости, на этой стадии происходит и солюбилизация стирола в ней.

Рис 11. Схема магнитной жидкости со стиролом в качестве дисперсионной среды При добавлении стирольной магнитной жидкости к водному раствору ДСН состав исходной системы изменяется. Кроме ассоциатов магнитных частиц, в поверхностной гидрофобной оболочке которых солюбилизирован стирол, присутствуют микрокапли мономера, неизрасходованного на солюбилизацию, количество которого зависит от объема оболочки частиц и массового соотношения стирол/магнетит.

ДСН (концентрация ДСН меньше ККМ) будет расходоваться на адсорбцию на ненасыщенную молекулами жирной кислоты поверхность ассоциатов магнитных наночастиц, повышая их устойчивость, и микрокапель мономера, о наличии которых можно косвенно судить по образованию ненаполненных магнетитом полимерных микросфер по микрофотографиям полимерных суспензий.

На рис. 12 схематично показано изменение состава исходной системы после добавления раствора ДСН.

Рис. 12. Изменение состава исходной системы после добавления стирольной магнитной жидкости к раствору ДСН Было высказано предположение о том, что исключить образование ненаполненных магнетитом микросфер возможно при: 1) использовании более концентрированной магнитной жидкости; 2) проведении полимеризации в отсутствие ДСН и при обеспечении устойчивости системы путем непрерывной ультразвуковой обработки.

3.4. Миниэмульсионная полимеризации в отсутствие ДСН Новый подход к получению магнитонаполненных полимерных микросфер состоял в создании множественной дисперсной системы, состоящей из микрокапель стирола, содержащих золь оксида железа, стабилизированных олеиновой кислотой, Span 80 и цетиловым спиртом.

Для обеспечения высокого уровня диспергирования капель мономера содержащих магнетит, были использованы все возможные методы воздействия на нее:

образование дисперсной системы при сильном перемешивании с помощью диспергатора;

использование Span 80, как эффективного стерического со-стабилизатора капель мономера, способного к сополимеризации со стиролом;

длительное ультразвуковое воздействие, которое обеспечивает непрерывное дробление капель мономера и их устойчивость, а также короткий период формирования на их поверхности факторов устойчивости (структурно-механического и электростатического);

короткая стадия образования ПМЧ.

Методология процесса получения магнитсодержащих полимерных микросфер включает следующие стадии:

получение множественной дисперсной системы;

дегазация системы аргоном и дальнейшее диспергирование эмульсии ультразвуковой обработкой;

инициирование полимеризации, формирование ПМЧ и протекание процесса до 80 %-ной конверсии при непрерывном ультразвуковом воздействии;

дополимеризация стирола до полной конверсии при механическом перемешивании со скоростью 300 об/мин в течение 5 часов.

Для нахождения оптимальных условий синтеза магнитсодержащих полимерных дисперсий необходимо было изучить кинетические закономерности полимеризации стирола в присутствии магнетита и коллоидно-химические свойства образующихся дисперсий.

Исследования были начаты с изучения влияния объемного соотношения (стирол+магнетит)/вода на размеры частиц и РЧР. Эти исследования проводили при концентрации инициатора 1 мас. % в расчете на мономер и концентрации Span 80, равной 3 мас. % в расчете на мономер.

Объемные соотношения (стирол+магнетит)/вода, были равны 1:10, 1:20 и 1:30.

Было показано, что при уменьшении в системе мономерной фазы уменьшается диаметр магнитсодержащих полимерных микросфер от 124 нм до 74 нм и сужается РЧР. Наибольшее наполнение полимерных микросфер магнитным материалом наблюдается при объемном соотношении фаз (стирол+магнетит)/вода, равном 1:20, которое и было использовано в дальнейших исследованиях.

При увеличении концентрации инициатора с 1 до 3 мас. % в расчете на мономер размер и РЧР магнитсодержащих полимерных микросфер уменьшаются. Наилучшее наполнение магнитным материалом полимерных микросфер оказалось при концентрации ПК, равной 2 мас. % в расчете на мономер.

Цетиловый спирт и Span 80, нерастворимые в воде вещества, препятствовали процессу оствальдова созревания и способствовали образованию устойчивых полимерных микросфер с узким РЧР. Оптимальные их концентрации составляли: Span 80 – 5 мас. % в расчете на мономер и цетиловый спирт – 1 мас. % в расчете на мономер.

Исследованы зависимости выхода полимера от времени полимеризации и стабильности коллоидной системы от мощности и времени ультразвукового воздейстwww.sp-department.ru вия (рис. 13). Оптимальным режимом ультразвуковой обработки выбран параметр от максимально возможной мощности.

Рис. 13. Зависимость конверсии мономера от времени при различной мощности воздействия, % от максимально возможной мощности: 1 – 55; 2 – 45; 3 – При увеличении времени ультразвуковой обработки (4, 7, 10, 13 минут), устойчивость миниэмульсии повышается.

Проведенные исследования позволили предложить следующую рецептуру получения магнитсодержащих полимерных микросфер: объемное соотношение (стирол + магнетит)/вода – 1:20, персульфат калия – 2 мас. % в расчете на мономер, Span 80 - мас. % в расчете на мономер, цетиловый спирт - 1 мас. % в расчете на мономер, время воздействия ультразвука 13 мин, мощность ультразвукового воздействия 55 % от максимально возможной мощности. Типичная микрофотография полученных магнитсодержащих полимерных микросфер представлена на рис. 14.

Рис. 14. Микрофотографии полученных магнитсодержащих полимерных микросфер после очистки и фракционирования (а) – TEM, (б) – SEM Синтезированные по данной рецептуре магнитсодержащие полимерные микроwww.sp-department.ru сферы обладали большим содержанием магнитного материала (~ 40 мас. %). Размер магнитсодержащих полимерных микросфер, по данным микроскопии, составил нм.

3.5. Синтез функциональных магнитсодержащих полимерных микросфер Для синтеза магнитсодержащих полимерных микросфер с функциональными группами на поверхности было предложено использовать затравочную полимеризацию хлорметилстирола (ХМС) на полистирольных магнитсодержащих полимерных микросферах со средним диаметром 100 нм, используемых в качестве затравочных.

Затравочную полимеризацию инициировали окислительно-восстановительной системой персульфат калия – бисульфит натрия при температуре 40°С. Для дополнительной стабилизации полимерных частиц в рецептуру полимеризации добавляли поливинилпиролидон. Полимеризацию проводили по следующей рецептуре: 5 %ная суспензия магнитсодержащих полимерных микросфер – 100 мас.ч, стирол – 0. мас.ч., хлорметилстирол – 0.08 мас.ч., вода – 450.00 мас.ч., ДСН – 0.2 мас.ч., персульфат калия – 0.002 мас.ч., бисульфит натрия 0.0016 мас.ч., поливинилпиролидон – 0.05 мас.ч.

Были получены магнитсодержащие полимерные микросферы, содержащие на поверхности хлорметильные группы, концентрация которых составляла 0,61 ммоль/г полимера.

Коллоидно-химические свойства полимерных магнитных микросфер с хлорметильными группами на поверхности приведены в табл. 4. Видно, что магнитные полимерные дисперсии сохраняют исходное РЧР, что говорит об их устойчивости в течение затравочной полимеризации.

Таблица 4. Коллоидно-химические свойства магнитсодержащих полимерных суспензий Совокупность полученных и литературных данных позволяет предложить следующую схему протекания процесса. Исходная система представляет собой множественную дисперсионную систему, состоящую из микрокапель стирола, содержащих и не содержащих ассоциаты наночастиц магнетита, стабилизированных ПАВ.

Смесь ПАВ, состоящая из олеиновой кислоты, цетилового спирта и Span 80 (взятых в определенных массовых соотношениях), обеспечивает формирование структурномеханического фактора стабилизации в межфазных слоях микрокапель.

Число микрокапель, содержащих и не содержащих магнетит определяется массовым соотношением мономер/вода и концентрацией инициатора - двумя взаимосвязанными параметрами.

В процессе ультразвуковой обработки системы в результате увеличения температуры и действия ультразвука происходит распад персульфата калия и ОВС, возникшей под действием ультразвука на радикалы.

Эти радикалы инициируют полимеризацию стирола в микрокаплях мономера, содержащих магнетит, и в водной фазе (содержание растворённого в воде стирола составляет 0.03 мас. %).

Олигомерные поверхностно-активные радикалы, образовавшиеся в водной фазе, адсорбируются на поверхности ПМЧ и совместно с концевыми ионогенными группами полимерных цепей, фрагментов молекул инициатора, формируют в межфазных слоях ПМЧ – электростатический фактор устойчивости.

Как только начинается полимеризация в микрокаплях мономера, и они становятся ПМЧ, микрокапли мономера, в которых не произошло инициирование полимеризации, полностью расходуются на полимеризацию в ПМЧ.

Таким образом, проведенные исследования позволили создать полимерные суспензии, в которых практически все полимерные микросферы содержали магнитный материал. Магнитсодержащие полимерные микросферы, отличались от известных высокой дисперсностью и большим содержанием магнитного материала.

Были проведен сравнительный анализ свойств полученных магнитсодержащих полимерных микросфер с коммерческими магнитными суспензиями Estapore фирмы Bangs Laboratories (США) при определении капсулярного антигена F1, выделенного из Y.Pestis методом иммуномагнитометрического анализа.

Анализ проводился в микроколонках по стандартной методике, разработанной в лаборатории Биотехнологии Всероссийского научного центра молекулярной диагностики и лечения (ВНЦМДЛ). Результаты анализа показали, что использование синтезированных магнитсодержащих полимерных микросфер в магнитометрическом анализе обеспечивает большую чувствительность и разрешающую способность измерений по сравнению с коммерческим аналогом.

ВЫВОДЫ

1. Выявлены условия синтеза суперпарамагнитных наночастиц магнетита с узким распределением частиц по размерам и высокой магнитной восприимчивостью:

соотношение солей железа (III) и (II) – 2.75:1, концентрация солей железа (III) и (II) – 1.0 мас. %, концентрация гидрата аммиака – 8 мас. %, температура - 40С.

2. Предложена методология получения стабильной суспензии наночастиц магнетита в стироле путем замены водной дисперсионной среды на стирольную.

3. Разработан способ получения высокодисперсных магнитсодержащих функциональных полимерных микросфер методом миниэмульсионной полимеризации со средним диаметром ~ 100 нм и большим содержанием магнитного материала 4. Исследованы кинетические закономерности полимеризации стирола в присутствии магнетита, которые позволили разработать рецептуру синтеза высокодисперсных магнитсодержащих полимерных микросфер.

5. Создан и обоснован новый механизм получения магнитсодержащих полимерных микросфер методом миниэмульсионной полимеризации.

6. Проведены сравнительные испытания полученных магнитсодержащих полимерных микросфер с коммерческими аналогами, показано их преимущество при проведении иммуномагнитометрического анализа.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

Статьи, опубликованные в журналах ВАК:

1. Черкасов, В. Р. Синтез магнитонаполненных полимерных микросфер для иммуномагнитометрического анализа / В. Р. Черкасов, А. Ю. Гервальд, Н. И. Прокопов, И. А. Грицкова, П. И. Никитин, П. Г. Свешников // Высокомолекулярные соединения А. – 2006. – Т. 48, № 4. - C. 572-579.

Тезисы докладов и публикации в других изданиях:

2. Гервальд, А. Ю. Математическое моделирование гидродинамической ситуации при проведении ИММА и определение оптимального размера магнитовосприимчивых микросфер / А. Ю. Гервальд, В. Р. Черкасов // Ученые записки МИТХТ. – 2004. Т. 11. - С. 24-27.

3. Гервальд, А. Ю. Синтез магнитных микросфер для иммуномагнитометрического анализа / А. Ю. Гервальд, В. Р. Черкасов // Ученые записки МИТХТ. – 2005. – Т.

13. - С. 65-67.

4. Черкасов, В. Р. Синтез магнитных микросфер для иммуномагнитометрического анализа / Черкасов В. Р., Гервальд А. Ю., Прокопов Н. И., Свешников П. Г. // Материалы Международной научно-технической конференции «Наука и образование -2005», Мурманск, 2005. - Ч. V. - С. 101-104.

5. Черкасов, В. Р. Синтез магнитных микросфер для иммуномагнитометрического анализа / В. Р. Черкасов, А. Ю. Гервальд, Н. И. Прокопов // Материалы II Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах. ФАГРАН-2004», Воронеж, 2004. - Т. 2. - С.

662-664.

6. Гервальд, А. Ю. Синтез полимерных магнитных микросфер / А. Ю. Гервальд, В.

Р. Черкасов, Н. И. Прокопов // Тезисы докладов I научно-технической конференции молодых ученых «Наукоемкие химические технологии», Москва, 2005. - Т. 2.

7. Гервальд, А. Ю. Получение магнитонаполненных полистирольных микросфер с функциональными группами на поверхности / А. Ю. Гервальд, Ю. М. Ширякина, Н. И. Прокопов // Тезисы докладов II молодежной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии», Москва, 2007. - C. 91.

8. Ширякина, Ю. М. Синтез магнитонаполненных полимерных микросфер / Ю. М.

Ширякина, А. Ю. Гервальд, Н. И. Прокопов // Тезисы докладов XVII Менделеевской конференции молодых ученых, Самара, 2007. - C. 122.

9. Ширякина, Ю. М. Синтез магнитонаполненных полистирольных микросфер для проведения иммунодиагностических исследований / Ю. М. Ширякина, А. Ю.

Гервальд, Н. И. Прокопов // Тезисы докладов XVIII Менделеевской конференции молодых ученых, Белгород, 2008. - C. 131-132.

10. Ширякина, Ю. М. Получение магнитонаполненных полистирольных микросфер с использованием ультразвукковой обработки / Ю. М. Ширякина, А. Ю. Гервальд, Н. И. Прокопов // Тезисы докладов XII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии – 2008», Волгоград, 2008. - C.