CN104587970A - 一种磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂及其制备方法，所述印迹吸附剂包含纳米级磁性颗粒，物理包覆在所述磁性颗粒表面的壳聚糖，首先通过乳液交联聚合反应制备磁性壳聚糖复合微球，将纳米级磁性颗粒被包裹在磁性壳聚糖复合微球内部，再通过沉淀聚合反应使印迹聚合物包覆在磁性壳聚糖复合微球表面。本发明所述表面印迹吸附剂具有快速的吸附动力学性质、较高的吸附容量、快速的磁分离效率和明显的氯霉素分子识别性能，可用于环境中氯霉素的选择性识别、分离和富集。所述制备方法，过程简单，合成产物粒径均匀，温度容易控制，产物易于分离等优点。

Description

一种磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂及其制备方法

技术领域

本发明属于环境功能材料领域，尤其是一种磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂及其制备方法。

背景技术

分子印迹技术是模拟自然界中抗体与抗原等的分子识别作用，以目标分子为模板分子制备对模板分子具有特异选择性识别功能的分子印迹聚合物，即选用能与模板分子产生特定相互作用的共价型、非共价型和半共价型功能单体，在模板分子周围与交联剂进行聚合，形成三维交联的聚合物网络。通过抽提等方式移去模板分子后，获得具有对模板分子特殊亲和性和识别性孔穴的印迹聚合物。表面分子印迹技术通过把分子识别位点建立在基质材料的表面，较好的解决了传统分子印迹技术存在的各种缺陷，如活性位点包埋过深或过紧，传质速度慢，再生效果差，吸附-脱吸附的动力学性能差；模板分子去除不彻底，印迹聚合物的吸附容量偏低；制备过程复杂，印迹聚合物产率低，机械性能差，粒度分布较宽且形态不一。

壳聚糖是一种天然多糖材料，广泛分布于甲壳类动物、昆虫和部分微生物细胞壁中。是仅次于纤维素的第二大多糖类，壳聚糖微球因其具有环保、可生物降解、生物相容性好和来源丰富等优良性能，是理想的表面印迹基质材料。

氯霉素(CAP)是一种具有优良的抗菌性能的广谱抗生素，20世纪50年代以来被广泛用于抑制革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的。由于其对人类健康的具有潜在的毒性的，欧盟和美国已经在动物及其产品中禁止和控制氯霉素的使用，然而，由于在许多传染病的治疗成本低、效率高，氯霉素仍广泛应用于畜牧业和水产养殖业。前期研究已经表明，大量的氯霉素摄入后部分被分解，部分氯霉素残留通过粪便和尿液排入到环境中。氯霉素在环境中的残留可能有助于对病原菌的耐药菌株的出现。氯霉素在环境中含量较低，环境中成分复杂，因此，必须寻找一种高度敏感的和有选择性的分离生物和环境样品中的氯霉素残留的方法。

发明内容

为了解决氯霉素在环境中的残留不易检测的问题，本发明提供了一种对氯霉素具有选择识别性能，能用于识别、分离和富集复杂环境中的氯霉素的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂及其制备方法。同时为分离和富集复杂环境中的氯霉素为提供一中新方法。

一种磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂，其特征在于，包含纳米级磁性颗粒，物理包覆在所述磁性颗粒表面的壳聚糖，以及通过乙二醇二(甲基丙烯酸)酯交联在所述壳聚糖表面 的氯霉素吸附剂。

进一步地，所述纳米级磁性颗粒为纳米Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃、MnFe₂O₄中的一种，所述氯霉素吸附剂为甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酰胺(AM)、4-乙烯基吡啶(4-VP)中的一种。

所述的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)磁性壳聚糖复合微球的制备：

将壳聚糖加入到质量分数为2％的乙酸溶液中，在机械搅拌下形成稳定的溶液，加入纳米级磁性颗粒，机械搅拌2h；再加入液体石蜡和司班-80，40℃下搅拌1h后，逐滴加入质量分数为25％戊二醛溶液，60℃下继续搅拌1h，然后，使用外加磁场将产物分离，用异丙醇、石油醚和蒸馏水将产物各洗涤3次，60℃真空干燥获得磁性壳聚糖复合微球；

(2)磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的制备：

将氯霉素(CAP)和甲基丙烯酸(MAA)按照摩尔比为1:4-6加入到乙腈溶液中，控制氯霉素的浓度为1.5-5mmol L^-1，混合后，在黑暗阴凉的条件下静置以形成预组装体系；在上述预组装体系中，依次加入乙二醇二(甲基丙烯酸)酯(EGDMA)、磁性壳聚糖复合微球，超声5-10min，通入氮气排空氧气后加入2,2'-偶氮二异丁腈(AIBN)，在150-200rpm下恒温水浴振荡器中搅拌，50℃预聚合5-7h后，交联聚合反应18-24h；用Nd-Fe-B永久磁铁收集磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂产物，用无水乙醇和蒸馏水洗涤3次，最后，用甲醇和醋酸的体积比为9:1的混合液为提取液进行索式提取48-71h，脱除模板分子氯霉素，在50℃下真空干燥；其中，乙二醇二(甲基丙烯酸)酯与氯霉素的物质的量之比为20-30:1，磁性壳聚糖复合微球加入量为0.1-0.2g，2,2’-偶氮二异丁睛的加入量为10-20mg。

进一步地，所述步骤(1)中壳聚糖和乙酸溶液质量比例为1:50，纳米级磁性颗粒的添加量是壳聚糖添加量的15-20％(质量百分数)，液体石蜡和司班-80的加入量为：每25mL乙酸溶液加入100mL液体石蜡和4mL司班-80，25％戊二醛溶液的加入量为：每25mL乙酸溶液加入2.5mL 25％戊二醛溶液。

进一步地，所述纳米级磁性颗粒为纳米Fe₃O₄，还包括纳米Fe₃O₄的合成步骤：将FeCl₃·6H₂O和FeCl₂·4H₂O加入到蒸馏水中，在N₂保护下机械搅拌5-10min后获得稳定的溶液，随后升温至80℃；逐滴加入浓氨水，调节溶液的pH值为10-11；然后在剧烈搅拌下反应0.5-1.0h，将黑色产物用Nd-Fe-B永久磁铁分离，黑色产物用蒸馏水充分洗涤至中性，50-60℃真空干燥研磨后获得纳米Fe₃O₄。

进一步地，所述纳米Fe₃O₄的合成步骤中FeCl₃·6H₂O和FeCl₂·4H₂O的物质的量之比为2：1，蒸馏水的加入量为FeCl₃·6H₂O和FeCl₂·4H₂O总质量的20-30倍。

所述磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂用于识别、分离或富集环境中的氯霉素。

(4)将所制得的吸附剂进行吸附性能测试。

静态吸附试验：

称取一定质量的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂加入到氯霉素测试溶液中，在恒温水浴中静置，考察吸附溶液的初始浓度和吸附时间对吸附剂吸附氯霉素分子的影响；吸附后，通过Nd-Fe-B永久磁铁分离收集得到测试液中上层清液，未吸附的氯霉素分子浓度用紫外光谱测定，并根据结果计算出吸附容量(Q_e，mg/g)：

$Q_e=\frac{(C_0-C_e)}{W}V$

其中C₀(mg L^-1)和C_e(mg L^-1)分别是吸附前后氯霉素的浓度，W(g)为吸附剂用量，V(mL)为测试液体积。

选择性吸附试验：

选择氯霉素、甲砜氯霉素、四环素和环丙沙星为竞争吸附底物，分别配制以上四种化合物的溶液，每种底物的浓度都为100μmol L^-1，取10ml配制好的溶液加入到离心管中，分别加入5mg印迹和非印迹吸附剂，把测试液放在25℃的水浴中分别静置，静置完成后通过Nd-Fe-B永久磁铁分离收集得到测试液中上层清液，未吸附的氯霉素分子浓度用紫外光谱测定。

本发明所述的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂，磁性壳聚糖复合材料表面印迹吸附剂可用于环境中氯霉素的选择性识别、分离和富集。静态吸附实验结果表明本发明所述的磁性壳聚糖复合材料表面印迹吸附剂具有快速的吸附动力学性质、较高的吸附容量、快速的磁分离效率和明显的氯霉素分子识别性能。

所述磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的制备方法，过程简单，合成产物粒径均匀，温度容易控制，产物易于分离等优点。

附图说明

图1为磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的制备过程示意图。

图2为纳米Fe₃O₄粒子的透射电镜图。

图3为磁性壳聚糖复合微球的扫描电镜图。

图4为所述磁性壳聚糖复合微球和磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的红外谱图。

图5为所述磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的扫描电镜图。

图6为所述磁性壳聚糖复合微球和磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的XRD图。

图7为磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的磁滞回线图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂，包含纳米级磁性颗粒，物理包覆在所述磁性颗粒表面的壳聚糖，以及通过乙二醇二(甲基丙烯酸)酯交联在所述壳聚糖表面的氯霉素吸附剂。本发明利用了纳米级磁性颗粒的磁性，是本发明所述的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂对环境中的氯霉素具有良好的分离效果；因此，所述纳米级磁性颗粒为纳米Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃、MnFe₂O₄中的一种。所述氯霉素吸附剂为氯霉素具有识别、吸附效果的吸附剂，可以为甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酰胺(AM)、4-乙烯基吡啶(4-VP)中的一种。

为了更清楚的说明所述磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的制备方法，下面以Fe₃O₄为纳米级磁性颗粒，甲基丙烯酸(MAA)为氯霉素吸附剂为例，详细说明其制备方法。

所述的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的制备方法的流程如图1所示，首先通过共沉淀法制备纳米Fe₃O₄，然后通过乳液交联聚合反应制备磁性壳聚糖复合微球，将纳米Fe₃O₄粒子被包裹在磁性壳聚糖复合微球内部，通过沉淀聚合反应使印迹聚合物包覆在磁性壳聚糖复合微球表面。

具体步骤如下：

(1)纳米Fe₃O₄的合成：

4.72g FeCl₃·6H₂O和1.72g FeCl₂·4H₂O加入到100mL蒸馏水中，接着在N₂保护下机械搅拌5-10min后获得稳定的溶液，随后升温至80℃，逐滴加入浓氨水，调节溶液的pH值为10-11，剧烈搅拌下反应0.5-1.0h，将黑色产物用Nd-Fe-B永久磁铁分离，黑色产物用蒸馏水充分洗涤至中性，50-60℃真空干燥研磨后获得纳米Fe₃O₄。制得的纳米Fe₃O₄粒子的透射电镜图如图图2所示。从图2中可以看出制得的纳米Fe₃O₄粒子的粒径大约为10nm，尺寸大小均一。

(2)磁性壳聚糖复合微球的制备：

0.50g的壳聚糖加入到25mL质量分数为2％的乙酸溶液中，在机械搅拌下形成稳定的溶液，0.1g Fe₃O₄加入到上述溶液中，机械搅拌2h；100mL液体石蜡和4mL司班-80加入到上述混合溶液，40℃下搅拌1h，接着将2.5mL的质量分数为25％戊二醛溶液逐滴加入到混合液反应系统中，60℃下继续搅拌1h。在利用Nd-Fe-B永久磁铁分离产物，用异丙醇、石油醚和蒸馏水各洗涤3次，60℃真空干燥获得磁性壳聚糖复合微球。制得的磁性壳聚糖复合微球的扫描电镜图如图3所示。

(3)磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的制备：

将0.075mmol氯霉素和0.3mmol甲基丙烯酸胺加入到50mL乙腈溶液中，混合后，在黑 暗阴凉的条件下静置，形成预组装体系；在上述预组装体系中，依次加入1.5mmol乙二醇二(甲基丙烯酸)酯，0.15g磁性壳聚糖复合微球，超声5-10min，通入氮气排空氧气后加入10mg2,2’-偶氮二异丁睛，在150-200rpm下恒温水浴振荡器中搅拌，50℃预聚合5-7h后，交联聚合反应18-24h。产物磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂用Nd-Fe-B永久磁铁收集，用无水乙醇和蒸馏水洗涤3次，最后产物用甲醇和醋酸的体积比为9:1的混合液为提取液，进行索式提取48-72h，脱除模板分子氯霉素，在50℃下真空干燥。

所述磁性壳聚糖复合微球和磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的红外谱图如图4所示。581cm^-1处峰是四氧化三铁中Fe-O键的特征吸收峰；在1653cm^-1和1644cm^-1处的吸收峰分别是磁性壳聚糖复合微球和磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂N-H弯曲振动引起的，2875cm^-1与2926cm^-1两处的吸收峰分别是壳聚糖羧羟基中C-H的振动特征峰；以上这些峰在磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的图谱中都存在，证明了Fe₃O₄和壳聚糖存在于磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂中。在1727cm^-1和1160cm^-1的特征峰，分别代表了功能单体甲基丙烯酸中包含的C＝O的伸缩振动峰，EGDMA中C-O对称伸缩振动峰。这些峰的存在证明了印迹聚合物已成功地接枝在磁性壳聚糖表面。

所述磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的扫描电镜图如图5所示，从图5可以看到磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂表面粗糙，说明在所述吸附剂表面上存在印迹空穴。

图6为所述磁性壳聚糖复合微球和磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的XRD图，对照XRD谱图JCPDS Card:19-0629，符合四氧化三铁的XRD特征峰，即Fe₃O₄纳米粒子成功引入到磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂中。

图7为磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的磁滞回线图。从图7中所示的分离前后的溶液照片看出，磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的饱和磁强度为2.22emu/g，表明所得的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂在外加磁场作用下分离效果显著。

利用静态吸附实验评价对氯霉素的吸附性能：

称取一定质量的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂加入氯霉素测试溶液中，在恒温水浴中静置，考察吸附溶液的初始浓度和吸附时间对吸附剂吸附氯霉素分子的影响；吸附后，通过Nd-Fe-B永久磁铁分离收集得到测试液中上层清液，未吸附的氯霉素分子浓度用紫外光谱测定，并根据结果计算出吸附容量(Q_e，mg/g)：

其中C₀(mg/L)和C_e(mg/L)分别是吸附前后氯霉素的浓度，W(g)为吸附剂用量，V(mL)为测试液体积。

具体地，取10ml初始浓度为150μmol/L的氯霉素溶液加入到比色管中，加入5mg磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂，把测试液放在25℃的水浴中分别静置2、4、6、8、10、20、30、40、50和60min。静置时间完成后，上层清液用Nd-Fe-B永久磁铁分离收集，未吸附的氯霉素分子浓度用紫外可见分光光度计测定，并根据结果计算出吸附容量。结果表明，与非印迹吸附剂相比，磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂对氯霉素分子具有更高的吸附容量和更快的吸附动力学性能。

通过选择性吸附试验验证对氯霉素分子的选择识别性能：

选择氯霉素、甲砜氯霉素、四环素和环丙沙星为竞争吸附底物，分别配制以上四种底物的溶液，每种底物的浓度都为100μmol L^-1，取10ml配制好的溶液加入到离心管中，分别加入5mg印迹和非印迹吸附剂，把测试液放在25℃的水浴中分别静置，静置完成后通过Nd-Fe-B永久磁铁分离收集得到测试液中上层清液，未吸附的氯霉素分子浓度用紫外光谱测定。

具体地，选择氯霉素、甲砜氯霉素、四环素和环丙沙星为竞争吸附底物，分别配制以上四种化合物的溶液，每种底物的浓度都为100μmol L^-1，取10ml配制好的溶液加入到离心管中，分别加入5mg印迹和非印迹吸附剂，把测试液放在25℃的水浴中分别静置，静置完成后通过Nd-Fe-B永久磁铁分离收集得到测试液中上层清液，未吸附的氯霉素分子浓度用紫外光谱测定。结果显示，氯霉素表面印迹吸附剂对氯霉素的吸附量比对甲砜氯霉素、四环素和环丙沙星吸附量大，氯霉素表面印迹吸附剂对氯霉素分子具有良好的选择识别性能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂，其特征在于，包含纳米级磁性颗粒，物理包覆在所述磁性颗粒表面的壳聚糖，以及通过乙二醇二(甲基丙烯酸)酯交联在所述壳聚糖表面的氯霉素吸附剂。

2.根据权利要求1所述的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂，其特征在于，所述纳米级磁性颗粒为纳米Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃、MnFe₂O₄中的一种，所述氯霉素吸附剂为甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酰胺(AM)、4-乙烯基吡啶(4-VP)中的一种。

3.权利要求1所述的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)磁性壳聚糖复合微球的制备：

将壳聚糖加入到质量分数为2％的乙酸水溶液中，在机械搅拌下形成稳定的溶液，加入纳米级磁性颗粒，机械搅拌2h；再加入液体石蜡和司班-80，40℃下搅拌1h后，逐滴加入质量分数为25％戊二醛溶液，60℃下继续搅拌1h，然后，使用外加磁场将产物分离，用异丙醇、石油醚和蒸馏水将产物各洗涤3次，60℃真空干燥获得磁性壳聚糖复合微球；

(2)磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂的制备：

将氯霉素(CAP)和甲基丙烯酸(MAA)按照摩尔比为1:4-6加入到乙腈溶液中，控制氯霉素的浓度为1.5-5mmol L^-1，混合后，在黑暗阴凉的条件下静置以形成预组装体系；在上述预组装体系中，依次加入乙二醇二(甲基丙烯酸)酯(EGDMA)、磁性壳聚糖复合微球，超声5-10min，通入氮气排空氧气后加入2,2'-偶氮二异丁腈AIBN)，在150-200rpm下恒温水浴振荡器中搅拌，50℃预聚合5-7h后，交联聚合反应18-24h；用Nd-Fe-B永久磁铁收集磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂产物，用无水乙醇和蒸馏水洗涤3次，最后，用甲醇和醋酸的体积比为9:1的混合液为提取液进行索式提取48-71h，脱除模板分子氯霉素，在50℃下真空干燥；其中，乙二醇二(甲基丙烯酸)酯与氯霉素的物质的量之比为20-30:1，磁性壳聚糖复合微球加入量为0.1-0.2g，2,2’-偶氮二异丁睛的加入量为10-20mg。这个应该是可以的。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中壳聚糖和乙酸溶液质量比例为1:500.5g:25mL，纳米级磁性颗粒的添加量是壳聚糖添加量的15-20％(质量百分数)，液体石蜡和司班-80的加入量为：每25mL乙酸溶液加入100mL液体石蜡和4mL司班-80，25％戊二醛溶液的加入量为：每25mL乙酸溶液加入2.5mL 25％戊二醛溶液。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述纳米级磁性颗粒为纳米Fe₃O₄，还包括纳米Fe₃O₄的合成步骤：将FeCl₃·6H₂O和FeCl₂·4H₂O加入到蒸馏水中，在N₂保护下机械搅拌5-10min后获得稳定的溶液，随后升温至80℃；逐滴加入浓氨水，调节溶液的pH值为10-11；然后在剧烈搅拌下反应0.5-1.0h，将黑色产物用Nd-Fe-B永久磁铁分离，黑色产物用蒸馏水充分洗涤至中性，50-60℃真空干燥研磨后获得纳米Fe₃O₄。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纳米Fe₃O₄的合成步骤中FeCl₃·6H₂O和FeCl₂·4H₂O的物质的量之比为2：1，蒸馏水的加入量为FeCl₃·6H₂O和FeCl₂·4H₂O总质量的20-30倍。

7.权利要求1所述的磁性壳聚糖复合微球表面印迹吸附剂用于识别、分离或富集环境中的氯霉素。