CN117282405A - 一种水溶性cbcs微球及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水溶性CBCS微球及其制备与应用，将壳聚糖溶于溶剂中溶解膨胀，再加入苯酐反应后得到反应液，向水中倒入反应液冷却，调节pH至碱性，过滤并取滤液透析处理，冷冻干燥获得絮状淡黄色固体CBCS：N‑(2‑羧基苯甲酰基)‑壳聚糖，将CBCS溶液滴入油相与乳化剂中乳化，再加入醛类交联剂，使CBCS的氨基与醛基交联固化产生shiff碱键得到CBCS微球，吸附水中的抗生素能与Langmuir模型相匹配，吸附过程符合准二级吸附动力学，能提高壳聚糖的水溶性和产率，改善壳聚糖微球对和可重复使用性，进一步拓宽其应用范围，能高效、经济、环保地处理废水中抗生素污染。
Description
技术领域
本发明属于多糖功能材料技术领域，具体涉及一种水溶性CBCS微球及其制备与应用。
背景技术
抗生素具有抑制微生物的生长、促进发育的作用，包括四环素、大环内酯、β-内酰胺、氨基糖苷、喹诺酮和其他等类别，主要治疗各种致病菌感染引起的疾病，被大量应用于疾病治疗、畜牧业和水产养殖业等领域。但传统的抗生素废水处理技术存在二次污染、重复利用率低，长期抗生素的滥用不仅会对自然环境造成潜在破坏，还会对人体健康造成威胁，因此，为避免大量使用抗生素产生一系列问题，需要找到一种高效、经济、环保地处理废水中抗生素污染的材料。
吸附法较其他污染物处理方法具有操作简单、处理效率高、比表面积大、不会产生二次污染等优点，壳聚糖作为是一种高性能、环境友好型的天然绿色高分子碱性多糖材料，具有的大量羟基和氨基集团能去除废水中的各种污染物，降解、抗菌、整合重金属离子等，但壳聚糖因为机械性能差、低密度、易结块形成凝胶等缺点而限制了其通过吸附去除抗生素污染的应用。为此，利用微球作为壳聚糖载体可以提高壳聚糖的化学稳定性，以拓宽其应用范围，现有制备壳聚糖微球的方法包括乳化交联、离子凝胶、中和沉淀、喷雾干燥、复凝聚法等，许多交联剂被使用，比如戊二醛、乙二醛和环丙烷等。但其主要缺陷在于：壳聚糖分子间氢键的作用力导致其不溶于碱性和中性介质，只能在较低的酸性环境中才能被完全溶解，限制了壳聚糖微球的应用范围，且影响了壳聚糖分子内的主链伸展，降低了其吸附能力。
其次，制备工艺条件不佳，造成壳聚糖微球的结构不够完整，易产生团聚、黏连，使球形规整性、表面光滑性、粒径均匀度和分散性不佳，导致壳聚糖微球的化学稳定性和可重复使用性难以满足应用需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种水溶性CBCS微球及其制备与应用，能提高壳聚糖的水溶性和产率，改善壳聚糖微球对抗生素的吸附能力、化学稳定性和可重复使用性，进一步拓宽其应用范围，能高效、经济、环保地处理废水中抗生素污染。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种水溶性CBCS微球，所述水溶性CBCS微球由壳聚糖经苯酐改性为CBCS：N-(2-羧基苯甲酰基)-壳聚糖，结构式为：
再使CBCS的氨基与醛基交联固化产生shiff碱键得到。
进一步的，所述CBCS的分子量＞10KD。
进一步的，所述水溶性CBCS微球的粒径＜5μm，粒径分布指数PDI＜0.3。
一种水溶性CBCS微球的制备方法，其方法包括：
S1、制备CBCS：将壳聚糖溶于溶剂中溶解膨胀，再加入苯酐反应后得到反应液，向水中倒入反应液冷却，调节pH至碱性，过滤并取滤液透析处理，冷冻干燥获得絮状淡黄色固体CBCS；
S2、制备CBCS微球：取步骤S1所得CBCS溶解于水中得到CBCS溶液，将CBCS溶液滴入油相与乳化剂中乳化，再加入醛类交联剂交联反应得到反应产物，去除反应产物中的油相，干燥获得CBCS微球。
进一步的，所述步骤S1中的溶剂为二甲基亚砜，壳聚糖与二甲基亚砜的摩尔体积比为：0.12-0.13mmol/ml，优选0.124mmol/ml，溶解膨胀时间为1.5-2.5h，优选2h。
进一步的，所述步骤S1中壳聚糖与苯酐的摩尔比为：3-3.2:4-4.2，优选3.1:4.1，反应时在70-80℃下反应24h，优选在80℃下反应24h。
进一步的，所述步骤S1中反应后向水中加入反应液并置于冰水浴中冷却。
进一步的，用NaOH溶液调节pH至9-11，优选pH为10，优选NaOH溶液中NaOH质量体积浓度为20％。
进一步的，透析时所用半透膜的截流分子量为10KD。
进一步的，所述步骤S2中所述CBCS溶液中CBCS的质量体积浓度为0.8-1.5％，优选0.8-1％。
进一步的，所述步骤S2中所述油相为液体石蜡，所述乳化剂为司班80，司班80与液体石蜡的体积比为1:50-150，优选1:75。
进一步的，所述步骤S2中所述油相与CBCS溶液的体积比为13-17:1，优选15:1。
进一步的，所述步骤S2中乳化时间为30-60min，优选30min。
进一步的，所述步骤S2中醛类交联剂为戊二醛，CBCS与戊二醛的质量体积比为1.5-3.5g/ml，交联反应时间为＞3h，优选4-4.5h。
进一步的，所述步骤S2中取反应产物按7000-8000rpm离心4-6min后弃去上层油相，取离心物经过石油醚、异丙醇和丙酮分别抽滤洗涤，经40-60℃干燥获得CBCS微球。
一种水溶性CBCS微球的应用，所述水溶性CBCS微球用于吸附水中的抗生素。
进一步的，所述水溶性CBCS微球的粒径与PDI值越小，比表面积越大，吸附性能越好。
进一步的，所述抗生素包括四环素，吸附过程符合准二级吸附动力学。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)通过对壳聚糖CS进行改性，壳聚糖CBCS壳聚糖氨基上引入了苯酐，使活性基团氨基上引入新的官能团羧基，削弱了壳聚糖分子间氢键的作用力，使壳聚糖分子得到伸展，同时CBCS热稳定性和结晶力下降，使CBCS比壳聚糖溶解性大大提高；同时，由于CBCS中引入含氧官能团羧基，从而增加了对四环素的吸附位点，CBCS不仅与呈阴离子态的四环素发生静电结合，而且引入苯酐取代基后CBCS的分子间作用力弱于壳聚糖弱，明显地削弱了壳聚糖分子间的氢键，使壳聚糖分子内的主链得到伸展，从而大大增强了吸附能力，产率较高。
经测试，在四环素初始浓度为100mg/L，30mg时CBCS微球的饱和吸附量为117.35mg/g，在吸附时间210min时基本达到平衡状态，与Langmuir模型相匹配，吸附过程符合准二级吸附动力学，在各种浓度和温度下，CBCS微球的吸附能力明显优于CS微球，更具良好的稳定性和可重复性，经再生后可多次循环使用，进一步拓宽其应用范围，能高效、经济、环保地处理废水中抗生素污染。
(2)CBCS微球制备工艺各因素的影响程度为：CBCS溶液浓度>油水比>交联时间，通过进一步优化工艺参数，可以CBCS微球结构规整，表面光滑，球形较好，微球之间分散性较好，基本不产生团聚或黏连现象，粒径分布均匀，可以达到水溶性CBCS微球的粒径＜5μm，粒径分布指数PDI＜0.3，进一步提高对抗生素的吸附性能。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明壳聚糖与苯酐反应的反应式；
图2是本发明实施例1制得的絮状淡黄色固体CBCS照片；
图3是本发明CBCS的氨基与醛基交联的反应机理；
图4是本发明实施例1制得的CBCS微球的扫描电镜图；
图5是本发明对比例1制备CACS的反应式；
图6是CS、CACS、CBCS和实施例1所得CBCS微球的红外光谱图；
图7是(a)CACS和实施例1所得(b)CBCS的核磁共振氢谱图；
图8是本发明实施例1所得CBCS的核磁共振碳谱图；
图9是(a)CS和实施例1所得(b)CBCS的XRD图谱；
图10是(a)CS和实施例1所得(b)CBCS的DSC图；
图11是本发明正交实验各参数的主效应图；
图12是本发明正交实验各参数交互作用图；
图13是四环素初始浓度对微球的吸附影响图；
图14是常温下(a)CS微球和(b)CBCS微球对四环素的吸附等温线；
图15是CS微球和CBCS微球的吸附动力学曲线；
图16是CS微球和CBCS微球的(a)准一级和(b)准二级吸附动力学拟合曲线；
图17是CS微球和CBCS微球的吸附四环素粒子内扩散拟合曲线；
图18是温度对(a)CS微球和(b)CBCS微球吸附四环素的影响图。
图19是CS微球和CBCS微球吸附四环素的循环性能图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
一种水溶性CBCS微球，其制备方法包括以下步骤：
S1：制备CBCS：将0.5g壳聚糖即3.1mmol壳聚糖溶于25mL二甲基亚砜中，溶解膨胀2h，再与0.4g苯酐即4.1mmol苯酐加入三颈瓶中不断搅拌溶解，加热直至温度达80℃时，如图1所示苯酐与壳聚糖氨基进行酰化反应，反应24h后得到反应液，向55mL水中倒入反应液并置于冰水浴中，加入质量体积浓度为20％的NaOH溶液调节pH至10，抽滤得到滤液，取滤液放入半透膜透析处理5天，半透膜截流分子量：10000D，取半透膜截留物冷冻干燥获得如图2所示的絮状淡黄色固体CBCS：N-(2-羧基苯甲酰基)-壳聚糖0.79g，产率为87.6％；
S2、制备CBCS微球：取0.5g步骤S1所得CBCS分多次逐步倒入50mL纯水中，不断搅拌使CBCS溶解，待溶液中仅剩少量白色透明絮状物时，即可停止搅拌，静置过夜，得到质量体积浓度为1％的CBCS溶液；
分别将75mL的液体石蜡和1mL的司班80倒入三颈烧瓶中，以1000rpm的速率加热搅拌，直至温度达到50℃，缓慢滴加5mL配制好的CBCS溶液，经过30min的乳化得到混合液，再向混合液中添加0.3mL的戊二醛，如图3所示CBCS的氨基与醛基交联固化产生shiff碱键(C＝N)，交联反应4h得到反应产物，将反应产物按8000rpm离心5min，然后弃去上层油相，取离心物经过石油醚、异丙醇和丙酮各抽滤洗涤三次，然后经50℃的真空干燥箱干燥后获得CBCS微球。
将CBCS微球使用S-4800I型号的扫描电子显微镜，获得如图4所示的CBCS微球的扫描电镜图，可见，所得CBCS微球结构规整，表面光滑，球形较好，微球之间分散性较好，基本不产生团聚或黏连现象，粒径分布均匀。
对比例1：
一种CACS，其制备方法包括：将0.5g壳聚糖即3.1mmol壳聚糖溶于25mL二甲基亚砜中，溶解膨胀2h，再与0.4g顺丁烯二酸酐即4.1mmol顺丁烯二酸酐加入三颈瓶中不断搅拌溶解，加热直至温度达80℃时，如图5所示顺丁烯二酸酐与壳聚糖氨基进行酰化反应，反应24h后得到反应液，向55mL水中倒入反应液并置于冰水浴中，加入质量体积浓度为20％的NaOH溶液调节pH至10，抽滤得到滤液，取滤液放入半透膜透析处理5天，半透膜截流分子量：7000D，取半透膜截留物冷冻干燥获得絮状白固体CACS：N-(3-羧基烯丙酰基)-壳聚糖0.53g，产率为71.1％，可见CBCS的产率高于CACS的产率。
(1)采用红外光谱FT-IR表征壳聚糖CS，对比例1所得CACS，实施例1的步骤S1所得CBCS和步骤S2所得CBCS微球，研究官能团性质，红外条件为：使用傅里叶红外光谱仪，采用KBr压片法进行测试，扫描范围4000-400cm-1，进行测试之前样品干燥2h，结果如图6所示。
由图6可见，3400cm-1的附近处-NH:和-OH的伸缩振动吸收峰重叠而变成单一的宽峰，这说明壳聚糖CS粉末、CACS、CBCS及CBCS微球中含有官能团氨基和羟基；2900cm-1左右和2800cm-1左右的分别为-CH2-和-CH-的伸缩振动峰，1600cm-1处是氨基-NH2的吸收峰；从CACS、CBCS的红外图谱可知，1600-1700cm-1为仲酰胺的C＝O伸缩振动峰和羧酸羰基，酰胺的-NH伸缩振动峰在1560cm-1左右出现，说明壳聚糖进行酰化反应在氨基上进行；对比CS、CACS及CBCS，CBCS微球在1650cm-1处新出现shiff碱键(C＝N键)特征峰，是由交联剂的-CHO与壳聚糖上的-NH发生了交联反应，生产shiff碱键(C＝N键)。
(2)采用核磁共振氢谱1H-NMR表征对比例1所得CACS，实施例1的步骤S1所得CBCS，条件：500MHz，氘水D2O，结果如图7所示，由图7可见：
CACS：N-(3-羧基烯丙酰基)-壳聚糖的1H-NMR图谱可归属如下：化学位移4.95归属H1，化学位移3.24归属H2，化学位移3.6～3.88归属H3,H4,H5,H6，化学位移2.14归属结构式-NHCOCH3，化学位移5.7～6.4归属结构式-CO-CH＝CH-COOH；化学位移6.0左右出现了新的信号峰，说明CACS结构中引入了双键。
CBCS：N-(2-羧基苯甲酰基)-壳聚糖的1H-NMR图谱可归属如下：学位移3.5～3.9归属H3,H4,H5,H6，化学位移2.14归属NHCOCH3，化学位移δ7-7.9的信号峰归属于苯环上的氢，因为选用D2O做溶剂，羧基上活泼氢未出峰。
(3)采用核磁共振碳谱13C NMR表征实施例1的步骤S1所得CBCS，条件：氘水D2O，结果如图8所示，由图8可见：
CBCS：N-(2-羧基苯甲酰基)-壳聚糖的13C NMR图谱可归属如下：化学位移58归属C2，化学位移62归属C6、化学位移72归属C3，化学位移78归属C5，化学位移80归属C4以及103(C1)是壳聚糖的碳信号，新出现的化学位移175和165归属于羰基碳信号，化学位移125，127，131.5，131.3，137.6和141.3出现的新峰归属于苯环上的芳香碳。
(4)采用XRD和DSC表征分析壳聚糖CS和实施例1的步骤S1所得CBCS。
CS和CBCS的粉末X衍射图如图9所示，由图9可见：CS在2θ为11°和20°处各出现属于Ⅰ和Ⅱ结晶带衍射峰，而CBCS未出现Ⅰ结晶带，位于2θ＝20°处的衍射峰明显变为较弱的宽峰，其结晶带几乎完全消失，这表明壳聚糖上引入苯酐取代基后，降低壳聚糖分子间的氢键作用力，使壳聚糖分子链得到伸展，导致CBCS的分子间作用力弱于CS，从而显著改善了壳聚糖的溶解性能。
CS和CBCS的DSC图如图10所示，由图10可见：85℃处为CS的吸热峰，说明壳聚糖粉末中含有水份，在306℃处出现一个分解峰，CBCS图谱中在82℃处出现吸热峰，说明CBCS中也含有少量水份，但分解峰值降至301℃，这表明由于壳聚糖氨基上引入了苯酐，打破壳聚糖分子间氢键的作用能力，使壳聚糖分子得到伸展，同时CBCS热稳定性和结晶力下降，从而改善了CBCS的溶解性，使CBCS比壳聚糖溶解性大大提高。
(5)考察CBCS溶液浓度对CBCS微球粒径、油水比：液体石蜡与CBCS溶液的体积比、交联时间、乳化时间的单因素影响：
对比例2：与实施例1的区别在于步骤S2配制质量体积浓度为2％的CBCS溶液。
对比例3：与实施例1的区别在于步骤S2配制质量体积浓度为3％的CBCS溶液。
对比例4：与实施例1的区别在于步骤S2液体石蜡与CBCS溶液的体积比为10:1。
对比例5：与实施例1的区别在于步骤S2液体石蜡与CBCS溶液的体积比为20:1。
对比例6：与实施例1的区别在于步骤S2交联时间为3h。
实施例2：与实施例1的区别在于步骤S2交联时间为5h。
实施例3：与实施例1的区别在于步骤S2乳化时间为40min。
实施例4：与实施例1的区别在于步骤S2交联时间为60min。
通过纳米激光粒径仪对上述实施例与对比例所得CBCS微球进行表征分析，其结果如下表1所示：
表1.不同条件下CBCS微球粒径结果
| 编号 | CBCS溶液浓度/％ | 油水比 | 交联时间/h | 乳化时间/min | 微球粒径/μm | PDI | 总和 |
| 实施例1 | 1 | 15:1 | 4 | 30 | 4.15 | 0.216 | 4.366 |
| 对比例2 | 2 | 15:1 | 4 | 30 | 4.76 | 0.520 | 5.280 |
| 对比例3 | 3 | 15:1 | 4 | 30 | 5.12 | 0.372 | 5.492 |
| 对比例4 | 1 | 10:1 | 4 | 30 | 3.25 | 0.639 | 3.889 |
| 对比例5 | 1 | 20:1 | 4 | 30 | 5.83 | 0.345 | 6.275 |
| 对比例6 | 1 | 15:1 | 3 | 30 | 4.12 | 0.339 | 4.459 |
| 实施例2 | 1 | 15:1 | 5 | 30 | 4.59 | 0.262 | 4.852 |
| 实施例3 | 1 | 15:1 | 4 | 40 | 4.17 | 0.145 | 4.315 |
| 实施例4 | 1 | 15:1 | 4 | 60 | 4.18 | 0.203 | 4.383 |
由实施例1、对比例2、对比例3的结果可知，随着CBCS溶液浓度的增加而微球粒径增大，同时PDI也有增大趋势，即微球粒径分布区间变宽；当CBCS溶液浓度为1％时，粒径大小以及粒PDI显示值最低，这表明CBCS溶液浓度小时，制备的微球粒径相对较小，且微球分布均匀；随着CBCS溶液浓度的进一步提高，微球粒径明显较大，且分布区间变宽；其主要原因是随着CBCS溶液浓度的持续提升，微球颗粒之间会发生团聚，这使得CBCS微球难以在溶液中稳定分散，会迅速沉降导致粒径测量难度上升，加之CBCS溶液浓度升高时，其溶液的粘度增大，使得CBCS难以在液体石蜡中均匀分散，然而微球形成过程中为了使溶液能均匀地分散，就需要尽可能地降低液滴的比表面积，从而使CBCS微球的粒径增大，且PDI也随之变大；然而，即使是较低的CBCS溶液浓度不一定效果最佳，因为随着CBCS浓度的下降，用于交联反应的CBCS量会减少，从而导致合成微球的球壁变得更薄且容易变形。
由实施例1、对比例4、对比例5的对比结果可知，随着油水比的增大而微球粒径显著增大，但PDI呈减小趋势，即粒径分布均匀；当油水比为10：1时，油相占比少，与水相分散性较差，液滴之间碰撞粘连几率增大，导致制备的CBCS微球球形不规整，粒径分布不均匀；当油相占比为15:1时，CBCS在油相中分散效果更好，乳化过程中形成的液滴之间碰撞粘连的几率降低，微球粒径分布均匀；继续增加油相占比，单位体积溶液中油相分布增多，液滴之间碰撞几率增大，使微球快速制成，导致制备的CBCS微球的平均粒径增大。
由实施例1、对比例6、实施例2的对比结果可知，当交联时间为3h时，因交联时间不充分，得到的CBCS微球有块状物或片状物的出现，粒径分布不均匀；当交联时间为4h时，壳聚糖微球交联完全，微球成球性好，粒径分布均匀；随着交联时间的延长，微球粒径的变化不显著；通过粒径和PDI可以发现，当交联时间较短时，微球的结构不够完整，导致其球性较差；随着时间的增加，壳聚糖上的氨基和交联剂的醛基可以形成牢固的结合，使得微球结构更加稳定，粒径分布更加均匀，形成更加优良的球体结构；随着交联时间的持续延长，对微球的粒径无显著影响，因此优选交联时间＞3h。
由实施例1、实施例3、实施例4的对比结果可知乳化时间为30min时，微球粒径分散较为均匀；继续增加乳化时间，微球粒径与PDI未有显著变化，从粒径及PDI结果表明，随着乳化时间的增加，对微球粒径与粒径分布范围未有显著影响；考虑到实验的使用价值以及长时间的机械搅拌可能会破坏壳聚糖微球的结构，使微粒结构不规整，优选乳化时间为30-60min。
(6)根据单因素实验结果，初步确定影响微球制备工艺的三个主要因素CBCS溶液浓度、油水比、交联时间，对照正交设计表每个因素选取3个水平，采用L9(34)正交实验设计，探究CBCS微球的最佳制备工艺，各因素水平设置见表2：
表2.正交水平设计表
在此基础上以微球平均粒径大小和粒径分布指数PDI为考察指标：当以微球平均粒径为考察指标时，微球平均粒径较小，微球表面结构规整，粒子大小分布均匀，微球之间不产生出现粘连现象；以粒径分散程度PDI为考察指标时，说明粒径分布越均匀，得出的微球结构越规整，正交结果如下表3：
表3.正交实验结果
以微球平均粒径和粒径分布指数PDI之和进行正交数据分析，均值响应情况如下表4：
表4.均值响应表
得出：CBCS微球制备工艺各因素的影响程度为CBCS溶液浓度>油水比>交联时间。
分别以微球粒径和PDI正交实验结果之和进行方差分析，总方差情况如下表5：
表4.总方差分析表
| 方差来源 | 离差平方和 | 自由度 | F值 | P值 |
| A | 0.235232 | 2 | 50.93 | 0.019 |
| B | 0.149528667 | 2 | 32.37 | 0.03 |
| C | 0.037514667 | 2 | 8.12 | 0.11 |
| D(误差) | 0.004618667 | 2 |
F0.05(2,2)＝19F0.01(2,2)＝99，可得知CBCS溶液浓度、油水比P值小于0.05，说明CBCS溶液浓度、油水比对微球制备工艺存在显著影响，而交联时间P值大于0.1，说明其对微球制备工艺影响不显著，且从图12各因素交互作用中可看出三个因素之间相互作用存在明显的联系，CBCS溶液浓度、油水比对微球制备工艺存在显著影响，而交联时间对微球制备工艺无显著影响；根据主效应图11确定CBCS微球的最佳制备工艺条件为A1B2C3，即CBCS浓度为0.8％，油水比为15:1，交联时间为4.5h。
(7)考察CS微球及实施例所得CBCS微球对四环素的吸附效果
对比例7：一种CS微球，其制备方法包括：称取0.5g壳聚糖粉末逐步倒入50mL乙酸体积浓度为2％的乙酸溶液中，不断搅拌溶解，静置排出气泡，得到质量体积浓度为1％的CS溶液；将75mL的液体石蜡和1mL的表面活性剂司班80倒入三颈烧瓶中，以1000rpm的速率加热搅拌，直至温度达到50℃，接着向其缓慢滴加5mL配制好的CS溶液，经过30min的乳化得到混合液，再向混合液中添加0.3mL的戊二醛，交联反应4h，反应结束后，将产物在8000rpm离心5min，然后弃去上层油相获得离心物，离心物经石油醚、异丙醇和丙酮各抽滤洗涤三次，然后经40℃的真空干燥箱干燥后得到壳聚糖微球即CS微球。
①吸附等温实验：在锥形瓶中配制浓度为20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、120mg/L的四环素溶液50mL；分别称取30mg对比例7所得CS微球和实施例1所得CBCS微球，置于50mL玻璃瓶中，各自加入50mL不同浓度的四环素溶液，调节溶液PH＝3；将玻璃瓶置于25℃恒温振荡器中，振荡速率为200rpm，遮光处理6h后，4000rpm离心5min，用注射器抽出溶液经0.22μm的微孔滤膜过滤，在波长为357nm处，用紫外可见风光光度计检测6种浓度下待测液在吸附前后的浓度变化。
平衡吸附量(Qe，mg·g-1)及去除率(η％)公式如下：
上式(1)和(2)中，Qe为制备的吸附剂对四环素的饱和吸附量(mg·g-1)；η为相对应的去除率；C0为四环素溶液的的初始浓度(mg/L)，Ce为吸附结束时四环素溶液浓度(mg/L)；V为四环素溶液的体积(L)；m为加入微球的质量(mg)。
四环素初始浓度对微球的吸附影响结果如图13所示，可以看出随着四环素初始浓度的增大，两种微球吸附容量均不断增加；在四环素溶液初始浓度为100mg/L之前，吸附速率持续上升，CS微球和CBCS微球的吸附量在不断增大，初始浓度达80mg/L后吸附速率变得缓慢，初始浓度在100mg/L之后吸附量不再变化，趋于平衡状态，此时壳聚糖微球对四环素溶液的吸附达到饱和状态时的吸附量值为104.16mg/g，CBCS微球对四环素溶液的吸附达到饱和状态时的吸附量值为117.35mg/g；四环素初始浓度越高，在固液相中的驱动力越大，吸附容量也随之增加；当四环素溶液达到一定初始浓度时，微球表面的吸附位点基本已经和四环素分子结合完毕，微球吸附量达到饱和状态，这表明了四环素的初始浓度是影响微球吸附效果的因素之一，在吸附量达到稳定状态后，四环素的初始浓度对吸附过程将不再影响。
吸附等温线模型Langmuir模型吸附方程如下：
吸附等温线模型Freundlich模型吸附方程如下：
qe＝Kf*Ce^1/n (4)
上式(3)和(4)中，Ce为吸附四环素平衡浓度(mg/L)；qe为微球吸附量(mg/g)；qm为极值吸附量(mg/g)；KL为表面吸附速率常数(L/mg)、Kf为吸附能力平衡常数；n为吸附常数，通常情况下n＝0.1到0.5之间，易于吸附；n高于2时不易于吸附进行。
为了验证吸附过程是否满足吸附，引入无量纲分离因子RL，表达式如下：
上式(5)中，RL代表分离系数，它反映了吸附过程的特性，当RL在0到1时，表明吸附过程为有利于吸附的进行；当RL大于1时，吸附过程将无法实现；当RL＝1时，吸附反应可以被逆转；当RL＝0时，吸附过程将不可逆。
常温下CS微球及CBCS微球的对四环素吸附的等温曲线如图14所示，Langmuir模型的线性相关系数CS微球：R2＝0.9978、CBCS微球：R2＝0.9953，Freundlich的线性相关系数CS微球：R2＝0.9297、BCS微球：R2＝0.9034，可见，两种微球对四环素的吸附过程更符合Langmuir模型，属于单分子层的吸附，CS微球的RL为0.23-0.65，CBCS微球的RL为0.13-0.79均在0到1之间，说明CBCS对四环素的吸附过程易于进行。
②吸附动力学实验：将30mg吸附剂分别装入9个遮光容量瓶中，然后向容量瓶中加入50mL配制好的100mg/L的四环素溶液，在恒温振荡器中使微球与四环素溶液充分混合。根据设置的时间取出容量瓶，通过0.22um微孔滤膜过滤获得待测液，在357nm处经紫外光度计测量溶液浓度。最后计算出在不同时间里微球对四环素溶液的吸附量，其结果见图15，可见，随时间的变化，四环素吸附量在不断增加，CS微球及CBCS微球均在120min后，微球吸附速率不断减少，吸附过程开始趋于平衡，并且在210min后吸附量基本不在增加。
准一级动力学方程如下：
ln(Qe-Qt)＝lnQe-K1t (6)
准二级动力学方程如下：
上式(6)和(7)中，Qe为四环素溶液平衡吸附量(mg/g)；Qt为微球在t时刻的吸附量(mg/g)；K1为准一级模型吸附速率常数；K2为准二级模型吸附速率常数。
为了进一步研究了利用粒子内扩散模型来拟合两种微球吸附剂对四环素的吸附过程的吸附影响，在准二级模型拟合的基础上对实验数据进行分析，颗粒内扩散方程表示为：
Qt＝Kid×t1/2+C (8)
在式(8)中，Kid代表粒子内扩散的速率常数(mg·g-1·min1/2)，常数C表示与边界层厚度有关的常数，通常来说，C值越大，表明边界层效应越显著，Kid和C可通过Qt对t1/2作图的斜率和截距求得。
由图16拟合曲线所示，拟合的准一级动力学方程R2分别为0.9519、0.9782，Qcal与实验得到的Qexp相差较大；准二级动力学模型的R2分别为0.9966、0.9968，均在0.99以上，且得到的Qcal与实验得到的Qexp基本相近，可见CBCS微球对四环素的吸附过程准二级动力学拟合效果更好，符合准二级动力学模型。
由图17的拟合曲线所示，两种微球的吸附过程曲线可分为3个阶段：第1段为四环素在颗粒外表面扩散阶段，主要在微球表面和边界层扩散吸附，该价段吸附速率较快。随着吸附反应的进行，第2段与第3段表现为颗粒内孔隙扩散；从图看出三段拟合线性线段均未通过原点坐标，这说明另种微球吸附速率不仅仅是由颗粒表面和孔隙内扩散控制的，同时边界层扩散作用对吸附速率也有一定的影响，这是因为随着反应进行溶液中四环素量的降低，微球表面吸附点在不断减少，致使已经吸附在微球表面上的四环素分子向孔隙内扩散，这时吸附速率较慢，吸附反应逐渐达到平衡状态。
微球吸附四环素粒子内扩散模型参数如下表6所示：
表6.微球吸附四环素粒子内扩散模型参数
可见，Kid1值均高于Kid2、Kid3值，说明随着吸附反应时间的延长，微球吸附剂表面孔道被大量的四环素占据，吸附剂的吸附速率降低。
③吸附热力学实验：在四环素溶液为100mg/L下，探究吸附温度在三种温度下，即293K、303K、313K下，检测温度和吸附量变化的关系，温度对吸附过程的影响的热力学方程如下：
ΔG0＝-RTlnKb (10)
上式(9)-(11)中，Kb是扩散系数，ΔH0是焓变(kJ·mol-1)，ΔS0是熵变(J/mol-1·K-1)，ΔG0为吉普斯自由能(kJ·mol-1)，T(K)为温度，R(8.314J/mol-1·K-1)是摩尔气体常数。
结果见图18可见，两种微球吸附剂的单位吸附量均随温度的升高而增加，高温促进微球孔道的溶胀作用，加速四环素在微球表面和孔道内扩散，从而使微球对四环素的吸附速率增大，吸附量也随之增加，同时高温也会促进四环素分子快速扩散至表面边界层和内孔隙。
微球吸附四环素的热力学参数如表7所示：
表7.微球吸附四环素的热力学参数
由表7可见，壳聚糖微球及CBCS微球布斯自由能ΔG0均为负值，说明两种吸附剂吸附反应主要为自发反应，且ΔG0值在-20与0kJ·mol-1，他们的吸附主要以物理吸附为主；同时，随着温度的增加，吉布斯自由能ΔG0的绝对值也随之增大，表明温度的变化影响两种微球的吸附行为；为11.4与15.1kJ·mol-1，在0与40kJ·mol-1范围内，表明两种微球的吸附方式以物理吸附占主导，且该吸附过程为吸热反应，/>为正值说明吸附过程不可逆。
综上可见，在不同浓度下，CBCS微球的吸附能力明显优于CS微球，说明除了壳聚糖的氨基和羟基上存在孤对电子轨道的影响，CBCS中引入羧基，增加了其含氧官能团，从而增加了对四环素的吸附位点，同时CBCS不仅与呈阴离子态的四环素发生静电结合，而且引入苯酐取代基后CBCS的分子间作用力比壳聚糖弱，明显地削弱了壳聚糖分子间的氢键，使壳聚糖分子内的主链得到伸展，从而大大增强了吸附能力。
在各种温度下，CBCS微球对四环素的吸附能力均高于CS微球，与CS微球吸附能力相比，CBCS微球较好的吸附能力并不只是由于温度所造成的，还应与CBCS微球结构中引入的羧基，增加了其含氧官能团，从而增加了对四环素的吸附位点，吸附量也随之增加。
(8)考察CS微球及实施例所得CBCS微球吸附抗生素时的多次使用情况：
分别称取30mg对比例7所得CS微球和实施例1所得CBCS微球，置于50mL玻璃瓶中，各自加入50mL不同浓度的四环素溶液，调节溶液PH＝3；将玻璃瓶置于25℃恒温振荡器中，振荡速率为200rpm，遮光处理6h后，4000rpm离心5min得到完成吸附的CS微球和CBCS微球；用0.2mol/L的NaOH溶液冲洗完成吸附的CS微球和CBCS微球，使已吸附到CS微球或CBCS微球上四环素释放出来，然后用蒸馏水洗涤至PH＝7，放进50℃真空干燥箱中干燥，经过多次重复实验，将每次吸附的最大吸附率与第一次实验的进行对比。
利用微球重复吸附抗生素，来评估微球是否具有重用性，结果见图19所示，连续四次再生循环后，CBCS微球(Q-CBCS)对TC的去除率仍在80％以上而壳聚糖微球(Q-CS)经过连续四次再生循环后对TC的去除率仅在60％以，综合表明CBCS微球(Q-CBCS)较壳聚糖微球(Q-CS)更具良好的稳定性和可重复性，经再生后可多次循环使用。
上述实施例和对比例所用试剂来源包括：
壳聚糖：CS，购自于上海展云化工有限公司；顺丁烯二酸酐：MA，购自于上海阿拉丁生化股份有限公司；苯酐：HHPA，购自于上海阿拉丁生化股份有限公司；氢氧化钠、二甲基亚砜DMSO、冰醋酸、戊二醛、四环素：购自于国药集团化学试剂有限公司。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水溶性CBCS微球，其特征在于，所述水溶性CBCS微球由壳聚糖经苯酐改性为CBCS：N-(2-羧基苯甲酰基)-壳聚糖，结构式为：
再使CBCS的氨基与醛基交联固化产生shiff碱键得到。
2.根据权利要求1所述的一种水溶性CBCS微球，其特征在于，所述CBCS的分子量＞10KD，所述水溶性CBCS微球的粒径＜5μm，粒径分布指数PDI＜0.3。
3.根据权利要求1所述的一种水溶性CBCS微球的制备方法，其特征在于，其方法包括：
S1、制备CBCS：将壳聚糖溶于溶剂中溶解膨胀，再加入苯酐反应后得到反应液，向水中倒入反应液冷却，调节pH至碱性，过滤并取滤液透析处理，冷冻干燥获得絮状淡黄色固体CBCS；
S2、制备CBCS微球：取步骤S1所得CBCS溶解于水中得到CBCS溶液，将CBCS溶液滴入油相与乳化剂中乳化，再加入醛类交联剂交联反应得到反应产物，去除反应产物中的油相，干燥获得CBCS微球。
4.根据权利要求3所述的一种水溶性CBCS微球的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的溶剂为二甲基亚砜，壳聚糖与二甲基亚砜的摩尔体积比为：0.12-0.13mmol/ml，溶解膨胀时间为1.5-2.5h，壳聚糖与苯酐的摩尔比为：3-3.2:4-4.2，反应时在70-80℃下反应23-25h。
5.根据权利要求3所述的一种水溶性CBCS微球的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中反应后向水中加入反应液并置于冰水浴中冷却，用NaOH溶液调节pH至9-11，透析时所用半透膜的截流分子量为10KD。
6.根据权利要求3所述的一种水溶性CBCS微球的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中所述CBCS溶液中CBCS的质量体积浓度为0.8-1.5％。
7.根据权利要求3所述的一种水溶性CBCS微球的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中所述油相为液体石蜡，所述乳化剂为司班80，司班80与液体石蜡的体积比为1:50-150，所述油相与CBCS溶液的体积比为13-17:1，乳化时间为30-60min。
8.根据权利要求3所述的一种水溶性CBCS微球的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中醛类交联剂为戊二醛，CBCS与戊二醛的质量体积比为1.5-3.5g/ml，交联反应时间为＞3h。
9.根据权利要求3所述的一种水溶性CBCS微球的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中取反应产物按7000-8000rpm离心4-6min后弃去上层油相，取离心物经过石油醚、异丙醇和丙酮分别抽滤洗涤，经40-60℃干燥获得CBCS微球。
10.根据权利要求1所述的一种水溶性CBCS微球的应用，其特征在于，所述水溶性CBCS微球用于吸附水中的抗生素。
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