磁性殼聚糖微球制備及其表征

王 鑫，劉曉飛，馬永強

(哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院，省高校食品科學與工程重點實驗室，哈爾濱 150076)

化學共沉淀法反應(yīng)原理為Fe2+和Fe3+在一定條件下發(fā)生共沉淀反應(yīng)得到磁性Fe3O4，是目前普遍采用的方法.殼聚糖是一種天然大分子物質(zhì)，具有許多優(yōu)良特性.殼聚糖的一個重要應(yīng)用是它能夠與許多金屬離子相結(jié)合[1-2].在特定的反應(yīng)條件下可以制備出以Fe3O4為核心，外部包裹著殼聚糖磁性高分子材料，磁性殼聚糖不僅具備了磁響應(yīng)性，同時又具備了高分子集團的優(yōu)良特性.磁性高分子微球的核心是磁性粒子，在其表面包裹著高分子材料而形成的微粒.殼聚糖微球在磁場的作用下能夠簡單、迅速地分離，同時該微球有一定的特殊官能團成為生物活性物質(zhì)的載體[3].磁性微球因具有“在外界磁場存在下能定向運動”這一特殊性能，使其在醫(yī)學藥物研究領(lǐng)域、生物工程、化工領(lǐng)域、環(huán)境保護等各個領(lǐng)域研究日益活躍，并顯示具有較好的應(yīng)用前景[4-5].

本文研究磁性殼聚糖微球制備過程中的一些影響因素，對pH值，交聯(lián)劑，制備的工藝等進行研究，以便制備出具有磁響應(yīng)效果，形狀規(guī)則的磁性殼聚糖微球.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氫氧化鈉、石油醚、無水乙醇、丙酮、冰醋酸、硫酸亞鐵、三氯化鐵 天津市天新精細化工開發(fā)中心；液體石蠟、戊二醛、濃鹽酸 天津市化學試劑三廠；Span-80浙江東歐生物技術(shù)股份有限公司；殼聚糖 浙江東歐生物技術(shù)股份有限公司.

1.2 儀器與設(shè)備

HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；BS224S電子分析天平 賽多利斯科學儀器北京有限公司；ZHWY-2102C恒溫培養(yǎng)箱 上海智城分析儀器制造有限公司；DZF-6020真空干燥箱 上海一恒科技有限公司；13395HZX顯微鏡 上海萊卡顯微鏡系統(tǒng)有限公司；離心分離機 上海浦東物理光學儀器廠；KO3200DE數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；FEI Sirion掃描電子顯微鏡(SEM) 荷蘭飛利浦公司；HD-920潔凈工作臺 北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司.

1.3 實驗方法

1.3.1 磁性Fe3O4粒子的制備工藝流程

FeSO4·7H2O+FeCl3·6H2O混合物(1∶2)→蒸餾水→油酸→N2→攪拌5 min→NaOH→調(diào)節(jié)pH值→攪拌→水浴恒溫→攪拌30 min→Fe3O4納米粒子→蒸餾水洗滌→中性→棄上層清液→真空干燥(60 ℃，24 h)→納米Fe3O4粒子[6-7].

1) pH值對磁性Fe3O4形成的影響

在磁性Fe3O4制備中，用氨水與NaOH將中性溶液pH值調(diào)至堿性(pH值>10)，考察在制備Fe3O4磁性粒子時pH值的影響.

2) Fe3O4磁性粒子的形貌觀察

電子轟擊(EI)離子源；電子能量70 eV；傳輸線溫度275 ℃；離子源溫度200 ℃；母離子 m/z 285；激活電壓1.5 V；質(zhì)量掃描范圍 m/z 35～500.

1.3.2 磁性殼聚糖微球的制備

通過采用反向懸浮交聯(lián)的方法制備磁性殼聚糖微球，在強烈機械攪拌下，將殼聚糖的醋酸溶液與Fe3O4納米磁粉分散于適當?shù)挠袡C介質(zhì)中，在乳化劑存在下，應(yīng)用適當?shù)慕宦?lián)劑，殼聚糖與磁粉微?？蛇M一步交聯(lián)形成微球.交聯(lián)后的殼聚糖磁球，不溶于強酸，具有較高的強度.該過程分為以下步驟[8-9]：

1 g殼聚糖→50 mL5 %的乙酸溶液→加入1 g磁粉→超聲(40 min，30 ℃)→混合→液體石蠟(80 mL，40 ℃)→乳化30 min→充分混合→分散介質(zhì)→加入交聯(lián)劑(10 min后)→攪拌(40 ℃，2 h)→升溫(65 ℃) →攪拌2 h→洗滌(石油醚、丙酮、無水乙醇) →真空干燥(40 ℃，24 h) →磁性殼聚糖微球[10].

1) 交聯(lián)劑對磁性殼聚糖微球形成的影響

在轉(zhuǎn)速固定的情況下按上述方法進行操作，選擇甲醛與戊二醛分別作為交聯(lián)劑，選擇不同的加入時間，每次加入時間間隔1 h，加入方式見表1.并對幾種樣品在掃描電子顯微鏡下進行表征觀察.

表1交聯(lián)劑的加入量對反應(yīng)的影響

樣品因 素甲醛量/mL戊二醛/mL交聯(lián)劑加入次數(shù)A201B212次加入2種交聯(lián)劑C211D021E012

2) pH對磁性殼聚糖微球形成的影響

在整個反應(yīng)體系中，將溶液的pH值從酸性調(diào)至堿性(3～10)，考察在制備Fe3O4磁性微球時pH的影響.

1.4 磁性殼聚糖微粒的形貌及粒徑分析

應(yīng)用光學顯微鏡對磁性殼聚糖微粒的直觀形態(tài)，顏色進行觀察.應(yīng)用掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)觀察其細微的結(jié)構(gòu)特點

1.5 磁性殼聚糖微粒的紅外光譜分析

采用IR對高分子殼聚糖、Fe3O4及交聯(lián)后的磁性殼聚糖微球進行官能團的對比分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 磁性Fe3O4粒子的制備結(jié)果分析

2.1.1 pH值對磁性Fe3O4形成的影響結(jié)果分析

反應(yīng)開始時，如果使用氨水滴加，在Fe2+和Fe3+的混合溶液中與氨水接觸的部分會生成黑色物質(zhì)，但隨著機械的攪拌迅速消失，隨著添加量的增多會產(chǎn)生鐵紅色絮狀物，若繼續(xù)滴加氨水，溶液由鐵紅色逐漸變?yōu)樽睾稚?這是由于最初的溶液中只有Fe2+和Fe3+，溶液呈顯酸性，開始滴加氨水時的量較少，只在局部形成了弱堿的環(huán)境，在快速機械攪拌的情況下極不穩(wěn)定，顏色迅速消失.當?shù)渭影彼谷芤撼手行詴r，溶液呈鐵紅色說明其中仍有大部分的離子存在，但溶液中已經(jīng)有磁性晶體生成，故溶液呈鐵紅色.當溶液pH值升至9時，溶液呈棕褐色且不再變化，證明反應(yīng)完成，有磁性晶體生成.

若改用NaOH溶液在反應(yīng)過程中一次性加入，可使得Fe2+和Fe3+在堿性環(huán)境下反應(yīng)不會使得局部的pH顯酸性，在油酸與N2的保護作用下，快速攪拌生成磁性較好的Fe3O4粒子.通過控制NaOH的加入量，可得到具有不同pH值的溶液.如果pH值<8，反應(yīng)溶液呈棕紅色，所得到產(chǎn)物磁性很弱，由于反應(yīng)中的OH-1離子較少形成了FeOOH或其他的產(chǎn)物.若pH值在10以上，可得到磁響應(yīng)效果較好的黑色Fe3O4粒子.此法易控制，且得到的產(chǎn)物磁性較好.

2.1.2 Fe3O4磁性粒子的形貌觀察

圖1為Fe3O4粒子SEM的照片，由圖1中可以看出Fe3O4晶體粒子團聚在一起.符合化學共沉淀法制備磁性Fe3O4粒子的特點.

圖1 Fe3O4粒子的SEM掃描圖

2.2 磁性殼聚糖微球的制備

2.2.1 交聯(lián)劑對磁性殼聚糖微球形成結(jié)果分析

戊二醛作為交聯(lián)劑的效果明顯優(yōu)于甲醛，使用甲醛做交聯(lián)劑所形成的磁性殼聚糖微粒不成球，形態(tài)不規(guī)則，產(chǎn)物顏色較淺.甲醛先加入、戊二醛后加入，所得到的磁性殼聚糖微球形狀并無大的改動，可能是由于先加入的甲醛使得磁性粒子已經(jīng)與殼聚糖交聯(lián)成不規(guī)則的形態(tài)，在加入戊二醛已經(jīng)對形態(tài)的形成無法改變.隨著戊二醛用量增大，磁性殼聚糖微粒的顏色加深，這是由于磁性粒子表面的交聯(lián)層增厚所致，磁性微粒的粒徑也隨之變大.并且戊二醛做為交聯(lián)劑的穩(wěn)定性高于甲醛.從加入的次數(shù)來看，戊二醛一次加入的效果與分兩次加入的效果沒有太大的差別，但從粒徑的均一程度上來看，一次性加入戊二醛的磁性殼聚糖微粒更為均勻.見表2，圖2～6.

表2交聯(lián)劑的加入量對反應(yīng)的影響結(jié)果表

樣品因 素甲醛量/mL戊二醛(mL)交聯(lián)劑加入次數(shù)產(chǎn)物成球特性A201淺褐色、形態(tài)不規(guī)則B212次加入2種交聯(lián)劑淺黃、形態(tài)不規(guī)則C211淺黃綠色、成球型D021深黃綠色、成球形E012深黃綠色、成球形

圖2 樣品A

圖3 樣品B

圖4 樣品C

圖5 樣品D

圖6 樣品E

2.2.2 pH值對磁性殼聚糖微球形成的影響結(jié)果分析

在殼聚糖與磁性微粒的混合液進入分散劑之后，用NaOH調(diào)節(jié)體系的pH值，機械攪拌.實驗發(fā)現(xiàn)當pH值大于8.0時就有凝膠產(chǎn)生，在反應(yīng)容器的內(nèi)壁附著，溶液漸漸變清，無法進行下一步實驗.可能是由于堿的加入破壞戊二醛的交聯(lián)作用，使磁性粒子無法與殼聚糖結(jié)合到一起，產(chǎn)生了Fe3O4與OH的沉淀物.當pH值小于4.0，按之前的工藝操作加入2 mL戊二醛交聯(lián)反應(yīng)4 h后并沒有磁性殼聚糖微粒產(chǎn)生，磁性Fe3O4不與殼聚糖相結(jié)合，又分兩次加入戊二醛1 mL仍然沒有變化.故發(fā)生反應(yīng)的合適的pH值范圍為4.0～sdafd8.0，過酸或加堿都不利于反應(yīng)進行，相反會影響磁性殼聚糖微粒的形成，使得實驗無法進行.

2.3 磁性殼聚糖微粒的形貌及粒徑結(jié)果分析

在顯微鏡下可以直觀的看出磁性殼聚糖微粒呈球形，質(zhì)地均一，內(nèi)部包裹黑色的磁性物質(zhì)，顏色呈深黃綠色，見圖7.圖8為電子顯微鏡下磁性殼聚糖放大5 000倍時的圖像，由圖8可以看出，其形態(tài)較為規(guī)則，呈立體球形.

圖7 電子顯微鏡下磁性殼聚糖微球圖片

圖8 磁性殼聚糖微球放大5 000倍

2.4 磁性殼聚糖微粒的IR光譜結(jié)果分析

圖9、10分別為殼聚搪和磁性殼聚糖微球的IR圖譜，二者較相似，都具有殼聚糖的特征吸收峰.圖9在3 323.87 cm-1處有紅外吸收，這是-OH和-NH2的伸縮振動峰，2 823.53 cm-1處是脂肪族C-H的伸縮振動吸收，在1 088.25cm-1出現(xiàn)了一級醇羥基的C-O伸縮振動變形振動吸收；圖10中IR圖譜線除保留圖9中殼聚糖的特征吸收峰外，同時在598.43cm-1處出現(xiàn)了Fe3O4的特征峰，說明殼聚糖包覆了Fe3O4[11].

圖9 殼聚糖IR光譜圖

圖10 磁性殼聚糖微球IR光譜圖

3 結(jié) 語

制備磁性Fe3O4過程中，研究反應(yīng)體系的pH值對磁性微粒形成的影響，結(jié)果表明采用NaOH溶液作為OH離子的提供體效果好于氨水，當pH值在10以上，可得到磁響應(yīng)效果較好的黑色Fe3O4粒子.此法易控制，且得到的產(chǎn)物磁性較好.

制備磁性殼聚糖微球時，交聯(lián)劑的選擇很重要，戊二醛作為交聯(lián)劑的效果明顯好于甲醛，戊二醛一次性加入的效果與分2次加入的效果沒有太大的差別，一次性加入2 mL的戊二醛可以得到平均粒徑在12.78 μm左右的磁性殼聚糖微球，2次分別加入1 mL的戊二醛得到的磁性殼聚糖微球的粒徑為15.27 μm，均成黃綠色的球形.反應(yīng)體系的pH值應(yīng)控制在4.0～8.0，過酸或加堿都不利于反應(yīng)進行.從其官能團的紅外光譜分析中，可以判斷此方法制備的磁性殼聚糖微球?qū)⒋藕税谄鋬?nèi)部，說明磁性殼聚糖微球同時具備Fe3O4的磁性和高分子殼聚糖的優(yōu)良特性.

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