磁性微球的改性及其固定化鐵還原菌的性能

劉凡， 周作明， 荊國華

(華僑大學 化工學院， 福建 廈門 361021)

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磁性微球的改性及其固定化鐵還原菌的性能

劉凡， 周作明， 荊國華

(華僑大學 化工學院， 福建 廈門 361021)

以油酸、聚乙二醇、檸檬酸鈉和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)為改性劑，采用化學共沉淀法制備4種改性磁性微球.通過粒度測定(PSD)、X射線衍射分析(XRD)、傅里葉紅外光譜分析(FTIR)、熱重分析(TGA)、磁強度測定(VSM)對各種磁性微球進行表征，并對比各微球固定化鐵還原菌后還原Fe(Ⅲ)EDTA的性能，最終確定最佳的磁性微球改性條件.結(jié)果表明：APTES改性的Fe3O4磁性微球固定化鐵還原菌效果優(yōu)于其他改性微球，其最佳條件為APTES投加量8 mL，1 mg鐵還原菌需1.5 g磁性微球進行固定化；APTES-Fe3O4固定化鐵還原菌后連續(xù)使用5次，其Fe(Ⅲ)EDTA還原效率仍可保持在90%以上.

磁性微球； 改性； 3-氨丙基三乙氧基硅烷； 鐵還原菌； 固定化

磁性微球在外加磁場的作用下具有定位、導向和分離功能，能通過共聚、表面改性等方法調(diào)節(jié)其表面親水性(或疏水性)及生物兼容性，可作為較好的固定化載體[1]，廣泛地應用于廢水廢氣處理[2-4]、吸附劑材料開發(fā)[5-6]及環(huán)境檢測[7-8]等領(lǐng)域.在此基礎(chǔ)上，通過磁性微球表面改性，再采用化學或物理方法，可將微生物固定在磁性微球上.微生物經(jīng)固定后，其活性和穩(wěn)定性有所提高，在外加磁場的作用下，便于分離回收，有利于其連續(xù)循環(huán)反應的運用[9-11].鐵還原菌是生物還原耦合絡(luò)合吸收法(BioDeNOx)脫除煙氣中NOx的工藝中一種重要的還原菌，它可將Fe(Ⅲ)EDTA還原為Fe(Ⅱ)EDTA，實現(xiàn)吸收劑再生循環(huán)利用.本文分別以油酸、聚乙二醇(PEG)、檸檬酸鈉和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)為改性劑，采用化學共沉淀法合成不同的磁性Fe3O4微球，從中確定最佳固定化載體，并優(yōu)化其制備和固定化條件.

1 試驗材料

1.1 藥品與試劑

APTES(質(zhì)量分數(shù)為98%)購自上海阿拉丁化學公司；檸檬酸鈉、PEG、油酸、氨水(質(zhì)量分數(shù)為25%)均購自廣東省西隴化工公司；六水合氯化鐵、七水合硫酸亞鐵均購自上海國藥集團化學試劑公司(以上試劑均為分析純，用前未經(jīng)預處理).

1.2 實驗儀器

KQ-300VDE型三頻數(shù)控超聲波清洗器(江蘇省昆山市超聲儀器公司)；RW20型機械攪拌器(德國IKA公司)；H-2050R型高速冷凍離心機(湖南省長沙市湘儀公司)；UV-4802H型紫外可見分光光度計(上海尤尼柯公司).

2 試驗方法

2.1 改性磁性微球的制備

[12-16]的方法，將適量FeCl3·6H2O溶于蒸餾水，轉(zhuǎn)移至三口燒瓶，攪拌加熱至70 ℃，氮氣保護下，將Fe2+和Fe3+(摩爾比為2∶1)加入FeSO4·7H2O.1 000 r·min-1機械攪拌，快速加入適量氨水，超聲處理1 h，得到黑色溶膠狀產(chǎn)物，利用外加磁場將其分離.用蒸餾水洗滌3～5次，加入150 mL 乙醇和蒸餾水(體積比為1∶1)，50 ℃水浴中超聲處理30 min后，加入適量改性劑，超聲處理，4 h后磁分離，蒸餾水洗滌3～5次，-80 ℃冷凍干燥，得到黑色粉末樣品，置于樣品袋中密封保存，備用.

2.2 改性磁性微球的表征

1) 粒徑分析儀(PSD,測試波長范圍為0.04～2 000.00 μm)；2) X射線衍射分析(XRD，衍射條件：Cu靶Kα(γ=0.154 2)，管電壓為40 kV，管電流為40 mA，速度為4°·min-1，測量范圍為20°～70°)；3) 傅里葉紅外光譜分析(FTIR，測試波長范圍為500～4 000 cm-1)；4) 熱重分析(TGA，N2氛圍， 以10 ℃·min-1的升溫速度加熱至800 ℃)；5) 磁強度測定(VSM分析).

2.3 改性磁性微球固定化鐵還原菌

稱取磁性微球1.5 g，置于100 mL血清瓶，加入50 mL含F(xiàn)e(Ⅲ)EDTA(10 mmol·L-1)的培養(yǎng)基，接種1.0 mg(濕質(zhì)量)鐵還原菌菌液，N2驅(qū)氧后密封，于恒溫搖床(40 ℃，140 r·min-1)培養(yǎng)24 h.

2.4 分析方法

Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度的測定采用鄰菲啰啉分光光度法，細胞質(zhì)量濃度的測定是通過610 nm下光密度與細胞干質(zhì)量的關(guān)系，讀取菌懸液在610 nm下的吸光度,得到細胞的干質(zhì)量.采用Fe(Ⅲ)EDTA的還原率評估固定化鐵還原菌的還原性能，還原率R=[(c0-ct)/c0]×100%.其中：c0為Fe(Ⅲ)EDTA的初始濃度；ct為Fe(Ⅲ)EDTA在某時刻的濃度.

3 結(jié)果與討論

3.1 磁性微球的制備與條件優(yōu)化

3.1.1 磁性微球改性劑的選擇 考察不同磁性微球固定化鐵還原菌后還原Fe(Ⅲ)EDTA的性能，反應12 h后的還原率(η)，如圖1所示.由圖1可知：經(jīng)固定化后的鐵還原菌還原性能均優(yōu)于游離菌，APTES-Fe3O4固定化鐵還原菌對Fe(Ⅲ)EDTA的還原率最高；改性的磁性微球有效地抑制了因微球團聚導致的粒徑增大現(xiàn)象.改性后微球分散性增強，從而使鐵還原菌可以較好地固定在磁性微球上，且固定化過程采用的吸附法對微生物活力影響較小[17]，能有效保證體系還原Fe(Ⅲ)EDTA的能力.

3.1.2 APTES-Fe3O4微球改性條件優(yōu)化 考察不同APTES加入量對磁性微球固定化鐵還原菌的還原效果的影響，結(jié)果如圖2所示.由圖2可知：APTES投加量小于8 mL時，F(xiàn)e(Ⅲ)EDTA還原率隨著加入量增加而增加；投加量大于8 mL時，還原率隨著加入量的增加而減少.因此，在制備APTES-Fe3O4過程中，改性劑APTES的最佳投加量為8 mL，固定化鐵還原菌最終的還原率達到97.71%.

圖1 改性磁性微球固定化鐵還原菌還原率 圖2 APTES對固定化鐵還原菌還原率的影響Fig.1 Reduction rate of modified magnetic microspheres Fig.2 Reduction rates of immobilized iron reducing immobilized iron reducing bacteria bacteria effected by different APTES dosage

3.1.3 APTES-Fe3O4固定化鐵還原菌優(yōu)化 在確定8 mL為最佳投加量的基礎(chǔ)上，考察不同質(zhì)量的APTES改性磁性微球固定化鐵還原菌的還原效果，如圖3所示.圖3中：c(Fe(Ⅲ)EDTA)為Fe(Ⅲ)EDTA濃度.由圖3可知：當時間為6 h時，1.5 g的APTES-Fe3O4固定化鐵還原菌的Fe(Ⅲ)EDTA還原率最高.因此，最佳的固定化比例為:1 mg鐵還原菌需1.5 g磁性微球進行固定化.

表1 APTES-Fe3O4固定化鐵還原菌前后的粒徑對比

3.2 改性磁性微球的表征

3.2.1 粒徑分析 通過粒徑分析儀分析APTES-Fe3O4磁性微球固定鐵還原菌前后的粒徑(D)，結(jié)果如表1，圖4所示.圖4中：φ為對應粒徑的微球體積所占的百分數(shù).由表1和圖4可知：固定化鐵還原菌后的磁性微球粒徑較固定前大.這是因為鐵還原菌固定在磁性微球上形成包覆層，增大其粒徑.

3.2.2 XRD分析 通過XRD分析幾種磁性微球的晶體結(jié)構(gòu)，如圖5所示.實驗制備的磁性微球在XRD圖譜中30.3°，35.6°，43.3°，53.6°，57.2°,62.9°等6處出現(xiàn)特征衍射峰，且峰的寬度與強度與Fe3O4標準圖譜(JCPDS-75-1609)一致.由此可以確定，磁性微球含有Fe3O4，純度高且為反式尖晶石結(jié)構(gòu)[18].幾種改性微球中，APTES改性后的Fe3O4吸收強度最強，說明其成分中Fe3O4的質(zhì)量分數(shù)較高[19]；而檸檬酸鈉-Fe3O4和油酸-Fe3O4吸收強度明顯較弱.

圖3 不同質(zhì)量的APTES-Fe3O4固定化鐵還原菌還原率 圖4 APTES-Fe3O4固定化前后粒徑分析Fig.3 Reduction rates of immobilized iron reducing bacteria Fig.4 PSD of APTES-Fe3O4 before with different APTES-Fe3O4 qualities and after immobilization

3.2.3 FTIR分析 通過FTIR分析磁性微球的表面官能團，結(jié)果如圖6所示.由圖6可知：所有的磁性微球都在584 cm-1處出現(xiàn)Fe-O鍵產(chǎn)生的吸收峰，在3 433 cm-1出現(xiàn)O-H伸縮振動峰.檸檬酸鈉、油酸改性的磁性微球都在1 630 cm-1附近出現(xiàn)典型的-COO-吸收峰，說明檸檬酸及油酸成功包覆在Fe3O4表面[14].而APTES改性的磁性微球在1 132，1 044 cm-1處出現(xiàn)Si-O-Si與Fe-O-Si振動峰，APTES成功連接到磁性微球表面[12]，便于表面進一步改性，或偶聯(lián)其他生物大分子.

圖5 改性磁性微球的XRD譜圖 圖6 改性磁性微球的FTIR圖Fig.5 XRD spectra of modified magnetic microspheres Fig.6 FTIR spectra of modified magnetic microspheres

3.2.4 TGA分析 通過TGA分析不同APTES投加量改性下Fe3O4磁性微球在0～750 ℃的失重情況(w)，結(jié)果如圖7所示.幾種磁性微球的失重大概可分為2個階段：第一階段為0～200 ℃，是磁性微球中水分的蒸發(fā)；第二階段為200～600 ℃，是磁性微球中有機成分及雜質(zhì)的分解[20]；600 ℃以后為磁性微球中剩余的Fe3O4.由圖7可知：不同APTES投加量改性的磁性微球磁物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)不同.8 mL APTES改性的磁性微球中有機成分質(zhì)量分數(shù)相對較高，說明其表面附著大量的氨基，有利于微生物的固定化，這也是該投加量情況下，磁性微球固定化鐵還原菌還原性能最佳的重要原因.

3.2.5 VSM分析 通過VSM分析磁性微球的飽和磁強度，如圖8所示.圖8中：M為磁化強度；H為磁場強度.各磁性微球的矯頑力和剩磁都幾乎為0，說明實驗制備的磁性微球具有超順磁性[21]，可通過外加磁場實現(xiàn)磁性微球的分離和回收.未改性磁性微球的飽和磁強度為0.076 A·m2·g-1，而實驗室制得的改性磁性微球的飽和磁強度弱于未改性的磁性微球，但均在0.068 A·m2·g-1以上，相差較小，且改性劑投加量對于磁性微球的磁響應強度無顯著影響.綜合考慮其他表征結(jié)果，確定8 mL APTES改性的磁性微球為最佳固定化載體.

圖9 鐵還原菌還原Fe(Ⅲ)EDTA重復性實驗Fig.9 Repeated reduction of Fe(Ⅲ)EDTA experiment of iron reducing bacteria

3.3 磁性微球固定化鐵還原菌重復性實驗

鐵還原菌還原Fe(Ⅲ)EDTA重復性實驗，結(jié)果如圖9所示.由圖9可知：1.5 g，8 mL的APTES改性的磁性微球固定化鐵還原菌連續(xù)使用5次后，F(xiàn)e(Ⅲ)EDTA的還原效率仍可以保持在90%以上.由此可見，APTES改性的磁性微球固定化鐵還原菌具有良好的重復使用性.

4 結(jié)束語

采用化學共沉淀法，利用不同的改性劑制備改性磁性微球，通過其固定化鐵還原菌還原性能的對比，確定了APTES-Fe3O4為4種改性微球中最好的固定化載體.考察改性劑投加量和磁性微球質(zhì)量對鐵還原菌固定化的影響，確定APTES最佳投加量為8 mL，1 mg鐵還原菌需1.5 g磁性微球進行固定化.在最佳制備和固定化條件下，APTES-Fe3O4固定化鐵還原菌連續(xù)使用5次后，對Fe(Ⅲ)EDTA的還原效率仍可以保持在90%以上.

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對2017年3－5月我院住院藥房藥品調(diào)劑流程現(xiàn)狀進行調(diào)查和分析。首先，要求病區(qū)和住院藥房填寫“住院藥房藥品調(diào)劑現(xiàn)狀調(diào)查表”，調(diào)查內(nèi)容包括病區(qū)護士對住院藥房藥品調(diào)劑的滿意度及住院藥房對病區(qū)領(lǐng)藥情況的滿意度，并分析藥品調(diào)劑及領(lǐng)藥過程中存在的問題，如領(lǐng)藥流程是否合理、領(lǐng)藥時間是否恰當?shù)?；同時，結(jié)合定期自查，并召開藥品調(diào)劑相關(guān)科室協(xié)調(diào)會，總結(jié)和討論目前工作中存在的問題。最終得出目前住院藥房藥品調(diào)劑過程中存在的主要問題為領(lǐng)藥次數(shù)過多、領(lǐng)藥時間過長。

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(責任編輯： 錢筠 英文審校： 劉源崗)

Modification of Magnetic Microspheres and Its Performance of Immobilized Iron Reducing Bacteria

LIU Fan, ZHOU Zuoming, JING Guohua

(College of Chemical Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The modifiers of oleic acid, polyethylene glycol, sodiumcitrate and 3-ammonia propyl triethoxy silane (APTES) were applied to modify the Fe3O4magnetic microspheres by chemical co-precipitation method. The magnetic microspheres were characterized by PSD, XRD, FTIR, TGA and VSM, and reduction rates of Fe(Ⅲ)EDTA by different magnetic microsphere immobilized iron reducing bacteria were compared, to determine the optimal preparation conditions. The results showed that the Fe(Ⅲ)EDTA reduction rate of the iron-reducing bacterium immobilized on the APTES-Fe3O4microspheres was higher than that of the other microspheres. The optimal preparation conditions for the APTES-Fe3O4microspheres were determined as follows: 8 mL of APTES， and 1.5 g magnetic microspheres for immobilization of 1 mg iron-reducing bacteria. More importantly, the reduction efficiency still maintained 90% of its initial reduction ability after the 5th reused cycle.

magnetic microsphere; modify; 3-ammonia propyl triethoxy silane; iron reducing bacteria; immobilized

10.11830/ISSN.1000-5013.201606012

2015-10-10

荊國華(1975-)，女，教授，博士，主要從事大氣污染控制方向的研究.E-mail:zhoujing@hqu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(21077035, NCET-11-0851)

O 647

A

1000-5013(2016)06-0720-05