CMCS Fe-2010-羧甲基壳聚糖磁性小球的制备与表征

Preparation and characterization of carboxymethyl chitosanmagnetic beadsYAN Li-li 1,XIE Wan-cui 1,YANG Xi-hong 1*,ZHANG Chao-hua 1(Guangdong Ocean University,College of Food Science and technology,Zhanjiang 524025)Abstract:Taken the Fe 3O 4particles as the magnetic carrier,Carboxymethyl chitosan magnetic beads wasprepared.The concentration of carboxymethyl chitosan,carboxymethyl chitosan and Fe 3O 4particle mass ratio and crosslinker type on the properties of magnetic ball was studied.The best preparation conditions is,3%carboxymethyl chiosan solution,carboxymethyl chitosan and Fe 3O 4particle mass ratio of 1∶1,using 1.25%glutaraldehyde solution for crosslinking.The structure and morphology were characterized by IR,XRD and SEM.Key words:carboxymethyl chitosan;magnetic bead;preparation;characterization燕莉莉1，解万翠1，杨锡洪1*，章超桦1(广东海洋大学食品科技学院，湛江524025)摘要：以Fe 3O 4微粒为磁性载体，利用羧甲基壳聚糖制备毫米级磁性小球，研究了羧甲基壳聚糖溶液浓度、羧甲基壳聚糖与Fe 3O 4微粒质量比及交联剂种类对磁性小球的性质影响。

确定了最佳制备条件，即使用3%羧甲基壳聚糖溶液，羧甲基壳聚糖与Fe 3O 4微粒质量比1∶1，使用1.25%戊二醛溶液进行交联。

并用IR 、XRD 和SEM 对其结构和形貌进行表征。

关键词：羧甲基壳聚糖；磁性小球；制备；表征中图分类号：TQ 281文献标志码：A文章编号：1005-9989(2010)11-0240-04羧甲基壳聚糖磁性小球的制备与表征羧甲基壳聚糖(Carboxymethyl chitosan,CM CS)是壳聚糖(Chitosan)经化学改性得到的水溶性衍生物，由于羧基的引入使其结合重金属离子能力大大提高，可广泛应用于水处理，贵重金属离子富集回收等方面，但在应用时常常遇到难于与介质分离的难题。

由于磁性高分子微球在外界磁场作用下能方便、快速地与介质分离，所以20年里在医学、生物化学、分子生物学及工业应用等诸多领域显示出广泛的应用前景，受到国内外学者的普遍关注[1]。

本文将利用对重金属有较强吸附作用的羧甲基壳聚糖制备成易于与介质分离的毫米级磁性小球，并用IR 、XRD 和SEM 对其结构和形貌进行了表征。

1实验方法1.1试剂与仪器收稿日期：2010-05-24*通讯作者基金项目：2008年目标导向项目(SKLF-MB-200805)。

作者简介：燕莉莉(1984—)，女，硕士研究生，研究方向为食品添加剂。

·240·FOOD SCIENCE AND TECHNOLOGY2010年第35卷第11期羧甲基壳聚糖；FeCl 3·6H 2O 、FeC12·4H 2O 、氨水、乙酸、硫酸铁铵、硫氰酸钾、硝酸、盐酸：分析纯。

722S 可见分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；数显鼓风干燥箱：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)：德国BRUKER 公司；X 射线衍射仪：德国BRUKER 公司；XL-30扫描电子显微镜：Philips 公司。

1.2Fe 3O 4磁性微粒的制备[2]将FeCl 3·6H 2O 和FeCl 2·4H 2O 以摩尔比2∶1溶于水后，加入三颈瓶中，使总铁离子浓度为0.3mol/L ，氮气保护下加入氨水形成沉淀，同时剧烈搅拌，维持pH 10，于80℃下反应30min 后，分离固相，经水洗至中性后再用无水乙醇洗涤，于70℃下真空干燥。

1.3羧甲基壳聚糖磁性小球的制备将羧甲基壳聚糖溶解在水溶液中，充分搅拌使其完全溶解。

将此溶液与适量的Fe 3O 4磁性微粒搅拌均匀，超声振荡20min 。

使反应完全的磁性溶液呈珠状流入酸性分散剂中，使用磁力搅拌器不断搅拌，使羧甲基壳聚糖磁性溶液在分散剂中形成球形颗粒。

将小球置于一定浓度的戊二醛、甲醛交联剂溶液中进行交联反应，40℃水浴1h ，再升温至60℃水浴反应2h ，最终产物用蒸馏水洗至中性后湿态保存一部分备用，干燥一部分备用。

1.3.1羧甲基壳聚糖溶液浓度对小球呈球性的影响配制不同浓度的羧甲基壳聚糖溶液，其浓度水平均为2%、3%、4%。

完全溶解使其呈珠状流入酸性分散剂中，搅拌反应一段时间后观察其呈球形[3]。

1.3.2羧甲基壳聚糖与磁性微粒质量比对小球磁性的影响配制一定浓度羧甲基壳聚糖溶液，加入不同量的磁性微粒搅拌均匀，即改变羧甲基壳聚糖与磁性微粒的质量比为3∶1、2∶1、1∶1，分别制为不同的磁性小球，用磁铁吸附记录其最高的吸附高度[4]。

1.3.3交联剂对磁性小球物理性质的影响按表1配方，溶解至100mL ，配制不同的交联液[5]。

按表1交联剂配方，制备出不同的羧甲基壳聚糖磁性小球S1、S2、S3、S4比较它们的耐酸碱性，使用物性仪测量各磁性小球的硬度。

1.4湿态磁性小球含水量的测定精确称取湿态保存的羧甲基壳聚糖磁性小球，在100～110℃下烘干水分至恒重，准确称重后依式1计算含水量：H 2O 含量(%)=(W 1-W 2)/W 1×100(1)式中：W 1为湿磁性小球的质量；W 2为烘干后磁性小球的质量。

1.5磁性小球含铁量的测定测定时可以用硫氰酸钾[6]比色法。

Fe 3++3SCN －=Fe(SCN)3(红色)精确称量几粒干燥后的磁性小球，加入5mL 硝酸消化10min ，定容至100mL 的容量瓶中，取5mL 至50mL 的比色管中，根据配制标准比色液的方法稀释到50mL ；在722s 可见分光光度计上，在480nm 处测其吸光度值。

在标准曲线上求得铁的含量。

1.6红外图谱分析将羧甲基壳聚糖及羧甲基壳聚糖磁性小球均干燥至恒重后，分别用KBr 压片测定红外光谱。

1.7X 光衍射分析将羧甲基壳聚糖磁性小球研磨成粉末、Fe 3O 4磁粉分别使用X 射线衍射仪测定。

检测条件：Cu 靶K α1射线，电压35kV ，电流25mA ，发散狭缝1，防散狭缝1°，接收狭缝0.3、0.3mm ，2θ范围：10～70°。

1.8电镜分析使用离子溅射仪对羧甲基壳聚糖磁性小球镀膜，使用扫描电子显微镜观察其粒径与表观形貌。

2结果与分析2.1羧甲基壳聚糖溶液浓度对小球呈球性的影响当羧甲基壳聚糖溶液浓度为2%时，浓度太稀，不能呈球，在分散剂中的呈球性较差，呈软塌状；当溶液浓度为4%时，溶液很黏稠，流动性较差，从注射器中滴成小球时速度很慢，而且小球形状呈卵形，有拖尾现象；当溶液浓度为3%时，其流动速度适宜，从注射器中滴成小球的速度均匀，形成的小液珠很圆，在分散剂中的呈球性也很好，所以在制备过程中，采用3%的羧甲基壳聚糖溶液，可制得直径范围在2～3mm 的湿态磁性小球，待干燥后为1mm 的磁性小球。

表1交联剂配方编号25%戊二醛/mL甲醛/mL1502053 2.5 2.54·241·2.2羧甲基壳聚糖与磁性微粒质量比对小球磁性的影响通过实验考察了Fe 3O 4磁性微粒加入量对产物特性的影响，改变羧甲基壳聚糖/Fe 3O 4的比值，结果见表2所示。

由实验结果可以看到，随着Fe 3O 4磁性微粉的相对含量增大，产物的磁性显著增强，外观由黄褐色过渡到黑色。

磁铁吸上高度为磁铁对小球吸附时，距离小球的最后吸附高度。

有此可见，壳聚糖及衍生物与Fe 3O 4磁性微粒的质量比为1∶1时，磁性最佳。

2.3交联剂对磁性小球物理性质的影响通过改变交联剂的种类和添加量，考察不同交联剂对羧甲基壳聚糖磁性小球的物理性质的影响，结果如图1所示。

将使用不同交联剂交联的小球分别置于pH2的乙酸溶液及pH12的NaOH 碱液中2h ，观察其球的变化情况。

交联剂的种类和用量对产物的成球特性和物理性质都有一定影响。

甲醛作为交联剂的效果明显不如戊二醛，甲醛的交联强度明显低于戊二醛，交联制备的磁球成球性差。

戊二醛用量增大，产物颜色加深，硬度增强，这是由于表面交联层增厚所致。

同时戊二醛用量增大可以增加壳聚糖磁球的稳定性。

由图1可知，羧甲基壳聚糖磁性小球的硬度明显的高于其他两种小球，并且1号配方的交联剂最好，3号次之，说明使用1.25%的戊二醛溶液作为交联剂效果最好。

由表3可知，使用1号交联剂对磁性小球抗酸碱性有明显的效果，且羧甲基壳聚糖的抗酸碱性最强。

总之，使用1.25%的戊二醛溶液交联的羧甲基壳聚糖磁性小球的硬度及抗酸碱性最强。

2.4羧甲基壳聚糖磁性小球的含水量及含铁量对湿态羧甲基壳聚糖磁性小球的含水量测定值为94.13%。

对干态磁性小球的含铁量测定，实验发现Fe 3O 4的含量为48.87%。

这是因为制备磁性小球时，选择壳聚糖及衍生物/Fe 3O 4的质量比为1∶1为最优，制备完成后各磁性小球的Fe 3O 4的含量小于50%，这是因为在反应液滴加呈球的过程中及交联反应过程中都会损失少量Fe 3O 4。

2.5红外图谱分析由图2可知，羧甲基壳聚糖的红外光谱a 在3500～3200cm -1处的强吸收峰较尖锐、强度较小，说明羟基和氨基存在的分子间氢键遭到破坏，在壳聚糖的羟基和氨基上发生了衍生反应。

羧甲基壳聚糖在1585cm -1和1437cm -1出现了羧甲基的特征表2Fe 3O 4磁性微粒加入量对产物磁性的影响羧甲基壳聚糖/Fe 3O 4磁铁吸上高度/mm产物外观3∶19.1黄褐色2∶111.8深褐色1∶118.9黑色3000250020001500100050001234硬度/(N /g )图1交联剂对羧甲基壳聚糖磁性小球硬度的影响表3交联剂对磁性小球耐酸碱性的影响S1S2S3S4耐酸性++++++++耐碱性++-+--注：++为形状完好，无任何变化；+为形状基本完好，边缘有些涣散；-为小球开始溶解，但依稀还有形状；--为小球完全溶解，溶液呈泥状。