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(有机化学专业论文)壳聚糖季铵盐的合成及应用研究

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⑧硕士学位论文MASTER’STHESIfl摘要本文概述了国内外壳聚糖改性及应用方面的研究进展。以壳聚糖与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵反应,合成了羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC),研究了其杀菌活性及与表面活性剂的复配性能。制备了壳聚糖/壳聚糖季铵盐共混微球,研究了其吸附性能。以壳聚糖季铵盐修饰玻碳电极,研究了其电化学性能。主要研究内容及结论如下:1.以壳聚糖与2,3.环氧丙基三甲基氯化铵反应,合成了羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC),研究了不同pH值条件对水溶性壳聚糖季铵盐产率及产物溶解性的影响,讨论了pH值对反应的影响机理。结果表明,当反应pH为6.0时,水溶性HACC产物的产率高于pH为4.0、7.0和9.0时的产率;高效液相色谱表征发现了季铵盐产物的分子量比壳聚糖原料的分子量低。2.从配伍稳定性、表面张力及杀菌活性等方面研究了HACC与表面活性荆相互作用的情况。结果表明:HACC浓度为1×10。g/ml时,与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、非离子表面活性剂壬基酚聚氧乙烯醚(TritonX一100)、两性表面活性剂十二烷基甜菜碱(C12BE)配伍稳定;与阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)复配时,SDS浓度超过1×10。mol/L会产生沉淀;加入HACC后,CTAB,TritonX.100和C12BE的表面张力曲线均有一转折区域,且CTAB,TritonX.1001临界胶束浓度(cmc)增大。3.以平板抑菌法研究HACC的杀菌活性,结果表明,不同分子量(Mw41.55×104,9.02x104,3.57x104,0.17×104)HAcc对金黄色葡萄球菌@aureus),枯草杆菌(丑subtilis),表皮葡萄球菌假epidermidis),以及白色念珠菌(calbicans)均显示出杀菌活性。较高分子量的HACC对革兰氏阳性菌显示出较强的杀菌活性,在Mw9.02xl04至MwO.17×104之间,杀菌活性随分子量的减小而减弱。当浓度小于10g/L时,HACC对革兰氏阴性菌大肠杆菌伍CO忉和绿脓杆菌(P.aeruginosa)无杀菌活性。阳离子表面活性剂,两性表面活性剂,非离子表面活性剂以及ca2+、M矿的存在对HAcc的杀菌活性无明显影响。4.以乳化.化学交联法制备壳聚糖/壳聚糖季铵盐(CS/姒CC)共混微球,研究了其对农药五氯酚钠和阴离子染料酸性铬兰k的吸附性能。结果表明,随着壳聚糖季铵盐含量的增加,Cs/HAcc共混微球对五氯酚钠的吸附能力增强,但其成球的均匀度和机械强度均变差。CS/HACC微球对阴离子染料酸性铬兰k具有一定的吸附效农林经济管理专业论文(豆丁网@laoshutou)

⑨果。硕士学位论文MASTER‘STHESIS5.以共价键合法制备了壳聚糖季铵盐修饰电极,研究了低浓度的硝基苯在该修饰电极上的电化学行为,并对其氧化还原机理进行了探讨。该壳聚糖季铵盐修饰电极的稳定性能良好,对硝基苯的电化学氧化还原具有较好的催化活性。关键词:壳聚糖;壳聚糖季铵盐;杀菌活性;表面活性剂;复配;微球;吸附:修饰电极n正在输入为您倾心整理,淘宝小店damdoc.taobao.com

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⑧T11e硕士学位论文MASTER’STHESISAbstractweredevelopmentsofsynthesisandapplicationofchitosanderivativesreviewed.2-hydroxypropyltrimethylammoniumchloridechitosan(HACC)wasprepared.ThemicrobioeidalofsurfactantsactivityofHACCandinteractionbetweenHACCandvariouskindshavebeenstudied.Chitosan/2.hydroxypropyltrimethylmicrosphereswereammoniurntheirchloridechitosan(Cs用渔CC)co-mixedprepared,andabsorptioneffectsweretest.HACCwasusedtomodifyglasscarbonelectrode.anditselectrochemicalproperitywasstudied.Thefollowingarethemaincontentsandconclusions:1.HACCwaspreparedbythereactionofchitosanwith2.3一epoxypropyltrimethylonammoniumchloride.TheeffectoflClHinreactionmixtureproductyieldandsolubilityofthewasinvestigated.andreactionmechanismwasdiscussed.11leresultsshowedthattheyieldofwatersolubleHACCwashigherwhenthereactionwasatpH6.0thanatpH4.0,7.0and9.0,respectively.HPLCwasusedtocharacterizetheweight.Themolecularweightofproductislowerthanthenative2.Thethechangeofmolecularchitosan.interactionofbetweenHACCandvariouskindsofsurfactantswasstudiedbysurfacetension.Itwasfoundt11attherewasgoodmeanscompatibility,andcompatibilitybetweenHACCattheconcentrationof1x10。g/mlandammoniumhexadeeyltrimethylbromide(CTAB),TritonX-100andDodeeylbetaine(C12BE).ThesolutionofHAcCattheconcentrationof1x1O。jg/mlandsodiumdodecylsulfonate(SDS)abovetheconcentrationofl×10。jmol/Lcouldcauseprecipitation.HACCcausedthesurfacetensioncurvetoformatransitionareaandincreasedthecriticalmicelleconcentration(cmc)ofCTABand喇tonX.100.microbiocidal3.ConventionatagarplatemethodwasutilizedtoevaluatetheactivityofHACC.11"resultsshowthatHACCwithdiffcrentmolecularweights(Mw41.55x104,9.02x104,3.57x104,0.17x104)showedbiocidalactivityonStaphylococcuaaureus@aureus),Bacillussubtilis(B.subtilis)Staphylococcuaepidermidis@epidermidis)andCandidaalbicans(Calbicans).HACCwithhi【曲molecularweighthadhighbiocidalactivityonthegram-positivebacmda’andthebiocidaleffectofHACCdecreasedwithdecreasingmolecularweightfromMwandPseudomonas9.02x104toonMw0.17x104.However,noremarkablebiocidalactivitvofHACCwasfoundgram-negativebactedaEscherichiaconcentrationupto1Ogcoli(E.colOMr’hadaeruginosa(P.aeruginosa)attheon/L.E菇stenceofcarlohiesurfactant。amphoteriesurfactant,nonionicsurfactant.C一+andnoremarkableeffectmicrobiocidalactivityoftheseHACCsamples.Ill正在输入为您倾心整理,淘宝小店damdoc.taobao.com

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⑧structureof硕士学住论丈MASTER’STHESIS4.Aseriesofchitosan/2-hydroxypropyltrimethylammoniummicrosphereswereonchloridechitosan(CS/HACC)CO·-mixederosslinkingmethod.Thepreparedbyemulsificating··cherniealabsorptioneffectsodiumpentachlorophenateandacidonchromeblueKwasstudied.TheresultsshowedthattheabsorptioneffectsodiumpentachlorophenateincreasedwiththeincreasingratioofHACC.whilethephysicalmicrospheresturnedbad.CS/HACCCO.mixedmicrospherehadabsorptioneffectonacidchromebtUCK.5.GlasscarbonelectrodewasmodifiedbyHACCthroughcovalent-bondreaction.neelectrochemicalbehaviorofnitrobenzenewithlOWconcentrationonthemodifiedelec仃odewasstudiedandthereactionmechanismWasdiscussed.Themodifledelectrodeshowwellstabilityandcatalyticactivityelectrochemicalreductionofni仃obenzene.Keywords:Chitosan;2-Hydroxypropyltrimethylammoniumchloridechitosan;Microbiocidalactivity;Surfactant;Compatibility;Microsphere;Absorption;Modifiedelectrode正在输入为您倾心整理,淘宝小店damdoc.taobao.com

华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。作者签名:二寥丘参多矿<一日期:弘矽7年∥月矿日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名:厶叟厶六茅拿_日期:沪7年彳月拥…名:珲多矛日期:砷修崩本人已经认真阅读“CALLS高校学位论文全文数据库发布章程”,同意将本人的学位论文提交“CALIS高校学位论文全文数据库”中全文发布,并可按“章程”中的规定享受相关权益。回耋诠窒握童厦进丘!旦坐生;旦=生;旦三生蕉查!作者签名:‘嘭臼§7≯_日期:扩一]年莎月占日第一章绪论引言甲壳素是自然界中含量仅次于纤维素的天然高分子多糖,也是除蛋白质外数量大的含氮天然有机化合物。甲壳素广泛存在于甲壳纲动物、昆虫的甲壳及真菌和藻类的细胞壁中,是由2.乙酰氨基.2.脱氧一D.吡喃葡萄糖通过p-l,4糖苷键连接而成的二元线形聚合物【1】。壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后得到的一种天然碱性多糖,该多糖具有良好的生物活性、生物相容性、生物可降解性以及抗菌、防腐、止血和促进伤12:1愈合等特殊功能[2】广泛地应用于医药[3】、食品[4】、化妆品[5】、功能材料【6】等领域。图1.1显示了甲壳素和壳聚糖的结构示意图。Chitosan图1.1甲壳素和壳聚糖的结构壳聚搪存在水溶性及力学性能差等缺点,在一定程度上限制了其应用。对壳聚糖进行化学改性,可改善其水溶性、生物活性及力学性能,拓展壳聚糖在上述各种领域的应用。1.1壳聚糖的化学改性甲壳素由于乙酰氨基的存在,分子间的氢键作用很强,因而在溶剂中溶解及进行化学反应较为困难。壳聚糖由于游离氨基的存在,其反应活性比甲壳素高,可在溶剂中对其进行多种化学改性。1.1.1酰化壳聚糖分子链上含有羟基,能与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤(主要是酰氯)等发生0.酰化反应,即酯化反应,导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基,形⑧成有机酸酯。硕士学位论文MASTER’STHESIS壳聚糖残基上的羟基有两种,一种是C6.OH,为一级羟基,该羟基从空间构象上来说,可以较为自由的旋转,位阻也较小;另一种是C3.OH,为二级羟基,该羟基不能自由旋转,空间位阻较大。因此,一般情况下C6.OH的反应活性大于C3一OH。壳聚糖分子链上除了羟基外还有氨基,氨基的反应活性大于C6一OH,因此,酰化反应既可以在羟基上发生,生成酯,也可以在氨基上发生N.酰化反应,生成酰胺。酰化反应究竟优先在那个官能团上发生,与反应溶剂、酰化试剂的结构、催化剂、反应温度等因素有关。值得注意的是,酰化反应往往得不到单一的酰化产物,发生N一酰化的同时又发生。-酰化,发生C6.OH酰化的同时又发生C3一OH酰化。采用壳聚糖与醛反应生成希夫碱保护氨基的方法,可达到控制酰化反应只在羟基上进行的目的(图1.2)。陋p】。三陋釜N{Jok篷詈《L獬12毛L9c溉图1.2壳聚糖与醛反应选择适当的溶剂,可使壳聚糖的氨基或羟基发生选择性的酰化反应。近年来,人们报道了在甲磺酸溶剂体系中壳聚糖0-酰化的一步合成方法【7,8】。即选用甲磺酸作为质子化试剂进行区域选择性反应,无需壳聚糖氨基的预先保护,简化了反应步骤。另外,壳聚糖的羟基(尤其是C6.OH)可与含氧无机酸如硫酸、磷酸和硝酸等发生酯化反应生成相应的硫酸酯、磷酸酯和硝酸酯[1】。1930年,Karrer和White[9]发现羧酸酐在高温下与壳聚糖能发生很猛烈的反应,形成N一酰化衍生物。壳聚糖的N.酰化作用,一是用于壳聚糖氨基的保护,便于进行0-衍生化反应,二是有些Ⅳ-酰化衍生物对某些癌细胞有选择性聚合作用,有作为抗癌药物的前景,因此研究者较多。Hirano和Ohe[10]等报道了Ⅳ-酰化衍生物的制法:将100mg壳聚糖溶于溶剂中,加入过量的酸酐,室温放置12h,出现均匀相黏性溶液,或者成凝胶,反应完毕,产2⑧硕士学位论文MASTER’STHESIS率50%一78%之间。对于高级脂肪酸(C10.18),要在溶剂中外加lml吡啶,用水浴加热几分钟,这样能加速反应。反应结束后,把反应混合物倾入t00ral丙酮中,在室温下搅拌几小时,即形成了相应的N一酰化壳聚糖。Moore和Roberts[111指出,壳聚糖的AL酰化反应与溶剂的溶解度参数(5)有关,一般而言,选择的溶剂或溶剂体系,其5值需在13.O.15.5之间才能获得N,酰化率高的产物。近年来,Ⅳ-邻苯二甲酰化壳聚糖的选择性反应受到了关注。将壳聚糖悬浮在DMF中,加热至120.130。C,与过量的邻苯二甲酸酐反应,所得的邻苯二甲酰化产物可溶于DMSO中(图1.3)。该反应中也发生部分0-邻苯二甲酰化,但邻苯二甲酰胺对碱敏感,在甲醇和钠作用下,发生酯交换反应,D.酰基离去只生成Ⅳ-邻苯二甲酰壳聚糖[121。............。..ID凇,lfn图1.3壳聚糖与邻苯二甲酸酐反应1.1.2烷基化D.位烷基化壳聚糖衍生物,通常有3种合成方法。(1)席夫碱法:先将壳聚糖与醛反应形成席夫碱,再用卤代烷进行烷基化反应,然后在醇酸溶液中脱去保护基,即得到只在D-位取代的衍生物[13】。(2)金属模板合成法:先用过渡金属离子与壳聚糖进行络合反应,使.NH2和C3位.OH被保护,然后与卤代烷进行反应,之后用稀酸处理得到仅在C6位上发生取代反应的D-位衍生物[】4】。(3)N-邻苯二甲酰化法:采用N.邻苯二甲酰化反应保护壳聚糖分子中的氨基,烷基化后再用胼脱去Ⅳ-邻苯二甲酰f12】。由于自由.NH2的存在,该类烷基化壳聚糖衍生物在金属离子的吸附方面有着较为广泛的用途。N.烷基化壳聚糖衍生物的合成,通常是采用醛与壳聚糖分子中的.NH2反应形成希夫碱,然后用NaBI-13CN或NaBH4还原得到(图1.4)。用该方法引入甲基、乙基、丙基和芳香化合物的衍生物,对各种金属离子有很好的吸附或螯合能力【15,16】。董炎明等人用苯甲醛和壳聚糖反应,硼氢化钠还原得到苄基壳聚糖,研究了它的溶致⑧晶材料。硕士学位论文MASTE骁’STHESIS液晶行为[17】,并提出若壳聚糖羟基苄基化可形成热致液晶,有可能成为有用的液此外,合适的环氧化合物(如缩水甘油、缩水甘油基盐酸三甲胺)可与壳聚糖反应生成水溶性的N.取代壳聚糖[18,191,若环氧化合物过量,壳聚糖氨基上的2个H都被取代,生成N,N-Z取代衍生物。觇oo卜—————-———’CH3CHO--Ira.-[hq图1.4Ⅳ-乙基壳聚糖衍生物的合成在碱性条件下,壳聚糖与卤代烷直接反应,可制备在Ⅳ、D-位同时取代的衍生物。反应条件不同,产物的溶解性能有较大的差别【20】。该类衍生物也有较好的生物相容性,有望在生物医用材料方面得到应用。1.1.3季铵化自20世纪70年代以来,随着相转移催化技术的发展,高分予季铵盐季铵盐获得人们的青睐,被称为高分子催化荆,也叫固相催化剂。壳聚糖分子的每个糖残基上都有一个游离氨基,很容易被制成季铵盐,这种生物高分子季铵盐可作为重金属的选择性捕集剂,也被作为絮凝剂、抗菌剂和离子交换材料。壳聚糖季铵盐分为两类:一类是利用壳聚糖的氨基与卤代烷反应制得卤化壳聚糖季铵盐。由于碘代烷的反应活性较高,是常用的卤代化试剂。Muzg丑relli和Tanfani【2l】报道了碘化N-三甲基壳聚糖的合成。Jia等人【22】用壳聚糖和醛反应,得到席夫碱,再用NaB/-14还原,然后和过量的碘甲烷反应制得了壳聚糖季铵盐。壳聚糖碘代季铵盐的稳定性不如氯代季铵盐好,可将碘化N.三甲基壳聚糖溶于水,通过离子交换树脂AmberliteIR45(C1)交换,转型为氯化N.三甲基壳聚糖。另一类是用含有环氧烷烃的季铵盐和壳聚糖反应,得到含有羟基的壳聚糖季铵盐。许晨等人[23】用缩水甘油三甲基氯化铵和壳聚糖反应,合成了羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖,它的水溶性随取代度的增加而增大,完全水溶性产物的10%溶液,可以与乙醇、乙二醇、甘油任意比混合而不发生沉淀。1.1.4接枝与交联在壳聚糖上进行接枝共聚,较为典型的引发剂是偶氮二异丁腈、Ce(IV)【24]和氧化还原体系[25】。在偶氮二异丁腈引发下,一些乙烯单体如丙烯腈、丙烯酸甲酯4⑧硕士擘住论文MASTER’SnIESIS和乙烯基乙酸,都可在乙酸或水中与壳聚糖发生接枝共聚。在用聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和聚(4·乙烯基毗啶)和壳聚糖反应时,Ce(IV)也常被用作引发剂。Fe2+.H202可作为氧化还原引发剂引发甲基丙烯酸甲酯接枝共聚。通过丫射线照射也可以使苯乙烯在壳聚糖粉末或膜上发生接枝共聚。壳聚塘/聚苯乙烯共聚物对溴的吸附要优于壳聚糖本身,并且共聚物薄膜与壳聚糖薄膜相比.它在水中溶胀性较小,延展性较好【26】。壳聚糖和丙烯酰胺在水中由过硫酸铵引发褥到的共聚衍生物是一种三维交联产品。它在水中高度溶胀,体积可增大20.150倍[27】。聚丙胺酸也可以接枝在壳聚糖上,制成导电聚合物。在过硫酸铵引发下,壳聚糖可以在乙酸溶液中和丙胺酸反应,聚丙胺酸侧链接枝在氨基一J2128]。壳聚糖/聚丙胺酸共聚物可以制成薄膜和纤维,根据接枝反应中氨基和丙胺酸的比率,所得的共聚物性质不同。在线性多糖如纤维素和凝胶多糖的特定位置上引入糖基是很困难的,一般是用糖酐的开环聚合,再进行糖基化或者用二糖酐聚合得到接枝多糖。而采用N.邻苯二甲酰壳聚糖可选择性地在甲壳素或壳聚糖上引入糖基,且可区分壳聚糖上三种不同官能团。1.1.5树型衍生物壳聚糖的树形衍生物是近年来才发展起来的一类高分子化合物。它一般是在壳聚糖的氨基上接枝功能分子基团形成。如果接枝的基团是糖、肽类、月旨类或者药物分子,所得的树型分子结合了壳聚糖的无毒、生物相容性和生物降解性,再有功能分子的药物作用,因此在药物化学方面将会有广泛的应用。这类化合物可形象地形容为壳聚糖是这种分子的树干和主枝,树形分子是树枝,而功能分子就是树形材料的花和叶子。Sashiwa等人合成了一种树型分子:它是以四甘醇为起始原料,先得到N,N-双丙酸甲酯一11一氨基一3,6,9-氧杂一癸醛缩乙二醇,然后再与乙二胺发生胺解反应,经过同样步骤,在端基引入8个氨基,氨基再和含有醛基的单糖反应:最后和壳聚糖经席夫碱反应、还原得到(图1.5)。该类反应过程一般较为复杂。通过分子设计所得的高分子树型材料在主客体化学和催化方面显示出良好的应用前景【29】。⑧硕士学住论文MASTER’STHESIS秭蝴耥哲。。‰翁¨X√k,㈣-I./-.,tOgaN~^一·}珑l、柏h麓曲嘞僦月b魄^嘲吼M僦KI●,√郴b鬻阁嘶厂一/:鼍一一瓤謦”飘舶。麓黜船麓翁秽#§4瓣#奠戤.n;^图1.5壳聚糖的树形衍生物的合成1.2壳聚糖及其衍生物的功能1.2.1抑菌和保湿蒋玉燕等【30】研究了壳聚糖的体外抗菌活性,结果表明:壳聚糖对革兰阳性菌、阴性菌均有明显的抑制效果,且对革兰阳性菌的敏感性高于革兰阴性菌。当壳聚糖6⑧硕士学位论文MASTER’STHESIS浓度5mg/ml时,对革兰阳性菌的抑菌率达75.100%,而对大部分革兰阴性菌的抑菌率只有20.30%。对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,壳聚糖均显示快速和强大的杀菌作用:当壳聚糖浓度为8mg/ml时,2h能杀死大部分的大肠杆菌,而杀死等量的金黄色葡萄球菌要8ll,但其对金黄色葡萄球菌的杀菌作用最强,24h能100%杀死。近年来,人们利用壳聚糖分子结构中的氨基或羟基,对其进行化学改性,获得了多种衍生物。不但改善了壳聚糖的水溶性,而且同样具有抗菌活性,有些衍生物的抗茵活性甚至强于壳聚糖。Muzzarelli等【31】研究了羧丁基壳聚糖对298株临床分离病原菌的抑制作用。发现对革兰阳性菌和念珠菌特别有效,在8mg/ml时抑制了大部分被试菌株,对革兰阴性菌,9mg/ml时抑菌率达到90.100%。磺酸壳聚糖和苯甲磺酰壳聚糖也具有抗菌作用,对痢疾志贺菌、嗜水气单胞菌、鼠沙门菌、蜡样芽孢杆菌的最低抑菌浓度比壳聚糖低[32】。陈凌云等【33】研究表明,Ⅳ,D羧甲基壳聚糖对金黄色葡萄球菌有较好的抑制作用,而对大肠埃希菌的作用则较差。Qin等[341用微量热法研究了N-2一羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的对微生物生长的作用,结果表明,它对StTureus,Ecoil和Calbicans的生长具有抑制作用,而且在弱碱性环境中比在弱酸性环境中的作用强。壳聚糖的抗菌作用被广泛应用于食品的保鲜和抑菌以及伤口的抗感染。另外,由于壳聚耱分子链上大量氨基和羟基的存在,使其具有一定的吸湿和保湿作用。因此是一种理想的化妆品用高分子化合物。樊木[351研究了壳聚糖季铵盐的吸湿、保湿性能。结果表明,引入一定量的羟丙基三甲基氯化铵阳离子基团是提高壳聚糖吸湿保湿性能的有效方法。一定量的羟丙基三甲基氯化铵阳离子基团的引入,削弱了壳聚糖分子中的氢键作用,破坏了壳聚耱的晶体结构,使分子呈松散状态,有利于水分子接近并与分子中的亲水性基团如.OH和-NH2形成氢键。1.2.2吸附和载药壳聚糖作为一种天然高分子絮凝剂,对H矿、Niz+、Cll2+、Pb2+、cd2+、A矿等金属离子具有螯合吸附作用和离子交换作用,可用于治理重金属废水;还可吸附染料、蛋白质、氨基酸、核酸、酶、卤素等,用于水体净化、蛋白质分离、酶固定化、果汁澄清等。McKay等【36】研究表面壳聚糖对H矿、cu2十、Ni2+、zn2+的饱和吸附量分别为815、222、164、75mg/g。Chiou等【37】研究了交联壳聚糖微球在水溶液中对四种活性染料,三种酸性染料和一种中性染料的吸附,结果表明,在pH3.4,30℃时,壳聚糖微球对所测染料的吸附量为1911-24989/kg,分别为活性碳和甲壳素的3.4.15.0和2,7.27.4倍。7Agarwal等【38佣戊二醛交联壳聚糖为基质,探讨了6种蛋白质的疏水作用色谱行为,其中对碱性磷酸酶分离较好。在2.4M(NI-hhS04存在下,碱性磷酸酶仍可吸附,用50%乙二醇洗脱,酶活性回收率为99%,纯度倍数为4.5。余艺华等[39,401制各的具有类肝素结构的磺化羟乙基交联壳聚糖衍生物吸附剂,可使血浆中低密度脂蛋白(LDL)降低76.9%--79.7%,而对高密度脂蛋白(HDL)及TP影响较小,吸附选择性较好。王鸿飞【41]研究结果表明:用0.69/L壳聚糖、pH值3.5、45。C下澄清猕猴桃果汁透光率达95‰且维生素C等营养成分损失不大,清汁低温(4.5℃)贮藏7个月透光率基本不变,且无沉淀现象。Horst[42]等人研究发现:壳聚糖澄清果汁还有一个优点,即可降低果汁酶褐变速度和程度.能除去果汁中多酚氧化酶。用壳聚糖对胡萝汁、橘子汁、西瓜汁进行澄清,透光率均达85%以I-[43】。壳聚糖的弱酸水溶液具有高粘性,带正电荷,可与带负电荷高聚物女11:DNA,抗原以及大多数蛋白质药物相互作用,已广泛应用予药物载体和医用辅助材料[44 ̄46】。BSA.CS/聚氧乙烯纳米粒子作蛋白质载体[47】,DNA.CS纳米粒子作基因治疗[48],胰岛素一CS纳米粒子作鼻腔药物等都是近年来的研究成果【49】。徐淑芳等[50】在中性pH和室温条件下,用羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖与三聚磷酸钠离子交联制各了一种新型的纳米粒子,并研究其对模型药物BSA的载药,结果表明,纳米粒子对BSA的包封率可达90%,增加BSA的初始浓度包封率可从71%提高到92%,且具有良好的缓释性能。1.2.3医疗和保健肝素是应用最广的血液抗凝剂,但价格昂贵。壳聚糖本身具有抗血凝作用,将其硫酸化后,变成肝素类似物,抗血凝效果增强。Vongchan等[51】把壳聚糖加入到氯磺酸和二甲基甲酰胺形成的配合物中,低温反应得到磺酸化壳聚糖衍生物,通过测定凝血时间、抗FXa的活性、在抗凝血酶Ⅲ存在下对FXa的抑制作用等3个方面,对改性后的壳聚糖进行抗凝血性能的评估。实验结果表明,该壳聚糖的衍生物通过以下两个方面来达到抗凝血性能,即通过抗凝血酶Ⅲ来抑制FXa的活性和直接抑制凝血酶的活性。Hirano研究发现经硫酸酯化的壳聚糖的抗凝血活性主要表现在C.6上的硫酸根,C.3上的硫酸根可以促进C.6上的硫酸根提高抗凝血活性[52,531。壳聚糖衍生物的抗凝血活性与分子量有关,也与脱乙酰度、硫酸酯化度以及衍生物种类等有关。Muzzarelli[54]等测定,3,6一硫酸酯化一Ⅳ-羧甲基壳聚糖在血液中浓度为0.17mg/ro/时,其抗凝血活性与肝素相当,且24小时内无溶血现象,对红细胞8⑧硕士学位论文MASTER’STHESIS结构无显著影响。人体内的NK细胞和LAK细胞具有灭杀癌细胞的作用,NK细胞和LAK细胞在pH7.35的环境中活力最强,在酸性下受抑制。食用壳聚糖属弱碱性物质,能提高T淋巴细胞和B淋巴细胞的活力,能增加免疫活性细胞的数量和质量,发挥其抗癌作用。Suzuki等人发现六聚体(GIcNAc)6和(GlcN)6经静脉注射对小鼠的S180和MM46实体肿瘤有很强的抑制作用『55]但这两种寡糖对瘤细胞并无直接杀伤作用。六聚体对Meth.A癌细胞也有明显的抑制作用『561,而低于六个残基的寡糖却无抑锘lJMeth-A肿癌作用,该抗肿瘤机制可能是通过增加淋巴因子,随后由溶细胞的T.细胞增生来产生抗肿瘤效果。但长期口服甲壳素对S180实体瘤无抑制作用。Tsukada等人报道甲壳六糖对小鼠的路易斯肺癌有抗转移作用【57】。Suzuki等人分析了患癌鼠的脾细胞变化,证实甲壳低聚糖的抑癌机理是低聚糖的免疫促进作用所致,也就是通过加速帮助T细胞分化来增加细胞毒素T细胞活性,并伴随抑制性T细胞减少。国内外也报道了水溶性壳聚糖的抑癌作用,认为水溶性壳聚糖能显著增加NK细胞活性,并诱导脾脏细胞IFN吖的生成,并对腹腔巨噬细胞NO和TNF的生成有明显促进作用【58—60]。Sugano[61]指出含六个V21-残基的低聚糖能够阻止喂食高胆固醇含量的雄性大鼠的胆固醇和甘油三酯含量的升高,而甲壳素以及少于六个残基的壳寡糖却不能。降低胆固醇含量,使用的壳聚糖的链长多于六个残基是必要的[62】。Kondo用含0.5%壳聚糖、但不含胆固醇的食物喂养雄性大鼠81天。发现其血浆中胆固醇无变化,但高密度脂蛋白增加,而低密度脂蛋白下降;Deuchi研究显示,进食壳聚糖能够有效地降低小鼠血清的胆固醇含量,升高高密度脂蛋白的浓度【63】。一般认为相对分子质量在8.20kDa,其降低胆固醇的作用比相对分子质量300kDa的壳聚糖要大。分子量5-50kDa的壳聚糖对受试动物血液中的胆固醇降低能力及排便中脂肪含量的增加并无差异,但如果分子量降到2kDa以下,其降血脂功能就消失了【6l】。添加抗坏血酸能够加强壳聚糖的降血脂作用[64】。吕中明等【65】给小鼠服用壳聚糖白色粉末,21天后检测发现,333.3和1000mg/d/kg体重的剂量时,可增强二硝基氟苯引起的小鼠迟发性超敏反应,并可增强小鼠的血清溶血素反应和小鼠单核巨噬细胞的吞噬功能。黄俊平等[66]给小鼠服用甲壳素和壳聚糖28天,甲壳素剂量为100.3000mg/d/kg体重,壳聚糖剂量为80.1000mg/d/kg体重,结果显示甲壳素和壳聚糖均可提高绵羊红细胞诱导的小鼠迟发型超敏反应,增强小鼠的血清溶血素抗体反应和巨噬细胞的吞噬反应。储益平[671等给小鼠灌服壳聚糖5天(剂量1.6并912.8mg/d/kg体重),增强小鼠血清溶血素的形成,9⑧硕士学住论文MASTER7S1mESIS但抑制二硝基氯苯引起的小鼠迟发性超敏反应。长期口服甲壳素的老龄ICR/JCL小鼠的免疫细胞在脾和骨髓中均有增加。Nishimura等报道【68】,部分脱乙酰基甲壳素,特别是脱乙酰度70%的壳聚糖能够促进老鼠对大肠杆菌感染产生宿主抵抗性。他们认为70%DD壳聚塘是~种免疫调节剂。提高了小鼠的辅助性T淋巴细胞和天然杀伤细胞的活性,增加循环抗体生成,诱导迟发型超敏反应,激活了巨噬细胞活性。因而摄食壳聚糖可能提高动物的免疫监视系统作用。小鼠腹腔内注射壳聚糖(70%DD),24小时内促进了集落刺激因子和干扰素的基因表达[69】。壳聚糖能够显著促进丫.干扰素和尘细胞的生成[70,71】。Suzuki等[721用(GlcNAc)的4-6聚体以50mg/kg体重的剂量,腹腔注射于BALB/c鼠,结果发现提高了PEC的活性氧生成和杀菌能力,其中以(GlcNAc)6为最强,而完全脱乙酰基的2-6糖并不显示该作用。Kobayashi等【73】又对携带肿瘤且感染Candidaalbcans的鼠多次注射(GlcNAc)6结果发现鼠的肾内Candidaalbccln¥数量显著减少,在肿瘤形成早期巨噬细胞的对微生物的杀伤活性增强,两者同时作用时效果更佳。而这一点在提高肿瘤病人抗感染力极有价值,因为免疫力降低的病人易受真菌感染。常见的蔓JAspergillusCandida和Mucor,它们不但威胁生命安全而且在治疗上较为困难。1.2.4其它功能目前修饰电极的制备主要有共价键合、吸附、聚合物薄膜等方法。近年来,利用脱乙酰壳聚糖这种天然生物高分子材料对某些离子的强烈吸附和络合作用,用共价键合的方式将它引上玻碳电极表面,制成的玻碳电极牢固,具有更高的稳定性,能够采用开路富集的方式富集离子进行阳极溶出伏安分析。正是因为壳聚糖分子内含有氨基和羟基,因而对金属离子有吸附和络合功能。但是壳聚糖对金属离子的选择性较差,不利于对金属离子的分离。于是人们根据壳聚糖的结构特征,通过交联、接枝、酰化、酯化等对壳聚糖进行化学改性,以制备具有特殊性质和功能的壳聚糖衍生物。改性后的壳聚糖在各个方面的性能比没有改性的壳聚糖要优异得多。接枝反应中,冠醚化合物具有独特的分子结构和选择性的配位能力,能与许多金属离子形成主客体络合物有较好的选择性[741。用含有活泼基团的冠醚作为壳聚糖的交联剂,使之与壳聚糖分子中的氨基和羟基发生横向交联形成网状结构,并在其网状结构中嵌入不同数量的冠醚单元,制备成新型冠醚交联壳聚糖,这种新型的交联壳聚糖的高选择性吸附性能很值得进一步研究[751。近年来,化学修饰电极发展日趋快速。在化学修饰电极的制备中,利用浸涂法吸附修饰电极测定Fe(III)[76]、Pb(II)[77】、Au(III)[78]、Pt(IV)[79]、Pd(II)[80]、10⑧硕士学位论吏MASTER+STHESISAg(I)[81]、Cu(Ⅱ)【82】已有报道。北京大学化学与分子工程学院叶宪曾等人在这方面做了一系列研究,用脱乙酰壳聚糖修饰电极,阳极溶出法测定金属离子,并研究了其电极过程机理。液晶材料是目前高新技术领域中研发的热门。壳聚糖有望成为新型的天然高分子液晶材料【83】。近年来研究发现一些Ⅳ_酰化壳聚糖(乙酰化、丙酰化、丁酰化等)、苯甲酰化、氰乙基化壳聚糖有较好的溶液致晶性,其中乙酰化羟丙基壳聚糖还有热致晶性。1982年,Ogura[84]最早报道了在10%乙酸溶液中壳聚糖质量分数大于40%时,出现了液晶。其后,关于羟丙基壳聚糖、邻苯二甲酰化壳聚糖、丁酰化壳聚糖、氰乙基壳聚糖和马来酰化壳聚糖等的液晶性不断有报道[851。董炎明等人[86】发现氰乙基羟丙基壳聚糖在熔点1939cN分解温度220℃的温度区域内有一定的热致晶性。这对开拓新一类高强度生物高分子纤维具有重要的意义。壳聚糖的一些衍生物具有催化作用。可用作烯类单体的聚合引发剂,开环聚合催化剂,氢化催化剂,氧化偶合催化剂,酯化和醚化催化剂等[87】。Macquarrie[88】等制得壳聚糖缩2一毗啶甲醛钯配合物,该配合物催化碘苯与丙烯酸丁酯的反应,产率为82%。刘蒲[89,90l等则直接以壳聚糖作为钯催化剂的载体,在氮气氛围中催化了多个Heck反应。1.3课题设计及其主要研究内容本文拟研究的主要内容及解决的问题如下:1.探索合成羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的最佳反应条件。2.研究分子量及pH值、离子强度等环境因素对HACC杀菌活性的影响。3.研究HACC与表面活性剂相互作用的情况。4.制备壳聚糖/壳聚糖季铵盐(cs/H渔cc)共混制备微球树脂,研究其吸附性能。5.制备了壳聚糖季铵盐修饰电极,研究其电化学性能。⑨硕士学住论文MASTER’STHESI¥第二章羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的合成及其与表面活性剂的复配性能研究引言壳聚糖能溶于酸性溶液中,形成直链聚阳离子,具有一定的保湿,抑菌作用。但在中性及碱性条件下,壳聚糖不溶于水。为了改善壳聚糖的水溶性,保持分子的阳离子性能,在壳聚糖分子中引入季铵盐基团的研发成为壳聚糖衍生物研究的热点领域之-[91.93]。以缩水甘油三甲基氯化铵(GTMAC)与壳聚糖反应,在壳聚糖氨基上引入羟丙基三甲基氯化铵,方法简便,成本低。文献[23,34,351报道了羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC)的制各,分子结构,吸湿保湿性及抑菌活性,研究结果表明HACC在化妆品领域具有潜在的应用价值。而HACC在化妆品领域的应用涉及与表面活性剂的复配,这方面的研究未见详细报道。本文进一步研究了反应pH值对水溶性羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖产率及溶解性的影响,并讨论了其影响机理;同时,研究了反应前后的分子量变化情况。另外,从配伍稳定性,表面张力等方面研究了HACC与四种典型的表面活性剂,即阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS),非离子表面活性剂壬基酚聚氧乙烯醚(TritonX.100),两性表面活性剂十二烷基甜菜碱(c12BE)复配的情况,以便为HACC的实际应用提供理论依据。2.1实验部分2.1.1材料及仪器壳聚糖(脱乙酰度90.5%,分子量50.4万,实验室自制);壬基酚聚氧乙烯醚(TritonX-100),美国进口分装,分析纯;十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),济宁化学试剂厂,分析纯;十二烷基硫酸钠(SDS),海泰生物技术有限公司(青岛)日本进口分装,分析纯;十二烷基甜菜碱(c12BE),博信油脂化学厂,经石油醚萃取及丙酮重结晶提纯;三甲胺,化学纯;环氧氯丙烷,异丙醇及其它药品均为市购分析纯。Nicolet380智能傅立叶红外光谱仪(美国尼高力公司),KBr压片:TSPPl00高效液相色谱仪(美国热电公司):JYW-200B自动张力仪(承德实验机有限责任公司);⑧2.1.2硕士聿位论丈MASTER’STHESI¥722S可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)。GTMAC的合成参考文献[941,将三甲胺水溶液逐滴滴到NaOH固体上,产生的三甲胺气体经干燥后通入环氧氯丙烷中,控制体系温度25"C,反应2h。抽滤,产物以无水乙醚洗涤,真空干燥后得白色晶体,放入干燥的样品瓶中密封备用。2.1.3I-IACC的合成壳聚糖溶解于乙酸稀溶液中,调节pH值至9,使壳聚糖析出,然后把壳聚糖置于三口烧瓶中,加入溶剂,搅拌,升温,按摩尔比1:5加入缩水甘油三甲基氯化铵(自制),以稀盐酸调节pH6.O“.5,在85"C反应14h。产物用乙醇沉淀,过滤,用70%的乙醇水溶液洗涤,得粗产品。将产品用水溶解,用3G砂芯漏斗过滤,滤液用丙酮沉淀,过滤。重复操作2次。再将产品用水溶解,用分子量1×104的渗析膜透析3d,溶液在真空下浓缩干燥。2.1.4溶解性实验各取O.59不同反应pH值条件下合成的HACC产品,加入盛50ml蒸馏水的小烧杯中,于25℃搅拌1h。离心,收集沉淀物,干燥称重。计算样品的溶解百分率co(%)=100x(Wl—w:)/w1,W1表示称取的样品总质量,w2表示未溶解的样品质量。另各取O.29上述产品,加入盛50ml蒸馏水的小烧杯中,搅拌,观察其溶解情况,对于不能完全溶解的样品,以1%的醋酸溶液调pH值,以pH计测量并记录全部溶解时的pH值。再取上述试验中溶解性最佳的季铵盐样品,以浊度法评价pH值对其水溶性的影响。具体方法如下:40mg样品溶解于20ml的1wt%醋酸溶液中,慢慢滴加浓NaOH溶液,用pH计测定pH值,稳定10min后,取3ml放入1cm比色皿中,用722S型分光光度计测600nm处的透光率。2.1.5tlACC结构及分子量的表征取上述取上述试验中溶解性最佳的季铵盐样品a,分别以红外光谱和凝胶渗透色谱(GPC)表征其结构和分子量变化。2.1.6RACC与表面活性剂配伍稳定性研究分别配制浓度为lxl0~,lxl0之.1x104,lxl04,1x10。5mol/L的不同表面活剂溶⑧硕士擘位论文MASTER’ST1tESIS液,加入季铵盐样品a,使其浓度为lxl0一g/ml,摇匀后,恒温25。C,静置一周,观察溶液相稳定状态。2.1.7表面张力的测定分别配制不同浓度季铵盐样品alxl0。eCrra的表面活性剂溶液以及相应浓度不含HACC的表面活性剂溶液。测定其在25+0.1℃下的表面张力值,然后以表面张力为纵坐标,以表面活性剂浓度的对数为横坐标,考察表面张力的变化情况。2.2结果与讨论2.2.1反应pH值对水溶性壳聚糖季铰盐产率的影响不同反应pH值时,对应的水溶性HACC产率及产物的溶解性能见表2.1。从表中可以看出,当反应体系pH值为6时,所得水溶性产品产率最高,且完全溶解时对应的pH值最高,即其溶解性最佳;增大或减小反应pH值均会使其产率降低,且产品完全溶解时对应的pH值较低。表2.1不同反应pH值时,对应的HACC产品溶解性能。产品编号反应pH值溶解百分率翥髫时76.45HACC2679HACC3HACC4100%92%10%取水溶性最佳的HACC2为实验样品,以浊度法评价pH值对其水溶性的影响。图2.1显示了CS和HACC2溶液的透光率对pH的依赖关系。壳聚糖原料在酸溶液100go6040装≈匹瞄200468pH14⑧2.1.2硕士聿位论丈MASTER’STHESI¥722S可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)。GTMAC的合成参考文献[941,将三甲胺水溶液逐滴滴到NaOH固体上,产生的三甲胺气体经干燥后通入环氧氯丙烷中,控制体系温度25"C,反应2h。抽滤,产物以无水乙醚洗涤,真空干燥后得白色晶体,放入干燥的样品瓶中密封备用。2.1.3I-IACC的合成壳聚糖溶解于乙酸稀溶液中,调节pH值至9,使壳聚糖析出,然后把壳聚糖置于三口烧瓶中,加入溶剂,搅拌,升温,按摩尔比1:5加入缩水甘油三甲基氯化铵(自制),以稀盐酸调节pH6.O“.5,在85"C反应14h。产物用乙醇沉淀,过滤,用70%的乙醇水溶液洗涤,得粗产品。将产品用水溶解,用3G砂芯漏斗过滤,滤液用丙酮沉淀,过滤。重复操作2次。再将产品用水溶解,用分子量1×104的渗析膜透析3d,溶液在真空下浓缩干燥。2.1.4溶解性实验各取O.59不同反应pH值条件下合成的HACC产品,加入盛50ml蒸馏水的小烧杯中,于25℃搅拌1h。离心,收集沉淀物,干燥称重。计算样品的溶解百分率co(%)=100x(Wl—w:)/w1,W1表示称取的样品总质量,w2表示未溶解的样品质量。另各取O.29上述产品,加入盛50ml蒸馏水的小烧杯中,搅拌,观察其溶解情况,对于不能完全溶解的样品,以1%的醋酸溶液调pH值,以pH计测量并记录全部溶解时的pH值。再取上述试验中溶解性最佳的季铵盐样品,以浊度法评价pH值对其水溶性的影响。具体方法如下:40mg样品溶解于20ml的1wt%醋酸溶液中,慢慢滴加浓NaOH溶液,用pH计测定pH值,稳定10min后,取3ml放入1cm比色皿中,用722S型分光光度计测600nm处的透光率。2.1.5tlACC结构及分子量的表征取上述取上述试验中溶解性最佳的季铵盐样品a,分别以红外光谱和凝胶渗透色谱(GPC)表征其结构和分子量变化。2.1.6RACC与表面活性剂配伍稳定性研究分别配制浓度为lxl0~,lxl0之.1x104,lxl04,1x10。5mol/L的不同表面活剂溶⑧硕士擘位论文MASTER’ST1tESIS液,加入季铵盐样品a,使其浓度为lxl0一g/ml,摇匀后,恒温25。C,静置一周,观察溶液相稳定状态。2.1.7表面张力的测定分别配制不同浓度季铵盐样品alxl0。eCrra的表面活性剂溶液以及相应浓度不含HACC的表面活性剂溶液。测定其在25+0.1℃下的表面张力值,然后以表面张力为纵坐标,以表面活性剂浓度的对数为横坐标,考察表面张力的变化情况。2.2结果与讨论2.2.1反应pH值对水溶性壳聚糖季铰盐产率的影响不同反应pH值时,对应的水溶性HACC产率及产物的溶解性能见表2.1。从表中可以看出,当反应体系pH值为6时,所得水溶性产品产率最高,且完全溶解时对应的pH值最高,即其溶解性最佳;增大或减小反应pH值均会使其产率降低,且产品完全溶解时对应的pH值较低。表2.1不同反应pH值时,对应的HACC产品溶解性能。产品编号反应pH值溶解百分率翥髫时76.45HACC2679HACC3HACC4100%92%10%取水溶性最佳的HACC2为实验样品,以浊度法评价pH值对其水溶性的影响。图2.1显示了CS和HACC2溶液的透光率对pH的依赖关系。壳聚糖原料在酸溶液100go6040装≈匹瞄200468pH14⑨2.2.2硕士学位论文MASTER’STHESIS图2.1CS及HACC2溶液的透光率对pH的依赖关系中溶解性较好,但在pH>6.5的溶液中急剧下降;而季铵化后的壳聚糖在水中的溶解性随pH值的变化较小。可见,壳聚糖季铵化后其溶解性得到了明显改善,使其在碱性条件下也可溶解。RACC的结构及分子量表征HAcc的结构如图2.2。图2.3为CS及HACC2的红外光谱图。在cs红外图谱中1650cnld处的吸收酰氨I谱带,1590cm-1强吸收峰为氨基的伸缩振动峰,在HACC2的红外光谱图中,强吸收峰1590gin以消失,在1480cm"1处出现--CH3的c—H弯曲振动强吸收峰,与文献[34,35]报道一致,表明N上引入了羟丙基三甲基氯化铵的季铵盐侧链。(c搦够:l图2.2HACC的分子结构35∞30∞2500200015001000500Wayentmab“s“m.1)图2.3CS及HACC2的红外谱图⑨硕士学位论文MASTER’STHESIS图2.4为CS原料及相应的HACC2的液相色谱图。从图中可以看出,HACC2产品的分子量比对应的CS原料的分子量有所降低,这可能是由于反应过程中较长时间的高温条件使部分原料发生降解。嚣鲁骨∞凹鲁艺g∞口10.B015.00Time(rain)图2.4CS及HACC2的液相色谱图2.2.3pH值对反应的影响机理HACC的制各反应如下:串H2:!曼毫HcH鲞H@HsEpl’:—.I-ICH.菇档H亩够l_oH随着反应的进行,壳聚糖分子中的亲核中心C2位氨基逐渐发生亲核取代,由于位阻大、水合能力强的季铵盐基团的引入,壳聚糖分子间的氢键作用被大大削弱,取而代之的是壳聚糖与水之间的水合作用,从而使其水溶性增大。因而可以推断,产物的水溶性越好,则上述反应进行的越充分,即取代度越高。对于上述反应,弱酸性条件有利于反应中间体缩水甘油三甲基氯化铵的环氧键断开,增强其与-NH2的反应活性;且在弱酸性条件下,CS上大部分氨基仍以游离态形式存在,保留了自身的反应活性。此外,部分GTMAC与HCI反应的产物仍可与CS反应生成HACC[95】,只是反应活性有所减弱:16硕士学位论文MASTER’STHESISH够黯H例茹哗H够II+llcl一氛岛茹邸H够l-+cl严e喇c啊掰n(CH够I—。·+.+Ilel采∞H翱el-但当酸性过强时,CS上氨基大部分被质子化,失去反应活性;同时,大量的中间体GTMAC与HCI反应,使中间体反应活性降低。碱性条件下,中间体GTMAC环氧键易断开生成邻羟基[96】,使其失去与CS反应的活性:H≯‰H嘲茹嗽H秽l-+糊燃lc5H如侧茹郴H蝴l。2.2.4HACC与表面活性剂配伍稳定性实验发现,HACC2与阳离子表面活性剂CTAB,非离子表面活性剂TritonX.100、两性表面活性剂c12BE复配时,在所研究浓度范围内,即HACC2浓度为1×10弓g/ml,表面活性剂浓度为1×lO~~l×10。1mol/L时均可稳定共存,不会发生相分离现象;而与阴离子表面活性剂SDS复配时,SDS浓度为1x10巧和l×10。mol,,L时溶液澄清,l×10。3mol/L时溶液浑浊,l×10。和l×104mol/L时出现絮状沉淀。HAcc2在溶液中发生电离,使大分子链带正电荷,与阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂及两性表面活性剂作用较弱,不会产生沉淀,溶液体系能够稳定存在。而荷负电的表面活性剂阴离子则容易吸附于荷正电的HACC2主链上,形成不溶性复合物,使溶液产生沉淀。以上实验结果表明,HACC2可与阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂及两性表面活性剂复配,但不宜与与阴离子表面活性剂复配。2.2.5lIAcc对表面活性剂表面张力的影响图2.5分别为有无HAcc2存在时,各种表面活性剂表面张力与其浓度对数的关系。由图2.5a可见,对阳离子表面活性剂CTAB,lgc<.3.5时,CTAB/HACC体系的表面张力明显低于纯CTAB溶液。在此,HACC作为有机盐,提高了溶液的离子强度和CTAB分子的反离子浓度,从而压缩CTAB极性头基的双电层,使CTAB17⑨硕士学位论丈MASTER’S,rHESIS极性头基的电荷作用降低,因此在溶液表面的排列更加紧密,表面张力降低。随着CTAB浓度的增大,当lgc>一3.5表面张力开始缓慢下降,曲线中出现折点,这表明高分子与表面活性剂之间开始相互作用【97】。CTAB浓度增大时,溶液中由CTAB电离出的Br浓度相应增大,带正电荷的HACC聚阳离子吸引大量Bf,形成带负电荷的离子氛,从而吸附带正电荷的CTAB极性基团,使分配到溶液表面上的CTAB浓度相应减小。lgc>.2.5时,表面张力曲线出现第二个折点,这表明吸附达到饱和,此后,未被吸附的表面活性剂浓度达cmc,溶液表面上的活性剂浓度稳定,表面张力不再变化,与纯CTAB溶液表面张力曲线重合。TritonX-100为非离子表面活性剂,本身不带电荷,与水形成氢键后略显正电性。因此,在图2.5b中,当lge<-4.5时,TritonX.100/HACC体系与纯TritonX.100溶液表面张力无明显差别;而随着TritonX-100浓度的增大,Tritoll)(,loo/HAcc体系的表面张力曲线中出现一个与CTAB/HACC体系类似的转折区域(-4.3<lgc<.3.5)。两性表面活性剂C12BE的极性基团所带的负电荷与HACC的阳离子基团通过静电吸引作用而形成复合物,故表面张力曲线(图2.5c)也出现两个折点。第~个折点表示开始形成复合物,表面张力随浓度增加降幅变缓。第二个折点表示缔合达到饱和,开始形成正常胶束。从图2.5c中还可看出,加入HACC后对C12BE的临界胶束浓度影响不明显,这可能是由于C12BE的极性基团所带的正电荷与HACC聚阳离子存在排斥作用,使C12BE与HACC的缔合程度较弱。。5一g奄拍;啊O¨¨¨¨5瞄肾。18⑧硕士学位论文MASTER’Sn王ESIS∞飞警锄≥b目董“}C图2.5各表面活性剂溶液的表面张力与表面活性剂浓度的关系卜_I一表示未加HACC'_·一表示含有1049/mlHACC)2.3结论以缩水甘油三甲基氯化铵与壳聚糖反应,在壳聚糖氨基上引入羟丙基三甲基氯化铵,可以改善壳聚糖的水溶性。当反应pH为6.0时,水溶性HACC产物的产率高于pH为4.0、7.0和9.0时的产率;反应产物的分子量较原料分子量有所降低。HACC浓度为lxl0。咖l时,与阳离子表面活性剂CTAB、非离子表面活性剂TritonX.100、两性表面活性剂c12BE配伍稳定;与阴离子表面活性剂SDS复配时,⑧硕士擘住论文MASTER’STHESISSDS浓度超过Ixlodmol/L会产生沉淀,因此不宜将HACC应用于含阴离子表面活性莉的化妆品。加HACC后,CTAB,Triton)(.100和C12BE的表面张力曲线均有一转折区域,且CTAB、TdtonX.100的cmc值增大,C12BE的cmc值无明显变化。⑧引言硕士学位论文MASTER’STHESIS第三章羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖杀菌活性活性研究抗菌活性是壳聚糖的重要性能之一。大量研究显示壳聚糖及其衍生物具有抗菌活性,其抗菌作用被广泛应用于食品,医药,材料等领域。壳聚糖的抗菌活性受其分子量,脱乙酰度及环境pH等多种因素的影响。Jeon等认为,分子量大的壳聚糖具有较高的杀菌活性(pH=6)。有报告认为,对革兰氏阳性菌,分子量增大,抗菌作用增强,而对革兰氏阴性菌,分子量减小抗菌作用增强[981。Simpson认为高脱乙酰度比低脱乙酰度的壳聚糖更能有效地抑制E.coli的生长。尽管在研究壳聚糖抗菌活性时,由于可变因素多,结论不一致,但基本认为是pH>7的环境中其活性很弱[99】。这主要是由于pH>6.5时壳聚糖在水中的溶解性差[100】,因此,对壳聚糖进行改性,制备在酸性和碱性环境下均有较高水溶性的壳聚糖衍生物,有可能提高其抗菌活性。本文制备了N-2一羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC),测试了其对6种微生物的杀菌活性,并研究了分子量、浓度、环境pH值、表面活性剂以及ca2+、Mg”的存在对其杀菌活性的影响。3.1实验部分3.1.1材料及仪器本实验室自制脱乙酰度90%,系列分子量的壳聚糖样品;其它试剂均为市售分析纯。Nicolet380智能傅立叶红外光谱仪(美国尼高力公司),KBr压片。TSPP100高效液相色谱仪(美国热电公司)。实验菌种包括:金黄色葡萄球菌@aureus)、表皮葡萄球菌@epidermidis),枯草杆菌@subtilis),大肠杆菌幔colO,绿脓杆菌旷aeruginosa)以及白色念珠菌(calbicans),由武汉大学中国典型培养物保藏中心提供。琼脂培养基:牛肉膏59,蛋白胨log,琼脂粉159,加水至1000mL,置于大烧杯中加热溶解,调pH7,121~128。C高压蒸汽灭菌20min,趁热注入培养皿中。土豆培养基:土豆lOg,琼脂粉159,加水至1000mL,置于大烧杯中加热溶解,调pH至7,121.128℃高压蒸汽灭菌20min,趁热注入培养皿中。菌悬液的制备:将菌种活化,细菌接种到营养琼脂培养基上,置恒温培养箱中,21⑧硕士学位论文MASTER+STHESlS细菌于374C下培养24h,真菌于28℃下土豆培养基中培养38h,培养至菌种生长良好。用无菌棉签蘸取少量菌落于灭菌生理盐水中,摇匀,稀释成一定浓度的菌悬液,约106107CFU/mL。3.1.2壳聚糖季铵盐(姒Cc)的制备一定量的Mw为50.37x104(Csl),11,59×104(cs2),4.36x104(cs3)的壳聚糖溶解于乙酸稀溶液中,调节pH值至9,使壳聚糖析出,然后把壳聚糖置于三口烧瓶中,加入溶剂,搅拌,升温,按摩尔比1:4加入缩水甘油三甲基氯化铵,以稀盐酸调节pH6.0,在85"C反应14h。产物用乙醇沉淀,过滤,用70%的乙醇水溶液洗涤,得粗产品。将产品用水溶解,用3G砂芯漏斗过滤,滤液用丙酮沉淀,过滤。重复操作2次。再将产品用水溶解,用分子量1x104的渗析膜透析3d,溶液在真空下浓缩干燥。所得产品分别编号为ItACC1,RACC2,ItACC3。同样将Mw为0.94x104(CS4)用水溶解,升温至40。C,以摩尔比为n(CS):n(GTA)=I:5的比率滴加中间体2,3.环氧丙基三甲基氯化铵,加盐酸调pH6.0,反应24h,出料。料浆以丙酮沉淀,抽滤,滤饼加少量蒸馏水溶解,再次以丙酮沉淀,如此反复3~4次。产品真空干燥,编号HACC3.1-3取代度的测定按文献【35]方法测定季铵盐产品的取代度。3.1.4水溶性测定按2.2.4方法测定壳聚糖原料及季铵盐产品的水溶性。3.1.S分子量对杀菌活性的影响以平板抑菌法测试HACC的杀菌活性[1011。向5mL含HACC(59/L)的生理盐水中加入200微升菌悬液,以不含HACC的混合溶液作为空白对照。将上述样品置于恒温摇床,25℃振荡1h。取150微升培养后4。的上述样品均匀分散于培养基上,细菌以琼脂培养基于3TC培养,真菌以土豆培养基于28。C培养。24-48h后取出观察各个平板上的细菌生长情况。每个样品做三组平行实验,取平均值计算杀菌率R。3.1.6浓度对杀菌活性的影响向5mL含不同浓度HACC的生理盐水中加入200微升菌悬液,以不含HACC的混⑧3.1.7硕士学位论文MASTER’STHESIS合溶液作为空白对照。同3.2.4方法进行实验,计算杀菌率。pH对杀菌活性的影响将200微升葭悬液加)k5mL含59/LHACC的生理盐水中,分别以HCI和NaOH调节pH4.10作为测试组。同样配制不含HACC的上述混合液作为对照组。同3.2.4方法进行实验,计算杀菌率。3.1.8表面活性剂对杀菌活性的影响将200微升菌悬液iIIIA.SmL含59/LHACC和I%(W/V)表面活性剂的生理盐水中作为测试组。同3.2.4方法进行实验,计算杀菌率。3.1.9Ca2+和M92+对杀菌活性的影响将200微升菌悬液分别加A.5mL含5e,mHACC和MgCl2或CaCl2的生理盐水中作为测试组。同3.2.4方法进行实验,计算杀菌率。3.2结果与讨论3.2.1壳聚糖季铵盐的制备和表征HACC的结构及红外表征见2.3.2。表3.1显示了HACC的制备及性质。表3.1HACC的制备和性能3.2.2HACC的水溶性壳聚糖原料CSI,CS2和CS3水不溶,铵化后得到水溶性的产品HACCI,HACC2和HACc3;CS4和HACC4均具有水溶性。图3.1显示了0.2%的四种季铵盐产品在pH2_13范围内的溶解情况。3.2.3分子固3.241.55x104⑨硕士擘位论文MASTER’STHESIS出较强的杀菌活性。另外,在Mw9.02x104-0.17x104之间,HACC对革兰氏阳性菌的杀菌活性随分子量的减小而减弱。HACCl对Calbicans的杀菌活性比HACC2、HACC3和HACC4略弱。3.2.4浓度对杀菌活性的影响表3,2显示了不同浓度时壳聚糖季铵盐样品的杀菌活性。当浓度在0.639/L以上时HACCl和HACC2对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌显示出强的杀菌活性,而HACC4对上述细菌的杀菌活性较弱。当浓度在59/L以上时,HACCl、HACC2和HACC4对白色念珠菌均有较强的杀菌活性。MwO.17x104-41.55x104的HACC对革兰氏阴性菌大肠杆菌和绿脓杆菌在测试浓度范围(<109/L)内均无杀菌活性。3.2.5pH对杀菌活性的影响表3.2不同浓度时HACC杀菌率(%)⑨硕士学位论文MASTER’STHESIS图3.3和3.4分别显示,HACC3在不同pH条件下对金黄色葡萄球菌和白色念珠菌均具有较强的杀菌能力,并且弱碱性条件使其杀菌能力略有增强。图3.5显示,HACC3在酸性和碱性条件下对大肠杆菌均无杀菌活性。值得注意的是,酸性和碱性条件均不利于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长,弱酸性条件利于白色念珠菌的生长。Jia等[22】发现壳聚糖季铵盐Ⅳ,N,N-trimethylchitosan,N,N-propyl-N,Ⅳ.dimethylchitosan,和N-furfuryl-N,N-dimethylchitosan,在弱酸性条件下的抗菌活性强于在弱碱性条件下的杀菌活性。Qin等认为【34】,N-2.羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的抗菌活性在弱碱性条件强于弱酸性条件,这与本文结果~致。州图3.3不同pH值时,HACC对&al,o'gus杀菌活性(-Sg/LHACC3;一对照组)州图3.4不同pH值时,HACC对Calbicans杀菌活性(059/LHACC3;-对照组)⑧硕士学位论文MASTER’STHESIS述激45678e10pH图3.5不同pH值时,HACC对Zcoli杀菌活性(.59/LHACC3;·对照组)3.2.6表面活性剂对杀菌活性的影响分别以十二烷基苯磺酸钠(LAS,阴离子表面活性剂)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB,阳离子表面活性剂)、甜菜碱(BA,两性表面活性剂)、曲拉通X.100(TX,非离子表面活性剂)与HACC3复配,研究表面活性剂对HACC杀菌活性的影响。结果显示,LAS浓度高于1%时与59/LHACC3复配后有沉淀产生;CTAB、BA、TX的存在对HACC对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及白色念珠菌的杀菌活性无明显影响(表3.3)。表3.3表面活性剂对HACC3杀菌活性的影响3.2.7Ca2+和Mg2+对杀菌活性的影响日常生活用水含ca2+ffⅡM92+,因此,有必要研究ca2+和M矿+对HAcc杀菌活性的影响。从表3,4可以看出,当ca2+和M酽+浓度在20mmoVLpA肠杆菌、金黄色葡萄球菌及白色念珠茵的杀菌活性无明显影响。表3.4Ca2+、Mg2+对HACC3杀菌活性的影响时,对HAcc对大⑨Strain硕士学位论文MASTER’STHESl820lO502010503.2.8壳聚糖季铵盐抗菌机理的探讨关于壳聚糖的抗菌活性,人们提出了三种机理。第一种认为,壳聚糖的聚阳离子与微生物带负电荷的细胞膜作用,使细胞发生凹陷、变形和泄露[102,103];第二种认为,壳聚糖能够结合一些有机体正常生长所必需的金属元素,微量元素或必需的营养物质,从而抑制微生物生长[1041:第三种认为,壳聚糖透过微生物的细胞壁进入到细胞内,与DNA形成稳定的复合物,干扰DNA聚合酶或RNA聚合酶的作用,阻碍DNA或RNA的合成,从而抑制微生物的繁殖[1051。季铵化之后,壳聚糖成为具有高电荷密度的聚阳离子电解质。关于壳聚糖季铵盐的抗菌活性已有一些报道[106—1081。阳离子抗菌剂的作用位点是带有负电荷的细菌细胞表面[1091。聚阳离子杀菌剂能与细菌细胞表面产生的酸性大分子作用,形成据电解质复合物【31】。本文研究显示,壳聚糖季铵盐的杀菌活性可能与其分子量有关。高分子量的壳聚糖能在微生物细胞表面形成聚合物膜,抑制其与外界物质和能量的交换:而低分子量的壳聚糖季铵盐能通过微生物的细胞外膜进入其细胞内,吸收细胞体内带有阴离子的细胞质,从而扰乱微生物的生长。壳聚糖季铵盐对于不同的微生物的杀菌活性有不同的最适宜分子量范围。研究结果也表明,壳聚糖季铵盐在弱碱性环境下的杀菌活性比弱酸性环境下的杀菌活性强。这正好与一般的季铵盐杀菌剂规律一致。碱性环境下,微生物蛋白质携带更多的负电荷,从而增强了壳聚糖季铵盐聚合阳离子与微生物细胞的细胞质间的相互作用『341。壳聚糖季铵盐对大肠杆菌和绿脓杆菌的杀菌作用不如对金黄色葡萄球菌、枯草杆菌、表皮葡萄球菌和白色念珠菌的杀菌作用有效。这可能是由于它们的细胞壁不同[106】。金黄色葡萄球菌、枯草杆菌和表皮葡萄球菌是典型的革兰氏阳性菌,它的细胞壁全部由肽聚糖层组成。大肠杆菌和绿脓杆菌是典型的革兰氏阴性菌,它们的细胞壁由一层薄的肽聚糖层和脂多糖层(LPS)组成,其中LPS层对外部大分子有很强的阻碍作用;另外,壳聚糖季铵盐有很强的亲水性,但亲脂性很弱。因此,壳聚糖季铵盐很难通过大肠杆菌和绿脓杆菌的细胞壁。3.3结论Mw0.17x104-41.55x104的N.2.羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖具有良好的水溶性。这种壳聚糖季铵盐对金黄色葡萄球菌、枯草杆菌、表皮葡萄球菌和白色念珠菌具有杀菌作用,而对大肠杆菌和绿脓杆菌无杀菌活性。分子量对HACC的杀菌活性有一定的影响。在Mw9.02x104.0.17x104之间,HACC对革兰氏阳性菌的杀菌活性随分子量的减小而减弱。Mw41.55x104的HACC对白色念珠菌的杀菌活性比其它被测试样品略弱。HACC在弱碱性环境下的杀菌活性比弱酸性环境下的杀菌活性强。阳离子表面活性剂,两性表面活性剂,非离子表面活性剂以及Ca2+乘]M92+的存在对HACC的杀菌活性没有明显的影响。阴表面活性剂不能和HACC配伍。壳聚糖季铵盐具有良好的水溶性和保湿性能,在高级化妆品及外用杀菌剂方面具有潜在的应用价值。⑨引言硕士学位论文MASTER’STHESIS4.壳聚糖季铵盐微球的制备及应用研究大量文献报道了有关壳聚糖及其衍生物微球树脂的应用研究,涉及水体净化【110,111】,药物缓释f112,113】,蛋白质分离【114],酶固定化[115,116】等诸多方面的内容。但壳聚糖微球对阴离子物质吸附作用多在酸性条件下才能较好的发挥,因为酸性条件下氨基质子化,才能有效吸附阴离子。而壳聚糖季铵化后,引入了季铵盐基团,在溶液中电离后表现出较强的电正性,因而能更有效地吸附阴离子。杜予民【117】等用离子交联法制得羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖纳米微球,并研究了其对蛋白质药物模型牛血清蛋白的载药及缓释性能,结果表明,羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖纳米微球对牛血清蛋白具有良好的载药性及缓释效果。覃彩芹等[118】用反相乳液聚合法制得季铵化壳聚糖微球,并比较了季铵化前后壳聚糖微球对水中Cr(Ⅵ)的吸附性能,结果表明,季铵化后的壳聚糖具有更宽的适用pH范围和更好的吸附效果。这些研究表明,壳聚糖季铵盐微球在吸附阴离子类物质方面具有良好效果。五氯酚钠经酸化后即得五氯酚。后者是一种亲油的惰性芳香氯化物,其pKa为4.75,是广泛使用的防止树木生长真菌,防治血吸虫病的杀虫剂。在使用过五氯酚钠的地区,该物质会以阴离子的形式,缓慢地从树木、土壤中释放出来,污染附近的水体。由于该化合物酸性较强,与其它非离子性芳香族化合物比较,更易流动,且不易降解,因此对环境污染严重[119】。酸性铬兰k是一种常用的阴离子染料,存在于印染工业废水中。梁锐杰等[120]报道过壳聚糖微球对该染料的吸附性能。本文以乳化.化学交联法制备了壳聚糖/壳聚糖季铵盐共混微球,研究了其对农药五氯酚钠和阴离子染料酸性铬兰k的吸附性能。为壳聚糖在水体净化方面的应用提供理论依据。4.1实验部分4.1.1材料及仪器壳聚糖(自制,Mw50.37x104,脱乙酰度90%);其它试剂均为市售分析纯。壳聚塘季铵盐(自制,Mw41.55x104,季铵化度86.5%);五氯酚钠(化学纯,天津⑧硕士学位论文MASTER’SniESl8市石英钟厂坝县化工分厂);其它试剂均为市售分析纯。722S可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司);THz-_82型恒温振荡器(上海跃进医疗器械一厂)。4.1.2微球的制备将壳聚糖和壳聚糖季铵盐按一定比例混合,溶于2%的HAc,加入适量致孔剂PEG,搅拌均匀,备用。向500mL的三颈烧瓶中力1]300mL液体石蜡,加入几滴司班,搅拌使之充分乳化,再逐滴滴加将配好的CS/HACC混合溶液。升温至60。C,搅拌O.5h,以Na0H调节pH9,加入交联剂环氧氯丙烷,搅拌4h。静置,倒去上层清液,产物用50%的乙醇一水溶液洗2—3次,抽滤,得微球。4.13五氯酚钠标准曲线的绘制配置系列不同浓度的五氯酚钠溶液,用紫外可见分光光度计于320nm检测其吸光度,绘制标准曲线。4.1.4对五氯酚钠静态吸附实验I句200mL浓度为450mg/L的五氯酚钠水溶液中加入O.5克微球。置于恒温振荡器,室温下振荡。于不同时间取上层清液,用紫外可见分光光度计检测其吸光度。每个样品做三组平行实验,取平均值,计算五氯酚钠的浓度。4.1.5离子强度对吸附五氯酚钠的影响实验配制不同浓度的NaCl溶液,分别加入等量的五氯酚钠。取五个锥形瓶,各加入0.125克微球,再分别加入上述溶液50mL。置于恒温振荡器,室温下振荡。8h后取上层清液,用紫外可见分光光度计检测其吸光度。每个样品做三组平行实验,取平均值,计算五氯酚钠的浓度。4.1.6五氯酚钠溶液浓度对吸附的影响实验配置系列不同浓度的五氯酚钠溶液,分别取不同浓度的溶液50mL,各加入0.1克微球。置于恒温振荡器,室温下振荡。8h后取上层清液,用紫外可见分光光度计检测其吸光度。每个样品做三组平行实验,取平均值,计算五氯酚钠的浓度。4.1.7微球的洗脱重复吸收实验将静态吸附达到平衡的微球先后用HCI、NaOH溶液浸泡,水洗至中性,得再生3⑨(mmol/g):硕士擘位论文MASTER’STHESIS微球。微球经反复使用5次,分别测定剩余离子浓度,计算微球的吸附容量QQ=【v(co-e)x10。/M】/rn式中,c0为起始浓度(rag/L),c为平衡浓度(rag/L),V为五氯酚钠溶液的体积(Illl),m为微球质量(曲,M为五氯酚钠的摩尔质量(g/m01)。4.1.8对五氯酚钠动态吸附实验将1.59微球装入内径1.5cm的玻璃交换柱中,加入浓度1200mg/L的为五氯酚钠溶液,以20mL/h的流速进行吸附实验。流出液以10mL为单位检测其浓度,直至其吸附是达到饱和。4.1.9酸性铬兰k标准曲线的绘制配鬣pH分别为4、7、9的系列不同浓度的酸性铬蓝k溶液,用紫外可见分光光度计于522、557、557nn-i检测其吸光度,绘制标准曲线。4.1.10对酸性铬兰k的静态吸附取A、B、CZ.个干燥的150mL锥形瓶,各加入03克微球,再力1)kpH值分别为4、7、9浓度为50mg/L的酸性铬蓝k水溶液150mL。置于恒温振荡器,室温下振荡。于不同时间取上层清液,用紫外可见分光光度计检测其吸光度。每个样品做三组平行实验,取平均值,计算酸性铬兰k的浓度。4.2结果与讨论4.2.1微球的制备用不同质量比的壳聚糖(CS)和壳聚糖季铵盐(HACC)混合物制备微球,它们的成球情况如表4.1所示。从表中可以看出,随着HACC含量的增加,所成微球硬度逐渐变小,均匀度变差。表4.1壳聚糖/壳聚糖季铵盐微球的成球性能硕士学位论文MASTER’S’titESIS4.2.2标准曲线的绘制五氯酚钠溶液的标准工作曲线如图4.1所示。图中纵坐标Abs为吸光度,横坐标为五氯酚钠溶液的浓度。图4.1五氯酚钠溶液的标准曲线4.2.3静态吸附实验在静态吸附实验中,吸附曲线如图4.2所示。图中纵坐标为吸附到微球的五氯酚钠浓度,横坐辆为时间。从图中可知,M2的饱和吸附量略高于M1,二者均在2h达到饱和吸附。M3在8h达到饱和吸附,其饱和吸附量明显高于MI和M2。可见,随着HACC含量的增加,微球对五氯酚钠的吸附能力增强。4.2不同微球吸附五氯酚钠的动力学曲线4.2.4离子浓度对吸附的影响实验图4.3为M3在不同浓度NaCI溶液中对五氯酚钠的吸附。图中横坐标为NaCl浓度,纵坐标为吸附到微球上的五氯酚钠浓度。从图中可以看出,当NaCl浓度小于1%时,随着NaCl浓度的增大,吸附能力逐渐降低;当NaCl浓度大于1%时,吸附能力不再发生明显改变。NaCl的加入阻碍了壳聚糖季铵盐聚阳离子与c6C150’的相互作用,造成吸附能力的下降,这说明壳聚糖季铵盐微球与五氯酚钠的作用以静电吸附为主。当浓度达到1%时,NaCI在M3上的吸附达到饱和,因此,进一步增大NaCl的浓度对M3的吸附无明显影响。NaCI(%)图4.3盐的存在对吸附性能的影响4.2.5五氯酚钠溶液浓度对吸附的影响实验表4.2反映了五氯酚钠溶液浓度对M3吸附的影响。表中,co为五氯酚钠溶液的起始浓度,cl为吸附后五氯酚钠溶液的浓度。在低浓度下,壳聚糖季铵盐微球M3对低浓度的五氯酚钠也能够有效吸附。表4.2五氯酚钠溶液浓度对吸附的影响4.2.6微球的洗脱重复吸收实验表4.3显示了微球M3的重复使用性能。从表中可以看出,微球M3经反复使用5次后,其吸附容量基本不变,说明壳聚糖季铵盐微球具有良好的重复使用性能。表4.3微球M3的重复使用性能4.2.7微球对五氯酚钠动态吸附M1、M2、M3三种微球对五氯酚钠的动态吸附曲线如图4.4所示。图中横坐标v为流出液的体积,纵坐标C为流出液的浓度。由动态吸附曲线可以看出,壳聚糖微球M1动态吸附量较小,很快达到饱和。而壳聚糖与壳聚糖季铵盐共混微球M2、M3的动态吸附量较大,达到饱和所需的时间较长。12∞,。∞8∞营一百4∞200v(mI)图4.4微球对五氯酚钠的动态吸附曲线4.2.8酸性铬兰k标准曲线的绘制不同pH值酸性铬蓝k溶液的标准曲线如图3、4、5所示。图中纵坐标Abs为吸光度,横坐标为酸性铬蓝k溶液的浓度。⑧硕士学位论文MASTER’STI-IESI¥3.02.52.0呈1.5《1,o0.5OO图4.5pH4时酸性铬蓝k溶液的标准曲线353O252O尝。,,O05oO图4.6pH7时酸性铬蓝k溶液的标准曲线⑧硕士学住论文MAS。rER’STHESISZ520侣"¨¨o20406080100120’40C/mf图4.7pH9时酸性铬蓝k溶液的标准曲线4.2.9微球M3对酸性铬兰k的静态吸附实验图4.8反映了微球M3对酸性铬兰k的静态吸附效果。图中纵坐标C为吸附到壳聚糖微球上的染料浓度,横坐标t为作用时间。从图中可知,CS/HACC共混微球对阴离子染料酸性铬兰k具有一定的吸附能力,其吸附效果在中性、酸性和碱性环境下差别不大:碱性环境下略弱,这可能是由于碱性条件下壳聚糖[-fl‘J--NH2主要以游离态形式存在,对阴离子的吸附能力较弱。辣柏∞∞一1,曲量。仲。图4.8微球M3对酸性铬蓝k的静态吸附曲线⑨4.3结论硕士学位论文MASTER’STHESIS1.随着壳聚糖季铵盐含量的增加,CS/HACC共混微球对五氯酚钠的吸附能力增强,但其成球的均匀度和机械强度均变差。最佳的配比应为CS:HACC=I:I。2.溶液离子强度对CS/HACC微球的吸附性能有~定的影响,微球与五氯酚钠的作用以静电吸附为主。3.CS/HACC共混微球具有良好的可再生性,多次重复使用其饱和吸附容量基本不变。4.CS/HACC微球对阴离子染料酸性铬兰k具有一定的吸附效果。综上所述,壳聚塘/壳聚糖季铵盐共混微球对水体中的阴离子污染物具有较好的吸附效果,在水体净化方面具有潜在的应用价值。⑧引言硕士学位论丈MASTER’STHESIS5.壳聚糖季铵盐修饰电极的制备及其应用初探目前,硝基苯的分析方法主要有气相色谱法和分光光度法。分光光度法操作繁琐费时,且苯酚等干扰严重,无法实现在线分析。气相色谱法操作复杂,需要配套设备较多,难以实现现场应急监测和在线分析。电化学方法是实现现场应急监测和在线分析的有效手段。壳聚糖分子链上含有羟基和氨基活性基团,对许多金属离子具有良好的生物相容性、络合或吸附性,因而被直接作为修饰剂制成修饰电极,应用于电分析化学的测定,取得了良好的效果[121.1231将壳聚糖直接作为修饰材料制备成修饰电极,虽提高了测定的灵敏度,但选择性的改善还显不足【124]。我们将改性壳聚糖HACC以共价键合的方式固定在玻碳电极表面,制备成修饰电极。讨论了这种修饰电极的制备条件和稳定性能,同时利用带正电荷的壳聚糖季铵盐聚阳离子对硝基苯的吸附作用,考察硝基苯在修饰电极上的氧化还原行为。5.1实验部分5.1.1材料及仪器壳聚糖季铵盐(自制,Mw41.55x104,季铵化度86.5%):其它药品均为市购分析纯。CHl660电化学分析仪(上海辰华);Nieolet380智能傅立叶红外光谱仪(美国尼高力公司),KBr压片;TSPPl00高效液相色谱仪(美国热电公司)。5.1.2HACC修饰电极的制备将HACC以二次蒸馏水配制成2%的溶液备用。将玻碳电极先后在4号,6号砂纸上磨平,再于鹿皮上继续打磨成镜面,二次水冲洗,依次用1:1HN03、无水乙醇,二次水超声波清洗4min,将洗净的玻碳电极在50"C氧化液中加热氧化60rain后,再用3%H202溶液浸泡30min以还原电极表面粘附的KMn04,然后将电极置于红外灯下烘干,在氯化亚砜中浸泡60rain,取出电极用甲酸洗净,再转移到上述HACC溶液中浸泡,最后用甲酸冲洗粘附在表面未键合的HACC,制成共价键合型HACC修饰电极。硕士学位论文MASTER’STHESIS5.1.3HACC修饰电极的性能测试电化学测试在CHl660电化学分析仪上进行。以壳聚糖季铵盐修饰电极为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,铂丝为对电极,对K3Fe(CN)6溶液及硝基苯的Britton—Robinson缓冲溶液体系进行循环伏安((N)分析。5.2结果与讨论5.2。I修饰时间对电极性能的影响Poten!歉l,V图5.1修饰时间对电极性能的影响(8一d分别为修饰lmin、10rain、30rain和12h的电极所对应的曲线)图l为经过HACC修饰的电极对K3Fe(CN)6溶液(1.0mmoFL)的循环伏安曲线图。从图中可以看出,随着修饰时问的延长,(0.20V~0.00V)之间峰的可逆性逐渐变强,说明电极表面形成的壳聚糖季铵盐膜趋于稳定。通过不同反应时间的比较,选取了30分钟作为制备修饰电极的共价键合时间。5.2.2修饰电极的稳定性能测试将制备的修饰电极干燥后,静置于二次蒸馏水中30min、12h、ld和2d,分别在pH1.0、硝基苯(50rag/L)的Britton-Robinson缓冲溶液中进行循环伏安扫描(图2),得到的图形与裸玻碳电极相比较有一个明显的还原峰,静置前后图形基本没有变化,这说明修饰电极的稳定性良好而且对硝基苯的还原有催化作用。辩醛臻渤l,擎图5.2修饰时间对电极性能的影响(a—d修饰电极静置时间分别30rain、12h、ld和2d,e裸玻碳电极)5.2.3修饰电极的循环伏安特性Polealial;V图5.3硝基苯在修饰电极上的循环伏安曲线(扫描速率=o.1V/s,pH=1.O)4l⑨硕士学位论文MASTER’SntESIS…啦乎一《二:5.3结论以共价键合的方法制备了壳聚糖季铵盐修饰电极,电极的稳定性能良好。在酸性介质中,该壳聚糖季铵盐修饰电极对硝基苯的电化学氧化还原具有较好的催化活性。⑨…MASTER…'S[2】HiranoTHE啪参考文献[1】蒋挺大.壳聚糖刚.北京:化学工业出版社,2003。S,SeinoH,AkiyamaYeta1.Chitosan:Abiocompatiblematerialsfororalandinwavenonsadminis仃ation【3】Dodanev,VilivalamM.NewYork:PlenumPublishingCo,1990.chitosan【J】.PharmSciVD.PharmaceuticalapplicationsofTechnolToday,1998.1:246-53.【4】ShahidiF,ArachchiJKVJeonYJ.Foodapplicationsofchitinandchitosans[J】.TrendFoodSciTechnol,1999,10:37—51.【5】BrayeFM,StefaniaA,VenetE,eta1.GraftingoflargepiecesofhumanreconstructedJPlasticskininporcinemodel【J】.BritSurg,2001,54(6):532—538.【6】DengCM,HeLZ,ZhaoM,eta1.Biologicalpropertiesofthechitosaut.-gelatinspongewounddressing.CarbohydrPolym,2007,69(3):583—589.chitosan[M】.Switzerland:Technomic[7】GoosenM.EApplicationofehitinandPublishingCo,1999.f8】TongYJ,WangSF’Xujw,cta1.SynthesisofD'O'-dipalmitoylchitosananditsamphiphilicpropertiesandcapabilityofcholesterolabsorption阴.CarbhydrPolym,2005,60(2):229-233.[9]KarrerP,WhiteSP.WeutereBeutrgeZurKenntnisDesChitins【J】.HelvChimActa,1930,13:1104—1105.【10]HiranoS,OheYChitosangels.Novelmolecularaggregationofchitosaninacidiconasolutionsfacileacylation忉.CarbohydrRes,1975,41:CI·2.andreactivityof【11】MooreGK,RobertsGA.Reactionsofchitosan:2.PreparationN-acylderivativesofchitosan四.IntJBiolMacromol,1981,3(5):292-296.【12]KmitaKUnoM,SaimY,NishiyamaY.Regioselectivityinprotectionofchitosan、)l,iththephthaloylgroup阴.ChitmChitosanResearch,2000,6:43.47.【13】王爱勤,俞贤达.O·丁基壳聚糖的合成与表征叨.合成化学,1999,7(3):308-314.【14】蒋挺大.壳聚糖【M】.北京:化学工业出版社,1996.【15】MuzzarelliRAA,TanfaniF,EnamuelliM,MariottiS.ThecharacterizationofN-methyl,N-ethyl,N-propyl,N-butylandN-hexylchitosans,novelfilm—formingpolymers[J].JMembSei,l983,16:295—308.[16】李方,刘文广,薛涛,等.烷基化壳聚糖的制备及载药膜的释放行为研究阴.化学工业与工程,2002,19(4):281—285.【17]董炎明,吴玉松,王勉,等.批苄基壳聚糖的合成和液晶性表征册.厦门大学学报(自然科学版),2001,40(1):63.67.[18】LoubakiE,SiesicS,GofficFL.ModificationchimiqueetleduchitosanePolymavecla6一gluconolactone,la379.384.13-propiolactoneglycidol阴.EurJ,1989,25(4):【19】LoubakiE,OurevitchM,SiesicS.Chemicalmodificationofchitosanbyglycidyllrimethglammoniumchloridecharacterigationofmodifiedchitosanby”C—and1H-NMRSpectroscopy[J】.EurPolymJ,1991,27(3):311-317.[20】王爱勤,俞贤达,烷基化壳聚糖衍生物的制备与性能研究【J】.功能高分子学报,1998,1l(1):83—86.RAA,TanfaniF.N-permethylationofchitosanandthepreparationof[21】MuzzarelliN-trimethylchitosaniodide【J】.CarbohydrPolym,1985,5(4):297-307.【22】JiaZ,ShensaltD,XuW.Synthesisandantibacterialactivitiesofquaternaryammoniumofchitosan【J】,CarbohydrRes,2001,333(I):1-6.[23】许晨,卢灿辉,丁马太.壳聚糖季铵盐的合成及结构表征【J】.功能高分子学报,1997,IO(1):51—54.[24】YilmazE,Canervinylpyridine-497.onH,HasipogluH,Yilmaz0.Graftcopolymerizationof4-tochitosanbycericioninitiation[J].EurPolymJ,1998,34:493[25】Lagos凡ReyesmethacrylateJ.Graftingontochitosan.(I.GfaftcopolymerizationofmethylaontochitosanwithFenton'sreagent(Fez+.I-1202)asredoxinitiator)叨.JPolymSeiPartA:PolymChem,1988,26(4):985—991.【26】Shigenobromine709.712.Y,KondoK,TakemotoK.Makrom01.Ontheadsorptionofiodineandontopolystyrene-graftedchitosan们.ChemRapidCommun,1981,182:【271BerkovichLA,TsyurupaMP,DavankovVA.TheSynthesisoferosslinkedeopolymersofmaleilatedchitosanandacrylamide叩.JPolymSciPolymChemEd,1983,21:1281—1287.【28】YangS,TirmifiSA,BumsA,eta1.Chitalinematerials:SolubleChitosan—⑧191—200.硕士学位论文MA¥TER’SnIESISpolyanilinecopolymersandtheirconductivedopedforms【J】.SymhMet,1989,32:[29】SashiwaH,ShigemasaY,RoyR.ChemicallymodifiedcNtinandchitosanasbiomaterials[J].CarbohydrPolym,2002,49:195-205.[30】蒋玉燕,毕忆群,汪子伟,等.聚氨基葡萄糖的体外抗菌活性阴.中国抗生素杂志,1996,2l(1):54—56.【31】MuzzarelliR,TarsiR,Filippini0,eta1.AntimicrobialpropertiesofN-carboxybutylchitosan川.Antimicrobf32】ChelaCS,LiauAgentChemoth,1990,34:2019—2023.Y,TsalGJ.AntibacterialeffectstooysterWofN-sulfohatedandN-suifobenzoylchitosanandapplicationpreservation田.JFoodProL1998,61(9):1124·1128.【33】陈凌云,杜予民,刘义.羧甲基壳聚糖的结构与抗菌性能研究明.武汉大学学报(自然科学版),2000,46(2):191.194.【34】QinCQ,XiaoQ,LiH&FangM,LiuY,ChenXY,LiQ,Calorimetricstudiesofontheactionofchitosan——N·-2-hydroxypropyltrimethylammoniumchloridegrowththeofmicroorganisms【J】.IntJBiolMacromol,2004,34:121—126.[35】樊木,肖玲,杜予民.壳聚糖季铵盐分子结构与吸湿保湿性研究【J】.武汉大学学报(理学版),2003,49(2):20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