磁性壳聚糖微球制备及其表征

王 鑫，刘晓飞，马永强

(哈尔滨商业大学 食品工程学院，省高校食品科学与工程重点实验室，哈尔滨 150076)

化学共沉淀法反应原理为Fe2+和Fe3+在一定条件下发生共沉淀反应得到磁性Fe3O4，是目前普遍采用的方法.壳聚糖是一种天然大分子物质，具有许多优良特性.壳聚糖的一个重要应用是它能够与许多金属离子相结合[1-2].在特定的反应条件下可以制备出以Fe3O4为核心，外部包裹着壳聚糖磁性高分子材料，磁性壳聚糖不仅具备了磁响应性，同时又具备了高分子集团的优良特性.磁性高分子微球的核心是磁性粒子，在其表面包裹着高分子材料而形成的微粒.壳聚糖微球在磁场的作用下能够简单、迅速地分离，同时该微球有一定的特殊官能团成为生物活性物质的载体[3].磁性微球因具有“在外界磁场存在下能定向运动”这一特殊性能，使其在医学药物研究领域、生物工程、化工领域、环境保护等各个领域研究日益活跃，并显示具有较好的应用前景[4-5].

本文研究磁性壳聚糖微球制备过程中的一些影响因素，对pH值，交联剂，制备的工艺等进行研究，以便制备出具有磁响应效果，形状规则的磁性壳聚糖微球.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

氢氧化钠、石油醚、无水乙醇、丙酮、冰醋酸、硫酸亚铁、三氯化铁 天津市天新精细化工开发中心；液体石蜡、戊二醛、浓盐酸 天津市化学试剂三厂；Span-80浙江东欧生物技术股份有限公司；壳聚糖 浙江东欧生物技术股份有限公司.

1.2 仪器与设备

HH-4数显恒温水浴锅 国华电器有限公司；BS224S电子分析天平 赛多利斯科学仪器北京有限公司；ZHWY-2102C恒温培养箱 上海智城分析仪器制造有限公司；DZF-6020真空干燥箱 上海一恒科技有限公司；13395HZX显微镜 上海莱卡显微镜系统有限公司；离心分离机 上海浦东物理光学仪器厂；KO3200DE数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；FEI Sirion扫描电子显微镜(SEM) 荷兰飞利浦公司；HD-920洁净工作台 北京东联哈尔仪器制造有限公司.

1.3 实验方法

1.3.1 磁性Fe3O4粒子的制备工艺流程

FeSO4·7H2O+FeCl3·6H2O混合物(1∶2)→蒸馏水→油酸→N2→搅拌5 min→NaOH→调节pH值→搅拌→水浴恒温→搅拌30 min→Fe3O4纳米粒子→蒸馏水洗涤→中性→弃上层清液→真空干燥(60 ℃，24 h)→纳米Fe3O4粒子[6-7].

1) pH值对磁性Fe3O4形成的影响

在磁性Fe3O4制备中，用氨水与NaOH将中性溶液pH值调至碱性(pH值>10)，考察在制备Fe3O4磁性粒子时pH值的影响.

2) Fe3O4磁性粒子的形貌观察

电子轰击(EI)离子源；电子能量70 eV；传输线温度275 ℃；离子源温度200 ℃；母离子 m/z 285；激活电压1.5 V；质量扫描范围 m/z 35～500.

1.3.2 磁性壳聚糖微球的制备

通过采用反向悬浮交联的方法制备磁性壳聚糖微球，在强烈机械搅拌下，将壳聚糖的醋酸溶液与Fe3O4纳米磁粉分散于适当的有机介质中，在乳化剂存在下，应用适当的交联剂，壳聚糖与磁粉微粒可进一步交联形成微球.交联后的壳聚糖磁球，不溶于强酸，具有较高的强度.该过程分为以下步骤[8-9]：

1 g壳聚糖→50 mL5 %的乙酸溶液→加入1 g磁粉→超声(40 min，30 ℃)→混合→液体石蜡(80 mL，40 ℃)→乳化30 min→充分混合→分散介质→加入交联剂(10 min后)→搅拌(40 ℃，2 h)→升温(65 ℃) →搅拌2 h→洗涤(石油醚、丙酮、无水乙醇) →真空干燥(40 ℃，24 h) →磁性壳聚糖微球[10].

1) 交联剂对磁性壳聚糖微球形成的影响

在转速固定的情况下按上述方法进行操作，选择甲醛与戊二醛分别作为交联剂，选择不同的加入时间，每次加入时间间隔1 h，加入方式见表1.并对几种样品在扫描电子显微镜下进行表征观察.

表1交联剂的加入量对反应的影响

样品因 素甲醛量/mL戊二醛/mL交联剂加入次数A201B212次加入2种交联剂C211D021E012

2) pH对磁性壳聚糖微球形成的影响

在整个反应体系中，将溶液的pH值从酸性调至碱性(3～10)，考察在制备Fe3O4磁性微球时pH的影响.

1.4 磁性壳聚糖微粒的形貌及粒径分析

应用光学显微镜对磁性壳聚糖微粒的直观形态，颜色进行观察.应用扫描电子显微镜放大倍数观察其细微的结构特点

1.5 磁性壳聚糖微粒的红外光谱分析

采用IR对高分子壳聚糖、Fe3O4及交联后的磁性壳聚糖微球进行官能团的对比分析.

2 结果与分析

2.1 磁性Fe3O4粒子的制备结果分析

2.1.1 pH值对磁性Fe3O4形成的影响结果分析

反应开始时，如果使用氨水滴加，在Fe2+和Fe3+的混合溶液中与氨水接触的部分会生成黑色物质，但随着机械的搅拌迅速消失，随着添加量的增多会产生铁红色絮状物，若继续滴加氨水，溶液由铁红色逐渐变为棕褐色.这是由于最初的溶液中只有Fe2+和Fe3+，溶液呈显酸性，开始滴加氨水时的量较少，只在局部形成了弱碱的环境，在快速机械搅拌的情况下极不稳定，颜色迅速消失.当滴加氨水使溶液呈中性时，溶液呈铁红色说明其中仍有大部分的离子存在，但溶液中已经有磁性晶体生成，故溶液呈铁红色.当溶液pH值升至9时，溶液呈棕褐色且不再变化，证明反应完成，有磁性晶体生成.

若改用NaOH溶液在反应过程中一次性加入，可使得Fe2+和Fe3+在碱性环境下反应不会使得局部的pH显酸性，在油酸与N2的保护作用下，快速搅拌生成磁性较好的Fe3O4粒子.通过控制NaOH的加入量，可得到具有不同pH值的溶液.如果pH值<8，反应溶液呈棕红色，所得到产物磁性很弱，由于反应中的OH-1离子较少形成了FeOOH或其他的产物.若pH值在10以上，可得到磁响应效果较好的黑色Fe3O4粒子.此法易控制，且得到的产物磁性较好.

2.1.2 Fe3O4磁性粒子的形貌观察

图1为Fe3O4粒子SEM的照片，由图1中可以看出Fe3O4晶体粒子团聚在一起.符合化学共沉淀法制备磁性Fe3O4粒子的特点.

图1 Fe3O4粒子的SEM扫描图

2.2 磁性壳聚糖微球的制备

2.2.1 交联剂对磁性壳聚糖微球形成结果分析

戊二醛作为交联剂的效果明显优于甲醛，使用甲醛做交联剂所形成的磁性壳聚糖微粒不成球，形态不规则，产物颜色较浅.甲醛先加入、戊二醛后加入，所得到的磁性壳聚糖微球形状并无大的改动，可能是由于先加入的甲醛使得磁性粒子已经与壳聚糖交联成不规则的形态，在加入戊二醛已经对形态的形成无法改变.随着戊二醛用量增大，磁性壳聚糖微粒的颜色加深，这是由于磁性粒子表面的交联层增厚所致，磁性微粒的粒径也随之变大.并且戊二醛做为交联剂的稳定性高于甲醛.从加入的次数来看，戊二醛一次加入的效果与分两次加入的效果没有太大的差别，但从粒径的均一程度上来看，一次性加入戊二醛的磁性壳聚糖微粒更为均匀.见表2，图2～6.

表2交联剂的加入量对反应的影响结果表

样品因 素甲醛量/mL戊二醛(mL)交联剂加入次数产物成球特性A201浅褐色、形态不规则B212次加入2种交联剂浅黄、形态不规则C211浅黄绿色、成球型D021深黄绿色、成球形E012深黄绿色、成球形

图2 样品A

图3 样品B

图4 样品C

图5 样品D

图6 样品E

2.2.2 pH值对磁性壳聚糖微球形成的影响结果分析

在壳聚糖与磁性微粒的混合液进入分散剂之后，用NaOH调节体系的pH值，机械搅拌.实验发现当pH值大于8.0时就有凝胶产生，在反应容器的内壁附着，溶液渐渐变清，无法进行下一步实验.可能是由于碱的加入破坏戊二醛的交联作用，使磁性粒子无法与壳聚糖结合到一起，产生了Fe3O4与OH的沉淀物.当pH值小于4.0，按之前的工艺操作加入2 mL戊二醛交联反应4 h后并没有磁性壳聚糖微粒产生，磁性Fe3O4不与壳聚糖相结合，又分两次加入戊二醛1 mL仍然没有变化.故发生反应的合适的pH值范围为4.0～sdafd8.0，过酸或加碱都不利于反应进行，相反会影响磁性壳聚糖微粒的形成，使得实验无法进行.

2.3 磁性壳聚糖微粒的形貌及粒径结果分析

在显微镜下可以直观的看出磁性壳聚糖微粒呈球形，质地均一，内部包裹黑色的磁性物质，颜色呈深黄绿色，见图7.图8为电子显微镜下磁性壳聚糖放大5 000倍时的图像，由图8可以看出，其形态较为规则，呈立体球形.

图7 电子显微镜下磁性壳聚糖微球图片

图8 磁性壳聚糖微球放大5 000倍

2.4 磁性壳聚糖微粒的IR光谱结果分析

图9、10分别为壳聚搪和磁性壳聚糖微球的IR图谱，二者较相似，都具有壳聚糖的特征吸收峰.图9在3 323.87 cm-1处有红外吸收，这是-OH和-NH2的伸缩振动峰，2 823.53 cm-1处是脂肪族C-H的伸缩振动吸收，在1 088.25cm-1出现了一级醇羟基的C-O伸缩振动变形振动吸收；图10中IR图谱线除保留图9中壳聚糖的特征吸收峰外，同时在598.43cm-1处出现了Fe3O4的特征峰，说明壳聚糖包覆了Fe3O4[11].

图9 壳聚糖IR光谱图

图10 磁性壳聚糖微球IR光谱图

3 结 语

制备磁性Fe3O4过程中，研究反应体系的pH值对磁性微粒形成的影响，结果表明采用NaOH溶液作为OH离子的提供体效果好于氨水，当pH值在10以上，可得到磁响应效果较好的黑色Fe3O4粒子.此法易控制，且得到的产物磁性较好.

制备磁性壳聚糖微球时，交联剂的选择很重要，戊二醛作为交联剂的效果明显好于甲醛，戊二醛一次性加入的效果与分2次加入的效果没有太大的差别，一次性加入2 mL的戊二醛可以得到平均粒径在12.78 μm左右的磁性壳聚糖微球，2次分别加入1 mL的戊二醛得到的磁性壳聚糖微球的粒径为15.27 μm，均成黄绿色的球形.反应体系的pH值应控制在4.0～8.0，过酸或加碱都不利于反应进行.从其官能团的红外光谱分析中，可以判断此方法制备的磁性壳聚糖微球将磁核包裹在其内部，说明磁性壳聚糖微球同时具备Fe3O4的磁性和高分子壳聚糖的优良特性.

参考文献：

[1] 蒋挺大.壳聚糖[M].北京: 化学工业出版社, 2006.

[2] 徐鑫煤, 陈英文, 沈树宝. 壳聚糖固定化酶和细胞研究新进展[J]. 化工科技, 2006, 14(1): 54-57.

[3] RITTICH B, SPANOVA A, OHLASHENNYY Y，etal. Characterization of deoxyribonuclease I. Immobilized on magnetic hydrophilic poly-mer particles [J]. Journal of Chromatography B, 2002, 774(1): 25-31.

[4] LEI H, WANG W, CHEN L L,etal. The preparation and catalytically active characterization of papain immobilized on magnetic composite microspheres [J]. Enzyme and Microbial Technology, 2004, 35(1): 15-21.

[5] 邱广亮, 李咏兰, 斯日古楞, 等. 靶向性药物载体磁性淀粉微球的制备及性质[J]. 化工科技, 2001, 9(4): 15-18.

[6] 李凤生, 罗付生, 杨 毅, 等. 磁响应纳米四氧化三铁/壳聚糖复合微球的制备及特性[J]. 磁性材料及器件, 2002, 33(6): 1 4.

[7] 林本兰, 沈晓冬, 崔 升.纳米Fe3O4磁流体的制备及其影响因素研究[J]. 润滑与密封,2006,10:137-140.

[8] 王 健, 冯玉杰. 壳聚糖磁性微球的制备和工艺参数的优化[J].磁性材料及器材, 2008, 39(6): 45-46.

[9] EMIR BAKI DENKBAS, EBRU KILICAY, CENGIZ B.Magnetic chitosan microspheres: preparation and characterization [J]. Reactive and Functional Polymers, 2002, 50: 225-232.

[10] 方 华, 周小荣, 李永明. 磁性壳聚糖微球的制备及其对2, 4-二氯苯酚的吸附[J]. 化工时刊, 2008,7: 19-26.

[11] 李桂银, 杨栋梁, 黄可龙, 等. Fe3O4/羧基改性壳聚糖复合纳米粒子的制备、表征及生物学应用[J].功能材料, 2009, 40(7): 1184-1187.