阴离子型接枝微粒PDAC/PSA的制备及对谷氨酸的吸附性能初探

胡译之 李延斌 余佳照 何红芳

引用本文: 胡译之, 李延斌, 余佳照, 何红芳. 阴离子型接枝微粒PDAC/PSA的制备及对谷氨酸的吸附性能初探[J]. 化学通报, 2020, 83(3): 272-276. shu
Citation:  Hu Yizhi, Li Yanbin, Yu Jiazhao, He Hongfang. Preparation of Anionic Grafted Microparticles PDAC/PSA and Its Adsorption Properties for Glutamic Acid[J]. Chemistry, 2020, 83(3): 272-276. shu

阴离子型接枝微粒PDAC/PSA的制备及对谷氨酸的吸附性能初探

    通讯作者: 李延斌  男, 博士, 副教授。E-mail:lyb2010@nuc.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金项目(21404093)资助

摘要: 采用自由基聚合法在溶液聚合体系中将功能单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)接枝于聚苯乙烯伯胺微球(PSA)表面,制备了接枝微粒PDAC/PSA,考察了主要因素对接枝聚合的影响,并初步探究了其对L-谷氨酸的吸附特性。结果表明,在反应温度25℃、单体质量分数为6%、引发剂占单体质量的1.2%的条件下,可制得接枝度为431mg/g的接枝微粒,其对L-谷氨酸的吸附量达140mg/g。

English

  • 表面分子印迹技术将其识别位点建立在固相基质的外层以及表面,其结合位点容易获得,物质迁移速率加快,可以降低非特异吸附,避免了包埋现象[1],使其在生化免疫、生物分子的分离与纯化和分析中发挥着重要的作用[2~5]

    谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位,是参与大脑正常运作的主要物质[6, 7]。L-谷氨酸是谷氨酸的左旋体,是目前世界上产量最大的氨基酸,也是蛋白质的主要构成成分[8, 9],在食品业、医药行业、化妆品业及工农业中用途广泛[10~19]。因此,对谷氨酸的分离十分必要。目前,谷氨酸的分离方法有化学拆分法、结晶法、酶拆分法、色谱法和分离法[20~28](包括手性配基交换色谱、高效液相色谱、气相色谱和毛细管电泳法等[29~32])。由于这些分离方法均有一定的缺陷,实现手性对映体的高效拆分仍是一项极具挑战性的难题[33, 34]。本文选用溶液聚合法制得接枝微粒PDAC/PSA,并考察了主要因素对接枝聚合的影响,初步研究了其对L-谷氨酸的吸附特性,为制备新型功能复合微粒提供理论参考。

    伯胺树脂微球(西安蓝深材料有限公司);L-谷氨酸(L-Glu,纯度99%)、D-谷氨酸(D-Glu,纯度99%),淮北新旗氨基酸有限公司;丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、无水甲醇,国药化学试剂集团有限公司;二甲基亚砜(DMSO)、N, N-二甲基甲酰胺(DMF),天津市光复科技发展有限公司;无水乙醇(天津市大茂化学试剂厂)。以上试剂均为分析纯级。

    THZ-92C水浴恒温振荡器(上海博迅实业有限公司医疗设备厂);THZ-82水浴恒温振荡器(常州润华电器有限公司);pHS-2酸度计(上海第二分析仪器厂);FTIR-7600S红外光谱仪(天津分析仪器)。

    1.2.1   聚苯乙烯伯胺树脂微球的活化处理

    将1.0g干燥的伯胺树脂微球加入50mL DMF溶液中,在室温下浸泡12h后抽滤,放入真空烘箱中进行干燥处理,即可将树脂微球表面氨基活化。

    1.2.2   伯胺树脂微球表面接枝聚合DAC

    将0.2g活化的伯胺树脂微球加入100mL的四口烧瓶中,并加入40mL乙醇和0.3mL DAC,置于水浴锅中,搅拌加热。至温度达25℃,加入0.6g引发剂过硫酸铵(APS),反应8h后,用蒸馏水反复多次洗涤,再用蒸馏水浸泡24h(不断换水)后抽滤,真空烘箱干燥24h,制得接枝微粒PDAC/PSA。

    1.2.3   接枝度的计算

    将接枝微粒用25mL 0.1mol/L盐酸浸泡8h,使盐酸与伯胺树脂球表面的氨基充分反应后,再用标准的NaOH滴定剩余的盐酸,通过式(1)计算PDAC/PSA的接枝度。

    $ {\rm{GD}} = \frac{{\left( {{V_{{\rm{HCl}}}} - \frac{{{V_{{\rm{NaOH}}}}\cdot{C_{{\rm{NaOH}}}}}}{{{C_{{\rm{HCl}}}}}}} \right){C_{{\rm{HCl}}}}\cdot193.67}}{{1000{m_1}}} $

    (1)

    式中,GD为PDAC/PSA的接枝度(mg/g);m1为PDAC/PSA的质量(g);193.67为DAC大分子链节的相对摩尔链节量。

    1.2.4   主要反应因素对PDAC/PSA接枝度的影响

    控制其他因素同1.2.2节,然后分别改变反应体系的温度、反应时间、溶剂以及引发剂APS和单体DAC的用量,制备接枝微粒PDAC/PSA,然后用酸碱滴定法进行滴定,测定其在不同条件下的接枝度,分析5种主要因素对其接枝度的影响,确定制备接枝微粒PDAC/PSA的优化反应条件。

    1.3.1   吸附动力学曲线的测定

    配制浓度为0.2g/L的L-谷氨酸标准溶液,然后分别量取25mL标准溶液置于若干锥形瓶中,分别加入0.02g接枝微粒作为吸附材料,将锥形瓶放置于恒温振荡器中,在一定温度下进行吸附。设置合适的时间梯度,隔一定时间取出锥形瓶,静置离心取上清液,测其紫外吸收强度,绘制动力学曲线,得出达到平衡吸附的时间。PDAC/PSA对L-谷氨酸的吸附机理如图式 1所示。

    图式 1

    图式 1.  PDAC/PSA对L-谷氨酸的吸附机理图
    Scheme 1.  Adsorption mechanism of L-glutamic acid by PDAC/PSA
    1.3.2   吸附等温线的测定

    配制pH=3的一系列浓度为0~0.14g/L的谷氨酸溶液,分别移取20mL浓度不同的谷氨酸溶液,置于若干50mL的锥形瓶中,加入0.02g PDAC/PSA微粒,然后在水浴恒温振荡器中恒温振荡3h,使吸附达平衡,静置分离,测定上清液中谷氨酸的平衡浓度。按式(2)计算氨基酸的平衡吸附量,绘制平衡吸附量-平衡浓度关系曲线,即等温吸附线。

    $ Q = \frac{{V({C_0} - {C_V})}}{m} $

    (2)

    式中,Q为平衡吸附量(mg/g);V为溶液体积(mL);c0为谷氨酸溶液的初始浓度(g/L);ce为谷氨酸的平衡浓度(g/L);m为PDAC/PSA微粒的质量(g)。

    1.3.3   PDAC/PSA的重复使用率

    将使用后的PDAC/PSA用乙醇反复洗涤烘干后,测定其对谷氨酸的吸附量,考察PDAC/PSA的重复使用率。

    图 1的IR谱中,对于PDAC/PSA,960cm-1为季铵盐N+(CH3)3的特征吸收峰;1736cm-1处为DAC结构单元中C=O伸缩振动的特征吸收峰,在1392cm-1附近出现叔胺基C-N键的吸收峰。上述表明单体DAC在伯胺树脂球表面已发生了接枝聚合,形成了接枝微粒PDAC/PSA。

    图 1

    图 1.  PSA、PDAC/PSA的红外光谱
    Figure 1.  Infrared spectra of PSA and PDAC/PSA
    2.2.1   溶剂的影响

    溶剂对接枝度的影响如图 2所示。以乙醇为溶剂时接枝度最高,其原因可能是在乙醇中羧基的电离度比较小,氢键作用较强,单体溶解度大,反应也就快,所以确定乙醇为最适宜的溶剂。

    图 2

    图 2.  溶剂对接枝聚合的影响
    Figure 2.  Effect of solvent on graft polymerization
    2.2.2   引发剂的影响

    图 3为接枝聚合8h时,PDAC/PSA的接枝度随引发剂APS用量的变化曲线。从图中可以看出,随着溶液中引发剂用量的增大,PDAC/PSA的接枝度呈先增大后减小的趋势,当APS的用量为1.2(wt)%时,接枝度最大为431mg/g。其原因在于溶液中引发剂用量较低时,伯胺树脂表面的氧化-还原引发反应速率相对较小。但随着引发剂用量的逐渐增大,树脂表面产生的自由基速率变快,接枝速率变快。当溶液中引发剂的量增超过1.2(wt)%时,因接枝聚合反应过快,伯胺树脂表面形成阻断层导致接枝度逐渐降低。

    图 3

    图 3.  引发剂对接枝聚合的影响
    Figure 3.  Effect of initiator dosage on graft polymerization
    2.2.3   单体用量的影响

    图 4所示是在其他条件一定的情况下,接枝度随溶液中单体的用量的变化曲线。从图中可看出接枝度随溶液中单体的用量的增加呈先升高后降低的变化规律,DAC的质量分数为6%时,接枝度最大为431mg/g。其原因是,随着单体用量的增大,接枝聚合速率加快,当DAC的浓度超过6%时,接枝聚合反应太快,导致短时间内在伯胺树脂表面形成了致密的聚合物阻隔层,随着溶液中单体用量越来越大,所形成阻隔层的时间便越短,导致接枝度减小。

    图 4

    图 4.  单体用量对接枝度的影响
    Figure 4.  Effect of monomer concentration on grafting degree
    2.2.4   反应时间的影响

    图 5所示是在其他条件一定的情况下,接枝度随接枝时长的变化曲线。从图中可看出,接枝度首先随着时间的延长而增大,当反应时间达到8 h时,接枝微粒PDAC/PSA的接枝度达到最大431mg/g。当超过8h时反应接枝上的主链开始降解,使得接枝度下降,所以本实验接枝聚合的最佳时间为8h。

    图 5

    图 5.  反应时间的影响
    Figure 5.  Effect of reaction time on grafting degree
    2.2.5   反应温度的影响

    图 6所示为接枝聚合8h时,PDAC/PSA接枝度随温度的变化曲线,从图 6中可以看出,接枝聚合温度的升高使接枝度呈现先增大后下降的趋势,25℃时接枝度最大,为431mg/g。其原因是聚苯乙烯伯胺树脂表面的氨基和过硫酸盐的氧化还原引发体系,在较低温度下,随着温度的升高氧化还原的引发反应速率逐渐加快,同时接枝聚合反应的速率也加快。当温度升至25℃时,氧化还原引发的引发速率达到最大,当温度超过25℃时,溶液中过硫酸盐热分解速率变快,导致过硫酸盐减少,接枝聚合的速率随之也减慢。

    图 6

    图 6.  温度对接枝度的影响
    Figure 6.  Effect of temperature on grafting degree
    2.3.1   PDAC/PSA对L-谷氨酸吸附的动力学曲线

    图 7所示是接枝微粒PDAC/PSA对L-谷氨酸吸附的动力学曲线。由图可见,功能接枝微粒PDAC/PSA吸附L-谷氨酸的量随着时间递增,当反应时间达到6h后,吸附量基本趋于平衡,饱和吸附量约为140mg/g。

    图 7

    图 7.  接枝微粒对L-谷氨酸的吸附动力学曲线
    Figure 7.  Adsorption kinetics of L-Glu on grafted microparticles PDAC/PSA
    2.3.2   接枝微粒PDAC/PSA对L-谷氨酸的等温吸附曲线

    图 8所示是接枝微粒PDAC/PSA对L-谷氨酸的等温吸附曲线。从图中可知,接枝微粒PDAC/PSA对L-谷氨酸的吸附容量随着L-谷氨酸浓度的增加而增大,当浓度达到0.11g/L时达吸附平衡,吸附量为140mg/g。这种吸附作用主要来源于接枝微粒与L-谷氨酸之间的氢键作用。

    图 8

    图 8.  接枝微粒对L-谷氨酸的吸附等温线
    Figure 8.  Adsorption isotherm of PDAC/PSA for L-Glu
    2.3.3   接枝微粒PDAC/PSA的重复使用性能

    图 9所示是接枝微粒PDAC/PSA的重复使用性能曲线图。从图中可知,PDAC/PSA在经过多次洗脱后,其吸附量为135.6mg/g,吸附容量保持率大于96%,具有良好的重复使用性。

    图 9

    图 9.  接枝微球PDAC/PSA的重复使用性能
    Figure 9.  Reusable properties of grafted microspheres PDAC/PSA

    采用自由基聚合法,将丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵接枝在聚苯乙烯伯胺微球表面,制备了接枝微粒PDAC/PSA。在接枝聚合过程中,微球表面所形成的接枝聚合物层会形成动力学位垒,阻碍接枝聚合的继续进行;反应温度过高,或引发剂用量过大,会在伯胺微球表面形成致密的聚合物阻隔层,阻碍接枝聚合的进行,使接枝度降低。当反应温度为25℃,单体质量分数为总溶液的6%,引发剂APS占单体质量的1.2%时,接枝率最大,为431mg/g,且接枝微粒对L-谷氨酸有较强的吸附作用。


    1. [1]

      Turner N W, Jeans C W, Brain K R, et al. Biotechnol. Prog., 2010, 22(6):1474~1489. 

    2. [2]

      Zhao X, Chen L, Li B. Food Chem., 2018, 255:226~234. 

    3. [3]

      Philip C, Devaky K S. Mol. Catal., 2017, 436:276~284. 

    4. [4]

      余佳照, 李延斌, 刘艳丽, 等.化学通报, 2018, 81(08):6~11. 

    5. [5]

      Hoshino Y, Koide H, Urakami T, et al. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132(19):6644~6645. 

    6. [6]

      Soldatkin O, Nazarova A, Krisanova N, et al. Talanta, 2015, 135:67~74. 

    7. [7]

      Qiu Q F, Zhang F L, Tang Y, et al. Electroanalysis, 2018, 30(6):1054~1059. 

    8. [8]

      Jack E B, Mark G M, North M. Tetrahedron, 1989, 45(19):6319~6330. 

    9. [9]

      Kimuram M, Suto T, Eisenach J C, et al. Neurosci. Lett., 2015, 608:18~22. 

    10. [10]

      Takanashi J, Mizuguchi M, Terai M, et al. Neuroradiology, 2015, 57(11):1~6.

    11. [11]

      李华清, 郭宗慧, 刘春秀, 等.分析化学, 2006, 34(S1):1~4. 

    12. [12]

      Yue Y N, Meng W J, Liu L, et al. Electrochim. Acta, 2018, 260:606~613. 

    13. [13]

      Lannom H K, Dill K, Denarie M, et al. Int. J. Pept. Protein Res., 1986, 28(1):67~78. 

    14. [14]

      Tani H, Dulla C G, Farzampour Z, et al. Neuron, 2014, 81(4):888~900. 

    15. [15]

      Shen J. Front. Neuroenerget., 2013, 5:1. 

    16. [16]

      Aydoǧan C, Andaç M, Bayram E, et al. Biotechnol. Prog., 2012, 28(2):459~466. 

    17. [17]

      Liu B, Wang G, Gao D, et al. Psychiat. Res-Neuroim, 2015, 231(1):64~70. 

    18. [18]

      Hatanaka M, Nishioka Y, Yoshikawa M. Macromol. Chem. Phys., 2011, 212(13):1351~1359. 

    19. [19]

      Zou J, Wang Y X, Dou F F, et al. Neurochem. Int., 2010, 56(4):577~584. 

    20. [20]

      Cascaval D, Oniscu C, Galaction A I. Biochem. Eng. J., 2001, 7(3):171~176. 

    21. [21]

      Wang Y, Shi C, Gan Q, et al. Sep. Purif. Technol., 2004, 35(1):1~9. 

    22. [22]

      付煜荣, 白雪梅, 郭春燕, 等.药物分析杂志, 2006, 26(6):830~832. 

    23. [23]

      Itou Y, Nakano M, Yoshikawa M. J. Membrane Sci., 2008, 325(1):371~375. 

    24. [24]

      Lee M, Li J, Liang Y, et al. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(13):4659~4662. 

    25. [25]

      Yoshikawaa M, Kogita T, Hanaoka K, et al. Eur. Polym. J., 2006, 42(10):2532~2539. 

    26. [26]

      Yu H, Canoura J, Guntupalli B, et al. Anal. Chem., 2018, 90(3):1748~1758. 

    27. [27]

      Dimitrova P, Bart H J. Anal. Chim. Acta, 2010, 663(1):109~116. 

    28. [28]

      Sanaie N, Haynes C A. J. Chromatogr. A, 2006, 1132(1/2):39~50. 

    29. [29]

      Bertrand M, Chabin A, Brack A, et al. J. Chromatogr. A, 2008, 1180(1):131~137. 

    30. [30]

      赵书林, 沈江珊.高等学校化学学报, 2005, (9):1613~1617. 

    31. [31]

      Hödl H, Schmid M G, Gübitz G. J. Chromatogr. A, 2008, 1204(2):210~218. 

    32. [32]

      Carlos A, Sabine V T, Brigitte P, et al. Molecules, 2018, 23(6):1389. 

    33. [33]

      Dabrowski M, Lach P, Cieplak M, et al. Biosens. Bioelectron., 2017:102. 

    34. [34]

      邓金根, 迟永祥, 朱槿, 等.合成化学, 1999, 11(4):340~345. 

  • 图式 1  PDAC/PSA对L-谷氨酸的吸附机理图

    Scheme 1  Adsorption mechanism of L-glutamic acid by PDAC/PSA

    图 1  PSA、PDAC/PSA的红外光谱

    Figure 1  Infrared spectra of PSA and PDAC/PSA

    图 2  溶剂对接枝聚合的影响

    Figure 2  Effect of solvent on graft polymerization

    图 3  引发剂对接枝聚合的影响

    Figure 3  Effect of initiator dosage on graft polymerization

    图 4  单体用量对接枝度的影响

    Figure 4  Effect of monomer concentration on grafting degree

    图 5  反应时间的影响

    Figure 5  Effect of reaction time on grafting degree

    图 6  温度对接枝度的影响

    Figure 6  Effect of temperature on grafting degree

    图 7  接枝微粒对L-谷氨酸的吸附动力学曲线

    Figure 7  Adsorption kinetics of L-Glu on grafted microparticles PDAC/PSA

    图 8  接枝微粒对L-谷氨酸的吸附等温线

    Figure 8  Adsorption isotherm of PDAC/PSA for L-Glu

    图 9  接枝微球PDAC/PSA的重复使用性能

    Figure 9  Reusable properties of grafted microspheres PDAC/PSA

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  571
  • HTML全文浏览量:  17
文章相关
  • 发布日期:  2020-03-01
  • 收稿日期:  2019-09-06
  • 接受日期:  2019-12-06
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章