丙烯酰胺型氧氟沙星吸附材料的制備及性能研究*

李延斌，胡譯之，李麗榮，李俊濤，唐風(fēng)娣，劉振興

(1 肇慶醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，廣東 肇慶 526070；2 中北大學(xué)，山西 太原 030051)

氧氟沙星是第二代氟喹諾酮類廣譜抗菌藥物，具有較強(qiáng)的生物活性[1]。目前被廣泛用于治療各種細(xì)菌感染，其抗菌作用較強(qiáng), 能夠抑制大多數(shù)細(xì)菌[2-5]。氧氟沙星是手性化合物，有R-氧氟沙星和S-氧氟沙星兩種構(gòu)型，其中S型的抗菌性能(針對(duì)革蘭陰性菌和陽(yáng)性菌)是其對(duì)映體R型的8～128倍[6-8]，在臨床治療、畜牧業(yè)、家禽養(yǎng)殖中廣泛使用[9-11]。因此，對(duì)氧氟沙星的分離十分必要。目前，氧氟沙星的分離方法有高效液相色譜法[12-15]、毛細(xì)管電泳法[16-18]、溶液萃取法[19]、共結(jié)晶法拆分法[20-21]、分子印跡法[22-24]。

本文通過(guò)分子設(shè)計(jì)，憑借功能單體丙烯酰胺(AM)與S型氧氟沙星存在的分子間可能的氫鍵或者靜電作用，在聚苯乙烯微球(PSA)表面通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備氧氟沙星吸附材料。并考察了主要因素對(duì)接枝聚合的影響，研究了其對(duì)氧氟沙星的吸附特性，為制備新型分子印跡功能復(fù)合微粒提供了理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：伯胺樹脂微球，西安藍(lán)深材料有限公司；丙烯酰胺，天津市登峰化學(xué)試劑廠；N-N二甲基甲酰胺(DMF)，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；二甲基亞砜，天津市大茂化學(xué)試劑廠；氧氟沙星，國(guó)藥試劑公司；過(guò)硫酸銨，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

儀器：AL104電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；THZ-82水浴恒溫振蕩器，常州潤(rùn)華電器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式多用真空泵，河南省予華儀器有限公司；DZF-6020 型真空干燥箱，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；FTIR-7600S紅外光譜儀，天津分析儀器；UV/VIS-2802紫外分光光度計(jì)，上海Unic有限公司。

1.2 PAM/PSA的制備及表征

1.2.1 功能微粒的制備

在1 g干燥的伯胺樹脂微球置于50 mL N,N-二甲基甲酰(DMF)溶液，于室溫下浸泡12 h，之后對(duì)微球進(jìn)行洗滌并抽濾，于真空烘箱中進(jìn)行干燥，即可得活化微球。將0.4 g活化微球置于100 mL的四口燒瓶中，并加入50 mL乙醇溶劑、10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.01%的丙烯酰胺(AM)，排除空氣，攪拌加熱。30 ℃時(shí)，加入0.400 g引發(fā)劑過(guò)硫酸銨，反應(yīng)8 h后，用蒸餾水反復(fù)洗滌，真空干燥24 h，制得接枝微粒PAM/PSA。

1.2.2 接枝微粒PAM/PSA的表征

按照公式(1)計(jì)算PAM/PSA表面單體接枝度(mg·g-1)。

(1)

式中：GD——接枝度，mg·g-1

m0——接枝前的質(zhì)量，g

m——接枝后的質(zhì)量，g

通過(guò)KBr壓片法對(duì)接枝微粒PAM/PSA進(jìn)行紅外光譜分析，表征化學(xué)結(jié)構(gòu)；通過(guò)掃描電鏡(SEM)測(cè)定接枝前后表面形貌的變化。

1.2.3 主要因素對(duì)PAM/PSA接枝度的影響

為了確定優(yōu)化制備接枝微粒PAM/PSA的條件，控制其它因素不變，然后分別研究了溶劑的影響，溫度的影響，單體用量和引發(fā)劑用量對(duì)功能微粒聚合度的影響。采用稱量法，測(cè)定其在不同條件下的接枝度，分析4種主要因素對(duì)其接枝度的影響，確定制備接枝微粒PAM/PSA的最佳條件。

1.3 考察功能接枝微粒PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的吸附作用

1.3.1 氧氟沙星標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定

配置具有梯度變化濃度的氧氟沙星溶液，在299.0 nm用紫外光譜法測(cè)定[25]不同濃度待測(cè)溶液的吸光度。在紫外可見光譜最大吸收波長(zhǎng)處，測(cè)定不同濃度氧氟沙星的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.2 吸附動(dòng)力學(xué)曲線的測(cè)定

配制濃度為0.004 g·L-1的氧氟沙星溶液，然后量取25 mL的氧氟沙星標(biāo)準(zhǔn)溶液置于若干錐形瓶中，分別加入0.05 g接枝微粒作為吸附材料，從標(biāo)準(zhǔn)溶液中移取25 mL溶液于錐形瓶中，在水浴恒溫振蕩器中進(jìn)行吸附試驗(yàn)，每隔半小時(shí)取出一個(gè)錐形瓶，離心后取上清液測(cè)其紫外吸光度。按公式(2)[26]計(jì)算得出功能微粒對(duì)氧氟沙星的吸附量(Q)，以(Q)為縱坐標(biāo)，時(shí)間(t)為橫坐標(biāo)繪制動(dòng)力學(xué)曲線，通過(guò)曲線可以得到吸附平衡的時(shí)間。

(2)

式中：Q——目標(biāo)物質(zhì)的吸附量，mg·g-1

V——測(cè)定溶液的體積，mL

C0——目標(biāo)物質(zhì)的的初始濃度，g·L-1

Ct——時(shí)間為t時(shí)目標(biāo)物質(zhì)的濃度，g·L-1

m——功能微粒PAM/PSA的質(zhì)量，g[27]

1.3.3 吸附等溫線的測(cè)定

在0.002～0.008 g·L-1范圍內(nèi)配制一系列濃度變化的氧氟沙星溶液，分別移取25 mL濃度不同的氧氟沙星溶液，置于100 mL的錐形瓶中，分別加入0.0500 g的PAM/PSA微粒，另取相同體積的氧氟沙星溶液做對(duì)比空白，所有樣品于30 ℃下恒溫振蕩吸附3 h后，離心分離吸取上層部分清液，利用紫外光譜儀測(cè)定其吸光度，由式(2)可以計(jì)算得出其平衡吸附濃度，以此繪制等溫吸附曲線。

1.3.4 溫度對(duì)接枝微粒吸附的影響

重復(fù)上述步驟，分別在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下進(jìn)行吸附等溫線的測(cè)定。根據(jù)式(2)計(jì)算相應(yīng)的的濃度與吸附量，繪制不同溫度下的吸附曲線，得出最佳吸附溫度。

1.3.5 pH對(duì)接枝微粒吸附的影響

配制濃度梯度為0.002～0.008 g/L的氧氟沙星溶液，調(diào)溶液的pH值為2.2，3，4，5，6，然后量取25 mL的氧氟沙星標(biāo)準(zhǔn)溶液置于若干50 mL錐形瓶中，分別加入0.05 g接枝微粒作為吸附材料，再移取25 mL溶液倒入空的錐形瓶中，封口。在恒溫水浴振蕩器30 ℃中振蕩3 h，進(jìn)行紫外光譜分析確定其吸光度。同1.3.2利用公式2得出功能微粒PAM/PSA對(duì)目標(biāo)物質(zhì)氧氟沙星的吸附量，再以吸附量(Q)為縱坐標(biāo)，以濃度(c)為橫坐標(biāo)繪制等溫吸附線，來(lái)測(cè)定不同pH值下的平衡吸附量與平衡濃度的關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 微粒表征

2.1.1 接枝微粒PAM/PSA的紅外表征

圖1是2種微粒的紅外光譜圖。上面的曲線是PSA的紅外譜圖，下面的是接枝微粒PAM/PSA的紅外譜圖，在紅外光譜圖1中可以看出1640 cm-1處為酰胺羰基得伸縮振動(dòng)吸收峰，在1546 cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)特征吸收峰是仲胺中N-H鍵的面內(nèi)振動(dòng)吸收峰，上述特征峰的出現(xiàn)說(shuō)明伯胺樹脂球表面單體AM已發(fā)生了接枝聚合，形成了功能微粒PAM/PSA。

圖1 PSA、PAM/PSA的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of PSA, PAM/PSA

2.1.2 掃描電子顯微鏡(SEM)表征

圖2為PAM和PAM/PSA的掃描電鏡圖。從圖2可以看出，接枝前聚苯乙烯微球PSA表面比較光滑，而截止微粒PAM/PSA表面卻凹凸不平，原因是單體丙烯酰胺通過(guò)自由基聚合接枝在PSA表面，因此使得PAM/PSA表面顯得粗糙不平。

圖2 PSA、PAM/PSA的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.2 SEM Picture of PSA, PAM/PSA

2.2 影響表面引發(fā)接枝聚合的主要因素

2.2.1 溶劑介質(zhì)的影響

溶劑對(duì)接枝度的影響如圖3所示，當(dāng)其他條件都相同時(shí)，反應(yīng)介質(zhì)為乙醇時(shí)，單體在聚苯乙烯微球上的接枝度是最大的，根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在以乙醇為媒介的環(huán)境中，被吸附物質(zhì)氧氟沙星中的羧基與功能單體AM的相互作用主要以氫鍵作用為主。同時(shí)存在較小的靜電作用，而在別的介質(zhì)中例如“水”或者“二甲基亞砜”以及“1，2-二氯乙烷”中，其氫鍵作用較小[28]，故確定乙醇為最佳溶劑。

圖3 溶劑對(duì)接枝聚合的影響Fig.3 Effect of solvent on graft polymerization

2.2.2 單體用量的影響

圖4是在其它條件一定的情況下，接枝度隨溶液中單體的用量的變化曲線。由圖中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：縱坐標(biāo)GD的數(shù)值受AM的用量影響，規(guī)律為增加-減小，單體濃度為11.01時(shí)達(dá)到最大值，大小為476389 mg·g-1。主要是因?yàn)楦叻肿泳酆戏磻?yīng)在單體濃度較小時(shí)反應(yīng)速率會(huì)比較慢，而后由于單體反應(yīng)濃度的不斷增大，高分子聚合反應(yīng)速率也在加快，聚合度自然同時(shí)增加。然而在單體質(zhì)量濃度超過(guò)11.01%之后，由于高分子聚合反應(yīng)的速率太快，會(huì)在反應(yīng)基質(zhì)表面形成一層聚合物阻隔層，使得反應(yīng)的無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，因此會(huì)使得速率變緩，聚合度減小。所以本文認(rèn)為，反應(yīng)物單體濃度為11.01%時(shí)GD最大[27]。

圖4 單體對(duì)接枝聚合的影響Fig.4 Effect of monomer concentration on graft polymerization

2.2.3 引發(fā)劑用量的影響

圖5 引發(fā)劑對(duì)接枝聚合的影響Fig.5 Effect of initiator dosage on graft polymerization

圖5為反應(yīng)8 h，功能單體的聚合度GD受過(guò)硫酸銨用量的影響關(guān)系圖。由圖5數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，由于過(guò)硫酸銨用量的增大，功能微粒的聚合度變化規(guī)律為先増后減[29]，在過(guò)硫酸銨的加入0.43 g(其用量是AM的8.80%)，聚合度為310.79 mg·g-1達(dá)到最大。而加入量小于0.43 g時(shí)，會(huì)使高分子自由基聚合反應(yīng)中的自由基數(shù)量減少，結(jié)果使得聚合度下降；反之聚合度增加[27]。當(dāng)引發(fā)劑用量大于0.43 g后，接枝聚合速率太快，致使微粒表面接枝聚合速率太快形成成了比較致密聚合物阻隔層，從而阻斷了聚合反應(yīng)[29]。因此，最適宜的引發(fā)劑用量為0.43 g。

2.2.4 溫度的影響

圖6為聚合反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為8 h，功能微粒聚合度受溫度的影響圖，由圖6中數(shù)據(jù)變化可以看出聚合度隨溫度的升高呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律，在30 ℃時(shí)聚合度可以達(dá)到頂峰，其數(shù)值為470.5 mg·g-1。由于本實(shí)驗(yàn)中高分子自由基引發(fā)接枝聚合需要一個(gè)氧化還原引發(fā)體系，而本實(shí)驗(yàn)中的PSA表面的氨基和過(guò)硫酸銨所組成的體系就是起到這樣一個(gè)引發(fā)體系的作用，該體系在較低溫度下，接枝聚合速率會(huì)隨著溫度的升高使得氧化還原的引發(fā)反應(yīng)速率加快而加快，由圖6中數(shù)據(jù)看出，30 ℃時(shí)為聚合度達(dá)到最大值，但是當(dāng)反應(yīng)溫度大于30 ℃時(shí)，體系中引發(fā)劑的熱分解速率也會(huì)變快，從而會(huì)使得過(guò)硫酸銨減少，聚合度也隨之降低[29]。因此，30 ℃為制備PAM/PSA微粒的最適宜溫度。

圖6 溫度對(duì)接枝聚合的影響Fig.6 Effect of Temperature on degree of grafting

2.3 功能接枝微粒PAM/PSA與氧氟沙星之間的相互作用

2.3.1 功能微粒PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的吸附原理

圖7為PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的吸附機(jī)理。

圖7 PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的吸附原理圖Fig.7 Adsorption mechanism of L-glutamic acid by PAM/PSA

2.3.2 接枝微粒PAM/PSA對(duì)氧氟沙星吸附的動(dòng)力學(xué)曲線

圖8是接枝微粒PAM/PSA對(duì)氧氟沙星吸附的動(dòng)力學(xué)曲線。由圖8可以看出，所制得的功能微粒 PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的吸附量根據(jù)時(shí)間不同而有所變化，經(jīng)過(guò)3 h后，基本達(dá)到吸附平衡。達(dá)到吸附平衡的時(shí)間為3 h，平衡吸附量約為109 mg·g-1。

圖8 PAM/PSA吸附氧氟沙星的動(dòng)力學(xué)吸附Fig.8 Kinetics curve of PAM/PSA for ofloxacin

2.3.3 接枝微粒AM/PSA對(duì)氧氟沙星的等溫吸附曲線

圖9所示是接枝微粒PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的等溫吸附曲線。從圖9可知，接枝微粒PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的吸附隨著氧氟沙星濃度的增加而增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是目標(biāo)產(chǎn)物與功能單體之間的相互作用力導(dǎo)致的，本實(shí)驗(yàn)中功能微粒上的氨基與目標(biāo)物質(zhì)氧氟沙星之間存在氫鍵和靜電雙重作用[27]。當(dāng)吸附濃度為0.5 g/L時(shí)，可以看出吸附量達(dá)到平衡，數(shù)值為113 mg·g-1。

圖9 PAM/PSA吸附氧氟沙星的等溫吸附Fig.9 Adsorption isotherm of PAM/PSA for ofloxacin

2.3.4 pH值對(duì)接枝微粒PAM/PSA對(duì)氧氟沙星吸附性能的影響

圖10 在不同pH條件下PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的吸附等溫線Fig.10 The adsorption isotherm of PAM/PSA to ofloxacin under different pH conditions

圖10為不同pH條件下PAM/PSA微粒對(duì)氧氟沙星的吸附等溫線。由圖10可知功能接枝微粒PAM/PSA吸附氧氟沙星的量隨著pH的增加先增加后減少。吸附量在pH為3的時(shí)候達(dá)到了最大為100 mg·g-1。首先我們知道，隨著pH的增加，氧氟沙星的羧基電離度增加，此時(shí)功能微粒中的氨基和目標(biāo)物質(zhì)氧氟沙星之間靜電作用力有所增大。然而，由于兩者間也存在氫鍵作用，在當(dāng)體系的pH小于3時(shí)，由于被吸附物質(zhì)中的羧基官能團(tuán)電離度比較小，此時(shí)的作用力主要是氫鍵。反之體系pH大于3，氫鍵作用力會(huì)變小，使得Qe也變小[27]。

2.3.5 溫度對(duì)接枝微粒PAM/PSA吸附性能的影響

圖11為不同溫度下接枝PAM/PSA微粒對(duì)氧氟沙星溶液的等溫吸附線。從圖11數(shù)據(jù)可以得出以下規(guī)律，功能微粒對(duì)目標(biāo)物質(zhì)氧氟沙星的吸附量受溫度影響是先升后降，這是由于功能微粒中的氨基和目標(biāo)物質(zhì)中的羧基官能團(tuán)之間由靜電和氫鍵兩種作用力，在兩種作用力的協(xié)同效應(yīng)下出現(xiàn)上述規(guī)律。在35 ℃時(shí) PPAM/PSA微粒與氧氟沙星之間的作用力最強(qiáng)[27]，吸附量最大為102.5 mg·g-1。

圖11 在不同溫度下PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的吸附等溫線Fig.11 Adsorption isotherm of PAM/PSA to ofloxacin at different temperatures

3 結(jié) 論

采用自由基聚合法，將丙烯酰胺接枝在聚苯乙烯伯胺微球表面，制備了接枝微粒PAM/PSA。在接枝聚合過(guò)程中，微球表面所形成的接枝聚合物層會(huì)形成動(dòng)力學(xué)位壘，阻礙接枝聚合的繼續(xù)進(jìn)行；反應(yīng)溫度過(guò)高，或引發(fā)劑用量過(guò)大，會(huì)在伯胺微球表面形成致密的聚合物阻隔層，阻礙接枝聚合的進(jìn)行，使接枝度降低。當(dāng)反應(yīng)溫度為30 ℃，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為總?cè)芤旱?1.01%，引發(fā)劑過(guò)硫酸銨用量為0.43 g時(shí)，接枝率最大，為476.9 mg·g-1。

通過(guò)對(duì)吸附條件的探討，接枝微粒PAM/PSA在溫度30 ℃、pH=3的溶液中，對(duì)濃度范圍在0.2～0.8 g·L-1的氧氟沙星溶液吸附3 h時(shí)，PAM/PSA對(duì)氧氟沙星的吸附量達(dá)到最大為118 mg·g-1。