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摘要:壳聚糖及其衍生物是一种天然高分子,随着对其研究的深入发展,涉及的内容和应用范围越来越广泛。本文综合概述了壳聚糖的结构、性质、富集及其化学改性的方法,简单介绍了它们的应用领域。
引言:
壳聚糖具有许多独特的化学物理性质,根据其酸化、酉旨化和氧化、接枝与交联、经基化、经烷基化等反应还可制备成多种用途的产品,而且从氨基多糖的特点出发具有比纤维素更为广泛的用途。对壳聚糖的应用开发研究,自本世纪六十年代以来就十分活跃,近年来国际更是十分重视对它的深入开发和应用。通过对甲壳质和壳聚糖进行化学修饰与改性来制备性能独特的衍生物已经成为当今世界应用开发的一个重要方面。
1、壳聚糖及其改性吸附剂
壳聚糖(chitosan)是一种天然化合物,属于碳水化合物中的多糖,是甲壳素N-脱乙酰基的产物,其学名是β(1→4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖。
壳聚糖本身的基本结构是葡萄糖胺聚合物,与纤维素类似。但因多了一个胺基,带有正电荷,所以使其化学性质较为活泼。且因其聚合分子结合键角度自然扭转之故,对于小分子或元素会发生凝集螫合作用。根据甲壳素脱乙酰化时的条件不同,壳聚糖的脱乙酰度和分子量不同,壳聚糖的分子量通常在几十万左右。但一般来说N-乙酰基脱去55%以上的就可称之为壳聚糖。
壳聚糖本身性质十分稳定,不会氧化或吸湿。鉴于壳聚糖及其衍生物具有优良的生理活性,在食品、生物制药、水处理方面显示出非常诱人的应用价值。近年来,国内外对壳聚糖的开发研究十分活跃。
2、壳聚糖富集工艺的研究现状
由于壳聚糖吸附剂有以上的优点,学者们对其富集的工艺已经有了较为深入的研究。
李斌,崔慧[1]研究了以壳聚糖作富集柱,稀H2SO4为洗脱剂,稀NaOH为再生剂,火焰原子吸收光谱法简便、快速分离富集测定水中痕量Cu(Ⅱ)的方法,于波长325nm处测定,检出限为20ng·ml-1,线性范围为10~20μg·ml-1。此法的优点在于简便、快速、选择性好、经济实用、效果良好。但由于壳聚糖易降解,在实际操作中存在着流速控制难,富集效果不均一,空白大的问题。
王瑜[2]采用壳聚糖修饰钨丝基质螺旋卷,直接浸入含有痕量铜的pH5.0的缓冲溶液中,经电磁搅拌富集一定时间后,将其转移至空气/乙炔火焰燃烧器上,利用火焰原子吸收光谱法简便快速测定水中痕量铜。方法的线性范围为2~75μg/L;检出限为0.98μg/L。同一支钨丝螺旋卷重复涂敷壳聚糖富集Cu,RSD(n=6)为2.7%。此法简单快速,选择性好,用于自来水中Cu2+的测定结果令人满意,但成本偏高。
周永国等[3]研究了壳聚糖用于含重金属离子工业废水的处理[4~5]。提出了壳聚糖分离富集火焰原子吸收法检测水中痕量镉的新方法。回收率达98%,灵敏度0.021ug/L。方法灵敏度高,选择性好,用于天然水中痕量镉的测定,可获得满意的结果。
徐晶,王新省[6]报道了壳聚糖作在线微柱预富集柱填料,流动注射与火焰原子光谱联用(FI2FAAS)测定痕量Pd的方法。当采样体积13.5mL时,采样频率27/h,富集倍数49倍,线性范围0.01~0.4mg/L,检出限(3s,n=11)1.4μg/L,相对标准偏差1.26%和4.0%。
孙建民等[10]研究了壳聚糖对Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Pb2+和Cd2+6种离子的吸附行为,建立了壳聚糖柱同时分离6种离子的火焰原子吸收法(FAAS)测定含量的分析方法,并应用于自来水和电镀废水中6种金属离子的分离和测定。徐晶等将壳聚糖装入微柱进行在线预富集,并与火焰原子吸收分光光度法联用,用于催化剂样品中痕量Pd的测定。齐印阁等建立了壳聚糖分离富集丁二酮分光光度法测定Ni2+的新方法,提高了测定的灵敏度和选择性。该法可用于天然水中痕量Ni2+的测定。Minamisawa等[13]利用壳聚糖定量预富集环境水样中微量Co2+,然后把洗脱的Co2+用钨炉原子吸收光谱法测定,检出限达50ngPL。利用壳聚糖与Ru共沉淀分离后,用石墨炉原子吸收光谱法测定水样中微量Ru,线性范围的上限达510μgPL。谢维新采用壳聚糖为凝聚剂,重量法测定二氧化硅,聚沉速度快,沉淀较完全,容易过滤和洗涤,用于铁矿、粘土矿(SiO2含量在20%以上)中的二氧化硅测定,结果均较好。
但由于壳聚糖粘度大,分子刚性差,在偏酸性的溶液中,壳聚糖由于分子中的氨基(-NH2)易质子化(-NH3+)而溶解,使其应用受到限制。但利用壳聚糖重复单元上的羟基和氨基,可对其进行交联、接枝、酯化、酰化、醚化等化学改性,制备出具有不同理化特性的壳聚糖衍生物,或与机械强度高的高分子化合物,通过物理混合制备成微球或微球的办法后,提高了机械强度或吸附能力,从而延伸了壳聚糖的应用领域和范围,就是改性壳聚糖。
3、壳聚糖的改性
①化学改性:
共聚壳聚糖:壳聚糖与含有乙烯基的单体进行共聚反应,从而使壳聚糖具有某些特殊性能。
壳聚糖酯化:甲壳素/壳聚糖与脂肪族或芳香族酰氯或酸酐反应,所生成的酰化产物具有许多新的用途。
壳聚糖醚化:甲壳素/壳聚糖中的羟基与卤代烃或醇反应,可生成醚,广泛用于日化工业。
化学交联改性:就是壳聚糖与戊二醛、环氧氯丙烷等发生交联而制得的外观类似树脂的白色或浅黄色粉末,理化性质与壳聚糖有明显差别,它不溶于水、酸、碱溶液。
②壳聚糖的物理改性
壳聚糖与膨润土复合:根据膨润土层间阳离子的可交换性,利用壳聚糖在酸性溶液中带有正电荷的特性,将壳聚糖负载在膨润土上,制成固体复合吸附剂。
壳聚糖与PVA复合:制备壳聚糖/PVA微球,因PVA机械强度高,PVA分子中丰富的-OH与壳聚糖分子中的-OH、β-O、-NHR,形成氢键与分子间作用力增大的缘故,在维持其功能性的同时,其耐酸碱性能与机械强度也明显提高。
4、改性壳聚合糖的富集工艺研究现状
梁勇等[24]以壳聚糖为原料,经环氧氯丙烷交联后与N,N二乙基胺环氧丙烷作用,合成了以壳聚糖为母体的凝胶型PCON螯合树脂。PCON螯合树脂用5%的盐酸清洗后,在pH=1110±012范围内,对Ag+的富集率高达9818±110%,在超声波振荡下,4min即达到富集平衡。吸附后的PCON溶于1ml015%HNO3溶液中,以悬浮液进样,石墨炉原子吸收(GFAAS)测定。采用标准曲线法与标准加入法测定自来水中银的含量,所得结果相吻合。
张淑琴等以4,4′-二溴二苯并18-冠-6为交联剂,合成了一种新型冠醚交联壳聚糖(DCTS)。它兼有冠醚和壳聚糖两类化合物的优点,具有同时测定不同形态化学组分,不需要化学分离和引入过多试剂,可以进行直接富集,且有操作简便等特点。
杨宇民等[26]利用巯基壳聚糖对Pb2+和Cd2+的吸附特性,建立了巯基壳聚糖分离富集原子吸收光谱法测定天然水体中Pb2+和Cd2+的新方法,并研究了最佳吸附和脱附条件。该法对Pb2+和Cd2+的准确检测下限可达到1.00μg/L和0.050μg/L,回收率分别达到96.5%和97.6%。该法灵敏度高,选择性好,用于实际水样的测定取得了满意结果。
5、改性壳聚糖的应用
壳聚糖自然资源丰富,在研究角度和实用角度都有着巨大潜力。在生物、食品、医药、废水处理、纺织、造纸等领域中均有一席之地。1977年,日本首次将壳聚糖作为絮凝剂处理废水,并于同年在关国波士顿召开有关甲壳素、壳聚糖的会议,从那时起,甲壳素和壳聚糖的应用就得到较快的发展。国外的化妆品行业已经大量采用壳聚糖,如德国的WELLA及日本的姿生堂等公司,据统计日本每年约有100t壳聚糖衍生物用于化妆品工业中;壳聚糖具有广谱抗菌性,对多种细菌生民都有明显的抑制作用,可用来对织物进行抗菌防霉整理。
参考文献:
[1]李斌、崔慧:壳聚糖富集FAAS法测定水中痕量Cu(Ⅱ).理化检验2化学册,2001,37(6):253~254。
[2]王瑜:壳聚糖富集火焰原子吸收法测定水中痕量铜.分析化学(FENXIHUAXUE).研究简报,2005,(33):872~874。
[3]周永国、杨越冬等:壳聚糖富集火焰原子吸收法测定天然水中痕量镉.理化检验-化学分册,1998,34(6):256~257。
[4]CouglinRW,DeshaiesMR,DavisEM,EnvironmentalProgress,1990,9(1):35.
[5]周永国、杨越冬等:河北大学自然报(自然科学版),1994,14(2):30。
[6]徐晶、王新省:流动注射壳聚糖在线微柱预富集火焰原子吸收光谱法测定痕量钯.分析化学(FENXIHUAXUE)研究报告,2004,32(2):157~160。