（分析化学专业论文）壳聚糖功能材料的分析应用研究.pdf

中文摘要 生物多( 聚) 糖的功能化反应及其应用是当前材料科学、仿生化学、分离科 学研究的热门领域。壳聚糖是一种线性高分子，作为多糖是由b 一( 1 ，4 ) 糖苷键 连接的d 葡糖胺，壳聚糖可以通过甲壳素脱乙酰得到，类似于纤维素的结构。 甲壳索壳聚糖近年来得到重视，是因为其特有的性质，如：生物降解性，生物 相容性，生物活性及化学反应性等。作为新型功能材料和生物材料，其已在水处 理、日用化学品、生物工程和医药等领域得到了初步应用，但它们不溶于般的 有机溶剂，从而限制了其广泛应用。甲壳素和壳聚糖可以通过化学改性来扩大其 应用领域，并逐渐成为该研究领域的热点课题。本文采用了脱酰化、席夫碱、接 枝和交联等实验方法，对壳聚糖进行化学接枝和改性，取得了一定的研究成果。 本论文主要研究的内容和结论如下： 1 详细介绍研究背景，壳聚糖的物理化学性质、壳聚糖的制取和功能化方 法。主要说明了脱酰化、席夫碱、接枝、交联以及键合硅胶，这些与本课题相关 的功能化反应特点，及其国内外最新的研究与应用进展。本文就是以壳聚糖的改 性和功能化为主线，研究其衍生物在水处理和色谱分离方面的应用。 2 壳聚糖作为生物性的阳离子聚电解质，在水处理方面，显示了优异的絮 凝性能。选择乙二醛作为c t s 交联试剂和氨基化硅胶为偶联剂，制得结构稳定 的2 1 ，2 一乙二醛) 一亚胺2 一脱氧b d 葡聚糖树脂并接枝于硅烷化t l c 层析硅 胶，简称为硅胶接枝2 一乙二醛壳聚糖( s i g e l 一g b i f c t s ) 。 通过正交实验确定了 合成( s i g e i 唱一b i 忙t s ) 的制备方法和最佳实验条件：反应温度4 0 0 c ，反应时间5 h ， 乙二醛与壳聚糖配比为2 ：1 ，p h 值为5 3 。通过正交实验可以看出各因素对反应 的影响的主次关系为：a 反应温度( o c ) dp h 值 c 乙二醛与壳聚糖配比 b 反应时间( ”。以金属离予c d 2 + 、p b 2 + 的吸附为例，发现吸附的时间较短，吸附 速度比较快，到达吸附平衡的时间短，吸附性能优良。而且对c d 2 + 的吸附速度 比p b ”快，吸附量也大。 3 壳聚糖作为天然高分子材料，具有分子识别和手性识别功能。采用香草 醛接枝壳聚糖通过偶联剂y 缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷与硅胶键合做液相 色谱固定相。香草醛接枝壳聚糖( v c t s ) 的制备，计算了接枝率，确定了分子量。 然后将香草醛接枝壳聚糖( v c t s ) 作为反应的原料，制各键合硅胶固定相( v c t s - k h 5 6 0 - s i ) ，并对反应时间进行了优化试验，通过元素分析发现反应2 4 h 的含碳 量较高。并用红外、元素分析、热重分析等手段进行表征，证明键合成功。研究 了其对手性物质的分离性能，并讨论了分离效果。 4 精喹禾灵是一种选择性的内吸传导型茎叶处理除草剂，精喹禾灵乳油最 早由日本住友公司研制成功，其产品主要有5 精喹禾灵( 精禾草克) 乳油等，我 们研究建立了毛细管气相色谱内标法测定产品中的精喹禾灵含量的方法。 关键词：甲壳索壳聚糖，功能材料，吸附，分离 a b s t r a c t f u n c t i o na 1 1 dr e a c t i o no fp o l y s a c c h a r i d ea r em o s ti m p o 咖ti nt l l ep o pf i e l ds u c h a sb i o m a c r o m o l e c u l em a t e r i a l s ，b i m i m e t ic h e m i s t s 印a r a t i o ns c i e n c e ，a n ds oo n c h i t o s a i li sal i n e a rc e l l u l o s em a d eu po fp 一( 1 ，4 ) 1 i n k e dd 一斟u c o s 锄i n c ，a s 、v e l la s d e a c c t y l a t e i ti sf o m e d b y 血er e a c t i o no fc h i t i nd e a c e t y l a t e c h i t i na i l dc h i s t o s a n 玳 a n r a c t i n g i n c r e a s e da n e n 廿0 1 1 sa sm e i ri 1 1 l l e r e m b i o l o g i c a l a c t i v i t i e sa 1 1 d p h y s i c o c h e m i c a lp m p e r t i e sa r eb e i n gb e t t e r1 1 1 1 d e r s t o o d t h e ya r es p e c i a lb i o p o l y m e r s h a v i n gb i o d c g r a d a b i l i t y b i o c o m p a t i b i l i t y ，b i o a c t i v i 吼m 0 1 e c u l a rr e c o 嘶t i o na n d c h e m i c a lr e a c t i o nf i l n c t i o n s t h e ya r em e r e f o r ei n t e r e s 恤gn o to n l yb e i n ga na b u n d a l l t r e s o u r c eb u ta l s ob e i n gan o v e l 帅eo fn m c t i o n a lm a t e r i a l t h e ya r ep o t e n t i a l l y e m p l o y e di nv 撕o u sf i e l d s 丘o mw a s t e - w a t c r 订e a t m e n tt 0b i o m a t e r i a le n g i n e e r i n g t o c x t e n dt 1 1 e i r 印p l i c a t i o n si na q u e o u sm e d i m ，s o m er e 璩t i o n sa r ea v a i l a b l ev i at l l e c h e r n i c a l m o d i f i c a t i o l l s ，s u c ha sd e a c y l a t i o n ，g r a r i n gr c a c t i o na n dc m s s l i i l k i n g r e a c t i o n t h e 础c o n t e n ta i l dc o n c l u s i o ni np r e s e mp 印e ra r es h o w e da sf 0 1 l o 谢n g ： 1 _ t h er e s e a r c hb a c k 舒o u n d ，p h y s i c o c h e m i c a lp m p e r t i e s ，趾d 缸l c t i o 工l a l i z a d o n m e t h o d so fc h i t o s 吼h a v eb e e ni n t r o d u c c di nd e t a i l d e a c y l a t i o n ，g r a f t i n gr e a c t i o 玛 s h i 伊sr e a c t i o n ，c r o s s l i l l k i n gr e a c t i o n ，b o n d e ds i l i c ag e l r e a c t i o n ，a 1 1 di t sa p p l i c a t i o n i ns e p a m t i o ns c i e n c e sr e l a t c dw i t ht l l i st h e s i sa r er e v i e 、v e d 2 c h i t o s a i l ，ab i o l o g i cc 砒i o i l i cp o l y e l e c t r 0 1 y t e ，s h o w st 1 1 ee x c e l l e 小n o c c u l e n t c a p a b i l i t y i n 、 ，a t e rt r e a t m e n t t h en o c c u l e n tm e c h a l l i s mo fc h i t o s a n i s e l c c t r o n e u t r a l n y 砸n c i p l e as e r i e so fc m s s l i t l k i n gc 胁o s a f l ( c t s ) s u p p o n e db y s i l i a i l i z a t i o n s i l i c ag d ( s i g e l - n h 2 ) w e r es y n t h e s i z e di ng l y o x a l _ n l er e s i np r o d u c t 2 一( 1 ，2 百y o x a l ) 一i m i d e 一2 一d e o x i d a t e p d - g l u c o s a i l s ( s i g e l 喀一b i f c t s ) ，、v a sf o n e dv i a s h i f r sr e 枷。玛w h i c hw a so fs 诅b i l i 何t h eo r d l o g o n a le x p e r i m e n 协ld e s 追nw a s e m p l o y e dt 0o p t i i i l i z ec x p e r i m e n tc o n d m o n s t h er e s u l t sd i s p l a yt h a tm eo r d e ro ft h e r e a c t i o n se 丑e c tf a c t o r sf o l i o w e da s ：r e a c t i o nt e m p c r a t u r e p hv a j u e t h er a l i oo f c h i t o s a n 趾dg l y o x a l r e a c t i o nt i r n c n es t m ：t u r ea n dp r o p e n i e so ft h cc t s ， s i g e l n h 2 ，s i g c i - g b i 咒t sw e r ec h a r a l c t e r i z e dw i mf t i ra n dn l e 姗a la 1 1 a l y s i s ( t a ) t h ea d s o r p t i o nc a p a c “i e so fm es i g e l g - b i f c t sf o rc d 2 + a n dp b 2 + w e r cm e s t i g a t e d 1 1 1 a n dc o m p a r e d 3 a san a m r a lm a c r o m o l e c u l a rm a t e r i a l ，c h j t o s a np o s s e s s e sm 0 1 e c u l a rr e c o g n i t i o n a n dc l l i r a lr c c o 蛐i o n t h r o u 曲s c h i f r sb a s er e a c t i o n 、i mv a n i l l i n ，c h i t o s a i l ( c t s ) i s m o l e c u l a 卜m o d i f i e da sv a n i l l i n m o d i f i e d c h i t o s a i l c t s ) u s i n g 卜g l y c i d o x y p r o p y l 一 砸r n e m o x y s i l a n e ( k h 5 6 0 ) a sab r i d g e ，v c t s 、a sb o n d e do m os i l i c ag e lt op m d u c e m eb o n d e ds t 砒i o n a r yp h a s ev c t s - k h 5 6 0 一s i v c t s k h 5 6 0 s i 、v a sc h a r a c t e r i z e db y m e a l l so ff t i r ，e aa n dt a n sc h r o m a t o 掣a p h i cc h a r a c t e r i z a t i o nw a sa l s o i n v e s t i g a t e d 4 q u i z a l o f o p p - e t h y l ( j i n g k u ih e l i n 曲i sak i n do fh e r b i c i d e 1 1 1 ea i l a l y s i so f j i n g k u ih e l i n gb yc a p i l l a r yg a sc h r o m a t o g r a p h yw a sd e v e l o p e d 谢t l la d v a n 协g e so f m p i d i t y s i m p l e n e s s ，a c c u m c ya n dr e p r o d u c i b i l i 研 k e y w o r d s ：c h i t i n c 1 1 i t o s a i l ，f u n c t i o n a lm a t e r i a l s ，a d s o r p t i o n ，s e p a r a t i o n l v 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) 季佩 2 0 0 6 年5 月 郑孙大学硬士学位论文 壳聚螗功能树料的分析或甩研究 第一章研究背景、研究目的及研究内容 1 研究背景 甲壳素f c h i t i n ，c a 登录号：1 3 9 8 6 1 4 ) ，又名甲壳质、几丁质，是n - 乙酰基 一2 一脱氧一一氨基一d 一葡萄糖通过b 一( 1 4 1 糖苷键连接而成的直链状多糖，分子 式为( c 8 h 15 n 0 6 ) n ， 分子量一般在1 0 5 左右。甲壳素是一种天然生物高分子聚合 物，广泛存在于许多低等动物，如节肢动物。软体动物，环节动物，原生动物， 腔肠动物及海藻，真菌等一些植物中。特别是节肢动物，如虾、蟹、虾蛤等甲壳 中，蟋蟀、蛆、蛹等昆虫的甲皮中含量最为丰富。另外有些动物的关节、低、 足的坚硬部分，以及动物的肌肉与骨结合处均有甲壳素存在。甲壳素也发现于 正在分裂的酵母细胞的胞间中隔( s e p t u r n ) 中。 但甲壳素主要是存在于无脊椎动 物，如昆虫、蟹虾、螺蚌等。它是很多节肢动物( a n l l r o p o d a ) 和软体动物( m o l l u s c a ) 外骨骼的主要结构物质。在很多这样的外骨骼中甲壳素是进行矿化 ( m i n e r a l i z a t i o n ) 的基质，这和脊椎动物骨骼中胶原蛋白是供矿质沉积的基质很像。 有意思的是，在进化过程中脊椎动物在胶原蛋白基质上发展了内骨骼，无脊椎动 物却在甲壳素基质上发展了外骨骼。 据估计，在自然界中，甲壳素的贮藏量是纤维素的三分之一，是一种极具潜 在实用价值，可再生利用的自然资源。甲壳素在生物体内由甲壳素合成酶和脱 乙酰酶共同作用于二磷酸尿核苷- n 乙酰氨基葡萄糖合成。环境中的微生物，主 要是细菌和真菌，其中很多属能产生甲壳素酶和壳聚糖酶，参与环境中的甲壳素 和壳聚糖的降解。人体内虽然不含有甲壳素和壳聚糖，但是令人惊奇的是却含有 甲壳素酶和壳聚糖酶，所以人体能降解甲壳素和壳聚糖吐 1 1 壳聚糖的物理性质 壳聚糖( c h i t o s a n ，c a 登录号：9 0 1 2 7 6 - 4 ，国外商品名为f l o m en ) ，又名甲 壳胺，是甲壳素的主要衍生物，是2 一脱氧一b 一氨基一d 一葡萄糖通过b f l 一4 ) 苷键连接而成的直链状多糖，分子式为( c 6 h 1 3 n 0 5 ) n ，分子量一般在1 0 3 1 0 5 左右。 壳聚糖是甲壳素脱乙酰基所得到的产物。其结构与纤维素相似，如s c h e m e l 1 所 示。 释张大学礞士学位论文 c h i t o s a f l 瘁嘭露嗲露嘭。 照嘭避噶鲻。魏呸爹础爸专矽础爸涉 趣嘭露嗲鲻 图1 1 甲壳素壳聚糖、纤维素的结构式 f i g1 1s t m c t u r eo f c h i t i 肌h n o s a na n dc e l l u l o s e 壳聚糖也是白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体，相对分子质量因原 料和制备方法不同而有数十万至数百万不等，不溶于水，碱溶液和一般有机溶剂， 可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸、磷酸。在稀 酸中，壳聚糖主链也会发生缓慢水解，溶液粘度逐渐降低，所以壳聚糖溶液一般 是随用随配。一般壳聚糖不溶于水，但当脱乙酰度为5 0 左右的壳聚糖可溶于水， 原因在于在这个n 酰化度时，酰基破坏了分子链的二次结构，使结晶度变小， 几乎为无定型，壳聚糖分子链才有亲水性，这个n 酰化度的范围是比较窄的。 大多数天然多糖的结构单元都是二糖。甲壳素和壳聚糖的结构单元也是二糖。研 究证实，甲壳素和壳聚糖也具有复杂的双螺旋结构，螺距为o 5 1 5 眦，一个螺旋 平面由6 个糖残基组成【2 】o 1 2 甲壳素，壳聚糖的制取方法 早在1 8 1 1 年，b r a c o h n o t 首次从蘑菇中分离出甲壳素，并命名为“向唣m ”。 1 8 2 3 年， 0 d i e r 发现昆虫的外皮上分布有大量的甲壳素，并用希腊语命名为 “c h i t i n ”。1 8 5 9 年，r o u g e t 用浓氢氧化钾处理甲壳素，使其脱乙酰化，制备出 能溶于稀有机酸的物质。1 8 9 4 年h o p p e s e i l e r f l 】将该物质命名为壳聚糖。1 9 3 7 年， i o b e i l 等人发现能把甲壳素水解成甲壳素低聚糖的甲壳素酶；1 9 7 3 年， e v e k i 曲d e n g 等人发现能把壳聚糖水解成低聚糖的壳聚糖酶。壳聚糖酶对生物体 自溶、形态发生和营养代谢中具有一系列重要作用，同时一些疾病和生物共生现 象也与壳聚糖酶有关。1 9 7 7 年，日本人首次将壳聚糖作为天然絮凝剂处理废水。 郑媳大学硕士学位论支 同年，在美国波士顿召开第一次有关甲壳素壳聚糖的国际会议。从此，甲壳素 的开发应用在世界范围内形成一股热潮【2 1 。目前，中国是甲壳素和壳聚糖的生产 大国和出口大国，世界上使用的甲壳素和壳聚糖，有一半以上产自中国。 以往报道甲壳素壳聚糖的制取方法有三大类：一资源化法，二微生物法， 三微波法i 2 j 。 关于资源化法研究得最多，也最成熟，工业生产也用此法。有不少文献研究 此法工艺的优化，工作大同小异，创新不大。此法的一般工艺流程为：一、从虾、 蟹甲壳中制取甲壳素的过程主要由两部分组成：用稀酸脱除甲壳中的碳酸钙，然 后用稀碱脱除蛋白质，剩下的就是甲壳素。粗品因含有虾红素而常常带有颜色， 可用高锰酸钾溶液浸泡脱色，水洗后用亚硫酸氢钠溶液还原残留的高锰酸根离 子，即可得到白色片状的甲壳素，产率一般为1 5 3 0 ：二、然后将片状或粉碎 的甲壳素放在4 0 5 0 的n a 0 h 或k o h 水溶液中加热到6 0 1 8 0 处理数小 时即可脱除乙酰基，脱乙酰基的甲壳素加入稀醋酸后即可溶解，过滤除去杂质， 滤液加入碱后析出壳聚糖。再加入稀醋酸溶液溶解，向溶液中加入过量的丙酮， 析出壳聚糖的醋酸盐。壳质在进行脱乙酰基处理时，温度越高，处理的时间越长， 乙酰基的脱除率越高。在脱乙酰基处理的同时，产品的分子量也降低，通常脱乙 酰度为7 0 9 0 。其流程如f i g u r e1 2 所示。在实际制备过程中由于采用浓酸和 浓碱处理，极易造成天然高分子的降解，使得壳聚糖产品的粘度降低。 囹骂盥圈黼器孝静 静警粹盥圃学静圃 圈1 2 甲壳索壳聚糖的制各过程 f i g1 2 p r o c e s so f p r e p a r “i o no f c h i t i na i l dc h i t o s a n 虽然用此法从虾、蟹的甲壳制取甲壳素及壳聚糖的过程主要由简单的酸碱处 理工艺组成，技术难度并不大，但在实现工业化的过程中有两个比较困难的问题， 一是原料收集问题：另一个问题是因为工艺中要消耗大量的酸碱，工艺过程排放 的废水量比较多，环境污染比较大，这也是外国不愿生产的原因，除部分废水的 郑n 大学颀士学证论文 壳聚糖动能材辩鲍分析虚甩磷究 p h 值可从排放的废酸、废碱中调整之外，一般需建立废水处理装置等。针对这 一问题蒋挺大等人提出了综合生产法，此法以以上工艺为基础，做了三大改进： 1 、将虾、蟹壳中各种有用的成分转化为有用之物，实现废物利用；2 、尽量减少 烧碱的消耗，在不影响产品质量的情况下，同量烧碱可重复使用3 ，4 次 3 、在 海边的厂家，尽量使用海水，减少淡水的消耗。此法对降低成本，保护环境有较 大意义，值得推广。 微生物法是采用生物发酵或直接培养真菌制取甲壳素或直接提取壳聚糖。此 法国内研究还较少，离工业化还有较大距离，但此法对环境污染，如能有大的突 破是极有前途的方法，这方面的课题也是十分有意义的研究题目，希望国内相关 同行引起重视。 微波法也是对传统法的一个改进。 该法用时大大缩短，烧碱用量也大大降 低，产品的质量也有所提高。现在国内已有微波法连续生产壳聚糖的工业化装置 的专利，但此法的微波泄漏是一个需要关注的问题。我们实验室在制备壳聚糖时 也采用了微波法，并取得了较好的效果。 1 3 甲壳索和壳聚糖的应用 由于甲壳素壳聚糖及其衍生物具有无毒特点和良好的生物相容性，人们对 其研究和开发作了大量的工作，许多新的功能和用途不断被发现。目前已在工业、 生物化学、医药、农业等领域得到了广泛的应用，详见表1 1 。 表1 1 甲壳素壳聚糖及其衍生物的应用 t a b l e1 1 a p p l i c a t i o n s o f c h i t i n c h i t o s a i la 1 1 d l h e i r d e r i v 撕v e s i 领域应用 在纺织工业中，可作为上浆剂、固色剂和处理剂，经壳聚糖处理的纤维具有更 好的染色性能，同时能改善棉毛织物的耐折皱性和玻璃纤维的机械性能【4 】； 在造纸工业中，纸张经壳聚糖处理，可提高印刷质量并改善其机械性能9 q ； 工 业 据现有的研究报道，甲壳素和壳聚糖在食品工业中可作为各类酒类和饮料的澄 清剂、除虫剂、食品添加剂；也可研制成为各种功能食品，如减肥类功能食品、降 血脂类功能食品、调节肠道菌群类功能食品。此外，还可作为可食性薄膜等i ，4 j 。 4 郑州大学硕士学位论文 生 物 化 学 医 疗 保 健 水 处 理 农 业 甲壳素壳聚糖及其衍生物可以作固定酶载体，在制糖业、制药业中发挥作用， 与其它固定酶载体相比具有原料易得、价格低廉、固定酶的效率高等优点”1 ； 壳聚糖来自于生物体，对细胞毒性极低，且亲和性好，安全性高，因此是细胞 培养用微载体的很好材料。目前其制成的细胞培养用微载体已商品化p j ； 壳聚糖可使植物细胞及组织产生出甲壳素酶，从而阻碍植物病原菌的增殖，低 分子量的壳聚糖可提高植物的甲壳素酶活性及其抗菌活性，可作为植物生理剂使用 【1 0 】 阳离子壳聚糖溶液与阴离子藻酸溶液，相互作用形成不溶于水的膜，可用来封 入产生胰岛素的细胞，成为密封具有生理活性物质的生物膜。 用壳聚糖制成的手术缝合线，机械强度好，可长期存放，能用常规法消毒，可 染色，可掺入药剂，能被人体内组织液降解而吸收，免除患者拆线的痛苦”“； 把壳聚糖醋酸水溶液直接涂于烧伤和烫伤的伤口，能在伤口表面形成一层柔 韧、吸水、透氧、生物相容性好的薄膜。它可使病人免受极度的痛苦，防止伤口感 染，促进伤口愈合。当伤口愈合长出新的皮肤后，这种“皮肤”可自行脱落】； 由于甲壳素及其衍生物具备海绵状的特殊结构和溶胀性能，通过适当的交联反 应和制备方法，可以控制药物持续释放，改善药物的溶解性能和吸收性，使分散在 甲壳素或其衍生物中的药物达到理想的释放速率l j o “1 ； 甲壳素低聚糖及其部分脱乙酰化物，或壳聚糖低聚糖均可作为抗癌药物的制剂 配料。这些含有甲壳素壳聚糖的复合抗癌物在抑制肿瘤生长及转移方面较单一药 剂有显著得多的效果l l ”j ： 由于壳聚糖安全无毒、生物相容性好、可增加药物的溶出度等优点，同时具有 良好的成膜性、柔韧性、透气性，不致敏、无刺激、无吸收中毒，能消炎抗菌止血止 痛等，还能促进伤口愈合，防止瘢痕形成等【l5 。州； 壳聚糖能与酸作用成盐，故它具有脱酸的作用。对于胃酸过多或胃溃疡，可抑 制酸并吸附在胃壁上，起到保护性的效果【l ”。 壳聚糖溶液具有阳离子型聚电解质的性能，可用作絮凝剂l l ，在p h = 3 6 范围 内对皂土悬浮液的絮凝比聚丙烯酰胺要多。壳聚糖对无机悬浮固体有很强的絮凝作 用，可以用作硬水处理中的澄清助剂和果汁的澄清，还可以用来净化糖液和糖蜜1 1 w ； 甲壳素和壳聚糖对重金属离子废水、印染废水、食品加工废水、和生活污水处 理都非常有效。其吸附剂具有如下特点：对具有酸性基团的分子表现出异常的吸附 能力；吸附量约为粒状活性炭的数倍：在水中具有优良的分散性，可采用简单而廉 价的接触过滤法处理；废水处理时吸附剂过滤性能优良，无吸附剂泄露等问题；吸 附剂本身无毒，不会引起二次污染四“l ： 甲壳素的某些衍生物有一定的抗菌、杀菌能力。据报道，低分子量的壳聚糖具 有抗菌作用，n 一羧甲基壳聚糖对口腔细菌具有良好的抑制能力，n 一羧丁基壳聚 糖对各种病原体具有抑菌、杀菌作用盼2 2 1 。 甲壳素降解地膜，伸缩性小在湿润状态下也有充分的强度。将这种地膜埋在 土壤里一个月后再挖出分析，结果表明甲壳素成分全都在土壤中分解。所以，该材 料被认为是很有发展前途的地膜材料口”； 甲壳素可制成一种用于水果长期保鲜的喷洒剂。该喷洒剂可使水果完好保存达 9 个月以上。这是因为喷洒在水果上的涂层具有选择渗透性，它能让适量的氧通过， 使水果放慢新陈代谢过程，从而达到长期保鲜的目的口9 。 郑抖 大学硕士学位论文壳聚糖功能材料的分析应爵研究 其 1 9 8 2 年，o g u r a 2 4 】等人首次报道了壳聚糖、羟丙基壳聚糖和乙氧丙基壳聚糖能 它 形成溶致胆淄型液晶( 最后一种还有热致性) ，从此人们对壳聚糖及其衍生物进行了 大量的研究工作【2 6 2 ”，观测了多种壳聚搪及其衍生物的热致型和溶致型液晶行为， 并测定了它们临界浓度和 | 缶界温度等重要数据。 1 4 壳聚糖的化学改性及功能化应用 尽管壳聚糖的生物特性已有深入的了解，但将其作为功能高分子材料的研究 还远远不如纤维素那样广泛。由于难以批量处理，尽管它的年产量很大，但作为 生物资源壳聚糖还没有被充分利用。然而，甲壳素壳聚糖作为生物高分子在近 年来得到了重视，是因为其特有的性质，如：生物降解性，生物相容性，生物活 性及化学反应性等。作为新型功能材料和生物材料，甲壳素壳聚糖及其衍生物 已在水处理、日用化学品、生物工程和医药等领域得到初步应用，前面已作列举， 但它们不溶于一般的有机溶剂，从而限制了其广泛的应用。壳聚糖是线型的高分 子聚合物，分子链中含有大量具有反应活性的羟基、氨基，还有一些n 乙酰氨基， 它们会形成各种分子内和分子间氢键，从而形成了壳聚糖大分子的二级结构。同 时，由于这些基团的存在，使壳聚糖可借氢键，也可借盐键形成具有类似网状结 构的笼形分子，从而对过渡金属离子有着稳定的配位作用；另外，对酸、有机染 料、蛋白质等也具有很强的吸附能力。因此，可作为絮凝剂用于废水处理、食品 厂蛋白质回收、中药药液提纯精制、除去酱油沉淀物、氨基酸光学异构体的分离、 小麦胚芽凝集素的分离、溶液中重金属离子的分离回收等3 1 。尤其在对重金属离 子、酸和有机染料方面的应用，吸引了众多学者从事这一领域的研究，取得了可 喜进展。 但由于壳聚糖分子中氨基质子化后溶于水，造成流失，且选择性较差，于是 人们通过对其进行交联、接枝、酯化、醚化、s h 谁碱反应、季铵化等方法改性2 刖， 制各出具有不同的理化特性的壳聚糖衍生物，在分离中应用中提高选择性。 1 4 1s h i f f 碱反应及应用 壳聚糖上的氨基可以与醛酮发生s h i 行碱反应，生成相应的醛亚胺和酮亚胺 多糖，是高活性壳聚糖区别于甲壳素、纤维素等其它生物多糖的特色反应之一。 利用s h 漪碱反应可以把还原性碳水化合物作为支链连接到壳聚糖的氨基n 上， 形成n 一支链的水溶性产物。 郄媳大学硕士学擅论文壳聚糖功能乖l 料的静析虚甬研究 常用的脂肪醛有：乙醛、丙醛、戊二醛、己醛、辛醛、癸醛等。芳香醛有： 水杨醛、硝基苯甲醛、p - 二甲胺基苯甲醛等。 这类衍生物由于引入了大分子醛基，减弱了分子内氢键，所以有较好的溶解 性，易溶于水和有机溶剂( 如二甲基乙肽胺，d m s o 等) ，它们可以作酶固定化 和凝胶色谱载体。 1 4 2 接枝反应及应用 通过在甲壳素或壳聚糖的葡胺糖单元上接枝乙烯基单体或其它单体，合成半 聚合物多糖，可将合成聚合物的优异性能赋予甲壳素或壳聚糖。如将碘代甲壳素 分散在硝基苯中，加入路易斯酸s n c l 4 与苯乙烯按阳离子接枝共聚反应机理反应 得到接枝共聚物【”。 甲壳素和壳聚糖的接枝共聚合反应可以在多种条件下，以不同的机理进行。 如用铈离子、过硫酸钾、过氧化氢亚铁离子等氧化一还原引发剂：偶氮二异丁腈 引发剂；或通过光、y 射线以及甲壳素硫醇来引发乙烯基单体在多糖主链上进 行自由基接枝共聚；还可通过可溶性甲壳素衍生物，如碘代甲壳素 2 9 】、甲苯磺 酰化甲壳素或脱乙酰化度为5 0 的壳聚糖为反应物来进行甲壳素的离子引发接 枝。 1 4 3 交联反应及应用 交联壳聚糖的合成方法概括分为两种。 方法一又分为两种：直接与交联剂进行交联和分子印迹法。直接与交联剂进 行交联即是在交联过程中，壳聚糖直接与交联剂发生交联作用，不与任何其它试 剂反应。通常壳聚糖直接用交联剂交联后，机械性能和酸溶性都有较明显改善，而 其吸附性能受交联剂和吸附对象的特性等因素的影响，往往不一定高于未经交 联的壳聚糖。m u z z a r l l ir aa 【3 0 】等用戊二醛与壳聚糖直接交联生成的交联壳聚 糖树脂在酸性和碱性条件下基本不溶胀，但交联壳聚糖树脂对h 矿，z n 2 + 等的吸 附性能反不如未交联的壳聚糖，且吸附性能随着交联度的增大而降低。但并非所 有的直接交联的产物都会出现吸附性能降低，若被吸附离子具有某种特性或交 联剂中含有某种螯合能力强于- n h 2 和一o h 的活性基团，则会增强交联产物的吸 释抖| 大学硕士学位论文 附性。安胜姬等【3 1 】研究了二异氰酸酯与壳聚糖的交联反应，比较了交联产物与壳 聚糖的吸附容量，结果表明：交联产物对h 矿+ 、c d 2 + 、c u 2 + 的吸附性优于壳聚糖。 徐羽等3 2 1 以环硫氯丙烷为交联剂，合成了以壳聚糖为母体的巯基胺型螯合树脂， 这类树脂对贵金属具有优良的吸附性能。 分子印迹法分子印迹技术是瑞典伦德大学的m o s b c h 于1 9 8 4 年提出的一种 新型亲和分离技术，即在层析介质制备时直接将目标分子引入合成的介质颗粒 中有目标分子的空间印迹，因此提高了层析介质对目标分子的选择性【3 3 】。利用这 一原理，我们可以选用要着重吸附的目标金属离子，先与壳聚糖配位，然后用适 当的交联剂合成交联产物，最后除去交联产物中的金属离子，这种方法合成的金 属离子印迹壳聚糖树脂，由于对目标金属离子具有“记忆”功能，因此对目标金 属离子具有较高的吸附容量和吸附选择性。谭天伟3 3 1 等以n i 2 + 作为“印迹金属离 子”，以氯代环氧乙烷为交联荆，合成了壳聚糖金属离子( n i 2 千) 印迹树脂，并研究 了印迹树脂的特性，结果表明，与非印迹树脂相比，n i 2 + 印迹树脂对n i 2 + 的吸附 容量可增加2 倍，还提高了结构和大小与n j 2 + 较为相似的c u 2 + 和z n 2 + 的吸附容 量。黄晓佳等口4 1 以z n 2 十为模板离子，合成了戊二醛交联壳聚糖树脂。结果表明， 该树脂由于对z n ”有较强的“记忆”能力，而产生较好的吸附性能，且对同族的 h 矿+ 、c d 2 + 也有较高的吸附容量。 方法二为对壳聚糖的交联产物进行化学修饰。壳聚糖分子中有可能与金属 离子形成配位键的活性基团是氨基( - n h 2 ) 和羟基( o h ) ，这些基团同时也是壳聚 糖分子与交联剂发生交联作用的活性基团。交联壳聚糖比交联前壳聚糖的吸附 性能下降是由于交联产物中的- n h 2 和o h 减少，且交联剂中不含有螫合性能或 优于一n h 2 和一0 h 的官能团。 因此，要改善交联壳聚糖对金属离子的螯合性能， 可对交联产物进行化学修饰，引入对螯合作用有贡献的活性基团。庄华等【3 5 】在 环氧氯丙烷交联壳聚糖树脂中引入了含游离氨基的多乙烯多胺，合成了交联聚 氨基球状螯合树脂，并考察了其对h 9 2 + 、p b 2 上、z n 2 + 的吸附性能。 结果表明，在 低浓度时( 约2 0 i j g l ) ，树脂对三种离子均有较高的吸附量。刘秀芝【3 6 】等用邻 氨基苯酚对环氧氯丙烷交联壳聚糖树脂进行化学修饰，充分利用苯酚对壳聚糖 表面电荷的能力和配位作用，得到一种新的改性树脂。 郑抽太学礤士学位论文 1 4 4 壳聚糖作色谱固定相的研究 硅胶键合固定相的研究始于2 0 世纪7 0 年代初。近2 0 年来，国内外硅胶键合 固定相的研究越来越深入，且硅胶键台固定相的种类繁多，作为柱填料仍具有不 可替代的地位。这不仅是由于硅胶具有良好的机械强度、容易控制的孔结构和 比表面积、较好的化学稳定性，更重要的是因为其表面含有丰富的硅羟基。这是 硅胶可以进行表面化学键合或改性的基础，并由此制成各种各样的硅胶键合固 定相，广泛应用于高效液相色谱的分离操作中。杨立新等人曾对高效液相色谱用 硅质填料的进展进行了全面的综述【3 7 】。 在应用方面，这些硅胶键合固定相除用于常见化台物的分离、分析外，主要 应用集中在药物和生物样品的分析领域。药物领域的应用包括天然药物、合成药 物及生化药品主成分的含量测定，各种杂质及分解产物的鉴别和分析，还包括药 物代谢产物的分析、鉴定及临床治疗药物的检测和体内物质的分析等；在生物领 域的应用主要是对微量生物大分子物质( 如蛋白质、多肽、核苷酸以及酶) 的分离、 纯化和分析郾】。 随着人们对手性现象的认识和不对称合成的发展，用以拆分对映体的各种 手性固定相( c s p ) 不断涌现，被广泛用于药物、生物及不对称合成领域。国内相 关的研究报道亦十分活跃1 3 9 枷】。用高效液相色谱法对对映体进行分离主要包括 手性固定相法，手性流动相添加剂法，手性试剂柱前衍生化法。其中手性固定相 法不须衍生化，操作简便，也不需要大量昂贵的手性添加剂，囡此应用最为广 泛。在众多的手性固定相( c s p ) 中，多糖衍生物固定相由于拆分范围广而应用最 多。它主要包括直链淀粉、纤维素、壳聚糖的衍生物这类手性固定相的优点除了 作为天然的光学活性物质容易得到外，它们的葡萄糖单元的羟基易被取代和官 能团化，且该类c s p 的载样量大，在大规模制备级色谱应用上有很大潜力。 1 9 7 3 年，h e s s e 和h a g e l 首先制备了微晶纤维素三醋酸酯( c t a ) ，研究表明： 在多相条件下制备的c t a 具有较好的手性识别能力，这种手性识别能力来源于 纤维素的晶体结构本身。当微晶纤维素三醋酸酯溶解于溶剂并涂渍在硅胶上时， 其手性识别能力不同于原来的微晶纤维素，对某些对映异构体的光学拆分洗脱 顺序是完全相反的，比如1 b g e r 碱，这种变化主要是由于在溶剂中的c t a 性能与 微晶结构时的c t a 大不相同所致。在所有的纤维素衍生物中3 ，5 二甲基苯基氨 9 郫热大学硬士学位论文 基甲酸酯显示出优越的手性识别能力。o k 锄a t o 【4 2 】等曾用3 ，5 二甲基苯基氨基甲 酸酯作固定相对5 1 0 种旋光物质进行拆分，这就是说，大约有6 0 的旋光物质能在 3 ，5 二甲基苯基氨基甲酸酯上进行拆分。 直链淀粉衍生物的手性识别能力与纤维素衍生物存在很大的差别。纤维素 和直链淀粉手性识别能力不同的原因可能是由于葡萄糖单元构象不同，结构有 序性存在差异。协h i m a l 4 3 】等把直链淀粉的3 ，5 二甲基苯基氨基甲酸酯衍生物区 域选择性键合到硅胶上作为h p l c 手性固定相结果表明：6 位键合到硅胶上比 2 、3 位键合具有较高的手性拆分能力，但键合型比涂敷型c s p 拆分能力低。 s e n s o 等人比较了多糖类物质直链淀粉，壳聚糖，纤维素键合烷基硅胶，作 为液相色谱手性分离，发现壳聚糖的分离手性物质效果更好【矧。接着他们又用 壳聚糖的衍生物来考察其液相色谱的分离性能，讨论了所用壳聚糖起始原料以及 用作流动相改进剂的溶剂，对所得手性固定相的制备及性能的影响【4 5 】。 壳聚糖和改性壳聚糖作为色谱固定相，也被广泛用于金属离子、氨基酸及其 它有机物的分离。g a o 等【4 6 l 以多孔性交联壳聚糖作为填料基质制成分离柱，利用 交联壳聚糖通过离子交换，定量地吸附以氯化物阴离子或含氧阴离子形式存在 的t i 、v 、m o 、w 、g a 、b i 等元素。然后，以1 or n o 儿h n 0 3 洗脱后进行测定。 它应用于河水样品分析，取得良好的效果，分析的浓度可达1 0 g ，l 。 黄金明等 m j 把壳聚糖作为反相h p l c 固定相，应用于硝基酚、氨基酚、氯代酚对映体的分 离，效果很好。王俊德等【4 8 】研制了壳聚糖键合硅胶和壳聚糖涂层交联硅胶填料， 考察了这两种液相色谱填料对小肽有一定的分离能力，在蛋白质的分离中有一 定特色，但对单糖的保留不大。邬建敏等【4 9 】将硅胶浸渍壳聚糖后，通过环氧氯 丙烷交联使其均匀地包在硅胶表面，形成亲和层析填料基质。然后将卵清蛋白用 戊二醛偶联于该基质，装柱后亲和纯化小鼠抗卵清蛋白抗体，结合酶联免疫分析 法检测洗脱液中的抗体含量，显示出良好的亲和层析效果。杨越冬 5 0 】提出用壳 聚糖作为富集剂，以二甲酚橙为柱前衍生试剂，六次甲基四胺为离子试剂的高效 液相色谱光度法，快速分离测定海水中痕量n i 2 十、z n 2 + 、c u 2 + 的新方法。n i 2 + 、 z n 2 + 和c u 2 + 的回收率分别达到1 0 4 o 、9 8 7 和9 6 7 ，方法灵敏度高，选择性好， 其检出限( n g l ) 分别为2 5 o 、0 3 、3 3 0 ；韩肃等f 5 1 】采用壳聚糖改性层析纸，实现了 纸色谱法分离过渡金属离子f e 3 + 、c u 2 + 、c 0 2 + 、n i 2 + 贵金属离子0 s 4 + 、p d 2 + 、r h 3 + o 郑弛大学硕士学位论文 和氨基酸，取得了较好的分离效果及重现性。 壳聚糖及其衍生物是2 l 世纪的新材料，它对人类社会的发展与进步有着巨 大的作用。其理由：一是甲壳素是地球上仅次于纤维素的第二大生物资源，年生 物合成量高达1 0 0 亿吨，可以说是用之不竭的生物资源。二是全球多数沿海国家 在研究开发壳聚糖，每年发表的论文报告上万篇，有的国家平均每3 天就申报一 项壳聚糖应用专利，壳聚糖已是一种内涵丰富，前景广阔的全球化和高新技术化 的物质，已成为世人瞩目的前沿科学领域。三是壳聚糖的商业产品已遍布全球， 其应用领域己拓展到工业、农业、环境保护、国防、人民生活等各个方面，与所 不包。四是人类创造了现代文明，同时也不破坏了自然生态平衡，人类赖以生存 的自然环境曰益恶化。我们面对的主要疾病是肿瘤、心脑血管和糖尿病之类的慢 性病。对这些疾病，细胞保护与细胞调节的食物比杀伤性药物更具有应用前景。 壳聚糖是目前自然界唯一发现的带正电荷的食物纤维，具有现今食物不具备的生 理功能，被誉为人体健康所必需的第6 生命要素。这对于解决困扰人类社会已久 的“现代文明病”，保障人类健康，提高人类的生存发展具有重大的意义。五是 壳聚糖是一种环保纤维源，它具有无毒、无味、耐晒、耐热、耐腐蚀，而且不怕 虫蛀和碱的浸蚀，可生物降解，有望成为塑料的替代物，不仅可以解除人类所面 临的“白色污染”，而且可以消除人体内外环境所面临的有害物质对人体的威胁， 实现经济社会的可持续发展。 2 研究目的、设计思路与主要内容 在查阅了大量国内外相关文献的基础上，可以看出人们对壳聚糖的研究热点 在对壳聚糖的改性上。基于以上分析，本文制备出一系列新型的壳聚糖功能化衍 生物，对其结构及进行研究，并探讨其在固定化载体，色谱固定相，絮凝剂方面 的应用前景。 ( 1 ) 水处理方面，壳聚糖衍生物具备优异的絮凝性能，为进一步改善功能及 应