殼聚糖及其降解產物黏均分子質量的測定

寇曉亮，王 琛

(西安工程大學紡織與材料學院, 西安 710048)

殼聚糖是一種十分豐富的海洋資源，是一種很有發展前途的高分子材料，被科學家譽為第六生命要素。殼聚糖及其衍生物，由于其獨特的性能，在紡織、印染、食品、化工、醫藥、農業等方面得到了廣泛的應用。殼聚糖特有的分子結構,使其對許多類型的染料(活性染料、直接染料等)具有極高的吸附力，可用于提高織物上染率和印染廢水處理等。殼聚糖的應用性能與分子質量密切相關，例如，不同分子質量的殼聚糖作為棉織物染色增深劑的作用效果是不同的，因此，測定殼聚糖的分子質量，對于殼聚糖的應用十分重要[1]。黏度法測定高聚物分子質量是一種常用方法。一定濃度殼聚糖溶液，它的黏度直接反映了殼聚糖的分子質量，在其他因素固定不變的情況下，殼聚糖相對分子質量越高，其溶液的黏度就越大，相對分子質量越低，黏度就越小。這就是黏度法測定殼聚糖分子質量的原理[2]。本文沒有采用毒性很大的苯作為溶劑體系，采用CH3COOH-NaCl溶劑體系[3]測定殼聚糖及其降解物的分子質量。該方法原料處理簡單，儀器易于清洗，實驗數據重現性好。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

烏氏黏度計一支(0.5 ～0.6 mm)； 恒溫水槽一套(包括：電動攪拌器、繼電器、溫度計、調壓器、加熱器)秒表一塊； 3#砂芯漏斗兩個。

經乙酸溶解、沉淀提純后的殼聚糖(脫乙酰度85%)； 冰乙酸、氯化鈉均為分析純。

1.2 殼聚糖降解物的制備

采用降解體系為2% 的殼聚糖的4% 乙酸溶液，用攪拌器攪拌至呈均相狀態，在超聲波條件下滴加一定量的H2O2，超聲波溫度控制在40 ℃。降解持續180 min，用氫氧化鈉將殼聚糖沉淀出來，用丙酮洗滌、再水洗，真空低溫烘干。

1.3 測分子質量實驗步驟

1.3.1 測定溶劑流出時間

將恒溫水槽調至(250.1)℃，在黏度計(圖1)B、C管上小心地接上醫用橡皮管，用鐵夾夾好黏度計，放入恒溫水槽，使毛細管垂直于水面，使水面浸沒a線上方的球。用移液管從A注入10 ml經砂芯漏斗過濾的溶劑(0.1 mol·L-1乙酸-0.2 mol·L-1氯化鈉溶液)恒溫10 min后，用夾子夾住C管橡皮管使其不通氣，而將接在B管的橡皮管用洗耳球抽氣，使溶劑吸至a線上方的球一半時停止抽氣。先把洗耳球拔下，而后放開C管的夾子，空氣進入D球，使毛細管內溶劑和A管下端的球分開。這時水平的注視液面下降，用秒表記下液面流經a線和b線的時間，此即為t0，重復三次以上，誤差不超過0.2 s。取其平均值做t0。然后將溶劑倒出，黏度計烘干。

圖1 烏氏黏度計

1.3.2 溶液流出時間的測定

精確稱取一定量的殼聚糖或其降解物，用0.1 mol·L-1CH3COOH-0.2 mol·L-1NaCl溶劑配成一定濃度的溶液，此樣品溶液的濃度為C0，此溶液經砂芯漏斗過濾，用移液管吸取10 mL溶液注入黏度計，黏度測定與溶劑相同。測定溶液流出時間為t1。然后再移入5 mL溶劑，這時黏度計內溶液的濃度為原來的2/3，將其混合均勻，并把溶液吸至a線上方的球一半，洗兩次，再用同樣方法測定t2。同樣操作，再依次加入5 mL、10 mL、10 mL溶劑，這時黏度計內溶液

的濃度分別為原來的1/2、1/3、1/4，用同樣方法測得t3、t4、t5[4-5]。

1.3.3 數據處理

2 結果處理與結論

2.1 結果處理

按實驗步驟中公式計算出未降解的殼聚糖和降解180 min的殼聚糖的相關數據，結果如表1、表2和圖2、圖3所示。

表1 未降解殼聚糖黏度測定數據表

表2 降解180 min的殼聚糖黏度測定數據表

圖2 未降解殼聚糖溶液lnηr/C-C及ηsp/C-C圖

圖3 降解180 min的殼聚糖溶液lnηr/C-C及ηsp/C-C圖

2.2 結論

(1)由圖2、圖3可知，未降解殼聚糖[η]為407.6，然后按公式計算得出分子質量約為5.7×105。降解180 min的殼聚糖[η]為26.0，按公式計算得出分子質量約為2.9×104。

3 影響黏度法測定殼聚糖分子質量的因素

3.1 烏氏黏度計尺寸大小的影響

常用毛細管黏度計有烏氏、奧氏、品氏和逆流式等幾種，測量分子質量一般選用烏氏黏度計。烏氏黏度計是高分子科學研究和高分子材料工業生產領域中使用最廣泛的表征高聚物稀溶液性質和高聚物分子質量的儀器。有人在研究了流出時間對動能修正項影響的同時，也提出了合理的黏度計設計尺寸。一般認為毛細管半徑對動能修正的影響最大，毛細管較細的黏度計可以大大降低動能修正項的影響，但黏度計的毛細管也不宜過分細小，否則不但測定時間過長，且毛細管洗滌困難，易于堵塞。一般市場上出售的烏氏黏度計，流出體積約4～5 mL，毛細管長度在10～14 cm，變化都不大，但毛細管直徑可從0.2 mm到1.6 mm，變化范圍較大。使用時應根據實際情況選擇適當規格的黏度計。由于本實驗開始使用直徑為0.93 mm，測出溶劑的流出時間太短，改用毛細管直徑較小的黏度計，直徑在0.5～0.6 mm范圍。

3.2 溶液濃度的選擇與配制

隨著溶液濃度的增加，殼聚糖分子鏈之間的距離逐漸縮短，因而分子間作用力增大．當溶液濃度超過一定限度時，高聚物溶液的lnηr/C或ηsp/C與C不成線性關系。通常選用ηr在1.2～2.0濃度范圍。有時盡管濃度的配制相當準確，在其它實驗條件合理的情況下，測出殼聚糖的相對分子質量仍然誤差很大。這主要與所用烏氏黏度計的類型有關。常用的烏氏黏度計除了典型的一次只能測一種濃度的黏度計外，還有一種就是稱為稀釋型的烏氏黏度計，其最大的優點在于貯液球體積增大(約50 mL)，便于在球內稀釋被測液體，以便測試不同濃度液體的黏度。使用稀釋型烏氏黏度計可大大省去常規烏氏黏度計每次測完一個濃度必須用待測液潤洗的麻煩，且烏氏黏度計的洗滌和潤洗也不像普通的玻璃儀器那樣易于操作，稍有不慎就可使配制準確的一系列溶液的濃度改變，導致作圖時引起較大誤差。因此在實驗中盡量使用稀釋型烏氏黏度計，便于直接在貯液球內稀釋被測液體，減少由于稀釋溶液引起的濃度誤差。

3.3 恒溫槽控溫精度的影響

測試溫度對高聚物溶液黏度的測定特別敏感。有人作過溫度對聚酯切片黏度測定影響的實驗，實驗結果表明，特性黏度值隨溫度升高而下降。一般而言，溫度上升0.01 ℃黏度不受影響； 溫度上升0.02 ℃，特性黏度下降0.004； 溫度上升0.05 ℃，特性黏度下降0.011； 如溫度上升0.08 ℃，特性黏度則下降至0.021，該值對高聚物相對分子質量的計算已產生明顯的偏差。由此可見溫度參數直接影響黏度的大小，故必需嚴格控制溫度精度范圍，測定結果才有可靠保證。作為高聚物的殼聚糖也是如此，溫度對其溶液黏度測定影響很大。ISO12228規定黏度法測定相對分子質量的恒溫槽的控溫精度為±0.05 ℃，而學生實驗中所用恒溫槽的最小波動范圍為±0.1 ℃，顯然恒溫槽的控溫精度也在很大程度上影響實驗的測定結果。

4 結語

雖然黏度法測定殼聚糖分子質量的方法并不復雜，但為保證測試結果的正確性，必須嚴格把握好實驗各個環節，盡量避免誤差。很多其他因素的影響也不可忽視，如殼聚糖樣品的稱量； 黏度計尤其是毛細管部分的清洗； 測定黏度時黏度計的垂直程度； 目視標線時的水平情況； 計時器按動速度以及外界的震動等等。總之，只有將實驗各環節的誤差減至最小，才能保證測量出的高聚物相對分子質量的可靠與可信度[6]。

[1]賀嵐，白海紅，艾有年. 黏度法測定殼聚糖分子量的一些體會[J]. 中國衛生檢驗雜志，2001,11(5):631-632.

[2]唐振興, 石陸娥, 易喻. 殼聚糖及其降解物分子量的測定[J].化工技術與開發，2004，33(6):38-39.

[3]趙立明, 全哲山, 金海善，等. 殼聚糖黏均分子質量的測定[J].延邊大學醫學學報，2005，28(1)：36-37.

[4]劉建平，趙玉斌. 高分子科學與材料工程實驗[M]. 北京：化學工業出版社，2005：40-44.

[5]何平笙，楊海洋，朱平平，等. 高分子物理實驗 [M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，2002：95-101.

[6]王亞珍，林雨露，吳天奎. 黏度法測高聚物相對分子量實驗成敗探討[J]. 江漢大學學報, 2004, 32(4): 59-60.