硫脲殼聚糖-Cu配合物的制備、表征及其抑菌活性

李小芳，馮小強(qiáng)，楊 聲，李陽春

(天水師范學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，甘肅 天水 741001)

硫脲殼聚糖-Cu配合物的制備、表征及其抑菌活性

李小芳，馮小強(qiáng)，楊 聲，李陽春

(天水師范學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，甘肅 天水 741001)

利用IR、UV、TG-DTA和XRD手段，對合成的硫脲殼聚糖-Cu配合物進(jìn)行表征，研究殼聚糖、硫脲殼聚糖及硫脲殼聚糖-Cu配合物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌性能。結(jié)果表明：硫脲殼聚糖-Cu配合物的抑菌性能優(yōu)于單一的殼聚糖和硫脲殼聚糖。

殼聚糖；硫脲殼聚糖-Cu配合物；抑菌性能

殼聚糖(CS)具有無毒、生物相溶、可降解、抑菌等特性，在醫(yī)學(xué)、食品營養(yǎng)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、輕工業(yè)等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。與一般抑菌劑相比，它具有抑菌活性高、廣譜、殺滅率高和無毒等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。對殼聚糖分子鏈上的氨基和羥基進(jìn)行改性，來達(dá)到增強(qiáng)抑菌性能的目的。硫脲殼聚糖(TUCS)，由于其分子鏈結(jié)構(gòu)中含有大量帶孤對電子的活性基團(tuán)，可與多種金屬離子配位形成金屬配合物，在廢水處理、負(fù)載金屬催化劑等應(yīng)用領(lǐng)域有誘人前景。金屬離子也具有抗炎、殺菌、抗癌、抗凝血等藥理作用和發(fā)光性質(zhì)[5]。將這兩種具有生物活性的物質(zhì)通過共價鍵鍵聯(lián)得到一種新型的目標(biāo)化合物，期望該化合物能發(fā)揮兩者的獨(dú)特性能或協(xié)同效應(yīng)。

本實(shí)驗(yàn)選擇金屬離子Cu2+與TUCS配位，采用FTIR、UV、DG-DTA和XRD分析手段，研究配合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，并對CS、TUCS及TUCS-Cu配合物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌性能進(jìn)行比較研究，旨在為CS及其衍生物的臨床應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖(Mw為50kD，脫乙酰度90%，用體積分?jǐn)?shù)1.0%HAc溶解) 浙江玉環(huán)殼聚糖有限公司；大腸桿菌(E.coli，ATCC 35218)、金黃色葡萄球菌(S.aureus，ATCC 26113)均由天水市中醫(yī)醫(yī)院化驗(yàn)科提供。

硫脲、氯化銅(分析純) 天津化學(xué)試劑公司；乙酸、乙醇、丙酮等其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-9200型紫外可見分光光度計(jì) 北京瑞利分析儀器公司；Spectrum One 3.0傅里葉變換紅外光譜儀、TGDTA分析儀(Pyris Diamond Analyzer) 美國Perkin Elmere公司。

1.3 方法

1.3.1 TUCS的制備

將3.3504g(0.1mol)的硫脲和3.0530g(0.2mol)CS及30mL的無水乙醇加入到三頸燒瓶中，溫度控制在65℃，回流攪拌12h，產(chǎn)物冷卻至室溫，過濾、反復(fù)用乙醇洗滌，將過濾物溶解于100mL的體積分?jǐn)?shù)1%乙酸溶液，加入10g/100mL氫氧化鈉溶液進(jìn)行過濾，收集沉淀，用水洗凈、干燥，得到TUCS[6]。

1.3.2 TUCS-Cu配合物的制備

在裝有0.5g TUCS的錐形瓶中加入40mL體積分?jǐn)?shù)0.5%的乙酸溶液，在水浴振蕩器中振蕩1h，待TUCS充分溶解后，加入一定量的CuCl2溶液，用10%的HCl調(diào)節(jié)pH 4.5，控溫反應(yīng)4h后，加入200mL丙酮溶液析出產(chǎn)物，充分洗滌并過濾，再用無水乙醇充分洗滌、過濾，真空干燥，得到藍(lán)綠色產(chǎn)物[7]。

1.3.3 TUCS-Cu配合物表征

采用KBr壓片法，掃描波數(shù)范圍為400～4000cm-1，測定CS、TUCS及TUCS-Cu的紅外光譜；用體積分?jǐn)?shù)1%乙酸溶解配制1mg/mL的硫脲、CS、TUCS和TUCS-Cu溶液， 于200～500nm波長范圍內(nèi)測定紫外吸收光譜；以α-Al2O3為參比，升溫速率10℃/min，對CS、TUCS、TUCS-Cu進(jìn)行熱力學(xué)分析；采用XRD-6000 粉末衍射儀，X射線，Cu靶，掃描范圍：0～40°(2θ)，電壓40kV，電流30mA。

1.3.4 TUCS-Cu配合物對E.coli和S.aureus抑菌活性

將受試菌種接種于固體瓊脂培養(yǎng)基，37℃活化E.coli 24h，S.aureus 活化48h。將活化后的受試菌種用接種環(huán)挑取菌苔于生理鹽水中，制成菌懸液備用。取直徑6mm已滅菌的圓濾紙片浸泡在濃度均分別為10、5、2.5mg/mL的TUCS-Cu、TUCS和CS溶液中。取0.1mL菌懸液涂布在培養(yǎng)基平板上，然后用無菌鑷子夾取浸泡過的圓濾紙片貼于培養(yǎng)皿中，每皿貼5片。以1.0%的HAc溶液作為空白對照。37℃恒溫培養(yǎng)24～48h，測定抑菌圈直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 TUCS-Cu配合物表征

2.1.1 紅外光譜

CS、TUCS和TUCS-Cu的紅外光譜如圖1所示。CS中位于3446cm-1左右的N-H，O-H締合峰形，改性后發(fā)生位移且峰形變窄；CS原位于1664cm-1處較強(qiáng)的酰胺吸收峰和1599cm-1左右的-NH2面內(nèi)彎曲振動吸收峰[8]，在TUCS中分別位移至1638cm-1和1616cm-1處，峰形變窄；且TUCS在1493cm-1處出現(xiàn)弱的新峰，表明在CS結(jié)構(gòu)中的-NH2引入硫脲基團(tuán)[9]。與TUCS相比，TUCS-Cu的紅外光譜在848、916、950、990cm-1出現(xiàn)新的吸收峰，歸屬為S-Cu伸縮振動峰。

圖1 CS、TUCS和TUCS-Cu的紅外光譜Fig.1 IR spectra of chitosan, thiourea chitosan and thiourea chitosan copper

2.1.2 紫外光譜

圖2 CS、硫脲、TUCS、TUCS-Cu的紫外光譜Fig.2 UV spectra of chitosan, thiourea, thiourea chitosan and thiourea chitosan Cu (II)

CS、硫脲、TUCS、TUCS-Cu的紫外光譜如圖2所示。CS、硫脲分別在224.50、253nm有吸收峰，合成的TUCS在235nm有一吸收峰，與CS、硫脲相比吸收峰位置發(fā)生了變化，表明合成了TUCS。TUCS與金屬銅離子發(fā)生配位后，在234nm有一強(qiáng)吸收峰，這是由于TUCS-Cu中氮、氧的孤對電子發(fā)生n→σ*躍遷和π→π*躍遷，導(dǎo)致電子光譜發(fā)生的變化所致。

2.1.3 差熱-熱重分析

CS、TUCS和TUCS-Cu的TG-DTA數(shù)據(jù)如表1所示。CS的降解分為兩個階段[10]：第一個階段在80℃開始，失重率7.6%，主要是失去水分子；第二個階段失重在250℃開始，到600℃失重達(dá)最大， 在284℃有一強(qiáng)的放熱峰，TG曲線上表現(xiàn)為一個顯著的失重變化。TUCS熱分析表明，隨著失重的進(jìn)行，差熱曲線出現(xiàn)多個放熱峰，是TUCS分解、氧化、燃燒的結(jié)果。在98.2～150℃之間有明顯失重并伴有2個低矮的放熱峰，失重率達(dá)10.9%，當(dāng)溫度升至250℃左右有一強(qiáng)的放熱峰，峰形尖而高，與之相應(yīng)的熱重線又有明顯的失重拐點(diǎn)。這是由于TUCS減弱了殼聚糖分子的規(guī)整度和氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而降低了殼聚糖的結(jié)晶程度，導(dǎo)致分解溫度降低；對于TUCS-Cu，當(dāng)溫度升至270℃左右有一強(qiáng)的放熱峰，峰形尖而高，與之相應(yīng)的熱重線又有明顯的失重拐點(diǎn)?？赡苁怯捎赥UCS與Cu2+配位后，其分子內(nèi)的氫鍵結(jié)合被破壞，結(jié)晶度發(fā)生改變，熱穩(wěn)定性減小。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變化表明，TUCS與金屬離子配合后，分子中不同金屬離子與含有孤對電子的活性基團(tuán)-NH2、-OH的配合作用，不僅改變了聚合物的部分化學(xué)鍵性質(zhì)及其原子之間的相互作用， 必然要改變它們的穩(wěn)定的空間構(gòu)象[11]，進(jìn)而此次級轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變溫度略有降低，它們的不穩(wěn)定性是由于缺少自由的氨基，在制備衍生物時氨基被取代，而CS因其有自由的氨基而更穩(wěn)定[12]。

表1 CS、TUCS和TUCS-Cu的TG-DTA數(shù)據(jù)Table 1 TG-DTA data of CS, TUCS and TUCS-Cu

2.1.4 X射線衍射

圖3 CS(a)、TUCS(b)和TUCS-Cu (c)的X射線衍射譜圖Fig.3 XRD of chitosans, thiourea chitosan and thiourea chitosan Cu (II) complex

圖3為CS、TUCS和TUCS-Cu的X射線衍射譜圖。CS在2θ為10.4°和19.8°處出現(xiàn)2個特征衍射峰[13]，呈現(xiàn)“L-2 polymorph”晶型衍射圖。TUCS在這兩處的衍射峰強(qiáng)度顯著減弱，是由于TUCS減弱了CS分子的規(guī)整度和氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而降低了CS的結(jié)晶程度。TUCS-Cu在10.4°和19.8°處的衍射峰幾乎消失，在16°出現(xiàn)新的衍射峰，表明有規(guī)則的結(jié)晶相形成[14]。

2.2 抑菌實(shí)驗(yàn)

抑菌圈直徑越大，說明該抑菌劑對此種供試菌的抑制效果越好，反之則抑制效果越差。不同質(zhì)量濃度CS、TUCS和TUCS-Cu對E.coli和S.aureus對應(yīng)的抑菌圈直徑見表2、3。以1.0%HAc溶液作為空白對照，對E.coli和S.aureus的抑菌圈均為0.65cm。

表2 CS、TUCS和TUCS-Cu對大腸桿菌的抑菌作用Table 2 Inhibition zone diameters of CS, TUCS and TUCS-Cu complex against E. coli

表3 CS、TUCS和TUCS-Cu配合物對金黃色葡萄球菌的抑菌作用Table 3 Inhibition zone diameters of CS, TUCS and TUCS-Cu complex against S. aureus

由表2、3可知，CS、TUCS和TUCS-Cu作用E.coli和S.aureus后，均具有明顯的抑菌圈，且隨著樣品質(zhì)量濃度的增加，與對照組相比抑菌圈的直徑逐漸增加；TUCS-Cu的抑菌圈直徑比單一的CS、TUCS顯著增大，說明TUCS-Cu對E.coli和S.aureus的生長有較好的抑制作用。

金屬銅離子可稱為“超級酸”。TUCS和金屬銅離子配位后，雖然一定程度上破壞了結(jié)構(gòu)中的-NH2的陽離子化，使消毒因子-NH3+減少，但分子表面正電荷密度增加，從而增強(qiáng)了聚陽離子吸附到帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面的能力[15]，并且Cu2+具有較多的核外電子和較小的離子半徑，與TUCS結(jié)合作用很強(qiáng)，具有高電子密度的銅配合物更容易和細(xì)菌表面作用進(jìn)而顯示更強(qiáng)的抑菌效果。且Cu2+也具很強(qiáng)的抑菌性能，故TUCS-Cu配合物的抑菌性能較CS、TUCS遠(yuǎn)遠(yuǎn)增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

利用IR、UV、TG-DTA和XRD手段，對合成的TUCS-Cu(II)配合物進(jìn)行了表征。抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TUCS-Cu配合物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性能優(yōu)于單一的CS、TUCS。

參考文獻(xiàn)：

由上述中考題型不難看出，中考“名著閱讀”依然偏愛“重點(diǎn)情節(jié)”。那么怎樣組織有效復(fù)習(xí)讓學(xué)生更好把握重點(diǎn)情節(jié)呢？筆者認(rèn)為，橫讀局部，以人物為線，整合重點(diǎn)情節(jié)。

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Preparation, Characterization and Antibacterial Activity of Thiourea-chitosan -copper (II) Complex

LI Xiao-fang，F(xiàn)ENG Xiao-qiang，YANG Sheng，LI Yang-chun
(College of Life Science and Chemistry, Tianshui Normal University, Tianshui 741001, China)

Thiourea-chitosan-copper (II) complex was prepared, characterized by FT-IR, UV-visible spectroscopy, XRD and TG-DTA. The antibacterial activities of chitosan, thiourea-chitosan and thiourea-chitosan-copper (II) complex against E. coli and S. aureus were investigated. Results showed that the antibacterial activity of thiourea-chitosan-copper (II) complex was obviously enhanced when compared with chitosan.

chitosan；thiourea-chitosan-Cu (II) complex；antibacterial activity

O627.81

A

1002-6630(2011)07-0057-04

2010-06-03

甘肅天水師范學(xué)院物理無機(jī)化學(xué)重點(diǎn)學(xué)科基金項(xiàng)目(ZD0840)；天水師院中青年教師科研資助項(xiàng)目(TSA1003)

李小芳(1983—)，女，助教，碩士，主要從事天然高分子活性研究。E-mail：lix_f06@lzu.cn