雙醛殼聚糖的制備及其還原銀納米顆粒的研究

喬家鈺，王 浩，劉 琰

(安徽農業大學輕紡工程與藝術學院，安徽合肥 230036)

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雙醛殼聚糖的制備及其還原銀納米顆粒的研究

喬家鈺，王 浩，劉 琰

(安徽農業大學輕紡工程與藝術學院，安徽合肥 230036)

高碘酸鈉氧化殼聚糖制得的雙醛殼聚糖可將硝酸銀還原生成銀納米粒子，而未經氧化的殼聚糖不能將硝酸銀還原成納米銀單質。對比傳統的水浴加熱氧化和微波輻射氧化制備的雙醛殼聚糖，結果表明微波輻照氧化制備的雙醛殼聚糖具有更好的氧化度和溶解性，而其分子量在氧化過程中下降更明顯，產物顏色變深。通過紫外吸收光譜和透射電鏡對制備的納米銀粒子進行表征，結果表明與水浴加熱氧化相比，微波輻照條件下制備的雙醛基殼聚糖氧化度提高，其還原穩定生成的納米銀粒子分散性和穩定性更好，粒徑控制在30nm～50nm之間。

雙醛殼聚糖 選擇性氧化 銀納米顆粒 微波輻射 氧化度

殼聚糖來源豐富,是地球上僅次于纖維素的第二大生物資源。殼聚糖及其衍生物被廣泛應用在農業、污水處理、紡織印染整理行業、生物醫學、造紙工業、食品工業、化妝品等行業[1]。但由于殼聚糖在水中的溶解性能差，其應用范圍受到一定限制，通常使用化學方法對其進行改性來達到使用的目的[2]。高碘酸鈉可對殼聚糖進行選擇性的氧化裂解，高碘酸鈉氧化殼聚糖可以將殼聚糖的吡喃糖環打開，在C2、C3位置引入雙醛基團，從而制備雙醛基殼聚糖[3]。殼聚糖經氧化后，不僅提高了殼聚糖溶液的溶解性，同時雙醛殼聚糖中的氨基和醛基對金屬離子及納米粒子具有螯合作用[4]。利用雙醛基殼聚糖同時具備還原性和穩定性的特殊性能，可將硝酸銀溶液還原穩定生成納米銀粒子[5]，從而作為抗菌整理劑應用于紡織材料改性[6]。實驗原理如圖1所示：

圖1 雙醛殼聚糖還原穩定納米銀粒子原理

微波輻射能技術具有加熱反應時間短、加熱快且均勻、節能等優點。將其引入到化學反應中，在微波場中產生大量的熱，可大大增加反應物分子之間的碰撞頻率，在極短的時間內反應物可達到活化狀態，有效促進有機反應[7]。本文主要對比研究了傳統水浴加熱和微波輻照兩種不同條件下對高碘酸鈉氧化殼聚糖的影響以及對生成的雙醛基殼聚糖還原穩定納米銀粒子的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗材料：殼聚糖(脫乙酰度90%)；高碘酸鈉、硝酸銀、36%乙酸、無水乙醇等均為分析純，以上試劑均購自國藥集團化學試劑有限公司。

實驗儀器：M1-L213B美的微波爐；UV-4802S型紫外可見分光光度計(上海尤尼柯儀器有限公司)；BS210S全自動光電天平(德國賽多利斯公司)；DZK-K型真空干燥箱(達斯卡特科學器材有限公司)；HWS-12型電熱恒溫水浴鍋(上海一恒科學儀器有限公司)；Vario EL Cube全自動元素分析儀(德國元素分析系統公司)；HT-7700透射電子顯微鏡(日本日立公司)。

1.2 工藝流程

1.2.1 雙醛殼聚糖的制備

稱取一定量的殼聚糖加入到0.5mol/L的乙酸溶液中攪拌2h，使之完全溶解，得到質量分數為2%的殼聚糖溶液。將殼聚糖溶液中加入2g左右高碘酸鈉后在50℃恒溫水浴鍋中避光攪拌反應一段時間，或先將加入高碘酸鈉的殼聚糖溶液放入微波爐中，在320W功率間歇處理5min，取出冷卻后，避光攪拌反應一定時間。最后將兩種氧化反應的殼聚糖溶液加入等體積無水乙醇中止反應，抽濾后得白色沉淀，置于烘箱中40℃烘干得到雙醛殼聚糖。

1.2.2 還原制備納米銀水溶液

將殼聚糖溶液或制備好的不同氧化度的雙醛殼聚糖溶解配制成50mL 0.5%(w/v)的溶液，加入3mL 0.01mol/L的硝酸銀溶液，并不斷攪拌。將上述反應液在80℃的水浴鍋中避光加熱反應6h，溶液逐漸由原來的無色變為黃色，室溫冷卻后，即可得到納米銀水溶液。

1.3 實驗方法

1.3.1 殼聚糖分子量測試

殼聚糖分子量的測定用烏式粘度計，按照稀釋法，用Mark-Houwink方程計算其粘均分子量[8]：

[η] =K·Mα

式中：K=1.81×10-3cm3·g-1，α=0.93

1.3.2 雙醛殼聚糖氧化度測試

利用元素分析儀對未經微波輻照普通氧化或微波輻照氧化制得的雙醛基殼聚糖測定C、N元素的含量，通過公式計算得出雙醛基殼聚糖的氧化度[9]。

式中：FA為殼聚糖原粉中乙酰氨基的含量，FOX為殼聚糖氧化度。

1.3.3 殼聚糖溶解度測試

對比在微波條件下制備雙醛基殼聚糖與不在微波條件下制備雙醛基殼聚糖的溶解度。采取飽和溶液法測量殼聚糖和氧化殼聚糖的溶解度。在25℃下分別配制殼聚糖和氧化殼聚糖的過飽和溶液后，將其在7000r/min下超速離心15min,上清液取出后加入3～5倍乙醇析出殼聚糖或氧化殼聚糖沉淀物,然后將沉淀物在40℃真空中干燥后稱取其質量,最后計算得到溶解度:單位體積水溶液中所含有物質的飽和質量(w/v,%)[10]。

1.3.4 納米銀粒子紫外-可見吸收光譜測試

利用紫外-可見光吸收光譜儀測試所制備的納米銀水溶液在300nm～600nm波長范圍內的紫外吸收光譜,使用石英比色皿，夾縫值為2，測試分辨率為1nm。

1.3.5 納米銀粒子透射電鏡測定

取少量雙醛殼聚糖穩定還原制得的納米銀水溶液滴加到鍍碳膜的銅網上，室溫晾干后，利用透射電鏡在180kV加速電壓下觀察納米銀的形貌和大小。

2 結果與討論

2.1 不同條件制得的雙醛殼聚糖氧化度及分子量的對比

將未經微波輻射普通水浴加熱分別氧化4h、12h的雙醛殼聚糖樣品以及經微波加熱后分別氧化4h、12h的雙醛殼聚糖樣品其氧化度、粘均分子量進行對比，結果見表1：

表1 不同氧化條件制得的雙醛殼聚糖氧化度及分子量的對比

對比表1中1～4號高碘酸鈉氧化殼聚糖樣品可以看出，微波輻照氧化制得的雙醛殼聚糖比普通氧化制得的雙醛殼聚糖的氧化度明顯增加，說明微波輻照具有加速殼聚糖氧化進程的作用，在相同氧化時間內，比傳統的水浴加熱氧化制得的雙醛殼聚糖生成的醛基含量更高。這是由于微波輻射在極短時間內可以使得反應體系中的極性分子運動加劇，增加了高碘酸根對殼聚糖氨基葡萄糖單元中C2上的-NH2和C3上的-OH的攻擊頻率，故微波輻射條件下殼聚糖的氧化度提高。由表1還可以看出，與原殼聚糖相比，殼聚糖經普通水浴加熱氧化4h后，其粘均分子量從56.75×104下降到32.33×104，這主要是由于在氧化反應過程中，殼聚糖部分氨基葡萄糖單元中C2和C3鍵被氧化破壞，分子內和分子間的作用力減弱，同時部分殼聚糖分子主鏈發生過氧化斷裂，因此殼聚糖分子發生較嚴重的降解。而相比未經微波輻射的，微波輻照氧化制得的雙醛殼聚糖分子量下降更為明顯。這是由于在微波作用下，反應物中的極性分子與微波發生率強烈的耦合作用，活化了殼聚糖分子的同時，也削弱了殼聚糖的結晶性和有序結構，在極短的時間內就發生了劇烈降解[11]。隨著氧化時間的延長，普通氧化和微波輻射氧化的雙醛殼聚糖氧化度都不斷增加，同時殼聚糖分子量也不斷下降，兩者之間呈明顯的負相關性。當微波輻射后氧化24h的殼聚糖，其分子量下降到7.13×104，其氧化度最高，可達到38.1%。

此外，由表1可見，隨著制得的雙醛殼聚糖分子量的降低，產物的顏色由淡黃色變為深黃色，顏色不斷加深。

2.2 不同條件制得的雙醛殼聚糖溶解性能對比

將上述的0～4號殼聚糖樣品進行溶解性測試，其結果見表2。

表2 溶解度測試

由于殼聚糖分子鏈上含有大量的羥基、氨基等活性基團，其分子間及分子內都存在較強的氫鍵作用，導致其分子具有較強的結晶性和致密性，因而未氧化殼聚糖的水溶性差。由表2可以看出，殼聚糖經氧化后，其水溶性增加，并隨著氧化時間延長，其水溶性進一步提高。這是由于高碘酸鈉氧化殼聚糖在引入醛基的同時，其氨基葡萄糖單元中C2和C3鍵以及部分殼聚糖分子主鏈均發生斷裂，分子內和分子間的作用力減弱，殼聚糖分子的結晶度下降，分子量降低，分子鏈的柔順性增加[12]，從而增加了殼聚糖的溶解性。氧化4h的雙醛殼聚糖樣品1和樣品3具有一定的溶解性；而隨著反應時間延長至24h時，殼聚糖氧化程度增大，其分子量明顯下降，降解越明顯，氧化殼聚糖的溶解性也隨之進一步增加。由表2還可以看出，對比普通氧化與微波輻照氧化制得的雙醛殼聚糖，微波輻照氧化制得的雙醛殼聚糖的溶解性更好，尤其雙醛殼聚糖樣品4的水溶性達到4.154%，已經具有很好的溶解性能。這主要是由于微波輻射加熱不僅加劇了氧化反應速率，也加快了殼聚糖的降解速率,從而改善了溶解性。由此可見，微波輻射不僅可提高殼聚糖氧化程度，也可以提高其溶解性能，制得的雙醛殼聚糖具有更好的活性和水溶性。

2.3 制備的納米銀粒子紫外吸收光譜分析

納米銀顆粒在紫外-可見光譜中的吸收帶為380nm～450nm之間[13]。圖2是采用上述樣品0～樣品4還原制備的五種不同納米銀溶液分別在390nm～490nm波長處的UV吸收光譜。從圖2中可以看出在該波段，殼聚糖樣品0還原硝酸銀的復合溶液中沒有明顯的吸收峰，說明溶液中沒有納米銀顆粒的生成；而其余雙醛殼聚糖樣品1～樣品4穩定還原硝酸銀的復合溶液均在425nm左右出現了單一的明顯的紫外吸收峰，表明制備的溶液中均有納米銀粒子生成。這是因為雖然殼聚糖的分子上具有較多的活性基團，可以起到穩定納米金屬粒子的作用，但在制備納米粒子過程中還需另加還原劑[6]。而經高碘酸鈉氧化制得的雙醛殼聚糖，引入了醛基基團，使其同時具備了還原性和穩定性，因此在不加任何還原劑的條件下可將銀離子還原成納米銀單質。

圖2 不同條件下還原穩定納米銀粒子的紫外吸收光譜

雙醛殼聚糖樣品1～樣品4還原穩定制得的納米銀粒子溶液在425nm左右的吸收度數值變化情況見圖3。

圖3 不同雙醛殼聚糖還原制備的納米銀吸收值

由圖3可以看出，氧化4h的雙醛殼聚糖樣品1(水浴加熱)和樣品3(經微波輻射加熱)由于氧化度較接近，因此穩定還原生成的納米銀紫外吸收峰值也相近，但吸收峰強度較弱。隨著氧化時間增加，雙醛殼聚糖的氧化度提高，其還原能力增強，因而還原生成的納米銀顆粒吸收峰隨之增加。而相比未經微波輻射氧化24h的殼聚糖樣品2，經微波輻射氧化24h的殼聚糖樣品4具有更強的穩定還原納米銀的能力，其生成的納米銀粒子的吸收峰值最強，表明此氧化度下的殼聚糖更有利于納米銀顆粒的生成。由此可見，雙醛殼聚糖的氧化度對納米銀生成具有重要影響，微波輻射有利于提高納米銀的生成量。

2.4 制備的納米銀粒子透射電鏡分析

(a)樣品0(×10.0K)(b)樣品3(×80.0K) (c)樣品4(×80.0K)

圖4 樣品0、樣品3、樣品4制備的納米銀粒徑分布及形貌

通過透射電鏡觀察生成的納米銀微觀形態。圖4(a)、(b)和(c)分別表示的是未氧化的殼聚糖、經普通水浴加熱氧化殼聚糖以及微波輻射氧化殼聚糖還原硝酸銀制備的3種納米銀粒子TEM照片。由上述樣品0還原硝酸銀的復合溶液紫外吸收光譜分析可知，溶液中沒有納米銀顆粒的生成。如圖4所示，在放大10k倍的電鏡中，圖4(a)可以看到殼聚糖還原硝酸銀的復合溶液中銀離子被包覆形成較大顆粒現象，而沒有看到納米級別的銀粒子分散存在。這與紫外吸收光譜分析結果一致。而在圖4(b)和(c)中2種雙醛殼聚糖還原硝酸銀均得到了納米銀顆粒，且分散較均勻。這是由于氧化殼聚糖的氨基和醛基能提高殼聚糖對金屬銀離子的螯合作用，讓銀離子富集，并在銀離子螯合部位發生原位反應，緩慢還原出的納米銀，因殼聚糖的包裹，也相對穩定。在放大80k倍的視野中，比較圖4(b)和(c)可以看出，在微波輻照條件下制備的雙醛基殼聚糖還原穩定制得的單個納米銀粒子效果更佳。圖4(b)的樣品，單個納米銀粒子分散較均，但粒徑有一定差異，并出現小塊團聚現象，而圖4(c)的樣品，還原生成在納米銀粒子均勻并且粒徑控制30nm～50nm之間，粒徑分布較集中。說明經微波輻射氧化的殼聚糖氧化度較高，生成的醛基含量較多，在醛基和氨基共同作用下，還原制備的納米銀粒子的分散性和穩定性越好。

3 結論

(1)相比傳統的水浴加熱氧化制得的雙醛殼聚糖，微波輻照氧化制備的雙醛殼聚糖具有更高的氧化度和更好的溶解性，而分子量在氧化過程中下降更明顯。

(2)紫外吸收光譜分析可得，未氧化殼聚糖還原硝酸銀的復合溶液中沒有納米銀顆粒的生成。而經高碘酸鈉氧化制得的雙醛殼聚糖在不加任何還原劑的條件下能夠將銀離子還原成銀納米顆粒，且微波輻射氧化殼聚糖有利于提高納米銀的生成量。

(3)透射電鏡分析表明，相對水浴加熱氧化殼聚糖，微波輻照條件下氧化24h制備的雙醛基殼聚糖制得的納米銀粒子分散性和穩定性更好，其粒徑主要集中在30nm～50nm之間。

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Preparation of Dialdehyde Chitosan and Study on Its Reduction for Silver Nanoparticles

QIAOJia-yu,WANGHao,LIUYan

(College of Light Textile Engineering and Art, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)

Dialdehyde chitosan prepared by oxidized chitosan with sodium periodate can reduce the silver nitrate to silver nanoparticles while chitosan without oxidation cannot. The dialdehyde chitosan prepared by water bath heating oxidation and dialdehyde chitosan prepared by microwave irradiationn oxidation were compared, the results indicated that dialdehyde chitosan prepared by microwave irradiationn oxidation had better oxidation degree and water solubility; its molecular weight decreased more obviously in the oxidation process and the color of resulting product became deeper. The silver nanoparticles were characterized by UV absorption spectroscopy and transmission electron microscopy, the results showed that compared with the water bath heating oxidation, the oxidation degree of dialdehyde chitosan prepared by microwave irradiationn oxidation increased, which led to better dispersion and stability of silver nanoparticles generated by its reduction and achieved 30～50nm particle size .

dialdehyde chitosan selective oxidation silver nanoparticles microwave irradiation oxidation degree

2016-07-20

國家級大學生創新訓練項目(201510364019)；安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2016A236)；安徽農業大學“學科骨干培育計劃”項目(2014XKPY-56)。

王浩(1978-)，女，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：紡織新材料和功能紡織助劑。

TS102

A

1008-5580(2016)04-0037-05