離子液體功能化磁性納米顆粒的制備及其茶多酚吸附性能研究

羅 琴， 賈廣成， 楊金漆， 高海瑩， 陳鵬飛， 陳祥貴， 何紹志

(1. 西華大學食品與生物工程學院，四川 成都 610039; 2. 新疆維吾爾自治區計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830011;3. 四川省食品檢驗研究院，四川 成都 611731)

0 引 言

茶多酚（TP）是茶葉中最重要且含量最高的生物活性成分，其不僅是一種新型的天然抗氧化劑，還具有明顯的抗腫瘤、抗輻射、降低血糖、血脂和膽固醇、預防心血管疾病和提高機體免疫力等藥理功能[1-2]，因而廣泛用于保健和醫療領域。目前獲取茶多酚的主要途徑仍是從茶葉中直接提取，工業上一般采用溶劑提取法和金屬離子沉淀法[3]，但前者生產周期長、產品純度低、操作安全風險高；而后者雖然產品純度可高達95%，但得率較低、且金屬離子后處理負擔較大。近年來，愈來愈多的新方法和技術被應用于茶多酚的提取，其中離子液體作為一種“綠色可設計”溶劑[4-5]而受到研究者們的關注，萬常等[6]采用 BMIMBr 取代傳統有機溶劑，并以微波輔助的方式顯著提高了普洱茶茶多酚的提取率，然而離子液體的蒸氣壓較低且粘稠性高，導致其難以回收。Zhang等[7]將咪唑類離子液體鍵合在球形SiO2材料表面制備了一種固定化離子液體并成功用于茶多酚的吸附分離，盡管其實現了離子液體的固液分離，但該法需要進行裝柱，操作復雜耗時。鑒于茶多酚在大健康產業中的良好應用前景和亟待解決的分離提取現狀，有必要探索新型的茶多酚提取分離方法。

作為固相萃取的一種新模式，磁性固相萃取以功能化磁性納米材料作為萃取劑的一種分散固相萃取技術。在萃取過程中，磁性納米萃取劑無需裝柱，而是直接分散至樣品溶液或懸浮液中以與目標物質發生作用。在萃取過程后，利用外加磁場即可實現吸附有目標物質的萃取劑與樣品分離，操作方便快捷[8]。因此，基于上述磁性固相萃取技術的優點和離子液體在茶多酚萃取中的應用潛力，本研究擬選用磁性四氧化三鐵納米顆粒作為磁性內核，咪唑類離子液體作為功能化的表面修飾成分制備一種新型磁性萃取劑并對其結構性能進行表征，在此基礎上，將其用于茶多酚的吸附萃取，采用單因素實驗對靜態吸附條件進行優化，并進一步對該吸附過程的熱動學進行研究以明晰其吸附機理，期望本研究可為建立新型的茶多酚分離方法提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

納米四氧化三鐵 (≤30nm)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB, 99%)、硅酸四乙脂(TEOS, 98%)、γ-氯丙基三甲氧基硅烷、1-甲基咪唑 (99%)、L-脯氨酸(99%) (阿拉丁)，鹽酸、無水乙醇、氨水、乙腈 (科龍化工)、茶多酚 (98%, 源葉生物)。

Spectrum two型傅里葉變換紅外光譜儀 (Perkin Elmer)；Merlin compact-61-78型掃描電子顯微鏡(ZEISS)；Versalab型振動樣品磁強計(Quantum Design)；Bruker D8型X-射線衍射儀 (Bruker)；ZEN-3600型納米粒徑電位分析儀 (Malvern)。

1.2 離子液體功能化磁性納米顆粒的制備

1.2.1 磁性介孔二氧化硅納米顆粒的制備

參照Chen[9]等的方法首先制備了SiO2修飾的Fe3O4納米顆粒（Fe3O4@SiO2）, 將1 g Fe3O4@SiO2超聲分散到乙醇/水（400 mL/140 mL）溶液中，再加入0.1 g CTAB和20 mL TEOS，80 ℃攪拌反應12 h后，磁分離并用乙醇洗滌，將洗滌后的產物分散到100 mL乙醇中，加入0.6 g硝酸銨， 80 ℃回流反應24 h后，磁分離并用乙醇洗滌，50 ℃真空干燥得到磁性介孔二氧化硅納米顆粒（Fe3O4@SiO2@SiO2）。

1.2.2 離子液體功能化磁性納米顆粒的制備

參考Zhang[7]等的方法，首先將偶聯劑γ-氯丙基三甲氧基硅烷（0.1 mol）與1-甲基咪唑（0.12 mol）進行取代反應，將得到的產物溶解于乙醇中，采用強堿性陰離子樹脂進行離子交換，待流出液的pH值大于10后，將流出液逐滴滴入裝有脯氨酸（0.06 mol）的圓底燒瓶中，待脯氨酸完全溶解后，常溫攪拌反應8 h。減壓蒸餾回收乙醇。用20 mL乙腈溶解產物，劇烈攪拌后，放置在0 ℃下冷卻，析出過量脯氨酸。快速過濾除去過量的脯氨酸固體，回收溶劑后得淡黃色粘稠液體。產物置于50 ℃真空干燥箱干燥12 h。

準確稱取1.0 g Fe3O4@SiO2@SiO2，超聲分散在50 mL乙腈中，將離子液體溶于10 mL乙腈中，在N2氛圍下，逐滴加入上述混合液中，78 ℃下回流反應10 h，磁分離并依次用蒸餾水、乙醇進行洗滌，50 ℃真空干燥后得到離子液功能化磁性納米顆粒（Fe3O4@SiO2@SiO2@IL）。

1.3 茶多酚吸附實驗

1.3.1 茶多酚靜態吸附實驗

稱量一定質量的Fe3O4@SiO2@SiO2@IL，加入具有一定體積、pH和初始濃度的TP溶液，放入恒溫振蕩箱（200 r/min）內，在恒定溫度下進行吸附實驗，在一定時間后，取上清液稀釋至合適濃度，用紫外-可見分光光度法測溶液在273 nm處的吸光度，然后根據標準曲線（y= 18.189x+ 0.001 3，r2=0.999 1）方程計算，得到吸附后溶液中殘留的茶多酚濃度，計算得到溶液中剩余茶多酚濃度后，進而根據下式計算得到吸附劑的吸附量：

式中：V——被吸附溶液體積， mL；

C0——溶液吸附前濃度，mg/mL；

C1——吸附后剩余的濃度，mg/mL；

m——吸附劑用量，g；

qe——吸附劑吸附量，mg/g。

1.3.2 茶多酚吸附動力學實驗

準確稱量Fe3O4@SiO2@SiO2@IL 40 mg于具塞試管中，分別加入濃度為1 mg/mL、2 mg/mL、3 mg/mL TP溶液10 mL，在30 ℃恒溫震蕩搖床（200 r/min）下進行吸附，間隔一定的時間測溶液中未吸附茶多酚的濃度，計算出單位吸附量并確定動力學曲線。進而分別采用準一級動力學方程（式(2)）和準二級動力學方程（式(3)）對該吸附過程進行動力學擬合[10]。

式中：k1、k2——一、二級吸附速率常數，min–1；

t——吸附時間，min；

qe——吸附平衡時對TP的吸附量，mg/g；

qt——時間為t時TP的吸附量，mg/g。

1.3.3 茶多酚吸附熱力學實驗

精確稱量磁性納米吸附材料于具塞試管，將其分為三組。分別加入10 mL初始濃度不同的茶多酚溶液（0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mg/mL），接著分別在25 ℃、35 ℃和45 ℃條件下，恒溫吸附直至達到平衡，測量吸附后溶液中剩余TP的濃度。應用Langmuir（式(4)）和Freundlich（式(5)）等溫方程對該吸附過程進行熱力學擬合[10]。

式中：qe——吸附達到平衡時對TP的吸附量，mg/g；

Ce——吸附達到平衡時剩余TP的濃度，mg/L；

n——吸附過程經驗常數；

qm——吸附達到平衡時的最大吸附量，mg/g；

Kf——Freundlich等溫平衡常數。

2 結果與討論

2.1 離子液體功能化磁性納米顆粒的表征

采 用SEM-EDS對Fe3O4@SiO2@SiO2@IL的形貌結構進行表征，如圖1所示，EDS結果中出現的N元素說明了離子液體成功接枝在磁性納米顆粒的表面，且各元素的質量百分占比為：C 10.28%，N 0.63%，O 29.34%，Si 32.08%，Fe 27.68%。制備的離子液體功能化磁性納米顆粒主要呈橢球形，平均粒徑在90 nm左右。可以看到，由于接枝了離子液體，納米顆粒的表面較為粗糙且凹凸不平（見圖1）。

圖1 Fe3O4@SiO2@SiO2@IL的SEM-EDS結果

采用X-射線衍射儀（XRD）和傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）對所制備的磁性納米顆粒的結構進行表征。XRD結果見圖2，Fe3O4@SiO2@SiO2@IL與Fe3O4磁性納米顆粒的圖譜均可以觀察到6個明顯 的 特 征 衍射峰，分 別 位 于2θ = 30.1°（220），35.5°（311），43.1°（400），53.4°（522），57.0°（511）和62.6°（440），與粉末衍射標準聯合委員會（JCPDS）粉末衍射標準卡（JCPDS No. 85-1 436）上Fe3O4的特征峰值非常接近[9]，說明在離子液體功能化的過程中并未改變Fe3O4磁性納米顆粒的晶型，僅僅是由于表面接枝了非磁性物質使得對應特征吸收峰處的衍射強度有所降低。

圖2 Fe3O4納米顆粒和Fe3O4@SiO2@SiO2@IL的XRD圖譜

從FT-IR結果中可以看出，在Fe3O4@SiO2@SiO2（見圖3中a）表面接枝了離子液體后出現了一系列新的特征吸收峰（見圖3中b），其中2 922 cm–1和2 853 cm–1為甲基 C-H 的不對稱和對稱伸縮振動峰；1 728 cm–1為羧酸羰基C=O的特征峰；1 570 cm–1為咪唑環 C=N的伸縮振動峰，可以作為離子液體甲基咪唑陽離子片段的特征峰[7]。

圖3 Fe3O4@SiO2@SiO2和Fe3O4@SiO2@SiO2@IL的 紅外光譜圖

采用振動樣品磁強計對Fe3O4納米顆粒、Fe3O4@SiO2@SiO2和Fe3O4@SiO2@SiO2@IL的 磁性性能進行表征，其在300 K 下的磁滯回線如圖4所示。從圖中可以看出，所有磁性納米顆粒的磁滯回線均呈S形，質量比剩余磁化強度和矯頑力均極小，顯示出典型的超順磁特性[11]。Fe3O4納米顆粒、Fe3O4@SiO2@SiO2和Fe3O4@SiO2@SiO2@IL的 飽和磁化強度分別為68.98 emu/g、51.13 emu/g和49.68 emu/g。不難發現，經過修飾后的磁性納米顆粒由于含有一定量的非磁性物質，導致其單位質量的飽和磁化強度有所降低，這也說明了磁性納米顆粒的制備是成功的。

圖4 Fe3O4納米顆粒、Fe3O4@SiO2@SiO2和Fe3O4@SiO2@SiO2@IL在300 K下的磁滯回線

2.2 離子液體功能化磁性納米顆粒對茶多酚的吸附性能研究

2.2.1 吸附條件優化

通過單因素實驗對吸附過程中的主要影響因素（包括：吸附時間、茶多酚初始濃度、固液比、pH、吸附溫度（在熱力學部分進行討論））進行了優化，結果如圖5所示。隨著吸附時間（圖5(a)）的逐漸增加，吸附量呈上升趨勢，且在吸附的初始階段，由于活性結合位點較多，吸附速率較快，之后開始變得緩慢，最終在30 min后達到吸附飽和。由圖5(b)可以發現，隨著樣品溶液初始濃度的增加，吸附劑的飽和吸附量也逐漸增加，在達到3 mg/mL時，吸附量達到飽和。這可能是由于在茶多酚濃度較低時，濃度差是吸附傳質過程中的主要推動力，濃度差增大促進了吸附，而在濃度達到3 mg/mL時，吸附劑表面活性位點數量起主要作用，吸附劑的總量未發生變化，因而達到了平衡。

圖5 吸附時間、茶多酚初始濃度、固液比及pH對茶多酚吸附量的影響

隨著吸附劑用量的增多，其活性位點逐漸增多，因此吸附量逐漸增大（圖5(c)），而隨著吸附劑用量的繼續增加，顆粒間可能會發生干擾沉降作用，導致吸附劑發生沉降團聚而使得吸附位點減少，導致了吸附量的顯著下降。從圖5(d)可以發現，溶液pH的變化對吸附過程的影響較小，說明靜電作用并不是吸附過程的主要驅動力，Zeta電位的測試結果（見圖6）也證明了這一結果，在實驗的pH范圍內，磁性納米顆粒的表面電位較低，難以發生較強的靜電作用。

圖6 Fe3O4@SiO2@SiO2@IL在不同pH條件的Zeta電位值

根據單因素實驗優化的最佳吸附條件為：吸附時間30 min、茶多酚溶液初始濃度為3 mg/mL、吸附固液比40∶10 mg/mL、pH 6.5，吸附溫度 45 ℃。在此條件下對茶多酚的最大吸附量為213.99 mg/g。作為對比，測定了此條件下Fe3O4@SiO2@SiO2對茶多酚的吸附量為75.21 mg/g，明顯發現在進行表面離子液體功能化后，磁性納米顆粒的吸附萃取能力明顯提高，這可能是由于表面的離子液體能夠通過疏水作用、氫鍵作用等作用力與茶多酚發生結合[7]。

2.2.2 吸附動力學研究

吸附動力學是重要的吸附特性，它可以用來描述吸附過程中吸附速率與時間的關系，不僅為其他的吸附實驗提供吸附所需的平衡時間，而且能夠對吸附的過程進行預測。由實驗結果得到的動力學曲線如圖7所示。

圖7 Fe3O4@SiO2@SiO2對茶多酚的吸附動力學曲線

可以看出，不同濃度下的三條動力學曲線大致趨勢一樣，在前30 min以內，吸附量隨著時間的延長而不斷增加，之后吸附量基本穩定，達到了吸附平衡。以此為基本條件，應用最經典的兩個動力學模型，對于吸附過程進行擬合，擬合參數如表1所示。可知在三個不同的溫度條件下，準二級動力方程離合的相關系數r2均大于采用準一級動力學方程離合的相關系數。由準二級動力學方程算得到的最大理論吸附量qe,cal也與實驗得到的最大吸附量更為接近，這都說明所制備的磁性納米顆粒吸附茶多酚的過程更符合準二級動力學方程的假設，可以更好地對吸附過程進行預測。

表1 準一級和準二級動力學模型的相關參數

2.2.3 吸附熱力學研究

吸附等溫線是表示溶液中吸附質的平衡濃度（Ce，mg/L）對應的吸附量（qe，mg/g）的關系曲線（見圖8），由圖可知，吸附平衡后隨著平衡濃度繼續增大，平衡時的吸附量變化減少，且隨著溫度的升高，平衡吸附量呈增大的趨勢，表明在所測試溫度范圍內，升溫有利于吸附過程。

圖8 不同溫度下（25 ℃，35 ℃和45 ℃）的吸附等溫線

在此基礎上，分別用 Freundlich 和 Langmuir模型對吸附過程進行數據擬合，結果如表2所示，所制備吸附劑在三個溫度下對茶多酚的吸附與Freundlich吸附等溫方程擬合的相關系數r2均大于與 Langmuir吸附等溫方程擬合的相關系數，說明該吸附過程更符合 Freundlich吸附等溫模型，即說明吸附過程是由多個活性位點控制，且1/n的值均小于1，證明吸附過程比較容易進行[12]。

表2 Langmuir和Freundlich模型擬合后的相關參數

3 結束語

本研究以咪唑類脯氨酸離子液體作為修飾成分對磁性介孔二氧化硅納米顆粒進行表面改性而制備了一種新型的磁性吸附劑，并通過掃描電子顯微鏡，傅里葉變換紅外光譜儀，X-射線衍射儀和振動樣品磁強計對其結構性能進行了表征。在此基礎上，對其茶多酚的吸附性能進行了研究，根據單因素實驗優化的最佳吸附條件為：吸附時間30 min、茶多酚溶液初始濃度為3 mg/mL、吸附固液比40∶10 mg/mL、pH 6.5，吸附溫度 45 ℃，此時的吸附量為213.99 mg/g。吸附動力學和熱力學研究結果表明該吸附過程更符合準二級動力學方程和Freundlich吸附等溫模型。相較于傳統的吸附分離過程，將所制備的新型磁性吸附劑用于茶多酚的吸附分離，不僅可以通過外加磁場實現固液分離，操作方便快捷，而且對茶多酚的吸附量遠高于現有報道[13-14]。本研究結果可以為建立新型的茶多酚分離方法提供一定的參考。