氨基酸改性PASP熒光示蹤阻垢劑的合成及性能*

余 嶸，成柯瑤，付少華，雷 歡，田智崗，房 平

(西安工程大學 城市規劃與市政工程學院， 西安 710600)

0 引 言

聚天冬氨酸(PASP)作為一種常用的綠色環保阻垢劑，因其具有可生物降解的肽鍵結構[1]以及良好的阻垢性能受到業界廣泛關注。但由于PASP官能團單一，僅對阻CaCO3垢效果較好，限制了其更廣泛的應用[2]。因此越來越多的學者關注到PASP的改性，研究表明對PASP的中間體聚琥珀酰亞胺(PSI)進行氨基開環改性引入羧基、羥基、磺酸基、酰胺基等任意官能團[3]是改善PASP的相關性能常用且有效的方法。天然氨基酸具有種類多、來源廣、價格低、環保等優點，且其結構中含有羧基等阻垢基團。許多研究[4-7]已經報道過氨基酸對PASP的改性，改性后的PASP都表現出更優異的阻垢效果，但合成工藝較復雜。

為使阻垢劑在使用過程中始終保持最佳投加量，人們將熒光示蹤技術引入阻垢劑的構建中，以達到實時監測阻垢劑濃度的目的[8]。研究發現酪氨酸的特殊結構可增大熒光強度[9]，因此本文選擇環保價廉的熒光單體酪氨酸Tyr和谷氨酸Glu以接枝共聚的方式引入在PASP上，得到熒光示蹤型阻垢劑，其結構中的大量羧基、羥基、酰胺基可提高合成物的阻垢性能，而投加濃度與熒光強度之間的線性關系可實現熒光示蹤作用。

1 實 驗

1.1 實驗試劑及儀器

酪氨酸(Tyr)、谷氨酸(Glu)、聚琥珀酰亞胺(PSI)、氫氧化鈉(NaOH)、十水四硼酸鈉(Na2B4O710(H2O))、無水氯化鈉(CaCl2)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)、氫氧化鉀(KOH)、硫酸鈉(Na2SO4)、鈣-羧酸指示劑、氯化鉀(KCl)、無水乙醇(C2H5OH)、鹽酸(HCl)，均為分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。

RF-5301熒光分光光度計、DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、DZF-6030真空干燥箱、Spotlight400 型傅里葉紅外光譜儀、METTLER 851e熱重分析儀、QUANTA-450-FEG現場發射掃描電鏡、日本-理學-Ultima IV X射線多晶衍射(XRD)、PL-203電子分析天平、KQ-400KDB高功率數控超聲波清洗機、YLE-1000恒溫水浴鍋。

1.2 Tyr-Glu-PASP的合成

把4 g PSI置于三口圓底燒瓶中溶于5.4 mL水中，磁力攪拌至懸浮液，待溫度升至40 ℃，將酪氨酸與谷氨酸的堿溶液用滴液漏斗緩慢交替滴加到燒瓶中，持續反應3 h。反應結束后將溶液靜置到室溫，接著用HCl溶液調節pH值至7，用大量的無水乙醇洗滌，過濾后放置真空干燥箱中60 ℃條件下干燥24 h得到棕色固體Tyr-Glu-PASP。改變氨基酸與PSI的摩爾比合成不同的目標產物。

合成路線如下：

1.3 靜態阻垢實驗

根據GB/T 16632-2008《水處理劑阻垢性能的測定碳酸鈣沉積法》的方法結合EDTA滴定法測定Tyr-Glu-PASP 對CaSO4的阻垢率，共聚物的阻垢性能計算公式為:

式中：η為阻垢率；A1為未加入阻垢劑的空白對照組實驗后的鈣離子濃度，mg/mL；A2為加入阻垢劑的試樣實驗后的鈣離子濃度，mg/mL；A為實驗前試樣中的鈣離子濃度，mg/mL.

1.4 熒光性能測試

將酪氨酸和Tyr-Glu-PASP分別配成一定濃度的水溶液并測定發射光譜圖。激發波長和發射波長設置為274和303 nm，激發帶寬和發射帶寬設置為5 nm，掃描速度為1 000 nm/min，采樣間隔為1 nm。接著配制不同濃度的Tyr-Glu-PASP水溶液，在相同條件下測定其熒光強度，研究阻垢劑濃度與熒光強度的相關性。

2 結果討論

2.1 合成Tyr-Glu-PASP的性能表征

2.1.1 結構表征

通過紅外光譜圖(圖1)分析Tyr-Glu-PASP的結構，在530 cm-1處出現CH2—特征峰，1 404 cm-1處出現—CONH 中的C—N伸縮振動峰，和2 640 cm-1處是—COOH的—OH，3 430 cm-1處出現N—H伸縮振動峰，以上為PASP 的特征峰[10]。此外，1 655 cm-1是帶有離子基團的羧酸的反對稱拉伸吸收峰，為氨基酸中的羧基。1 040 cm-1處新增了C—N與C—C的混合伸縮振動峰說明引入了谷氨酸，3 735 cm-1處出現酚羥基，說明酪氨酸成功引入[11]。紅外分析表明成功合成了Tyr-Glu-PASP。

2.1.2 熱穩定性能

阻垢劑需保證一定溫度下的穩定性，否則可能導致使用過程中的失活現象，熱重表征可以通過質量隨溫度的減少情況反映其穩定效果。在氮氣氣氛中采用TGA測試Tyr-Glu-PASP的熱穩定性，測試升溫速率為20 ℃/min，溫度范圍為30～500 ℃。由圖2可知，Tyr-Glu-PASP在100 ℃以內質量在95%以上，190 ℃內質量保持在90%左右，穩定性良好，可以滿足實際使用要求。

圖1 Tyr-Glu-PASP的紅外圖譜Fig.1 Infrared spectrum of Tyr-Glu-PASP

圖2 Tyr-Glu-PASP的熱重曲線Fig.2 Thermogravimetric curve of Tyr-Glu-PASP

2.1.3 熒光性能

將酪氨酸與Tyr-Glu-PASP配制成20 mg/L的水溶液分別測試熒光強度。由圖3可知，激發波長和發射波長一致，為303 nm。因此可得Tyr-Glu-PASP的熒光基團與酪氨酸一致，進一步證明成功引入酪氨酸。但Tyr-Glu-PASP的熒光強度低于酪氨酸，可能是因為Tyr-Glu-PASP中含有羧基，其具有較強的吸電子能力，使得酪氨酸中外層電子不易被激發，因而降低了熒光強度[12]。

2.2 Tyr-Glu-PASP的阻垢性能

2.2.1 單體配比對Tyr-Glu-PASP阻垢率的影響

氨基酸與PSI的配比決定了聚合物中官能團比例及序列結構，直接影響阻垢性能。因此考慮了氨基酸總量與PSI的不同質量比下對CaSO4的阻垢率，如圖4所示。可以看出來氨基酸與PSI的配比為0.5時，對CaSO4阻垢率85.9%；配比為0.6時對CaSO4的阻垢率達到最高值，為95.5%；隨著氨基酸用量繼續增加，在配比為0.8、0.9時阻垢率有所降低。Tyr-Glu-PASP對CaSO4的阻垢率隨著氨基酸的增加先增大后減小，在配比為0.6時達到最大，為最佳合成配比。

圖3 Tyr和Tyr-Glu-PASP的熒光光譜圖Fig.3 Fluorescence spectra of Tyr and Tyr-Glu-PASP

圖4 氨基酸與PSI質量比對CaSO4阻垢率的影響Fig.4 Effect of amino acid to PSI mass ratio on CaSO4 scale inhibition rate

2.2.2 Tyr-Glu-PASP濃度對阻垢率的影響

阻垢劑濃度對阻垢率有著重要影響，測試結果如圖5所示。

圖5 投加濃度對CaSO4阻垢率的影響Fig.5 Effect of dosing concentration on CaSO4 scale inhibition rate

濃度為1 mg/L時阻垢效果微弱，在濃度為2～3 mg/L時對CaSO4的阻垢率都有所增加，但增加速度緩慢，濃度為4 mg/L時阻垢率明顯增加，且對CaSO4的阻垢率達到峰值為96%。隨著阻垢劑濃度繼續增大，對CaSO4的阻垢率不再增加，相較于PASP基本趨于平穩。這是因為阻垢劑濃度的增加引入了更多的阻垢基團，可與Ca2+螯合增加阻垢率，而可螯合的Ca2+達到飽和時多余的阻垢劑就無法發揮作用[13]，所以在一定濃度之后阻垢率不再增加，趨于平穩。

2.2.3 Ca2+對Tyr-Glu-PASP阻垢率的影響

不同的水環境 Ca2+濃度也不同，因此為了考察Tyr-Glu-PASP的使用范圍，分析了不同Ca2+濃度下該阻垢劑對CaSO4的阻垢率。圖6中可看出來鈣離子濃度為6 000～7 000 mg/L時，阻CaSO4性能表現最好，可達96%以上。鈣離子濃度超過7 000 mg/L時,阻垢率逐漸下降。相較與PASP阻垢的環境，Tyr-Glu-PASP阻CaSO4垢更適用于高鈣離子濃度的水質。這主要是因為鈣離子濃度過低時較難生成鈣垢，而過高的鈣離子濃度使的CaSO4的離子平衡向左移動，反而阻垢效果變差。

圖6 Ca2+濃度對CaSO4阻垢率的影響Fig.6 Effect of Ca2+ concentration on CaSO4 scale inhibition rate

2.2.4 SEM分析

將反應后的鈣垢濃縮結晶，烘干后觀察加入Tyr-Glu-PASP前后的CaSO4晶體形貌如圖7所示。

圖7 (a)未加阻垢劑的CaSO4晶體(×1 200)，(b)加阻垢劑的CaSO4晶體(×20 000)Fig.7 SEM images of CaSO4 crystal (a) without scale inhibitor(×1 200) and (b) with scale inhibitor(×20 000)

可以看出CaSO4晶體形態發生了較大變化：未加阻垢劑的CaSO4大都為穩定的規整柱狀結構，而加入阻垢劑后的CaSO4呈現出分散、不規則的形態，且出現部分團狀結構。這說明Tyr-Glu-PASP對CaSO4均有晶格畸變作用，這是因為Tyr-Glu-PASP的羧基、肽鍵與Ca2+發生螯合[14]，改變了鈣垢的形態，表現出阻垢效果。

2.2.5 XRD分析

從圖8可以看出來，加入Tyr-Glu-PASP前后的CaSO4垢的衍射峰曲線有較大變化。未加Tyr-Glu-PASP時CaSO4的衍射峰為二水硫酸鈣晶型，加Tyr-Glu-PASP后CaSO4的衍射峰明顯減弱，但二水硫酸鈣的衍射峰并沒有消失。原因是Tyr-Glu-PASP中含有大量羧基，吸附在鈣垢晶體表面，占據了晶體正常生長的晶格位置，可以抑制硫酸鈣晶體的生長[15]。XRD分析結果與SEM分析結果一致。

圖8 CaSO4的XRD圖((a)為加Tyr-Glu-PASP，(b)為未加過Tyr-Glu-PASP)Fig.8 XRD patterns of CaSO4 with and without Tyr-Glu-PASP

圖9 不同濃度下Tyr-Glu-PASP的熒光強度圖片 Fig.9 Fluorescence emission pictures of Tyr-Glu-PASP at different concentrations

2.3 Tyr-Glu-PASP不同濃度下的熒光性能

將Tyr-Glu-PASP配成10，20，30，40，50，60 mg/L的水溶液測試其熒光強度，如圖9。結果表明，不同濃度下的阻垢劑溶液激發波長和發射波長一致，但熒光強度不同。圖10為熒光強度與濃度的線性擬合關系，可以看出來濃度與熒光強度之間呈現良好的線性關系。經計算可得Y(熒光強度)與X(阻垢劑濃度)之間的方程式為Y=6.82X+31.097，相關系數R2=0.98。可利用線性方程得到熒光強度對應的濃度值，實現該阻垢劑濃度的實時監測。其中酪氨酸的羥基存在電子共軛效應，相對其他氨基酸發生了紅移，增強了其熒光效率，因此Tyr-Glu-PASP的熒光示蹤效果更顯著。

圖10 Tyr-Glu-PASP濃度與熒光強度的線性關系Fig.10 Linear relationship between Tyr-Glu-PASP concentration and fluorescence intensity

3 結 論

(1)用Tyr和Glu對PASP接枝改性，成功合成了熒光示蹤阻垢劑Tyr-Glu-PASP。對合成產物表征：FT-IR圖譜表明改性后的阻垢劑引入了酚羥基、羧基、酰胺基等阻垢基團；TG曲線表明該阻垢劑熱穩定性良好，滿足生產需要；熒光圖譜表明成功引入了Tyr中的發光基團。

(2)Tyr-Glu-PASP在單體配比為0.6，投加濃度為4 mg/L，鈣離子濃度為6 000 mg/L時對CaSO4的阻垢率可達96%以上。主要是因為羧基、酰胺基、酚羥基等可以與鈣離子發生螯合作用，抑制硫酸鈣晶體的生長。

(3)阻垢劑濃度(X)與熒光強度(Y)之間呈現良好的線性關系，方程式為Y=6.82X+31.097，可通過熒光示蹤技術實現阻垢劑濃度實時監測。