海藻酸钙季铵盐衍生物微球的制备及表征

雷万学， 林 钰

(河南教育学院 化学与环境学院，河南 郑州 450046)

海藻酸钙季铵盐衍生物微球的制备及表征

雷万学， 林 钰

(河南教育学院 化学与环境学院，河南 郑州 450046)

采用乳化—凝胶法制备了海藻酸钙及其季铵盐衍生物微球，考察了海藻酸钠浓度、搅拌速度、油水比例、季铵盐浓度等因素对制备海藻酸钙季铵盐衍生物微球形态及粒径分布的影响.用红外光谱仪与光学显微镜对所制备的海藻酸钙季铵盐衍生物微球进行了表征.结果表明，通过对制备条件的优化，可制备出分布较均匀，形态较好的海藻酸钙季铵盐衍生物微球.

海藻酸钠；海藻酸钙；季铵盐；乳化—凝胶法；微球

0 引言

海藻酸钠主要是从海带、马尾藻等褐藻类海洋植物中提取的，由古洛糖醛酸与甘露糖醛酸通过α-1,4糖苷键连接形成的一种线性嵌段共聚物，为天然多糖类化合物[1- 2].

海藻酸钠具有良好的生物相容性、生物降解性、天然无毒、廉价易得等特性，并且储量丰富、可再生，在食品、医药、纺织、印染、造纸、日用化工及生物工程等领域得到了广泛应用，是一种很有前景的生物材料[3- 8].

海藻酸钠可溶于水，不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂.海藻酸钠水溶液在室温下遇到钙、钡等二价阳离子时，会形成具有较高机械强度的水凝胶[9].从离子结合强度和离子毒性两方面考虑，制备海藻酸钠凝胶首选钙离子.海藻酸钙微胶珠具有强亲水性、良好的生物相容性和生物降解性，更重要的是它还具有无毒、pH值敏感和制备条件温和等优点.

本研究将具有反应活性的有机硅季铵盐通过化学键固载到海藻酸钠上，用氯化钙交联固化，制备出海藻酸钙季铵盐衍生物高分子抗菌材料(微球)，既可以获得季铵盐的优良抗菌活性，又克服了通常季铵盐抗菌剂易流失、作用时间短、对环境造成污染的缺点，加上海藻酸钠本身所具有的许多优良性能，使这些抗菌材料具有更广泛的用途，扩大了海藻酸钠的应用范围.

1 材料与方法

1.1 仪器与药品

傅立叶变换红外光谱仪(Perkin Elmer Inc,USA)， XJ2-6型正置式金相显微镜(Nicolet Inc,USA).

N，N—二甲基—N—十八烷基丙基三甲氧基硅烷氯化铵(N,N—dimethyl—N—octadecylaminopropyltrimethoxysilane ammonium chloride,以下简称为TSA)：美国AEGIS公司；海藻酸钠：上海化学试剂厂；异辛烷、无水氯化钙、无水乙醚、Tween 80、Span 80等均为分析纯试剂.

1.2 制备方法

(1)海藻酸钙季铵盐衍生物微球的制备.配制一定浓度的海藻酸钠溶液，并加入一定量的TSA溶液，在超声波分散下，配制出混合溶液；配制一定浓度的Span 80异辛烷溶液；在一定搅拌速度下，将海藻酸钠混合溶液缓慢加入异辛烷溶液中，10 min后，滴加2 ml一定浓度的Tween 80水溶液，继续乳化5 min后，滴加一定浓度的氯化钙水溶液，使海藻酸钠液滴交联凝胶化形成海藻酸钙微球，搅拌固化10 min后，加入10 ml无水乙醚脱水10 min，过滤，用15 ml无水乙醚洗涤3次，室温干燥，得白色海藻酸钙季铵盐衍生物抗菌微球.

(2)海藻酸钙季铵盐衍生物微球制备条件的优化.实验采用单因素固定变量法考察海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、乳化剂浓度、TSA浓度、油水比、搅拌速度、乳化温度对海藻酸钙微球形态、粒径分布的影响，比较同一因素不同水平下海藻酸钙季铵盐衍生物微球的形态、粒径分布.单因素实验方案见表1.

表1 单因素实验方案

1.3 测试和表征

(1)海藻酸钙及其季铵盐衍生物微球的FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy).将纯化和干燥后的TSA、海藻酸钙及其季铵盐衍生物抗菌微球分别用KBr压片，用傅立叶变换红外光谱仪进行分析测试，灵敏度4 cm-1，扫描范围4 000 cm-1～4 500 cm-1.

(2)海藻酸钙及其季铵盐衍生物微球的形态、粒径分布观察与测定.将不同条件下制备的海藻酸钙空白微球和海藻酸钙季铵盐衍生物微球在XDS-1B显微镜下观察其形态、粒径分布情况并拍照.

2 结果与讨论

图1 TSA的FTIRFig.1 FTIR of TSA

2.1 海藻酸钙及其季铵盐衍生物微球FTIR分析

在常温下，TSA、海藻酸钙空白微球及海藻酸钙季铵盐衍生物微球的红外光谱分别见图1～图3.对比图1、图2和图3可知，在海藻酸钙季铵盐衍生物抗菌微球的FTIR图中，除了保持海藻酸钙的特征吸收峰外，还出现了TSA的特征吸收峰：2 922 cm-1和2 852 cm-1处为甲基、亚甲基的伸缩振动吸收峰；1 423 cm-1处为甲基、亚甲基的反对称弯曲振动吸收峰；1 084 cm-1处为硅氧键的伸缩振动吸收峰；909 cm-1处为季铵盐的特征吸收峰；719 cm-1处为分子中(—CH2—)n(n≥4)亚甲基链的吸收峰.由此可定性判断出TSA已固载到海藻酸钙上.

图2 海藻酸钙的FTIRFig.2 FTIR of alginate calcium

图3 海藻酸钙季铵盐衍生物微球的FTIRFig.3 FTIR of alginate calcium microsphereswith quaternary ammonium salts

2.2 影响海藻酸钙季铵盐衍生物微球形态及粒径分布的单因素分析

2.2.1 海藻酸钠浓度对微球形态及粒径分布的影响

保持其他实验条件不变，乳化剂浓度3.0%，氯化钙溶液浓度8.0%，TSA溶液浓度3.0%，油水比3∶1，搅拌速度1 000r/min，乳化温度25℃；改变海藻酸钠溶液浓度分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%，所制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片分别见图4中(a)，(b)，(c)，(d)和(e).

图4 不同浓度海藻酸钠制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片Fig.4 Micrographs of alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres prepared with different concentrations of sodium alginate

对比图4中(a)，(b)，(c)，(d)和(e)可知，随着海藻酸钠浓度的增大(0.5%～1.5%)，制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球其球形度越来越好，粒径分布也越来越均匀；当海藻酸钠浓度>1.5%时，制备出的微球粒径变大，球形度不好.因此，本实验条件下制备海藻酸钙季铵盐衍生物微球的较佳海藻酸钠浓度为1.5%.

2.2.2 乳化剂浓度对微球形态及粒径分布的影响

保持其他实验条件不变，海藻酸钠浓度1.5%，氯化钙溶液浓度8.0%，TSA溶液浓度3.0%，油水比3∶1，搅拌速度1 000 r/min，乳化温度25℃；改变乳化剂浓度分别为0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%，所制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片分别见图5中(a)，(b)，(c)，(d)和(e).

图5 不同浓度乳化剂制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片Fig.5 Micrographs of alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres prepared with different concentrations of emulsifier

对比图5中(a)，(b)，(c)，(d)和(e)可知，随着乳化剂浓度增大，制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的球形度越来越好，其粒径分布越来越均匀；当乳化剂的浓度>3.0%时，制备出的微球粒径变大，球形度变差.因此，本实验条件下制备海藻酸钙季铵盐衍生物微球的较佳乳化剂浓度为3.0%.

2.2.3 氯化钙浓度对微球形态及粒径分布的影响

保持其他实验条件不变，海藻酸钠浓度1.5%，乳化剂浓度3.0%，TSA溶液浓度3.0%，油水比3∶1，搅拌速度1 000 r/min，乳化温度25℃；改变氯化钙溶液浓度分别为4.0%、6.0%、8.0%、10.0%和12.0%，所制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片分别见图6中(a)，(b)，(c)，(d)和(e).

图6 不同浓度氯化钙制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片Fig.6 Micrographs of alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres prepared with different concentrations of calcium chloride

对比图6中(a)，(b)，(c)，(d)和(e)可知，随着氯化钙浓度增大，制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的球形度越来越好，其粒径分布越来越均匀；当氯化钙的浓度>8.0%时，制备出的微球粒径变大，球形度变差.因此，本实验条件下制备海藻酸钙季铵盐衍生物微球的较佳氯化钙浓度为8.0%.

2.2.4 油水比对微球形态及粒径分布的影响

保持其他实验条件不变，海藻酸钠浓度1.5%，乳化剂浓度3.0%，氯化钙溶液浓度8.0%，TSA溶液浓度3.0%，搅拌速度1 000 r/min，乳化温度25℃；改变油水比分别为1∶1，2∶1，3∶1，4∶1和5∶1，所制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片分别见图7中(a)，(b)，(c)，(d)和(e).

对比图7中(a)，(b)，(c)，(d)和(e)可知，随着油水比增大，制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的球形度越来越好，其粒径分布越来越均匀；当油水比>3∶1时，制备出的微球粒径变大，球形度变差.因此，本实验条件下制备海藻酸钙季铵盐衍生物微球的较佳油水比为3∶1.

2.2.5 TSA浓度对微球形态及粒径分布的影响

保持其他实验条件不变，海藻酸钠浓度1.5%，乳化剂浓度3.0%，氯化钙溶液浓度8.0%，油水比3∶1，搅拌速度1 000 r/min，乳化温度25℃；改变TSA溶液浓度分别为1.0%，2.0%，3.0%，4.0%和5.0%，所制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片分别见图8中(a)，(b)，(c)，(d)和(e).

对比图8中(a)，(b)，(c)，(d)和(e)可知，随着TSA浓度增大，制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的球形度越来越好，其粒径分布越来越均匀；当TSA的浓度>3.0%时，制备出的微球粒径变大，球形度变差.因此，本实验条件下制备海藻酸钙季铵盐衍生物微球的较佳TSA浓度为3.0%.

2.2.6 搅拌速度对微球形态及粒径分布的影响

保持其他实验条件不变，海藻酸钠浓度1.5%，乳化剂浓度3.0%，氯化钙溶液浓度8.0%，油水比3∶1，TSA溶液浓度3.0%，乳化温度25℃；改变搅拌速度分别为500 r/min，750 r/min，1 000 r/min，1 250 r/min和1 500 r/min，所制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片分别见图9中(a)，(b)，(c)，(d)和(e).

图7 不同油水比制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片Fig.7 Micrographs of alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres prepared with different oil-water ratio

图8 不同浓度TSA制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片Fig.8 Micrographs of alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres prepared with different concentrations of TSA

对比图9中(a)，(b)，(c)，(d)和(e)可知，随着搅拌速度增大，制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的球形度越来越好，其粒径分布越来越均匀；当搅拌速度>1 000 r/min时，制备出的微球粒径分布、球形度等无显著变化.因此，本实验条件下制备海藻酸钙季铵盐衍生物微球的较佳搅拌速度为1 000 r/min.

2.2.7 乳化温度对微球形态及粒径分布的影响

保持其他实验条件不变，海藻酸钠浓度1.5%，乳化剂浓度3.0%，氯化钙溶液浓度8.0%，油水比3∶1，TSA溶液浓度3.0%，搅拌速度1 000 r/min；改变乳化温度分别为15℃，20℃，25℃，30℃和35℃，所制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片分别见图10中(a)，(b)，(c)，(d)和(e).

对比图10中(a)，(b)，(c)，(d)和(e)可知，在较低温度下(15℃～35℃)，乳化温度对制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的粒径分布、球形度等无显著影响.而室温在25℃左右，故实验时选用25℃.

影响海藻酸钙季铵盐衍生物微球形态及粒径分布的单因素实验结果分析表明，本实验条件下制备海藻酸钙季铵盐衍生物微球的优化条件为，海藻酸钠浓度1.5%，乳化剂浓度3.0%，氯化钙溶液浓度8.0%，油水比3∶1，TSA溶液浓度3.0%，搅拌速度1 000 r/min，乳化温度25℃.

图9 不同搅拌速度制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片Fig.9 Micrographs of alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres prepared by different stirring speed

图10 不同乳化温度制备出的海藻酸钙季铵盐衍生物微球的显微照片Fig.10 Micrographs of alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres prepared by emulsification system at different temperature

3 结 论

(1)采用乳化—凝胶法可以制备出形态较好、粒径分布较均匀的海藻酸钙季铵盐衍生物微球；

(2)红外光谱分析结果表明，TSA已通过化学键固载到海藻酸钙微球上；

(3)海藻酸钙季铵盐衍生物微球制备条件的单因素实验结果分析表明，本实验条件下制备海藻酸钙季铵盐衍生物微球的优化条件为：海藻酸钠浓度1.5%，乳化剂浓度3.0%，氯化钙溶液浓度8.0%，油水比3∶1，TSA溶液浓度3.0%，搅拌速度1 000 r/min，乳化温度25℃.

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Preparation and Characterization of AlginateCalcium Microspheres with Quaternary Ammonium Salts

LEI Wan-xue, LIN Yu

(DepartmentofChemistryandEnvironment,HenanInstituteofEducation,Zhengzhou450046,China)

Preparation of alginate calcium microspheres and alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres by emulsification-gelation was reported. The influences of experimental conditions on alginate calcium particles size and morphology, such as, the concentration of sodium-alginate, stirring speed and the relative proportion of organic phase to aqueous phase, were investigated. And the morphologies of alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres were also investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and microscope. The results indicated that alginate calcium-quaternary ammonium complex microspheres with good morphology could be obtained under the optimum conditions.

alginate sodium; alginate calcium; quaternary ammonium salt; emulsification-gelation; microspheres

2014-10-08

河南省基础与前沿项目(102300410167，122300410020)；河南教育学院应用化学重点学科项目

雷万学(1964—)，男，河南驻马店人，河南教育学院化学与环境学院教授，主要研究方向：应用化学.

10.3969/j.issn.1007-0834.2014.04.001

TQ91

A

1007-0834(2014)04-0001-07