双醛壳聚糖的制备及其还原银纳米颗粒的研究

乔家钰，王 浩，刘 琰

(安徽农业大学轻纺工程与艺术学院，安徽合肥 230036)



双醛壳聚糖的制备及其还原银纳米颗粒的研究

乔家钰，王 浩，刘 琰

(安徽农业大学轻纺工程与艺术学院，安徽合肥 230036)

高碘酸钠氧化壳聚糖制得的双醛壳聚糖可将硝酸银还原生成银纳米粒子，而未经氧化的壳聚糖不能将硝酸银还原成纳米银单质。对比传统的水浴加热氧化和微波辐射氧化制备的双醛壳聚糖，结果表明微波辐照氧化制备的双醛壳聚糖具有更好的氧化度和溶解性，而其分子量在氧化过程中下降更明显，产物颜色变深。通过紫外吸收光谱和透射电镜对制备的纳米银粒子进行表征，结果表明与水浴加热氧化相比，微波辐照条件下制备的双醛基壳聚糖氧化度提高，其还原稳定生成的纳米银粒子分散性和稳定性更好，粒径控制在30nm～50nm之间。

双醛壳聚糖 选择性氧化 银纳米颗粒 微波辐射 氧化度

壳聚糖来源丰富,是地球上仅次于纤维素的第二大生物资源。壳聚糖及其衍生物被广泛应用在农业、污水处理、纺织印染整理行业、生物医学、造纸工业、食品工业、化妆品等行业[1]。但由于壳聚糖在水中的溶解性能差，其应用范围受到一定限制，通常使用化学方法对其进行改性来达到使用的目的[2]。高碘酸钠可对壳聚糖进行选择性的氧化裂解，高碘酸钠氧化壳聚糖可以将壳聚糖的吡喃糖环打开，在C2、C3位置引入双醛基团，从而制备双醛基壳聚糖[3]。壳聚糖经氧化后，不仅提高了壳聚糖溶液的溶解性，同时双醛壳聚糖中的氨基和醛基对金属离子及纳米粒子具有螯合作用[4]。利用双醛基壳聚糖同时具备还原性和稳定性的特殊性能，可将硝酸银溶液还原稳定生成纳米银粒子[5]，从而作为抗菌整理剂应用于纺织材料改性[6]。实验原理如图1所示：

图1 双醛壳聚糖还原稳定纳米银粒子原理

微波辐射能技术具有加热反应时间短、加热快且均匀、节能等优点。将其引入到化学反应中，在微波场中产生大量的热，可大大增加反应物分子之间的碰撞频率，在极短的时间内反应物可达到活化状态，有效促进有机反应[7]。本文主要对比研究了传统水浴加热和微波辐照两种不同条件下对高碘酸钠氧化壳聚糖的影响以及对生成的双醛基壳聚糖还原稳定纳米银粒子的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验材料：壳聚糖(脱乙酰度90%)；高碘酸钠、硝酸银、36%乙酸、无水乙醇等均为分析纯，以上试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。

实验仪器：M1-L213B美的微波炉；UV-4802S型紫外可见分光光度计(上海尤尼柯仪器有限公司)；BS210S全自动光电天平(德国赛多利斯公司)；DZK-K型真空干燥箱(达斯卡特科学器材有限公司)；HWS-12型电热恒温水浴锅(上海一恒科学仪器有限公司)；Vario EL Cube全自动元素分析仪(德国元素分析系统公司)；HT-7700透射电子显微镜(日本日立公司)。

1.2 工艺流程

1.2.1 双醛壳聚糖的制备

称取一定量的壳聚糖加入到0.5mol/L的乙酸溶液中搅拌2h，使之完全溶解，得到质量分数为2%的壳聚糖溶液。将壳聚糖溶液中加入2g左右高碘酸钠后在50℃恒温水浴锅中避光搅拌反应一段时间，或先将加入高碘酸钠的壳聚糖溶液放入微波炉中，在320W功率间歇处理5min，取出冷却后，避光搅拌反应一定时间。最后将两种氧化反应的壳聚糖溶液加入等体积无水乙醇中止反应，抽滤后得白色沉淀，置于烘箱中40℃烘干得到双醛壳聚糖。

1.2.2 还原制备纳米银水溶液

将壳聚糖溶液或制备好的不同氧化度的双醛壳聚糖溶解配制成50mL 0.5%(w/v)的溶液，加入3mL 0.01mol/L的硝酸银溶液，并不断搅拌。将上述反应液在80℃的水浴锅中避光加热反应6h，溶液逐渐由原来的无色变为黄色，室温冷却后，即可得到纳米银水溶液。

1.3 实验方法

1.3.1 壳聚糖分子量测试

壳聚糖分子量的测定用乌式粘度计，按照稀释法，用Mark-Houwink方程计算其粘均分子量[8]：

[η] =K·Mα

式中：K=1.81×10-3cm3·g-1，α=0.93

1.3.2 双醛壳聚糖氧化度测试

利用元素分析仪对未经微波辐照普通氧化或微波辐照氧化制得的双醛基壳聚糖测定C、N元素的含量，通过公式计算得出双醛基壳聚糖的氧化度[9]。

式中：FA为壳聚糖原粉中乙酰氨基的含量，FOX为壳聚糖氧化度。

1.3.3 壳聚糖溶解度测试

对比在微波条件下制备双醛基壳聚糖与不在微波条件下制备双醛基壳聚糖的溶解度。采取饱和溶液法测量壳聚糖和氧化壳聚糖的溶解度。在25℃下分别配制壳聚糖和氧化壳聚糖的过饱和溶液后，将其在7000r/min下超速离心15min,上清液取出后加入3～5倍乙醇析出壳聚糖或氧化壳聚糖沉淀物,然后将沉淀物在40℃真空中干燥后称取其质量,最后计算得到溶解度:单位体积水溶液中所含有物质的饱和质量(w/v,%)[10]。

1.3.4 纳米银粒子紫外-可见吸收光谱测试

利用紫外-可见光吸收光谱仪测试所制备的纳米银水溶液在300nm～600nm波长范围内的紫外吸收光谱,使用石英比色皿，夹缝值为2，测试分辨率为1nm。

1.3.5 纳米银粒子透射电镜测定

取少量双醛壳聚糖稳定还原制得的纳米银水溶液滴加到镀碳膜的铜网上，室温晾干后，利用透射电镜在180kV加速电压下观察纳米银的形貌和大小。

2 结果与讨论

2.1 不同条件制得的双醛壳聚糖氧化度及分子量的对比

将未经微波辐射普通水浴加热分别氧化4h、12h的双醛壳聚糖样品以及经微波加热后分别氧化4h、12h的双醛壳聚糖样品其氧化度、粘均分子量进行对比，结果见表1：

表1 不同氧化条件制得的双醛壳聚糖氧化度及分子量的对比

对比表1中1～4号高碘酸钠氧化壳聚糖样品可以看出，微波辐照氧化制得的双醛壳聚糖比普通氧化制得的双醛壳聚糖的氧化度明显增加，说明微波辐照具有加速壳聚糖氧化进程的作用，在相同氧化时间内，比传统的水浴加热氧化制得的双醛壳聚糖生成的醛基含量更高。这是由于微波辐射在极短时间内可以使得反应体系中的极性分子运动加剧，增加了高碘酸根对壳聚糖氨基葡萄糖单元中C2上的-NH2和C3上的-OH的攻击频率，故微波辐射条件下壳聚糖的氧化度提高。由表1还可以看出，与原壳聚糖相比，壳聚糖经普通水浴加热氧化4h后，其粘均分子量从56.75×104下降到32.33×104，这主要是由于在氧化反应过程中，壳聚糖部分氨基葡萄糖单元中C2和C3键被氧化破坏，分子内和分子间的作用力减弱，同时部分壳聚糖分子主链发生过氧化断裂，因此壳聚糖分子发生较严重的降解。而相比未经微波辐射的，微波辐照氧化制得的双醛壳聚糖分子量下降更为明显。这是由于在微波作用下，反应物中的极性分子与微波发生率强烈的耦合作用，活化了壳聚糖分子的同时，也削弱了壳聚糖的结晶性和有序结构，在极短的时间内就发生了剧烈降解[11]。随着氧化时间的延长，普通氧化和微波辐射氧化的双醛壳聚糖氧化度都不断增加，同时壳聚糖分子量也不断下降，两者之间呈明显的负相关性。当微波辐射后氧化24h的壳聚糖，其分子量下降到7.13×104，其氧化度最高，可达到38.1%。

此外，由表1可见，随着制得的双醛壳聚糖分子量的降低，产物的颜色由淡黄色变为深黄色，颜色不断加深。

2.2 不同条件制得的双醛壳聚糖溶解性能对比

将上述的0～4号壳聚糖样品进行溶解性测试，其结果见表2。

表2 溶解度测试

由于壳聚糖分子链上含有大量的羟基、氨基等活性基团，其分子间及分子内都存在较强的氢键作用，导致其分子具有较强的结晶性和致密性，因而未氧化壳聚糖的水溶性差。由表2可以看出，壳聚糖经氧化后，其水溶性增加，并随着氧化时间延长，其水溶性进一步提高。这是由于高碘酸钠氧化壳聚糖在引入醛基的同时，其氨基葡萄糖单元中C2和C3键以及部分壳聚糖分子主链均发生断裂，分子内和分子间的作用力减弱，壳聚糖分子的结晶度下降，分子量降低，分子链的柔顺性增加[12]，从而增加了壳聚糖的溶解性。氧化4h的双醛壳聚糖样品1和样品3具有一定的溶解性；而随着反应时间延长至24h时，壳聚糖氧化程度增大，其分子量明显下降，降解越明显，氧化壳聚糖的溶解性也随之进一步增加。由表2还可以看出，对比普通氧化与微波辐照氧化制得的双醛壳聚糖，微波辐照氧化制得的双醛壳聚糖的溶解性更好，尤其双醛壳聚糖样品4的水溶性达到4.154%，已经具有很好的溶解性能。这主要是由于微波辐射加热不仅加剧了氧化反应速率，也加快了壳聚糖的降解速率,从而改善了溶解性。由此可见，微波辐射不仅可提高壳聚糖氧化程度，也可以提高其溶解性能，制得的双醛壳聚糖具有更好的活性和水溶性。

2.3 制备的纳米银粒子紫外吸收光谱分析

纳米银颗粒在紫外-可见光谱中的吸收带为380nm～450nm之间[13]。图2是采用上述样品0～样品4还原制备的五种不同纳米银溶液分别在390nm～490nm波长处的UV吸收光谱。从图2中可以看出在该波段，壳聚糖样品0还原硝酸银的复合溶液中没有明显的吸收峰，说明溶液中没有纳米银颗粒的生成；而其余双醛壳聚糖样品1～样品4稳定还原硝酸银的复合溶液均在425nm左右出现了单一的明显的紫外吸收峰，表明制备的溶液中均有纳米银粒子生成。这是因为虽然壳聚糖的分子上具有较多的活性基团，可以起到稳定纳米金属粒子的作用，但在制备纳米粒子过程中还需另加还原剂[6]。而经高碘酸钠氧化制得的双醛壳聚糖，引入了醛基基团，使其同时具备了还原性和稳定性，因此在不加任何还原剂的条件下可将银离子还原成纳米银单质。

图2 不同条件下还原稳定纳米银粒子的紫外吸收光谱

双醛壳聚糖样品1～样品4还原稳定制得的纳米银粒子溶液在425nm左右的吸收度数值变化情况见图3。

图3 不同双醛壳聚糖还原制备的纳米银吸收值

由图3可以看出，氧化4h的双醛壳聚糖样品1(水浴加热)和样品3(经微波辐射加热)由于氧化度较接近，因此稳定还原生成的纳米银紫外吸收峰值也相近，但吸收峰强度较弱。随着氧化时间增加，双醛壳聚糖的氧化度提高，其还原能力增强，因而还原生成的纳米银颗粒吸收峰随之增加。而相比未经微波辐射氧化24h的壳聚糖样品2，经微波辐射氧化24h的壳聚糖样品4具有更强的稳定还原纳米银的能力，其生成的纳米银粒子的吸收峰值最强，表明此氧化度下的壳聚糖更有利于纳米银颗粒的生成。由此可见，双醛壳聚糖的氧化度对纳米银生成具有重要影响，微波辐射有利于提高纳米银的生成量。

2.4 制备的纳米银粒子透射电镜分析

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

图4 样品0、样品3、样品4制备的纳米银粒径分布及形貌

通过透射电镜观察生成的纳米银微观形态。图4(a)、(b)和(c)分别表示的是未氧化的壳聚糖、经普通水浴加热氧化壳聚糖以及微波辐射氧化壳聚糖还原硝酸银制备的3种纳米银粒子TEM照片。由上述样品0还原硝酸银的复合溶液紫外吸收光谱分析可知，溶液中没有纳米银颗粒的生成。如图4所示，在放大10k倍的电镜中，图4(a)可以看到壳聚糖还原硝酸银的复合溶液中银离子被包覆形成较大颗粒现象，而没有看到纳米级别的银粒子分散存在。这与紫外吸收光谱分析结果一致。而在图4(b)和(c)中2种双醛壳聚糖还原硝酸银均得到了纳米银颗粒，且分散较均匀。这是由于氧化壳聚糖的氨基和醛基能提高壳聚糖对金属银离子的螯合作用，让银离子富集，并在银离子螯合部位发生原位反应，缓慢还原出的纳米银，因壳聚糖的包裹，也相对稳定。在放大80k倍的视野中，比较图4(b)和(c)可以看出，在微波辐照条件下制备的双醛基壳聚糖还原稳定制得的单个纳米银粒子效果更佳。图4(b)的样品，单个纳米银粒子分散较均，但粒径有一定差异，并出现小块团聚现象，而图4(c)的样品，还原生成在纳米银粒子均匀并且粒径控制30nm～50nm之间，粒径分布较集中。说明经微波辐射氧化的壳聚糖氧化度较高，生成的醛基含量较多，在醛基和氨基共同作用下，还原制备的纳米银粒子的分散性和稳定性越好。

3 结论

(1)相比传统的水浴加热氧化制得的双醛壳聚糖，微波辐照氧化制备的双醛壳聚糖具有更高的氧化度和更好的溶解性，而分子量在氧化过程中下降更明显。

(2)紫外吸收光谱分析可得，未氧化壳聚糖还原硝酸银的复合溶液中没有纳米银颗粒的生成。而经高碘酸钠氧化制得的双醛壳聚糖在不加任何还原剂的条件下能够将银离子还原成银纳米颗粒，且微波辐射氧化壳聚糖有利于提高纳米银的生成量。

(3)透射电镜分析表明，相对水浴加热氧化壳聚糖，微波辐照条件下氧化24h制备的双醛基壳聚糖制得的纳米银粒子分散性和稳定性更好，其粒径主要集中在30nm～50nm之间。

[1] 唐星华， 沈明才. 壳聚糖及其衍生物应用研究进展[J]. 日用化学工业， 2005， 35(1): 39-41.

[2] 陈刚， 李翔， 刘小成. 壳聚糖的改性及应用进展[J]. 科教导刊, 2013， 54(3)：97-98.

[3] Inger M. N. void, B E. Christensen. Periodate oxidation of chitosans with different chemical compositions[J].Carbohydrate Research, 2005, 340(4): 679-684.

[4] 张德锁， 廖艳芬， 林红， 等. 微波原位生成纳米ZnO整理棉织物实验研究[J].纺织导报，2013 (9)：110-112.

[5] 吕勇， 宋词， 戴磊， 等. 壳聚糖氧化改性及还原稳定纳米银研究[J].功能材料， 2014， 45(6)：92-95.

[6] 张雨菲， 李友良， 姚远， 等. 壳聚糖纳米银溶液的稳定性及在织物抗菌整理上的应用[J]. 高等学校化学学报， 2012， 33(8)：1860-1864.

[7] 严丽平. 微波法制备壳聚糖的实验研究[D]. 上海：东华大学， 2003.

[8] 赵立明， 全哲山， 金海善， 等. 壳聚糖粘均分子质量的测定[J]. 延边大学医学学报， 2005(3)：36-37.

[9] H L Jiang, H T Lim, Y K Kim, et al. Chitosan-graft-(PEI-beta-cyclodextrin) copolymers and their supramolecular PEGylation for DNA and siRNA delivery[J]. Biomaterials, 2011, 32(32): 8328-8341.

[10]Yoo S H, Lee J S, Lee H G. Effects of selective oxidation of chitosan on physical and biological properties[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2005(35) :27-31.

[11]刘松， 邢荣娥， 于华华， 等. 微波辐射对不同介质均相壳聚糖的降解研究[J]. 食品科学，2005，26(10)：30-33.

[12]孙远， 田晓慧， 孙金煜， 等. 氧化壳聚糖-丝胶共价复合物在天然乳胶改性中的应用[J]. 化工新型材料，2013， 41(9)：184-186.

[13]Sakai H, Kanda T, Shibata H, et al. Preparation of highly dispersed core/shell-type titania nanocapsules containing a single Ag nanoparticle[J]. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128(15): 4944-4945.

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

国家级大学生创新训练项目(201510364019)；安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2016A236)；安徽农业大学“学科骨干培育计划”项目(2014XKPY-56)。

王浩(1978-)，女，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：纺织新材料和功能纺织助剂。

TS102

A

1008-5580(2016)04-0037-05