丙烯酰胺型氧氟沙星吸附材料的制备及性能研究*

李延斌，胡译之，李丽荣，李俊涛，唐风娣，刘振兴

(1 肇庆医学高等专科学校，广东 肇庆 526070；2 中北大学，山西 太原 030051)

氧氟沙星是第二代氟喹诺酮类广谱抗菌药物，具有较强的生物活性[1]。目前被广泛用于治疗各种细菌感染，其抗菌作用较强, 能够抑制大多数细菌[2-5]。氧氟沙星是手性化合物，有R-氧氟沙星和S-氧氟沙星两种构型，其中S型的抗菌性能(针对革兰阴性菌和阳性菌)是其对映体R型的8～128倍[6-8]，在临床治疗、畜牧业、家禽养殖中广泛使用[9-11]。因此，对氧氟沙星的分离十分必要。目前，氧氟沙星的分离方法有高效液相色谱法[12-15]、毛细管电泳法[16-18]、溶液萃取法[19]、共结晶法拆分法[20-21]、分子印迹法[22-24]。

本文通过分子设计，凭借功能单体丙烯酰胺(AM)与S型氧氟沙星存在的分子间可能的氢键或者静电作用，在聚苯乙烯微球(PSA)表面通过自由基聚合反应制备氧氟沙星吸附材料。并考察了主要因素对接枝聚合的影响，研究了其对氧氟沙星的吸附特性，为制备新型分子印迹功能复合微粒提供了理论参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：伯胺树脂微球，西安蓝深材料有限公司；丙烯酰胺，天津市登峰化学试剂厂；N-N二甲基甲酰胺(DMF)，天津市光复科技发展有限公司；二甲基亚砜，天津市大茂化学试剂厂；氧氟沙星，国药试剂公司；过硫酸铵，天津市大茂化学试剂厂。

仪器：AL104电子天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；THZ-82水浴恒温振荡器，常州润华电器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵，河南省予华仪器有限公司；DZF-6020 型真空干燥箱，巩义市予华仪器有限责任公司；FTIR-7600S红外光谱仪，天津分析仪器；UV/VIS-2802紫外分光光度计，上海Unic有限公司。

1.2 PAM/PSA的制备及表征

1.2.1 功能微粒的制备

在1 g干燥的伯胺树脂微球置于50 mL N,N-二甲基甲酰(DMF)溶液，于室温下浸泡12 h，之后对微球进行洗涤并抽滤，于真空烘箱中进行干燥，即可得活化微球。将0.4 g活化微球置于100 mL的四口烧瓶中，并加入50 mL乙醇溶剂、10 mL质量分数11.01%的丙烯酰胺(AM)，排除空气，搅拌加热。30 ℃时，加入0.400 g引发剂过硫酸铵，反应8 h后，用蒸馏水反复洗涤，真空干燥24 h，制得接枝微粒PAM/PSA。

1.2.2 接枝微粒PAM/PSA的表征

按照公式(1)计算PAM/PSA表面单体接枝度(mg·g-1)。

(1)

式中：GD——接枝度，mg·g-1

m0——接枝前的质量，g

m——接枝后的质量，g

通过KBr压片法对接枝微粒PAM/PSA进行红外光谱分析，表征化学结构；通过扫描电镜(SEM)测定接枝前后表面形貌的变化。

1.2.3 主要因素对PAM/PSA接枝度的影响

为了确定优化制备接枝微粒PAM/PSA的条件，控制其它因素不变，然后分别研究了溶剂的影响，温度的影响，单体用量和引发剂用量对功能微粒聚合度的影响。采用称量法，测定其在不同条件下的接枝度，分析4种主要因素对其接枝度的影响，确定制备接枝微粒PAM/PSA的最佳条件。

1.3 考察功能接枝微粒PAM/PSA对氧氟沙星的吸附作用

1.3.1 氧氟沙星标准曲线测定

配置具有梯度变化浓度的氧氟沙星溶液，在299.0 nm用紫外光谱法测定[25]不同浓度待测溶液的吸光度。在紫外可见光谱最大吸收波长处，测定不同浓度氧氟沙星的吸光度，绘制标准曲线。

1.3.2 吸附动力学曲线的测定

配制浓度为0.004 g·L-1的氧氟沙星溶液，然后量取25 mL的氧氟沙星标准溶液置于若干锥形瓶中，分别加入0.05 g接枝微粒作为吸附材料，从标准溶液中移取25 mL溶液于锥形瓶中，在水浴恒温振荡器中进行吸附试验，每隔半小时取出一个锥形瓶，离心后取上清液测其紫外吸光度。按公式(2)[26]计算得出功能微粒对氧氟沙星的吸附量(Q)，以(Q)为纵坐标，时间(t)为横坐标绘制动力学曲线，通过曲线可以得到吸附平衡的时间。

(2)

式中：Q——目标物质的吸附量，mg·g-1

V——测定溶液的体积，mL

C0——目标物质的的初始浓度，g·L-1

Ct——时间为t时目标物质的浓度，g·L-1

m——功能微粒PAM/PSA的质量，g[27]

1.3.3 吸附等温线的测定

在0.002～0.008 g·L-1范围内配制一系列浓度变化的氧氟沙星溶液，分别移取25 mL浓度不同的氧氟沙星溶液，置于100 mL的锥形瓶中，分别加入0.0500 g的PAM/PSA微粒，另取相同体积的氧氟沙星溶液做对比空白，所有样品于30 ℃下恒温振荡吸附3 h后，离心分离吸取上层部分清液，利用紫外光谱仪测定其吸光度，由式(2)可以计算得出其平衡吸附浓度，以此绘制等温吸附曲线。

1.3.4 温度对接枝微粒吸附的影响

重复上述步骤，分别在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下进行吸附等温线的测定。根据式(2)计算相应的的浓度与吸附量，绘制不同温度下的吸附曲线，得出最佳吸附温度。

1.3.5 pH对接枝微粒吸附的影响

配制浓度梯度为0.002～0.008 g/L的氧氟沙星溶液，调溶液的pH值为2.2，3，4，5，6，然后量取25 mL的氧氟沙星标准溶液置于若干50 mL锥形瓶中，分别加入0.05 g接枝微粒作为吸附材料，再移取25 mL溶液倒入空的锥形瓶中，封口。在恒温水浴振荡器30 ℃中振荡3 h，进行紫外光谱分析确定其吸光度。同1.3.2利用公式2得出功能微粒PAM/PSA对目标物质氧氟沙星的吸附量，再以吸附量(Q)为纵坐标，以浓度(c)为横坐标绘制等温吸附线，来测定不同pH值下的平衡吸附量与平衡浓度的关系曲线。

2 结果与讨论

2.1 微粒表征

2.1.1 接枝微粒PAM/PSA的红外表征

图1是2种微粒的红外光谱图。上面的曲线是PSA的红外谱图，下面的是接枝微粒PAM/PSA的红外谱图，在红外光谱图1中可以看出1640 cm-1处为酰胺羰基得伸缩振动吸收峰，在1546 cm-1处出现了一个特征吸收峰是仲胺中N-H键的面内振动吸收峰，上述特征峰的出现说明伯胺树脂球表面单体AM已发生了接枝聚合，形成了功能微粒PAM/PSA。

图1 PSA、PAM/PSA的红外光谱Fig.1 Infrared spectra of PSA, PAM/PSA

2.1.2 扫描电子显微镜(SEM)表征

图2为PAM和PAM/PSA的扫描电镜图。从图2可以看出，接枝前聚苯乙烯微球PSA表面比较光滑，而截止微粒PAM/PSA表面却凹凸不平，原因是单体丙烯酰胺通过自由基聚合接枝在PSA表面，因此使得PAM/PSA表面显得粗糙不平。

图2 PSA、PAM/PSA的扫描电镜图片Fig.2 SEM Picture of PSA, PAM/PSA

2.2 影响表面引发接枝聚合的主要因素

2.2.1 溶剂介质的影响

溶剂对接枝度的影响如图3所示，当其他条件都相同时，反应介质为乙醇时，单体在聚苯乙烯微球上的接枝度是最大的，根据以往实验结果分析，在以乙醇为媒介的环境中，被吸附物质氧氟沙星中的羧基与功能单体AM的相互作用主要以氢键作用为主。同时存在较小的静电作用，而在别的介质中例如“水”或者“二甲基亚砜”以及“1，2-二氯乙烷”中，其氢键作用较小[28]，故确定乙醇为最佳溶剂。

图3 溶剂对接枝聚合的影响Fig.3 Effect of solvent on graft polymerization

2.2.2 单体用量的影响

图4是在其它条件一定的情况下，接枝度随溶液中单体的用量的变化曲线。由图中数据可以得出以下结论：纵坐标GD的数值受AM的用量影响，规律为增加-减小，单体浓度为11.01时达到最大值，大小为476389 mg·g-1。主要是因为高分子聚合反应在单体浓度较小时反应速率会比较慢，而后由于单体反应浓度的不断增大，高分子聚合反应速率也在加快，聚合度自然同时增加。然而在单体质量浓度超过11.01%之后，由于高分子聚合反应的速率太快，会在反应基质表面形成一层聚合物阻隔层，使得反应的无法继续进行，因此会使得速率变缓，聚合度减小。所以本文认为，反应物单体浓度为11.01%时GD最大[27]。

图4 单体对接枝聚合的影响Fig.4 Effect of monomer concentration on graft polymerization

2.2.3 引发剂用量的影响

图5 引发剂对接枝聚合的影响Fig.5 Effect of initiator dosage on graft polymerization

图5为反应8 h，功能单体的聚合度GD受过硫酸铵用量的影响关系图。由图5数据可以发现，由于过硫酸铵用量的增大，功能微粒的聚合度变化规律为先増后减[29]，在过硫酸铵的加入0.43 g(其用量是AM的8.80%)，聚合度为310.79 mg·g-1达到最大。而加入量小于0.43 g时，会使高分子自由基聚合反应中的自由基数量减少，结果使得聚合度下降；反之聚合度增加[27]。当引发剂用量大于0.43 g后，接枝聚合速率太快，致使微粒表面接枝聚合速率太快形成成了比较致密聚合物阻隔层，从而阻断了聚合反应[29]。因此，最适宜的引发剂用量为0.43 g。

2.2.4 温度的影响

图6为聚合反应时长为8 h，功能微粒聚合度受温度的影响图，由图6中数据变化可以看出聚合度随温度的升高呈现先升后降的规律，在30 ℃时聚合度可以达到顶峰，其数值为470.5 mg·g-1。由于本实验中高分子自由基引发接枝聚合需要一个氧化还原引发体系，而本实验中的PSA表面的氨基和过硫酸铵所组成的体系就是起到这样一个引发体系的作用，该体系在较低温度下，接枝聚合速率会随着温度的升高使得氧化还原的引发反应速率加快而加快，由图6中数据看出，30 ℃时为聚合度达到最大值，但是当反应温度大于30 ℃时，体系中引发剂的热分解速率也会变快，从而会使得过硫酸铵减少，聚合度也随之降低[29]。因此，30 ℃为制备PAM/PSA微粒的最适宜温度。

图6 温度对接枝聚合的影响Fig.6 Effect of Temperature on degree of grafting

2.3 功能接枝微粒PAM/PSA与氧氟沙星之间的相互作用

2.3.1 功能微粒PAM/PSA对氧氟沙星的吸附原理

图7为PAM/PSA对氧氟沙星的吸附机理。

图7 PAM/PSA对氧氟沙星的吸附原理图Fig.7 Adsorption mechanism of L-glutamic acid by PAM/PSA

2.3.2 接枝微粒PAM/PSA对氧氟沙星吸附的动力学曲线

图8是接枝微粒PAM/PSA对氧氟沙星吸附的动力学曲线。由图8可以看出，所制得的功能微粒 PAM/PSA对氧氟沙星的吸附量根据时间不同而有所变化，经过3 h后，基本达到吸附平衡。达到吸附平衡的时间为3 h，平衡吸附量约为109 mg·g-1。

图8 PAM/PSA吸附氧氟沙星的动力学吸附Fig.8 Kinetics curve of PAM/PSA for ofloxacin

2.3.3 接枝微粒AM/PSA对氧氟沙星的等温吸附曲线

图9所示是接枝微粒PAM/PSA对氧氟沙星的等温吸附曲线。从图9可知，接枝微粒PAM/PSA对氧氟沙星的吸附随着氧氟沙星浓度的增加而增加，产生这种现象的原因是目标产物与功能单体之间的相互作用力导致的，本实验中功能微粒上的氨基与目标物质氧氟沙星之间存在氢键和静电双重作用[27]。当吸附浓度为0.5 g/L时，可以看出吸附量达到平衡，数值为113 mg·g-1。

图9 PAM/PSA吸附氧氟沙星的等温吸附Fig.9 Adsorption isotherm of PAM/PSA for ofloxacin

2.3.4 pH值对接枝微粒PAM/PSA对氧氟沙星吸附性能的影响

图10 在不同pH条件下PAM/PSA对氧氟沙星的吸附等温线Fig.10 The adsorption isotherm of PAM/PSA to ofloxacin under different pH conditions

图10为不同pH条件下PAM/PSA微粒对氧氟沙星的吸附等温线。由图10可知功能接枝微粒PAM/PSA吸附氧氟沙星的量随着pH的增加先增加后减少。吸附量在pH为3的时候达到了最大为100 mg·g-1。首先我们知道，随着pH的增加，氧氟沙星的羧基电离度增加，此时功能微粒中的氨基和目标物质氧氟沙星之间静电作用力有所增大。然而，由于两者间也存在氢键作用，在当体系的pH小于3时，由于被吸附物质中的羧基官能团电离度比较小，此时的作用力主要是氢键。反之体系pH大于3，氢键作用力会变小，使得Qe也变小[27]。

2.3.5 温度对接枝微粒PAM/PSA吸附性能的影响

图11为不同温度下接枝PAM/PSA微粒对氧氟沙星溶液的等温吸附线。从图11数据可以得出以下规律，功能微粒对目标物质氧氟沙星的吸附量受温度影响是先升后降，这是由于功能微粒中的氨基和目标物质中的羧基官能团之间由静电和氢键两种作用力，在两种作用力的协同效应下出现上述规律。在35 ℃时 PPAM/PSA微粒与氧氟沙星之间的作用力最强[27]，吸附量最大为102.5 mg·g-1。

图11 在不同温度下PAM/PSA对氧氟沙星的吸附等温线Fig.11 Adsorption isotherm of PAM/PSA to ofloxacin at different temperatures

3 结 论

采用自由基聚合法，将丙烯酰胺接枝在聚苯乙烯伯胺微球表面，制备了接枝微粒PAM/PSA。在接枝聚合过程中，微球表面所形成的接枝聚合物层会形成动力学位垒，阻碍接枝聚合的继续进行；反应温度过高，或引发剂用量过大，会在伯胺微球表面形成致密的聚合物阻隔层，阻碍接枝聚合的进行，使接枝度降低。当反应温度为30 ℃，单体质量分数为总溶液的11.01%，引发剂过硫酸铵用量为0.43 g时，接枝率最大，为476.9 mg·g-1。

通过对吸附条件的探讨，接枝微粒PAM/PSA在温度30 ℃、pH=3的溶液中，对浓度范围在0.2～0.8 g·L-1的氧氟沙星溶液吸附3 h时，PAM/PSA对氧氟沙星的吸附量达到最大为118 mg·g-1。