丙烯酰胺磁性接枝微粒的制备及其对氨氯地平吸附性能的研究*

李丽荣，李延斌，胡译之，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)

氨氯地平，作为第三代二氢吡啶钙通道阻滞剂，用于治疗高血压及冠状动脉疾病[1-2]。氨氯地平具有S型和R型两种对映体，这两种构型对钙通道受体有不同的拮抗作用[3]。研究表明，S型的钙通道阻滞活性是R型的1000倍[4]，而R型会刺激静脉血管中一氧化氮的释放，减少心脏组织的耗氧量[5-6]。因此，S-氨氯地平是发挥降压作用的主要成分且不会产生外消旋体药物的不良反应[3]，而R-氨氯地平会产生水肿、心悸等不良反应。为提高药物的药效，减少药物的不良反应，对氨氯地平的手性拆分十分必要。目前，氨氯地平的分离方法有高效液相色谱[1,7-8]、共结晶拆分法[1]、毛细管电泳法[1]、电化学分离法[9]和分子印迹拆分法[1,7,10]，但这些分离方法有一定的缺陷。

Fe3O4磁性纳米材料是一种新型的的功能纳米吸附材料，因其良好的超顺磁性和独特的表面、尺寸效应[11]，广泛应用于食品[12]、化学[13-14]、环境[15-16]及生物医学[17]领域。但纯的Fe3O4磁性纳米材料易氧化团聚、稳定性差[18]，需要对Fe3O4磁性纳米微粒进行表面修饰[19]。本课题通过对Fe3O4磁性纳米材料表面修饰，制备了一种用于吸附氨氯地平的磁性纳米功能材料。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

试剂：氨氯地平，上海麦克林试剂厂；S-氨氯地平，上海麦克林试剂厂；丙烯酰胺(AM)，天津市登峰化学试剂厂；过硫酸铵，天津市大茂化学试剂厂。六水合三氯化铁，天津市大茂化学试剂厂；无水乙醇，天津市大茂化学试剂厂；乙二醇，天津市凯通化学试剂有限公司；乙二胺，天津市凯通化学试剂有限公司；正硅酸四乙酯(TEOS)，国药集团化学试剂有限公司；3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)，上海阿拉丁试剂有限公司。(以上试剂均为AR)。

仪器：FTIR-7600S 红外光谱仪，天津分析仪器；Merlin Compact 扫描电子显微镜，德国蔡司；LakeShore7404 振动样品磁强计，美国Lake Shore公司；STA-2500 同步热分析仪，德国耐驰；UV/VIS-2802 紫外分光光度计，上海Unic有限公司。

1.2 Fe3O4@SiO2-PAM的制备及表征

1.2.1 Fe3O4的制备

将5.0 g三氯化铁溶于100 mL乙二醇中，再加入15.0 g乙酸钠和50 mL乙二胺，搅拌30 min后，转移至高压反应釜中， 200 ℃下反应8 h反应结束，用洗脱液反复清洗，在60 ℃下真空干燥，即可制得Fe3O4微粒。

1.2.2 Fe3O4的表面修饰

首先对磁性材料Fe3O4进行表面修饰：在500 mL四口烧瓶中加入1.5 g新制备的Fe3O4，依次加入60 mL去离子水、240 mL乙醇和15.0 mL氨水，搅拌下加入6.0 mL正硅酸四乙酯(TEOS)，室温搅拌12 h，可得二Fe3O4@SiO2磁性纳米微粒。利用硅烷偶联剂对Fe3O4@SiO2进行键合氨基官能团：烧杯中加入76 mL去离子水、300 mL乙醇、10 mL KH550，30 min后将其转移到已放有5 g磁性纳米颗粒Fe3O4@SiO2的四口烧瓶中，50 ℃下反应24 h。反应产物用无水乙醇充分洗涤，即可得Fe3O4@SiO2-NH2。

1.2.3 Fe3O4@SiO2-PAM的制备

在100 mL的四口烧瓶中加入0.4 g Fe3O4@SiO2-NH2磁性纳米微粒，并向其中加入50 mL乙醇溶液和10 mL丙烯酰胺单体(质量分数为12%)。通入30 min氮气后升温，达到40 ℃后加入0.1 g引发剂，恒温下反应8 h结束，在外磁场作用下使微粒与溶液分离，并反复洗涤，真空干燥24 h至恒重，即制得Fe3O4@SiO2-PAM。

1.2.4 Fe3O4@SiO2-PAM的表征

FTIR：对Fe3O4@SiO2-PAM样品进行FTIR测试，以确认其化学结构；SEM：采用扫描电子显微镜对Fe3O4@SiO2-PAM的形貌进行分析。磁性检测：利用振动样品磁强计测定Fe3O4@SiO2-PAM的磁滞回线并通过外部磁铁检测其磁性。TGA：采用热重分析法测定Fe3O4@SiO2-PAM表面PAM的接枝度。

1.2.5 考察不同条件对Fe3O4@SiO2-PAM接枝度的影响

其它因素不变，分别改变反应体系的溶剂、温度以及单体丙烯酰胺和引发剂过硫酸铵用量，制备 Fe3O4@SiO2-PAM，测定在不同条件下的接枝度，分析主要因素对其接枝度的影响，确定制备 Fe3O4@SiO2-PAM的条件。

1.3 Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附作用

1.3.1 吸附动力学曲线的测定

量取25 mL的S-氨氯地平标准溶液置于若干加入0.05 g Fe3O4@SiO2-PAM的50 mL锥形瓶中，量取25 mL的S-氨氯地平标准溶液置于若干50 mL锥形瓶中，将两组锥形瓶置于恒温振荡器中。在30 ℃下每0.5 h取出一个锥形瓶，用紫外分光光度计在360 nm处测其上清液紫外吸收强度，并计算其浓度。按照公式1计算Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附量，绘制吸附量Q与时间t的关系曲线图，得吸附动力学曲线，确定吸附饱和时间。

(1)

式中，Q是Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附量,mg/g；V是S-氨氯地平溶液体积,mL；C0是吸附前S-氨氯地平溶液的初始浓度,g/L；Ct是吸附时间为t时S-氨氯地平溶液的浓度,g/L；m是Fe3O4@SiO2-PAM的质量,g。

1.3.2 吸附等温线的测定

配置浓度梯度为0.01～0.065 g/L的S-氨氯地平乙醇溶液，分别移取25 mL置于6个加入0.05 g Fe3O4@SiO2-PAM的50 mL锥形瓶中，另取25 mL置于6个空的锥形瓶中做空白对照，将两组锥形瓶置于恒温振荡器中。在30 ℃下恒温振荡3.5 h，吸附结束后静置分离取上清液，在360 nm处测紫外吸收强度，并计算其浓度。按照公式(1)计算Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附量，绘制吸附量Q与浓度C的关系曲线图，得到吸附等温曲线。

1.3.3 主要因素对Fe3O4@SiO2-PAM吸附作用的影响

为了评估磁性接枝微粒吸附性能，控制其它因素不变，然后分别改变反应体系温度、pH值以及盐浓度，考察磁性接枝微粒的吸附量，按照公式1计算Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附量，绘制不同温度下的吸附等温曲线，考察主要因素对吸附作用的影响。

1.3.4 测定Fe3O4@SiO2-PAM的重复使用率

用乙醇溶液将已发生吸附的接枝微粒洗涤烘干1～6次后，再对S-氨氯地平进行吸附并测定其吸附量，考察Fe3O4@SiO2-PAM的重复使用率。

2 结果与讨论

2.1 Fe3O4@SiO2-PAM的表征

2.1.1 FTIR

图1为Fe3O4@SiO2-NH2和Fe3O4@SiO2-PAM的红外光谱图。在Fe3O4@SiO2-NH2的红外光谱中692 cm-1处和1546 cm-1出现了两个特征吸收峰峰，分别为氨基的弯曲振动吸收峰和仲胺中N-H键的面内振动吸收峰，这两个特征吸收峰来自偶联剂KH550的单体单元，这说明已经成功制备出Fe3O4@SiO2-NH2。与Fe3O4@SiO2-NH2相比，1640 cm-1处和1546 cm-1出现的吸收峰分别为功能单体丙烯酰胺中羰基得伸缩振动吸收峰和伯胺中C-N键的振动吸收峰，这两个特征吸收峰说明功能单体AM已经接枝在Fe3O4@SiO2-NH2上，已成功制备出Fe3O4@SiO2-PAM。

图1 Fe3O4@SiO2-NH2、Fe3O4@SiO2-PAM的红外光谱图Fig.1 Infrared spectrum of Fe3O4@SiO2-NH2, Fe3O4@SiO2-PAM

2.1.2 SEM

图2为Fe3O4和Fe3O4@SiO2-PAM的扫描电镜图。从图2(a)和2(c)中可看出，Fe3O4为球形且分散均匀，微粒表面光滑。而图2(b)和2(d)中，磁性接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM的直径尺寸变大，出现团聚现象且表面粗糙，这是由于磁性纳米Fe3O4@SiO2表面发生接枝聚合形成大分子链PAM造成的。

图2 Fe3O4(a,c)和Fe3O4@SiO2-PAM(b,d)的扫描电镜图Fig.2 Scanning electron microscopy of Fe3O4(a,c) and Fe3O4@SiO2-PAM(b,d)

2.1.3 VSM

图3为Fe3O4、Fe3O4@SiO2-PAM和Fe3O4@SiO2-PAM的磁滞回归曲线图。从图3中可以看出，Fe3O4@SiO2-PAM和Fe3O4@SiO2-PAM的磁强度随着外加磁场的增大呈先增大后趋于饱和的趋势，Fe3O4的磁饱和强度为80.36 emu/g，Fe3O4@SiO2-PAM的磁饱和强度为52.42 emu/g。相较于Fe3O4接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM的磁性减弱，其原因是Fe3O4@SiO2-PAM是在包覆有SiO2的磁性纳米微粒Fe3O4表面发生接枝聚合，形成大分子PAM导致磁性减弱。但两者的磁滞回曲线接近S型，说明粒Fe3O4和Fe3O4@SiO2-PAM具有良好的磁性。

图3 磁性纳米微粒Fe3O4和磁性接枝微粒 Fe3O4@SiO2-PAM的磁滞回归曲线Fig.3 Hysteresis regression curve of magnetic nanoparticles Fe3O4 and Magnetic imprinted materialsFe3O4@SiO2-PAM

图4(a)中黑色粉末为Fe3O4@SiO2-PAM。图4(b)中两个安培瓶中都为同一个瓶子在有无磁场作用下的现象，可以看出右侧瓶子中的Fe3O4@SiO2-PAM在外部磁铁作用下有效的与水分离，表明材料具有良好的磁响应性。

图4 磁性接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM(a)和 接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM磁性检测(b)Fig.4 Magnetic imprinted materials Fe3O4@SiO2-PAM(a) and magnetic detection of Fe3O4@SiO2-PAM(b)

2.1.4 TGA

图5为Fe3O4@SiO2-PAM的热失重谱图。从图5中可得出，在213 ℃开始发生明显热分解，在907 ℃热分解基本结束，失重率为17.68%，即Fe3O4@SiO2-PAM的接枝度为17.68 g/100 g。

图5 Fe3O4@SiO2-PAM的热失重谱图Fig.5 Thermogravimetric spectra of magnetically grafted particles Fe3O4@SiO2-PAM

2.2 主要因素对Fe3O4@SiO2-PAM接枝度的影响

2.2.1 溶剂的影响

溶剂对接枝度的影响如图6所示，溶剂为乙醇时，接枝度最高，其因可能是羧酸在乙醇中电离度大且Fe3O4@SiO2-PAM与乙醇溶剂中羧基的氢键作用较强，但羧酸在水溶液中电离度比较小，而且在其他有机溶剂例如“甲醇”、“二氯乙烷”中其氢键作用较小，所以乙醇为最佳溶剂。

图6 溶剂对接枝度的影响Fig.6 Effect of solvent on graft degree

2.2.2 反应温度的影响

图7为Fe3O4@SiO2-PAM接枝度随温度变化的曲线图，由图7可得，在其他条件不变时，随着反应温度的升高，接枝度呈现先增大，达到最大值后再减小的趋势，当温度为40 ℃时最大接枝度为138.9 mg/g。这是由于Fe3O4@SiO2-NH2表面的氨基与过硫酸铵所形成的氧化-还原引发体系中，随着反应温度的升高，引发剂分解和生成自由基这两个反应的活化能越低，反应速率越快。当反应温度达到40 ℃，过硫酸铵分解速度与自由基形成速率达到最大，Fe3O4@SiO2-PAM接枝度达到最大值。反应体系温度超过40 ℃时，溶液中的引发剂发生热分解，抑制了Fe3O4@SiO2-NH2表面的氨基与过硫酸铵的反应，从而导致了反应速率下降，Fe3O4@SiO2-PAM的接枝度减小。

图7 温度对接枝度的影响Fig.7 Effect of temperature on graft degree

2.2.3 单体用量的影响

图8为Fe3O4@SiO2-PAM接枝度随单体用量变化的曲线图，由图8可知，在其它反应条件一定的情况下，接枝度随单体的质量分数的增加呈先增加后减小的规律，当单体的质量分数为11.9%时接枝度最大为157.8 mg/g。其原因是随着单体浓度的增加，Fe3O4@SiO2-NH2表面的氨基自由基与单体反应速率加快，Fe3O4@SiO2-PAM接枝度增加。当单体质量分数超过11.9%时，聚合速率太快，在Fe3O4@SiO2-NH2表面形成聚合物阻隔层，阻止了聚合反应的进行，使接枝度降低。

图8 单体用量对接枝度的影响Fig.8 Effect of monomer concentration on graft degree

2.2.4 引发剂的影响

图9为Fe3O4@SiO2-PAM接枝度随引发剂用量变化的曲线图，由图9中可得出，Fe3O4@SiO2-PAM的接枝度随引发剂用量的增加呈先增大后减小的趋势，当引发剂量为0.13 g时接枝度最大为176.8 mg/g。原因是体系中引发剂用量较低时，氧化-还原反应速率较低，随着引发剂的增加，Fe3O4@SiO2-NH2表面产生自由基速率加快，接枝聚合反应速率加快。当引发剂大于0.13 g后，聚合速率太快，在Fe3O4@SiO2-NH2表面形成了致密的阻隔层，从而阻断了聚合应。

图9 引发剂用量对接枝度的影响Fig.9 Effect of monomer concentration on graft degree

2.3 磁性接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM对氨氯地平之间的相互作用

2.3.1 磁性接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附原理

图10 Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附原理图Fig.10 Adsorption schematic diagram of S-Amlodipine by Fe3O4@SiO2-PAM

2.3.2 Fe3O4@SiO2-PAM吸附动力学曲线的测定

图11为Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的动力学吸附曲线图，从图11中可以得到，Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的量随着时间的增加而递增，当吸附时间达到3.5 h后，吸附量基本不变，只在小范围的波动，表明吸附已达到平衡。吸附饱和时间为3.5 h，饱和吸附量约为241 mg/g。

图11 Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的动力学吸附Fig.11 Kinetic adsorption of S-Amlodipine by Fe3O4@SiO2-PAM

2.3.3 Fe3O4@SiO2-PAM等温吸附曲线的测定

图12为Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的等温吸附曲线图，从图12中可知，吸附随着S-氨氯地平浓度的增加呈增加趋势。Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附作用主要是由于Fe3O4@SiO2-PAM与S-氨氯地平之间的氢键与静电作用引起的。当S-氨氯地平浓度达到4.85 g/L时吸附达到平衡，吸附量为241 mg/g。

图12 Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的等温吸附曲线Fig.12 Isotherm adsorption curve of S-Amlodipine by Fe3O4@SiO2-PAM

2.3.4 温度对Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平性能的影响

图13为Fe3O4@SiO2-PAM在不同温度下对S-氨氯地平的等温吸附曲线图。从图13中可知磁性接枝微粒e3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附量随着反应温度的升高，先增大后减小。影响Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平吸附量的主要作用力是Fe3O4@SiO2-PAM与氨氯地平之间的的氢键作用和静电作用，这两种作用都是化学吸附且为放热过程，当吸附温度高于30 ℃时，由于吸附温度和反应本身的放热作用导致吸附量降低。

图13 不同温度下Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的 等温吸附曲线Fig.13 Isotherm adsorption curve of Fe3O4@SiO2-PAM for S-Amlodipine at different temperatures

2.3.5 pH值对Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平性能的影响

图14为Fe3O4@SiO2-PAM在不同pH值的条件下对S-氨氯地平溶液的等温吸附曲线图。从图14中可看出Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附量随着溶液pH值的升高而增大，达到最大吸附量时在减小。当S-氨氯地平溶液pH为7时，吸附量达到了最大为241 mg/g。首先，随着溶液pH值增大，氨氯地平中羧基电离度增大，Fe3O4@SiO2-PAM与S-氨氯地平间静电作用增强。但两者之间也存在氢键作用，pH小于7时，氨氯地平溶液中羧基电离度很小，Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附作用主要是由氢键作用引起的。当pH大于7时，两者之间的的氢键作用变小，吸附作用变小，平衡吸附量就变小。

图14 不同pH值下Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的 等温吸附曲线Fig.14 Isotherm adsorption curve of Fe3O4@SiO2-PAM for S-Amlodipine at different pH values

2.3.6 盐浓度对Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平性能的影响

图15为Fe3O4@SiO2-PAM在不同盐浓度的条件下对S-氨氯地平溶液的等温吸附曲线图。从图15中可看出Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附量随着盐浓度的增大而减小。这是由于氨氯地平分子带负电荷，Fe3O4@SiO2-PAM表面带有正电荷，当加入NaCl溶液时，Na+构成的离子氛对S-氨氯地平分子所带负电荷产生屏蔽作用，Cl-会影响Fe3O4@SiO2-PAM表面具有的双电层结构，从而减弱Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平的吸附作用，使得吸附量减少。另一种原因是随着盐浓的增加聚电解质效应使Fe3O4@SiO2-PAM表面的PAM大分子链变得蜷缩，吸附位点被包裹，导致吸附量降低。

图15 不同盐浓度下Fe3O4@SiO2-PAM对 S-氨氯地平的等温吸附曲线Fig.15 Isotherm adsorption curve of Fe3O4@SiO2-PAM for S-Amlodipine at different salinity

2.3.7 Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平吸附的重复使用性的测定

Fe3O4@SiO2-PAM对S-氨氯地平吸附的重复使用性见图16，从图16中可得出Fe3O4@SiO2-PAM在经过5次洗脱后，吸附容量为96.9 mg/g，说明重复使用性较高，重复使用率为96.7%。

图16 Fe3O4@SiO2-PAM吸附的重复使用性Fig.16 Reusability of grafted particulate Fe3O4@SiO2-PAM adsorption

3 结 论

本文采用自由基聚合法，将功能单体丙烯酰胺(AM)接枝于改性后的Fe3O4磁性纳米微粒表面，制备了对S-氨氯地平有吸附性能的磁性接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM。通过考擦主要因素对接枝聚合的影响，制备出接枝率最大为176.8 mg/g的磁性接枝微粒。该磁性接枝微粒对S-氨氯地平有较强的吸附作用，吸附量达241 mg/g，重复使用性高，是分离S-氨氯地平较理想的一种物质。