丙烯酰胺磁性接枝微粒的制備及其對氨氯地平吸附性能的研究*

李麗榮，李延斌，胡譯之，李俊濤，唐風(fēng)娣，劉振興

(1 肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，廣東 肇慶 526070；2 中北大學(xué)，山西 太原 030051)

氨氯地平，作為第三代二氫吡啶鈣通道阻滯劑，用于治療高血壓及冠狀動脈疾病[1-2]。氨氯地平具有S型和R型兩種對映體，這兩種構(gòu)型對鈣通道受體有不同的拮抗作用[3]。研究表明，S型的鈣通道阻滯活性是R型的1000倍[4]，而R型會刺激靜脈血管中一氧化氮的釋放，減少心臟組織的耗氧量[5-6]。因此，S-氨氯地平是發(fā)揮降壓作用的主要成分且不會產(chǎn)生外消旋體藥物的不良反應(yīng)[3]，而R-氨氯地平會產(chǎn)生水腫、心悸等不良反應(yīng)。為提高藥物的藥效，減少藥物的不良反應(yīng)，對氨氯地平的手性拆分十分必要。目前，氨氯地平的分離方法有高效液相色譜[1,7-8]、共結(jié)晶拆分法[1]、毛細管電泳法[1]、電化學(xué)分離法[9]和分子印跡拆分法[1,7,10]，但這些分離方法有一定的缺陷。

Fe3O4磁性納米材料是一種新型的的功能納米吸附材料，因其良好的超順磁性和獨特的表面、尺寸效應(yīng)[11]，廣泛應(yīng)用于食品[12]、化學(xué)[13-14]、環(huán)境[15-16]及生物醫(yī)學(xué)[17]領(lǐng)域。但純的Fe3O4磁性納米材料易氧化團聚、穩(wěn)定性差[18]，需要對Fe3O4磁性納米微粒進行表面修飾[19]。本課題通過對Fe3O4磁性納米材料表面修飾，制備了一種用于吸附氨氯地平的磁性納米功能材料。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

試劑：氨氯地平，上海麥克林試劑廠；S-氨氯地平，上海麥克林試劑廠；丙烯酰胺(AM)，天津市登峰化學(xué)試劑廠；過硫酸銨，天津市大茂化學(xué)試劑廠。六水合三氯化鐵，天津市大茂化學(xué)試劑廠；無水乙醇，天津市大茂化學(xué)試劑廠；乙二醇，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；乙二胺，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；正硅酸四乙酯(TEOS)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)，上海阿拉丁試劑有限公司。(以上試劑均為AR)。

儀器：FTIR-7600S 紅外光譜儀，天津分析儀器；Merlin Compact 掃描電子顯微鏡，德國蔡司；LakeShore7404 振動樣品磁強計，美國Lake Shore公司；STA-2500 同步熱分析儀，德國耐馳；UV/VIS-2802 紫外分光光度計，上海Unic有限公司。

1.2 Fe3O4@SiO2-PAM的制備及表征

1.2.1 Fe3O4的制備

將5.0 g三氯化鐵溶于100 mL乙二醇中，再加入15.0 g乙酸鈉和50 mL乙二胺，攪拌30 min后，轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中， 200 ℃下反應(yīng)8 h反應(yīng)結(jié)束，用洗脫液反復(fù)清洗，在60 ℃下真空干燥，即可制得Fe3O4微粒。

1.2.2 Fe3O4的表面修飾

首先對磁性材料Fe3O4進行表面修飾：在500 mL四口燒瓶中加入1.5 g新制備的Fe3O4，依次加入60 mL去離子水、240 mL乙醇和15.0 mL氨水，攪拌下加入6.0 mL正硅酸四乙酯(TEOS)，室溫攪拌12 h，可得二Fe3O4@SiO2磁性納米微粒。利用硅烷偶聯(lián)劑對Fe3O4@SiO2進行鍵合氨基官能團：燒杯中加入76 mL去離子水、300 mL乙醇、10 mL KH550，30 min后將其轉(zhuǎn)移到已放有5 g磁性納米顆粒Fe3O4@SiO2的四口燒瓶中，50 ℃下反應(yīng)24 h。反應(yīng)產(chǎn)物用無水乙醇充分洗滌，即可得Fe3O4@SiO2-NH2。

1.2.3 Fe3O4@SiO2-PAM的制備

在100 mL的四口燒瓶中加入0.4 g Fe3O4@SiO2-NH2磁性納米微粒，并向其中加入50 mL乙醇溶液和10 mL丙烯酰胺單體(質(zhì)量分數(shù)為12%)。通入30 min氮氣后升溫，達到40 ℃后加入0.1 g引發(fā)劑，恒溫下反應(yīng)8 h結(jié)束，在外磁場作用下使微粒與溶液分離，并反復(fù)洗滌，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：對Fe3O4@SiO2-PAM樣品進行FTIR測試，以確認其化學(xué)結(jié)構(gòu)；SEM：采用掃描電子顯微鏡對Fe3O4@SiO2-PAM的形貌進行分析。磁性檢測：利用振動樣品磁強計測定Fe3O4@SiO2-PAM的磁滯回線并通過外部磁鐵檢測其磁性。TGA：采用熱重分析法測定Fe3O4@SiO2-PAM表面PAM的接枝度。

1.2.5 考察不同條件對Fe3O4@SiO2-PAM接枝度的影響

其它因素不變，分別改變反應(yīng)體系的溶劑、溫度以及單體丙烯酰胺和引發(fā)劑過硫酸銨用量，制備 Fe3O4@SiO2-PAM，測定在不同條件下的接枝度，分析主要因素對其接枝度的影響，確定制備 Fe3O4@SiO2-PAM的條件。

1.3 Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附作用

1.3.1 吸附動力學(xué)曲線的測定

量取25 mL的S-氨氯地平標(biāo)準溶液置于若干加入0.05 g Fe3O4@SiO2-PAM的50 mL錐形瓶中，量取25 mL的S-氨氯地平標(biāo)準溶液置于若干50 mL錐形瓶中，將兩組錐形瓶置于恒溫振蕩器中。在30 ℃下每0.5 h取出一個錐形瓶，用紫外分光光度計在360 nm處測其上清液紫外吸收強度，并計算其濃度。按照公式1計算Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附量，繪制吸附量Q與時間t的關(guān)系曲線圖，得吸附動力學(xué)曲線，確定吸附飽和時間。

(1)

式中，Q是Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附量,mg/g；V是S-氨氯地平溶液體積,mL；C0是吸附前S-氨氯地平溶液的初始濃度,g/L；Ct是吸附時間為t時S-氨氯地平溶液的濃度,g/L；m是Fe3O4@SiO2-PAM的質(zhì)量,g。

1.3.2 吸附等溫線的測定

配置濃度梯度為0.01～0.065 g/L的S-氨氯地平乙醇溶液，分別移取25 mL置于6個加入0.05 g Fe3O4@SiO2-PAM的50 mL錐形瓶中，另取25 mL置于6個空的錐形瓶中做空白對照，將兩組錐形瓶置于恒溫振蕩器中。在30 ℃下恒溫振蕩3.5 h，吸附結(jié)束后靜置分離取上清液，在360 nm處測紫外吸收強度，并計算其濃度。按照公式(1)計算Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附量，繪制吸附量Q與濃度C的關(guān)系曲線圖，得到吸附等溫曲線。

1.3.3 主要因素對Fe3O4@SiO2-PAM吸附作用的影響

為了評估磁性接枝微粒吸附性能，控制其它因素不變，然后分別改變反應(yīng)體系溫度、pH值以及鹽濃度，考察磁性接枝微粒的吸附量，按照公式1計算Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附量，繪制不同溫度下的吸附等溫曲線，考察主要因素對吸附作用的影響。

1.3.4 測定Fe3O4@SiO2-PAM的重復(fù)使用率

用乙醇溶液將已發(fā)生吸附的接枝微粒洗滌烘干1～6次后，再對S-氨氯地平進行吸附并測定其吸附量，考察Fe3O4@SiO2-PAM的重復(fù)使用率。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4@SiO2-PAM的表征

2.1.1 FTIR

圖1為Fe3O4@SiO2-NH2和Fe3O4@SiO2-PAM的紅外光譜圖。在Fe3O4@SiO2-NH2的紅外光譜中692 cm-1處和1546 cm-1出現(xiàn)了兩個特征吸收峰峰，分別為氨基的彎曲振動吸收峰和仲胺中N-H鍵的面內(nèi)振動吸收峰，這兩個特征吸收峰來自偶聯(lián)劑KH550的單體單元，這說明已經(jīng)成功制備出Fe3O4@SiO2-NH2。與Fe3O4@SiO2-NH2相比，1640 cm-1處和1546 cm-1出現(xiàn)的吸收峰分別為功能單體丙烯酰胺中羰基得伸縮振動吸收峰和伯胺中C-N鍵的振動吸收峰，這兩個特征吸收峰說明功能單體AM已經(jīng)接枝在Fe3O4@SiO2-NH2上，已成功制備出Fe3O4@SiO2-PAM。

圖1 Fe3O4@SiO2-NH2、Fe3O4@SiO2-PAM的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of Fe3O4@SiO2-NH2, Fe3O4@SiO2-PAM

2.1.2 SEM

圖2為Fe3O4和Fe3O4@SiO2-PAM的掃描電鏡圖。從圖2(a)和2(c)中可看出，F(xiàn)e3O4為球形且分散均勻，微粒表面光滑。而圖2(b)和2(d)中，磁性接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM的直徑尺寸變大，出現(xiàn)團聚現(xiàn)象且表面粗糙，這是由于磁性納米Fe3O4@SiO2表面發(fā)生接枝聚合形成大分子鏈PAM造成的。

圖2 Fe3O4(a,c)和Fe3O4@SiO2-PAM(b,d)的掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron microscopy of Fe3O4(a,c) and Fe3O4@SiO2-PAM(b,d)

2.1.3 VSM

圖3為Fe3O4、Fe3O4@SiO2-PAM和Fe3O4@SiO2-PAM的磁滯回歸曲線圖。從圖3中可以看出，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM和Fe3O4@SiO2-PAM的磁強度隨著外加磁場的增大呈先增大后趨于飽和的趨勢，F(xiàn)e3O4的磁飽和強度為80.36 emu/g，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM的磁飽和強度為52.42 emu/g。相較于Fe3O4接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM的磁性減弱，其原因是Fe3O4@SiO2-PAM是在包覆有SiO2的磁性納米微粒Fe3O4表面發(fā)生接枝聚合，形成大分子PAM導(dǎo)致磁性減弱。但兩者的磁滯回曲線接近S型，說明粒Fe3O4和Fe3O4@SiO2-PAM具有良好的磁性。

圖3 磁性納米微粒Fe3O4和磁性接枝微粒 Fe3O4@SiO2-PAM的磁滯回歸曲線Fig.3 Hysteresis regression curve of magnetic nanoparticles Fe3O4 and Magnetic imprinted materialsFe3O4@SiO2-PAM

圖4(a)中黑色粉末為Fe3O4@SiO2-PAM。圖4(b)中兩個安培瓶中都為同一個瓶子在有無磁場作用下的現(xiàn)象，可以看出右側(cè)瓶子中的Fe3O4@SiO2-PAM在外部磁鐵作用下有效的與水分離，表明材料具有良好的磁響應(yīng)性。

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

2.1.4 TGA

圖5為Fe3O4@SiO2-PAM的熱失重譜圖。從圖5中可得出，在213 ℃開始發(fā)生明顯熱分解，在907 ℃熱分解基本結(jié)束，失重率為17.68%，即Fe3O4@SiO2-PAM的接枝度為17.68 g/100 g。

圖5 Fe3O4@SiO2-PAM的熱失重譜圖Fig.5 Thermogravimetric spectra of magnetically grafted particles Fe3O4@SiO2-PAM

2.2 主要因素對Fe3O4@SiO2-PAM接枝度的影響

2.2.1 溶劑的影響

溶劑對接枝度的影響如圖6所示，溶劑為乙醇時，接枝度最高，其因可能是羧酸在乙醇中電離度大且Fe3O4@SiO2-PAM與乙醇溶劑中羧基的氫鍵作用較強，但羧酸在水溶液中電離度比較小，而且在其他有機溶劑例如“甲醇”、“二氯乙烷”中其氫鍵作用較小，所以乙醇為最佳溶劑。

圖6 溶劑對接枝度的影響Fig.6 Effect of solvent on graft degree

2.2.2 反應(yīng)溫度的影響

圖7為Fe3O4@SiO2-PAM接枝度隨溫度變化的曲線圖，由圖7可得，在其他條件不變時，隨著反應(yīng)溫度的升高，接枝度呈現(xiàn)先增大，達到最大值后再減小的趨勢，當(dāng)溫度為40 ℃時最大接枝度為138.9 mg/g。這是由于Fe3O4@SiO2-NH2表面的氨基與過硫酸銨所形成的氧化-還原引發(fā)體系中，隨著反應(yīng)溫度的升高，引發(fā)劑分解和生成自由基這兩個反應(yīng)的活化能越低，反應(yīng)速率越快。當(dāng)反應(yīng)溫度達到40 ℃，過硫酸銨分解速度與自由基形成速率達到最大，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM接枝度達到最大值。反應(yīng)體系溫度超過40 ℃時，溶液中的引發(fā)劑發(fā)生熱分解，抑制了Fe3O4@SiO2-NH2表面的氨基與過硫酸銨的反應(yīng)，從而導(dǎo)致了反應(yīng)速率下降，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM的接枝度減小。

圖7 溫度對接枝度的影響Fig.7 Effect of temperature on graft degree

2.2.3 單體用量的影響

圖8為Fe3O4@SiO2-PAM接枝度隨單體用量變化的曲線圖，由圖8可知，在其它反應(yīng)條件一定的情況下，接枝度隨單體的質(zhì)量分數(shù)的增加呈先增加后減小的規(guī)律，當(dāng)單體的質(zhì)量分數(shù)為11.9%時接枝度最大為157.8 mg/g。其原因是隨著單體濃度的增加，F(xiàn)e3O4@SiO2-NH2表面的氨基自由基與單體反應(yīng)速率加快，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM接枝度增加。當(dāng)單體質(zhì)量分數(shù)超過11.9%時，聚合速率太快，在Fe3O4@SiO2-NH2表面形成聚合物阻隔層，阻止了聚合反應(yīng)的進行，使接枝度降低。

圖8 單體用量對接枝度的影響Fig.8 Effect of monomer concentration on graft degree

2.2.4 引發(fā)劑的影響

圖9為Fe3O4@SiO2-PAM接枝度隨引發(fā)劑用量變化的曲線圖，由圖9中可得出，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM的接枝度隨引發(fā)劑用量的增加呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)引發(fā)劑量為0.13 g時接枝度最大為176.8 mg/g。原因是體系中引發(fā)劑用量較低時，氧化-還原反應(yīng)速率較低，隨著引發(fā)劑的增加，F(xiàn)e3O4@SiO2-NH2表面產(chǎn)生自由基速率加快，接枝聚合反應(yīng)速率加快。當(dāng)引發(fā)劑大于0.13 g后，聚合速率太快，在Fe3O4@SiO2-NH2表面形成了致密的阻隔層，從而阻斷了聚合應(yīng)。

圖9 引發(fā)劑用量對接枝度的影響Fig.9 Effect of monomer concentration on graft degree

2.3 磁性接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM對氨氯地平之間的相互作用

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

圖10 Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附原理圖Fig.10 Adsorption schematic diagram of S-Amlodipine by Fe3O4@SiO2-PAM

2.3.2 Fe3O4@SiO2-PAM吸附動力學(xué)曲線的測定

圖11為Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的動力學(xué)吸附曲線圖，從圖11中可以得到，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的量隨著時間的增加而遞增，當(dāng)吸附時間達到3.5 h后，吸附量基本不變，只在小范圍的波動，表明吸附已達到平衡。吸附飽和時間為3.5 h，飽和吸附量約為241 mg/g。

圖11 Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的動力學(xué)吸附Fig.11 Kinetic adsorption of S-Amlodipine by Fe3O4@SiO2-PAM

2.3.3 Fe3O4@SiO2-PAM等溫吸附曲線的測定

圖12為Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的等溫吸附曲線圖，從圖12中可知，吸附隨著S-氨氯地平濃度的增加呈增加趨勢。Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附作用主要是由于Fe3O4@SiO2-PAM與S-氨氯地平之間的氫鍵與靜電作用引起的。當(dāng)S-氨氯地平濃度達到4.85 g/L時吸附達到平衡，吸附量為241 mg/g。

圖12 Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平的等溫吸附曲線Fig.12 Isotherm adsorption curve of S-Amlodipine by Fe3O4@SiO2-PAM

2.3.4 溫度對Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平性能的影響

圖13為Fe3O4@SiO2-PAM在不同溫度下對S-氨氯地平的等溫吸附曲線圖。從圖13中可知磁性接枝微粒e3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附量隨著反應(yīng)溫度的升高，先增大后減小。影響Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平吸附量的主要作用力是Fe3O4@SiO2-PAM與氨氯地平之間的的氫鍵作用和靜電作用，這兩種作用都是化學(xué)吸附且為放熱過程，當(dāng)吸附溫度高于30 ℃時，由于吸附溫度和反應(yīng)本身的放熱作用導(dǎo)致吸附量降低。

圖13 不同溫度下Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的 等溫吸附曲線Fig.13 Isotherm adsorption curve of Fe3O4@SiO2-PAM for S-Amlodipine at different temperatures

2.3.5 pH值對Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平性能的影響

圖14為Fe3O4@SiO2-PAM在不同pH值的條件下對S-氨氯地平溶液的等溫吸附曲線圖。從圖14中可看出Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附量隨著溶液pH值的升高而增大，達到最大吸附量時在減小。當(dāng)S-氨氯地平溶液pH為7時，吸附量達到了最大為241 mg/g。首先，隨著溶液pH值增大，氨氯地平中羧基電離度增大，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM與S-氨氯地平間靜電作用增強。但兩者之間也存在氫鍵作用，pH小于7時，氨氯地平溶液中羧基電離度很小，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附作用主要是由氫鍵作用引起的。當(dāng)pH大于7時，兩者之間的的氫鍵作用變小，吸附作用變小，平衡吸附量就變小。

圖14 不同pH值下Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的 等溫吸附曲線Fig.14 Isotherm adsorption curve of Fe3O4@SiO2-PAM for S-Amlodipine at different pH values

2.3.6 鹽濃度對Fe3O4@SiO2-PAM吸附S-氨氯地平性能的影響

圖15為Fe3O4@SiO2-PAM在不同鹽濃度的條件下對S-氨氯地平溶液的等溫吸附曲線圖。從圖15中可看出Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附量隨著鹽濃度的增大而減小。這是由于氨氯地平分子帶負電荷，F(xiàn)e3O4@SiO2-PAM表面帶有正電荷，當(dāng)加入NaCl溶液時，Na+構(gòu)成的離子氛對S-氨氯地平分子所帶負電荷產(chǎn)生屏蔽作用，Cl-會影響Fe3O4@SiO2-PAM表面具有的雙電層結(jié)構(gòu)，從而減弱Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平的吸附作用，使得吸附量減少。另一種原因是隨著鹽濃的增加聚電解質(zhì)效應(yīng)使Fe3O4@SiO2-PAM表面的PAM大分子鏈變得蜷縮，吸附位點被包裹，導(dǎo)致吸附量降低。

圖15 不同鹽濃度下Fe3O4@SiO2-PAM對 S-氨氯地平的等溫吸附曲線Fig.15 Isotherm adsorption curve of Fe3O4@SiO2-PAM for S-Amlodipine at different salinity

2.3.7 Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平吸附的重復(fù)使用性的測定

Fe3O4@SiO2-PAM對S-氨氯地平吸附的重復(fù)使用性見圖16，從圖16中可得出Fe3O4@SiO2-PAM在經(jīng)過5次洗脫后，吸附容量為96.9 mg/g，說明重復(fù)使用性較高，重復(fù)使用率為96.7%。

圖16 Fe3O4@SiO2-PAM吸附的重復(fù)使用性Fig.16 Reusability of grafted particulate Fe3O4@SiO2-PAM adsorption

3 結(jié) 論

本文采用自由基聚合法，將功能單體丙烯酰胺(AM)接枝于改性后的Fe3O4磁性納米微粒表面，制備了對S-氨氯地平有吸附性能的磁性接枝微粒Fe3O4@SiO2-PAM。通過考擦主要因素對接枝聚合的影響，制備出接枝率最大為176.8 mg/g的磁性接枝微粒。該磁性接枝微粒對S-氨氯地平有較強的吸附作用，吸附量達241 mg/g，重復(fù)使用性高，是分離S-氨氯地平較理想的一種物質(zhì)。