第27卷第4期 2010年4月 应用化学 CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY VoI.27 No.4 Apr.2010 壳聚糖与壳寡糖结构及其对放射性核素铀吸附性能 蒋鑫萍 程 舸 王 韶 刘晓梅 于 雷 石 磊 (吉林大学公 摘要生学院长春130021) 采用酸碱滴定法测定壳聚糖和壳寡糖脱乙酰度分别为90.9%和90.1%,用IR方法表征了壳糖中乙 酰基和氨基。MALDI-FT—MS进一步给出了经葡聚糖凝胶柱纯化后壳寡糖脱乙酰度和聚合度的信息。通过壳 聚糖吸附性能的研究发现,壳聚糖对放射性核素铀具有较强的吸附能力,吸附率达96%以上,即使在大量 cu 存在情况下,也可高效吸附放射性核素铀,说明壳聚糖有望成为一种新型的放射性核素吸附去污材料。 关键词壳聚糖,壳寡糖,放射性核素铀,吸附性能 文献标识码:A 文章编号:1000-0518(2010)04-0462-04 中图分类号:0653 DOI:10.3724/SP.J.1095.2010.90007 甲壳素(Chitin),又名甲壳质、壳多糖,化学名为 一(1,4)-2一乙酰氨基.2一脱氧一D一葡聚糖,是自然界中 一种丰富的生物质。壳聚糖(Chitosan)通常是通过化学方法得到的,脱掉乙酰基后其溶解性和化学吸附 均有了显著的改善,壳聚糖优异的吸附性能使其在诸多领域得到了广泛的应用。由于分子量的关系,壳 聚糖不易溶解在中性的水溶液中,这在一定程度上限制了其应用。通过强碱性条件下的降解¨ 』,壳聚 糖可以转变成壳寡糖(Chito.oligosaccharide,COS),即由2—10个氨基葡糖通过 一1,4一糖苷键连接而成 的低聚糖,其水溶性得到了大幅度的提高。依据配位吸附原理,由于壳聚糖和壳寡糖均能很好地与重金 属离子形成稳定配合物,与活性炭一样可以应用于污水的处理与净化 l8j。利用壳糖易与大离子半径的 放射性核素离子形成高稳定性配合物的特性,壳糖还可以用于含放射性核素污水的除污。用壳糖及衍 生物处理含放射性核素的废水,不仅可消除核污染,同时还能回收放射性核素 ’m J。壳聚糖处理含放射 性核素钚的废水,去除率为95%,吸附钚的壳聚糖经灰化可回收钚…J。磷酸化的壳糖可从铀矿废水中 回收铀,其吸附量比一般吸附剂吸附要高得多,用稀NaHCO 溶液解吸,便可回收铀。本研究在对壳聚 糖和壳寡糖结构进行表征的基础上,研究了壳聚糖对放射性核素铀的吸附性能,探讨了重金属离子存在 的情况下,壳聚糖对放射性核素铀吸附性能的影响。 1实验部分 1.1试剂和仪器 铀溶液、偶氮胂Ⅲ显色剂、抗坏血酸、无砷锌粒等试剂均为分析纯。实验用水为蒸馏水。752型紫外 光栅分光光度计(上海第三分析仪器厂);FTs_7型红外光谱仪(美国BIO—RAD公司);Uhima 7.0T型傅 里叶变换离子回旋共振质谱仪(美国IonSpec公司);AFS-920型双道原子荧光光度计(吉林小天鹅仪器 有限公司);ICAP6300ICP—OES型光谱仪(美国Thermo公司)。 1.2脱乙酰度(Degree of Deacetylation,DD)的测定 分别称取一定量干燥后的壳寡糖、壳聚糖于烧杯中,取0.02 mmol/mL的HC1溶液20 mL,使其完全 溶解后移入三角烧瓶中,各加入1滴甲基红。用0.02 mmol/mL NaOH溶液滴定,至溶液颜色由粉色变 为淡黄色为止,即为滴定终点,记录滴定用NaOH体积。按照公式DD=(C 1.3红外光谱和质谱的测定 一c 。 )×0.161/ m×(1一to )×100%(式中,m为壳寡糖或壳聚糖质量,to(H:O)为壳糖中水的含量),求出脱乙酰度。 甲壳素、壳聚糖和壳寡糖红外光谱是在红外光谱仪上获得,样品通过壳寡糖、壳聚糖分别与KI混合 2009-04-05收稿,2009—114)6修回 吉林省环境保护厅课题(吉环科字第2009-25号) 通讯联系人:石磊,女,博士,副教授;E-mail:shilei@jlu.edu.cn;研究方向:药物化学 第4期 蒋鑫萍等:壳聚糖与壳寡糖结构及其对放射性核素铀吸附性能 压片,测定其透过率与波数的关系。将纯化后壳寡糖液蒸发浓缩至1 mL,用基质为2,5一二羟基苯甲酸 (DHB)进行制样,然后利用傅里叶变换离子回旋共振质谱仪测定洗脱液,采用正离子谱,扫描5次, MALDI离子源,335 nm激光器,激光能量为40%。 1.4壳寡糖特性分析 按一定配比分别取0.1 mmoL/mL壳寡糖和0.1 mmol/mL Cu(NO。) 于2 mL容量瓶中配成混合溶 液,利用紫外光栅分光光度计在410—860 nm波长范围内测定样品的吸光度值。 1.5壳聚糖对放射性核素铀吸附性能 取含0、0.5、0.75、1.0、2.0 mg铀,体积为25 mL的铀溶液,向其中分别加入0.5 g的壳聚糖,搅拌, 至吸附平衡,再分别取上层清液2 mL加入比色管中,加入8 mol/L HC1,抗坏血酸(约0.2 g),无砷锌粒 (约0.3 g),待反应完毕后,加1 mL的偶氮胂Ⅲ显色剂,用HC1稀释至刻度,于667 nm处测定吸光度 值,计算溶液中剩余铀的量,从而得到壳聚糖对铀吸附率和铀吸附量的关系。 1.6 Cu 对壳聚糖吸附放射性核素铀的影响 在含2.1和4.2 mol铀溶液(25 mL)中分别加入4.2 p ̄mol CuC1:,然后分别加入0.5 g的壳聚糖, 待吸附平衡后,用偶氮胂Ⅲ显色剂法测定铀的含量,用ICP—OES光谱仪测定溶液中剩余cun的量。 2结果与讨论 E 2.1脱乙酰度 实验使用的壳寡糖与壳聚糖的脱乙酰度经滴定分析测定,结果分别为90.9%和90.】%。 2.2壳糖IR光谱 图l为甲壳素、壳聚糖、壳寡糖的IR光谱曲线。由图1可清晰观测到3种壳糖上乙酰基含量的变 化。由于甲壳素为乙酰基葡萄糖,在NH 上含大量乙酰基,所以在2 960、2 870 am 处的c—H(一cH,) 振动峰较为明显,在1 550 am (一NH )处几乎没有振动峰。随着脱乙酰度的增加,壳聚糖、壳寡糖上 2 960、2 870 am 处的C—H(一CH )振动峰变得较弱,而l 550 cmI1处NH 的振动峰则明显增强。说明 壳聚糖与壳寡糖中的乙酰基绝大部分已经被脱除(见实验部分脱乙酰度的测定)。由于脱乙酰度较低的 甲壳素不易溶解在稀酸中,所以用容量法测定其脱乙酰度就变得较为困难,因此,用红外光谱测定其脱 乙酰度就成为一种比较可行的方法。由于壳糖很容易吸水,会影响3 450 cm (一OH和一NH:)的谱带 强度,因此,样品充分干燥是必要的,并且要求从干燥器中取出样品后1 min内完成测定。 /cm一‘ 朋/Z 图1 甲壳素(a)、壳聚糖(b)及壳寡糖(c)的红外光谱图 图2壳寡糖的MALDI.FTMs质谱图 Fig.1 IR spectra of(a)chitin,(6)chitosan Fig.2 MALDI—FT-MS spectrum of and(C)chitooligosaccharide ehitooligosaceharide 2.3壳糖MALDI-FT-MS 取纯化后的壳寡糖洗脱液1 mL,用基质为2,5一二羟基苯甲酸(DHB)进行制样,然后用傅里叶变换 离子回旋共振质谱仪(MALDI—FT—MS)进行测定。 图2为壳寡糖的MALDI—FT-MS谱。由图2可以观察到低聚合度壳寡糖含乙酰基的情况,[xM+ 应用化学 第27卷 Na] 为完全脱乙酰基、[xM+Na+COCH3] 为含1个乙酰基、[xM+Na+2COCH ] 为含2个乙酰基。 其中m/z 345离子为[2M+Na] ,m/z 387离子为[2M+Na+COCH ] ,m,/z 506离子为[3M+Na] , m/z 548离子为[3M+Na+COCH3] ,m/z 667离子为[4M+Na] ,m/z 709离子为[4M+Na+ COCH3] ,m/z 828离子为[5M+Na] ,m/z 870离子为[5M+Na+COCH3] ,m/z 989离子为[6M+ Na] ,m/z 1 031离子为[4M+Na+COCH3] 。而m/z 912离子和m/z 1 073离子为二乙酰基壳寡糖, 即[5M+Na+2COCH3] 和[6M+Na+2COCH3] 。由此可见,MALDI—FT—MS可以提供丰富的壳寡糖脱 乙酰度以及聚合度的信息,是测量壳寡糖脱乙酰度以及聚合度最为有效的手段之一。 2.4 壳寡糖与Ca 配位作用及壳寡糖含量的测定 由图3可见,Cu“在A=820 nm附近有最大吸收,而壳寡糖在A=410 nm附近有最大吸收,二者几 乎不存在相互干扰。随壳寡糖含量增加,cu 在A=820 nm的吸收峰也同时增加,说明壳寡糖与cu 形成了稳定的配位物,形成配合物的量也在增加。与此同时在410 rim处壳寡糖的吸收峰也同步增加, 这种增加与壳寡糖的含量有很好的线性关系,如图4所示。图中可见,利用 —A关系得的标准曲线在小 于0.1 mmol/mL壳寡糖含量的情况下可精确测定出壳寡糖的含量,即可作为壳寡糖含量的测定方法。 c(ehitooligosaceharide)/(mol‘L ) 图3壳寡糖的吸光度与波长关系图 图4壳寡糖吸光度值的标准曲线图 Fig.3 Relationship between absorbency and Fig.4 Standard curve of absorbance掷 wavelengh of ehitooligosaeeharide content of ehitooligosaeeharide (cos): (Cu ):a.0:1;b.0.5:1;c.1:1; d.2:1;e.4:1;,6:1;g.8:1;h.9:1;i.10:0 2.5壳聚糖对放射性核素铀的吸附作用 壳聚糖对重金属离子具有非常强的配位能力,对离子半径较大的放射性核素也具有非常优异的吸 附性能。这种优异的吸附性能源于壳聚糖分子链上的~NH 和一OH上的孤对中心,易与溶液中重金属 离子的空轨道通过配位键形成稳定的螯合物。在pH<2时,溶液中壳聚糖通常会发生显著的溶解,考虑 到对分离有利的原因,壳聚糖对重金属离子的吸附 通常选择溶液pH值为5左右比较适宜。 图5给出了壳聚糖对铀的吸附性能,与文献 报道一致,铀在壳糖上的饱和吸附量约为 2.75 mg/g。壳聚糖在铀含量很低时几乎是全部吸 收,此时铀的吸附率达到96%以上(见表1),说明 壳聚糖的确是一种优异的放射性核素吸附去污材 料。考虑到实际情况,有时环境中会有大量重金属 离子存在,可能会干扰放射性核素的吸附性能。表1 给出了在较大量Cu 存在情况下,壳聚糖对铀的吸 m(U)/mg 附性能。表中可见,在铀含量很低的情况下,铀的吸 图5壳聚糖对放射性核素铀的吸附作用关系 Fig.5 Adsorption of radionuclide uranium by chitosan 附率仍能够达到93%;而在铀含量较高的情况下, 第4期 蒋鑫萍等:壳聚糖与壳寡糖结构及其对放射性核素铀吸附性能 465 壳聚糖对铀的吸附率还在80%以上,说明Cu 作为重金属离子虽然量较大,但壳聚糖对铀吸附的影响 相对较小,虽然此时大量的Cu (约95%)已被壳聚糖吸附(见表1),表明铀与Cu 可能不是同一吸附 位点。上述结果表明,壳聚糖对重金属离子具有非常优异的吸附性能,可以成为消除水中重金属离子, 特别是放射性核素的良好去污材料。 表1 Cu 对壳聚糖吸附放射性核素铀的影响 Table 1 Effect of Cu on adsorption of radionudide uranium by chitosan 参考文献 1 Suzuki K,Mikami T,Okawa Y,Syzyki K,Mikami T,Okawa Y,Tokoro A,Suzuki S,Suzuki M.Carbohydr Res[J],1986, 151:403 2 WANG Xiao.Hong(王小红),MA Jian—Biao(马建标),HE Bing—Lin(何炳林).J Funct Polym(功能高分子学报)[J], 1997,28:903 3 Wei D W,Ye Y Z,Jia X P,Yuan C,Qian W P.Carbohydr Res[J],2010,345(1):74 4 Lee Y M,Park Y J.Biomaterial[J],2000,21(2):153 5 Sato M,Orushi H.Biol Pharm Bull[J],1996,19(9):1 170 6 LI Zhi(李治),LIU Xiao.Fei(刘晓非),XU Huai.Yu(徐怀玉),GUAN Yun—Lin(管云林),YAO Kang-De(姚康德). Chinese JAppl Chem(应用化学)[J],2001,18(2):104 7 DING De-Run(丁德润).JInorg Chem(无机化学学报)[J],2005,21(8):1 249 8 SU Hai—Jia(苏海佳),HE Xiao-Jin(贺小进),TAN Tian-Wei(谭天伟)._,Beo'ing Univ Chem Technol(北京化工大学学 报)[J],2003,30(2):19 9 GUO Zhen.Chu(郭振楚),LIU Fu—Qing(刘福清),PENG Xiao—Zong(彭校宗).J Rare Eaah(中国稀土学报)[J], 2003,21(1):98 l0 Liu J H,Chen X,Shao Z Z,Liu Y H,Liu Z H,Zhang Y Z,Deng K L.JAppl eoZym Sci[J],2003,89(8):2 283 11 JIANG Chuan-Fu(姜传福).J Jinzhou Normal College(锦州师范学院学报)[J],2001,22(4):33 12 CAO Xiao-Hong(曹小红),LIU Yun-Hai(刘云海),ZHU Zheng(朱政),LUO Ming-Biao(罗明标).Chem Res Appl(化 学研究与应用)[J],2006,is(7):878 Structures of Chitosan and Chitooligosaccharide and Their Adsorption toward Radi0nuclide Uraniam JIANG Xin—Ping,CHENG Ge,WANG Shao,LIU Xiao—Mei,YU Lei,SHI Lei (School ofPublic Heahh,Jilin University,Changchun 130021) Abstract The deacetylations(DD)of chitosan and chitooligosaccharide(COS)were estimated by titration of acid-base method as 90.9%and 90.1%,respectively.After Sephadex chromatography puriifcation,the degree of polymerization(DP)and DD were obtained by MALDI—FT—MS.It was f0und that chitosan has high an adsorption of the radionuclide uranium.Chitosan showed high adsorption of radionuclide uranium even with t}le presence of large amount of Cu“ions.The adsorption efifciency iS above 96%.This SHOWS that chitosan has a great potential for the renoval of both heavy metals and radionuclides. Keywords chitosan,chitooligosaccharide(COS),radionuclide uranium,adsorption prope ̄y