一種大孔纖維素色譜微球的綠色合成新方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料發(fā)明領(lǐng)域，具體而言，涉及一種快速色譜分離材料的制備方法，特 別涉及一種離子液體法制備大孔纖維素微球的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 液相色譜技術(shù)是一種高效分離技術(shù)，在物質(zhì)分離過程中分辨率較高，適用范圍廣 泛。對(duì)于色譜技術(shù)來說，色譜填料是它的技術(shù)核心，決定著實(shí)際色譜分離效果的好壞。近年 來，生物醫(yī)藥等高新技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)色譜分離要求越來越高，傳統(tǒng)色譜填料已不能 滿足科研和產(chǎn)業(yè)的需要。因此，開發(fā)新型高效色譜材料以滿足當(dāng)前需求，成為色譜工作者的 研宄重心。
[0003] 液相色譜過程的基本特征是流動(dòng)相滲透穿過固定相，因而液相色譜的分離性能與 色譜填料的材質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)(孔分布及形貌、顆粒大小、孔隙率等）密切相關(guān)。因而可以通 過選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)并調(diào)控適宜空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)色譜分離效果的提高。對(duì)于色譜材料的結(jié)構(gòu)來 說，在色譜填料內(nèi)部同時(shí)構(gòu)建灌流大孔和擴(kuò)散孔，可以有效提高分離效率，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的快速 分離。這是因?yàn)椋嗔鞔罂卓梢允沽鲃?dòng)相以對(duì)流的方式快速通過固定相，傳質(zhì)速率大大提 高；而擴(kuò)散孔提供了較多的吸附位點(diǎn)，從而有效提高吸附容量。從上面分析可知，這種獨(dú)特 雙孔結(jié)構(gòu)有助于色譜填料分離性能的提升，其快速、高容量的分離特性尤其適合生物大分 子的純化。因此，在色譜填料內(nèi)構(gòu)建適宜的雙孔結(jié)構(gòu)是提高色譜性能的一條有效途徑。
[0004] 對(duì)于生物分離來說，另外一個(gè)重要因素是色譜填料的材質(zhì)選擇。纖維素是一種直 鏈多糖，廣泛地用作色譜固定相，來提純生物分子。纖維素之所以能夠得以廣泛使用，是因 為纖維素具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括與生物分子有生物相容性、易于用一般配體修飾、以及適當(dāng)?shù)?孔隙度從而具有高吸附容量等。盡管纖維素具有以上優(yōu)點(diǎn)，但要合成以纖維素為基質(zhì)的固 定相卻并不容易，特別是具有雙孔結(jié)構(gòu)的纖維素微球。其主要障礙因素在于纖維素?fù)碛邪l(fā) 達(dá)的分子間氫鍵，從而導(dǎo)致其不溶于水和一般有機(jī)溶劑。到目前為止，只有少量的溶劑系統(tǒng) 能夠溶解纖維素，例如甲基氧化嗎啉、二甲基乙酰胺、氟化銨的二甲基亞砜溶液以及熔鹽水 合物等，但這些溶劑絕大部分對(duì)于環(huán)境都有一定的危害，在所有這些溶劑中，只有甲基氧化 嗎啉在纖維素加工過程的應(yīng)用中達(dá)到工業(yè)化規(guī)模。然而即使是甲基氧化嗎啉也存在很多缺 陷，如熱不穩(wěn)定性、較多的副反應(yīng)以及溶解過程需要高溫等等。因此，纖維素加工工業(yè)迫切 需求一種新的溶劑系統(tǒng)。
[0005] 最近，多種離子液體(也被稱作綠色溶劑)被發(fā)現(xiàn)能夠溶解纖維素。2002年，Rogers 等人首先發(fā)現(xiàn)纖維素能夠溶于離子液體（1-丁基-3-甲基咪唑鑰氯化物)，并研宄了該離子 液體的溶解特性。在接下來的幾年時(shí)間里，科研人員對(duì)利用1-丁基-3-甲基咪唑鑰氯化物 溶解纖維素進(jìn)行了更深入的研宄，并成功制備了幾種纖維素材料，如纖維、薄膜、凝膠等。相 比于其他一般溶劑，1- 丁基-3-甲基咪唑鑰氯化物具有較多優(yōu)勢(shì)，例如蒸汽壓較高、易于回 收利用、較高的熱穩(wěn)定性以及操作簡(jiǎn)單等?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，這種新型溶劑在纖維素材料領(lǐng)域 具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0006] 受纖維素溶劑新發(fā)展的啟發(fā)，本發(fā)明提出了一種結(jié)合雙乳化技術(shù)制備大孔纖維素 微球的新方法。通過該方法制備的大孔纖維素微球性能優(yōu)異，非常適合用作液相色譜固定 相以分離提純生物分子。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前纖維素溶劑的固有缺陷，提供一種利用離子液體法再 生制備快速色譜用大孔纖維素微球的方法。利用本發(fā)明方法制備的纖維素微球具有雙孔結(jié) 構(gòu)，包括灌流孔和擴(kuò)散孔，能夠有效提高色譜固定相的傳質(zhì)速率和對(duì)生物分子的吸附容量， 從而有效提高色譜填料的分離性能，且制備過程綠色環(huán)保。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0009] -種生物分離用大孔纖維素微球的綠色合成新方法，具體包括如下步驟： (1) 將纖維素溶于離子液體，在80~120 °C油浴中磁力攪拌10~20小時(shí)，形成重量百分 比為2~12 wt%的無色粘性溶液； (2) 將上述纖維素溶液、環(huán)己烷和吐溫60按體積比4-20:5:4混合后，在溫度 為80-120 °C、攪拌速率為ΚΧΧΜ000 rpm的條件下，乳化10-30 min，形成乳化液（ I); (3) 在上述乳化過程結(jié)束后立即將攪拌器轉(zhuǎn)速降至300~1000 rpm，加入已保溫至 70-100 °C的變壓器油和司盤85雙油相體系內(nèi)，變壓器油和司盤85的加入量分別為乳化液 ()體積的200~300%和10~20%，繼續(xù)乳化10~30 min，形成乳化液(II); (4 )將變壓器油、司盤85和硫酸鈉水溶液按體積比15~22:1:8混合后，在溫度為80~120 °C、攪拌速率為700~1000 rpm的條件下乳化10~30 min，形成乳化液(III); (5) 將乳化液(Il)和乳化液(III)按體積比0. 8~1:1混合后，冷卻至室溫，此時(shí)有沉淀 生成，繼續(xù)反應(yīng)至不再有新的沉淀生成，反應(yīng)完成后過濾收集沉淀，依次用乙醇和蒸餾水清 洗，干燥后得到大孔纖維素微球； (6) 將上述大孔纖維素微球與乙二醇二縮水甘油醚按質(zhì)量體積比0. 5~1:1混合后，在 溫度為30~70 °C、攪拌速率為150~300 rpm的條件下第一次交聯(lián)反應(yīng)30~60 min，加入體積 為混合液1. 5~3倍的氫氧化鈉溶液，在相同條件下繼續(xù)反應(yīng)2~4小時(shí)，反應(yīng)完成后過濾并用 蒸餾水洗滌，之后與表氯醇混合進(jìn)行第二次交聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)過程與第一次相同，反應(yīng)完成后 經(jīng)過濾、洗滌、干燥得到交聯(lián)的大孔纖維素微球； (7) 將上述交聯(lián)的大孔纖維素微球與氯化二乙氨基乙醇溶液按質(zhì)量體積比0. 5~1:2混 合后，在溫度為40~80 °C、攪拌速率為120~200 rpm的條件下反應(yīng)10~30 min，之后加入體 積為混合液1. 5~3倍的氫氧化鈉溶液，在相同條件下繼續(xù)反應(yīng)1~2小時(shí)，反應(yīng)完成后將溫度 冷卻至室溫，過濾后用蒸餾水洗滌至中性，再與稀硫酸反應(yīng)20~60 min，經(jīng)過濾、洗滌、干燥 后既得大孔纖維素微球陰離子吸附劑。
[0010] 在上述技術(shù)方案中，步驟（1)中所述纖維素為微晶纖維素、普通纖維素粉末以及富 含纖維素的植物粉末等。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，步驟（1)所述離子液體為能夠溶解纖維素的離子液體，包括各 種常規(guī)或功能化的二烷基咪唑類、N-烷基吡啶類、季銨類氯代鹽，羧酸類和烷基磷酸酯鹽。
[0012] 在上述技術(shù)方案中，步驟（2 )所述乳化液(I )為0/W型。
[0013] 在上述技術(shù)方案中，步驟（3 )所述乳化液(II )為0/W/0型。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 本發(fā)明所使用的溶劑為離子液體，是一類綠色溶劑，對(duì)纖維素的溶解性能好，熱穩(wěn) 定性高，易于操作和回收，對(duì)環(huán)境無污染； (2) 本發(fā)明產(chǎn)物大孔纖維素微球具有灌流大孔和擴(kuò)散微孔兩種孔道結(jié)構(gòu)，可以在有效 提高傳質(zhì)速率并保持較高的柱容量； (3) 提高了有效孔隙擴(kuò)散系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)和吸附容量，對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子擁有更高 的動(dòng)態(tài)結(jié)合載量，柱效率和機(jī)械強(qiáng)度高，非常適合用作快速液相色譜的固定相； 本發(fā)明大孔纖維素微球的制備條件溫和，原料易得，操作簡(jiǎn)便，易于規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0015] 附圖1是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1產(chǎn)物的掃描電鏡照片； 附圖2是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1產(chǎn)物的孔徑分布圖； 附圖3是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1產(chǎn)物作為色譜柱填充物時(shí)柱壓與流速的關(guān)系圖； 附圖4是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1產(chǎn)物對(duì)BSA的等溫吸附曲線； 附圖5是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1產(chǎn)物對(duì)BSA的吸附動(dòng)力學(xué)曲線； 附圖6是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1產(chǎn)物吸附BSA的穿透曲線； 附圖7是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1產(chǎn)物為色譜柱填充物時(shí)動(dòng)態(tài)/平衡載量比與流速的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 為了更好的理解本發(fā)明，下面將結(jié)合實(shí)施實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步解釋。但 需要特別說明的是，實(shí)施實(shí)例僅用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步解釋，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并 不局限于實(shí)施實(shí)例表示的范圍。
[0017] 實(shí)施實(shí)例1 稱取10 g無水微晶纖維素溶于133 mL離子液體氯化1-丁基-3-甲基咪唑鑰鹽，在90 °〇油浴中磁力攪拌13小時(shí)，得到無色透明且粘稠的纖維素溶液。量取20 mL上述纖維素溶 液與20 mL環(huán)己烷和0. 8 mL吐溫80混合后倒入恒溫?cái)嚢杵?，在溫?00 °C、攪拌速率2000 rpm的條件下乳化10 min，得到乳化液(I)。隨后，將攪拌速率迅速降至800 rpm，加入已保 溫至100 °C的80 mL變壓器油和3. 6 mL司盤85,繼續(xù)乳化10 min，得到乳化液(II)。另外， 將100 mL變壓器油、4. 5 mL司盤85和40 mL硫酸鈉水溶液（0. 2 mol/L)混合后，在溫度為 100 °C、攪拌速率為800 rpm的條件下乳化10 min，得到乳化液(III)。將乳化液(II)和乳化 液(ΙΠ )混合后冷卻至室溫，此時(shí)有沉淀生成，繼續(xù)反應(yīng)至不再有新的沉淀生成，反應(yīng)完成后 過濾收集沉