聚季铵盐离子液体材料制备及其对蛋白质吸附性能评价


扩展功能
	加入收藏夹

	复制引文信息

	加入引用管理器

	Email Alert

	RSS
本文作者相关文章
	苏日娜

	谢明雪

	李海杰

	邓启良

苏日娜, 谢明雪, 李海杰, 邓启良

天津科技大学化工与材料学院, 天津 300457

收稿日期：2016-02-21

基金项目：国家自然科学基金项目(21375094)

通讯联系人： E-mail:yhdql@tust.edu.cn

摘要：通过一步合成法制备了两种可聚合季铵盐离子液体功能单体,并通过沉淀聚合法合成了相应的聚离子液体聚合物。对产物进行了核磁共振、扫描电镜、热重分析等表征。结果表明:所制备的两种材料粒径均匀,约为600 nm的椭球形颗粒,颗粒之间有相互粘连。通过对牛血清白蛋白(BSA)、卵清蛋白(OVA)、牛血红蛋白(BHb)、溶菌酶(Lys)、胰蛋白酶(Try)5种蛋白质的吸附性能实验,考察了聚季铵盐离子液体材料对蛋白质的吸附性能。考察结果表明:两种聚离子液体材料均对蛋白质具有一定的吸附性能。其中以4-乙烯基苄氯季铵盐离子液体为功能单体制备的聚离子液体材料对胰蛋白酶的吸附性能最好,是一种具有良好应用前景的材料。

关键词：季铵盐离子液体聚离子液体材料蛋白质

Preparation of poly(quaternary ammonium ionic liquid)s materials and their adsorption properties for proteins

SU Rina, XIE Mingxue, LI Haijie, DENG Qiliang

College of Chemical Engineering and Material Science, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China

Received: 2016-02-21

Foundation Item: National Natural Science Foundation of China (No. 21375094).

^* Corresponding author. E-mail:yhdql@tust.edu.cn

Abstract: The ionic liquids as a new class of green solvent have received the majority attention. In this study, two polymeric ionic liquid monomers were synthesized by one step method, and polymerized by precipitation polymerization method. The resultant materials were characterized by nuclear magnetic resonance spectroscopy (¹H NMR), scanning electron microscopy (SEM) and thermo gravimetric analyzer (TGA) methods. The results showed that the morphology of the resultant materials was ellipsoidal particles with the size of about 600 nm. The adsorption properties of the resultant materials for bovine serum albumin (BSA), ovalbumin (OVA), bovine hemoglobin (BHb), lysozyme (Lys) and trypsin (Try) were also evaluated. The two poly(ionic liquid)s materials showed excellent adsorption properties for proteins. The poly(4-vinyl benzyl chloride quaternary ammonium ionic liquid)s material exhibited the best adsorption to trypsin. Such materials show potential in biomedical and material engineering.

Key words: quaternary ammonium ionic liquids poly(ionic liquid)s materials proteins

绿色化学已成为化学化工领域一个新的研究热点,也是21世纪以来化学化工学科发展的重要任务之一^[1]。离子液体由于其环境友好的特点以及独特的物理化学性质,作为新型的催化剂和绿色溶剂^[2-4],已经被越来越广泛地用于萃取分离^{[5, 6]}、高分子^{[7, 8]}、电化学^[9]和有机合成^{[10, 11]}等领域。

离子液体最显著的特点是具备可设计性且种类很多^[12]。目前研究较多、应用比较广泛的是季铵型和二烷基咪唑型离子液体^{[13, 14]}。与其他类型的离子液体相比,季铵型离子液体制备过程简单,原料和生产成本价格低廉,使得这类型的离子液体受到研究人员的青睐,近年来季铵型离子液体展示出巨大的发展潜力^[15]。

本文制备出两种季铵型离子液体功能单体,并通过沉淀聚合法合成了相应的聚离子液体材料,并进一步考察了所制备材料对于不同蛋白质的吸附性能。本实验的优势在于离子液体功能单体制备过程简单,仅需一步就可完成,而且利用该系列功能单体通过沉淀聚合制备了具有规则形貌的聚离子液体材料,所制备的材料对蛋白质均显示了优良的吸附性能。该材料有望应用于蛋白质的吸附分离领域。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

烯丙基溴、4-乙烯基苄氯、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、三羟甲基氨基甲烷、牛血清白蛋白(BSA)、溶菌酶(Lys)、胰蛋白(Try)均购自北京百灵威科技有限公司;三乙胺、乙腈、甲醇均购自天津康科德科技有限公司;偶氮二异丁腈(AIBN)购自天津市科密欧化学试剂有限公司;3-(N-吗啉基)丙磺酸(HEPES)购自BBI公司;卵清白蛋白(OVA),牛血红蛋白(BHb)购自Sigma公司;其余试剂纯度均为分析纯。HEPES-NaOH、Tris-HCl、PBS缓冲体系配制:分别配制适当浓度的HEPES、Tris、磷酸二氢钠溶液,然后分别用适当浓度的酸或碱调节溶液的pH到理想值。

Hitachi SM-1510扫描电子显微镜(日本株式会社日立制作所); Vector 22型傅里叶变换红外光谱仪(德国布鲁克光谱仪公司); SDTQ600热重分析仪(美国TA公司); TM-1901紫外分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)。

1.2 季铵盐离子液体单体合成

4-乙烯基苄氯季铵盐离子液体单体:量取14.0 mL (0.1 mol) 4-乙烯基苄氯、15 mL乙腈于50 mL圆底烧瓶中,量取13.8 mL (0.1 mol)三乙胺于滴液漏斗中,在常温磁力搅拌条件下逐滴加入到烧瓶中,反应4 h后加入10 mL乙酸乙酯,即刻得到白色沉淀,抽滤除去溶剂,真空干燥24 h。合成示意图见图 1路线1。

图 1 季铵盐离子液体单体的制备过程示意图 Fig. 1 Synthesis of the quaternary ammonium ionic liquids monomers

烯丙基溴季铵盐离子液体单体:量取10 mL乙酸乙酯、8.6 mL (0.1 mol)烯丙基溴于50 mL圆底烧瓶中,量取13.8 mL (0.1 mol)三乙胺于滴液漏斗中,在常温磁力搅拌条件下逐滴加入到烧瓶中,磁力搅拌下即刻得到白色沉淀,抽滤除去溶剂,得到白色产物,真空干燥24 h。合成示意图见图 1路线2。

1.3 聚季铵盐离子液体材料制备

分别以上述合成的季铵盐离子液体为功能单体,EGDMA为交联剂,AIBN为引发剂,利用沉淀聚合方法,合成相应季铵盐离子液体聚合物。具体过程如下所示:称取30 mg干燥的季铵盐功能单体于120 mL圆底烧瓶中,加入60 mL甲醇,超声20 min将样品全部溶解。随后向体系中通氮气5 min,继续加入3 mL EGDMA交联剂,超声脱氧5 min,接着加入30 mg AIBN引发剂。继续将体系超声1 min后,封口。水浴中60 ℃下反应24 h后,即得白色聚合物。产物用甲醇洗涤5次后,抽滤除去溶剂,真空干燥24 h。

1.4 聚季铵盐离子液体材料吸附性能测试

实验研究了聚季铵盐离子液体材料在HEPES-NaOH、Tris-HCl、PBS 3种缓冲体系下对BSA、OVA、BHb、Lys、Try的识别性能,通过公式(见文献^[16]公式(1))求出聚离子液体材料对各种蛋白质的吸附量(Q,mg/g)。同时考察材料对吸附量较大的蛋白质的吸附动力学和吸附等温线。

1.4.1 吸附性能

在4.0 mL 0.6 mg/mL BSA、OVA、BHb、Lys、Try标准蛋白质溶液中,分别加入4.0 mg聚季铵盐离子液体材料,混合均匀后,4 ℃下静置吸附24 h。随后在14000 r/min离心机中离心4 min,移取上清液,使用分光光度计在280 nm波长处测定吸光度值。计算每种蛋白质的吸附量。同时绘制标准蛋白质浓度-吸光度标准曲线,通过标准曲线方程计算吸附后溶液中蛋白质的浓度(实验进行3次平衡测试,取平均值)。

1.4.2 吸附动力学

用吸附条件较好的Tris-HCl缓冲液(pH 6.80,25 mmol/L)配制质量浓度为0.4 mg/mL的胰蛋白酶溶液。在编号为1～7的离心管中,分别称取4.0 mg的聚季铵盐离子液体材料,加入4.0 mL 0.4 mg/mL蛋白质溶液,混合均匀,4 ℃下静置吸附。编号1～7号分别进行吸附15、30、60、360、720、1080、1440 min后,使用14000 r/min离心机中离心4 min,移取上清液,使用分光光度计在280 nm处测得上清液中蛋白质的吸光度值。计算蛋白质的吸附量。

1.4.3 吸附等温线

用吸附条件较好的Tris-HCl缓冲液(pH 6.80,25 mmol/L)分别配制质量浓度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 mg/mL的胰蛋白酶溶液。在编号为8～15的离心管中,分别加入4.0 mL不同质量浓度的标准蛋白质溶液,随后依次加入4.0 mg的聚季铵盐离子液体材料,混合均匀,4 ℃下静置吸附24 h。计算蛋白质的吸附量。

2 结果与讨论

2.1 核磁分析

两种离子液体功能单体核磁分析如下。

4-乙烯基苄氯季铵盐离子液体单体:¹H NMR (300 MHz,CDCl₃-d₆) δ: 1.451 (9H,t,J=40.4); 1.911 (2H,s,J=764.4); 3.451～3.506 (6H,m); 5.387 (1H,d,J=11.2); 5.833(1H,d,J=17.6); 6.684～6.755 (1H,m); 7.286～7.554 (4H,m)。

烯丙基溴离子液体单体:¹H NMR (300 MHz,CDCl₃-d₆) δ: 1.449(9H,t,J=14.4); 3.481～3.535(6H,m); 4.156 (2H,d,J=7.20); 5.741 (1H,d,J=10.0); 5.834 (1H,d,J=16.8); 5.950～6.017 (1H,m)。

从数据结果可以看出,在允许的误差范围内,每个位移处的氢原子的个数与所要合成的离子液体单体上的氢原子个数相符合。不存在多余的杂峰,因此我们可以推断成功合成了上述两种目标单体。

2.2 材料形貌表征

通过扫描电镜测试,对所合成的两种聚季铵盐离子液体材料进行形貌表征。图 2为两种聚合物离子液体材料扫描电镜图。

图 2 聚离子液体材料的扫描电镜图 Fig. 2 Scanning electron micrographs of poly(ionic liquid)s materials a. poly(4-vinyl benzyl chloride quaternary ammonium ionic liquid)s materials; b. poly(allyl bromide quaternary ammonium ionic liquid)s materials.

从图 2中可以看出,合成的两种聚季铵盐离子液体材料颗粒大致为椭球形,粒径分布在600 nm左右。但是所合成的两种材料都有不同程度的团聚,可能是因为该材料具有较强的电荷同时具有较大的比表面积,因此可能通过静电作用相互粘连。

2.3 热重分析

热重分析用来对所合成的两种聚合物材料进行热稳定性测试。图 3为聚季铵盐离子液体材料的热重图谱。

图 3 聚离子液体材料的热重图谱 Fig. 3 DSC-TGA of the poly(ionic liquid)s materials a. poly(4-vinyl benzyl chloride quaternary ammonium ionic liquid)s materials; b. poly(allyl bromide quaternary ammonium ionic liquid)s materials. DSC-TGA: differential scanning calorimetry-thermo gravimetric analyzer.

从图 3中可看出,聚4-乙烯基苄氯季铵盐离子液体材料的热分解温度在200～450 ℃;其中在267.86、348.46、426.36 ℃处具有明显的质量损失;聚烯丙基溴季铵盐离子液体材料的热分解温度在225～475 ℃;其中在254.86、357.99与422.79 ℃处具有明显的质量损失;由此可以看出两种聚离子液体材料具有相似的热稳定性而且热分解温度都比较高。

2.4 对蛋白质的吸附性能测定

材料对蛋白质的吸附有可能受不同缓冲体系以及缓冲体系pH值的影响,因此本实验选取3种缓冲体系HEPES-NaOH、Tris-HCl、PBS(每种缓冲体系在pH 6.8条件下)来研究聚合物材料对不同蛋白质的吸附性能。

由图 4可以看出,两种聚合物材料对于所考察的5种蛋白质具有相似的吸附性能,在3种缓冲体系中两种材料均对胰蛋白酶、鸡卵清白蛋白与溶菌酶表现出较强的吸附;而对于牛血清白蛋白以及牛血红白蛋白则表现出较弱的吸附;聚4-乙烯基苄氯季铵盐离子液体材料在Tris-HCl缓冲体系中对胰蛋白酶的吸附量可以达到198 mg/g左右(其余蛋白质吸附量均小于胰蛋白酶的吸附量)。而聚烯丙基溴季铵盐离子液体材料在3种缓冲体系中对蛋白质的吸附量均小于150 mg/g,说明单体结构不同会对离子液体的吸附性能产生很大的影响。因此我们进一步研究了聚4-乙烯基苄氯离子液体材料对胰蛋白酶的吸附容量与吸附动力学。

图 4 (a)聚4-乙烯基苄氯季铵盐离子液体聚合物和(b)聚烯丙基溴季铵盐离子液体聚合物在pH 6.8的3种不同缓冲体系中对蛋白质的吸附量 Fig. 4 Adsorption of proteins on (a) poly(4-vinyl benzyl chloride quaternary ammonium ionic liquid)s materials and (b) poly(allyl bromide quaternary ammonium ionic liquid)s materials in different buffer solutions at pH 6.8

由图 5a可以分析得出材料对胰蛋白酶的吸附在0.5 h达到最大吸附量的60%(120 mg/g); 6 h左右接近吸附平衡,吸附量可以达到172.8 mg/g; 10 h后基本达到吸附平衡。由图 5b则能够看出吸附量随着蛋白质浓度的增加逐渐增加,考虑到蛋白质溶解度的限制,我们考察的蛋白质溶液的最大质量浓度为0.8 mg/mL,其吸附量达到225 mg/g。综合以上数据可以看出材料对蛋白质具有良好的吸附性能,可以用于胰蛋白酶的分离纯化等方面研究。

图 5 聚4-乙烯基苄氯季铵盐离子液体材料对胰蛋白酶的吸附性能 Fig. 5 Adsorption of trypsin on poly(4-vinyl benzyl chloride quaternary ammonium ionic liquid)s a. kinetics of adsorption; b. isotherm of adsorption.

3 结论

本实验利用合成的两种季铵盐离子液体单体成功合成了两种聚季铵盐离子液体材料,通过¹H NMR、SEM、TGA等表征手段对所制备的单体、聚合物的形貌、结构以及热稳定性进行了测试。并考察了材料对蛋白质的吸附性能。研究结果表明:两种聚合物材料产物纯度高,杂质少,粒径分布均在600 nm左右;热分解温度比较高,热稳定性良好;对蛋白质具有良好的吸附能力,其中聚4-乙烯基苄氯季铵盐离子液体材料对胰蛋白酶具有良好的吸附性能,可以在10 h基本达到吸附平衡;当胰蛋白酶浓度为0.8 mg/mL时,吸附量可以达到225 mg/g,是一种具有应用前景的离子液体材料。

参考文献

[1]	Guo Y W, Zhu Z L. Cleaning World, 2011, 27(2):31
[2]	Wang J L, Yao H W, Nie Y, J Mol Liq,2012 :.
[3]	Muraoka J, Kamiya N, J Mol Liq,2013 :.
[4]	Shang S, Li L, Yang X, J Colloid Interf Sci,2009 :.
[5]	Xue J J, Chen Q Y, Spectro Chim Acta A,2014 :.
[6]	Frade R F M, Simeonov S, Rosatella A A, et al.. Chemosphere,2013 :.
[7]	Sahiner N, Demir S, Yildiz S. Colloid Surf A-Physicochem Eng Asp, 2014, 449:87
[8]	Xiao D, Yuan D, He H, Carbon,2014 :.
[9]	Nakajima H, Ohno H, Polymer,2005 :.
[10]	Pourjavadi A, Hosseini S H, Aghayee Meibody S A, et al.. C R Chimie,2013 :.
[11]	Wang J, Xu B, Sun H, Tetrahedron Lett,2013 :.
[12]	Daniela C, Albob J, Santosb E, et al.. J Mol Liq,2013 :.
[13]	Zhang Q S, Liu A X, Guo B N, Chemistry Journal of Chinese Universities,2005, 26 (2):340. 张青山, 刘爱霞, 郭炳南, 等, 高等化学学,2005, 26 (2):340.
[14]	Wang M H, Liu J W, Huang Z P, Chinese Journal of Chromatography,2015, 33 (7):678. 王幕华, 刘军伟, 黄忠平, 等, 色谱,2015, 33 (7):678.
[15]	Zheng S Y, Lü D S, Jiang X M, Journal of Functional Polymer,2004, 17 (4):703. 郑三燕, 吕德水, 江秀明, 功能高分子学报,2004, 17 (4):703.
[16]	Guo Y L, Gu Y C, Deng Q L, Chinese Journal of Chromatography,2016, 34 (5):456. 郭艳玲, 顾雨辰, 邓启良, 色谱,2016, 34 (5):456.