基于γ-聚谷氨酸的纳米颗粒制备及吸附性能的分析

Preparation and Adsorption Property Analysis of Nanoparticles Based on γ-Polyglutamate Acid

摘要: 本文以壳聚糖(chitosan, CS)和γ-聚谷氨酸(γ-polyglutamic acid, PGA)为主要原料，加入三聚磷酸钠(sodium tripolyphosphate, STPP)、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone, PVP)作为螯合剂与稳定剂，制备纳米颗粒并用于重金属离子吸附。为探究基于PGA纳米粒对重金属离子Cu²⁺、Co²⁺竞争性吸附特性的影响，利用单因素及正交实验确定纳米颗粒的制备工艺，并利用粒径分析仪对其粒径大小和粒径分布(particle size distribution, PDI)进行测定。结果表明，最佳配比：PGA浓度为0.6%、STPP浓度为0.1%、PVP浓度为0.2%、CS浓度为0.02%时，纳米颗粒的粒径大小为322.5 nm，PDI为0.144；PGA基纳米粒对Cu²⁺、Co²⁺的吸附率分别为75.64%和82.35%。因此，以生物基PGA和CS为原材料制备的纳米颗粒具有用于重金属离子吸附的潜力。

Abstract: Nanoparticls of γ-Polyglutamic acid (PGA) and chitosan (CS) as matrix were prepared by adding sodium tripolyphosphate (STPP), polyethylene pyrrolidone (PVP) as chelating agent and stabilizer. And the heavy ions adsorption of the products was evaluated. In order to investigate the effect of PGA nanoparticles on the competitive adsorption characteristics of heavy metal ions Cu²⁺ and Co²⁺, single factor and orthogonal experiments were used to determine the preparation process of nanoparticles, and particle size analyzer was used to determine the size and distribution of nanoparticles. The results showed that when the optimal condition was 0.6% PGA, 0.1% STPP, 0.2% PVP and 0.02% CS, the particle size of the nanoparticles and the PDI was 322.5 nm and 0.144, respectively, and the adsorption rate of PGA-based nanoparticles for Cu²⁺ and Co²⁺ reached 75.64% and 82.35%, respectively. Therefore, nanoparticles prepared with bio-based PGA and CS as raw materials have the potential to be used for heavy metal ion adsorption.

1. 引言

近几年来，我国江河流域的污染已经覆盖了80%以上，其中重金属污染，已经严重破坏了生态环境，并影响了我国经济的发展 [1]。重金属如Pb²⁺、Co³⁺等，来源十分广泛，具有积累性强、不可被降解等特点 [2]。动物食用受重金属污染的食品，会使重金属在体内长期存在，造成中毒、致畸、致癌等危害 [3]。

目前吸附法因成本低、效率高等优点作为处理重金属污染水体较为常见的一种方法 [4]。如改性树脂的吸附剂性能优异但却要回收多次 [5]；采用辐射诱导共聚法制备的聚乙烯吡咯烷酮/聚丙烯酸(PVP/AAc)共聚物水凝胶吸附重金属后很难被降解 [6]。研究表明开发生物基原料如纤维素、壳聚糖、海藻酸钠等制备纳米颗粒、水凝胶等应用于水体中重金属的吸附，此类产品具有设计性强、比表面积大等优点 [7] [8] [9]。γ-聚谷氨酸(PGA)因含多个游离羧基而具备金属螯合性，在环境保护和污水处理等方面应用前景广阔 [10]。PGA的羧基可与CS等带正电的物质通过静电作用改善产品的溶解性、缓释性、吸附性等 [11] [12]。本文以PGA、CS等为基材，选择三聚磷酸钠(STPP)、PVP作为螯合剂与稳定剂制备纳米颗粒，能较好地吸附Cu²⁺、Co²⁺等重金属离子，为提高资源利用率，推动绿色经济发展，满足对环保类产品的需求提供基础。

2. 实验部分

2.1. 试剂与仪器

γ-聚谷氨酸(分子量200万Da)南京轩凯生物科技有限公司；壳聚糖(脱乙酰度95%)阿拉丁试剂有限公司；聚乙烯吡咯烷酮、三聚磷酸钠、硝酸铜、硝酸钴、冰乙酸等国药集团化学试剂有限公司。

UV-765紫外分光光度计上海精科电子有限公司；TG-16G高速离心机常州市金坛勒普仪器有限公司；MS-3000马尔文激光粒度分析仪英国马尔文仪器有限公司；BGZ-140数显恒温磁力搅拌器杭州仪表电机有限公司等。

2.2. 实验过程

2.2.1. PGA基纳米颗粒的制备方法

称取一定质量的STPP加入到去离子水中配制成溶液，称取一定质量的CS加入1%醋酸溶液中配制成CS溶液，室温搅拌溶胀，静置24 h备用。称取一定质量的PGA和PVP加入到去离子水中配制成PGA-PVP溶液。将壳聚糖溶液置于80 mL烧杯中，将烧杯置于数显恒温磁力搅拌器上，把STPP溶液和PGA-PVP溶液混合后慢慢滴加到CS溶液中搅拌直至出现明显蓝色乳光，静置一段时间后不发生沉淀，制备流程图如图1。将纳米悬浊液在10,000 r/min离心30 min后冻干获得样品。

Figure 1. The flow chart of the preparation of polyglutamic acid-based nanoparticles

图1. 聚谷氨酸基纳米粒的制备流程图

2.2.2. 单因素实验

1) PGA浓度对纳米颗粒形成的影响

混合溶液中控制STPP浓度为0.2%，PVP浓度为0.2%，改变PGA浓度溶液分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，分别配成五组含有不同PGA浓度的混合溶液，在不同浓度的CS溶液中分别滴入不同浓度的混合溶液，计算PGA/CS的质量比。

2) STPP浓度对纳米颗粒形成的影响

混合溶液中控制PGA浓度为0.1%，PVP浓度为0.2%，改变STPP浓度分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%，分别配制成五组混合溶液，在CS溶液中分别滴入不同浓度的混合溶液，计算PGA/CS的质量比。

3) PVP浓度对纳米颗粒形成的影响

混合溶液中控制PGA浓度为0.1%，STPP浓度为0.2%，改变PVP浓度分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%，分别配制成五组混合溶液，在CS溶液中分别滴入不同浓度的混合溶液，计算PGA/CS的质量比。

4) CS浓度对纳米颗粒形成的影响

混合溶液中控制STPP浓度为0.2%，PVP浓度为0.2%，PGA浓度为0.5%。将混合溶液分别滴入浓度为0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%的CS溶液中，观察混合溶液的浊度，通过冻干样品与加入原料的质量比计算收率。

2.2.3. 正交实验设计

在单因素的基础上，设计四因素三水平的正交实验，以形成纳米颗粒大小为指标进行试验，选用L₉(3⁴)正交表，因素水平见表1。

Table 1. Orthogonal experimental level factor design

表1. 正交实验水平因素设计

2.2.4. 结构表征分析

称取一定质量制备好的PGA纳米颗粒的水溶液，利用马尔文纳米粒径激光分析仪配有He-Ne激光器(633 nm)，散射检测角设置为90˚，在温度为25℃的条件下，测定PGA纳米颗粒水溶液的粒径(Z-Ave)、粒径分布(PDI)及表面电位(Zeta)，平行三次进行统计、分析 [13]。

2.2.5. 红外光谱分析

利用傅里叶红外光谱仪KBr压片法对原料和冻干后的纳米颗粒的红外光谱进行采集。采集条件为：25℃下，以4 cm⁻¹分辨率，在500~4000 cm⁻¹波数范围内，扫描32次，得红外光谱图。

2.2.6. 纳米颗粒吸附重金属

1) Cu²⁺、Co²⁺标准曲线的建立

分别配制浓度为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07 mol/L的Cu²⁺溶液，在波长λ_max = 804 nm处测得吸光度值，将实验数据进行线性拟合，得到标准曲线。同理，分别配制浓度为0.04、0.06、0.08、0.1、0.12、0.14、0.16 mol/L的Co²⁺溶液，测定其相对应的λ_max = 512 nm处的吸光值，作线性回归 [14]。

2) 纳米颗粒对重金属的吸附研究

取100 mL浓度为0.5%的PGA纳米颗粒水溶液，加入重金属溶液配置成一定初始浓度溶液，置于磁力搅拌器上以200 r/min的速度搅拌4 h后，用0.22 μm滤膜过滤 [15]，滤液用紫外分光光度计测定吸光度。根据标准曲线来计算吸光度对应的重金属浓度，根据溶液初始浓度与吸附后的浓度的差值计算吸附量 [16]、吸附率 [14]。

3. 结果与讨论

3.1. 配方组成对纳米颗粒形成的影响

3.1.1. PGA浓度对纳米颗粒形成的影响

Figure 2. Effect of PGA concentration on nanoparticle formation

图2. PGA浓度对纳米颗粒形成的影响

由图2可知，当PGA浓度为0.5%、CS浓度为0.01%时，PGA/CS的质量比达到最大值，为0.75 g/g。当PGA浓度不变时，CS浓度由0.1%降低为0.01%时，PGA/CS质量比越大，这是因为当CS浓度为0.01%时，PGA含有大量的羧基，PGA的加入能显著(P < 0.05)提高混合溶液的亲水性，提高混合溶液的吸水率 [17]。吸水率越高，PGA/CS质量比越大，纳米颗粒形成量越多。为使纳米颗粒的形成量越多，故选择PGA的浓度为0.5%。

3.1.2. STPP浓度对纳米颗粒形成的影响

Figure 3. Effect of STPP concentration on nanoparticle formation

图3. STPP浓度对纳米颗粒形成的影响

由图3可知，PGA/CS的质量比在0.04 g/g~0.20 g/g之间，随着STPP浓度的不断增加，PGA/CS质量比呈现出下降的趋势，在STPP浓度为0.2%时，PGA/CS质量比达到最大值，为0.2。STPP浓度对于纳米颗粒的粒径大小并没有明显(P < 0.05)影响，这是因为STPP释放的阴离子与CS释放的阳离子能够发生交联作用从而形成纳米颗粒，当阴离子浓度与阳离子浓度接近时，过量的STPP对纳米颗粒的粒径并无较大的影响 [18]。故选择STPP的浓度为0.2%。

3.1.3. PVP浓度对纳米颗粒形成的影响

Figure 4. Effect of PVP concentration on nanoparticle formation

图4. PVP浓度对纳米颗粒形成的影响

由图4可知，随着PVP浓度的增加，PGA/CS的质量比虽然呈现出下降的趋势，但当PVP浓度为0.4%之后，就逐渐趋于平缓，在PVP浓度为1%，PGA/CS的质量比达到最小值，为0.12。当PVP浓度较低时，混合溶液的粘度较低，表面张力也较小，分散速度较快，在此情况下形成的纳米颗粒载体的量较小，粒子间相互碰撞的机会小，从而生成的纳米颗粒的粒径较小，混合溶液的体系较稳定 [19]。故选择PVP浓度为0.2%。

3.1.4. CS浓度对纳米颗粒形成的影响

混合溶液中控制STPP(A)浓度为0.2%，PVP(D)浓度为0.2%，PGA浓度(C)为0.1%。将混合溶液分别滴入浓度为0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%的CS(B)溶液中，观察混合溶液的浊度如图5所示。

Figure 5. Effect of CS concentration on the amount of nanoparticles formed

图5. CS浓度对纳米颗粒形成量的影响

由图5可知，随着CS浓度的增加，混合溶液的颜色越来越深，收率越大，形成的纳米颗粒也越多，但当CS浓度在0.1%时，形成的纳米颗粒粒径较大，纳米颗粒间聚合度不完全，由于重力原因，静置过后容易产生沉淀，而CS浓度在0.01%时，体系颜色较浅，在此情况下形成的纳米颗粒较少，而且在该浓度下形成的纳米颗粒形状不稳定 [20]。故选择CS浓度在0.02%~0.08%之间。

3.2. 正交实验结果分析

Table 2. Orthogonal experimental results

表2. 正交实验结果

由表2实验结果可知，纳米颗粒的粒径越小越稳定，由极差可知，影响纳米颗粒形成的因素的主要顺序为D > B > C > A。即CS浓度最大，表明CS的添加量对纳米颗粒形成的粒径影响最大，STPP浓度次之，PGA的浓度影响最小，但PGA添加量不应该过多，否则纳米颗粒表面逐渐变得多孔，而导致形成的纳米颗粒结构过于疏松 [21]。由均值大小可知，最佳组合为D₁B₁C₂A₃。

3.3. 红外光谱分析

Figure 6. IR spectra of γ-PGA, CS and nanoparticles

图6. γ-PGA、CS和纳米颗粒的红外谱图

图6为原料γ-PGA、CS和产品纳米颗粒的红外光谱图，3300~3600 cm⁻¹处的吸收峰为O-H和N-H的伸缩振动，该峰具有较大的宽度和较大的强度，其原因是分子间发生缔合作用而导致吸收峰宽度变大 [22]。在2945 cm⁻¹处为饱和C-H键伸缩振动带。在1645 cm⁻¹和1583 cm⁻¹为酰胺基中C=O的伸缩振动带，且该处出现吸收峰，说明γ-PGA的羧基和CS的氨基通过静电作用实现离子交联。1085 cm⁻¹处的吸收峰为C-O的伸缩振动，并且该吸收峰发生红移，说明纳米颗粒的组分间发生了次级键的相互作用 [23]。

3.4. 重金属吸附分析

根据实验数据得到Cu²⁺溶液的标准曲线为y = 11.336x + 0.0034，R² = 0.9998；Co²⁺溶液的标准曲线为y = 4.5136x + 0.0009，R² = 0.9997。两种重金属离子浓度曲线线性关系良好，符合实验要求。

在初始pH值的情况下，溶液中能够存在较多的H⁺，PGA基纳米粒作为吸附剂，其表面活性点羧基基团能够被质子化 [24]，溶液中的H⁺与金属离子一同去竞争吸附位点，所以重金属离子就难以被吸附剂吸附，当溶液pH值处于偏中性或中性条件下羧基发生电离，使纳米颗粒带负电的吸附位点增多，此时溶液中带有正电荷的金属离子就能够被充分吸附。根据实验得出，pH值为6时纳米颗粒对重金属的吸附率达到最大(如表3所示)。

Table 3. The adsorption effect of nanoparticles on heavy metals

表3. 纳米颗粒对重金属的吸附效果

4. 结论

本文以PGA、CS为主要原料，加入STPP、PVP作为螯合剂与稳定剂，制备纳米颗粒。通过单因素对纳米颗粒形成量的影响，以正交实验考察其粒径大小和粒径分布，并探究了PGA基纳米粒对重金属离子Cu²⁺、Co²⁺吸附特性的影响，对二者都有较好吸附，以生物材料PGA和CS为原材料制备的纳米颗粒可以用于重金属的吸附。

基金项目

浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划) (2021R421008)。

NOTES

^*通讯作者。