CO2刺激响应球型水凝胶的制备及在蛋白质分离中的应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230255

摘要/Abstract

摘要：

以纤维素、甲基丙烯酸二甲基胺基乙酯和N，N′-亚甲基双丙烯酰胺等为原料制备了纤维素/聚甲基丙烯酸二甲基胺基乙酯互穿网络复合水凝胶材料（GCel/PD）。GCel/PD材料具有显著的CO₂刺激响应特性，能有效地吸附分离牛血清白蛋白（BSA）。其中，对BSA的最大吸附量可达（434.4±15） mg/g。在CO₂/N₂氛围的循环切换下，GCel/PD材料表现出良好的循环稳定性，在循环使用3次之后，对蛋白质的吸附量仍能达到167.5 mg/g。使用之后，颗粒状GCel/PD便于从体系中分离出来，有望在蛋白质的分离提取方面得到应用。

关键词: 复合水凝胶, CO₂, 刺激-响应, 吸附分离

Abstract:

A composite hydrogel material， denoted as GCel/PD， is synthesized by utilizing cellulose， N，N′-dimethylaminoethyl methacrylate （DMAEMA） and N，N'-methylenebis（acrylamide） as the main raw materials. The results demonstrate that the GCel/PD materials exhibit significant CO₂ stimulus-responsive characteristics， and can effectively adsorb and separate bovine serum albumin （BSA）. The maximum adsorption capacity can reach （434.4±15） mg/g. Moreover， under the cyclic switching between CO₂ and nitrogen atmospheres， the GCel/PD material can exhibit good cycling stability. The adsorption capacity is as high as 167.5 mg/g even after three usage cycles. The material's particulate nature facilitates its post-usage separation from the system， exhibits promising potential in protein extraction and separation.

Key words: Composite hydrogel, CO₂, Stimulus-responsive, Adsorption and separation

中图分类号:

O636

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图/表 8

表1 GCel/PD复合水凝胶的制备配方

Table 1 Preparation recipes of GCel/PD composite hydrogels

Sample	m（GCel）/g ^a	c（DMAEMA）/（mol·L^-1） ^b	c（MBA）/（mol·L^-1） ^b	c（APPH）/（mol·L^-1） ^b	V（H₂O）/mL
GCel/PD-1	5.0	2.32	0.173	0.153	4.0
GCel/PD-2	5.0	1.89	0.141	0.125	4.0
GCel/PD-3	5.0	1.39	0.104	0.092	4.0
GCel/PD-4	5.0	0.771	0.058	0.051	4.0

图1 纤维素基复合凝胶材料的制备流程及在CO2/N2切换下对BSA的吸附/脱附过程

Fig.1 Preparation process of cellulose-based composite hydrogel materials and the adsorption/desorption process of BSA by the switch of CO2/N2

图2 PDMAEMA、GCel和GCel/PD复合水凝胶材料的FT-IR谱图

Fig.2 FT-IR spectra of PDMAEMA， GCel and GCel/PD

图3 （A） GCel、（B） GCel/PD-1、（C） GCel/PD-2、（D） GCel/PD-3、（E） GCel/PD-4和（F） 3次吸附-脱附循环后GCel/PD-2样品的SEM图

Fig.3 SEM images of （A） GCel，（B） GCel/PD-1，（C） GCel/PD-2，（D） GCel/PD-3，（E） GCel/PD-4 and （F） GCel/PD-2 after three adsorption/desorption cycles

表2 样品的BET测试和Zeta电位结果以及分散到被CO2饱和的BSA溶液中的pH值

Table 2 Results of BET test and Zeta potential analysisof samples， as well as the pH of the GCel/PD-BSA suspension solution saturated with CO2

Samples	Pore diameter/nm	Specific surface area/（m²·g^-1）	Zeta potential/mV ^a	pH
GCel	4.6	18.59	2.07/1.74	4.42
GCel/PD-1	5.6	16.64	6.63/-1.85	5.21
GCel/PD-2	4.5	22.70	6.48/-6.99	5.54
GCel/PD-3	4.3	21.72	-4.51/-10.67	5.29
GCel/PD-4	5.2	24.45	-5.45/-18.87	5.13

图4 GCel、GCel/PD复合水凝胶材料的孔径分布（BJH）

Fig.4 Pore size distribution （BJH） of GCel and GCel/PD composite hydrogel materials

图5 GCel和GCel/PD复合材料对BSA的吸附A.The adsorption kinetics curve with the time; B.Saturated adsorption histogram of composites

Fig.5 Adsorption of BSA by GCel and GCel/PD composite materials

图6 在CO2和N2循环下BSA溶液浓度的变化曲线

Fig.6 BSA cyclic adsorption capacity under CO2 and N2 cycles； Solution concentration variation

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CO₂刺激响应球型水凝胶的制备及在蛋白质分离中的应用

Preparation of CO₂ Stimulus-Responsive Hydrogel and Its Application in Protein Separation

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