孫佳妮，劉俊渤*，唐珊珊，靳瑞發(fā)

(1．吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118;2．內(nèi)蒙古赤峰學(xué)院化工學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰 024000)

近年來，分子印跡聚合物(Molecular imprinted polymers，MIPs)由于具有獨(dú)特的理化性質(zhì)成為研究熱點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于仿生傳感器、抗體模擬、酶催化模擬等領(lǐng)域［1－2］。然而，MIPs的研究目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，其制備受到功能單體的種類及其印跡比例、溶劑等諸多因素的影響，印跡體系的優(yōu)化也由于缺乏理論指導(dǎo)而使實(shí)驗(yàn)針對(duì)性比較差。為使MIPs對(duì)印跡分子具有更高親和性、選擇性和識(shí)別性，許多研究者開始將分子模擬應(yīng)用于分子印跡體系的理論研究，從分子水平上探討印跡識(shí)別機(jī)理，快速篩選單體、印跡比例及溶劑［3－4］，提高研發(fā)效率。量子化學(xué)已成為分子印跡技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要工具。

環(huán)丙沙星(Ciprofloxacin，CIP)是一種具有抗菌譜廣、抗菌作用強(qiáng)、組織穿透力強(qiáng)及價(jià)格低廉等特點(diǎn)的喹諾酮類抗生素，被廣泛用于獸醫(yī)臨床、畜禽和水生動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)中［5］。近年來，隨著國際食品貿(mào)易中對(duì)環(huán)丙沙星等喹諾酮類藥物越來越嚴(yán)格的最高殘留范圍的限定，此類藥物在動(dòng)物源食品中的殘留分析引起了國內(nèi)外的普遍關(guān)注［6－7］。將MIPs作為固相萃取中的吸附材料，可有效從復(fù)雜基質(zhì)食品樣品中分離、純化、富集待測(cè)物，同時(shí)除去干擾組分，可顯著提高CIP檢測(cè)方法的選擇性、靈敏度及準(zhǔn)確度。因此，以CIP為模板的MIPs也引起了國內(nèi)外越來越廣泛的關(guān)注［8－9］。目前，國內(nèi)外對(duì)CIP分子印跡材料的實(shí)驗(yàn)研究是以甲基丙烯酸(MAA)［8］或 4 － 乙烯基吡啶(4 － Vpy)［9］為功能單體，溶劑也局限于甲醇、二氯甲烷或甲苯，對(duì)CIP印跡分子與功能單體之間相互作用的原理及分子印跡聚合物中的反應(yīng)溶劑的影響都缺乏定量和系統(tǒng)的理論研究。因此，本文嘗試以CIP作為研究對(duì)象，MAA、4－Vpy為功能單體，從理論上研究 CIP與兩種功能單體形成穩(wěn)定復(fù)合物的幾何構(gòu)型、成鍵情況、NBO電荷的轉(zhuǎn)移以及反應(yīng)的結(jié)合能等，表征它們之間相互作用的性質(zhì)、強(qiáng)弱及作用原理，從分子水平上優(yōu)化篩選與CIP印跡分子空間結(jié)構(gòu)、化學(xué)基團(tuán)等更相互匹配的功能單體。同時(shí)，為增強(qiáng)印跡效率，通過對(duì)不同極性溶劑與非極性溶劑選擇的模擬，研究不同溶劑對(duì)CIP印跡分子制備過程的影響。

1 計(jì)算方法

借助Gaussian View程序搭建模型，在6－31G(d，p)基組水平下，分別采用B3LYP、PBE0、LCWPBE、CAM－B3LYP和WB97XD 5種密度泛函理論(DFT)［10］，用 Gaussian09 程序 Revision A．02版［11］進(jìn)行環(huán)丙沙星幾何構(gòu)型優(yōu)化，收斂采用默認(rèn)值，求得無虛頻的具有最低能量的穩(wěn)定的分子構(gòu)型(圖1)。表1列出CIP的全優(yōu)化幾何構(gòu)型參數(shù)，其中引用了 Iztok Turel［12］所報(bào)道的環(huán)丙沙星結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

圖1 CIP化學(xué)結(jié)構(gòu)

表1 在6-31G(d，p)基組水平下，采用B3LYP、PBE0、LC-WPBE、CAM-B3LYP和WB97XD方法計(jì)算的CIP結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)值

續(xù)表

觀察表1數(shù)據(jù)，用 B3LYP、PBE0、LC －WPBE、CAM－B3LYP和WB97XD方法對(duì)CIP結(jié)構(gòu)的幾何優(yōu)化，計(jì)算得到的鍵長(zhǎng)、鍵角相差不大，均在允許的誤差范圍之內(nèi)。但和其他四種方法相比，LC－WPBE方法計(jì)算得到的鍵長(zhǎng)、鍵角和文獻(xiàn)值更接近。例如，B3LYP、PBE0、LC － WPBE、CAM － B3LYP 和WB97XD方法計(jì)算C36－C34的鍵長(zhǎng)分別為0．1504、0．1497、0．1493、0．1498 和 0．1500 nm，LC － WPBE/6－31G(d，p)方法計(jì)算得到的鍵長(zhǎng)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相同。綜上所述，對(duì)于 CIP，用 LC－WPBE/6－31G(d，p)方法來優(yōu)化結(jié)構(gòu)比較合適。因此，在本研究中采用LC－WPBE/6－31G(d，p)方法優(yōu)化模板分子、功能單體及其聚合物的幾何構(gòu)型。

所有的計(jì)算均采用LC－WPBE/6－31G(d，p)方法，分別對(duì)模板分子和功能單體進(jìn)行以下操作:

(1)對(duì)CIP、MAA、4－Vpy及其復(fù)合物進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化，在同樣水平下進(jìn)行頻率計(jì)算，得到?jīng)]有虛頻能量最低的幾何構(gòu)型，并采用自然鍵軌道分析方法(NBO)進(jìn)行NBO電荷分析。

(2)研究CIP分別與MAA、4－Vpy形成的復(fù)合物鍵長(zhǎng)、數(shù)目及作用的活性位點(diǎn)，探討CIP與功能單體分子印跡的作用原理及其相互作用的強(qiáng)弱。

(3)計(jì)算 CIP、MAA、4－Vpy以及其所形成復(fù)合物幾何構(gòu)型的能量，利用下式對(duì)得到的穩(wěn)定幾何構(gòu)型進(jìn)行結(jié)合能計(jì)算，表征CIP與單體相互作用的強(qiáng)弱，進(jìn)行單體篩選。在計(jì)算結(jié)合能時(shí)，基組迭加誤差(BSSE)采用Boys和Bornardi提出的Counterpoise 方法(CP)消除［13］。

其中ΔEB為CP方法校正后的相互作用能，即結(jié)合能;EC為CIP與功能單體印跡聚合物體系的總能量;ET為CIP印跡分子的能量;∑EF為單體的能量之和。

(4)利用基于自洽反應(yīng)場(chǎng)(SCF)的Tomasi極化統(tǒng)一模型(Polarized Continuum Model，PCM)計(jì)算了模板分子CIP與最佳功能單體形成的復(fù)合物分別在氯仿、乙腈(ACN)、甲苯、甲醇、二甲基亞砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、四氫呋喃(THF)、水、二氯甲烷(DCM)等溶劑中的溶劑化能，表征溶劑與組分之間相互作用的強(qiáng)弱。

式中Esolvent是計(jì)算模型在溶劑中的單點(diǎn)能，Evacuum是計(jì)算模型在真空中的單點(diǎn)能。

2 結(jié)果與討論

2．1 CIP與功能單體幾何構(gòu)型的優(yōu)化 優(yōu)化CIP和MAA、4－Vpy的分子幾何構(gòu)型并計(jì)算原子的NBO電荷。環(huán)丙沙星與功能單體MAA、4－Vpy的質(zhì)子受體與質(zhì)子給體位點(diǎn)的電荷如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明環(huán)丙沙星分子的質(zhì)子受體為 F9、N17、O29、O31、O32，質(zhì)子給體為 H8、H27、H33、H42;MAA 的質(zhì)子受體為羰基中的 O10，質(zhì)子給體為羥基上的H12;4－Vpy的質(zhì)子受體為N6，質(zhì)子給體主要為H7、H10。

圖2 模板分子與功能單體的優(yōu)勢(shì)構(gòu)型

2．2 CIP與功能單體復(fù)合物幾何構(gòu)型的優(yōu)化 根據(jù)CIP模板分子和MAA、4－Vpy功能單體分子構(gòu)型優(yōu)化的結(jié)果，構(gòu)建CIP和兩種功能單體之間形成的復(fù)合物幾何構(gòu)型，并通過計(jì)算模擬優(yōu)化其穩(wěn)定復(fù)合物幾何構(gòu)型。通過比較CIP模板分子與MAA、4－Vpy兩種功能單體形成穩(wěn)定復(fù)合物的幾何構(gòu)型、氫鍵作用位點(diǎn)及數(shù)目、NBO電荷的轉(zhuǎn)移以及反應(yīng)的結(jié)合能等，探討CIP與兩種功能單體分子印跡的作用原理及其相互作用的強(qiáng)弱。在選擇功能單體進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，分別對(duì)模板分子與功能單體不同印跡比例的計(jì)算模型進(jìn)行研究，但當(dāng)CIP與兩種單體的印跡比例為1∶7時(shí)，其對(duì)應(yīng)聚合物的作用位點(diǎn)數(shù)目均遠(yuǎn)小于其印跡比例1∶6時(shí)的作用位點(diǎn)數(shù)目，這是由于空間位阻導(dǎo)致模板分子與功能單體之間距離增大。此外，過量的單體引起自身的締合，也使選擇性吸附位點(diǎn)數(shù)減少，結(jié)合能絕對(duì)值降低，因而使其復(fù)合物穩(wěn)定性減弱。

CIP與兩種功能單體相互作用形成的穩(wěn)定的復(fù)合物幾何構(gòu)型如圖3所示。每個(gè)穩(wěn)定構(gòu)型中模板分子與所選功能單體通過分子間氫鍵作用，其結(jié)合方式由CIP模板分子與兩種功能單體的結(jié)構(gòu)決定。CIP與MAA、4－Vpy兩種功能單體的最佳印跡比例、氫鍵數(shù)目、鍵長(zhǎng)與氫鍵作用活性位點(diǎn)列于表2中。

圖3 CIP與兩種功能單體復(fù)合物的優(yōu)化幾何構(gòu)型

表2 模板分子與兩種功能單體分子印跡相互作用體系的相關(guān)參數(shù)

由表2可以看出，CIP與MAA、4－Vpy的最佳印跡比例均為1∶6。MAA與CIP之間相互作用形成6個(gè)氫鍵，其氫鍵形式分別是2個(gè)=C－H…O、3個(gè)O…H－O、1個(gè)N…H－O;4－Vpy與CIP之間相互作用形成5個(gè)氫鍵，其氫鍵形式分別是1個(gè)=C－H…N、3個(gè)O…H －C=、1個(gè) N－H…N。前者形成氫鍵數(shù)目與相互作用活性位點(diǎn)比Complex(2)多。模板與功能單體的印跡比例對(duì)聚合物的識(shí)別能力影響非常大，同一模板分子其印跡比例越大，MIPs識(shí)別模板分子的能力就越強(qiáng)，非特異性吸附就越弱。此外，從氫鍵鍵長(zhǎng)看，Complex(1)氫鍵鍵長(zhǎng)分別為 0．2207、0．1743、0．2192、0．1760、0．1738、0．1773 nm;Complex(1)氫鍵鍵長(zhǎng)分別為0．2233、0．2396、0．2413、0．2279 nm。Complex(1)與Complex(2)氫鍵鍵長(zhǎng)均在氫鍵范疇內(nèi)［14－16］，但Complex(1)氫鍵相互作用強(qiáng)于Complex(2)。因此，從氫鍵數(shù)目、鍵長(zhǎng)和氫鍵作用活性位點(diǎn)來看，我們可以得到一個(gè)相互作用的強(qiáng)弱順序:MAA和CIP間相互作用最強(qiáng)，4－Vpy次之。

2．3 NBO電荷分析 氫鍵的形成導(dǎo)致電子重組，這是由于復(fù)合物中成鍵原子電荷轉(zhuǎn)移引起的［17］。為理解印跡體系中相互作用的本質(zhì)，用自然鍵軌道分析方法(NBO)研究復(fù)合物中原子電荷，評(píng)估整體的NBO電荷轉(zhuǎn)移，從而判斷氫鍵的形成及強(qiáng)弱。從它們形成復(fù)合物所得到的NBO電荷結(jié)果可以看出，CIP與單體相互作用前，CIP結(jié)構(gòu)中 N10、O29、O31、O32的 NBO 電荷分別為 － 0．480、－ 0．638、－0．622、－ 0．718，H8、H42、H27的 NBO 電荷為0．293、0．402、0．283。發(fā)生相互作用后，在與 MAA形成的 Complex(1)中，CIP 結(jié)構(gòu)中 N10、O29、O31的NBO 電荷分別為 －0．527、－0．705、－0．735，H8、H27的 NBO 電荷為0．306、0．307;而與 4 － Vpy形成的Complex(2)中，CIP結(jié)構(gòu)中O31、O32的NBO電荷分別為 － 0．671、－ 0．731，H8、H42的 NBO 電荷為0．311、0．429。CIP與 MAA 功能單體相互作用后，N10、O29、O31分別失去電荷0．047、0．067、0．113，H8、H27分別得到電荷 0．013、0．024;而 CIP 與 4 － Vpy功能單體相互作用后，O31、O32分別失去電荷0．049、0．013，H8、H42分別得到電荷 0．018、0．027。計(jì)算結(jié)果表明，形成Complex(1)時(shí)電荷轉(zhuǎn)移總趨勢(shì)為失去電荷0．19，而形成Complex(2)時(shí)電荷轉(zhuǎn)移總趨勢(shì)為失去電荷0．017。由此可見，MAA與模板分子CIP形成復(fù)合物時(shí)發(fā)生了較高的電荷轉(zhuǎn)移總趨勢(shì)，因此，較功能單體4－Vpy而言，MAA與CIP之間可以形成較強(qiáng)的相互作用力。

2．4 結(jié)合能 為了進(jìn)一步分析CIP與功能單體MAA、4－Vpy相互作用強(qiáng)弱，我們用LC－WPBE/6－31G(d，p)方法，計(jì)算了復(fù)合物的結(jié)合能。表3是根據(jù)(1)式模擬計(jì)算所得的CIP、MAA、4－Vpy和其復(fù)合物經(jīng)BSSE校正后的能量E及結(jié)合能ΔEB。從表 3數(shù)據(jù)可看出，ΔEB［complex(2)］比ΔEB［complex(1)］的結(jié)合能低131．81 kJ/mol，即與4－Vpy相比，功能單體MAA與模板分子CIP形成復(fù)合物的結(jié)合能ΔE顯著降低。模板與單體間相互作用能的大小與模板在相應(yīng)的MIPs填充柱上的容量因子相關(guān)，也就是與MIPs的親和性有關(guān)。因此，CIP與MAA、4－Vpy之間相互作用能的大小，能夠有效預(yù)測(cè)CIP分子印跡聚合物的親和性。所以，CIP模板分子與MAA功能單體之間相互作用更強(qiáng)，二者形成復(fù)合物的穩(wěn)定性更好，其制備的MIPs對(duì)CIP分子也將具有更好的識(shí)別能力，吸附量更大。

表3 復(fù)合物用LC-WPBE方法計(jì)算的結(jié)合能(ΔEB)k J/mol

2．5 溶劑化能 在之前的工作中，所有的分子模擬都在真空中進(jìn)行，在自組裝過程中沒有考慮溶劑效應(yīng)的影響。而實(shí)驗(yàn)中由于大多數(shù)反應(yīng)是在溶液中進(jìn)行的，因此其研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)有可能存在很大差距。非共價(jià)印跡中，模板與單體穩(wěn)定復(fù)合物的形成與溶劑環(huán)境有重要的關(guān)系，不僅要求溶劑對(duì)模板、單體及引發(fā)劑等組分具有較高的溶解性，能形成大的通孔和小的微孔，而且要能促進(jìn)模板與單體間非共價(jià)相互作用(氫鍵、范德華力、靜電力等)，至少不干擾模板與單體間復(fù)合物的形成［18］。因此，根據(jù)文獻(xiàn)中常用的溶劑類型，以CIP為模板，MAA為功能單體，計(jì)算其穩(wěn)定復(fù)合物在氯仿、乙腈、甲苯、甲醇、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、四氫呋喃、水及二氯甲烷9種不同介電常數(shù)溶劑的溶劑化能，利用溶劑化能ΔE來反映溶劑與組分之間的相互作用，|ΔE|越大，表示組分與溶劑相互作用越大，而強(qiáng)的溶劑作用會(huì)減弱CIP與MAA之間的相互作用，對(duì)印跡聚合物產(chǎn)生不利的影響。其溶劑化能及介電常數(shù)見表4。

由表4數(shù)據(jù)可知，ΔE［甲苯］ ＞ ΔE［氯仿］ ＞ΔE［四氫呋喃］ ＞ ΔE［二氯甲烷］ ＞ ΔE［甲醇］ ＞ΔE［乙腈］ ＞ ΔE［二甲基甲酰胺］ ＞ ΔE［二甲基亞砜］＞ΔE［水］。因此，模板CIP和單體MAA形成的穩(wěn)定復(fù)合物與溶劑的相互作用強(qiáng)度為:水＞二甲基亞砜＞二甲基甲酰胺＞乙腈＞甲醇＞二氯甲烷＞四氫呋喃＞氯仿＞甲苯，其復(fù)合物在水中的溶劑化能最大，而在甲苯中最小。由于模板與單體的分子間相互作用與它們和溶劑分子的相互作用是相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，因此與溶劑相互作用強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致CIP與MAA的分子間相互作用被削弱，從而使得到的印跡聚合物的分子識(shí)別效果比較差。由此可預(yù)知，在上述溶劑體系中合成的MIPs對(duì)CIP的分子識(shí)別能力的強(qiáng)弱為:甲苯＞氯仿＞四氫呋喃＞二氯甲烷＞甲醇＞乙腈＞二甲基甲酰胺＞二甲基亞砜＞水，因此，在甲苯中有望合成對(duì)CIP的分子識(shí)別能力更強(qiáng)的MIPs。研究還表明，隨著所選溶劑介電常數(shù)增大，相比真空中的相互作用能來講，其溶劑化能有明顯的變化，且低介電常數(shù)溶劑對(duì)印跡體系中單體與模板分子相互作用時(shí)的溶劑化效應(yīng)較小。

表4 復(fù)合物(1)在不同溶劑中的溶劑化能E(kJ/mol)及溶劑介電常數(shù)ε(F/m)

3 結(jié)論

分子模擬研究表明，對(duì)CIP而言，相對(duì)作用最強(qiáng)的功能單體是MAA，且CIP與MAA印跡比例為1∶6時(shí)，其分子間形成的氫鍵相互作用最強(qiáng)，電荷轉(zhuǎn)移趨勢(shì)總體最大，且復(fù)合物的結(jié)合能最低，MIP也最穩(wěn)定。而且，以甲苯為溶劑合成的MIPs對(duì)CIP的分子識(shí)別能力更強(qiáng)。通過模擬計(jì)算，不僅有助于指導(dǎo)分子印跡聚合物制備時(shí)最佳功能單體及其印跡比例的選擇，優(yōu)化印跡體系，更為CIP分子印跡聚合物的進(jìn)一步研究提供理論參考。

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