玄光善，孫欽勇，鄭曉

(青島科技大學(xué) 藥學(xué)系，山東 青島 266042)

分子印跡(Molecular imprinted)技術(shù)是從仿生學(xué)角度采用人工模擬方法制備對(duì)模板分子具有特異性識(shí)別作用的聚合物的技術(shù)［1］。由于分子印跡聚合物(Molecular Imprinted Polymers，MIPs)在識(shí)別性能上與天然的分子相比，具有使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、選擇性高、重復(fù)利用率好等優(yōu)點(diǎn)，所以在化學(xué)仿生傳感器、催化、色譜分離、固相萃取、天然抗體模擬以及模擬酶催化［2-4］中顯示出廣泛的應(yīng)用前景。

目前，印跡聚合物的制備方法主要采用溶液聚合和本體聚合的方法，且應(yīng)用廣泛。所制得聚合物是塊狀，需要進(jìn)行研磨、過(guò)篩，使得孔穴變形，破壞結(jié)合位點(diǎn)，顆粒不規(guī)整離效果低，模板分子的洗脫也造成一定的困難。這些存在的困難使后處理工作變得異常復(fù)雜繁瑣。同時(shí)對(duì)印跡分子的識(shí)別位點(diǎn)大都在聚合物內(nèi)部被其包埋，受到內(nèi)部的位阻影響較大，使得目標(biāo)分子不易與可識(shí)別位點(diǎn)結(jié)合，造成結(jié)合速率低、對(duì)孔穴接近性差等現(xiàn)象。以硅膠為基質(zhì)進(jìn)行印跡，在具有分子印跡功能的同時(shí)且具有良好的熱穩(wěn)定性、高結(jié)合速率、吸附性、選擇性、粒徑分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，因此，將識(shí)別位點(diǎn)固定在硅膠表面的表面分子印跡技術(shù)成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)［5-8］。

羅丹明B 是一種人工合成的三苯甲烷類堿性染料，但近幾年羅丹明B 不僅被用作食品添加劑，還作為調(diào)味品(尤其是辣椒粉和辣椒油)和染色劑。研究表明，羅丹明B 具有潛在的致癌性和致突變性，我國(guó)和歐盟都不允許在食品中使用。因此，對(duì)羅丹明B 的檢測(cè)方法提出了很高的要求，但樣品本身的復(fù)雜基質(zhì)直接干擾儀器檢測(cè)，導(dǎo)致樣品提取、純化、富集非常困難［9］。因此制備羅丹明B 的分子印跡吸附材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)其提取、純化、富集。本實(shí)驗(yàn)以羅丹明B 為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)為交聯(lián)劑，采用表面修飾分子印跡法，制備對(duì)羅丹明B 具有特定親和選擇性的分子印跡聚合物，并用紅外對(duì)聚合物進(jìn)行了表征，采用平衡結(jié)合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了分子印跡聚合物的吸附性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

硅膠(80 ～100 目)、羅丹明B、丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、乙腈等均為分析純;偶氮二異丁腈(AIBN，使用前經(jīng)甲醇重結(jié)晶，真空干燥24 h 后備用)為化學(xué)純。

LabTech UV1000 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì);Bruker Tensor 27 紅外光譜儀;DZF 真空干燥箱;YP-102N電子天平。

1.2 聚合物的制備

1.2.1 活化硅膠取20 g 硅膠于250 mL 圓底燒瓶中，加入195 mL 10% HNO3溶液攪拌12 h，除去硅膠表面的無(wú)機(jī)雜質(zhì)且增加硅膠表面的活性羥基數(shù)目，蒸餾水洗滌至中性，置于干燥環(huán)境中自然晾干。1.2.2 硅膠的表面修飾取15 g 的活化硅膠和20 mL 3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)分散于150 mL 甲苯中，超聲30 min 使活化硅膠充分分散開(kāi)，反應(yīng)在氮?dú)獗Ｗo(hù)110 ℃下回流24 h，冷卻至室溫后，依次用甲苯、丙酮、乙醚、甲醇洗滌，60 ℃真空干燥過(guò)夜備用，得到表面修飾的硅膠。1.2.3 分子印跡聚合物制備取479 mg 羅丹明B(1 mmol)分散于50 mL 的乙腈中，攪拌下加入0.304 4 g 丙烯酰胺(4 mmol)，1.5 g N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)(10 mmol)和2 g 表面修飾的活化硅膠，超聲30 min 使其充分分散，最后加入0.05 g偶氮二異丁腈(AIBN)，氮?dú)夤呐莩? min，放入恒溫電磁攪拌鍋中于60 ℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下聚合反應(yīng)24 h，冷卻至室溫，將所得物抽濾，60 ℃真空干燥10 h，老化后，再用索氏提取在乙醇∶乙酸=90∶10 (V/V)中回流48 h 除去模板分子。合成空白印跡聚合物(Nips)制備過(guò)程與Mips 相同，只是不加模板分子。

1.3 聚合物的性能研究

1.3.1 印跡聚合物的吸附性能研究分別稱取100 mg Mips 和Nips 于10 mL 容量瓶中，分別加入10 mL 1 mmol/L 羅丹明B 的丙酮標(biāo)準(zhǔn)溶液，置磁力攪拌器上，室溫下振蕩吸附24 h，然后用0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾，用紫外分光光度計(jì)在最大吸收波長(zhǎng)550 nm 處測(cè)羅丹明B 在平衡吸附液中的游離濃度，根據(jù)前后溶液中底物的濃度變化，計(jì)算出聚合物對(duì)模板分子的吸附量Q(μmol/g)。

1.3.2 印跡聚合物的選擇吸附性以羅丹明123為底物，分別稱取每份100 mg Mips 和其對(duì)應(yīng)空白聚合物于10 mL 容量瓶中，分別加入10 mL 1 mmol/L羅丹明123 的丙酮標(biāo)準(zhǔn)溶液，置磁力攪拌器上，室溫下振蕩吸附24 h，然后用0.22 μm 微孔濾膜過(guò)濾，用紫外分光光度計(jì)在最大吸收波長(zhǎng)550 nm 處測(cè)羅丹明123 在平衡吸附液中的游離濃度，根據(jù)前后溶液中底物的濃度變化，計(jì)算出聚合物對(duì)羅丹明123的吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備過(guò)程

羅丹明B 硅膠表面修飾分子印跡材料的制備過(guò)程見(jiàn)圖1?；罨蟮墓枘z表面含有豐富的活性羥基，通過(guò)分子間的烷基化反應(yīng)將3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)接枝到硅膠表面。在偶氮二異丁腈的誘發(fā)作用下，羅丹明B、功能單體丙烯酰胺和交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺形成聚合物并涂附在硅球上。用乙醇∶乙酸(90∶10，V/V)作為洗脫劑將羅丹明B 從制備的聚合物中洗脫出去，在聚合物中形成具有聚合位點(diǎn)的孔穴。在非印跡聚合物中，由于與酰氧基相連的—CH2—CH2—CH2—的靈活性，使配體的方向容易發(fā)生變化，使得聚合物中的空穴大小不確定，導(dǎo)致聚合材料對(duì)模板分子無(wú)選擇性。

圖1 羅丹明B 分子印跡聚合物的制備過(guò)程Fig.1 Preparative process of the molecularly imprinted polymer of Rhodamine B

2.2 紅外光譜表征

圖2 分別為活化硅膠、修飾后的硅膠以及印跡聚合物的紅外光譜圖。

圖2 活化硅球、KH-570 修飾和印跡聚合物紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectrums of activated silica sphere，KH-570 modify and Mips

由圖2 可知，在1 102.74 cm－1觀察到的特征吸收峰為Si—O—Si 鍵和Si—O—H 鍵伸縮振動(dòng)，在799 cm－1和470 cm－1觀察到的特征吸收峰為Si—O振動(dòng)。通過(guò)比較SiO2和經(jīng)KH-570 修飾后的波譜圖，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)為971 cm－1的Si—OH 吸收峰明顯減弱，接枝后的載體硅膠在1 723.61 cm－1和2 959.89 cm－1出現(xiàn)了一個(gè)新的特征吸收峰，這是KH-570 中的酯的碳氧雙鍵( C O )的伸縮振動(dòng)吸收峰，可以證明硅膠表面成功的接枝了KH-570，O—H 鍵基團(tuán)的伸縮振動(dòng)吸收出現(xiàn)在3 433.83 cm－1，這表明硅烷醇基團(tuán)進(jìn)行不完全的硅烷化。Mips 光譜圖和經(jīng)KH-570 修飾后的硅膠載體光譜圖上波數(shù)為2 850，2 959.89 cm－1的吸收峰歸屬為—CH2—的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，是交聯(lián)劑MBA 連接到硅膠載體的特征峰。

2.3 印跡聚合物對(duì)羅丹明B 的吸附性能研究

測(cè)定Mips 對(duì)羅丹明B 的結(jié)合速率，采用靜態(tài)平衡結(jié)合法，測(cè)定在25 ℃下不同時(shí)間內(nèi)Mips 對(duì)羅丹明B 溶液的結(jié)合吸附量，吸附量隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 聚合物的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.3 The kinetic curve for the adsorption of Rhodamine B

由圖3 可知，在前60 min 內(nèi)，印跡材料對(duì)羅丹明B 的吸附量迅速增加，此后增長(zhǎng)緩慢，基本達(dá)到吸附平衡。這是由于Mips 的吸附行為是由特異性吸附和非特異性吸附共同作用的結(jié)果，開(kāi)始時(shí)兩種作用同時(shí)進(jìn)行，吸附較快，當(dāng)非特異性吸附位點(diǎn)達(dá)到飽和后，起作用的主要是特異性吸附。

采用靜態(tài)吸附法測(cè)定Mips 和Nips 對(duì)羅丹明B的吸附等溫線，見(jiàn)圖4。

圖4 聚合物的吸附等溫曲線Fig.4 Curve of the adsorption of Rhodamine B

由圖4 可知，Mips 對(duì)羅丹明B 具有較強(qiáng)的吸附能力，而Nips 對(duì)羅丹明B 的吸附能力較弱。印跡聚合物材料對(duì)模板分子具有特異吸附性，這種吸附作用主要是來(lái)源于識(shí)別位點(diǎn)與模板分子間的空間互補(bǔ)作用。

2.4 印跡聚合物的選擇性能研究

特定的選擇吸附性是印跡聚合物最顯著的特征，模板分子被洗脫后留下與其形狀和結(jié)合部位相對(duì)應(yīng)的孔穴，此孔穴可以對(duì)模板分子進(jìn)行選擇性識(shí)別，即使是手型異構(gòu)體也能夠識(shí)別出來(lái)。聚合物對(duì)底物的結(jié)合分配系數(shù)描述為:

Kd=Cp/Cs

式中 Cp——底物在聚合物上的結(jié)合量，μmol/g;

Cs——平衡吸附液中底物的濃度，mmol/L;

α=Kdi/Kdj

式中 ，Kdi/Kdj 分別為模板與結(jié)構(gòu)類似物的結(jié)合分配系數(shù)。Kd 值越高，表明聚合物對(duì)該底物的結(jié)合量越大;α值越高，表明聚合物對(duì)底物的選擇性越好。

本實(shí)驗(yàn)選擇和羅丹明B 結(jié)構(gòu)相似的羅丹明123為底物，在平衡結(jié)合條件下，測(cè)定Mips 和Nips 對(duì)底物的結(jié)合分配系數(shù)Kd 和分離因子α，見(jiàn)表1。

表1 印跡和非印跡聚合物對(duì)羅丹明B 和羅丹明123 的選擇吸附性Table 1 Selective adsorption of Rhodamine B and Rhodamine 123 by Mips and Nips

由表1 可知，Mips 對(duì)羅丹明B 結(jié)合分配系數(shù)比羅丹明123 高，對(duì)底物的分離因子明顯比Nips 大，這充分說(shuō)明在制備印跡聚合物中，由于模板分子的存在，聚合物母體中含有許多與模板分子性狀大小匹配，分子間作用力互補(bǔ)的立體孔穴，因而表現(xiàn)出對(duì)模板分子較好的親和選擇性。

3 結(jié)論

本研究以羅丹明B 為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)為表面接枝材料，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，采用表面分子印跡的方法合成了羅丹明B 分子印跡聚合物，并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該方法制備過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)底物吸附速度快，識(shí)別能力強(qiáng)，克服了傳統(tǒng)制備方法的缺點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

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