孫智純, 王 兵, 皇甫風(fēng)云, 單娟娟

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香草醛分子印跡膜的制備及識別性能研究

孫智純, 王 兵, 皇甫風(fēng)云, 單娟娟

(天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室, 天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 天津 300387)

以香草醛(VAN)為模板分子，-甲基丙烯酸(MAA)為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)為交聯(lián)劑，二甲基亞砜(DMSO)為溶劑，采用沉淀聚合法合成了香草醛分子印跡聚合物微球(MIPMs)。通過紫外光譜(UV)、傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)研究了模板分子與功能單體之間的相互作用和最佳配比，利用透射電子顯微鏡考察了聚合物微球的微觀形貌；結(jié)合膜技術(shù)的優(yōu)點，進(jìn)一步制備了香草醛分子印跡共混膜，通過掃描電子顯微鏡(SEM)考察了共混膜的形態(tài)特征，并研究了分子印跡共混膜的結(jié)合性能及選擇性透過能力。結(jié)果表明，MAA與VAN之間通過氫鍵相互作用，分子印跡共混膜對模板分子香草醛表現(xiàn)出高度識別性。

香草醛；沉淀聚合；分子印跡共混膜；特異性識別

1 前 言

分子印跡思想來自于抗原抗體特異性結(jié)合[1]，通過分子印跡技術(shù)制備的印跡聚合物，內(nèi)部形成與模板分子相匹配的空間構(gòu)型與識別位點，可從其結(jié)構(gòu)類似物的混合物中將模板分子富集、檢測并分離，具有穩(wěn)定性高、抗惡劣環(huán)境和操作簡便等特點，適合作為傳感器的敏感材料，在眾多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[2~5]。分子印跡膜是將分子印跡技術(shù)與被稱作是“綠色化學(xué)”典型的膜分離技術(shù)結(jié)合于一身的新型膜，這種膜具有對特定分子產(chǎn)生特異性識別的能力[6]。相比于塊狀或球狀的印跡聚合物，分子印跡膜具有耗能少、反應(yīng)時間短、便于連續(xù)操作、干凈無污染的優(yōu)點；相比于生物膜，它又具有特異識別性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、能量利用率高、易于處理和應(yīng)用的優(yōu)點。選用柔韌性好的成膜材料與印跡聚合物按一定比例進(jìn)行共混制備的分子印跡共混識別膜，不僅分子識別特性良好，而且還保持著成膜材料本身良好的柔韌性和強(qiáng)度，同時也克服了聚合物易脫落的問題。因此，分子印跡共混制膜作為一種有效的膜材料改性方法，受到越來越多研究者的關(guān)注[7]。近年來，分子印跡膜在分離農(nóng)藥[8]、手性藥物[9]等方面的研究取得了較大進(jìn)展，但在食品領(lǐng)域方面的研究應(yīng)用報道較少。

香草醛(3-甲氧基-4-羥基苯甲醛，Vanillin)又名香蘭素，是香子蘭花莢中的典型香味物質(zhì)，在食品、香料和醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如香草醛可作為食品調(diào)味劑，也可用于化妝品定香劑。目前，香草醛的工業(yè)化生產(chǎn)主要采用化學(xué)合成法，其中愈創(chuàng)木酚法(乙醛酸法)是最常用的方法，但我國只有少數(shù)廠家采用這種方法，原因是國內(nèi)生產(chǎn)的乙醛酸價格較高，生產(chǎn)過程繁瑣，且有一些關(guān)鍵技術(shù)如廢水回用(1 t香草醛約產(chǎn)生20 t的廢水)等問題尚未得到較好的解決[10]。對于后期香草醛的分離和提純，國內(nèi)外現(xiàn)常采用超臨界CO2萃取法[11]、樹脂吸附分離法[12]、有機(jī)溶劑抽提[13]以及采用液-液萃取或液-固萃取反應(yīng)器分離[14]等方法。上述分離提純法的效果均不是很好，若要得到高純度的香草醛，還需多次結(jié)晶、蒸餾，無機(jī)鹽使用過多，必然會產(chǎn)生大量難處理的無機(jī)廢液。隨著人們環(huán)保意識的提高，生產(chǎn)中排放的大量廢液已成為阻礙香蘭素生產(chǎn)的重要因素之一。因此，為了便于香草醛的提取和使用，結(jié)合膜技術(shù)的優(yōu)點，有必要研制一種既環(huán)保又高效的且對香草醛具有專一性吸附的膜材料。

實驗中首先運(yùn)用沉淀聚合法合成了香草醛分子印跡聚合物微球并進(jìn)行了表征，然后選用聚砜作為成膜材料，按照異相粒子填充膜的方法制備了香草醛印跡聚砜共混膜。通過掃描電鏡考察了分子印跡共混膜的微觀形貌，同時還研究了分子印跡共混膜對模板分子的結(jié)合性能及選擇性透過能力。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

香草醛(VAN)，純度99%，成都貝斯特試劑有限公司；-甲基丙烯酸(MAA)，使用前需去除阻聚劑，天津市化學(xué)試劑研究所；乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)，廣州諦科復(fù)合材料技術(shù)有限公司；偶氮二異丁腈(AIBN)；二甲基亞砜(DMSO)、乙酸、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠；甲醇、丙三醇(甘油)，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)，天津膜天公司。

UV-1200型紫外可見分光光度計(北京瑞利分析儀器公司)；Tensor-37型傅里葉變換紅外光譜儀(德國Bruker公司)；H-7650型透射電子顯微鏡(日本日立公司)；HY-8回旋式大容量振蕩器(金壇市金南儀器制造有限公司)；TG16-WS(1650D)高速離心機(jī)(上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司)；KH5200DB型數(shù)控超聲波清洗器；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；真空干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)。

2.2 紫外光譜研究

以DMSO為溶劑，固定VAN的濃度為 0.5 mmol×L-1，逐漸增加MAA的量，配制VAN和MAA配比(mol×mol-1)為1:0、1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7的混合溶液，將以上溶液在室溫下振蕩4 h，使其充分作用，取下靜置一段時間后，在200~400 nm的波長范圍內(nèi)，以相應(yīng)濃度的MAA溶液做參比，檢測VAN紫外光譜變化。

2.3 分子印跡聚合物微球的合成

準(zhǔn)確稱取0.1522 g(1 mmol)模板分子VAN，溶于80 mL DMSO中，加入0.34 mL(4 mmol)功能單體MAA，于室溫下振蕩1h，使功能單體和模板分子充分作用，再加入1.51 mL交聯(lián)劑EGDMA和50 mg引發(fā)劑AIBN，通入氮?dú)?0 min后密封，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下置于集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，于50℃恒溫恒速攪拌，熱引發(fā)聚合24 h，離心得到白色MIPMs。將得到的聚合物微球放在索氏提取器中用甲醇/乙酸(V/V=9:1)的溶液抽提，洗脫模板分子，直至回流溶液中用紫外光譜檢測不到VAN為止，然后再用甲醇重復(fù)洗滌數(shù)次，以除去殘留的乙酸，最后放入真空干燥箱中干燥待用?？瞻追肿佑≯E聚合物微球(NIPMs)的制備除不加模板分子VAN外，其余步驟同上。

2.4 印跡聚合物紅外光譜研究

將洗脫前后的MIPMs、NIPMs及VAN用KBr壓片法制樣，在Tensor-37型傅里葉變換紅外光譜儀上掃描各聚合物的紅外譜圖。

2.5 印跡聚合物透射電鏡分析

將聚合物加入到無水乙醇中配成一定濃度的懸浮液，于超聲振蕩器中超聲分散30 min后，用點樣法迅速將樣品懸浮液滴到透射樣品專用銅網(wǎng)上，放置24 h，待乙醇完全揮發(fā)后利用透射電鏡進(jìn)行觀察。

2.6 分子印跡共混膜的制備

采用相轉(zhuǎn)化法制備分子印跡共混膜。分別稱取一定量預(yù)先干燥好的成膜材料(PAN、PSF、PVDF)加入到盛有DMF的錐形瓶中，65℃恒溫加熱攪拌使之完全溶解，然后加入一定比例的MIPMs(2.3制備)，在恒溫加熱磁力攪拌器中恒溫、恒速攪拌均勻得到鑄膜液，在此鑄膜液中印跡聚合物粉末與被溶解的成膜材料一直處于異相共混狀態(tài)。將此鑄膜液放入真空干燥箱中抽真空使其完全脫泡，靜置一段時間讓溶液達(dá)到均一狀態(tài)。在室溫下用兩端綁好銅絲的玻璃棒將鑄膜液勻速刮涂在干燥潔凈的玻璃板上，將玻璃板置于凝固浴中成膜，浸泡一段時間待膜結(jié)構(gòu)完全固定后，得到分子印跡共混膜，將膜保存在50%(V/V)甘油中待用。空白非印跡聚合物膜的制備，除不加MIPMs外，其余步驟同上。

2.7 分子印跡共混膜掃描電鏡表征

將分子印跡聚合物共混膜從甘油中取出、風(fēng)干，經(jīng)液氮冷凍后脆斷，鍍金制樣，利用掃描電鏡表征膜的表面和斷面。

2.8 分子印跡共混膜吸附行為研究

2.8.1 分子印跡共混膜等溫吸附實驗

將10 mL不同濃度的VAN溶液(溶劑為DMSO)置于25 mL具塞錐形瓶中，然后再將100 mg印跡聚合物膜放于其中，于振蕩器中振蕩10 h，然后將此液高速離心10 min，用紫外分光光度計測量游離的VAN濃度，根據(jù)結(jié)合前后溶液中VAN濃度的變化，按照公式(1)計算出該膜對VAN的結(jié)合量。

式中：——分子印跡共混膜對香草醛的結(jié)合量，μmol×g-1；0——香草醛溶液的初始濃度，mmol×L-1；c——吸附一定時間后溶液中香草醛的平衡濃度，mmol×L-1；——溶液的體積，mL；——分子印跡共混膜的質(zhì)量，g

2.8.2 分子印跡共混膜滲透試驗

將分子印跡共混膜固定于兩個玻璃池之間，保證左右兩玻璃池?zé)o滲漏，這樣就形成了一個底部連通的H型密封裝置。左池中加入含有200 mL底物溶液(底物分別為香草醛、鄰香草醛、阿魏酸，溶劑為DMSO)，另一池中加入200 mL純?nèi)軇?，加蓋防止揮發(fā)，攪拌條件下，10 h后用紫外分光光度計測定透過膜的底物量。

3 結(jié)果與討論

3.1 紫外光譜分析

固定VAN的濃度，漸增MAA的濃度，得到一系列紫外光譜，如圖1所示。可以看到，加入MAA的比例越大，吸光度越低，說明模板分子與功能單體間存在作用力，且作用力越強(qiáng)，剩余的VAN含量就越少。通過在圖1中比較最大吸收波長處的吸光度時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模板分子與功能單體的摩爾比大于1:4時，功能單體繼續(xù)增加，吸收峰強(qiáng)度變化不明顯。這說明在一定范圍內(nèi)，增大功能單體比例，可有效促進(jìn)模板分子與功能單體間自組裝過程的進(jìn)行，但比例不是越大越好。因為一方面，功能單體濃度過大容易產(chǎn)生非組裝的功能單體的殘基，會造成印跡聚合物中出現(xiàn)增多的非選擇性結(jié)合位點，而選擇性識別位點反而降低的現(xiàn)象；另一方面，功能單體過量易發(fā)生自身締合，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確固定并形成印跡位點，增大印跡聚合物內(nèi)部吸附傳質(zhì)阻力。因此，為得到足夠識別效率和穩(wěn)定的印跡聚合物，實驗中選用模板分子與功能單體的摩爾比為1:4。

圖1 VAN與MAA不同摩爾比的紫外光譜圖

3.2 合成聚合物的紅光譜分析

根據(jù)紅外光譜圖中各吸收峰的位置、強(qiáng)度、形狀可確定被測物質(zhì)的官能團(tuán)及化學(xué)鍵的類型。圖 2 是洗脫前MIPMs(a)、VAN(b)、洗脫后MIPMs(c)、NIPMs(d)的紅外光譜圖。在VAN的紅外光譜中(圖2(b))，3200 cm-1左右是－OH伸縮振動吸收峰，1670 cm-1左右是醛基伸縮振動吸收峰，1260 cm-1左右是酚羥基彎曲振動吸收峰。在洗脫VAN前的MIPMs的紅外光譜 (圖2(a)) 中可以看出，原VAN在1670 cm-1處的C=O結(jié)構(gòu)伸縮振動吸收峰譜帶向高波數(shù)段移動至1730 cm-1左右，表明VAN分子中C=O鍵可能與MAA中的COOH上的氫原子形成了氫鍵的一個結(jié)合位點；原VAN上3200 cm-1處－OH伸縮振動吸收峰藍(lán)移到3400 cm-1左右，這說明VAN與MAA分子間產(chǎn)生了較強(qiáng)的分子間作用力，結(jié)果表明VAN結(jié)構(gòu)中的－OH和MAA結(jié)構(gòu)中的C=O可能發(fā)生了較強(qiáng)的氫鍵作用，這些結(jié)果與上述紫外光譜分析結(jié)果一致。另外，由圖2(c)和圖2(d)可知，洗脫后的MIPMs和NIPMs的紅外光譜特征基本一樣，說明MIPMs中的VAN被洗脫，留下了與其官能團(tuán)相匹配的空穴結(jié)構(gòu)。

圖2 不同聚合物的紅外光譜圖