黃微薇, 趙倩玉, 楊 鑫*, 姚 磊, 趙海田(.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 50090;.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 50030)

多糖是廣泛存在于植物組織中的一類天然物質(zhì),具有多種生物活性。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,生物活性多糖具有多種藥物功能,在天然藥物化學(xué)中發(fā)揮著重要作用[1,2]。但多糖的識(shí)別和提取是一個(gè)技術(shù)難題。傳統(tǒng)的方法如溶劑萃取、亞臨界水萃取和色譜分離已被用于提取多糖,然而分離純化過程復(fù)雜、耗時(shí)、生產(chǎn)效率低、結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,這些問題阻礙了多糖研究的發(fā)展[3]。因此,如何有效地從植物中提取和分離多糖極具挑戰(zhàn)性。

磁性納米粒子分子印跡技術(shù)(MMIT)是制備具有人工結(jié)合位點(diǎn)高分子材料的方法[4,5],合成的分子印跡聚合物(MIPs)具有預(yù)定的分子結(jié)構(gòu),特異性識(shí)別能力強(qiáng),實(shí)用性高,分離速度快,制備方便,因此MMIT是一種有效的提取分離技術(shù)[6]。截至目前,小分子模板物質(zhì)的印跡技術(shù)體系已經(jīng)建立得比較完善,并得到了廣泛的應(yīng)用[7,8]。然而,由于大分子物質(zhì)結(jié)構(gòu)易變和表面復(fù)雜,導(dǎo)致結(jié)合位點(diǎn)的非特異性和異質(zhì)性增加,從而阻礙模板分子的再結(jié)合,因此大分子物質(zhì)的印跡技術(shù)仍面臨一定的挑戰(zhàn)[9,10]。而增加有效印跡位點(diǎn)是解決這些復(fù)雜問題最有效的途徑之一。其中雙功能單體印跡法,即以3-氨基苯硼酸(APBA)和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)為功能單體,將其共價(jià)鍵和氫鍵巧妙結(jié)合在一起,克服了在合成對(duì)生物大分子具有選擇性的MIPs過程中空間位阻、吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及所經(jīng)歷的非特異性吸附的阻礙[11]。另一個(gè)提高大分子印跡物質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)的有效方法是表面印跡法,即直接在MIPs表面生成印跡位點(diǎn)[12,13]。在各種固體載體中,磁性納米顆粒由于具有制備簡(jiǎn)單、毒性低、磁性好等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用[14]。Li等[15]采用磁性固相萃取技術(shù),制備了一種新型磁性MIPs,用于海藻多糖的識(shí)別。然而,有關(guān)在納米微球上負(fù)載環(huán)氧基官能團(tuán)的研究還需深入。

本研究利用一種新的方法合成表面印跡核殼結(jié)構(gòu)——環(huán)氧基化超順磁的納米粒子;使用淀粉作為模板,3-氨基苯硼酸(APBA)和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)為功能單體,過硫酸銨(APS)為引發(fā)劑,環(huán)氧功能化磁性納米顆粒(Fe3O4@SiO2-COC)為底物制備雙功能單體分子印跡聚合物(Bi-MMIPs);研究Bi-MMIPs的吸附特性及吸附動(dòng)力學(xué),同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

TU-1900型雙光束紫外-可見分光光度計(jì)(北京普析公司);Tecnai G2 F30透射電鏡(TEM)和Quanta 200FEG掃描電鏡(SEM)(FEI公司,美國(guó));Avatar 360傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR,Nicolet公司,美國(guó));1100示差折光檢測(cè)器G1362A(安捷倫公司,美國(guó));高效液相色譜儀(HPLC,安捷倫公司,美國(guó));JCXA 733 X射線衍射儀(島津公司,日本);STA 449 C熱重分析儀(Netzsch公司,德國(guó))。

試驗(yàn)所用試劑均為分析純,FeCl3·6H2O購(gòu)自中國(guó)天津天力化學(xué)試劑有限公司;原硅酸四乙酯(TEOS)購(gòu)于天津凱米歐化學(xué)試劑有限公司;3-甘草酸丙基三甲氧基硅烷(GLYMO,98%)、葡聚糖5000(G5000,Mr5 000)和葡聚糖70000(G70000,Mr70 000)為阿拉丁試劑;馬鈴薯淀粉(Mr12.8 kDa)為西格瑪試劑;過硫酸銨(APS,99.9%)為索萊寶(北京)試劑;3-氨基苯硼酸(APBA,98.5%)和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)購(gòu)自北京恒業(yè)中原化工有限公司。

1.2 Bi-MMIPs的制備

1.2.1Fe3O4@SiO2-COC的制備

采用改進(jìn)的溶解熱反應(yīng)合成Fe3O4納米顆粒,采用溶膠-凝膠法制備了核殼型Fe3O4@SiO2納米顆粒[11]。Fe3O4@SiO2-COC納米粒子的合成方法如下:將1.0 mL 3-甘草酸丙基三甲氧基硅烷(GLYMO)加入100 mL甲苯溶液中劇烈攪拌,對(duì)100 mg Fe3O4@SiO2納米顆粒進(jìn)行化學(xué)改性。將混合物在室溫下加熱回流12 h,然后在磁場(chǎng)下收集Fe3O4@SiO2-COC納米顆粒,用乙醇洗滌3次(每次100 mL溶劑)。然后將產(chǎn)物在45 ℃真空條件下干燥12 h。

1.2.2Bi-MMIPs的合成

Bi-MMIPs采用表面分子印跡技術(shù)合成,即將1 mL淀粉(60 μmol/L)作為模板和1 mL 35.71 mmol/L APBA/AMPS(80/20,mol/mol)作為功能單體溶解在15 mL磷酸鹽緩沖液(0.02 mmol/L,pH=9.0)中;然后將混合液在室溫下反應(yīng)1 h,接著加入30 mg Fe3O4@SiO2-COC納米顆粒,并超聲10 min;隨后,緩慢滴加3 mL APS (20 mmol/L)作為引發(fā)劑,用氮?dú)鈱⒕酆匣旌衔飪艋?0 min,再于60 ℃下攪拌24 h;最后用磁鐵收集Bi-MMIPs,用甲醇/乙酸(90/10,v/v)洗滌一次,磷酸鈉溶液緩沖3次(0.02 mol/L,pH 5.0)直至無淀粉檢測(cè)出,淀粉用苯酚-硫酸法檢測(cè)。不添加模板的非印跡聚合物Fe3O4@SiO2-COC@NIPs(Bi-MNIPs)的合成方法與Bi-MNIPs一樣,作為對(duì)照。Bi-MMIPs的合成原理如圖1所示。

圖1 Bi-MMIPs的合成原理圖Fig.1 Schematic of preparing Bi-MMIPs

1.3 吸附試驗(yàn)

Bi-MMIPs的吸附量用吸附等溫曲線分析。為了確定分子印跡聚合物對(duì)淀粉的吸附性能進(jìn)行了分批實(shí)驗(yàn)。分別將3 mg Bi-MMIPs和Bi-MNIPs添加到10 mL含有一定量淀粉的比色管中,用pH 9.0的磷酸鹽作為緩沖液。然后搖5 min,保持一定的吸附時(shí)間。經(jīng)過強(qiáng)磁分離后,用苯酚-硫酸法測(cè)定殘液中淀粉的濃度。平衡時(shí)的吸附量Qeq(mg/g)和t(min)時(shí)刻時(shí)的吸附量Qt(mg/g)采用式(1)和式(2)計(jì)算:

(1)

(2)

其中C0(mg/L)、Ceq(mg/L)和Ct(mg/L)分別為淀粉的初始濃度、平衡濃度、t時(shí)刻的濃度。V(L)和W(g)分別是吸附體積和吸附質(zhì)量。

采用Langmuir模型和Freundich模型對(duì)吸附等溫線進(jìn)行了分析。

Langmuir模型表示為式(3):

(3)

其中Qmax(mg/g)為最大吸附量,KL(L/mg)為親和常數(shù)。

Langmuir等溫線的基本特征和可行性可以用無量綱常數(shù)分離因子(RL)來預(yù)測(cè),RL計(jì)算如式(4):

(4)

RL值大小可用來確定Bi-MMIPs對(duì)淀粉吸附過程是否有利:當(dāng)0 1時(shí)不利于吸附;當(dāng)RL=1時(shí)為線性吸附;當(dāng)RL=0時(shí)為不可逆吸附。

Freundich模型假設(shè)吸附表面為非均質(zhì),活性位點(diǎn)具有不同的能量,表達(dá)式見式(5):

(5)

其中KF(mg/g)為吸附能力的常數(shù),1/n是與吸附強(qiáng)度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),受材料異質(zhì)性的影響。

為了檢驗(yàn)吸附過程的控制機(jī)理,采用準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)吸附模型擬合動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),如式(6)和式(7):

(6)

(7)

其中k1(1/min)和k2(mg/(g·min))分別為準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)。

1.4 Bi-MMIPs的選擇性檢測(cè)

采用淀粉/G5000和淀粉/G70000兩個(gè)體系分別考察了Bi-MMIPs對(duì)淀粉的選擇性。將Bi-MMIPs或Bi-MNIPs(30 mg)加入20 mL淀粉/G5000和淀粉/G70000的二元混合溶液(質(zhì)量濃度均為100 mg/L)中,以pH為9.0的磷酸鹽溶液緩沖。Bi-MMIPs的識(shí)別能力使用印跡因子(α)評(píng)估,α定義為Bi-MMIPs和Bi-MNIPs吸附量的比率(α=QBi-MMIPs/QBi-MNIPs)。QBi-MMIPs和QBi-MNIPs(g/g)分別為Bi-MMIPs和Bi-MNIPs上淀粉的吸附量。

在微振蕩器中進(jìn)行60 min的競(jìng)爭(zhēng)吸附實(shí)驗(yàn),達(dá)到吸附平衡后,用磁鐵收集Bi-MMIPs和Bi-MNIPs,用高效液相色譜-示差折光檢測(cè)器(HPLC-RID)分析多糖濃度。分布系數(shù)(kd,mL/g)、選擇性系數(shù)(k)、相對(duì)選擇性系數(shù)(k′)分別由式(8)、式(9)、式(10)計(jì)算得到:

(8)

(9)

(10)

Kd(Starch)和Kd(Glucan)分別代表淀粉和葡聚糖的分散系數(shù)。kBi-MMIPs和kBi-MNIPs分別是Bi-MMIPs和Bi-MNIPs吸附淀粉的選擇性系數(shù)。

1.5 Bi-MMIPs的重復(fù)使用性

重復(fù)使用性是影響吸附材料應(yīng)用的一個(gè)重要因素。試驗(yàn)以0.02 mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 5.0)為洗脫液,通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究Bi-MMIPs吸附淀粉的解吸過程。將吸附了淀粉的Bi-MMIPs置于洗脫液中,在室溫下連續(xù)攪拌60 min,測(cè)定洗脫液中淀粉的最終濃度。通過計(jì)算Bi-MMIPs上吸附的淀粉質(zhì)量與洗脫液中最終淀粉質(zhì)量的比值確定吸附-脫附比。在相同的條件下,用同一Bi-MMIPs樣品重復(fù)10次淀粉吸附-解吸過程,確定Bi-MMIPs的重復(fù)利用效果。

1.6 色譜分析應(yīng)用

為確定Bi-MMIPs識(shí)別松果多糖(前期試驗(yàn)從松果中提取的多糖)的效果,采用Bi-MMIPs制成固相萃取小柱(45 mm×5 mm,柱體積0.88 mL),對(duì)松果多糖進(jìn)行樣品前處理。將5.0 mL 0.5 g/L松果磷酸鹽緩沖液(pH 9.0,0.2 mol/L)上柱,用10 mL pH 8.0磷酸鹽緩沖液對(duì)固相萃取分離柱進(jìn)行淋洗,收集淋洗液,用40 mL pH 5.0磷酸鹽緩沖液對(duì)固相萃取柱進(jìn)行洗脫,收集洗脫液,分別對(duì)上樣液、淋洗液、洗脫液透析除鹽后,于60 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)揮干溶液,再用1 mL超純水復(fù)溶,將復(fù)溶水溶液過0.22 μm濾膜后,用HPLC進(jìn)行檢測(cè)。HPLC條件:流動(dòng)相為乙腈-水(80∶20,v/v),流速0.2～0.25 mL/min,柱溫30 ℃,檢測(cè)器為示差折光檢測(cè)器(RID),檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm。進(jìn)樣量10 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 Bi-MMIPs的結(jié)構(gòu)特性

Fe3O4、Fe3O4@SiO2、Fe3O4@SiO2-COC、Bi-MMIPs的紅外光譜見圖2a。在Fe3O4的IR圖中,574 cm-1處的峰值是由Fe-O的拉伸引起。對(duì)于Fe3O4@SiO2樣品,797 cm-1和1 095 cm-1的特征峰分別源自Si-O和Si-O-Si的拉伸。而-OH基團(tuán)的特征峰在1 630 cm-1和3 421 cm-1附近,說明Fe3O4表面形成了硅膠殼。對(duì)于Fe3O4@SiO2-COC樣品,在948 cm-1和797 cm-1處的典型峰為三元醚環(huán)的吸振峰,說明環(huán)氧基接枝到Fe3O4@SiO2上。Bi-MMIPs在1 040 cm-1、1 200 cm-1和1 710 cm-1處的新特征峰分別由S-O,-S=O和C=O拉伸引起的,對(duì)應(yīng)的是有機(jī)磺酸基團(tuán);在1 343 cm-1的峰是由于C-N的伸縮振動(dòng)引起,1 565 cm-1和1 511 cm-1的特征峰歸因于N-H的彎曲振動(dòng)。這證明了功能單體AMPS和APBA接枝成功。上述分析表明,每一階段的納米微球都成功合成,且通過模板得到了印跡聚合物上的結(jié)合位點(diǎn)。通過熱重分析(TGA)和X射線衍射(XRD)分析,可以驗(yàn)證這一結(jié)果。

圖2 不同材料的(a)紅外光譜圖、(b)熱重分析曲線和(c)XRD圖Fig.2 (a)FT-IR spectra,(b)thermogravimetric analysis (TGA)curves and (c)X-ray diffraction (XRD)images of different materials

Fe3O4、Fe3O4@SiO2、Fe3O4@SiO2-COC@MIPs的熱重分析曲線如圖2b所示,當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃時(shí),Fe3O4樣品減少1.20%,主要由水分損失造成;當(dāng)溫度繼續(xù)升高到360 ℃時(shí),其質(zhì)量持續(xù)下降,累計(jì)減少1.89%(見圖2b)。Fe3O4微球中Fe-O結(jié)合的鍵能非常大,能夠承受高溫,所以整個(gè)加熱過程中Fe3O4樣品質(zhì)量損失率只有3.09%。對(duì)于Fe3O4@SiO2樣品,當(dāng)溫度上升到150 ℃時(shí),質(zhì)量損失2.15%,主要是由于水分的損失引起;當(dāng)溫度上升到750 ℃時(shí),其質(zhì)量又減少了5.53%,這主要是由于在二氧化硅表面的脫水縮合反應(yīng)(-Si-O-Si+H2O)和水分的蒸發(fā)。而當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時(shí),Fe3O4@SiO2-COC@MIPs的總質(zhì)量損失為28.6%,但在第一個(gè)110 ℃里,其質(zhì)量損失只有6.55%,這主要為表面分子印跡層的質(zhì)量損失。說明Fe3O4@SiO2磁性微球表面包覆了一層聚合物,即成功合成了表面分子印跡聚合物。

圖2c為不同微球的XRD表征。從XRD圖譜可以看出Fe3O4、Fe3O4@SiO2,Fe3O4@SiO2-COC,Fe3O4@SiO2-COC@MIPs,Fe3O4@SiO2-COC@MIPs都出現(xiàn)了6個(gè)典型吸收峰,2θ角分別為30.38°、35.58°、43.14°、53.48°、57.08°和62.66°,對(duì)應(yīng)于(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)。這些數(shù)據(jù)與JCPDS國(guó)際衍射中心數(shù)據(jù)庫(kù)文件19-692一致。因此,功能化磁性復(fù)合材料的晶型沒有發(fā)生變化,保持了Fe3O4的尖晶石結(jié)構(gòu)。Bi-MMIPs的衍射峰較純Fe3O4寬,說明Bi-MMIPs的尺度較小[16]。

Fe3O4、Fe3O4@SiO2和Bi-MMIPs的形貌特征見圖3。Fe3O4的SEM和TEM圖像顯示,在干燥過程中出現(xiàn)了Fe3O4納米顆粒的團(tuán)聚,平均粒徑約為10～20 nm。Fe3O4@SiO2的尺寸分布較為均勻,平均直徑約為220 nm;且聚合物層厚度均勻,約為20 nm,這與TEOS溶膠-凝膠聚合機(jī)理的內(nèi)在特征有關(guān)。從Bi-MMIPs的圖可以看出,磁性納米粒子表面包裹著一層平均直徑為250 nm的薄聚層(APBA &S),印跡聚合物層厚度為30 nm,足以實(shí)現(xiàn)溶液與Bi-MMIPs表面之間的傳質(zhì)。

圖3 不同材料的SEM和TEM圖Fig.3 SEM and TEM images of different materials

表1 BET比表面積分析結(jié)果Table 1 Analysis results of BET specific surface area

不同樣品的BET比表面積分析如表1所示,Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2-COC的比表面積、平均孔徑和孔容均有所減小,這與文獻(xiàn)[17]報(bào)道的結(jié)果一致。結(jié)果表明試劑在反應(yīng)前先擴(kuò)散到Fe3O4的內(nèi)部孔隙,然后在Fe3O4表面連續(xù)聚合;隨著Fe3O4@SiO2表面聚合產(chǎn)物不斷增加,孔隙變得越來越小,甚至消失。同時(shí),由于大分子聚合物的空間效應(yīng),在一定程度上阻礙了氮分子的吸收。這些因素都會(huì)導(dǎo)致比表面積、平均孔徑和孔容的減小。然而,Bi-MMIPs和Bi-MNIPs的比表面積和孔體積顯著增加,表明分子印跡聚合物和非模板分子印跡聚合物在載體表面形成的印跡膜上有較多空隙,這也確保了印跡聚合物對(duì)目標(biāo)分子有顯著的吸附效果。Bi-MMIPs的各項(xiàng)數(shù)值均高于Bi-MNIPs,主要由于Bi-MMIPs制備過程中淀粉洗脫后留下的印跡孔隙所致。這也證明了分子印跡聚合物的成功制備。

2.2 Bi-MMIPs的吸附性能分析

2.2.1Bi-MMIPs的等溫吸附特性

溶液pH是影響吸附過程的重要因素[18]。pH對(duì)Bi-MMIPs吸附淀粉能力的影響見圖4a。從圖4a可以看出,當(dāng)pH低于5.0時(shí),吸附能力較低,變化不大。這可能是由于硼酸與順二醇羥基化合物之間的特異性結(jié)合吸附在制備的多糖印跡聚合物上,使其一開始在酸溶液中的五環(huán)酯基共價(jià)鍵消失。然后Qeq從1.12 mg/g顯著增加到14.26 mg/g,直到pH達(dá)到9.0,最終趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明,在弱堿性pH下,Bi-MMIPs吸附效果更好,主要因?yàn)轷セ奶禺愋宰R(shí)別位點(diǎn)及共價(jià)鍵增強(qiáng)。因此,選擇pH 9.0作為后續(xù)工作的最優(yōu)pH值。

Bi-MMIPs的等溫吸附曲線如圖4b所示。結(jié)果表明,Bi-MMIPs和Bi-MNIPs的吸附能力均隨溫度和淀粉初始濃度的增加而增加。但在相同的初始淀粉濃度和實(shí)驗(yàn)溫度下,Bi-MMIPs的吸附能力明顯高于Bi-MNIPs。這主要因?yàn)锽i-MMIPs表面的特殊吸附位點(diǎn)尺寸和配位幾何形狀與模板互補(bǔ),這有利于硼酸酯鍵和氫鍵與識(shí)別位點(diǎn)的結(jié)合。Bi-MMIPs的比表面積、孔隙體積和平均孔徑均高于Bi-MNIPs。吸附能力與吸附溫度的關(guān)系表明,吸附是吸熱過程。

Langmuir和Freundlich吸附等溫線模型的線性擬合結(jié)果分別見圖4c和4d,其吸附常數(shù)及其相關(guān)系數(shù)見表2。Langmuir模型比Freundlich模型更適合Bi-MMIPs和Bi-MNIPs對(duì)淀粉的吸附,其R2(0.905～0.968)高于Freundlich模型。吸附數(shù)據(jù)與Langmuir等溫線的一致性可以解釋為吸附表面的活性位點(diǎn)是均勻的,導(dǎo)致了單層結(jié)合。此外,分離因子RL值在0

圖4 初始淀粉濃度為40 mg/L時(shí)Bi-MMIPs的吸附Fig.4 Adsorption of Bi-MMIPs at an initial starch concentration of 40 mg/La.Effect of pH on Bi-MMIPs adsorption capacity (n=3);b.adsorption isotherms of starch on Bi-MMIPs and Bi-MNIPs at different temperatures (n=3);c.fitted Langmuir equation;d.fitted Freundlich equation for adsorption of starch on Bi-MMIPs.

表2 不同溫度下兩種靜態(tài)等溫吸附模型的參數(shù)Table 2 Parameters of two isotherm models for starch adsorption on Bi-MMIPs and Bi-MNIPs at different temperatures

2.2.2動(dòng)力學(xué)分析

在不同初始濃度下,Bi-MMIPs和Bi-MNIPs對(duì)淀粉的動(dòng)態(tài)吸附曲線見圖5a和圖5b。結(jié)果表明,在前40 min Bi-MMIPs的吸附量增加較快,而在60 min之后逐漸達(dá)到平衡。這主要是因?yàn)樵诔跏茧A段Bi-MMIPs表面有足夠可用的活性位點(diǎn),隨后逐漸被目標(biāo)分子(淀粉)占據(jù)。此外,Bi-MMIPs的吸附能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Bi-MNIPs,說明Bi-MMIPs對(duì)淀粉具有更強(qiáng)的親和力,這是由于功能單體與模板分子之間可逆的共價(jià)結(jié)合和氫鍵結(jié)合的協(xié)同作用。

兩種動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線及其參數(shù)分別見圖5c和d和表3。將準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型與準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行比較,當(dāng)?shù)矸鄢跏紳舛葹? mg/L時(shí),Bi-MMIPs對(duì)淀粉的吸附與準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型吻合較好,R2達(dá)到0.97。結(jié)果表明,準(zhǔn)二級(jí)機(jī)制是可行的(R2值更高)。一般來說,準(zhǔn)二級(jí)模型能更好地解釋吸附機(jī)理,因?yàn)榈蜐舛鹊矸塾欣谠贐i-MMIPs表面的特異性吸附。這也說明準(zhǔn)二級(jí)吸附機(jī)理是主要的,且化學(xué)吸附是控制低初始濃度吸附過程的限速步驟。同時(shí),在相對(duì)高濃度的淀粉溶液中(>20 mg/L),準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.95。因此,從結(jié)果可以證實(shí),Bi-MMIPs是通過化學(xué)和物理吸附作用吸附淀粉?？傮w來說,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型更能有效地描述Bi-MMIPs在所有淀粉初始濃度下的吸附動(dòng)力學(xué)。

圖5 Bi-MMIPs與Bi-MNIPs對(duì)不同初始濃度的淀粉溶液的吸附曲線和動(dòng)力學(xué)模型Fig.5 Adsorption curves and kinetic curves of Bi-MMIPs and Bi-MNIPs for starch with different initial concentrations a.adsorption performance of Bi-MMIPs (n=3);b.adsorption performance of Bi-MNIPs (n=3);c.the pseudo-first-order kinetic model of Bi-MMIPs;d.the pseudo-second-order kinetic model of Bi-MMIPs.

表3 Bi-MMIPs吸附淀粉的兩種動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 3 Parameters of two kinetic models for adsorption of starch on Bi-MMIPs

2.3 Bi-MMIPs的選擇效果

采用淀粉、G5000、G70000標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g/L)進(jìn)行HPLC-RID分析,評(píng)價(jià)其線性關(guān)系。淀粉、G5000和G70000的線性方程分別為y=297 002x-10 518、y=435 067.28x+11 006.51和y=470 370x+440,R2均大于0.99,其中x為質(zhì)量濃度,y為響應(yīng)強(qiáng)度。

為了進(jìn)一步研究Bi-MMIPs對(duì)淀粉的選擇性,在淀粉/G5000和淀粉/G70000兩種混合體系中對(duì)淀粉進(jìn)行了Bi-MMIPs和Bi-MNIPs的競(jìng)爭(zhēng)吸附實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,與Bi-MNIPs相比,Bi-MMIPs吸附的色譜圖中淀粉峰明顯降低(見圖6)。

圖6 淀粉/G5000和淀粉/G70000混合體系的色譜圖Fig.6 Chromatograms of starch/G5000 and starch/G70000

淀粉/G5000和淀粉/G70000兩個(gè)體系的分布系數(shù)kd、選擇性系數(shù)k和相對(duì)選擇性系數(shù)k′的數(shù)據(jù)見表4。結(jié)果表明,兩種體系中Bi-MMIPs對(duì)淀粉的選擇性系數(shù)k分別為2.67和3.77。與Bi-MMIPs的選擇性系數(shù)k相比,Bi-MNIPs的選擇性系數(shù)近似等于1,說明Bi-MNIPs對(duì)淀粉沒有識(shí)別和選擇性。主要原因是淀粉印跡的空穴在大小、形狀和結(jié)合位點(diǎn)的空間布局上與G5000和G70000不匹配,導(dǎo)致G5000和G70000無法進(jìn)入空穴。因此,Bi-MMIPs對(duì)G5000和G70000的吸附能力非常弱。但Bi-MMIPs對(duì)淀粉的選擇性識(shí)別能力和親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于G5000和G70000,對(duì)淀粉的選擇性系數(shù)非常高。這再次證明Bi-MMIPs對(duì)淀粉具有較高的選擇性。此外,Bi-MMIPs的印跡因子αBi-MMIPs為3.04,而Bi-MNIPs的只有1.92,表明Bi-MMIPs比Bi-MNIPs具有更高的特異性識(shí)別能力,對(duì)淀粉的吸附也更有效[20]。

表4 淀粉/G5000與淀粉/G70000體系的分布系數(shù)和選擇性系數(shù)Table 4 Distribution coefficients and selectivity coefficient data in Starch/G5000 and Starch/G70000 systems

2.4 Bi-MMIPs的重復(fù)使用性

Bi-MMIPs的吸附量隨著吸附-脫附循環(huán)次數(shù)的變化見圖7。結(jié)果表明,Bi-MMIPs在重復(fù)使用10次后對(duì)淀粉的吸附能力僅下降了18.56%,說明Bi-MMIPs具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。這部分下降值主要是因?yàn)橐恍┳R(shí)別位點(diǎn)依賴于官能團(tuán)的三維分布,而Bi-MMIPs的整體互補(bǔ)作用可能在再生后被阻斷或在重復(fù)洗滌后被破壞?？傮w而言,經(jīng)過多次吸附和脫附循環(huán)后,Bi-MMIPs對(duì)淀粉的吸附性能仍具有較高的穩(wěn)定性。

2.5 Bi-MMIPs的應(yīng)用

不同樣品的液相色譜圖見圖8。松果中存在多種粗多糖(見圖8a),主要峰的保留時(shí)間為6.21、6.95和12.84 min,保留時(shí)間為6.95 min的多糖沒有在Bi-MMIPs淋洗過程中分離;但在Bi-MNIPs淋洗時(shí),保留時(shí)間為6.86 min的多糖被分離。

圖7 Bi-MMIPs的吸附-脫附循環(huán)(n=3)Fig.7 Adsorption-desorption cycles of Bi-MMIPs (n=3)

圖8 不同樣品的高效液相色譜圖Fig.8 High performance liquid chromatograms of different samples a.crude polysaccharide;b.starch solution;c.Bi-MMIPs leacheate;d.Bi-MNIPs leacheate;e.Bi-MMIPs eluent;f.Bi-MNIPs eluent.

Bi-MMIPs洗脫液中主要多糖的保留時(shí)間7.04 min(見圖8e)接近模板(淀粉)分子的保留時(shí)間(7.099 min,見圖8b),這表明Bi-MMIP洗脫液中分離出來的多糖相對(duì)分子質(zhì)量和模板分子的一致,因此Bi-MMIPs能夠?qū)λ晒嗵沁M(jìn)行鑒定和分離。

3 結(jié)論

本研究成功合成了一種新型表面印跡核殼結(jié)構(gòu)環(huán)氧功能化超順磁性納米粒子-雙功能單體分子印跡聚合物(Bi-MMIPs),其對(duì)模板分子(淀粉)具有較強(qiáng)的吸附親和力、特異性識(shí)別和選擇性。Langmuir模型更適合Bi-MMIPs對(duì)淀粉的吸附,且準(zhǔn)二級(jí)吸附能更好地解釋其吸附動(dòng)力學(xué)機(jī)制。此外,Bi-MMIPs具有良好的洗脫能力和可重用性。合成的印跡聚合物(Bi-MMIPs)可以選擇性吸附和富集松果中的多糖。Bi-MMIPs在碳水化合物化學(xué)中多糖的提取和分離方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。