靳亚峰,刘坤峰,张裕平

（河南科技学院,河南新乡453003）

邻苯二甲酸酯（phthalic acid esters,PAEs）是一类重要的塑化剂,被广泛用于食品包装、塑料玩具、各种日用品中.近些年来,研究表明,PAEs具有雌激素活性,能严重干扰动物的生殖能力,且具有致畸、致癌、致突变性[1-2],美国国家环保局（EPA）将6种PAEs列为优先控制的有毒污染物[3].目前,对于PAEs的检测方法主要是气相色谱法、液相色谱法、气相色谱-质谱联用以及液相色谱-质谱联用[4-7],但由于实际样品中PAEs的含量往往较低,且基质复杂,故这些方法都需要对样品进行富集与纯化.因此,制备一种对PAEs具有高度选择识别能力的分离富集材料具有重要的意义.

分子印迹聚合物（molecular imprinting polymer,MIP）是人工制备的对某一目标分子具有特异选择性的受体.其原理是在交联反应发生时目标分子和功能单体互相作用生成稳定的聚合物,聚合完成后,目标分子被洗脱掉,在聚合物微球上留有与目标分子结构、官能团互补的空穴,它对目标分子以及与目标分子相似的分子表现出特异的选择性和识别性[8].因为MIP这种高度的预定性、识别性和实用性,它被广泛用于色谱分离、固相萃取和化学仿生传感器等领域[9-11],具有很好的发展前景.目前,MIP的制备方法主要有本体聚合法、悬浮聚合法、种子溶胀法和沉淀聚合法等[12-15].本体聚合法虽然比较成熟,但是需要研磨、筛分,费时费力且损失严重.分散聚合法制备过程较为复杂,而且用到的分散剂和惰性分散体系较昂贵,不适于广泛推广.多步种子溶胀法虽可应用于极性环境中的分子识别,但微球的粒径分布范围一般较宽,且制备过程十分复杂.沉淀聚合法无需特殊的分散剂和稳定剂,制备方法简单,且所得微球粒径较均匀.

本文采用沉淀聚合法,以DOP为模板,α-甲基丙烯酸（MAA）为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）为交联剂,乙腈为致孔剂,通过条件优化,最终合成了粒径在1～3.5 μm范围内的分子印迹聚合物微球,采用平衡吸附法研究了MIPMs对模板分子的结合能力及其对不同底物的选择性,利用红外、电镜对其进行了表征.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

α-甲基丙烯酸（MAA）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）和2,2-偶氮二异丁腈（AIBN）均购自北京百灵威科技有限公司,且使用前均纯化；邻苯二甲酸二正辛酯（DOP）、邻苯二甲酸二甲酯（DMP）、邻苯二甲酸二乙酯（DEP）和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）（分析纯,天津市福晨化学试剂厂）；冰乙酸（分析纯,天津市德恩化学试剂有限公司）；乙腈和甲醇（色谱纯,天津市福晨化学试剂厂）；实验用水均为二次蒸馏水.

TENSOR27红外光谱仪（BRUKER,Germany）；Quanta200扫描电子显微镜（FEI,Hillsboro,Oregon,USA）；UV-2100双光束紫外-可见分光光度计（北京瑞利分析仪器公司）；DZF-6020型真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；玻璃仪器气流烘干器（郑州长城科工贸有限公司）；分析天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）；水浴锅（上海新苗医疗器械制造有限公司）；KQ5200DE型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；HH-4数显恒温振荡器（河南智诚科技发展有限公司）.

1.2 分子印迹聚合物微球的制备

将0.1 mmol的DOP,0.4 mmol的MAA,溶于一定量的乙腈中,室温下超声20 min,使得模板分子与功能单体充分反应,然后再加入2 mmol的EDMA和一定量的AIBN,使溶液混合均匀后,再向混合液内通氮气10 min,除去溶液中的氧,最后将瓶口密封后放入70℃的恒温水浴锅内聚合24 h.聚合完成后,得白色乳状液,之后以10 000 r/min的速度离心10 min,除去上清液后,将下层沉淀物置于索氏提取器中,用甲醇/乙酸（9∶1,V/V）提取至紫外下检测不到模板分子为止,再用甲醇提取6 h除去残余乙酸,然后于50℃的干燥箱内干燥过夜,得到白色粉末状固体,放入干燥器内备用.

空白聚合物微球（NIPMs）的制备除不加模板分子外,其余步骤均同上.

1.3 分子印迹聚合物微球吸附性能测定

准确称取一系列质量为20 mg的分子印迹聚合物和空白聚合物于10 mL的玻璃离心管内,加入不同浓度（0.5～4.5 mmol/L）的DOP乙腈标准液2 mL,于20℃下恒温振荡12 h,再以10 000 r/min的速度离心5 min,移取上清液并将其稀释至适当的倍数,用紫外分光光度计测定平衡吸附液中DOP的浓度,根据吸附前后溶液中DOP的浓度变化来计算DOP在不同浓度下的结合量Q.测定3次求出平均值,然后根据Q值做结合等温吸附曲线和Scatchard图,最终再对MIPMs和NIPMs的性质进行评价.

1.4 傅里叶红外分析

利用红外光谱对分子印迹聚合物的结构进行分析.根据红外光谱图中吸收峰的位置（峰位）、吸收峰的形状（峰形）、吸收峰的强度（峰强）可以获得与分子结构有关的信息,研究聚合物是否存在与印迹分子相互匹配的官能团.

1.5 扫描电镜分析

采用Quanta200扫描电子显微镜对MIPMs和NIPMs的表观结构和粒径大小进行分析.

2 结果与讨论

2.1 DOP分子印迹聚合物微球的制备

2.1.1 聚合温度的选择 固定模板分子的量为0.1 mmol,MAA为0.4 mmol,EDMA为2 mmol,AIBN的量为3 mg,乙腈为20 mL,分别于50、60、70、80℃下水浴恒温聚合24 h.结果发现50℃下,48 h后溶液依然澄清,没有发生聚合反应；60℃下时,36 h后才开始有沉淀生成；而70℃下在10 h后就有大量沉淀生成；80℃则在3 h后就开始聚合（见图1）.原因可能是温度过低,AIBN的引发自由基过少,反应速率太慢,而温度太高的话则会破坏微球的均匀性.由图1我们还可以看出,随温度的升高,微球的粒径逐渐增大.综合考虑,选取70℃作为反应时间.

图1 聚合温度对聚合物微球的影响Fig.1 Effect of the polymerization temperature on MIPMs

2.1.2 溶剂体积的影响 沉淀聚合中,溶剂体积对聚合物的形貌也有较大的影响.本实验在固定模板分子为0.1 mmol,MAA为0.4 mmol,EDMA为2 mmol,AIBN的量为3 mg的情况下,考察了溶剂体积大小对微球粒径的影响.结果如表1所示.

表1 溶剂体积对聚合物微球的影响Tab.1 Effect of the volum ofacetonitrile on MIPMs

当溶剂体积较小时,相当于本体聚合,故最终得到的聚合物粒径很小,往往发生团聚现象,见图2（P2）,由图2可知,随溶剂体积的增加,聚合物的形状越来越规则,分散性也越来越好,粒径也明显得到提高.当乙腈的体积增加到40 mL时,所得到聚合物微球的平均粒径已达到微米级,见图2（P4）,但当溶剂体积增加到50 mL时,24 h后没有发生聚合反应.原因可能是,溶剂体积过大,反应过程中导致聚合物交联度过低而不能形成微球沉淀.为得到粒径较大的分子印迹聚合物微球,我们最终选取40 mL作为乙腈溶剂的体积.

图2 溶剂体积对聚合物微球的影响Fig.2 Effect of the volum ofacetonitrile on MIPMs

2.1.3 引发剂AIBN的量的影响 按照上面优化的条件,固定模板分子的量为0.1 mmol,MAA为0.4 mmol,EDMA为2 mmol,乙腈为40 mL,分别加入3 mg、5 mg、8 mg和10 mg的AIBN,于70℃的恒温水浴条件下聚合24 h,所得结果如表2所示.

表2 引发剂量对聚合物微球的影响Tab.2 Effect of the amount ofAIBN on MIPMs

由表2可以看出,随着AIBN量的增加,聚合物微球的粒径逐渐增大,当AIBN的量达到8 mg时,微球最大的粒径已达到3.5 μm,随后,又增加AIBN的量时,微球平均粒径开始减小,见图3（P7）.原因可能是,引发剂浓度的提高加快了自由基的产生和聚合物链终止的速率,因此聚合物的平均分子量下降,聚合物链在连续相的溶解度大大增加,使得聚合物颗粒的数目减少而直径增加.

图3 引发剂AIBN的量对聚合物微球的影响Fig.3 Effect of the amount ofAIBN on MIPMs

2.2 分子印迹聚合物吸附性分析

为考察DOP分子印迹聚合物微球的结合特性,室温下用平衡吸附实验测定了印迹聚合物和空白聚合物对不同浓度DOP乙腈标液的结合等温线,见图4（a）.

在0.5～4.5 mmol/L的浓度范围内,随着DOP浓度的增加,MIPMs和NIPMs单位质量的结合量也增加,并且单位质量MIPMs对DOP的结合量远大于单位质量NIPMs对DOP的结合量.说明MIPMs在印迹过程中,模板分子DOP在MIPMs中留下的印迹空穴以及空穴上的活性结合位点决定了MIPMs对模板分子的高度亲和力,其吸附是特异性作用的结果,而NIPMs则只是基于简单的非特异性吸附.

在分子印迹领域中,常用Scatchard模型来评价分子印迹聚合物的结合特性,Scatchard方程式[16]如下

式（1）中Kd为结合位点的平衡离解常数；Qmax为结合位点的最大表观结合量；C为吸附液中目标分子的平衡浓度.根据式（1）,以Q/C对Q作图得Scatchard图4（b）.由图4（b）可知Q/C与Q之间存在非线性关系,但是在图的两端有两个明显的部分具有良好的线性关系.这表明在所研究的DOP浓度范围内,MIPMs主要存在两类不同的结合位点.

图4 MIPMs和NIPMs的结合Fig.4 MIPMs and NIPMs

由图4可求出MIPMs和NIPMs对DOP的结合参数.MIPMs高亲和力的结合位点的解离常数Kd1=0.38 μmol/mL,最大表观吸附量Qmax1=30.39 μmol/g,低亲和力的结合位点的解离常数Kd2=2.62 μmol/mL,最大表观吸附量Qmax2=76.94 μmol/g；NIPMs高亲和力的结合位点的解离常数Kd1=0.43 μmol/mL,最大表观吸附量Qmax1=22.53 μmol/g,低亲和力的结合位点的解离常数Kd2=1.05 μmol/mL,最大表观吸附量Qmax2=35.93 μmol/g.

2.3 分子印迹聚合物对不同底物的选择性

为了研究印迹聚合物的吸附选择性,实验中选择了和DOP具有相似结构的几种化合物为底物进行比较,各底物的结构图见图5,MIP和NIP对4种底物的吸附量见表3.

图5 各底物结构式Fig.5 Scheme ofsubstrates

采用印迹因子（impringting factor,IF）和选择性指数（selectivity index,SI）来描述印迹物对DOP及其结构类似物的选择性,其定义如下[17]：

式（2）中,QMlPMs为MIPMs对底物的饱和吸附量,QNIPMs为NIPMs对底物的饱和吸附量.

表3 不同底物在印迹聚合物和空白聚合物上的结合能力Tab.3 Bingding ablities ofdifferent substrates on MIPMs and NIPMs

由表3可知,MIPMs对DOP的结合量是NIPMs的2.20倍,并且MIPMs对模板分子DOP的结合量要大于对其他底物的结合量.

2.4 红外分析

利用红外光谱对聚合物微球以及各个单体进行了分析,结果见图6.

图6 MIPMs和NIPMs的红外图Fig.6 Infrared spectra ofMIPMs and NIPMs

由图6可知,MIPMs与NIPMs的图形大致相同,这说明MIPMs经洗脱后几乎已不含模板分子；唯一的区别是在3 400 cm-1左右,MIPMs的伸缩振动峰比NIPMs要明显些,说明MIPMs上带有更多的游离羟基,能更好地与模板分子相结合.再者1 637 cm-1处的C=C的伸缩振动吸收峰已经很小,又可说明交联剂EDMA与功能单体MAA在制备条件下大部分进行了聚合,只有很少部分残留.2 987 cm-1、2 956 cm-1两处应是烷烃的C-H伸缩振动吸收峰,而1 732 cm-1处则是C=O的伸缩振动吸收峰.

3 小结

利用沉淀聚合法以DOP为模板分子制备出了粒径范围为1～3.5 μm的分子印迹聚合物微球,确定了最佳配方：聚合温度为70℃,DOP为0.1 mmol,MAA为0.4 mmol,EDMA为2 mmol,AIBN的量为8 mg,乙腈的体积为40 mL.平衡结合实验表明：MIPMs与NIPMs相比,对模板分子具有更高的吸附性.本文制备方法操作简单,所得聚合物微球具有机械强度高、稳定性好、可长期使用的优点.该聚合物微球可用作液相色谱的固定相,用来分离、纯化和测定环境中的PAEs.

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