分子印迹聚合物(molecular imprinted polymers,MIPs)是利用分子印迹技术合成出来的对模板分子具有高选择性的一种高分子聚合物。在合适的溶剂中模板分子与功能单体依靠分子间作用力形成主客体配合物,再加入交联剂和引发剂,引发聚合形成稳定的高分子聚合物;洗去模板分子后,聚合物中留有对模板分子有特异性结合能力的位点,这类分子印迹材料对目标物具有高度的选择性,且性能稳定,价格低廉,可以解决样品前处理复杂、成本较高等问题。近年来,MIPs已经广泛用于色谱分离、固相萃取、模拟酶催化、化学仿生传感器、膜分离技术以及最近发展起来的用于药物投递系统(drug delivery system,DDS)等领域。
甲芬那酸(含量 99.48%,武汉远程科技发展有限公司)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(ethylene glycol dimethacrylate,EGDMA,含量>98%,泸州化工科研所)、4-乙烯基吡啶(4-vinyl pyridine,4-VP,含量96%,上海晶纯试剂有限公司),甲基丙烯酸(methacrylic acid,MAA)、丙烯酰胺(acrylamide,AM),偶氮二异丁腈(azo diisobutyronitrile,AIBN)、乙腈、甲醇、乙酸(含量99.5%)均购于成都市科龙化工试剂厂。
JSM-5900LV扫描电子显微镜(日本电子厂);TD12-WS多管架自动平衡离心机(长沙湘仪离心机仪器有限责任公司);DIF-6020型真空干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司);UV/vis-4802S型双光束紫外可见分光光度计(尤尼柯仪器有限公司);DZKW-4电子恒温水浴锅(北京中兴伟业仪器有限公司);HZQ-C空气浴振荡器(哈尔滨市东明医疗仪器厂);FTIR-8400S傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津公司)。
甲芬那酸MIPNs的合成:称取甲芬那酸溶于一定量乙腈中,加入功能单体,于室温下震荡5 h,使甲芬那酸与功能单体充分作用,然后加入交联剂EGDMA和引发剂AIBN,充分混匀后,向混合液中通氮气10 min 以除去溶解的氧气,密封后置于恒温水浴箱,50 ℃热聚合24 h(聚合物配方见表1)。聚合产物取出冷却至室温,离心获得聚合物沉淀,用
聚合物P1~P6的合成条件 Synthetic conditions of polymer P1-P6
聚合物
甲芬那酸
MAA
AM
4-VP
EGDMA
AIBN/
mg乙腈/
mL反应条件
mmol
温度/℃
P1
0.00
1
0
0
5
30
100
50
24
P2
0.25
1
0
0
5
30
100
50
24
P3
0.00
0
1
0
5
30
100
50
24
P4
0.25
0
1
0
5
30
100
50
24
P5
0.00
0
0
1
5
30
100
50
24
P6
0.25
0
0
1
5
30
100
50
24
模板分子的浓度固定,加入不同量的功能单体,在恒温振荡器中振荡12 h后,检测紫外吸收光谱的变化。将溴化钾(KBr)粉末充分研细,干燥,装入压片装置中压成透明的薄片,分别取2或3滴待测液体移到两KBr晶体薄片之间,形成一层薄的液膜,用夹具轻轻夹住后,测定红外区4 000~400 cm-1下的吸收谱带。在KBr粉末中加入少量干燥好的待测固体样品,将其充分研细,干燥,装入压片装置中压成透明的薄片进行样品制备,测定红外区4 000~400 cm-1下的吸收谱带,研究聚合物是否存在与印迹分子相互匹配的官能团。
用扫描电子显微镜(SEM)观测对聚合物微球的表面结构和粒径进行分析。
称取一组等量的MIPNs(P2)和NIPNs(P1)各10 mg,分别置于锥形瓶中,加入0~1.0 mmol·L-1 甲芬那酸乙腈溶液2 mL,置于恒温震荡器上25 ℃振荡24 h,经3 000 r·min-1(
取MIPNs (P2)和NIPNs (P1) 10 mg与1.0 mmol·L-1 甲芬那酸乙腈溶液14 mL混合,在不同的时间分别测定甲芬那酸在聚合物上的结合量。
在分子印迹技术中,MAA、AM、4-VP是应用较为广泛的功能单体,根据甲芬那酸、MAA、AM、4-VP的分子结构可以推测:①含有羧基的MAA可以以氢键方式与印迹分子结构中的N-H键发生作用;②含有羰基、N-H的AM可以以氢键方式与印迹分子结构中的N-H、羧基发生氢键和离子键相互作用;③4-VP上的N可以以氢键方式与印迹分子结构中的羟基和N-H发生作用。由此可见,在聚合中,模板分子与功能单体通过氢键进行组装,除去模板分子后,形成具有立体空穴和功能基精确排布的聚合物,从而增强了印迹分子与聚合物的结合能力并获得高的选择性。由此,推测实验中甲芬那酸与MAA、AM、4-VP的聚合过程见图2~4。
分子印迹的基本原理就在于将聚合前反应混合溶液中形成的主客体分子结构尽可能移入聚合形成的固体聚合母体中,因此研究溶液状态下模板分子与功能单体分子间的分子作用极其重要[8,9]。吸光度随着甲芬那酸加入的变化见图5。
从
为证实甲芬那酸和功能单体在乙腈中的作用,研究了乙腈溶液中甲芬那酸的红外光谱及加入功能单体之后其谱图的变化。
由
由
由
MAA和EGDMA的红外光谱见图9,由谱图对比可知,图9中在1 697 cm-1附近较强的峰为MAA中C=O的伸缩振动峰,1 635 cm-1为C=C双键的伸缩振动峰。在1 724 cm-1附近较强的峰为EGDMA中C=O的伸缩振动峰,1 637 cm-1为C=C双键的伸缩振动峰。洗脱掉模板分子的MIPs的红外光谱如图9所示,1 647.10 cm-1附近的C=C双键的峰很小,说明交联剂和功能单体在本实验的制备条件下大部分进行了交联聚合,只有很小部分残留。1 728.10 cm-1附近较强的峰为C=O的伸缩振动峰。由此可见,模板分子与MAA得到了较好的聚合,并且功能基羧酸基团的峰没有明显变化,因此,单体与交联剂聚合后,将单体与印迹分子形成的配合物固定下来,即经交联聚合得到的聚合物确实存在可以同印迹分子相互作用的化学基团,这为聚合特异识别性创造了条件。
AM和EGDMA的红外光谱见
4-VP和EGDMA的红外光谱见
聚合物纳米微球的形态和粒径采用扫描电镜图来表征,见图12。在其他条件不变的情况下,通过改变功能单体,可以看出用MAA为功能单体时(P1和P2),聚合物颗粒都呈规则的球状,表面光滑,粒径分布较均匀,分散性好,无明显的粘接现象,粒径达到450 nm。在相同条件下制备的NIPNs(P1)与MIPNs(P2)相比,形态无明显差异,只是粒径略微偏大,可能原因是印迹分子的存在使聚合物的空间排列稍有变化[10]。
选用AM和4-VP为功能单体时(P3~P6),聚合物微球变为不规则球形,团聚现象严重,甚至P6出现结块现象。所以本实验采用以MAA为功能单体合成的聚合物(P1和P2)来做吸附实验。
在波长290 nm的条件下,测定甲芬那酸在乙腈溶液中的吸收度,其标准曲线见图13,线性回归方程为
采用静态吸附法,测定了印迹聚合物对甲芬那酸的结合等温线,聚合物P2吸附实验结果见图14。获得的数据进行Scatchard 分析,Scatchard 方程为
本研究通过以甲芬那酸为模板分子,分别以MAA、AM和4-VP为功能单体,EGDMA为交联剂,AIBN为引发剂引发了甲芬那酸的MIPNs。通过紫外光谱研究表明,模板分子与功能单体存在相互作用,并预测印迹聚合物的结合机制;MIPNs的吸附性能实验结果表明,MIPNs对甲芬那酸的亲和性高,静态分配系数
The authors have declared that no competing interests exist.