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HERALD OF MEDICINE, 2018, 37(5): 604-610
doi: 10.3870/j.issn.1004-0781.2018.05.021
甲芬那酸分子印迹聚合物纳米微球的合成与表征
Synthesis and Characterization of Molecularly Imprinted Polymeric Nanospheres for Mefenamic Acid
凌霞, 范可青

摘要: 目的 探讨甲芬那酸的分析和分离方法。方法 采用沉淀聚合法合成甲芬那酸分子印迹聚合物纳米微球(MIPNs),采用扫描电子显微镜(SEM)、紫外光谱、红外光谱、静态吸附实验(BET)、斯卡查德分析(Scatchard analysis)等对MIPNs进行表征。结果 功能单体的选择对聚合物的大小和形态有较大的影响,用甲基丙烯酸为功能单体时,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;甲芬那酸与功能单体存在相互作用的化学基团;MIPNs对甲芬那酸有亲和性,静态分配系数Kd可达1.716 9 mmol·L-1结论 MIPNs对甲芬那酸的分析和分离提供了一种新的方法,并对其在药物缓释系统的研究创造了条件。
关键词: 甲芬那酸 ; 分子印迹纳米微球 ; 沉淀聚合 ; 表征

Abstract:
Objective To establish the analysis and separation method of mefenamic acid. Methods The molecularly imprinted polymeric nanospheres (MIPNs) for mefenamic acid (MFA) were synthesized by precipitation polymerization and investigated by electronic microscopy (SEM), UV, IR, BET adsorption test and Scatchard analysis. Results Choice of the functional monomers affected the size and shape of the polymer. When methacrylic acid was used as functional monomer, polymer particles presented regular sphere with smooth surface, uniform particle size distribution and good dispersion. There was no adhesion phenomenon and the particle size was 450 nm;Mefenamic acid have chemical groups interacting with the functional monomers. MIPNs has affinity for mefenamic acid with the distribution coefficient Kd up to 1.716 9 mmol·L-1. Conclusion MIPNs provides a new method for the separation and analysis of mefenamic acid and creates the conditions in its study of drug sustained release system.
Key words: Mefenamic acid ; Molecularly imprinted nanosphere ; Precipitation polymerization ; Characterization

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。

尽管MIPs的应用研究在国外早已起步,但在国内关于MIPs的研究报道还比较少。甲芬那酸(结构式见图1)是一种甾体抗炎镇痛药,具有镇痛、解热和抗炎作用,其抗炎作用较强,但有较高的潜在的胃毒性和肾毒性作用。因此,甲芬那酸在人体中代谢及排泄过程的检测值得重视。笔者以甲芬那酸为模板分子,甲基丙烯酸、丙烯酰胺、4-乙烯基吡啶为功能单体,采用沉淀聚合法[1,2,3]合成了甲芬那酸的MIPNs[4,5,6],利用紫外光谱、红外光谱探讨甲芬那酸与不同功能单体结合的识别机制,为合成甲芬那酸的药物缓释系统[7,8]和检测、分离与富集奠定基础[9,10]

图1 甲芬那酸的结构式

Fig.1 Chemical structure of mefenamic acid

1 试药与仪器
1.1 试药

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。

1.2 仪器

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)。

2 方法与结果
2.1 聚合物的制备

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V甲醇:V乙酸=9:1 溶液洗掉印迹分子和未聚合的功能单体和交联剂,直至洗脱液中检测不到印迹分子,于烘箱中40 ℃真空干燥。所得聚合物为MIPNs;同时按同样方法不加甲芬那酸制备空白聚合物(non-imprinted polymeric nanospheres,NIPNs)。

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/℃ t/h
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

2.2 紫外光谱和红外光谱分析

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。

2.3 聚合物微球扫描电镜分析

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。

2.4 聚合物微球对印迹分子的平衡结合实验

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(r=12.3 cm)离心10 min,取吸附液稀释至一定体积,用紫外分光光度计测定平衡吸附液中甲芬那酸的浓度,根据结合前后溶液中甲芬那酸的浓度变化计算单位质量聚合物微球对底物的结合量。

2.5 聚合物的结合动力学性质的研究

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。

2.6 印迹分子与功能单体的相互作用的可能机制

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。

图2 MAA为功能单体时甲芬那酸分子印迹的可能机制

Fig.2 Possible mechanism of imprinting mefenamic acid using MAA as functional monmer

图3 AM为功能单体时甲芬那酸分子印迹的可能机制

Fig.3 Possible mechanism of imprinting mefenamic acid using AM as functional monomer

图4 4-VP为功能单体时甲芬那酸分子印迹的可能机制

Fig.4 Possible mechanism of imprinting mefenamic acid using 4-VP as functional monmer

2.7 紫外分析预聚合作用

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。

图5 甲芬那酸与3种功能单体预聚合紫外吸收分析

Fig.5 UV absorption analysis of the prepolymerization effects of mefenamic acid and the three kinds of function monomers

图5可以看出,随着功能单体用量的增加,吸光度发生变化,表明两者之间产生了较强的分子间相互作用,根据甲芬那酸及功能单体的结构可以推断两者之间的分子作用力是氢键作用力,它使甲芬那酸苯环上大π键的电子云密度及分子的电子云分布发生改变,致使甲芬那酸紫外光谱发生变化。功能单体的用量越大,这种变化就越大,对于3种功能单体AM、MAA和4-VP来讲,当甲芬那酸与功能单体的摩尔比分别为1:3,1:5和1:4时,其紫外吸收光谱变化达到最大值。功能单体的用量不能过多,因为一方面过量的功能单体可能导致由非组装的功能单体残基产生的非选择性的结合位点增加,另一方面功能单体浓度的过大会引发单体自身的缔合,致使选择性结合位点数反而减少。此外,为了便于比较,所以本研究在MIPs的合成中采用的甲芬那酸与功能单体的摩尔比为1:4。

2.8 红外分析预聚合作用

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。

图6可知,在加入MAA之后,甲芬那酸的N-H的伸缩振动则从3 311.55 cm-1移动到3 446.56 cm-1。由此可以说明,在乙腈中甲芬那酸和MAA可发生了分子间相互作用。

图6 甲芬那酸与MAA预聚合作用的红外分析

Fig.6 Infrared analysis on the prepolymerization effect of mefenamic acid and MAA

图7可知,在加入AM之后,甲芬那酸的C=O伸缩振动从1 605.95 cm-1移动到1 670.24 cm-1,而N-H的伸缩振动则从和3 311.55 cm-1移动到3 215.11 cm-1。由此可以说明,在乙腈中,甲芬那酸和AM可发生了分子间相互作用,从而使其官能团的伸缩振动发生了变化。

图7 甲芬那酸与AM预聚合作用的红外光谱分析

Fig.7 Infrared analysis on the prepolymerization effect of mefenamic acid and AM

图8可知,在加入4-VP之后,甲芬那酸的O-H伸缩振动从3 502.49 cm-1移动到3 454.27 cm-1,而N-H的伸缩振动则从3 311.55 cm-1移动到3 240.19 cm-1。由此可见,在乙腈中,甲芬那酸和4-VP发生作用。

图8 甲芬那酸和4-VP预聚合作用的红外光谱分析

Fig.8 Infrared analysis on the prepolymerization effect of mefenamic acid and 4-VP

2.9 聚合物化学基团的红外光谱研究

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。

图9 甲芬那酸的MAA-EGDMA聚合物红外光谱分析

Fig.9 Infrared analysis on MAA-EGDMA polymer of mefenamic acid

AM和EGDMA的红外光谱见图10,由图10的谱图对比可知,在1 670.24 cm-1附近较强的峰为MAA中C=O的伸缩振动峰,3 431.13 和3 415.70 cm-1附近较强峰为AM中N-H的伸缩振动峰,1 637.45 cm-1为C=C双键的伸缩振动峰。洗脱掉模板分子的MIPs的红外光谱见图所示,1 635.52 cm-1附近的C=C双键的峰很小,说明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。1 731.96 cm-1附近较强的峰为C=O的伸缩振动峰,3 523.70 和3 460.06 cm-1附近较强的峰为N-H的伸缩振动峰。由此可见,模板分子与AM得到较好的聚合,并且功能基羧基和N-H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。

图10 甲芬那酸的AM-EGDMA聚合物红外光谱分析

Fig.10 Infrared analysis on AM-EGDMA polymer of mefenamic acid

4-VP和EGDMA的红外光谱见图11,由谱图对比可知,在1 596.95 cm-1附近较强峰为4-VP中C=N的伸缩振动峰,1 546.80 cm-1为C=C双键的伸缩振动峰。洗脱掉模板分子的MIPNs的红外光谱如图所示,1 541.02 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。1 647.10 cm-1附近较强的峰为C=N的伸缩振动峰,由此可见,模板分子与4-VP得到了较好的聚合,并且功能基C=N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。

图11 甲芬那酸的4-VP-EGDMA聚合物红外光谱分析

Fig.11 Infrared analysis on 4-VP-EGDMA polymer of mefenamic acid

2.10 聚合物形态和微球粒径

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]

图12 沉淀聚合法合成在不同条件下纳米微球的SEM图

Fig.12 SEMs of nanospheres prepared by precipitation polymerization under different synthesis conditions

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。

2.11 甲芬那酸紫外吸收标准曲线的绘制

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Y=20.357X+0.042 6,其中X为甲芬那酸的浓度(mmol·L-1),Y为吸光度,相关系数R2=0.995 9。

图13 甲芬那酸标准曲线

Fig.13 Standard curve of mefenamic acid

2.12 聚合物的吸附性能

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Q/C甲芬那酸=(Qmax-Q)/Kd式中,Kd 是结合位点的平衡离解常数;Qmax是结合位点的最大表观结合量;C甲芬那酸表示甲芬那酸在上清液中的平衡浓度。以Q/C甲芬那酸Q 作图可得到图15,图中Q/C甲芬那酸Q 呈非线性关系,但图15 中的两个部分能够呈现较好的线性关系,表明在研究浓度范围内印迹聚合物对印迹分子存在两种结合位点。对其分别进行拟合,根据斜率和截距可以求得低亲和性位点离解常数Kd1=1.716 9 mmol·L-1,最大表观结合量Qmax1=166.07 μmol·g-1,高亲和性位点离解常数Kd2=0.237 8 mmol·L-1,最大表观结合量Qmax2=124.18 μmol·g-1

图14 甲芬那酸在印迹聚合物上的结合等温线

Fig.14 Sorption isothermals of mefenamic acid on imprinted polymer

2.13 聚合物的吸附动力学分析

聚合物P2的吸附量在10,20,30,50,70,100,200 min时分别为0.849,0.853,0.860 6,0.864 5,0.864 8,0.866,0.867 mmol·L-1。可见,在前10 min 内MIPNs 对甲芬那酸的吸附量迅速增加,30 min 之后已基本达到平衡。甲芬那酸在MIP迅速达到平衡是由于纳米微粒表面效应和体积效应的影响。聚合物纳米粒子表面积很大,粒子上的官能团密度和选择性吸附能力很高,所以达到吸附平衡的时间显著缩短。

图15 印迹聚合物结合性质的Scatchard图

Fig.15 Scatchard plots of the sorption on imprinted polymer

3 讨论

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Kd 可达1.716 9 mmol·L-1。同时红外光谱研究结果表明:交联聚合得到的分子印迹聚合物存在可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,为甲芬那酸的分析和分离寻找一条新的途径,使之有可能成为一种新的药物残留样品分析方法,也为进一步开拓MIPs的应用研究提供了良好的理论和实验基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

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[10] 赖家平,卢春阳,何锡文.水溶液微悬浮聚合法制备酸性药物吲哚美辛分子印迹微球及其色谱表征[J].高等学校化学学报,2003,24(7):1175-1179.
以带有羧基的酸性药物吲哚美辛为模板分子、碱性的4-乙烯基吡啶为功能单体,采用水溶液微悬浮聚合法制备了用于色谱分离的微米级分子印迹微球.详细讨论了流动相中缓冲溶液的pH值对吲哚美辛在MIMs柱上的容量因子(k&prime;)、分离因子(&alpha;)和印迹因子(&beta;)的影响.通过MIMs柱对吲哚美辛和4-氨基吡啶(4-AP)的保留行为的比较,证明以4-乙烯基吡啶为功能单体制得的MIMs对吲哚美辛的识别作用,主要靠吡啶环上氮原子与吲哚美辛羧基之间的离子键相互作用,以及吡啶环与模板分子之间的&pi;-&pi;相互作用.
DOI:10.3321/j.issn:0251-0790.2003.07.005      Magsci     URL    
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作者
凌霞
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