鄰苯二甲酸二正辛酯分子印跡聚合物微球的制備及表征

靳亞峰,劉坤峰,張?jiān)Ｆ?/p>

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

鄰苯二甲酸酯（phthalic acid esters,PAEs）是一類重要的塑化劑,被廣泛用于食品包裝、塑料玩具、各種日用品中.近些年來,研究表明,PAEs具有雌激素活性,能嚴(yán)重干擾動(dòng)物的生殖能力,且具有致畸、致癌、致突變性[1-2],美國(guó)國(guó)家環(huán)保局（EPA）將6種PAEs列為優(yōu)先控制的有毒污染物[3].目前,對(duì)于PAEs的檢測(cè)方法主要是氣相色譜法、液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用以及液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用[4-7],但由于實(shí)際樣品中PAEs的含量往往較低,且基質(zhì)復(fù)雜,故這些方法都需要對(duì)樣品進(jìn)行富集與純化.因此,制備一種對(duì)PAEs具有高度選擇識(shí)別能力的分離富集材料具有重要的意義.

分子印跡聚合物（molecular imprinting polymer,MIP）是人工制備的對(duì)某一目標(biāo)分子具有特異選擇性的受體.其原理是在交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生時(shí)目標(biāo)分子和功能單體互相作用生成穩(wěn)定的聚合物,聚合完成后,目標(biāo)分子被洗脫掉,在聚合物微球上留有與目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)互補(bǔ)的空穴,它對(duì)目標(biāo)分子以及與目標(biāo)分子相似的分子表現(xiàn)出特異的選擇性和識(shí)別性[8].因?yàn)镸IP這種高度的預(yù)定性、識(shí)別性和實(shí)用性,它被廣泛用于色譜分離、固相萃取和化學(xué)仿生傳感器等領(lǐng)域[9-11],具有很好的發(fā)展前景.目前,MIP的制備方法主要有本體聚合法、懸浮聚合法、種子溶脹法和沉淀聚合法等[12-15].本體聚合法雖然比較成熟,但是需要研磨、篩分,費(fèi)時(shí)費(fèi)力且損失嚴(yán)重.分散聚合法制備過程較為復(fù)雜,而且用到的分散劑和惰性分散體系較昂貴,不適于廣泛推廣.多步種子溶脹法雖可應(yīng)用于極性環(huán)境中的分子識(shí)別,但微球的粒徑分布范圍一般較寬,且制備過程十分復(fù)雜.沉淀聚合法無需特殊的分散劑和穩(wěn)定劑,制備方法簡(jiǎn)單,且所得微球粒徑較均勻.

本文采用沉淀聚合法,以DOP為模板,α-甲基丙烯酸（MAA）為功能單體,乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）為交聯(lián)劑,乙腈為致孔劑,通過條件優(yōu)化,最終合成了粒徑在1～3.5 μm范圍內(nèi)的分子印跡聚合物微球,采用平衡吸附法研究了MIPMs對(duì)模板分子的結(jié)合能力及其對(duì)不同底物的選擇性,利用紅外、電鏡對(duì)其進(jìn)行了表征.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

α-甲基丙烯酸（MAA）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）和2,2-偶氮二異丁腈（AIBN）均購(gòu)自北京百靈威科技有限公司,且使用前均純化；鄰苯二甲酸二正辛酯（DOP）、鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）、鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）和鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）（分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠）；冰乙酸（分析純,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司）；乙腈和甲醇（色譜純,天津市福晨化學(xué)試劑廠）；實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水.

TENSOR27紅外光譜儀（BRUKER,Germany）；Quanta200掃描電子顯微鏡（FEI,Hillsboro,Oregon,USA）；UV-2100雙光束紫外-可見分光光度計(jì)（北京瑞利分析儀器公司）；DZF-6020型真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；玻璃儀器氣流烘干器（鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司）；分析天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）；水浴鍋（上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司）；KQ5200DE型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；HH-4數(shù)顯恒溫振蕩器（河南智誠(chéng)科技發(fā)展有限公司）.

1.2 分子印跡聚合物微球的制備

將0.1 mmol的DOP,0.4 mmol的MAA,溶于一定量的乙腈中,室溫下超聲20 min,使得模板分子與功能單體充分反應(yīng),然后再加入2 mmol的EDMA和一定量的AIBN,使溶液混合均勻后,再向混合液內(nèi)通氮?dú)?0 min,除去溶液中的氧,最后將瓶口密封后放入70℃的恒溫水浴鍋內(nèi)聚合24 h.聚合完成后,得白色乳狀液,之后以10 000 r/min的速度離心10 min,除去上清液后,將下層沉淀物置于索氏提取器中,用甲醇/乙酸（9∶1,V/V）提取至紫外下檢測(cè)不到模板分子為止,再用甲醇提取6 h除去殘余乙酸,然后于50℃的干燥箱內(nèi)干燥過夜,得到白色粉末狀固體,放入干燥器內(nèi)備用.

空白聚合物微球（NIPMs）的制備除不加模板分子外,其余步驟均同上.

1.3 分子印跡聚合物微球吸附性能測(cè)定

準(zhǔn)確稱取一系列質(zhì)量為20 mg的分子印跡聚合物和空白聚合物于10 mL的玻璃離心管內(nèi),加入不同濃度（0.5～4.5 mmol/L）的DOP乙腈標(biāo)準(zhǔn)液2 mL,于20℃下恒溫振蕩12 h,再以10 000 r/min的速度離心5 min,移取上清液并將其稀釋至適當(dāng)?shù)谋稊?shù),用紫外分光光度計(jì)測(cè)定平衡吸附液中DOP的濃度,根據(jù)吸附前后溶液中DOP的濃度變化來計(jì)算DOP在不同濃度下的結(jié)合量Q.測(cè)定3次求出平均值,然后根據(jù)Q值做結(jié)合等溫吸附曲線和Scatchard圖,最終再對(duì)MIPMs和NIPMs的性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià).

1.4 傅里葉紅外分析

利用紅外光譜對(duì)分子印跡聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.根據(jù)紅外光譜圖中吸收峰的位置（峰位）、吸收峰的形狀（峰形）、吸收峰的強(qiáng)度（峰強(qiáng)）可以獲得與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息,研究聚合物是否存在與印跡分子相互匹配的官能團(tuán).

1.5 掃描電鏡分析

采用Quanta200掃描電子顯微鏡對(duì)MIPMs和NIPMs的表觀結(jié)構(gòu)和粒徑大小進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 DOP分子印跡聚合物微球的制備

2.1.1 聚合溫度的選擇 固定模板分子的量為0.1 mmol,MAA為0.4 mmol,EDMA為2 mmol,AIBN的量為3 mg,乙腈為20 mL,分別于50、60、70、80℃下水浴恒溫聚合24 h.結(jié)果發(fā)現(xiàn)50℃下,48 h后溶液依然澄清,沒有發(fā)生聚合反應(yīng)；60℃下時(shí),36 h后才開始有沉淀生成；而70℃下在10 h后就有大量沉淀生成；80℃則在3 h后就開始聚合（見圖1）.原因可能是溫度過低,AIBN的引發(fā)自由基過少,反應(yīng)速率太慢,而溫度太高的話則會(huì)破壞微球的均勻性.由圖1我們還可以看出,隨溫度的升高,微球的粒徑逐漸增大.綜合考慮,選取70℃作為反應(yīng)時(shí)間.

圖1 聚合溫度對(duì)聚合物微球的影響Fig.1 Effect of the polymerization temperature on MIPMs

2.1.2 溶劑體積的影響 沉淀聚合中,溶劑體積對(duì)聚合物的形貌也有較大的影響.本實(shí)驗(yàn)在固定模板分子為0.1 mmol,MAA為0.4 mmol,EDMA為2 mmol,AIBN的量為3 mg的情況下,考察了溶劑體積大小對(duì)微球粒徑的影響.結(jié)果如表1所示.

表1 溶劑體積對(duì)聚合物微球的影響Tab.1 Effect of the volum ofacetonitrile on MIPMs

當(dāng)溶劑體積較小時(shí),相當(dāng)于本體聚合,故最終得到的聚合物粒徑很小,往往發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,見圖2（P2）,由圖2可知,隨溶劑體積的增加,聚合物的形狀越來越規(guī)則,分散性也越來越好,粒徑也明顯得到提高.當(dāng)乙腈的體積增加到40 mL時(shí),所得到聚合物微球的平均粒徑已達(dá)到微米級(jí),見圖2（P4）,但當(dāng)溶劑體積增加到50 mL時(shí),24 h后沒有發(fā)生聚合反應(yīng).原因可能是,溶劑體積過大,反應(yīng)過程中導(dǎo)致聚合物交聯(lián)度過低而不能形成微球沉淀.為得到粒徑較大的分子印跡聚合物微球,我們最終選取40 mL作為乙腈溶劑的體積.

圖2 溶劑體積對(duì)聚合物微球的影響Fig.2 Effect of the volum ofacetonitrile on MIPMs

2.1.3 引發(fā)劑AIBN的量的影響 按照上面優(yōu)化的條件,固定模板分子的量為0.1 mmol,MAA為0.4 mmol,EDMA為2 mmol,乙腈為40 mL,分別加入3 mg、5 mg、8 mg和10 mg的AIBN,于70℃的恒溫水浴條件下聚合24 h,所得結(jié)果如表2所示.

表2 引發(fā)劑量對(duì)聚合物微球的影響Tab.2 Effect of the amount ofAIBN on MIPMs

由表2可以看出,隨著AIBN量的增加,聚合物微球的粒徑逐漸增大,當(dāng)AIBN的量達(dá)到8 mg時(shí),微球最大的粒徑已達(dá)到3.5 μm,隨后,又增加AIBN的量時(shí),微球平均粒徑開始減小,見圖3（P7）.原因可能是,引發(fā)劑濃度的提高加快了自由基的產(chǎn)生和聚合物鏈終止的速率,因此聚合物的平均分子量下降,聚合物鏈在連續(xù)相的溶解度大大增加,使得聚合物顆粒的數(shù)目減少而直徑增加.

圖3 引發(fā)劑AIBN的量對(duì)聚合物微球的影響Fig.3 Effect of the amount ofAIBN on MIPMs

2.2 分子印跡聚合物吸附性分析

為考察DOP分子印跡聚合物微球的結(jié)合特性,室溫下用平衡吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定了印跡聚合物和空白聚合物對(duì)不同濃度DOP乙腈標(biāo)液的結(jié)合等溫線,見圖4（a）.

在0.5～4.5 mmol/L的濃度范圍內(nèi),隨著DOP濃度的增加,MIPMs和NIPMs單位質(zhì)量的結(jié)合量也增加,并且單位質(zhì)量MIPMs對(duì)DOP的結(jié)合量遠(yuǎn)大于單位質(zhì)量NIPMs對(duì)DOP的結(jié)合量.說明MIPMs在印跡過程中,模板分子DOP在MIPMs中留下的印跡空穴以及空穴上的活性結(jié)合位點(diǎn)決定了MIPMs對(duì)模板分子的高度親和力,其吸附是特異性作用的結(jié)果,而NIPMs則只是基于簡(jiǎn)單的非特異性吸附.

在分子印跡領(lǐng)域中,常用Scatchard模型來評(píng)價(jià)分子印跡聚合物的結(jié)合特性,Scatchard方程式[16]如下

式（1）中Kd為結(jié)合位點(diǎn)的平衡離解常數(shù)；Qmax為結(jié)合位點(diǎn)的最大表觀結(jié)合量；C為吸附液中目標(biāo)分子的平衡濃度.根據(jù)式（1）,以Q/C對(duì)Q作圖得Scatchard圖4（b）.由圖4（b）可知Q/C與Q之間存在非線性關(guān)系,但是在圖的兩端有兩個(gè)明顯的部分具有良好的線性關(guān)系.這表明在所研究的DOP濃度范圍內(nèi),MIPMs主要存在兩類不同的結(jié)合位點(diǎn).

圖4 MIPMs和NIPMs的結(jié)合Fig.4 MIPMs and NIPMs

由圖4可求出MIPMs和NIPMs對(duì)DOP的結(jié)合參數(shù).MIPMs高親和力的結(jié)合位點(diǎn)的解離常數(shù)Kd1=0.38 μmol/mL,最大表觀吸附量Qmax1=30.39 μmol/g,低親和力的結(jié)合位點(diǎn)的解離常數(shù)Kd2=2.62 μmol/mL,最大表觀吸附量Qmax2=76.94 μmol/g；NIPMs高親和力的結(jié)合位點(diǎn)的解離常數(shù)Kd1=0.43 μmol/mL,最大表觀吸附量Qmax1=22.53 μmol/g,低親和力的結(jié)合位點(diǎn)的解離常數(shù)Kd2=1.05 μmol/mL,最大表觀吸附量Qmax2=35.93 μmol/g.

2.3 分子印跡聚合物對(duì)不同底物的選擇性

為了研究印跡聚合物的吸附選擇性,實(shí)驗(yàn)中選擇了和DOP具有相似結(jié)構(gòu)的幾種化合物為底物進(jìn)行比較,各底物的結(jié)構(gòu)圖見圖5,MIP和NIP對(duì)4種底物的吸附量見表3.

圖5 各底物結(jié)構(gòu)式Fig.5 Scheme ofsubstrates

采用印跡因子（impringting factor,IF）和選擇性指數(shù)（selectivity index,SI）來描述印跡物對(duì)DOP及其結(jié)構(gòu)類似物的選擇性,其定義如下[17]：

式（2）中,QMlPMs為MIPMs對(duì)底物的飽和吸附量,QNIPMs為NIPMs對(duì)底物的飽和吸附量.

表3 不同底物在印跡聚合物和空白聚合物上的結(jié)合能力Tab.3 Bingding ablities ofdifferent substrates on MIPMs and NIPMs

由表3可知,MIPMs對(duì)DOP的結(jié)合量是NIPMs的2.20倍,并且MIPMs對(duì)模板分子DOP的結(jié)合量要大于對(duì)其他底物的結(jié)合量.

2.4 紅外分析

利用紅外光譜對(duì)聚合物微球以及各個(gè)單體進(jìn)行了分析,結(jié)果見圖6.

圖6 MIPMs和NIPMs的紅外圖Fig.6 Infrared spectra ofMIPMs and NIPMs

由圖6可知,MIPMs與NIPMs的圖形大致相同,這說明MIPMs經(jīng)洗脫后幾乎已不含模板分子；唯一的區(qū)別是在3 400 cm-1左右,MIPMs的伸縮振動(dòng)峰比NIPMs要明顯些,說明MIPMs上帶有更多的游離羥基,能更好地與模板分子相結(jié)合.再者1 637 cm-1處的C=C的伸縮振動(dòng)吸收峰已經(jīng)很小,又可說明交聯(lián)劑EDMA與功能單體MAA在制備條件下大部分進(jìn)行了聚合,只有很少部分殘留.2 987 cm-1、2 956 cm-1兩處應(yīng)是烷烴的C-H伸縮振動(dòng)吸收峰,而1 732 cm-1處則是C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰.

3 小結(jié)

利用沉淀聚合法以DOP為模板分子制備出了粒徑范圍為1～3.5 μm的分子印跡聚合物微球,確定了最佳配方：聚合溫度為70℃,DOP為0.1 mmol,MAA為0.4 mmol,EDMA為2 mmol,AIBN的量為8 mg,乙腈的體積為40 mL.平衡結(jié)合實(shí)驗(yàn)表明：MIPMs與NIPMs相比,對(duì)模板分子具有更高的吸附性.本文制備方法操作簡(jiǎn)單,所得聚合物微球具有機(jī)械強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、可長(zhǎng)期使用的優(yōu)點(diǎn).該聚合物微球可用作液相色譜的固定相,用來分離、純化和測(cè)定環(huán)境中的PAEs.

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