SBA-15表面咖啡因分子印跡聚合物的制備及性能研究

吳云，戈延茹，潘如，付文艷，閆永勝，戚雪勇

(江蘇大學(xué)1.藥學(xué)院，2.化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

咖啡因具有強(qiáng)心、利尿、解毒作用，在茶葉中約占干重的2% ～5%［1］。目前從茶葉中提取天然咖啡因的主要方法有水提法、醇提法、升華法及其他有機(jī)溶媒提取法等［2－3］，這些方法的不足是咖啡因得率低，有機(jī)試劑消耗量大，成本高，環(huán)境污染嚴(yán)重?？Х纫蚍肿佑≯E聚合物的制備已有報(bào)道，但是以介孔分子篩為載體材料制備咖啡因表面分子印跡聚合物尚未有研究。SBA-15是一種硅基介孔材料，具有孔容大、比表面積高、孔道結(jié)構(gòu)有序且可調(diào)的顯著特征［4］，其孔道表面可進(jìn)行物理吸附或新的化學(xué)修飾［5］，且有序的孔道和介孔范圍的孔徑可使傳質(zhì)速度快。本實(shí)驗(yàn)以咖啡因?yàn)槟０澹揎椀腟BA-15為載體，合成了咖啡因表面分子印跡聚合物，并考察其吸附性能。該聚合物能直接從水溶液中吸附咖啡因，用于茶葉中咖啡因的提取，能排除其他物質(zhì)的干擾，提取效率高?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

P123(Aldrich，EO20PO70EO20，Ma=5800);3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA，上海晶純實(shí)業(yè)有限公司);咖啡因(上海試劑二廠);正硅酸乙酯(TEOS)、甲基丙烯酸(MAA)、偶氮二異丁腈(AIBN)、甲醇、乙腈、氯仿、丙酮、鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，以上所用試劑均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

UV-7504紫外可見分光光度計(jì)(上海新茂儀器有限公司);S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立高技術(shù)公司);雷磁pH計(jì)(上海儀托環(huán)保儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 SBA-15的合成及硅烷化 35℃條件下，在燒杯中加入4 g P123、120 ml鹽酸溶液(2 mol/L)和30 ml蒸餾水，攪拌溶解;再加入9 ml TEOS，持續(xù)攪拌20 h，100℃陳化24 h，過濾、洗滌并干燥，最后在550 ℃煅燒5 h 得到 SBA-15［6］。

取5 g活化后的SBA-15分散于60 ml甲苯中，加入15%(V/V)的APTES，N2氛圍下于110℃反應(yīng)24 h，洗滌過濾，得到 NH2-SBA-15。

1.2.2 SBA-15表面咖啡因分子印跡聚合物(MIP)的制備 稱取1 g NH2-SBA-15于圓底燒瓶中，加入10 ml乙腈，攪拌至分散均勻，再加入0.68 ml MAA，0.002 mol咖啡因，攪拌，然后加入 7.6 ml EGDMA和100 mg AIBN，通N210 min，密封，于60℃攪拌24 h。合成的聚合物反復(fù)洗滌，烘干。不含模板分子的非印跡聚合物的制備(NMIP):除不加模板分子外，其余同以上實(shí)驗(yàn)條件。

將合成的表面分子印跡聚合物用索式提取法以甲醇作為溶劑，洗脫模板分子后干燥，用掃描電鏡進(jìn)行分析。

1.2.3 咖啡因表面分子印跡聚合物的吸附性能考察

1.2.3.1 pH對(duì)吸附容量的影響 配置50 ml 20 mg/L的咖啡因溶液，用0.1 mol/L的氫氧化鈉和鹽酸溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值在2.0～10.0，再于比色管中分別加入10 mg印跡聚合物，24 h后測定溶液的pH，于276.5 nm處測定光密度并計(jì)算吸附容量。吸附容量按下式計(jì)算:

其中，Q為吸附容量(mg/g)，C0和Ce分別為起始咖啡因濃度和吸附后溶液中剩余咖啡因的濃度(mg/L)，V為溶液體積(ml)，W為吸附劑干重(mg)。

1.2.3.2 吸附實(shí)驗(yàn) 吸附平衡實(shí)驗(yàn)包括飽和吸附容量測定、吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線的考察。在這些吸附實(shí)驗(yàn)中，將10 mg MIP或NMIP加入到10 ml已知濃度的咖啡因溶液中，恒溫振蕩，在不同的時(shí)間間隔，將混合溶液離心15 min，取上清液，用紫外可見分光光度計(jì)測定光密度。

1.2.4 表面分子印跡聚合物提取茶葉中的咖啡因參照文獻(xiàn)［7］方法，稱取10 g茶葉于圓底燒瓶中，加入95%乙醇100 ml，于60℃條件下回流提取3次，每次6 h，合并提取液?；厥杖軇┑媒?，用蒸餾水定容至100 ml，取上述溶液1 ml，加入印跡聚合物50 mg，35℃水浴震蕩2 h，得飽和吸附咖啡因的印跡聚合物。吸附后的印跡聚合物用25 ml甲醇洗脫后測定光密度。平行3份。

2 結(jié)果

2.1 印跡聚合物的掃描電鏡分析

模板分子洗脫前后的印跡聚合物見圖1，洗脫后的印跡聚合物表面凹凸不平，模板咖啡因洗脫后，留下了很多印跡空穴。

圖1 印跡聚合物洗脫咖啡因前后的掃描電鏡圖Fig 1 SEM of MIP before and after leaching caffeine

2.2 印跡聚合物的吸附性能

2.2.1 pH對(duì)吸附容量的影響 由圖2可以看出，咖啡因表面印跡聚合物的等電點(diǎn)(pHZPC)在5.2左右。當(dāng)pH大于pHZPC時(shí)，分子印跡聚合物表面帶負(fù)電荷;而當(dāng)pH小于pHZPC時(shí)，聚合物表面帶正電荷，此時(shí)咖啡因的吸附主要是由于吸附劑表面與咖啡因的靜電交互作用。另外，由圖可知，當(dāng)pH=7.0時(shí)，分子印跡聚合物的吸附容量較大，因此，我們選用pH=7.0的咖啡因溶液作為吸附介質(zhì)。

圖2 pH值對(duì)吸附性的影響Fig 2 Effect of pH on adsorption

2.2.2 飽和吸附容量測定 取10 mg MIP和NMIP分別加入到10 ml含咖啡因濃度為1 mg/ml的溶液中。MIP和NMIP的吸附容量見圖3，分別為13.71和3.30 mg/g，咖啡因表面分子印跡聚合物的飽和吸附量是非印跡聚合物的4倍多。

圖3 MIP與NMIP的吸附容量比較Fig 3 Adsorption capacity of MIP and NMIP

2.2.3 吸附等溫線 由圖4可以看出，咖啡因的吸附量隨著咖啡因濃度的增加而迅速增加，直到咖啡因印跡表面的活性位置被完全占據(jù)后，吸附達(dá)到平衡。在靜態(tài)吸附條件下，35℃時(shí)印跡聚合物的吸附容量最大，25℃時(shí)印跡聚合物的飽和吸附容量與35℃接近，為了操作方便，減少能源消耗，我們以25℃為考察溫度。

為了考察印跡聚合物與咖啡因之間的吸附等溫線關(guān)系，分別用 Langmuir［8］和 Freundlich［9］兩種吸附等溫線模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。由表1可以看出，印跡聚合物對(duì)咖啡因的吸附符合Freundlich模型，說明印跡聚合物表面的活性結(jié)合位點(diǎn)是不均勻分布的，對(duì)咖啡因的吸附屬于多分子層吸附。

圖4 吸附等溫線Fig 4 Adsorption isotherms

表1 Langmuir和Freundlich吸附等溫方程的相關(guān)系數(shù)Tab 1 Correlation coefficient for Langmuir equation and Freundlich equation

2.2.4 吸附動(dòng)力學(xué) 結(jié)果如圖5，印跡聚合物對(duì)咖啡因的吸附量隨著時(shí)間而增加，在0～60 min內(nèi)，咖啡因與印跡位點(diǎn)識(shí)別而被吸附，吸附較快。震蕩時(shí)間超過60 min，由于空穴被不斷填充，結(jié)合位點(diǎn)數(shù)下降，咖啡因-MIP對(duì)咖啡因的吸附緩慢，吸附達(dá)到平衡。同時(shí)，由圖可以看出，35℃時(shí)，MIP吸附最快，25℃時(shí)次之，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與吸附等溫線結(jié)果一致。

圖5 吸附動(dòng)力學(xué)Fig 5 Adsorption kinetics

為了分析印跡聚合物對(duì)咖啡因分子的吸附動(dòng)力學(xué)，分別用 Pseudo-first-order［10］和 Pseudo-second-order［11］動(dòng)力學(xué)方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。由表2可以看出，印跡聚合物對(duì)咖啡因分子的吸附符合Pseudo-second-order模型，說明以化學(xué)吸附為主。

表2 Pseudo-first-order和Pseudo-second-order吸附動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)Tab 2 Correlation coefficient for Pseudo-first-order equation and Pseudo-second-order equation

2.3 茶葉中咖啡因的提取

咖啡因表面分子印跡聚合物對(duì)咖啡因的平均提取容量達(dá)13.69 mg/g，RAD=1.572%，說明此方法能用于茶葉粗提液中咖啡因的提取。

3 討論

天然產(chǎn)物由于含量低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且類型多樣，提取分離相當(dāng)困難。高效液相色譜法、硅膠柱色譜法等常規(guī)的分離方法溶劑消耗量大、效率低，且容易造成微量的有效成分丟失。本文以SBA-15為載體材料，采用表面分子印跡法合成了咖啡因印跡聚合物，實(shí)驗(yàn)證明此聚合物吸附速度快，吸附效率高，能用于茶葉中咖啡因的提取。本實(shí)驗(yàn)啟示我們把分子印跡技術(shù)用于天然產(chǎn)物有效成分的提取分離中，可能會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

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