四種氨基甲酸酯類殺蟲劑分子印跡聚合物的合成及識別性能研究

姜兆林 段夢圓 金倩輝 谷偉恩

（中國刑警學院 遼寧 沈陽 110035）

四種氨基甲酸酯類殺蟲劑分子印跡聚合物的合成及識別性能研究

姜兆林 段夢圓 金倩輝 谷偉恩

（中國刑警學院 遼寧 沈陽 110035）

以呋喃丹為模板分子，合成呋喃丹分子印跡聚合物，考察對呋喃丹、西維因、葉蟬散、速滅威的選擇性，結(jié)果表明合成的分子印跡整體柱對呋喃丹、西維因、葉蟬散、速滅威均具有很好的選擇性?？梢岳媒Y(jié)構(gòu)上的相似性進行同類別物的一次性選擇提取分離。

分子印跡 呋喃丹 氨基甲酸酯類殺蟲劑 高效液相色譜

起源于20世紀40年代的免疫學的分子印跡技術(shù)理論，近年來，由于其預定性、識別性和實用性三大特性而發(fā)展極其迅速，現(xiàn)已在生物、醫(yī)藥、化學、固相萃取等多領(lǐng)域中展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。

氨基甲酸酯類殺蟲劑，是目前使用量較大的殺蟲劑，主要應(yīng)用于糧食、蔬菜和水果的害蟲防治。近年來，由于氨基甲酸酯類殺蟲劑的廣泛使用，由于呋喃丹引起的急性中毒案件較為多見，也有由西維因、葉蟬散、速滅威等引發(fā)中毒的，因此成為公安法化檢驗工作的一項重要的工作內(nèi)容。

常用的氨基甲酸酯類殺蟲劑的檢測方法是高效液相色譜法，但其靈敏度較低。而常見的檢材一般都是血檢材、尿檢材，檢材雜質(zhì)較多，所用的前處理方法如液-液萃?。↙LE）和固相萃?。⊿PE）法都難以滿足實際工作中的檢測需要，分子印跡聚合物對于模板分子具有特異性識別的能力，因此合成氨基甲酸酯類殺蟲劑的分子印跡聚合物對于提取和檢驗工作來說，具有很大的實際意義。

本文研究了氨基甲酸酯分子印跡整體柱的制備條件，包括模板分子的選擇、功能單體的選擇、模板分子和功能單體比例的優(yōu)化，致孔劑的選擇等。同時還對合成的分子印跡整體柱的色譜條件、色譜性能、選擇性能等方面進行了研究。

本文以一種氨基甲酸酯類殺蟲劑為模板分子，利用結(jié)構(gòu)上的相似性進行同類別化合物的一次性選擇提取。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器條件及試劑

實驗儀器及條件：655型日立液相色譜儀；日立紫外檢測器；5cm液相色譜柱（中科院大連化學物理研究所）。

試劑：甲基丙烯酸（MAA）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）均為分析純（ACROS公司），使用前經(jīng)減壓蒸餾除去阻聚劑；偶氮二異丁腈（AIBN，沈陽東陵精細化工有限工司，分析純）；乙腈、冰醋酸（分析純）、甲醇（色譜純）；呋喃丹、西維因、葉蟬散、速滅威（購至公安部物證鑒定中心）。

1.2 分子印跡聚合物的合成

準確稱取0.1mmol的模板分子于15mL試管中，以MAA為功能單體，EDMA為交聯(lián)劑，模板分子∶功能單體∶交聯(lián)劑為1∶4∶16，AIBN（4.0mg）為引發(fā)劑，在45℃水浴鍋中恒溫反應(yīng)12h。合成分子印跡整體柱。

表1 不同模板分子（呋喃丹、西維因、速滅威）、不同功能單體的分子印跡聚合物的合成條件

以相同方法，不加模板分子，合成空白印跡柱。為了考察不同合成條件對分子印跡聚合物的親和性和選擇性的影響，分別對不同模板分子、不同功能單體所合成的分子印跡聚合物、不同比例的模板分子-交聯(lián)劑所合成的分子印跡聚合物以及不同比例制孔劑合成的分子印跡聚合物進行了考察，見表1。

1.3 色譜條件的考察

將制備的分子印跡整體柱進行色譜性能研究，分別考察了不同流動相、不同流速的條件下整體柱對待測物質(zhì)的保留行為。

1.3.1 流動相的考察

將處理好的氨基甲酸酯分子印跡整體柱接入液相色譜儀中，分別用甲醇-水（V/V，40∶60）、甲醇-水（V/V，45∶55）、乙腈-水（V/V，20∶80）、乙腈-水（V/V，30∶70）、乙腈-水（V/V，35∶65）、乙腈-水（V/V，40∶60）作為流動相，流速1.0mL/min，紫外檢測器檢測，檢測波長254nm，進樣10μL濃度為1.0mg/mL 速滅威、呋喃丹、西維因、葉蟬散標液，分別測量保留時間。

1.3.2 流速的考察

將處理好的氨基甲酸酯分子印跡整體柱接入液相色譜儀中，流動相為乙腈-水（V/V，30∶70），檢測波長254nm，將流速分別調(diào)成0.5mL/min、0.8mL/min、1.0mL/min。進樣10μL濃度為1.0mg/mL速滅威、呋喃丹、西維因、葉蟬散標準溶液，分別測量保留時間。

1.4 氨基甲酸酯類殺蟲劑分子印跡聚合物選擇性實驗測定

合成的分子印跡整體柱作為液相色譜柱，首先用乙腈∶醋酸（V/V，9∶1）為流動相充分淋洗，以洗除聚合物中的印跡分子、致孔劑等物質(zhì)，然后進行高效液相色譜分析，以乙腈-水（30∶70）做流動相，流速1.0mL/min，依次用濃度為1.0mg/mL的呋喃丹、西維因、葉蟬散、速滅威甲醇溶液進樣檢測，以分析分子印跡整體柱對四種氨基甲酸酯類殺蟲劑的吸附效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 模板分子的考察

本實驗共選擇了4種氨基甲酸酯類殺蟲劑：速滅威、呋喃丹、西維因、葉蟬散。結(jié)構(gòu)式如下圖1所示：

圖1 4種氨基甲酸酯類殺蟲劑的分子結(jié)構(gòu)式

理論上，呋喃丹的結(jié)構(gòu)中含有苯并呋喃環(huán)，而且2位上有兩個甲基，因此分子結(jié)構(gòu)在四者中最大，特異性結(jié)合后，所形成的孔穴也應(yīng)最大；西維因因其萘環(huán)上無其它取代基而結(jié)構(gòu)次之；葉蟬散、速滅威只含有一個苯環(huán)，分子結(jié)構(gòu)應(yīng)該較小。所以，如果根據(jù)結(jié)構(gòu)推斷，應(yīng)當選擇呋喃丹為模板分子合成分子印跡聚合物，這樣，所形成的記憶空穴較大，4種氨基甲酸酯類殺蟲劑均可進入空穴，與結(jié)合位點結(jié)合，從而達到一次性吸附4種氨基甲酸酯類殺蟲劑的目的。但是，分子的立體結(jié)構(gòu)以及空間效應(yīng)比較復雜，再加上分子印跡合成原理的理論研還有待完善，因此本實驗還需要通過實驗的方法來進一步確定最佳的模板分子。

實驗中分別選取呋喃丹、西維因、速滅威為模板分子，以MAA為功能單體，EDMA為交聯(lián)劑，模板分子∶功能單體∶交聯(lián)劑為1:4:16，AIBN（4.0mg）為引發(fā)劑，合成分子印跡整體柱，并利用液相色譜在相同的色譜條件下對其分離性能進行了表征，結(jié)果見表2。

表2 4種氨基甲酸酯類殺蟲劑在3種分子印跡整體柱上的保留時間

由表2和圖2可以看出，在呋喃丹分子印跡整體柱上，4種氨基甲酸酯的保留時間都較長，它們的色譜峰都可以與溶劑甲醇的色譜峰完全分離，也就表明呋喃丹分子印跡整體柱選擇性最好。呋喃丹分子所形成的記憶孔穴較大，4種氨基甲酸酯均可進入與結(jié)合位點結(jié)合，在柱上保留時間較長，從而與溶劑分子很好分離。

圖2 4種氨基甲酸酯分子在呋喃丹印跡柱上的保留時間（濃度1.0mg/mL、流速1.0mL/min）

由表2和圖3可以看出，在西維因分子印跡整體柱上，4種氨基甲酸酯的分離也很符合我們的預想，整體柱對于西維因的保留時間最長，因為它和分子印跡聚合物的印跡空穴的結(jié)合是最精確的，速滅威、葉蟬散也可進入空穴，保留時間次之，而呋喃丹分子結(jié)構(gòu)最大，不易進入，因而保留時間最短。

圖3 4種氨基甲酸酯分子在西維因印跡柱上的保留時間（濃度1.0mg/mL、流速1.0mL/min）

由表2和圖4可以看出，在速滅威分子印跡整體柱上，呋喃丹、西維因因為結(jié)構(gòu)較大，難以進入印跡空穴而保留時間明顯縮短，葉蟬散和速滅威的分子大小相近，因而可在柱上保留。

圖4 4種氨基甲酸酯分子在速滅威印跡柱上的保留時間（濃度1.0mg/mL、流速0.5mL/min）

以上的實驗結(jié)果均符合我們預先的設(shè)想，考慮到本實驗的目的是為選擇一種可同時吸附4種物質(zhì)的分子印跡聚合物，最終選擇呋喃丹為模板分子。

2.2 功能單體的考察

分子印跡聚合物的制備中，第一步便是模板分子與所選擇的功能單體發(fā)生相互作用，形成穩(wěn)定的復合物。本文使用的模板分子為氨基甲酸酯類殺蟲劑，含有氨基，顯堿性。大量文獻總結(jié)，含有堿性官能團的模板分子（如含有氨基、羥基的）應(yīng)選用酸性(例如MAA)的功能單體，含有酸性官能團的模板分子（如含有羧基）應(yīng)選用堿性(例如4-VP)的功能單體。理論上，合成氨基甲酸酯的分子印跡聚合物應(yīng)當選擇用MAA為功能單體，但應(yīng)進一步通過實驗來確定最佳的功能單體和配比。本實驗中，分別以MAA和4-VP作為功能單體，比較合成了分子印跡整體柱。結(jié)果表明，在相同的合成條件下，以4-VP為功能單體合成的分子印跡整體柱與以MAA作為功能單體合成的分子印跡整體柱相比，其顆粒細小，結(jié)構(gòu)致密，接入液相色譜儀表現(xiàn)為柱壓大。而以MAA為功能單體合成的分子印跡整體柱柱壓下且穩(wěn)定。因此，本實驗選用MAA為功能單體。

2.3 模板分子-功能單體比例的選擇

分子印跡聚合物的識別性能受模板分子與功能單體之間的比例的直接影響，若模板分子相對功能單體比例較小，得到的印跡聚合物會因為特異性識別位點數(shù)量少而使其識別能力較低，同時聚合物的非特異性吸附影響也較大；若模板分子相對功能單體比例較大，得到的聚合物的特異性識別能力也不高，同時對模板分子造成浪費，因而必須對二者的用量配比進行優(yōu)化選擇。

為選擇最佳的合成條件，選取模板分子-單體-交聯(lián)劑的比例分別為1∶4∶16、1∶8∶16得到分子印跡聚合物整體柱為MIP1、MIP2，選取流動相為甲醇∶水(V/V，40∶60)，檢測波長為254nm，分別進行液相色譜實驗。當模板分子-單體-交聯(lián)劑的比例分別為1∶4∶16時，只有呋喃丹和西維因在分子印跡整體柱上表現(xiàn)出一定的選擇性，而葉蟬散和速滅威均是隨著溶劑甲醇出峰，并沒有表現(xiàn)出選擇性。當模板分子-單體-交聯(lián)劑的比例分別為1∶8∶16時，4種物質(zhì)均表現(xiàn)出選擇性，色譜峰與溶劑峰分開。因此實驗結(jié)果表明，隨著功能單體比例的增大，MIP的選擇性增強，本實驗采用的比例是1∶8∶16合成的MIP，結(jié)果令人滿意。

2.4 致孔劑的種類與比例的選擇

致孔劑首先要能夠溶解模板分子、功能單體、引發(fā)劑以及交聯(lián)劑；其次，可以使聚合物具有孔狀結(jié)構(gòu)，增加整體柱的通透性；最后，不會與模板分子競爭功能單體的功能基團，阻礙特異性識別位點的形成。本實驗采用的是水相溶劑—甲醇：水體系作為致孔劑。

在甲醇：水體系中，甲醇和水的配比對整個聚合物的影響非常大，這是因為甲醇和水所起的作用是不同的，甲醇系致大孔分子，而水系致小孔分子。實驗中發(fā)現(xiàn)，當水占得比例較大時，合成的整體柱柱壓極大，逐漸降低水的比例后，柱壓有所緩解。而且，模板分子呋喃丹微溶于水，易溶于有機溶劑，隨著致孔劑中水的比例增大，呋喃丹的溶解度也隨之降低。當甲醇：水達到8∶1時，呋喃丹分子印跡整體柱的通透性較好且柱壓基本維持不變，而且整體柱對于4種氨基甲酸酯的選擇性吸附能力較好。綜合考慮整體柱的通透性和柱效兩方面因素，最終選取甲醇∶水（8∶1）為致孔劑。

2.5 分子印跡聚合物選擇性能表征

以合成的呋喃丹整體柱和空白柱為液相色譜柱，選用濃度均為1mg/mL的呋喃丹進樣檢測，比較印跡柱與空白柱的吸附效果，結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 呋喃丹分子印跡整體柱對呋喃丹的吸附情況

圖6 空白柱對呋喃丹的吸附情況

以合成的呋喃丹整體柱為液相色譜柱，以濃度均為1.0mg/mL的4種物質(zhì)的混合標準溶液，分子印跡整體柱對4種氨基甲酸酯類殺蟲劑的選擇性吸附效果，結(jié)果見圖7。

圖7 4種氨基甲酸酯的混合標準溶液（濃度1.0mg/mL、流速0.1mL/min）

呋喃丹與西維因的結(jié)構(gòu)類似，大小相近，按照分子印跡理論以呋喃丹為模板分子合成的分子印跡聚合物應(yīng)該對西維因具有很好的記憶效果，實驗結(jié)果也證明了本實驗合成的呋喃丹分子印跡整體柱對西維因具有很好的記憶效果，甚至比呋喃丹的記憶效果還好，保留時間更長，這是由于在呋喃丹的苯并呋喃環(huán)上2位上有兩個甲基，而西維因的萘環(huán)上沒有其它取代基，要比呋喃丹空間結(jié)構(gòu)稍小，因此，在實驗中表現(xiàn)出西維因的印記效果比呋喃丹強。而該分子印跡整體柱對與葉蟬散、速滅威記憶效果和選擇性吸附的能力要稍差與呋喃丹與西維因，這可能是由于葉蟬散、速滅威的分子結(jié)構(gòu)與呋喃丹的分子結(jié)構(gòu)相比較小，雖然它們的結(jié)合位點都與呋喃丹一致，但是與整個分子印跡聚合物的空穴的結(jié)合力較弱，就表現(xiàn)出相對較弱的記憶效果。但是從整體上來說，呋喃丹分子印跡整體柱對4種氨基甲酸酯仍具有較好的保留效果和選擇性吸附能力。

3 結(jié)論

實驗中最終以呋喃丹為模板分子，α-甲基丙烯酸（MAA）為功能單體，偶氮異丁腈（AIBN）為引發(fā)劑，乙二醇雙甲基丙烯酸酯（EDMA）為交聯(lián)劑，制備合成了呋喃丹分子印跡整體柱。該整體柱在以乙腈-水（V/V，30∶70） 為流動相，流速為1.0mL/min時，對呋喃丹、西維因、葉蟬散、速滅威表現(xiàn)出具有很好的選擇特異性吸附，尤其是對西維因和呋喃丹。

這為分子印跡材料在公安系統(tǒng)中對氨基甲酸酯類殺蟲劑中毒案件中檢材的分離提供了一種分離材料。

1.PaulingL J.A Theory of the Structure and Process of Formation of Anti-bodies[J]. Am Chem Sic，1940，62，（3）

2.黃新，劉遠方，等.分子印跡技術(shù)應(yīng)用研究[J].河南化工，2011，28，（5）

3.王陽，宮倩倩，等.水楊酸分子印跡電化學傳感器的制備及其性能研究[J].分析實驗室，2011，30，（6）

4.李強，姜兆林，等.曲馬多分子印跡整體柱的制備與性能分析[J].刑警與科技，2011，（3）

5.姜兆林，李婧，等.嗎啡分子印跡聚合物整體柱的合成及固相萃取測定血中嗎啡的研究[J].中國人民公安大學學報（自然科學報），2010，（3）

6.廖林川，等.法醫(yī)毒物分析.北京：人民衛(wèi)生出版社，2009

7.胡玉玲，鐘偉健，等.固相微萃取-高效液相色譜聯(lián)用分析環(huán)境水樣中的氨基甲酸酯農(nóng)藥[J].中山大學學報（自然科學報），2004，43，（6）

8.陳劍剛，趙倩玲，等.高效液相色譜-質(zhì)譜法分析測定水中氨基甲酸酯[J].分析化學研究簡報，2005，33，（8）

9.丁濤，徐錦忠，等.高效液相色譜-柱后衍生和質(zhì)譜聯(lián)用測定大米中氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留量[J].分析試驗室，2007，26，（9）