硅球表面活性自由基印跡聚合物的制備與表征

林 冬，郭晶晶，李旭冉

（天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津300191）

1 引言

隨著科學(xué)進步和社會發(fā)展，食品安全早已成為全世界所面臨的一個需要迫切解決的問題。但農(nóng)產(chǎn)品中生物基質(zhì)成分復(fù)雜干擾多，其前處理過程復(fù)雜，價格昂貴，耗時長，分析速度慢。本研究旨在發(fā)展新型樣品前處理技術(shù)，以氯霉素這種毒性殘留抗生素為目標測定物，采用在硅球上接枝iniferter－分子印跡技術(shù)適合從眾多對象中快速篩選此目標，簡化了樣品處理過程。

分子印跡技術(shù)是高分子聚合物（MIP）對模板分子（也稱印跡分子）具有特定性選擇的技術(shù)。它通過模板分子、功能單體、交聯(lián)劑之間的化學(xué)鍵作用，形成含有三維孔穴的聚合物。這個三維孔穴可以特異性地重新與印跡分子再結(jié)合，即對印跡分子具有專一性識別作用。表面分子印跡聚合法常選擇具有良好的機械強度和耐用性的硅球作為載體，其優(yōu)點一是模板分子可輕易地被完全洗脫下來提高了洗脫率和結(jié)合容量，二是聚合物的吸附位點均暴露在載體的表面，極大地降低了識別過程中的傳質(zhì)阻力，用其作為色譜固定相填料可以有效地改善峰形。

制備高分子聚合物大多數(shù)通過自由基聚合反應(yīng)來完成，但傳統(tǒng)的自由基聚合反應(yīng)體系中，存在各種副反應(yīng)使得聚合產(chǎn)物的分子量不均。為了解決這類問題，Otsu T等人提出了引發(fā)－轉(zhuǎn)移－終止劑（initiatortransfer agent－terminator，iniferter），這是一種以光來引發(fā)、轉(zhuǎn)移與終止自由基發(fā)生聚合反應(yīng)的一類含N，N－二乙基二硫代氨基甲酰氧基團（R2S2C（S）N（C2H5）2）的一類化合物。

在紫外光的引發(fā)下，R－S－C（S）N（C2H5）2分解成具有活性的烷基R·和相對惰性的自由基·S－C（S）N（C2H5）2，前者能夠引發(fā)單體進行聚合，后者則與增長的鏈自由基結(jié)合形成休眠種，從而在活性－休眠的可逆反應(yīng)中控制了自由基鏈的增長的度，保證聚合產(chǎn)物的均勻。iniferter反應(yīng)的引發(fā)機理可以用圖1表示 。

圖中，烷基R·自由基能夠引發(fā)活性聚合，S·是惰性的休眠種，M為可聚合的單體，R－M·為由此產(chǎn)生的聚合物端基自由基，此自由基仍可以繼續(xù)與單體M發(fā)生鏈增殖反應(yīng)，形成新的活性自由基大分子，亦可與鏈終止自由基S·休眠種發(fā)生鏈終止反應(yīng)。kp與kt分別代表增殖與終止反應(yīng)速率常數(shù)。

2 儀器與試劑

2.1 儀器

高效液相色譜儀；紅外光譜儀；掃描電子顯微鏡；高壓汞燈；壓柱機。

2.2 試劑

氯霉素（Chloramphenicol，CAP，純度98%）；四環(huán)素類（tetracycline，TCs）；硅球（粒徑：10μm）；硅烷化試劑3－氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）；對氯甲基苯甲酰氯（純度≥99.9%）；二乙基二硫代氨基甲酸鈉；甲基丙烯酸（MAA）；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）；碳酸鉀，分析純；無水甲苯，色譜純；無水乙醇，色譜純；乙腈，色譜純；實驗用水；應(yīng)符合《分析實驗室用水規(guī)格和試驗方法》（GB/T 6682）一級水的相關(guān)要求。

3 實驗步驟

3.1 硅球表面接枝Iniferter

取0.2g硅球與50mL無水甲苯于100mL三口瓶中，加入3mL硅烷化試劑APTES在80℃水浴加熱下機械攪拌12h，此過程中始終保持氮氣氛圍，即制得接枝氨基的硅球。再加入2mmol對氯甲基苯甲酰氯，同時加入少許碳酸鉀作為敷酸劑中和此步反應(yīng)產(chǎn)生的HCl，在70℃水浴下攪拌反應(yīng)8h，即制得接枝氯基的硅球。

將以上產(chǎn)物用少量無水甲苯清洗后烘干，加入20 mL無水乙醇機械攪拌。準確稱取0.6g二乙基二硫代氨基甲酸鈉溶解于12mL無水乙醇中，將其逐滴加入到攪拌體系中，攪拌過程無需加熱，持續(xù)10h后用水、乙醇分別沖洗，40℃干燥，從而制得了iniferter接枝硅球。

3.2 Iniferter－印跡聚合物的制備

制備聚合物時，首先在玻璃瓶中加入15mL乙腈溶劑，取0.1mmol模板氯霉素和0.4mmol功能單體甲基丙烯酸溶解其中，靜置預(yù)混合2h后取0.2g已接枝iniferter的硅球，分散到溶液中，再加入2mmol交聯(lián)劑EDMA。然后將玻璃瓶密封，于高壓汞燈下旋轉(zhuǎn)照射4 h，以光來引發(fā)聚合反應(yīng)。最后用乙腈洗凈，再使用甲醇－醋酸（9∶1，v/v）溶液反復(fù)震蕩，洗掉模板分子和未反應(yīng)的單體，40℃干燥，即制得Iniferter活性自由基聚合硅球表面印跡聚合物（MIP）。按同樣的方法在不加模板分子的條件下，制備非印跡聚合微球（NIP）。

4 結(jié)果與討論

4.1 投料比例的選擇

選用甲基丙烯酸作為功能單體。在分子進行印跡的過程中，模板分子和功能單體間的比例大小將直接影響印跡聚合物的識別能力。如果功能單體過少，會使形成的分子印跡聚合物的識別位點較少；過多則會形成大量的非特異性識別位點。對于交聯(lián)劑來說，它的用量主要是影響分子印跡聚合物的機械穩(wěn)定性和印跡識別孔穴的剛性結(jié)構(gòu)。比較多的交聯(lián)劑，會使形成的分子印跡聚合物交聯(lián)度比較高，因此聚合物的剛性較大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；而剛性過大時，又會影響模板分子在聚合物孔穴內(nèi)的傳質(zhì)以及模板分子與識別印跡位點之間的吸附、解吸平衡。本實驗中，氯霉素的結(jié)合位點有三處，一般采用模板分子：功能單體：交聯(lián)劑為1∶4∶20的比例，且以該比例制備的分子印跡聚合物的識別印跡性能最為良好。如果繼續(xù)增加功能單體的比例，單體濃度的增大會導(dǎo)致非均一性吸附位點的形成，同時極其有可能促使副反應(yīng)的發(fā)生。

4.2 溶劑用量的選擇

單體在反應(yīng)體系中的濃度也會影響聚合反應(yīng)是否順利進行。一般情況下，自由基類的反應(yīng)聚合速度會隨功能單體濃度的增加而加快。本實驗試用了三種不同的溶劑用量，分別為10、15、20mL，以觀察不同功能單體濃度對聚合反應(yīng)狀況的影響。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，在相同的反應(yīng)時間（均為2h）內(nèi)，當(dāng)溶劑乙腈含量較少，聚合反應(yīng)溶液呈粘稠凝膠狀；而當(dāng)乙腈含量較多時，生成的印跡聚合物質(zhì)地良好。這是由于當(dāng)功能單體濃度小，聚合反應(yīng)會慢慢進行，相同反應(yīng)時間內(nèi)產(chǎn)生的印跡聚合物較少，不會暴增出大量聚合物，且單體與單體之間不會產(chǎn)生自聚反應(yīng)；而當(dāng)溶劑用量少導(dǎo)致功能單體濃度過大，聚合體系的整體粘度會隨著聚合反應(yīng)的進行不斷加大，使得自由基鏈轉(zhuǎn)移進行得越來越困難，活性自由基聚合反應(yīng)的進行在一定程度上被抑制。綜合反應(yīng)速度和反應(yīng)可控性兩種因素，本實驗選擇溶劑的加入量為15mL。

4.3 電子掃描電鏡表征

為了直觀地了解接枝反應(yīng)是否順利進行，使用電子顯微鏡對硅球的外部形態(tài)進行表征。實驗將各步反應(yīng)產(chǎn)物洗脫干凈后，40℃下干燥，用無水乙醇分散，通過電鏡掃描可觀察到反應(yīng)前的硅球表面光滑無物、粒徑均勻，隨著iniferter接枝完成，硅球表面出現(xiàn)些許薄層，直至最后最終生成印跡聚合物，形態(tài)粗糙不平，但整體上印跡位點比較均勻地分布在表面。掃描電鏡圖如圖2所示。

4.4 分子印跡與非印跡聚合物對氯霉素的保留與分離

硅球的機械穩(wěn)定性和在有機溶劑中不溶脹的特點使其作為色譜填料成為可能。實驗利用壓柱法將印跡硅球（MIP）與非印跡硅球（NIP）分別裝入不銹鋼色譜柱。將150mm×4.6mm規(guī)格不銹鋼柱一端封住，開口一端與壓柱機下部出口連接并固定。取制得的干燥分子印跡聚合物2.0g于燒杯中，加入甲醇充分攪拌，注入壓柱機上部入口，均勻裝入柱中。

本實驗選擇在40MPa壓力下壓柱30min，壓柱力度較小會使填料間留有縫隙，模板還來不及發(fā)生吸附便隨流動相流出，而力度過大則使填料之間緊密失去流通孔隙，流動相無法通過，甚至?xí)茐墓枨虻臋C械結(jié)構(gòu)致其破碎。此柱在流動相為4%乙酸－甲醇，流速為0.5 mL/min的情況下柱壓為10.2MPa，在此流動相條件下考察了印跡與非印跡硅球?qū)δ０迓让顾丶案偁幬锼沫h(huán)素類的分離。

進樣體積20μL，檢測波長278nm，印跡與非印跡硅球的色譜保留時間如圖3所示，氯霉素出峰比四環(huán)素類要晚，說明印跡硅球含有與模板分子相匹配的印跡孔穴，該孔穴選擇性地對氯霉素分子有更強的保留，使得模板分子的出峰時間較晚。在印跡色譜柱上，由于特異性吸附位點的存在，氯霉素的保留時間長于四環(huán)素類，兩者能達到基線分離；而在非印跡色譜柱上，兩者的保留時間差別不大，色譜峰不能完全分開。這表明，硅球表面接枝分子印跡聚合物具有印跡效果。

5 結(jié)論

本實驗工作中，設(shè)計了一種以硅球為載體的光引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑合成方法，即iniferter活性自由基聚合制備分子印跡聚合物并色譜分析中的應(yīng)用分離氯霉素。這種方法一方面利用表面印跡將印跡聚合物吸附位點接枝固體載體表面，以此降低分子識別過程中的傳質(zhì)阻力；另一方面利用iniferter控制了聚合物的有序增長，克服了傳統(tǒng)聚合物顆粒形狀不規(guī)則、色譜性能差等缺點，有效地改善了峰形。高效液相色譜實驗表明該填料印跡聚合物對氯霉素的識別性能明顯優(yōu)于非印跡聚合物。印跡聚合物的選擇性富集作用，為減少農(nóng)畜樣品前處理步驟、測定樣品中痕量殘留抗生素分析打下了良好的基礎(chǔ)。

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