S-布洛芬磁性分子印跡膜的吸附及拆分性能

徐文慧,袁亞莉,李玉慧,李　樂,周智慧,張宗波

(南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 湖南 衡陽 421001)

S-布洛芬磁性分子印跡膜的吸附及拆分性能

徐文慧,袁亞莉*,李玉慧,李樂,周智慧,張宗波

(南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 湖南 衡陽 421001)

摘要：以S-布洛芬為模板分子、3-氨丙基三乙氧基硅烷為功能單體、正硅酸乙酯為交聯(lián)劑，采用溶膠凝膠法成功制備了對S-布洛芬具有特異選擇識(shí)別功能的磁性分子印跡聚合物，并且分別采用紅外(IR)光譜、掃描電鏡(SEM)、X射線粉末衍射(XRD)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.通過紫外(UV)光譜研究了其對S-布洛芬的吸附性能，并且建立了高效液相色譜(HPLC)手性流動(dòng)相法研究其對布洛芬的拆分.結(jié)果表明，該磁性分子印跡聚合物具有良好的磁響應(yīng)性，在外加磁場下可實(shí)現(xiàn)快速分離；S-布洛芬分子印跡復(fù)合膜對S-布洛芬具有較好的選擇結(jié)合性，其結(jié)合量達(dá)到68.3 mg/g；每100 mg復(fù)合膜可使外消旋布洛芬的分離度增加2.1%.

關(guān)鍵詞：S-布洛芬；磁性分子印跡聚合物；吸附；手性拆分

分子印跡技術(shù)(MIT)指制備對某一特定模板分子具有選擇性的聚合物技術(shù)，因其特有的預(yù)定性、識(shí)別性和實(shí)用性，近幾年來在分離科學(xué)、藥物富集、酶催化、生物傳感、大分子識(shí)別等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-7]，但是分子印跡材料在應(yīng)用中存在分離難這一突出問題.磁性分子印跡技術(shù)是把無機(jī)磁性材料和分子印跡技術(shù)結(jié)合在一起形成的一種新型的技術(shù).磁性分子印跡聚合物具有一定的順磁性，同時(shí)也具有分子印跡聚合物的特性，可以在外加磁場作用下實(shí)現(xiàn)簡單分離，這就使MIT的應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步拓展.磁性分子印跡技術(shù)被廣泛應(yīng)用到細(xì)胞學(xué)、生物工程、生物醫(yī)藥和磁性材料等領(lǐng)域，尤其在手性分子拆分領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展[8-15].

手性藥物由于其不同對映體具有不同的藥理特性，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要制備得到光學(xué)純的單一對映體藥物，這對提高藥物效力、減少藥物的毒副作用等具有非常重要的意義.布洛芬(ibuprofen)是目前全球銷量最大的非甾體消炎鎮(zhèn)痛類藥物，存在兩種光學(xué)對映體，其殺菌活性主要由S-ibuprofen產(chǎn)生，而主要的毒副作用幾乎都由R-ibuprofen引起，因此對布洛芬對映體的拆分十分必要.本文作者制備了S-布洛芬磁性印跡膜，采用IR、SEM、XRD對該印跡膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，使用UV研究了磁性印跡膜對S-布洛芬的吸附性能，并采用HPLC手性流動(dòng)相法研究了磁性印跡膜對布洛芬的拆分性能.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　儀器和試劑

FA2004型電子天平、DS-3510DTH型超聲波破碎儀、JJ-1型增力電動(dòng)攪拌器、101-4B型電熱鼓風(fēng)干燥箱、IR Prestige-21型傅立葉紅外光譜儀、Y-2000型X射線衍射儀、S-4800型掃描電鏡、SHY-2A型水浴恒溫振蕩器、UV-8500型紫外/可見分光光度計(jì)、PHS-3C型pH計(jì)、LC-20AT型日本島津高效液相色譜儀： Agilent TC-C18柱(250 mm × 4.6 mm，5 μm).

S-布洛芬和布洛芬(上海芯苒化工科技有限公司)、四水合檸檬酸鈉、硝酸鈉、氫氧化鈉、七水硫酸亞鐵、25%氨水、無水乙醇、蒸餾水、正硅酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、鹽酸、磷酸、羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD，上海晶純生化科技股份有限公司)、甲醇(色譜純)、乙腈(色譜純)、超純水.

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1納米Fe3O4顆粒的制備

分別稱取1.470 2 g四水合檸檬酸鈉，0.800 0 g氫氧化鈉和17.000 0 g硝酸鈉加入三口燒瓶中，再加入100 mL蒸餾水，邊攪拌邊水浴加熱至100 ℃，迅速加入2.780 2 g七水合硫酸亞鐵，反應(yīng)1 h后停止，在磁鐵的作用下分離產(chǎn)物，用蒸餾水洗滌黑色產(chǎn)物數(shù)次，置于60 ℃真空干燥箱干燥過夜.

1.2.2Fe3O4@SiO2納米顆粒的制備

稱取0.500 0 g Fe3O4于三口燒瓶中，加入80 mL乙醇和20 mL蒸餾水，超聲分散30 min后依次加入4 mL正硅酸乙酯和5 mL氨水(25%)，攪拌下室溫反應(yīng)7 h，確保正硅酸乙酯完全分解生成SiO2，并包覆于Fe3O4表面.用磁鐵分離產(chǎn)物，蒸餾水洗滌數(shù)次，置于60 ℃真空干燥箱干燥過夜.

1.2.3S-布洛芬磁性印跡膜的制備

取0.100 0 gS-布洛芬、2 mL 3-氨基丙基三乙氧基硅烷和30 mL乙醇加入三口燒瓶中，攪拌30 min使之分散均勻；向上述溶液加入4 mL正硅酸乙酯，繼續(xù)攪拌20 min；依次加入0.500 0 g Fe3O4@SiO2粉末和1 mL 0.01 mol/L鹽酸溶液，在室溫下反應(yīng)12 h；用磁鐵分離固體產(chǎn)物，反復(fù)洗滌，置于干燥箱中干燥.

將干燥后的產(chǎn)物置于索氏提取器中，用甲醇/乙酸(體積比為9∶1)混合溶液洗脫24 h 除去模板分子，再用甲醇清洗，即得到以S-布洛芬為模板的分子印跡復(fù)合膜(MMIP).

除不加模板分子之外，其他條件和上述制備過程一致，制備磁性非分子印跡膜(MNIP).

1.3　吸附實(shí)驗(yàn)

1.3.1靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

分別精確稱取20 mg MMIP和20 mg MNIP加入錐形瓶中，然后加入10 mL不同濃度S-布洛芬乙醇溶液；將錐形瓶置于水浴恒溫振蕩器中，震蕩12 h后利用磁鐵分離固體；使用紫外分光光度計(jì)測量上清液在波長263 nm處的吸光度，并通過下式計(jì)算MMIP的結(jié)合容量Q，mg/g:

(1)

式(1)中:M是S-布洛芬的摩爾質(zhì)量，g/mol; V是布洛芬乙醇溶液體積，mL; m是MIMP的質(zhì)量，g; c0和c分別是吸附前和吸附后布洛芬乙醇溶液濃度，mmol/L.

1.3.2動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

分別精確稱取20mgMMIP和20mgMNIP于錐形瓶中，加入濃度為2.5mmol/LS-布洛芬乙醇溶液.將錐形瓶置于水浴恒溫振蕩器中，每反應(yīng)20min取樣一次，用磁鐵分離，利用紫外分光光度計(jì)測定上層清液在波長263nm處的吸光度，通過式(1)計(jì)算MMIP的結(jié)合容量Q.

1.4　MMIP對布洛芬拆分實(shí)驗(yàn)

1.4.1色譜分離條件

色譜分離柱為C18柱( 4.6mm×150mm,5μm)；流動(dòng)相為水-甲醇-乙腈(體積比為78∶17∶5，含50mmol·L-1羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)和0.2%磷酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，pH=4.50)；流速為0.7mL·min-1；紫外檢測波長為265nm，進(jìn)量樣為0.7μL；柱溫為室溫.

1.4.2實(shí)驗(yàn)步驟

精確稱取100mgMMIP置于10mL25mmol/L外消旋體布洛芬甲醇溶液中.放置于水浴恒溫振蕩器中，震蕩12h后，利用磁鐵分離，取上層清液.分別對25mmol/L外消旋體布洛芬甲醇溶液和該上層清液進(jìn)行布洛芬對映體的拆分測定.通過下式計(jì)算MMIP對布洛芬對映體吸附前后的分離度的影響.

式中：△tR為峰2和峰1的保留時(shí)間之差；W1和W2分別為峰1和峰2在峰底(基線)的峰寬.

2結(jié)果與討論

2.1　MMIP的表征

2.1.1紅外光譜分析

圖1為Fe3O4，F(xiàn)e3O4/SiO2和MMIP微球的紅外光譜.比較曲線a，b和c可以看出，三個(gè)樣品在576.72cm-1處均有Fe-O的振動(dòng)峰，說明Fe3O4磁粒子一直存在于各樣品中；曲線b和c在1 093.64cm-1處均有Si-O-Si的伸縮振動(dòng)峰，說明Fe3O4磁粒子表面已包覆有SiO2；曲線c與b和a相比，由于洗脫去模板分子(S-布洛芬)的MMIP的表面形成了帶有氨基的識(shí)別位點(diǎn)，所以在1 629.85cm-1和1 409.96cm-1處出現(xiàn)了N-H振動(dòng)峰.

(a)Fe3O4; (b) Fe3O4 /SiO2; (c) MMIP.圖1　樣品的紅外圖譜Fig.1　FT-IR spectra of as-prepared samples

2.1.2SEM分析

圖2　MMIP的SEM圖Fig.2　SEM images of MMIP

采用高分辨掃描電鏡分析印跡前后MMIP磁性微球的微結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖2所示.可以看出，與印跡前的顆粒比較，印跡后的MMIP磁性微球顆粒均勻，平均粒徑約為200nm，分散性好，絮狀的表面疏松多孔.這是因?yàn)镾-布洛芬模板分子與3-氨丙基三乙氧基硅烷通過氫鍵發(fā)生相互作用，形成印跡膜分布在磁性顆粒的表面，當(dāng)模板分子被洗脫后產(chǎn)生孔隙，從而使MMIP磁性微球?qū)-布洛芬表現(xiàn)出較好的識(shí)別性能.由于模板分子與3-氨丙基三乙氧基硅烷在微球表面發(fā)生印跡聚合作用，使得磁性微球稍有粘連現(xiàn)象.

2.1.3X射線粉末衍射分析

由圖3可知，在Fe3O4/SiO2(a)、MNIP(b)和MMIP(c)三個(gè)樣品中，于2θ=30.38°，35.65°，43.27°，53.89°，57.16°，62.87°等處均出現(xiàn)了Fe3O4的6個(gè)特征衍射峰,說明Fe3O4磁粒子的結(jié)構(gòu)在修飾和印跡聚合過程中沒有改變.圖3中a、b、c比較，F(xiàn)e3O4/SiO2(a)信號(hào)明顯更強(qiáng)，b和c中由于模板分子與3-氨丙基三乙氧基硅烷在Fe3O4/SiO2磁性微球表面的印跡聚合致使衍射峰強(qiáng)度降低，說明了磁性微球表面已經(jīng)形成了印跡聚合物.

(a)Fe3O4/SiO2; (b) MNIP; (c) MMIP.圖3　樣品的X射線粉末衍射圖Fig.3　XRD spectra of as-prepared samples

2.2　MMIP對S-布洛芬吸附性能的影響

2.2.1S-布洛芬的濃度

圖4　S-布洛芬濃度對吸附量的影響Fig.4　Effect of different concentrations of S-ibuprofen on adsorption

在初始濃度為1.0、1.5、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5mmol/L的S-布洛芬乙醇溶液中，分別加入20mgMMIP和MNIP復(fù)合磁性粒子，考察了復(fù)合磁性納米粒子對S-布洛芬的吸附效果.由圖4可知，MMIP對S-布洛芬的吸附量隨S-布洛芬濃度的增大而增大，而MNIP對S-布洛芬的吸附量隨S-布洛芬濃度的增大變化不明顯，兩者比較說明了MMIP對S-布洛芬有一定的特異性吸附，而MNIP合成時(shí)沒有加模板分子，對S-布洛芬的吸附不明顯.

2.2.2吸附時(shí)間

分別在初始濃度為2.5mmol/L的S-布洛芬乙醇溶液中加入20mgMMIP和MNIP復(fù)合磁性粒子，每隔20min對其吸附進(jìn)行測定.由圖5可知，在2h以內(nèi)，MMIP對S-布洛芬的吸附量隨時(shí)間的延長而增加，2h以后吸附量基本穩(wěn)定，最高吸附量為68.3mg/g.這說明MMIP對S-布洛芬有特異性吸附；隨著吸附時(shí)間的延長，MMIP對S-布洛芬的吸附量漸漸增加，直至達(dá)到吸附平衡.而隨著吸附時(shí)間增加，MNIP對S-布洛芬的吸附量基本沒有增加，說明合成時(shí)沒有加模板的MNIP對S-布洛芬沒有特異性吸附.

圖5　時(shí)間對吸附量的影響Fig.5　Effect of shaking time on adsorption

2.3　HPLC手性流動(dòng)相法研究MMIP對布洛芬的拆分性能

為了研究印跡聚合物對布洛芬對映體的手性拆分性能，以濃度為50mmol·L-1的HP-β-CD為手性添加劑，利用HPLC分別對25mmol/L外消旋體布洛芬甲醇溶液和經(jīng)MMIP吸附的25mmol/L外消旋體布洛芬甲醇溶液的上層清液進(jìn)行布洛芬對映體的拆分測定.在圖6中曲線a、b分別為外消旋體布洛芬溶液吸附前后的液相色譜圖，由圖可見，經(jīng)MMIP吸附后R-布洛芬色譜峰(第一峰)沒有變化，而S-布洛芬的色譜峰(第二峰)強(qiáng)度明顯降低，表明MMIP對S-布洛芬具有特異性吸附，可以應(yīng)用于對外消旋體布洛芬的手性拆分.根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)(表1)計(jì)算，原液中布洛芬對映體的分離度(R)是1.38，加入MMIP吸附后布洛芬對映體的分離度是1.41. 通過吸附前后分離度計(jì)算可知，100mg的該磁性印跡膜可使外消旋布洛芬的分離度增加2.1%.

圖6　布洛芬溶液(a)和MMIP吸附原液后的上層液(b)的高效液相色譜圖Fig.6　The HPLC chromatograms of the upper liquid before and after MMIP adsorption

表1　MMIP對布洛芬對映體的分離度的影響Table 1　Effect of MMIP on resolution of ibuprofen

3結(jié)論

本文作者以S-布洛芬為模板分子，3-氨丙基三乙氧基硅烷為功能單體，正硅酸乙酯為交聯(lián)劑，采用溶膠凝膠法制備了對S-布洛芬具有特異選擇識(shí)別功能的磁性分子印跡聚合物，并考察該印跡聚合膜的結(jié)合性能和手性拆分性能.結(jié)果表明，該膜對模板分子S-布洛芬具有特異的結(jié)合能力，其結(jié)合量達(dá)到68.3mg/g；每100mg的該膜可使外消旋布洛芬的分離度增加2.1%，這將有利于外消旋布洛芬的分離.

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[責(zé)任編輯：毛立群]

The adsorption and separation performance of

S-ibuprofen magnetic molecularly imprinted membrane

XU Wenhui，YUAN Yali*，LI Yuhui，LI Le，ZHOU Zhihui，ZHANG Zongbo

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，Hunan,China)

Abstract:Magnetic molecularly imprinted polymer with the specific identification function was synthesized in sol-gel process with S-ibuprofen as template molecule,APTES as functional monomer,and ethyl orthosilicate as cross linking agent.The structure of magnetic molecularly imprinted polymer of S-ibuprofen was characterized by infrared absorption spectrum (IR),scanning electron microscopy (SEM) and the X-ray diffraction (XRD),respectively.The research of adsorption and separation performance of S-ibuprofen magnetic molecularly imprinted membrane was implemented by ultraviolet (UV) and high performance liquid chromatography (HPLC) with chiral mobile phase.The results indicated that the magnetic molecularly imprinted polymers have good magnetic response and achieve rapid separation in addition to magnetic field; S-ibuprofen molecularly imprinted composite membrane has a good selection to S-ibuprofen,the binding capacity achieve to 68.3 mg/g; every 100 mg film can increase the degree of separation of ibuprofen by 2.1%.

Keywords:S-ibuprofen; magnetic molecularly imprinted polymer; adsorption; chiral separation

作者簡介：徐文慧(1988-)，女，碩士生，從事磁性納米印跡材料的制備以及性能的研究.*通訊聯(lián)系人，E-mail:yuanyali6439@163.com.

基金項(xiàng)目：湖南省科技廳項(xiàng)目(2014FJ6097).

收稿日期：2014-10-19.

中圖分類號(hào)：O652.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-1011(2015)02-0201-05