硅膠表面羅紅霉素分子印跡聚合物的制備及選擇性吸附性能

唐志民，馬新賓（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

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硅膠表面羅紅霉素分子印跡聚合物的制備及選擇性吸附性能

唐志民，馬新賓
（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

摘要：以γ-氨丙基三甲氧基硅烷（AMPS）為硅膠表面改性劑，甲基丙烯酸為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，羅紅霉素（ROX）為模板分子，制備得到羅紅霉素分子印跡硅膠材料（ROX-MIP-PMAA/SiO2），采用紅外、掃描電鏡和粒徑測(cè)定等方法對(duì)其進(jìn)行了表征。通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)研究了ROX-MIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素的吸附性能，并以紅霉素為競(jìng)爭(zhēng)底物，研究其選擇吸附性能。結(jié)果顯示，ROX-MIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素的吸附能力明顯大于非印跡硅膠（NIP-PMAA/SiO2），其對(duì)羅紅霉素和紅霉素的分離因子為1.21，說(shuō)明其對(duì)羅紅霉素具有較好的選擇吸附性能。

關(guān)鍵詞：二氧化硅；表面；羅紅霉素；表面分子印跡；吸附

第一作者：唐志民（1970—），男，博士研究生，研究方向?yàn)楣δ芨叻肿硬牧?。E-mail zhimin.tang@hotmail.com。聯(lián)系人：馬新賓，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫G色化學(xué)和一碳化工。E-mail xbma@tju. edu.cn。

羅紅霉素（roxithromycin，ROX）屬于第二代大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，是將紅霉素分子中C9位的羰基轉(zhuǎn)化為甲氧基乙氧基甲肟基得到的紅霉素衍生物。羅紅霉素的抗菌譜和抗菌作用與紅霉素相似，但其體內(nèi)抗菌作用是紅霉素的1～4倍，具有重要的臨床意義[1]。羅紅霉素在畜牧業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但是如果作為獸用藥或者飼料的添加劑長(zhǎng)期使用，會(huì)在家畜體內(nèi)累積，最終危害人們的身體健康。目前，動(dòng)物源性食品中抗生素（如紅霉素）殘留量的檢測(cè)方法主要有高效液相色譜和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，檢測(cè)前需要對(duì)樣品進(jìn)行必要的處理，而使用的固相萃取材料沒(méi)有特異選擇性，對(duì)于殘留物質(zhì)的富集倍數(shù)不高[2-4]。

分子印跡聚合物（MIP）是一種對(duì)模板分子具有特異識(shí)別選擇性的高分子材料，已經(jīng)在色譜分離、固相萃取、手性分離、傳感器以及膜分離等領(lǐng)域得到應(yīng)用[5-8]。將MIP應(yīng)用于固相萃取領(lǐng)域用于羅紅霉素的分離富集，有助于克服目前固相萃取材料對(duì)ROX沒(méi)有選擇性、富集倍數(shù)不高的缺陷。

目前有關(guān)ROX-MIP的研究報(bào)道不多[9]。本文以硅膠為載體，羅紅霉素作為分子模板，甲基丙烯酸作為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸脂作為交聯(lián)劑，通過(guò)接枝聚合，制備了硅膠表面分子印跡聚合物，考察了其對(duì)羅紅霉素的選擇性吸附性能，為其作為固相萃取材料應(yīng)用于羅紅霉素的檢測(cè)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

羅紅霉素，93％，利君集團(tuán)鎮(zhèn)江制藥有限公司；紅霉素，99％，浙江國(guó)邦藥業(yè)有限公司；硅膠，200～300目，青島世紀(jì)海洋干燥劑有限公司；γ-氨丙基三甲氧基硅烷，AMPS，南京創(chuàng)世化工助劑有限公司；甲基丙烯酸，MAA，上海和發(fā)實(shí)業(yè)有限公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯，EDMA，天津科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心；對(duì)二甲胺基苯甲醛，Sigma公司；過(guò)硫酸銨、硝酸、乙酸、鹽酸、甲醇等均為分析純?cè)噭?/p>

傅里葉紅外光譜儀，IR Prestige-21，日本島津公司；激光粒度分析儀，Mastersizer2000，英國(guó)馬爾文公司；環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM），Quanta200E，荷蘭FEI公司；紫外可見分光光度計(jì)，T6-1650E，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1硅膠的活化

將硅膠（SiO2）加入50％的硝酸溶液中，室溫下充分?jǐn)嚢韬箪o置24h，過(guò)濾，用蒸餾水洗滌至中性，真空干燥得活化硅膠。

1.2.2硅膠的表面改性

將0.3g SiO2和5mL AMPS加入50mL無(wú)水甲苯中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱回流反應(yīng)24h，無(wú)水甲苯洗滌，真空干燥得氨基修飾的SiO2（AMPS-SiO2）。

1.2.3甲基丙烯酸在硅膠表面的接枝聚合

將1.5g AMPS-SiO2和5mL單體MAA加入100mL水中，通氮?dú)?0min。然后加入0.055g過(guò)硫酸銨，在40℃、N2保護(hù)下反應(yīng)10h。聚合結(jié)束后，抽濾，用索式提取器以乙醇抽提PMAA/SiO224h，真空干燥。

1.2.4羅紅霉素表面分子印跡硅膠材料（ROX-MIP-PMAA/SiO2）的制備

稱取1.0g PMAA/SiO2，加入100ML 1.0g/L的ROX-甲醇溶液中，常溫震蕩4h，然后過(guò)濾，真空干燥。將1.0g飽和吸附羅紅霉素的接枝硅膠，加入50mL ROX-乙醇/水混合溶液（1∶1，ROX濃度為1.0g/L）中，將pH值調(diào)節(jié)為9，然后于45℃下加入0.2mL EDMA攪拌反應(yīng)8h。抽濾，用甲醇/冰乙酸溶液（9∶1）、蒸餾水反復(fù)洗滌固體微粒，直至中性為止，以除去羅紅霉素，真空干燥。

在不加模板分子的情況下，采用上述相同的步驟制備空白表面分子印跡硅膠（NIP-PMAA/SiO2）。

1.2.5表征

采用溴化鉀壓片法，采用IR Prestige-21傅里葉紅外光譜儀對(duì)硅膠AMPS-SiO2和PMAA/SiO2進(jìn)行紅外色譜分析。將硅膠、AMPS-SiO2和ROXMIP-PMAA/SiO2進(jìn)行表面噴金后，采用Quanta200E環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察形貌。采用Mastersizer2000激光粒度分析儀進(jìn)行粒徑和分布測(cè)定。

1.2.6建立標(biāo)準(zhǔn)曲線

在冰乙酸中，羅紅霉素可被濃鹽酸降解，降解后的產(chǎn)物可以與對(duì)二甲胺基苯甲醛反應(yīng)生成有色物質(zhì)，在486nm波長(zhǎng)處有最大紫外吸收，利用這一特性可以使用紫外分光光度法對(duì)羅紅霉素進(jìn)行測(cè)定。

準(zhǔn)確量取羅紅霉素標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.8mg/mL）0.5mL、1.0mL、1.5mL、2.0mL、2.5mL、3.0 mL，分別加入50mL量瓶中。在每一個(gè)容量瓶中加冰乙酸20mL、0.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)二甲胺基苯甲醛的冰乙酸溶液5.0mL，再用鹽酸-冰乙酸溶液（體積比2∶1）稀釋至刻度，然后于25～35℃放置15 min，使其充分反應(yīng)。在486nm波長(zhǎng)處，分別測(cè)定上述溶液的紫外吸光度，以濃度對(duì)吸光度制作標(biāo)準(zhǔn)曲線并進(jìn)行線性回歸。

1.2.7ROX-MIP-PMAA/SiO2的靜態(tài)吸附性能

準(zhǔn)確量取ROX-MIP-PMAA/SiO2各14份，分別放置在5mL的離心管中，編號(hào)1～14，在1號(hào)中加入3mL甲醇作為對(duì)照組，另外2～14號(hào)中分別加入0.2g/L、0.4g/L、0.6g/L、0.8g/L、1.0g/L、1.2g/L、1.5g/L、2.0g/L、2.5g/L、3.0g/L、4.0g/L、6.0g/L和8.0g/L的羅紅霉素溶液各3mL。將1～16號(hào)樣品放入振蕩器中震蕩24h，離心后取上清液測(cè)定羅紅霉素的濃度。采用相同方法測(cè)定NIP-PMAA/SiO2的吸附性能。

1.2.8 ROX-MIP-PMAA/SiO2的動(dòng)態(tài)吸附性能

準(zhǔn)確稱取10mg MIP-PMAA/SiO2各9份，分別加入5mL小試管中，然后在每一個(gè)小試管內(nèi)加入相同濃度的羅紅霉素溶液3mL，在振蕩器中充分混合均勻。分別于10min、30min、60min、90min、120min、150min、180min、210min、240min、270min和300 min收取上清液，測(cè)定羅紅霉素的濃度。

1.2.9選擇性吸附實(shí)驗(yàn)

為了表征ROX-MIP-PMAA/SiO2的選擇吸附性能，選擇與羅紅霉素結(jié)構(gòu)類似的紅霉素作為競(jìng)爭(zhēng)底物進(jìn)行選擇性吸附實(shí)驗(yàn)。分別量取1mmol/L的羅紅霉素和紅霉素各3mL，分別加入10mg ROX-MIP-PMAA/SiO2和NIP-PMAA/SiO2，振蕩器震蕩24h，收取上清液，測(cè)定羅紅霉素和紅霉素的濃度。通過(guò)靜態(tài)分配系數(shù)KD以及分離因子α來(lái)表示其選擇性吸附性能。靜態(tài)分配系數(shù)KD和分離因子α的表示式分別為式(1)、式(2)。

式中，Cp是溶質(zhì)在分子印跡聚合物上的濃度，μmol/g；Cs是溶質(zhì)在溶液中的濃度，μmol/mL；KD'是模板分子的靜態(tài)分配系數(shù)；KD″ 是競(jìng)爭(zhēng)底物的靜態(tài)分配系數(shù)。一般情況下，分離因子α越大，表示對(duì)模板分子的選擇性越高。

2　結(jié)果與討論

2.1紅外光譜分析

在圖1的SiO2紅外光譜圖中，1100cm?1是Si—O—Si 和Si—O—H的伸縮振動(dòng)峰，966cm?1和803cm?1是Si—O—H的伸縮振動(dòng)峰，3445cm?1和1637cm?1是—OH的伸縮振動(dòng)峰。在AMPS-SiO2的紅外光譜圖中，3445cm?1的—OH伸縮振動(dòng)峰明顯變小，966cm?1的Si—O—H的伸縮振動(dòng)峰基本消失，新出現(xiàn)了3750cm?1、1583cm?1和1482cm?1的—NH伸縮振動(dòng)峰，以及2940cm?1的—CH伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明硅膠表面大部分羥基已經(jīng)反應(yīng)，AMPS已經(jīng)接枝到SiO2表面。在PMAA/SiO2的紅外光譜圖中，新出現(xiàn)了700cm?1的游離—COOH的特征吸收峰，且3445cm?1的—OH特征峰明顯增強(qiáng)，說(shuō)明PMAA已成功接枝到改性SiO2上。

圖1　SiO2、AMPS-SiO2和PMAA/SiO2的紅外光譜圖

圖2　硅膠、AMPS-SiO2和ROX-MIP-PMAA/SiO2的ESEM照片

2.2掃描電鏡和粒徑分析

圖2分別是硅膠、AMPS-Si O2和ROX-MIP-PMAA/SiO2的掃描電鏡照片。由ESEM照片可知，活化硅膠顆粒表面比較光滑、干凈，而接枝AMPS和MIP后，硅膠表面明顯有附著物，表面變得粗糙，這是因?yàn)锳MPS和MIP聚合物接枝在硅膠表面造成的。

如圖3所示，經(jīng)用粒度測(cè)定儀測(cè)定，未經(jīng)修飾的硅膠顆粒平均粒徑（d5 0）為56.4μm，ROX-MIP-PMAA/SiO2的平均粒徑（d50）為66.9μm。在表面接枝和聚合之后，硅膠顆粒表面形成了聚合物的薄膜層，而且表面聚合物層也會(huì)造成顆粒粘連，從而使得粒徑增大。

圖3　硅膠和ROX-MIP-PMAA/SiO2的粒徑分布

2.3標(biāo)準(zhǔn)曲線

按照1.2.6節(jié)的方法，繪制羅紅霉素標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖4以吸光度對(duì)濃度進(jìn)行線性回歸，得回歸方程為y = 0.0210x –0.03598，R2= 0.9996（n=5）。

2.4ROX-MIP-PMAA/SiO2的靜態(tài)吸附性能

從圖5中的吸附等溫曲線可以看出，隨著羅紅霉素溶液濃度的增加，ROX-MIP-PMAA/SiO2和NIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素的吸附量呈現(xiàn)快速增大趨勢(shì)，隨后逐漸達(dá)到平衡。由圖5可知，ROX-MIP-PMAA/SiO2和NIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素的吸附平衡濃度分別為1.9g/L和1.3g/L，飽和吸附量分別為106mg/g和71mg/g，ROX-MIP-PMAA/SiO2的飽和吸附量明顯大于NIP-PMAA/SiO2。在ROX-MIP-PMAA/SiO2和 NIP-PMAA/SiO2的制備中都加入功能單體甲基丙烯酸以及交聯(lián)劑乙二醇二甲基丙烯酸酯等物質(zhì)，均含有羥基、羧基等功能基團(tuán)，對(duì)模板分子具有一定的物理作用，可形成非印跡的結(jié)合作用位點(diǎn)，因此NIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素也具有一定的非印跡物理吸附作用，但是這種吸附作用是非特異性的。對(duì)于ROX-MIP-PMAA/SiO2，除了存在非特異性的物理吸附，還存在因模板分子洗脫后留下的印跡空穴產(chǎn)生的特異性吸附，因此其對(duì)羅紅霉素的吸附量明顯增大，明顯大于NIP-PMAA/SiO2。

圖4　羅紅霉素標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖5　ROX-MIP-PMAA/SiO2(A)和NIP-PMAA/SiO2(B)的吸附等溫線

2.5ROX-MIP-PMAA/SiO2的動(dòng)態(tài)吸附性能

從圖6可知，在前60min，ROX-MIP-PMAA/SiO2的吸附量增加較快，60min后吸附量增加速度減緩，直至達(dá)到吸附平衡。一般認(rèn)為，在印跡聚合物對(duì)模板分子的吸附過(guò)程中，存在非特異性物理吸附和特異性吸附。在吸附初期，印跡聚合物對(duì)模板分子的吸附以非特異性物理吸附為主，吸附速度較快。當(dāng)非特異性吸附部位逐漸被占據(jù)后，則以特異性吸附為主，此時(shí)羅紅霉素分子需要克服一定的空間位阻效應(yīng)向深孔的特異性吸附部位擴(kuò)散傳質(zhì)，所以傳質(zhì)速度較慢，吸附速度較小，因此吸附量增加減慢，最后緩慢平衡。ROX-MIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素分子的吸附在200min左右達(dá)到飽和。

圖6　ROX-MIP-PMAA/SiO2的動(dòng)態(tài)吸附曲線

2.6選擇性吸附性能

由表1可知，ROX-MIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素的分配系數(shù)明顯大于紅霉素，其分離因子為1.21，這說(shuō)明其對(duì)羅紅霉素具有較好的選擇吸附性能。ROX-MIP-PMAA/SiO2對(duì)競(jìng)爭(zhēng)底物的分配系數(shù)也大于NIP-PMAA/SiO2。而NIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素和紅霉素的分配系數(shù)基本相同，分離因子僅為1.01，基本沒(méi)有選擇吸附性能。ROX-MIP-PMAA/SiO2對(duì)模板分子不僅存在非特異性物理吸附，還存在印跡空穴產(chǎn)生的特異性吸附，因此其對(duì)模板分子具有選擇性，具有一定的分子識(shí)別性能。而NIP-PMAA/SiO2對(duì)兩種底物僅具有物理吸附作用，沒(méi)有選擇性。

3　結(jié)論

（1）以AMPS為硅膠表面改性劑，甲基丙烯酸為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，采用表面接枝聚合法制備得到羅紅霉素分子印跡硅膠材料，利用紅外、掃描電鏡和粒徑測(cè)定等方法初步表征了其結(jié)構(gòu)。

（2）靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)研究表明，ROXMIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素的吸附性能明顯大于NIP-PMAA/SiO2。

（3）選擇性吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ROX-MIPPMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素和紅霉素的分離因子為1.21，說(shuō)明其對(duì)羅紅霉素具有較好的選擇吸附性能，而NIP-PMAA/SiO2對(duì)羅紅霉素和紅霉素基本沒(méi)有選擇性。

表1　MIP和NIP對(duì)羅紅霉素和紅霉素的選擇吸附性能

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綜述與專論

Preparation of roxithromycin molecularly imprinted layer-coated silica and its selective adsorption properties

TANG Zhimin，MA Xinbin
（School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：Roxithromycin molecularly imprinted silica was prepared by using AMPS as the silica surface modifier，methacrylic acid as the functional monomer，ethylene glycol dimethacrylate as the crosslinker，and roxithromycin as the template molecule. Its structure was characterized by infrared spectroscopy，scanning electron microscope and particle size analysis. The adsorption properties of ROX-MIP-PMAA/SiO2on roxithromycin were studied by static binding test and dynamic binding test，and its selective adsorption properties was investigated by selective binding test with erythromycin as the competing substrate. Results showed that the roxithromycin adsorption capacity of ROX-MIP-PMAA/SiO2was better than that of NIP-PMAA/SiO2. The separation factor of roxithromycin and erythromycin for ROX-MIP-PMAA/SiO2was 1.21，showing that ROX-MIPPMAA/SiO2displayed high recognition ability to the template molecule.

Key words：silicone; surface; roxithromycin; molecularly imprinted; adsorption

中圖分類號(hào)：R 927.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）04–1162–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.031

收稿日期：2015-12-11；修改稿日期：2016-01-13。