蒸餾沉淀法制備撲熱息痛親水核—殼分子印跡微球及其吸附性能研究

魯佩佩+王兵+郭聰+于鵬飛

摘 要 選取撲熱息痛（PR）作為模板分子，甲基丙烯酸（MAA）為功能單體，通過蒸餾沉淀聚合制得聚合物內(nèi)核； 以丙烯酰胺（AM）作為親水單體，采用不同的殼交聯(lián)劑，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、3.羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯（TRIM）、 N，N′.亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）通過自由基聚合枝接親水層外殼，成功制得一系列親水核.殼分子印跡聚合物微球（CS.MIPs）， 并對比其對聚合物性能的影響。通過紫外光譜（UV）、紅外（FT.IR）光譜、掃描電鏡（SEM）以及吸附實驗進(jìn)行表征，并進(jìn)行了親水性能測試。結(jié)果表明，采用MBA作交聯(lián)劑的印跡微球吸附性能以及親水性能最好，吸附量達(dá)120 μmol/g，接觸角23.3°。本研究為檢測水溶液中撲熱息痛含量，提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞 親水性； 核殼； 蒸餾沉淀聚合； 自由基聚合； 分子印跡； 撲熱息痛

1 引 言

撲熱息痛（Paracetamol， PR）作為解熱和鎮(zhèn)痛劑效果溫和，是乙酰苯胺類藥物中最好的品種，廣泛用于對阿司匹林過敏、不耐受或不適于應(yīng)用阿司匹林的病例。但是過量服用撲熱息痛的副作用已見報道，如急性肝衰竭、子宮內(nèi)胎兒生長遲緩、參與大腦血清素激活、發(fā)燒等其它問題[1]。因此，有必要檢測和計算撲熱息痛在人體血清和尿液的含量。目前，常用的檢測方法有高效液相色譜法[2]、毛細(xì)管電泳法[3]、熒光光譜測定法[4]和分光光度法[5]。但是這些傳統(tǒng)方法成本高，耗時長，步驟繁瑣。因此，研究出一種快速準(zhǔn)確的檢測和計算血清和尿液中PR含量的方法對人類健康具有重要意義。在這方面，具有分子識別功能的分子印跡材料具有良好的分離識別性能。

分子印跡技術(shù)（Molecular imprinting technology，MIT）是指以特定目標(biāo)分子作為模板，合成對其具有特異性識別功能的聚合物的過程[6]，得到的聚合物成為分子印跡聚合物（Molecularly imprinted polymer，MIP）。由于分子印跡聚合物具有優(yōu)良的分子識別性能，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如固相萃取[7]，傳感器[8～11]，免疫分析[12]，藥物檢測和分離[13，14]。

盡管分子印跡聚合物可以快速、有效地分離模板分子，但是目前大部分分子印跡聚合物在有機(jī)溶液中才體現(xiàn)出良好的分子識別性能[15]，而撲熱息痛的臨床診斷樣本需要溶解在水溶液中。為解決這個問題，本實驗在疏水印跡核表面修飾一層親水分子層，既不影響核單體的選擇，又可以應(yīng)用于水溶液中。首先采用蒸餾沉淀聚合法制備內(nèi)核，蒸餾沉淀聚合是鹿現(xiàn)永等[16]在沉淀聚合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其優(yōu)點是反應(yīng)時間短，可以回收溶劑，溶劑浪費(fèi)少，提高回收利用率； 再利用印跡核表面殘留的碳碳雙鍵，通過自由基聚合反應(yīng)枝接親水層，并通過改變交聯(lián)劑的種類對聚合物在水中的分散性和吸附量進(jìn)行優(yōu)化實驗。這種檢測撲熱息痛含量的方法不受溶劑條件的影響，制備過程的簡便性、快捷性以及對于撲熱息痛的敏感性，使其在撲熱息痛檢測及富集方面具有潛在的應(yīng)用前景。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

UV.1200型紫外可見分光光度計（北京瑞利分析儀器公司）； Tensor.37型傅里葉變換紅外光譜儀（德國Bruker公司）； QUANTA.200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）； HY.8回旋式大容量振蕩器（金壇市金南儀器制造有限公司）； DF.101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）。

撲熱息痛 （PR， 分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）； 甲基丙烯酸 （MAA）、丙烯酰胺（AM）（分析純，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠）； 乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDGMA，分析純，廣州哋科復(fù)合材料科技公司）； 3.羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯 （TRIM）、偶氮二異丁腈（AIBN）（成都貝斯特試劑有限公司）； N，N′.亞甲基雙丙烯酰胺 （MBA，分析純，天津市津科精細(xì)化工研究所）； 對硝基苯酚、對苯二酚（分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）； 乙腈、甲醇（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）； 無水乙醇、冰乙酸（分析純，天津市化學(xué)試劑三廠）。

2.2 無殼撲熱息痛印跡微球MIPs（PR）的制備

稱取PR （0.5 mmol），MAA （2.0 mmol），AIBN（15 mg）和EGDMA （2.5 mmol）溶于80 mL乙腈中，恒溫振蕩1 h，將蒸餾裝置置于油浴鍋中，通氮氣30 min， 80℃攪拌下回流1 h。升溫至110℃，開始蒸出溶劑，控制在1.5～2.0 h內(nèi)蒸出1/2溶劑，停止反應(yīng)。離心得白色聚合物。經(jīng)甲醇.乙酸（9∶1， V/V）溶液索氏提取洗脫模板，干燥得MIPs（PR）微球。

2.3 核.殼撲熱息痛印跡微球CS.MIPs的制備

稱取PR （0.5 mmol），MAA （2.0 mmol），AIBN （15 mg）和EGDMA （2.5 mmol）溶于80 mL乙腈中，恒溫振蕩1 h。將蒸餾裝置置于油浴鍋中，通氮氣30 min， 80℃攪拌下回流1 h。升溫至110℃，出現(xiàn)白色聚合物。同時通過恒壓滴液漏斗將含有AM （4.0 mmol），EGDMA （2.5 mmol），AIBN （15 mg）的40 mL 乙腈溶液緩慢滴加到燒瓶中，控制在1.5～2.0 h內(nèi)蒸出60 mL乙腈，停止反應(yīng)。經(jīng)甲醇.乙酸（9∶1， V/V）溶液索氏提取洗脫模板，干燥得CS.MIPs（EGDMA）微球。

CS.MIPs（TRIM）及CS.MIPs（MBA）的制備只改變恒壓滴液漏斗內(nèi)交聯(lián)劑的種類，方法同上。對應(yīng)非印跡聚合物（NIPs）的制備，除不加模板分子外方法同上。所制備聚合物分別為NIPs（PR）、CS.NIPs（EGDMA）、CS.NIPs（TRIM）、CS.NIPs（MBA）。

3 結(jié)果與討論

3.1 紫外光譜分析

固定PR的濃度為0.05 mmol/L，分別以n（PR）∶n（MAA）=1∶1， 1∶2，1∶3，1∶4，1∶5配制系列濃度的PR和MAA的乙腈混合溶液。超聲20 min后，靜止3 h，測得紫外譜圖。由圖1可知，PR在199 nm處有吸收峰，屬于π.π*電子躍遷產(chǎn)生的E吸收帶； 247 nm處為π.π*電子躍遷產(chǎn)生的B吸收帶。PR和MAA結(jié)合之后E吸收帶發(fā)生紅移，因為π軌道與π*軌道之間能量差值變小，π.π*躍遷所需能量變小，故發(fā)生紅移。由此可以推測PR和MAA發(fā)生了相互作用，根據(jù)PR與MAA的結(jié)構(gòu)推測兩者的相互作用力為氫鍵。隨著MAA濃度的增大，峰強(qiáng)度逐漸下降，當(dāng)配比為1∶3時，峰強(qiáng)度下降幅度開始明顯減弱。因為隨著MAA濃度的增大，MAA之間出現(xiàn)締合，峰強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，但由于MAA相互間的氫鍵作用較弱，故其下降幅度較小。由此推出PR與MAA在配比為1∶3時基本達(dá)到飽和。同時，為了進(jìn)一步對微球表面進(jìn)行改性，利用核球表面殘留的烯基進(jìn)行親水殼層枝接，需加入過量的MAA，使核球表面殘留烯基增多，增大枝接密度。故制備過程中控制n（PR）∶n（MAA）=1∶4。

結(jié)合圖4及表1可知，4種微球的PDI都接近于1，說明多分散性能較好。MIPs（PR）粒徑約為515 nm， 而其余3種核.殼微球粒徑都遠(yuǎn)大于無殼微球，說明親水殼已經(jīng)成功地包裹在核球表面。

3.4 親水性能研究

分子印跡微球的親水接觸角的測定采用滲透法[20]。1921年，Washburn等[21]導(dǎo)出了液體在毛細(xì)管中流動的動力學(xué)方程，當(dāng)毛細(xì)管垂直時：

式中， h（cm）為潤濕液體上升的高度； t（s）為潤濕液體上升的時間； C為常數(shù)1； r（cm）為粉末間空隙的毛細(xì)管平均半徑； θ（°）為潤濕液體對粉末的接觸角； η （mPa·s）為潤濕液體粘度。對粉體而言， C和r為定值； 以h2對t作圖，由該直線斜率便可求得Crcosθ值。因此該測定方法稱為高度法。

實驗中，潤濕液體為純水，水浴溫度為25℃，毛細(xì)管粒徑為5 mm。

為了考察聚合物親水性能，用滲透法測定4種微球的親水接觸角。由表2可知，4種微球親水接觸角大小為：90°> MIPs （PR） > CS.MIPs（EGDMA） >CS.MIPs（TRIM） > CS.MIPs（MBA），說明其都是親水的， 且CS.MIPs（MBA）的親水性能最好。4種微球的浸潤性依次增大，也說明其親水性能是依次增大，符合親水性能的外觀表征。比較3種交聯(lián)劑結(jié)構(gòu)，TRIM多一個CC，故其與AM交聯(lián)時，交聯(lián)程度較高，使親水殼表面更為致密。而MBA含有酰胺基團(tuán)，自身親水性能較好，故所得核.殼微球親水性能最好。所以，親水殼交聯(lián)劑的交聯(lián)效率及其自身親水性大小都對核.殼印跡微球的親水性能有著較大影響。

3.5 靜態(tài)吸附實驗及Scatchard分析

將5 mL系列濃度的撲熱息痛乙腈溶液分別置于25 mL具塞錐形瓶中，各加入20 mg聚合物，室溫振蕩12 h，離心并取上清液， 用紫外分光光度計測定平衡吸附溶液中撲熱息痛的吸光度，計算吸附量，并繪制平衡吸附量對平衡濃度的關(guān)系曲線。平行測定3次取平均值。

其中， Q為印跡聚合物對撲熱息痛的吸附量 （μmol/g）； C0為初始濃度 （mmol/L）； C為吸附后濃度 （mmol/L）； V為溶液的體積 （mL）； m為印跡聚合物的質(zhì)量 （g）。

由圖5可知，隨著初始濃度增大，聚合物吸附量逐漸增大最后達(dá)到吸附平衡。曲線A和a有著相同的趨勢，而A的吸附量要遠(yuǎn)大于a，因為印跡微球洗脫之后內(nèi)部存在空穴； 而非印跡微球沒有空穴，故其吸附量相對較小。

對比3種核.殼微球及無殼微球，核.殼微球的吸附量大于無殼型微球。原因可能是：親水殼中存在空穴，可以吸附模板分子，增大了其吸附量。

為了驗證上述觀點，采用Scatchard模型評價MIPs的結(jié)合特性， 確定平衡結(jié)合常數(shù)以及結(jié)合位點的種類。

Q/C=（Q max-Q）/Kd（4）

其中， Q max（μmol/g）為聚合物最大吸附量， Kd （mmol/L）為吸附平衡常數(shù)， C（mmol/L）為吸附平衡時溶液濃度。

由圖6可知， 未枝接親水殼時，Scatchard曲線為一條直線，可得知微球內(nèi)只有一種結(jié)合位點； 而枝接之后，Scatchard曲線擬合為兩條直線，由此可知PR在核.殼型微球上有兩種親和力不同的結(jié)合位點。這是由于在形成親水殼時，模板分子分別與AM通過氫鍵作用結(jié)合，通過交聯(lián)形成了立體結(jié)構(gòu)，因此有著額外的結(jié)合位點。由表3列出的吸附平衡常數(shù)可以得知，B1和b2與A和a在數(shù)值上接近，可以推出其為MAA特異性結(jié)合位點，而B2和b1為AM結(jié)合位點，從而驗證了上述推測。

3.6 特異性吸附實驗

稱取20 mg聚合物置于25 mL具塞錐形瓶中，分別加入5 mL，5 mmol/L的撲熱息痛、對硝基苯酚及對苯二酚的乙腈.水 （1∶1， V/V）溶液，室溫振蕩12 h，按上述方法計算吸附量并計算分配系數(shù)Kd及分離因子α[23]：

K=Cp/Cs； α=Κi/Kj（5）

其中， Cp為聚合物所結(jié)合底物的濃度， Cs為溶液中底物濃度， i和j分別為模板分子和底物分子，規(guī)定i=j時，α=1。

選擇兩種結(jié)構(gòu)類似物對硝基苯酚和苯二酚作為底物，分別進(jìn)行吸附實驗。從表3可知，MIPs對于PR的分配系數(shù)明顯大于其它兩種底物。比較3種底物的結(jié)構(gòu)式可知，3種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)空間大小相似，但PR與MAA在3個位置上都出現(xiàn)了氫鍵之間的結(jié)合，而對硝基苯酚只有一個結(jié)合位點，對苯二酚有兩個結(jié)合位點，其與MAA的結(jié)合并不牢固，在振蕩的作用下可以輕易脫離，表現(xiàn)出較小的吸附量。而PR與MAA之間結(jié)合較為牢固，使得被吸附的PR分子不易脫離，故其分配系數(shù)遠(yuǎn)大于其余兩種結(jié)構(gòu)類似物，表現(xiàn)為特異性吸附。核.殼型分子印跡聚合物由于親水殼中也出現(xiàn)特異性結(jié)合位點，故其分配系數(shù)更大。NIPs對于3種底物的α值都比較接近1，說明非印跡微球?qū)τ诘孜锏奈綖榉沁x擇吸附。

3.7 動態(tài)吸附實驗

稱取20 mg CS.M/NIPs（EDGMA）于25 mL具塞錐形瓶中，加入5 mL 5 mmol/L撲熱息痛.乙腈溶液，振蕩不同時間，計算吸附量Q，繪制吸附量Q對時間t的吸附動力學(xué)曲線。實驗結(jié)果如圖7所示。

初始90 min內(nèi)，CS.MIPs和CS.NIPs的吸附量快速增加，150 min后吸附逐漸達(dá)到平衡。相同時間內(nèi)CS.MIPs的吸附量遠(yuǎn)高于CS.NIPs說明CS.MIPs存在特殊的結(jié)合位點，能提高其吸附性能。將吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)用準(zhǔn)二級動力學(xué)方程[18]進(jìn)行擬合， 得到方程y=0.00771x+0.60225， R=0.99903； y=0.02913x+100812， R=0.99927。

3.8 循環(huán)使用實驗

稱取50 mg CS.MIPs（EDGMA）于50 mL離心管中，加入25 mL 5 mmol/L撲熱息痛乙腈溶液，常溫振蕩吸附120 min，離心并測上清液中PR濃度，然后洗脫至檢測不到PR。重復(fù)以上步驟，考察聚合物的再生性能。結(jié)果如圖8所示， 聚合物初次對模板分子的吸附量為88 μmol/g，7次洗脫之后吸附量是75 μmol/g， 吸附量下降14.5%， 說明聚合物可在短期內(nèi)循環(huán)使用。

4 結(jié) 論

結(jié)合蒸餾沉淀法和自由基聚合反應(yīng)制備了親水核.殼型撲熱息痛分子印跡聚合物，其在乙腈.水（1∶1， V/V）溶液中表現(xiàn)出較高的特異性吸附性能。通過改變交聯(lián)劑種類對聚合物在水中的分散性和吸附量進(jìn)行了優(yōu)化。這種親水印跡微球的制備方法，不受功能單體選擇的局限性，可以快速、簡便地在疏水分子印跡微球表面包裹一層親水層，從而使得微球具有親水性。同時，聚合物重復(fù)使用7次吸附率仍在85%以上，表明聚合物具有親水性好、易制備、成本低、重復(fù)性好等優(yōu)點，使其在撲熱息痛檢測方面具有潛在的應(yīng)用前景。

References

1 Sandrini M， Romualdi P， Vitale G， Morelli G， Capobianco A， Pini L A， Candeletti S. Biochem. Pharmacol.， 2001， 61（11）： 1409-1416

2 Dewani A.P， Dabhade S M， Bakal R L， Gadewar C K， Chandewar A V， Patra S. Arabian J. Chem.， 2015， 8（4）： 591-598

3 Dana N. Haj.Ali， Imad I. Hamdan. Saudi. Pharma. J.， 2010， 18（4）： 233-237

4 Abdul Rauf Khaskheli， Jan Fischer， Jií Barek， Vlastimil Vyskoil， Sirajuddin， Muhammad Iqbal Bhanger. Electrochim. Acta， 2013， 101： 238-242

5 Praveen Kumara S， Giribabua K， Manigandana R， Munusamya S， Muthamizha S， Padmanabana A， Dhanasekarana T， Sureshb R， Narayanan V. Electrochimi Acta， 2016， 194 ： 116-126

6 WANG Ru.Juan， MA Ying.Xia， LU Cui.Ping， LI Tao， DU Xue.Yan. Acta Chimica Sinica， 2014， 72（5）： 557-582

王茹娟， 馬應(yīng)霞， 路翠萍， 李 濤， 杜雪巖. 化學(xué)學(xué)報， 2014， 72（5）： 557-582

7 Xie J Q， Cai C Q ， Lai S Z， Yang L， Luo L， Yang H， Chen Y， Chen X M. React. Funct. Polym， 2013， 73（12）： 1606-1611

8 Whitcombe M J， Chianella I， Larcombe L. Chem. Soc. Rev.， 2011， 40（3）： 1547-1571

9 MA Ming.Ming， LIU Cheng.Long， SU Xin.Ke， AN Feng.Qiu， ZHANG Wei. Chinese J. Anal. Chem.， 2015， 43（7）： 1021-1026

馬明明， 劉承龍， 蘇新科， 安鳳秋， 張 煒. 分析化學(xué)， 2015， 43（7）： 1021-1026

10 Lakshmi D， Prasad B B， Sharma P S. Talanta， 2006， 70（2）： 272-280

11 LIU You.Qin， XU Li， YAN Yun， XU Yue.Hua. Journal of Instrumental Analysis， 2007， 26（3）： 450-454

劉有芹， 徐 莉， 顏 蕓， 徐悅?cè)A. 分析測試學(xué)報， 2007， 26（3）： 450-454

12 Kim A， Li C R， Jin C F. Chemosphere， 2007， 68（7）： 1204-1209

13 Mohajeri S A， Malaekeh N B， Sadegh H. Drug Dev. Ind. Pharm.， 2012， 38（5）： 616-622

14 MAO Yan.Li， NIU Yun.Feng， WU Jun.Feng， KANG Hai.Yan， LI Dong， WANG Xiang.Wen. Chinese J. Anal. Chem.， 2016， 44（6）： 915-922

毛艷麗， 牛云峰， 吳俊峰， 康海彥， 李 東， 王巷文. 分析化學(xué)， 2016， 44（6）： 915-922

15 Li C X， Ma Y， Niu H， Zhang H Q. ACS Appl. Mater. Interfaces， 2015， 7 （49）： 27340-27350

16 LU Xian.Yong， HUANG Da， YANG Xin.Lin， HUANG Wen.Qiang. Acta Polymerica Sinica， 2007， （2）： 103-107

鹿現(xiàn)永， 黃 達(dá)， 楊新林， 黃文強(qiáng). 高分子學(xué)報， 2007， （2）： 103-107

17 Bai F， Yang X L， Huang W Q. Macromolecules， 2004， 37（26）： 9746-9752

18 WU Shi.Kang， WANG Peng.Fei. Molecular imprinting： From Fundamentals to Applications. Beijing： Science Press， 2006： 16

吳世康， 汪鵬飛. 分子印跡學(xué)—從基礎(chǔ)到應(yīng)用. 北京： 科學(xué)出版社， 2006： 16

19 ZHANG Han， YANG Xin.Lin. Polymer Bulletin， 2010， （7）： 9-23

張 晗， 楊新林. 高分子通報， 2010， （7）： 9-23

20 SHEN Dong.Mei， XIAO Ju.Qiang， CHEN Xiao.Juan. Sulphur Phosphorus & Bulk Materials Handling Related Engineering， 2007， 1： 9-12

沈冬梅， 肖舉強(qiáng)， 陳曉娟. 硫磷設(shè)計與粉體工程， 2007， 1： 9-12

21 Washburn E W. Phys. Rev.， 1921， 17（3）： 273-283

22 Qian.Cutrone J F， Hartz R， Ahuja V T， Vrudhula V M， Wu D R， Dalterio R A， Wang.Lverson D， Bronson J J. J. Pharm. Biomed. Anal.， 2011， 54（3）： 602-606

23 Dai J D， Zhou Z P， Zhao C Y， Wei X， Dai X H， Gao L， Cao Z J， Yan Y S. Ind. Eng. Chem. Res.， 2014， 53（17）： 7157-7166

Abstract Molecular imprinted polymer cores （MIPs） were prepared through distillation.precipitation polymerization with methacrylic acid （MAA） as the functional monomer and paracetamol （PR） as the template molecule. Then， the hydrophilic shells were grafted successfully by free radical polymerization with acrylamide （AM） as the hydrophilic monomer. The influences of different shell cross.linking agents such as ethylene glycol dimethacrylate （EGDMA）， trimethylolpropane triacrylate （TRIM）， and N，N′.Methylenebisacrylamide （MBA） on the hydrophilic property were investigated. The resulting MIPs were characterized by various tests， including ultraviolet spectrometry （UV）， Fourier transform infrared spectroscopy （FT.IR）， and scanning electron microscope （SEM）. The absorbing test and contact angle measurement were also carried out for the investigation of hydrophilic property of microspheres. The results showed that MBA was the best shell cross.linking agent of the microspheres， and the adsorption capacity and contact angle of this prepared microsphere could reach 120 μmol/g and 23.3°， respectively. Core.shell （CS）.MIPs provide a new thought for detection of PR in aqueous solution.

Keywords Hydrophilic； Core.shell； Distillation.precipitation polymerization； Free radical polymerization； Molecular imprinted polymers； Paracetamol