懸浮聚合法合成馬拉硫磷分子印跡聚合物的吸附性能研究

芮超凡,宋立新,陳 思，李媛媛，溫志兵，何 娟*,魏宏亮,谷克仁

(1.河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450001)

有機(jī)磷類農(nóng)藥主要有馬拉硫磷、克線磷、特丁硫磷等，能夠高效防治病蟲害[1]，因其應(yīng)用相當(dāng)普遍，因此有機(jī)磷類農(nóng)藥是目前農(nóng)藥殘留的主要來源之一。通常被檢樣品中的農(nóng)藥含量非常低[2]，而樣品基質(zhì)中常含有大量干擾物質(zhì)，因此有必要建立一種簡(jiǎn)單、快速、有效的樣品前處理方法。

固相萃取技術(shù)是利用填充的固體吸附劑對(duì)液體樣品中的目標(biāo)化合物進(jìn)行吸附及解吸，最終達(dá)到對(duì)目標(biāo)化合物分離和富集目的的一種樣品前處理技術(shù)[3-4]。目前商品化的固相吸附劑缺乏專一選擇性，對(duì)含復(fù)雜基質(zhì)的樣品中痕量有機(jī)磷類農(nóng)藥的提取凈化效率較低。而分子印跡固相萃取吸附劑作為一種新型固相萃取填料，能對(duì)目標(biāo)分析物進(jìn)行選擇性吸附而排除樣品基質(zhì)的干擾，不僅能降低目標(biāo)分析物的檢出限，還能提高痕量分析的精確性[5-6]。本文以馬拉硫磷為模板，采用懸浮聚合的方法合成馬拉硫磷分子印跡聚合物(MIPs)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和吸附性能檢測(cè)，并與合成的非印跡聚合物進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試其特異性吸附能力[7]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

安捷倫7890氣相色譜，檢測(cè)器為 FPD(GC/FPD)；HP-5色譜柱(30 m×0.25 mm，1.4 μm)；JSM-6490LV掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)。

馬拉硫磷(原藥,國藥試劑有限公司)；α-甲基丙烯酸(α-MAA,上海麥克林生化科技有限公司)；乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA,上海麥克林生化科技有限公司)；偶氮二異丁腈(AIBN,科密歐試劑公司)；甲醇、乙醇、乙腈、正己烷和丙酮(上海阿拉丁試劑有限公司)均為色譜純。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 馬拉硫磷分子印跡聚合物的合成方法

取馬拉硫磷0.067 mL(0.25 mmol)、MAA 0.170 mL(2 mmol)、EDMA 1.889 mL(10 mmol)加到1%聚乙烯醇溶液中，再加入AIBN 24.24 mg，在60 ℃下反應(yīng)8 h，得到馬拉硫磷分子印跡聚合物。先將產(chǎn)物用甲醇-冰醋酸(體積比9∶1 )溶液洗脫模板分子，再用純甲醇洗脫至中性，烘干備用。

采用相同方法在不加入模板分子的情況下合成非印跡聚合物(NIPs)。

1.3 聚合物對(duì)模板分子馬拉硫磷的平衡吸附實(shí)驗(yàn)

配制一系列1～100 μg/mL的馬拉硫磷水溶液，取20 mg的MIPs，分別加入上述質(zhì)量濃度的馬拉硫磷溶液各4 mL，振蕩，靜置20 h，取上清液，N2吹干后，用1 mL正己烷溶解，進(jìn)氣相色譜儀測(cè)定含量，計(jì)算出MIPs對(duì)不同底物濃度溶液的吸附量。

用與上述方法一致的步驟測(cè)定非印跡聚合物對(duì)不同濃度馬拉硫磷溶液的吸附量。

1.4 吸附速率實(shí)驗(yàn)

分別取12組MIPs 20 mg于5 mL離心管中，編號(hào)為1～12，各加入2 μg/mL馬拉硫磷溶液4 mL，振蕩，靜置，1～8號(hào)離心管每隔1 h測(cè)定1次；9～12號(hào)離心管每隔2 h測(cè)定1次。計(jì)算吸附量。

1.5 聚合物的選擇性吸附實(shí)驗(yàn)

配制濃度相同的滅線磷、特丁硫磷、甲拌磷、克線磷、樂果與馬拉硫磷混合溶液。取 20 mg MIPs于離心管中，加入混合溶液4 mL(6種有機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度均為5 μg/mL)，封口，靜置 20 h。用氣相色譜測(cè)定吸附前后溶液的濃度，通過下式計(jì)算MIPs對(duì)各底物的吸附量Q：Q=(C0-C)V/m。其中，Q(μg/mg)為聚合物對(duì)底物的吸附量；C0(μg/mL)為吸附前溶液濃度；C(μg/mL)為吸附后溶液濃度；V(mL)為待吸附溶液體積；m(mg)為聚合物的質(zhì)量。

采用相同方法測(cè)定NIPs對(duì)6種有機(jī)磷的吸附量。

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Orthogonal experimental results

2 結(jié)果與討論

2.1 分子印跡聚合物的合成條件優(yōu)化

通過測(cè)定合成的MIPs對(duì)馬拉硫磷的吸附量，采用正交試驗(yàn)對(duì)合成條件進(jìn)行了優(yōu)化，其中因素A為模板分子與功能單體的比例(摩爾比)；因素B為模板分子與交聯(lián)劑的比例(摩爾比)；因素C為溫度(℃)；因素D為引發(fā)劑的用量(%)，如表1所示。

由直觀分析可以看出，最佳的反應(yīng)條件為A3B1C1D1，即模板分子∶功能單體=1∶8，模板分子∶交聯(lián)劑=1∶40，溫度為60 ℃，引發(fā)劑用量為單體和交聯(lián)劑質(zhì)量的1.0%。

圖1 MIPs的掃描電鏡圖Fig.1 The scanning electron micrographs of MIP

圖2 MIPs與NIPs對(duì)馬拉硫磷的吸附等溫線Fig.2 Isothermal adsorption of MIPs and NIPs to malathion

圖3 MIPs的Scatchard方程Fig.3 Scatchard equation of MIPs

2.2 馬拉硫磷分子印跡聚合物的性能表征

采用掃描電子顯微鏡對(duì)合成的MIPs進(jìn)行表征，如圖1所示。由放大500倍的掃描電鏡圖可看出：合成的MIPs為球狀顆粒，直徑約為100 μm，具有較大的比表面積，為其良好的特異性吸附性能打下了基礎(chǔ)。

2.3 吸附性能測(cè)試

2.3.1平衡吸附實(shí)驗(yàn)MIPs、NIPs對(duì)馬拉硫磷的吸附等溫線見圖2。由圖2可知，MIPs對(duì)馬拉硫磷的最大吸附量為4.62 μg/mg,NIPs對(duì)馬拉硫磷的最大吸附量為2.21 μg/mg。MIPs和NIPs對(duì)馬拉硫磷的吸附量隨著馬拉硫磷溶液濃度的升高而增大，而馬拉硫磷溶液濃度相同時(shí)，MIPs的吸附量比NIPs高。這表明，MIPs因特異性吸附作用對(duì)馬拉硫磷有著更強(qiáng)的親和力，這是印跡聚合物特異性吸附的體現(xiàn)。

將圖2中MIPs的平衡吸附實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)用于Scatchard分析。通過Scatchard方程式Q/C=(Qmax-Q)/Kd(其中C為吸附平衡濃度，Kd為結(jié)合位點(diǎn)的平衡離解常數(shù)，Q為聚合物吸附達(dá)到平衡時(shí)的吸附量，Qmax為結(jié)合位點(diǎn)的最大表現(xiàn)結(jié)合容量)，以Q/C對(duì)Q作圖得到MIPs的Scatchard曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出：Q/C對(duì)Q呈非線性關(guān)系，而圖中有兩部分分別呈現(xiàn)線性關(guān)系，表明印跡聚合物與馬拉硫磷的結(jié)合位點(diǎn)是非均一的，即有兩種不同類型的結(jié)合位點(diǎn)，為非特異性結(jié)合位點(diǎn)和特異性結(jié)合位點(diǎn)。

2.3.2模板分子與功能單體作用形式的推測(cè)馬拉硫磷分子中含有2個(gè)酯鍵，酯鍵中的氧原子均可與α-甲基丙烯酸中的氫原子作用形成氫鍵。根據(jù)馬拉硫磷分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在合成其印跡聚合物時(shí)，單體與馬拉硫磷分子的相互作用形式推測(cè)如圖4所示。

2.3.3吸附速率測(cè)試測(cè)定MIPs隨時(shí)間變化的吸附量，即吸附速率，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，隨著時(shí)間的增加，MIPs的吸附量逐漸增加，7 h后吸附逐漸變緩，趨于飽和狀態(tài)，最終達(dá)到吸附平衡。

2.4 選擇性吸附研究

測(cè)定了MIPs和NIPs對(duì)馬拉硫磷、甲拌磷、克線磷、樂果、滅線磷、特丁硫磷的選擇性吸附。結(jié)果顯示，MIPs對(duì)滅線磷、甲拌磷、特丁硫磷、樂果、馬拉硫磷、克線磷的吸附量分別為3.87、3.75、3.57、4.00、4.44、3.61 μg/mg,而NIPs的吸附量分別為1.42、1.37、1.30、1.43、1.12、1.23 μg/mg。MIPs對(duì)模板分子馬拉硫磷的吸附量最大，表明MIPs有著與馬拉硫磷分子立體結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的特定孔穴，實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬拉硫磷的特異性吸附；對(duì)其類似物的吸附量較小，說明MIPs有良好的選擇性吸附性能。而NIPs對(duì)各有機(jī)磷的吸附量差別不大，是非特異性吸附。

圖4 模板分子與功能單體的相互作用推測(cè)Fig.4 The possible interaction between the template and functional monomers

圖5 MIPs的吸附速率曲線Fig.5 Adsorption rate curve of MIPs

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)得到最佳反應(yīng)條件為模板分子∶功能單體∶交聯(lián)劑(摩爾比)=1∶8∶40，反應(yīng)溫度60 ℃，引發(fā)劑用量1.0%。在最優(yōu)條件下合成的MIPs對(duì)馬拉硫磷的吸附量為4.62 μg/mg，NIPs對(duì)馬拉硫磷的吸附量為2.21 μg/mg，表明MIPs對(duì)馬拉硫磷具有良好的吸附性能；選擇性吸附實(shí)驗(yàn)表明，MIPs對(duì)馬拉硫磷的吸附量高于滅線磷、甲拌磷等結(jié)構(gòu)類似物，說明MIPs有良好的選擇吸附性能。而NIPs的吸附量均小于MIPs，表明NIPs的吸附為非特異性吸附。

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