新型三維磁性豆甾醇印跡聚合物制備及其性能研究

閆亮 丁旺莎 楊仕锃 王兆玉 李嘉豪 張?jiān)?/p>

摘? ?要：以多壁碳納米管和氧化石墨烯三維磁性復(fù)合材料為載體，豆甾醇為模板分子，多巴胺為功能單體，制備新型三維磁性豆甾醇印跡復(fù)合萃取材料。采用掃描電鏡、紅外光譜和X射線衍射對該復(fù)合材料進(jìn)行表征和分析，結(jié)果表明：在三維磁性材料表面成功接枝印跡層。采用紫外可見光譜儀對該印跡復(fù)合材料的吸附性能進(jìn)行探討，結(jié)果表明：三維磁性印跡復(fù)合材料對豆甾醇表現(xiàn)出特異性吸附性能，最大吸附量為11.24? mg/g。

關(guān)鍵詞：石墨烯;碳納米管;豆甾醇;三維磁性材料;分子印跡

分子印跡是指制備對某一特定的目標(biāo)分子具有特異選擇性的分子印跡聚合物（Molecular Imprinting Polymer，MIPs）的技術(shù)[1]。因其對目標(biāo)分子具有特異選擇性識別能力，MIPs已廣泛用于萃取分離、化學(xué)/生物傳感和人工抗體等領(lǐng)域[2]。最近，有科研工作者以多壁碳納米管（Multi-Walled Carbon Nanotube，MWNTs）為基材，結(jié)合印跡技術(shù)，制備具有高選擇性和高吸附容量的碳納米管-分子印跡聚合物（MWNTs-MIPs）。

新型磁性三維印跡復(fù)合材料借助碳納米管和石墨烯的比表面積優(yōu)勢，制備出具有更高的吸附容量的三維印跡萃取材料[3]。但是目前的磁性碳基三維基質(zhì)材料在制備過程中還有結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和制備能耗較大的問題，限制了分離領(lǐng)域的使用[4]。最近有報道采用水熱法制備磁性碳基三維印跡納米復(fù)合材料，這種水熱法制備的復(fù)合材料具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，為新型磁性碳基表面三維印跡納米復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用提供了可能性。

植物甾醇具有降低血清膽固醇、消炎、退熱和抗癌等藥理功效，也是活性成分研究中的重要對象。本研究采用石墨烯/碳納米管三維復(fù)合材料為支撐基質(zhì)，結(jié)合納米表面印跡技術(shù)，在溫和條件下研制出高吸附性能和快速吸附的石墨烯/碳納米管三維質(zhì)表面豆甾醇印跡復(fù)合萃取材料，并對其吸附性能進(jìn)行研究。

1? ? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 試劑與儀器

多壁碳納米管（直徑為20～50 nm，純度大于95%）購自深圳比爾科技公司;石墨烯（GO）、豆甾醇（Stig）、β-谷甾醇（β-Sito）、膽固醇（Chol）、三羥甲基氨基甲烷（Tris）、多巴胺購自阿拉丁公司;硫酸、硝酸、乙酸、FeCl3?6H2O、高錳酸鉀、5%過氧化氫溶液、檸檬酸鈉、肼購自長沙化學(xué)試劑公司。除特殊說明外，所用試劑均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

Zeiss Sigma HD掃描電鏡（德國蔡司公司），F(xiàn)T-IR傅里葉紅外光譜儀（日本島津公司），高效液相色譜儀（日本島津公司），DZF-6020型真空干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）。

1.2? 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1? 三維磁性復(fù)合材料制備

將1.0 g多壁碳納米管加入20.0 mL 65%硝酸和60.0 mL 98%硫酸混合溶液中，超聲1 h，升溫至80 ℃反應(yīng)2 h，過濾得到活化的碳納米管。再將制得的200.0 mg GO和200.0 mg活化碳納米管分散在160.0 mL去離子水中超聲3 h。將3.2 g FeCl3·6H2O和5.9 g檸檬酸鈉分別加入到40.0 mL和80.0 mL去離子水中，在磁力攪拌下逐滴加入上述混合液，再加入12.0 mL肼繼續(xù)攪拌30 min。將混合物轉(zhuǎn)移至100.0 mL反應(yīng)釜中，180 ℃下反應(yīng)12 h。采用0.45 μm薄膜過濾，用去離子水和乙醇各洗滌3次，80 ℃真空干燥24 h，得最終產(chǎn)物。

1.2.2? 三維磁性印跡復(fù)合材料制備

取400.0 mg三維復(fù)合材料和400.0 mL Tris緩沖液于圓底燒瓶中，超聲5 min，加入100.0 mg豆甾醇和360.0 mg多巴胺。機(jī)械攪拌8 h，將產(chǎn)物過濾，先用水洗滌3次，然后用乙酸/甲醇（體積比為2∶8）混合液反復(fù)洗滌，接著用乙醇反復(fù)沖洗至收集的洗脫液在豆甾醇溶液標(biāo)準(zhǔn)紫外峰處沒有明顯的吸收。真空干燥12 h，制備出三維磁性印跡復(fù)合材料（3D-MMIPs）。

在不加入豆甾醇的前提下，采用同樣的方法，制備出三維磁性非印跡復(fù)合材料（3D-MNIPs）。

1.3? 吸附性能研究

1.3.1? 動態(tài)吸附過程

取20 mg 3D-MMIPs 或3D-MNIPs分別置于吸附管中，加入10.0 mL 50.0 mg/L的豆甾醇標(biāo)準(zhǔn)溶液，在室溫下吸附5～180 min，外加磁場分離，用0.45 μm的微孔薄膜過濾，收集上清液，以無水乙醇作參比，用紫外可見光譜儀測定豆甾醇質(zhì)量濃度。

1.3.2? 靜態(tài)吸附過程

取20 mg 3D-MMIPs或3D-MNIPs分別置于吸附管中，分別加入10 mL 10～50 mg/L 豆甾醇溶液，在室溫下吸附2 h，外加磁場分離，取上清液用紫外可見光譜儀測定豆甾醇質(zhì)量濃度。

1.3.2? 選擇性研究

取10.0 mg 3D-MMIPs加入2.0 mL質(zhì)量濃度均為25 mg/L的豆甾醇、膽固醇和β-谷甾醇混合溶液中吸附30 min，取上清液，用高效液相色譜測定豆甾醇、膽固醇和β-谷甾醇的質(zhì)量濃度。

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? 三維印跡聚合物制備

3D-MMIPs的制備過程如圖1所示。先對多壁碳納米管羧酸化得到MWNTs-COOH;再采用水熱還原法在GO和MWNTs復(fù)合材料表面接枝Fe3O4納米顆粒，使GO和MWNTs復(fù)合材料具有磁性能。在三羥甲基氨基甲烷緩沖液中，加入上述三維磁性復(fù)合材料（3D-M-composite），以多巴胺為功能單體，豆甾醇為模板分子，通過多巴胺在弱堿性環(huán)境中的自聚合反應(yīng)，接著用水洗出未反應(yīng)的多巴胺，再用乙酸/甲醇（2∶8，v/v）混合溶液將模板分子豆甾醇從印跡聚合物中洗脫出來，最后再用蒸餾水洗滌3次。這樣印跡聚合物中就形成對豆甾醇具有特異性識別的印跡位點(diǎn)，成功地制備出新型三維豆甾醇磁性印跡復(fù)合材料（3D-MMIPs）。

2.2? 聚合物表征

2.2.1? 形貌分析

采用掃描電子顯微鏡對GO（A）、MWNTs（B）、3D-M-composite（C）、3D-MMIPs（D）的形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，GO（A）為單層片狀結(jié)構(gòu);MWNTs（B）為管狀結(jié)構(gòu)，并且相互纏繞，雜亂地堆砌在一起，碳納米管的粒徑大約為30 nm，3D-M-composite（C）為碳納米管和石墨烯的磁性雜化材料，在其表面能明顯觀察到磁性的Fe3O4微球。與圖3D-M-composite（C）相比，3D-MMIPs（D）中碳納米管的管徑明顯增大，約為68 nm，證明成功地合成了新型三維豆甾醇磁性印跡聚合物，由此可以估算出印跡層的厚度約為19 nm。

2.2.2? 紅外光譜分析

圖3中譜線MWNTs（b）和3D-M-composite（c）中618 cm-1處為Fe-O的收縮振動峰，這表明Fe3O4納米粒子成功地接枝在石墨烯和碳納米管復(fù)合材料表面;3D-MMIPs（d）中1 444 cm-1處為飽和碳?xì)滏I的彎曲振動峰，970 cm-1處反式取代烯烴，這表明豆甾醇成功修飾到3D-M-composite上。

2.3? 聚合物吸附性能研究

2.3.1? 動態(tài)吸附

圖4是3D-MMIPs對豆甾醇吸附容量對時間的關(guān)系圖。如圖4所示，吸附開始時，3D-MMIPs表面存在大量的結(jié)合位點(diǎn)，使它能夠快速、良好地與豆甾醇結(jié)合。在吸附40 min前3D-MMIPs對豆甾醇的吸附速率增加很快。隨著時間的增加，豆甾醇結(jié)合了絕大多數(shù)的識別位點(diǎn)，因此，吸附速率慢慢降低，直到60 min的時候，基本不再增加。這表明當(dāng)時間達(dá)到60 min時，3D-MMIPs的印跡孔穴對豆甾醇的吸附達(dá)到飽和。

2.3.2? 靜態(tài)吸附

為了對該印跡材料的吸附容量進(jìn)一步研究，采用靜態(tài)平衡吸附實(shí)驗(yàn)探討3D-MMIPs和3D-MNIPs對豆甾醇的吸附等溫線，吸附容量由如下公式求得：

式中，Q表示聚合物的吸附量，mg/g;C0和C分別為溶液吸附前豆甾醇的濃度和吸附飽和后豆甾醇的質(zhì)量濃度，mg/L;V表示溶液的體積，mL;W表示聚合物的質(zhì)量，mg。由圖5（A）可知，3D-MMIPs對目標(biāo)分子豆甾醇的吸附性能明顯優(yōu)于3D-MNIPs對豆甾醇的吸附，主要是由于印跡聚合物殼層內(nèi)含有對模板分子具有特異吸附的結(jié)合位點(diǎn)，通過官能團(tuán)與模板分子之間的氫鍵作用結(jié)合，增大了吸附容量。

采用Langmuir等溫吸附模型對3D-MMIPs的吸附進(jìn)一步擬合，結(jié)果如圖5（B）所示。Langmuir等溫吸附方程如下：

其中Q（mg/g）為豆甾醇的平衡吸附量，Qmax（mg/g）是等溫吸附方程的飽和吸附量，Ce（mg/L）是吸附平衡時豆甾醇質(zhì)量濃度，K（L/mg）為吸附平衡常數(shù)。以Ce/Q為Y軸，Ce為X軸作圖，擬合曲線圖，可以計算出K=0.026 L/mg，Qmax=11.24 mg/g。

2.3.3? 選擇性能研究

為考察3D-MMIPs和3D-MNIPs對豆甾醇的選擇吸附性能，選擇與豆甾醇結(jié)構(gòu)相似的膽固醇和β-谷甾醇作為競爭分子。結(jié)果如圖6所示，3D-MMIPs對豆甾醇的吸附量為7.59 mg/g，高于對膽固醇（3.18 mg/g）和β-谷甾醇（3.08 mg/g）的吸附量。3D-MMIP對豆甾醇、膽固醇和β-谷甾醇的印跡因子分別為2.41、1.25和1.14，3D-MMIP對膽固醇和β-谷甾醇的選擇性因子分別為1.93和2.11。這表明3D-MMIP表面有很多對豆甾醇具有特異性結(jié)合的位點(diǎn)，可以與豆甾醇的結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)選擇性吸附。

3? ? 結(jié)語

采用多壁碳納米管和氧化石墨烯的復(fù)合材料作為載體，將Fe3O4磁性粒子修飾到復(fù)合材料表面;再利用水熱法對磁性復(fù)合材料進(jìn)行包覆。通過掃描電鏡、傅立葉變換紅外光譜等方法對該印跡復(fù)合材料進(jìn)行了表征，結(jié)果證明印跡層成功地包覆在三維磁性復(fù)合材料表面。吸附性能實(shí)驗(yàn)研究表明該三維磁性印跡材料對豆甾醇具有高選擇性和高吸附容量，其中飽和吸附容量為11.24 mg/g。

[參考文獻(xiàn)]

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