吡氟草胺分子印跡聚合物的制備及性能表征

王巖松

吡氟草胺分子印跡聚合物的制備及性能表征

王巖松

（沈陽市食品藥品檢驗(yàn)所，遼寧 沈陽 110124）

以吡氟草胺為模板分子、2-(三氟甲基)丙烯酸（TFMAA）為功能單體、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）為交聯(lián)劑、偶氮二異丁腈（AIBN）為引發(fā)劑，采用本體聚合法制備了吡氟草胺分子印跡聚合物（D-MIP）。吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、靜態(tài)平衡吸附試驗(yàn)和選擇性吸附試驗(yàn)證明，D-MIP具有較好的吸附性和較強(qiáng)的吸附能力，最大吸附量為1 350 mg·kg-1。掃描電鏡照片顯示，聚合物呈稀松的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒表面粗糙，顆粒之間形成大量的孔隙。

分子印跡聚合物；吡氟草胺；本體聚合

分子印跡技術(shù)[1-4]是模仿抗原-抗體原理而人工合成的對(duì)模板分子在空間結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點(diǎn)形成具有“記憶功能”的高分子聚合物（MIP）的技術(shù)。MIPs的特異吸附性逐漸被發(fā)掘并應(yīng)用于生物傳感器、化合物的提取、純化、色譜分離等領(lǐng)域[5-8]。分子印跡固相萃取成功地將MIP的特性融入到固相萃取的技術(shù)中，為復(fù)雜基質(zhì)中目標(biāo)化合物的提取、分離尋找到新的解決途徑[9-11]。

目前，有關(guān)D-MIP的制備未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文以吡氟草胺為模板分子、2-(三氟甲基)丙烯酸（TFMAA）為功能單體、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）為交聯(lián)劑、偶氮二異丁腈（AIBN）為引發(fā)劑，成功制備了吡氟草胺分子印跡聚合物（D-MIP）。吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、靜態(tài)平衡吸附試驗(yàn)和選擇性吸附試驗(yàn)證明了分子印跡聚合物具有較好的吸附性和較強(qiáng)的選擇性。D-MIP可用于吡氟草胺的凈化提純，也可以用于食品和環(huán)境等復(fù)雜基質(zhì)中痕量吡氟草胺殘留的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

串聯(lián)質(zhì)譜儀，API 4000，美國應(yīng)用生物系統(tǒng)公司；液相色譜儀，LC 20A，日本島津公司；電子天平，BS244S，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，101-2，余姚市遠(yuǎn)東數(shù)控儀器廠；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，DF-101S，鞏義市英峪予華儀器制造廠；臺(tái)式離心機(jī)，800-1，金壇區(qū)西城區(qū)新瑞儀器廠；恒溫水浴振蕩器，SHA-B，國華企業(yè)；電子萬用爐，DL-1，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；數(shù)控超聲波清洗器，KQ5200DE，昆山市超聲儀器有限公司；掃描電鏡，F(xiàn)EI NOVA NanoSEM 450，F(xiàn)EI公司。

吡氟草胺，95%，沈陽化工研究院；福美雙，98%，沈陽化工研究院；無水乙醇，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；TFMAA，98%，阿拉?。籄IBN，98%，麥克林；EGDMA，98%，阿拉??；鹽酸，分析純，國藥有限公司；冰乙酸，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；甲醇、乙腈，色譜純，美國Fisher公司。

1.2 D-MIP的制備

準(zhǔn)確稱取0.394 g 吡氟草胺于250 mL三角瓶中，加入100 mL乙腈至完全溶解后加入一定量的TFMAA室溫預(yù)聚12 h，依次加入5 mL EGDMA、 0.5 mmol·L-1AIBN超聲5 min，持續(xù)充入氮?dú)?0 min，封口在60 ℃磁力攪拌24 h，取出制備的白色聚合物于索氏提取器中，用60 mL無水乙醇-乙酸（體積比8∶2）提取6 h，反復(fù)多次用甲醇-水（體積比 1∶1）超聲洗脫至洗脫液為中性，然后用甲醇洗脫，至LC-MS/MS檢測(cè)不到吡氟草胺分子為止，將聚合物置于60 ℃烘箱中烘干，得到吡氟草胺分子印跡聚合物，置于干燥器中備用。

非分子印跡聚合物（D-NIP）的制備步驟除不添加吡氟草胺，其余與D-MIP制備方法一致。

1.3 D-MIP的吸附性能測(cè)試

1.3.1 LC-MS/MS檢測(cè)的條件

采用Symmetry C18色譜柱（150 mm×2.1 mm， 3.5 μm），流動(dòng)相A為水，流動(dòng)相B為甲醇，分別添加0.1%的甲酸。線性梯度洗脫程序：0～1.5 min為20% B，1.5～3 min由20% B變?yōu)?5% B， 3～4.5 min為95% B，4.5～5 min由95% B變?yōu)?0% B，5～7 min保持20% B。流速0.35 mL·min-1，柱溫35 ℃，進(jìn)樣體積10 μL。

電噴霧離子源 （ESI），正離子掃描；多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（MRM）；電噴霧電壓（ IS）5 500 V；霧化氣壓力65 psi（1 psi=6 894.76 Pa）；氣簾氣壓力15 psi；輔助氣壓力65 psi；離子源溫度550 ℃；定性離子對(duì)、定量離子對(duì)、碰撞氣能量（CE）及去簇電壓 （DP） 見表1。

表1 吡氟草胺、福美雙的質(zhì)譜參數(shù)

1.3.2 吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取20 mg D-MIP和D-NIP各7份，分別置于10 mL塑料離心管中，加入5 mL吡氟草胺溶液（10 mg·L-1）于30 ℃恒溫水浴振蕩。不同時(shí)間間隔同時(shí)取出1份D-MIP和D-NIP，離心后取100 μ心上清液置于100 mL容量瓶中，用蒸餾水定容至刻度，取1 mL溶液過0.22 μ1濾膜，供LC-MS/MS測(cè)定。以10、20、30、40、50、60、80 min時(shí)的吸附量與吸附時(shí)間做圖，繪制吸附動(dòng)力學(xué)曲線。吸附量按式（1）計(jì)算。

式中：—吸附量，μ·g-1；

—吡氟草胺標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

0—吡氟草胺的初始質(zhì)量濃度，ng·mL-1；

1—吸附后吡氟草胺的質(zhì)量濃度，ng·mL-1；

—D-MIP或D-NIP的質(zhì)量，mg。

1.3.3 靜態(tài)平衡吸附試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取20 mg D-MIP和D-NIP各6份，置于10 mL塑料離心管中，分別加入5 mL 2、4、6、8、10、12 μ2·mL-1的吡氟草胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，在30 ℃下恒溫振蕩50 min，然后離心，取100 μ1上清液置于100 mL容量瓶中，用蒸餾水定容至刻度，取1 mL溶液過0.22 μ1濾膜，供LC-MS/MS測(cè)定。以吸附量與吡氟草胺質(zhì)量濃度做圖，繪制等溫吸附曲線。

1.3.4 D-MIP選擇性吸附試驗(yàn)

取2份20 mg D-MIP置于10 mL塑料離心管中， 分別加入5 mL 10 μg·mL-1的吡氟草胺、福美雙水溶液，恒溫振蕩50 min，供LC-MS/MS測(cè)定。比較MIP對(duì)2種化合物的吸附性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合反應(yīng)條件的確定

試驗(yàn)優(yōu)化了致孔劑（乙腈）、功能單體（TFMAA）、交聯(lián)劑（EGDMA）和引發(fā)劑（AIBN）的用量及配比。100 mL乙腈中加入3 mmol·L-1TFMAA，在室溫預(yù)聚12 h，依次加入25 mmol·L-1EGDM和0.5 mmol·L-1AIBN，在60 ℃下聚合反應(yīng)24 h。物料在上述比例及反應(yīng)條件下，制得的聚合物產(chǎn)率最高， 聚合物呈白色顆粒狀粉末，在圖2（a）中清晰可見聚合物呈空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.2 模板分子與功能單體的比例對(duì)吸附性能的影響

在保持上述聚合反應(yīng)條件不變的情況下，改變模板分子的加入量，制得D-MIP的SEM圖如圖2所示。

圖2 不同比例模板分子與功能單體聚合物的SEM圖片

由圖2可知，當(dāng)模板分子加入量的比例為1∶5時(shí)，制得的聚合物團(tuán)聚在一起，沒有形成空間分散均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不利于模板分子的洗脫，影響聚合物吸附能力。隨著模板分子量的增加，聚合物的粒徑逐漸減小，呈現(xiàn)出空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)模板分子的比例達(dá)到1∶3時(shí)，聚合物呈稀松的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒表面粗糙，顆粒之間形成大量的孔隙，推測(cè)適當(dāng)比例的模板分子通過靜電吸附、氫鍵作用等在聚合物顆粒之間撐開較大的孔隙，形成大量的空間結(jié)合位點(diǎn)，模板分子被洗脫出去后在孔隙間留下具特異吸附性的結(jié)合位點(diǎn)。但是隨著模板分子的量繼續(xù)增加，聚合物顆粒表面變得光滑，粒徑增大，孔隙明顯減少，推測(cè)可能是模板分子相互作用降低了聚合物中形成孔穴的概率。因此，模板分子與功能單體的比例選擇1∶3。

2.3 D-MIP的吸附性能

2.3.1 吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

聚合物隨著吸附時(shí)間的增加，吸附在聚合物表面和孔隙間的吡氟草胺分子數(shù)量增多。D-MIP和D-NIP對(duì)吡氟草胺的吸附動(dòng)力學(xué)曲線如圖3所示。由圖3可知，吸附時(shí)間在10～20 min之間，吸附速率最快；在20～50 min之間，吸附量以比較緩慢的速率持續(xù)增大；吸附時(shí)間增加到50 min時(shí)，吸附量達(dá)到飽和狀態(tài)；繼續(xù)延長吸附時(shí)間，吸附量還會(huì)出現(xiàn)略微的降低趨勢(shì)。在吸附前期，吡氟草胺分子迅速附著在聚合物顆粒表面，占據(jù)表面的結(jié)合位點(diǎn)，隨著時(shí)間的增加伴隨著振蕩作用，吡氟草胺分子緩慢地進(jìn)入顆粒間的孔隙，通過具有“記憶功能”的結(jié)合位點(diǎn)，找到適合的位置。隨著時(shí)間繼續(xù)延長，到50 min時(shí)，聚合物表面和顆粒間的位點(diǎn)全部占據(jù)，聚合物達(dá)到最大吸附量，D-MIP最大吸附量為 1 350 mg·kg-1，D-NIP最大吸附量為320 mg·kg-1。因?yàn)樵贒-NIP表面和顆粒間缺少了這種“記憶功能”的結(jié)合位點(diǎn)，導(dǎo)致其吸附量明顯低于D-MIP。

圖3 D-MIP和D-NIP對(duì)吡氟草胺的吸附動(dòng)力學(xué)曲線

不同分辨率D-NIP和D-MIP的SEM圖片如圖4所示。

由圖4可知，D-NIP和D-MIP在放大倍數(shù)逐漸增大的情況下，能更清晰發(fā)現(xiàn)D-NIP顆粒粒徑明顯大于D-MIP顆粒粒徑，圖4（f）中可以看到D-MIP顆粒表面凸凹不平，顆粒間均勻分布大量的孔隙，正因?yàn)镈-MIP顆粒表面的凸凹結(jié)構(gòu)和孔隙，賦予了它良好的吸附性能和特異選擇性。聚合物顆粒的結(jié)構(gòu)分布情況進(jìn)一步證明D-MIP吸附量明顯大于D-NIP。

圖4 不同分辨率D-NIP和D-MIP的SEM圖片

2.3.2 靜態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果

保持50 min的吸附時(shí)間，驗(yàn)證聚合物在不同質(zhì)量濃度吡氟草胺標(biāo)準(zhǔn)溶液中吸附量變化，如圖5所示。D-MIP和D-NIP均表現(xiàn)出隨著吸附吡氟草胺質(zhì)量濃度的升高，吸附量變大的趨勢(shì)。D-NIP的吸附曲線比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)吸附量突越的現(xiàn)象，D-MIP結(jié)構(gòu)中印跡孔隙和具有特異吸附性的識(shí)別位點(diǎn)與吡氟草胺質(zhì)量濃度相匹配，吡氟草胺分子在D-MIP顆粒表面和空隙中迅速占位，當(dāng)其質(zhì)量濃度達(dá)到 8 μ·mL-1時(shí)吸附行為達(dá)到終點(diǎn)，最大吸附量為 1 350 mg·kg-1。D-NIP依靠自身的縫隙和疏松的結(jié)構(gòu)也存在一定的吸附行為，飽和吸附量為320 mg·kg-1。

圖5 D-NIP和D-MIP的靜態(tài)吸附曲線

2.3.3 選擇性吸附試驗(yàn)結(jié)果

在相同的試驗(yàn)條件下，比較D-MIP對(duì)吡氟草胺和福美雙分子的吸附能力。結(jié)果顯示，D-MIP對(duì)吡氟草胺的吸附量明顯高于福美雙，為1 350 mg·kg-1； 其對(duì)福美雙的吸附量為350 mg·kg-1。這再次證明D-MIP結(jié)構(gòu)中形成的“記憶”孔隙和識(shí)別位點(diǎn)只與吡氟草胺分子相匹配，與福美雙的分子結(jié)構(gòu)不具有識(shí)別功能。

3 結(jié) 論

本文采用本體聚合法，以乙腈為致孔劑、TFMAA為功能單體、EGDMA為交聯(lián)劑、AIBN為引發(fā)劑，制備吡氟草胺的分子印跡聚合物D-MIP，D-MIP的最大吸附量為1 350mg·kg-1，明顯高于D-NIP，具有較好的吸附性和較強(qiáng)的選擇性。掃描電鏡照片表征了聚合物呈稀松的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒表面粗糙，顆粒之間形成大量的孔隙，佐證了制備的D-MIP具備良好吸附性的原因?？梢岳肈-MIP良好的吸附性能和選擇性進(jìn)一步研究食品和環(huán)境等復(fù)雜基質(zhì)中吡氟草胺的提取、純化等工作。

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Preparation and Characterization of Diflufenican Molecularly Imprinted Polymers

（Shenyang Food and Drug Inspection Institute, Shenyang Liaoning 110124, China）

The diflufenican molecularly imprinted polymer (D-MIP) was prepared by bulk polymerization with trifluoromethyl acrylic acid (TFMAA) as functional monomer, ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as crosslinker and azodiisobutyronitrile (AIBN) as initiator. The results of adsorption kinetics test, static equilibrium adsorption test and selective adsorption test showed that D-MIPs had good adsorption capacity and strong adsorption capacity, and the maximum adsorption capacity was 1 350 mg·kg-1. Scanning electron microscope (SEM) images showed that the polymer had a sparse space network structure, the surface of the particles was rough, and a large number of pores were formed between the particles.

Molecularly imprinted polymer; Diflufenican; Bulk polymerization

TQ325

A

1004-0935（2022）02-0156-04

國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020MK134）。

2021-08-06

王巖松（1980-），男，遼寧省沈陽市人，高級(jí)工程師，博士研究生，研究方向：食品中多種有機(jī)污染物的殘留量的研究。