有機(jī)磷神經(jīng)毒劑分子印跡聚合物的模擬模板分子

翁美琪，商桂銘，王家泰，李盛華，樊 志，林 松，郭敏杰

（1.天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院,天津 300457；2.軍事科學(xué)院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所,天津 300161）

有機(jī)磷神經(jīng)毒劑是一種劇毒的化學(xué)戰(zhàn)劑（CWAs），因具有毒發(fā)速度快及致死用量低的特點(diǎn)而在恐怖襲擊中被廣泛使用，成為威脅世界安全的巨大隱患［1］. 尤其是以沙林、塔崩、梭曼和VX毒劑為代表的有機(jī)磷乙酰膽堿酯酶抑制劑［2，3］，其磷酸酯基團(tuán)可抑制神經(jīng)系統(tǒng)中乙酰膽堿酶與乙酰膽堿結(jié)合，致使神經(jīng)功能紊亂［4］. 目前常見的有機(jī)磷神經(jīng)毒劑吸附材料有多孔活性炭、金屬配合物、金屬有機(jī)框架化合物（MOFs）及分子印跡聚合物（MIPs）. 雖然多孔活性炭是最常用的去除有機(jī)磷神經(jīng)毒劑的材料，但其整合到織物中后比表面積小、吸附能力有限［5］. MOFs 通常為結(jié)晶粉末形式，在潮濕環(huán)境下容易分解，這是MOFs在自然環(huán)境中應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)［6］. 與其它吸附劑相比，MIPs具有結(jié)構(gòu)可預(yù)測(cè)性，能特異性識(shí)別目標(biāo)分子，并且具有穩(wěn)定性高、制備簡單及成本低等優(yōu)點(diǎn)［7］. 因此，開發(fā)可便捷穩(wěn)定高效吸附有機(jī)磷神經(jīng)毒劑的分子印跡聚合物材料具有重要意義.

分子印跡聚合物是具有可以與模板分子形成空間互補(bǔ)孔穴的吸附分離材料，能夠特異性吸附模板分子［8］，在固相萃取、色譜分離和化學(xué)傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［9］. MIPs的性能受功能單體、交聯(lián)劑、致孔劑的種類及配比等多種因素影響，實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化工作量大［10，11］. 近年來，量子化學(xué)計(jì)算方法被用于MIPs的設(shè)計(jì)［12，13］，尤其是密度泛函理論（DFT）的應(yīng)用更是引起研究者們廣泛關(guān)注. DFT從理論角度研究單體和模板分子之間的相互作用，既可以揭示MIPs的印跡機(jī)理，也能根據(jù)模板分子的特征精準(zhǔn)指導(dǎo)MIPs的設(shè)計(jì)，從而有效提高實(shí)驗(yàn)效率［14，15］. Hassan等［16］利用DFT的M062X方法研究了不同功能單體與甲基對(duì)硫磷的結(jié)合能力，基于計(jì)算模擬制備的MIPs 傳感器對(duì)實(shí)際樣品中甲基對(duì)硫磷的回收率達(dá)到90%. Barros等［17］利用DFT的B3LYP方法進(jìn)行計(jì)算模擬，得出丙烯酰胺是印跡氫氯噻嗪的最佳功能單體，以理論計(jì)算為依據(jù)合成的MIPs印跡因子達(dá)到8.24.

由于CWAs在實(shí)驗(yàn)中難以操作和表征，因此，對(duì)氧磷（Paraoxon,PO,Scheme 1）常作為模擬模板用于有機(jī)磷神經(jīng)毒劑MIPs 的研究［18，19］，但PO 存在皮膚接觸毒性、受熱分解會(huì)產(chǎn)生有毒氣體和使用管制嚴(yán)格等問題［20，21］. 基于此，本文用一種新型有機(jī)磷神經(jīng)毒劑模擬物——雙（對(duì)硝基苯基）磷酸酯［Bis（p-nitrophenyl）phosphate，BNPP，Scheme 1］代替PO 作為模板分子制備有機(jī)磷神經(jīng)毒劑MIPs.BNPP 不僅具有與PO 相同的磷酸酯基團(tuán)，而且BNPP 分子上的—OH 會(huì)由于誘導(dǎo)效應(yīng)容易形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)增強(qiáng)分子印跡體系的分子間作用；此外，BNPP對(duì)稱的雙苯環(huán)結(jié)構(gòu)使其具有更加穩(wěn)定的分子空間構(gòu)象，有利于在MIPs制備過程中形成與模板更加匹配的分子印跡孔穴.

Scheme 1 Configurations of paraoxon and bis(p?nitrophenyl)phosphate

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

雙（對(duì)硝基苯基）磷酸酯（BNPP），分析純，上海麥克林生化科技有限公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA），分析純，天津希恩斯奧普德科技有限公司；2，2-偶氮二異丁腈（AIBN），分析純，上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司；甲基丙烯酸（MAA）、對(duì)硝基苯酚（4-NP）、雙酚A（BPA）及對(duì)硝基苯甲酸（4-NBA），分析純，上海阿拉丁生化科技有限公司；二甲基亞砜（DMSO）、乙腈、乙醇、甲醇及乙酸，分析純，江天化工科技有限公司；納米二氧化硅，江蘇輝邁粉體科技有限公司；4-甲基丙烯酰胺基安替比林（MAAP）參照文獻(xiàn)［22］方法制備.

VECTOR 22型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），德國Bruker公司；TGA-Q50型熱重分析儀（TG），美國TA 公司；S-4800 型掃描電子顯微鏡（SEM），日本Hitachi 公司；Talos F200X 型透射電子顯微鏡（TEM），美國FEI公司；ASAP 2460型比表面積和孔隙分析儀（BET），美國Micromeritics公司；UV-2700型紫外-可見分光光度計(jì)（UV-Vis），日本Shimadzu公司.

1.2 DFT計(jì)算模擬

由于磷酸酯類分子極易與供質(zhì)子單體形成氫鍵，因此氫鍵作用是磷酸酯類分子印跡聚合物設(shè)計(jì)的首要研究因素［23，24］. 選用Gaussian16 軟件，B3LYP 雜化密度泛函進(jìn)行計(jì)算模擬. B3LYP，M06-2X 和wB97XD 是Gaussian16 軟件中最常用的3 種雜化泛函，盡管M06-2X 和wB97XD 在其專長領(lǐng)域優(yōu)于B3LYP泛函，但B3LYP憑其出色的綜合性能和普適性仍是當(dāng)前應(yīng)用最多的DFT泛函. 各種功能單體與模板形成復(fù)合物的構(gòu)型與氫鍵作用是本文的考察重點(diǎn)，計(jì)算工作量大. 計(jì)算模擬選用計(jì)算速度最快、積分格點(diǎn)依賴性低的B3LYP 泛函，可在計(jì)算精度要求范圍內(nèi)有效降低計(jì)算耗時(shí). 另外，為了彌補(bǔ)B3LYP 泛函對(duì)范德華作用中的色散吸引描述不完全的缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采用D3（BJ）校正極小點(diǎn)位置. 運(yùn)用DFT/B3LYP-D3（BJ）/6-31G（d，p）計(jì)算方法分別對(duì)BNPP和PO兩種模板分子以及篩選的9種功能單體的構(gòu)象進(jìn)行了優(yōu)化；使用極化連續(xù)模型（PCM）模擬DMSO 溶劑環(huán)境［25］計(jì)算模板-單體復(fù)合物相互作用能（ΔE，kJ/mol）和吉布斯自由能（ΔG，kJ/mol）［26，27］；進(jìn)一步選取與模板結(jié)合能力較好的單體組成雙功能單體體系，計(jì)算模板-雙功能單體體系復(fù)合物的ΔE和ΔG.

通常，在有機(jī)磷神經(jīng)毒劑MIPs的制備過程中，單體與模板分子之間的氫鍵主要來自羧基、酰胺基和吡啶環(huán)等官能團(tuán)，因此本文設(shè)計(jì)平行選取以下幾類功能單體進(jìn)行計(jì)算模擬：（1）酰胺類功能單體，包括4-甲基丙烯酰胺基安替比林（MAAP）和丙烯酰胺（AM）；（2）羧酸類功能單體，包括甲基丙烯酸（MAA）、衣康酸（IA）和4-乙烯基苯甲酸（4-VINA）；（3）吡啶類功能單體，如4-乙烯基吡啶（4-VP）；（4）幾種常見的其它類功能單體，如甲基丙烯酸甲酯（MMA）、3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和苯乙烯（SM）.

根據(jù)下式計(jì)算結(jié)合能（ΔE，kJ/mol）：

式中：Ecomplex（kJ/mol）為模板-功能單體復(fù)合物的總能量；Etemplate（kJ/mol）和Emonomer（kJ/mol）分別為模板和單體的能量.

根據(jù)下式計(jì)算吉布斯自由能變化（ΔG，kJ/mol）：

式中：Gcomplex（kJ/mol）為模板-功能單體復(fù)合物的吉布斯自由能；Gtemplate（kJ/mol）和Gmonomer（kJ/mol）分別為模板和單體的吉布斯自由能.

1.3 SiO2@BNPP-MIPs的制備

以BNPP 為模板分子，MAAP-MAA 為雙功能單體，EGDMA 為交聯(lián)劑，采用表面印跡技術(shù)制備了SiO2@BNPP-MIPs，其制備路線見Scheme 2.

Scheme 2 Synthetic route of molecularly imprinted polymers for BNPP separation

將0.170 g（0.5 mmol）BNPP與0.136 g（0.5mmol）MAAP溶于80 mL DMSO中，加入一定量MAA，于30 ℃下自組裝2 h；隨后向預(yù)組裝體系中依次加入0.10 g 納米二氧化硅和一定量的EGDMA 和AIBN（各物質(zhì)的具體配比見表1），超聲分散均勻，在N2氣氛下于50 ℃預(yù)聚合6 h；然后在60 ℃下聚合反應(yīng)18 h；待反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇洗滌聚合物數(shù)次，以除去未反應(yīng)的物質(zhì)，冷凍干燥12 h.

Table 1 Synthetic conditions of different MIPs

將上述得到的聚合物加入甲醇-醋酸（體積比9∶1）混合溶液中，室溫下振蕩洗滌，直到上層清液中檢測(cè)不到BNPP，依次用乙醇、水洗滌至中性，將得到的MIPs冷凍干燥12 h，待用.

非印跡聚合物（NIPs）的制備方法與此相同，只是反應(yīng)過程中不加模板分子BNPP.

1.4 吸附性能測(cè)試

1.4.1 熱力學(xué)吸附實(shí)驗(yàn) 將10.0 mg MIPs 置于8.0 mL 濃度為0.010～0.100 mmol/L 的BNPP 乙腈溶液中，室溫下振蕩吸附1 h；離心，取上層清液測(cè)BNPP濃度，吸附量Q（mg/g）和印跡因子（IF）分別根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：c0（mg/L）和ce（mg/L）分別為溶液中BNPP 的初始濃度和吸附后的平衡濃度；V（L）為溶液體積；m（g）為MIPs的質(zhì)量.

采用Langmuir［式（5）］和Freundlich［式（6）］等溫線模型對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.

式中：Qe（mg/g）和Qmax（mg/g）分別為MIPs 對(duì)BNPP 的平衡吸附量和理論最大吸附量；b是Langmuir 常數(shù)；KF和n是Freundlich的常數(shù).

使用Scatchard方程進(jìn)一步探究MIPs的吸附機(jī)理：

式中：Q（mg/g）為MIPs對(duì)BNPP的實(shí)驗(yàn)吸附量；Kd（mg/mL）為Scatchard方程的解離常數(shù).

1.4.2 動(dòng)力學(xué)吸附實(shí)驗(yàn) 將10.0 mg MIPs 置于8.0 mL 0.080 mmol/L 的BNPP 乙腈溶液中，振蕩吸附0～40 min，測(cè)定上層清液中BNPP濃度. 采用準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程［式（8）］和準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程［式（9）］對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.

式中：Qt（mg/g）和Qe（mg/g）分別為MIPs對(duì)BNPP在t時(shí)刻的吸附量和平衡吸附量；k1和k2分別為準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù).

1.4.3 非競(jìng)爭條件下的選擇性吸附實(shí)驗(yàn) 將10.0 mg MIPs 分別加入到8.0 mL 0.080 mmol/L BNPP，4-NP，BPA和4-NBA的乙腈溶液中，室溫下振蕩吸附1 h，測(cè)定上層清液中樣品濃度.

1.4.4 重復(fù)吸附實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 將10.0 mg MIPs置于8.0 mL 0.080 mmol/L BNPP 的乙腈溶液中，室溫下振蕩吸附1 h，離心分離MIPs，測(cè)定上層清液中BNPP濃度，使用甲醇-醋酸（體積比9∶1）混合溶液洗滌MIPs，冷凍干燥；重復(fù)上述操作，進(jìn)行5 次吸附-解吸附循環(huán)實(shí)驗(yàn). 將MIPs 放置于真空干燥器中，室溫儲(chǔ)存，分別在0，90，180和270 d時(shí)測(cè)試其對(duì)模板分子的吸附量，進(jìn)行樣品穩(wěn)定性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 理論計(jì)算模擬

2.1.1 BNPP作為有機(jī)磷神經(jīng)毒劑MIPs模擬模板的可行性分析 采用B3LYP-D3（BJ）/6-31G（d，p）方法進(jìn)行計(jì)算，通過諧波振動(dòng)頻率計(jì)算證實(shí)，BNPP和PO兩種模板分子在最低能量時(shí)含有磷酸酯基團(tuán)部分的構(gòu)象完全相同（Scheme 1，兩種模板分子虛線內(nèi)的結(jié)構(gòu)相同），表明兩種分子存在著相同的識(shí)別位點(diǎn)，即磷酸酯基團(tuán)作為質(zhì)子受體，可與功能單體分子中的—COOH，—OH 或—NH2等供電子基團(tuán)形成氫鍵，滿足在有機(jī)磷神經(jīng)毒劑MIPs的制備中作為模擬模板分子的要求.

與PO相比，BNPP分子上具有—OH，能夠與功能單體上的質(zhì)子受體結(jié)合，增強(qiáng)功能單體與模板分子之間的作用力；另外，BNPP分子擁有2個(gè)硝基苯基團(tuán)，分子結(jié)構(gòu)更為伸展，最大程度降低了空間位阻的不利影響，并且苯環(huán)與氧原子間存在的p-π共軛效應(yīng)在一定程度上也固定了BNPP分子的構(gòu)象，使其與功能單體所形成復(fù)合物的構(gòu)型更加穩(wěn)定，即能夠產(chǎn)生與模板更加匹配的分子印跡孔穴.

Fig.1 Configurations of complexes formed between BNPP and MAA(A),IA(B),4?VINA(C),MAAP(D),AM(E),4?VP(F)and MMA(G)

2.1.2 單體-模板相互作用力與能量分析 BNPP和PO分別與處于最低能量構(gòu)象下的幾種功能單體形成的復(fù)合物的構(gòu)型見圖1和圖2，計(jì)算模擬數(shù)據(jù)見表2. 其中MAAP，AM，MAA，IA與BNPP分別能形成2個(gè)氫鍵，而與PO 只能形成1個(gè)氫鍵；4-VP，MMA 與BNPP 分別能形成1個(gè)氫鍵，與PO 則不能形成氫鍵. 氫鍵數(shù)目的差異是由于BNPP分子結(jié)構(gòu)中比PO多含1個(gè)羥基造成的. 另外，從BNPP-MAAP復(fù)合物的構(gòu)象來看，二者之間發(fā)生了分子間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移［圖1（D）］，磷酸酯上的羥基氫轉(zhuǎn)移到MAAP五元環(huán)的羰基氧上. 通常，氫鍵作用越強(qiáng)，越有利于質(zhì)子轉(zhuǎn)移的發(fā)生. 這種質(zhì)子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象說明單體與模板之間存在著較強(qiáng)的氫鍵作用，而氫鍵的強(qiáng)弱則決定分子印跡預(yù)組裝體系的穩(wěn)定性［28，29］. 由此可見，BNPP的羥基不僅可以增加MIPs 體系模板與功能單體間形成的氫鍵數(shù)量，而且其鄰位氫鍵作用顯著增強(qiáng)了氫鍵的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，因此BNPP比PO更適合作為有機(jī)磷神經(jīng)毒劑MIPs的模擬模板.

Fig.2 Configurations of complexes formed between PO and MAA(A),IA(B),4?VINA(C),MAAP(D)and AM(E)

Table 2 Relevant parameters of binding energy(ΔE) between templates and functional monomers in the most stable complex*

從能量角度分析，除了APTES 和SM 外，其余7 種單體與BNPP 的結(jié)合能都明顯低于與PO 的結(jié)合能，表明BNPP可以與這些功能單體形成更穩(wěn)定的復(fù)合物. APTES和SM與2種模板分子結(jié)合能力均較弱，不適合作為磷酸酯類MIPs的功能單體. 在選定的9種功能單體中，MAAP與磷酸酯類模板分子結(jié)合作用最強(qiáng)，這是由于MAAP 分子上的苯環(huán)可作為π電子供體與BNPP 上的π電子受體——硝基苯基團(tuán)之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，由此形成的π-π相互作用增強(qiáng)了MAAP與BNPP間的結(jié)合能力，故二者間的結(jié)合能ΔE更低；且其分子結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)和五元環(huán)等剛性基團(tuán)的存在理論上使其能夠在聚合過程中形成具有一定剛性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而有效維持MIPs 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性. 另外，盡管4-VP，MAAP 與BNPP 復(fù)合物的ΔE都相對(duì)較低，但4-VP 與BNPP 間只形成1 個(gè)氫鍵，因此綜合考慮，在本文計(jì)算范圍內(nèi)認(rèn)為MAAP是印跡磷酸酯類分子的首選功能單體.

2.1.3 雙功能單體-模板復(fù)合物相互作用力與能量分析 為了討論多種官能團(tuán)的協(xié)同作用對(duì)有機(jī)磷分子印跡聚合物性能的影響，設(shè)計(jì)了3種雙功能單體體系. 選擇與模板分子結(jié)合能力最強(qiáng)且空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好的MAAP作為第一功能單體，分別選取酰胺類功能單體AM、羧酸類功能單體MAA和吡啶類功能單體4-VP作為第二功能單體. 3組雙功能單體體系MAAP-AM，MAAP-MAA和MAAP-4-VP分別與BNPP和PO兩種模板分子形成的復(fù)合物參數(shù)如表3所示.

BNPP-MAAP 與AM，MAA 及4-VP 形成的三元復(fù)合物均具有多種構(gòu)象，實(shí)驗(yàn)分別選擇這些三元復(fù)合物的最穩(wěn)定構(gòu)象進(jìn)行能量變化研究（圖3）.

Table 3 Relevant parameters of hydrogen bond and binding energy(ΔE) between templates and bifunctional monomer*

Fig.3 ΔE values for interaction complexes

BNPP-MAAP 二元體系的ΔE為-79.941 kJ/mol（表2），加入第二功能單體AM 后，BNPP-MAAP-AM三元體系的結(jié)合能降低至-101.696 kJ/mol，表明AM的加入顯著提高了分子印跡體系的穩(wěn)定性. 其原因是AM構(gòu)象的靈活性有利于單體體系對(duì)模板分子的包圍，能夠彌補(bǔ)MAAP分子剛性過強(qiáng)不利于交聯(lián)聚合網(wǎng)絡(luò)形成的不足，從而形成與模板分子更加匹配的空間孔穴. BNPP-MAAP-MAA 復(fù)合物的ΔE為-111.492 kJ/mol，在3種雙功能單體體系中能量最低. MAA作為第二功能單體除了具有AM的優(yōu)點(diǎn)外，其羧基的存在也豐富了單體體系的官能團(tuán)種類，使得分子間氫鍵的連接方式多樣化，能夠與模板分子形成更多種類的最低能量構(gòu)象，更有利于分子印跡孔穴的形成和發(fā)展［30］. BNPP-MAAP-4-VP體系因?yàn)棣較高（13.075 kJ/mol），反應(yīng)很難自發(fā)進(jìn)行，因此4-VP不適合作為本文MAAP體系的第二功能單體.

從表3數(shù)據(jù)還可以看出，PO與3組雙功能單體體系也可以形成多種復(fù)合物構(gòu)型，表明分子印跡預(yù)組裝體系具有良好的靈活性；但與BNPP相比，PO與各功能單體體系的ΔE均較高，表明PO復(fù)合物穩(wěn)定性較差；且ΔG均大于29 kJ/mol，表明PO與功能單體的結(jié)合過程很難自發(fā)進(jìn)行.

2.2 MIPs吸附性能的影響因素及表征

2.2.1 MIPs吸附性能的影響因素 實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察了雙功能單體體系和交聯(lián)劑用量對(duì)MIPs吸附量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著第二功能單體MAA 用量的增加，MIPs 吸附容量先增加而后降低［圖4（A）］. 這是因?yàn)镸AA用量增加能夠彌補(bǔ)MAAP分子剛性過大而不易與模板形成有效識(shí)別位點(diǎn)的不足，且MAA靈活的構(gòu)象有助于分子印跡孔穴空間結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步完善；但MAA過量時(shí)會(huì)有單體部分或全部暴露于聚合物表面，發(fā)生半特異性或非特異性吸附，導(dǎo)致吸附量有所下降. 隨著交聯(lián)劑EGDMA用量的增加，MIPs吸附容量先增加而后略有降低［圖4（B）］. 這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)慕宦?lián)度會(huì)提高M(jìn)IPs 強(qiáng)度，保證印跡孔穴的穩(wěn)定性，因而吸附量增加；但交聯(lián)劑過量會(huì)使MIPs 缺少柔性而影響傳質(zhì)作用，吸附量反而會(huì)下降.此外，對(duì)比單功能單體制備的MIPs，雙功能單體體系制備的MIPs 的吸附能力明顯提升［圖4（C）］；由圖4（A）和（B）可知，反應(yīng)體系中最佳n（BNPP）/n（MAAP）/n（MAA）/n（EGDMA）為1∶1∶4∶20，后續(xù)聚合將依照該摩爾比投料并對(duì)制備的材料（MIP3）進(jìn)行表征.

Fig.4 Optimization of imprinting conditions

Fig.5 FTIR spectra of MIP3(a)and NIP3(b)

Fig.6 TG curve of MIP3

2.2.2 紅外光譜分析 圖5曲線a和b分別為MIP3和NIP3的FTIR譜圖. 其中798 cm-1處為Si—O的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，2914 cm-1處為飽和C—H伸縮振動(dòng)峰，3437 cm-1處為—OH的伸縮振動(dòng)峰；變化明顯的兩個(gè)吸收峰分別是1117 cm-1處C—O—C的伸縮振動(dòng)峰和1728 cm-1處C=O的伸縮振動(dòng)峰. 由此說明在SiO2微球表面已成功制備了分子印跡聚合物層.

2.2.3 熱重分析 MIP3的TG曲線表明，其在300 ℃之前的失重率為6.35%（圖6），這一部分的失重主要來自于硅球表面部分羥基的分解；當(dāng)溫度在300～450 ℃區(qū)間時(shí)，樣品出現(xiàn)了明顯的失重，這一部分的失重主要是來自于MIP3表面聚合物層中有機(jī)物基團(tuán)的分解. TG分析結(jié)果表明，材料在300 ℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性.

2.2.4 形貌分析 采用SEM和TEM對(duì)MIP3的形貌進(jìn)行表征. 結(jié)果表明，二氧化硅微球［圖7（A）］表面光滑，平均粒徑約為500 nm. 與SiO2相比，MIP3［圖7（B）］表面明顯變得粗糙，包覆了一層約為26 nm厚的印跡聚合物，呈現(xiàn)出核-殼式結(jié)構(gòu)，表明核殼分子印跡聚合物已成功制備.

Fig.7 SEM and TEM(inset)photographs of SiO2(A)and MIP3(B)

進(jìn)一步采用N2吸附-脫附等溫線表征材料的孔結(jié)構(gòu). MIP3和NIP3的N2吸附-脫附等溫線均為Ⅳ型曲線，吸附回滯環(huán)為H4型［圖8（A）和（B）］，說明材料中具有一定的介孔結(jié)構(gòu)［31］. 從孔徑分布曲線（圖8插圖）可以看出，MIP3在12 nm左右有明顯的孔結(jié)構(gòu)分布，而NIP3并未出現(xiàn)；且MIP3的比表面積和孔體積分別為25.995 m2/g 和0.073 cm3/g（表4），均大于NIP3，表明制備的MIPs 具有比NIPs 更加豐富的孔結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的吸附效果也會(huì)更好.

Fig.8 Nitrogen adsorption?desorption isotherms and the pore size distributions(insets)of NIP3(A)and MIP3(B)

Table 4 Specific surface area,pore size and volume of the samples

2.3 吸附性能評(píng)價(jià)

2.3.1 MIPs 的吸附動(dòng)力學(xué) 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，MIP3 對(duì)模板分子BNPP 具有較快的吸附速率（圖9插圖），5 min即可達(dá)到最大吸附量的92%，15 min左右達(dá)到吸附平衡. 采用準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)MIP3 的吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（圖9），準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合的R2（0.9952）大于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合的R2（0.9741）. 另外，準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合的平衡吸附量（19.140 mg/g）比準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合的平衡吸附量（13.935 mg/g）更接近于實(shí)驗(yàn)值（19.026 mg/g），說明準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型可以更好地描述吸附過程. 通常，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型建立是基于假定吸附速率受化學(xué)吸附機(jī)理的控制［32］，因此可認(rèn)為該過程屬于化學(xué)吸附過程.

Fig.9 Pseudo?first?order and pseudo?second?orderkinetics curves for BNPP adsorption on MIP3 Inset：adsorption rates of MIPs for BNPP in solution.

Fig.10 Langmuir and Freundlich isotherm models for BNPP adsorption on MIP3 using non?linear regression

2.3.2 MIPs的吸附熱力學(xué) 采用Langmuir和Freundlich模型對(duì)吸附等溫線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（圖10），隨著初始濃度的增加，MIP3對(duì)BNPP的吸附容量逐漸增加. Langmuir吸附等溫方程擬合的R2（0.9937）大于Freundlich 吸附等溫方程的R2（0.9698），這說明MIPs 的吸附過程更適合用Langmuir 等溫模型進(jìn)行描述. 通常，Langmuir吸附等溫方程假定吸附是單層吸附且吸附劑表面達(dá)到吸附飽和后吸附量達(dá)到最大值［33］. 因此，可認(rèn)為MIP3 對(duì)BNPP 的結(jié)合位點(diǎn)也是均質(zhì)的，對(duì)BNPP 的吸附屬于一個(gè)單層表面吸附過程. 另外，F(xiàn)reundlich 等溫模型擬合得到的結(jié)果n值（1.780）大于1，說明MIP3 對(duì)BNPP 模板是易于吸附的.

Fig.11 Scatchard adsorption model of BNPP on MIP3(A)and NIP3(B)

Table 5 Affinity constant(Ka)and maximum number of binding sites(Qmax)for MIP3 and NIP3

2.3.3 Scatchard 分析 利用Scatchard 模型進(jìn)一步分析MIPs的印跡機(jī)理. 很明顯，MIP3的散點(diǎn)圖是呈非線性分布的［圖11（A）］，向下凹的曲線是由兩條直線加和而成的，曲線前部分斜率很陡，表明MIP3存在高親和位點(diǎn)；然后趨于平坦，表明MIP3也存在著低親和位點(diǎn). 通過擬合直線的斜率和截距計(jì)算親和常數(shù)Ka（Ka=1/Kd）和Qmax（表5）. 高親和位點(diǎn)的Ka值是低親和力位點(diǎn)的6.05倍，說明MIPs中的特異性識(shí)別位點(diǎn)數(shù)目是占優(yōu)的. NIP3的散點(diǎn)圖［圖11（B）］用一條直線就可以擬合得較好，說明NIPs微球中缺乏BNPP特異性結(jié)合位點(diǎn)，屬于物理吸附而非特異性吸附.

2.3.4 非競(jìng)爭條件下的選擇性吸附 實(shí)驗(yàn)選擇4-NP，BPA 和4-NBA 3 種物質(zhì)作為MIP3 特異性吸附的干擾物（圖12）. 這是因?yàn)?-NP 是BNPP 的水解產(chǎn)物；BPA 與BNPP 都具有雙苯環(huán)剛性結(jié)構(gòu)；4-NBA與BNPP 官能團(tuán)組成相似，都具有硝基苯基團(tuán)和多個(gè)氫鍵識(shí)別位點(diǎn). 但因?yàn)锽NPP 最大吸收波長（248 nm）與干擾物4-NP（308 nm），BPA（278 nm）和4-NBA（264 nm）的最大吸收波長相近，會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度，故選擇非競(jìng)爭條件下的吸附實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)MIPs 的選擇性. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MIP3 對(duì)BNPP模板明顯具有更高的結(jié)合能力. MIP3的印跡因子（IF）為3.39，對(duì)4-NP，4-NBA 和BPA 的分離因子分別為17.50，7.78和3.18.

Fig.12 Selectivity of the MIP3 to the analytes

2.3.5 重復(fù)使用性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性 MIP3具有良好的重復(fù)使用性能，5次重復(fù)使用的吸附效率均高于90%（圖13）. 這是因?yàn)镸IPs內(nèi)部穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其具有良好的可重復(fù)利用性，說明MIP3是一種高效、穩(wěn)定并可以重復(fù)使用的材料.

MIPs儲(chǔ)存穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，儲(chǔ)存90 d時(shí)MIPs對(duì)模板分子的吸附量變化不大，之后吸附量稍微下降（圖14），這可能是由于MIPs中不穩(wěn)定的半特異性或非特異性孔穴結(jié)構(gòu)所致. 其中MIP3存儲(chǔ)270 d時(shí)，吸附量損失率低于10%，說明MIP3材料具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性.

Fig.13 Recoveries of MIP3 for BNPP in five successive cycles

Fig.14 Adsorption capacity of MIPs after different storage time

3 結(jié)論

通過量子化學(xué)密度泛函理論計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了BNPP 可以替代PO 用作有機(jī)磷神經(jīng)毒劑分子印跡聚合物模板分子模擬物. 以功能化的納米二氧化硅為載體，MAAP-MAA為單體，采用表面印跡法制備了SiO2@BNPP-MIPs，其最大吸附容量達(dá)到19.03 mg/g，且重復(fù)使用性良好，5 min即可達(dá)到吸附平衡量的92%. 這種優(yōu)異的快速吸附性能使其有望在化學(xué)戰(zhàn)劑吸附裝備方面具有良好的應(yīng)用前景. 研究也證明了理論計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)手段結(jié)合是設(shè)計(jì)制備化學(xué)戰(zhàn)劑MIPs的一條非常有效的研究手段.