基于葫蘆[6]脲的分子印跡聚合物的制備及其選擇性吸附研究

＊許海珍 張寧 黃曉玲

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站烏蘭察布分站 內(nèi)蒙古 012000 2.內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 內(nèi)蒙古 010021）

分子印跡聚合物（MIP）通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)慕宦?lián)劑、功能單體及模板，在聚合物中，定向構(gòu)建特異性的識(shí)別位點(diǎn)。移除模板后，在該聚合物上產(chǎn)生印跡腔或結(jié)合位點(diǎn)，其與模板互補(bǔ)，因此，MIP可以特異性的捕獲目標(biāo)分子[1]。因此，MIP被認(rèn)為是模擬抗體、酶或天然受體作為識(shí)別元件的候選材料，已廣泛應(yīng)用于色譜分離、固相萃取、模擬酶催化、化學(xué)仿生傳感器、膜分離技術(shù)以及藥物投遞系統(tǒng)等領(lǐng)域[2-4]。

目前，MIP大多在有機(jī)溶液中才能表現(xiàn)出優(yōu)異的分子識(shí)別性能，很少適用于水溶液。然而，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等各方面考慮，迫切需要研發(fā)適用于水溶液體系的MIP材料[5-6]。

目前研究者使用含有脒[7]、胍[8]、脲[9]、環(huán)糊精[10]等特殊基團(tuán)的功能單體，可以增強(qiáng)模板分子與印跡空穴內(nèi)功能基團(tuán)間的非共價(jià)相互作用，提高分子印跡材料在水相中的選擇識(shí)別性。葫蘆[6]脲（CB[6]）是一類人工合成的大環(huán)主體，與許多物質(zhì)在水溶液中形成穩(wěn)定的主-客體配合物，其水溶液中的鍵合穩(wěn)定常數(shù)（K=108-1012M-1）與天然抗體-抗原相當(dāng)[11]。因此，可以將CB[6]大環(huán)應(yīng)用于水溶液中分子印跡聚合物的選擇性識(shí)別，本論文選擇CB[6]-(OH)12和HDI作為功能單體，茶堿作為模板，制備基于CB[6]的MIP，將模板洗脫后，獲得了具有與茶堿相匹配的印跡空腔，該MIP材料，對(duì)于茶堿具有較高選擇性。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)試劑與儀器

CB[6]-(OH)12實(shí)驗(yàn)室自制[11]；HDI，天津風(fēng)船試劑有限公司；茶堿，可可堿，阿拉丁試劑有限公司。

紅外光譜用紅外光譜儀測(cè)試，型號(hào)NEXUS-6700。MIP形貌通過(guò)掃描電子顯微鏡測(cè)試，型號(hào)為日立公司S-4800，樣品噴金。茶堿濃度采用紫外波譜儀測(cè)試，型號(hào)德國(guó)Analytikjiena的SPECORD 50。茶堿與可可堿的相對(duì)含量通過(guò)高效液相色譜儀測(cè)試（HPLC），型號(hào)為UltiMate 3000。

(2)分子印跡聚合物(MIP)及非印跡聚合物(NIP)的制備

CB[6]-(OH)12（0.3g）與茶堿以3:2的摩爾比混合，置于100mL干燥的克氏燒瓶中，加入30mL無(wú)水DMSO，除氧，60℃反應(yīng)12h后注入0.9mmol的HDI，再反應(yīng)12h后抽濾，固體用去離子水和丙酮洗滌3次，得到MIP1。改變HDI加入量，如表1所示，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，分別得到MIP2，MIP3，MIP4。用甲醇索氏提取48h，得到固體，真空烘干。非分子印跡聚合物制備過(guò)程中，不加模板分子，除此之外，與上述過(guò)程相同。

(3)靜態(tài)吸附方法

分別將20mg吸附材料加入到10mL茶堿溶液（100mg/L）中，恒溫震蕩24h。取上層清液測(cè)271nm的紫外吸收，得到茶堿的濃度，通過(guò)公式（1）計(jì)算茶堿的平衡吸附量（Q，mg/g）。

式中，C0和Ce分別為茶堿的初始濃度和平衡濃度，mg/L；V為溶液體積，L；W為吸附劑質(zhì)量，g。

(4)選擇性吸附方法

以可可堿作為對(duì)照物，測(cè)定了MIP和NIP對(duì)茶堿的選擇性。將5mL濃度均為100mg/L的茶堿和可可堿混合，將20mg吸附材料（MIP或NIP）加上述混合溶液中，恒溫振蕩4h，取上層清液，由HPLC測(cè)定溶液中剩余的茶堿和可可堿的相對(duì)含量。

2.結(jié)果與討論

(1)配比優(yōu)化

利用CB[6]-(OH)12的羥基與異氰酸酯基反應(yīng)，以茶堿為模板，反應(yīng)方程，如圖1所示。分別考察了HDI與CB[6]-(OH)12不同配比時(shí)，茶堿的平衡吸附量。由表1可知，MIP2分子印跡聚合物的吸附容量最大，為4.69mg/g。因此，后續(xù)將依照該樣品的配比合成MIP，即HDI/CB[6]-(OH)12/茶堿的摩爾比為6:3:2。

表1 MIP的投料比及平衡吸附濃度

圖1 MIP的合成方程式圖

(2)MIP和NIP的紅外光譜

由圖2a可知，CB[6]-(OH)12在1737cm-1為CB[6]羰基伸縮振動(dòng)吸收峰；1476cm-1為C-N伸縮振動(dòng)吸收峰。圖2b為茶堿的紅外譜圖，1715cm-1為N-H伸縮振動(dòng)吸收峰，1567cm-1為C=N-伸縮振動(dòng)吸收峰。圖2c可知，NIP在1739cm-1為CB[6]羰基的伸縮振動(dòng)吸收峰，圖2d中，MIP在1739cm-1為CB[6]羰基的伸縮振動(dòng)吸收峰，并且在1715cm-1和1567cm-1為茶堿的吸收峰，由此可知，分子印跡聚合物成功合成。

圖2 紅外譜圖（a）CB[6]-(OH)12；（b）茶堿；（c）NIP；（d）帶茶堿模板的MIP

通過(guò)索氏提取可以將茶堿去掉，獲得的去模板-MIP，該聚合物可以與茶堿再結(jié)合，得到再吸附-MIP。圖3b和3c分別為去模板-MIP和再吸附-MIP紅外譜圖。由圖3b可知，去掉茶堿后，1715cm-1和1567cm-1的吸收峰明顯變?nèi)?，說(shuō)明茶堿殘留量很低。將茶堿與MIP再結(jié)合后，在1715cm-1和1567cm-1重新出現(xiàn)較強(qiáng)的吸收峰（圖3c），說(shuō)明MIP可以很好的去模板及結(jié)合模板。

圖3 聚合物紅外譜圖（a）茶堿-MIP；（b）去模板-MIP；（c）再吸附-MIP

(3)MIP的形貌

圖4為MIP的掃描電鏡圖，由圖中可知MIP為100～500nm分散較均勻的納米顆粒，其比表面積較大，因而其吸附能力較強(qiáng)。

圖4 MIP掃描電鏡圖

(4)MIP的吸附性能研究

由圖5可知，MIP的吸附容量均大于NIP的吸附容量。利用Scatchard方程（2）對(duì)圖5的吸附等溫線進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 聚合物對(duì)茶堿分子的吸附等溫線（a）MIP；（b）NIP

圖6 MIP的Scatchard方程曲線

圖7 NIP的Scatchard方程曲線

圖6為MIP的Scatchard方程圖，MIP曲線可以分兩段擬合成兩條直線，說(shuō)明MIP存在兩種親和力不同的吸附類型，一種是親和力較強(qiáng)的特異性吸附，另一種是親和力較弱的非特異性吸附，通過(guò)擬合方程，得到MIP的解離平衡常數(shù)KdMIP=14.86L/mg，最大表觀吸附容量QmaxMIP=4.63mg/g；NIP的解離平衡常數(shù)KdNIP=32.67L/mg，最大表觀吸附容量QmaxNIP=4.35mg/g；QmaxMIP＞QmaxNIP，說(shuō)明在MIP中，存在與茶堿分子相匹配的識(shí)別位點(diǎn)，從而使得MIP的吸附容量增加[12]。

(5)選擇性吸附

選擇可可堿作為競(jìng)爭(zhēng)分子，分別研究MIP及NIP對(duì)茶堿與可可堿混合溶液的選擇性吸附，并通過(guò)高效液相色譜法進(jìn)行表征，如圖7所示,為吸附后的高效液相色譜圖，保留時(shí)間較短的為可可堿，保留時(shí)間較長(zhǎng)的為茶堿，分別計(jì)算色譜峰的積分面積，將其分別標(biāo)記為A茶堿和A可可堿，通過(guò)下式可以計(jì)算選擇性系數(shù)K=A茶堿/A可可堿，MIP的選擇性系數(shù)KMIP=2.37，NIP的KNIP=0.88。因此，MIP對(duì)茶堿具有較好的選擇性，而NIP對(duì)于可可堿和茶堿不具有非常顯著的選擇性，此結(jié)果再次證明，通過(guò)此方法所合成的MIP具有良好的印跡效果[12]。

圖8 MIP與NIP對(duì)茶堿與可可堿混合溶液吸附后的液相色譜圖

3.結(jié)論

本論文以HDI和CB[6]-(OH)12為功能單體，以茶堿為模板，制備了一種基于CB[6]大環(huán)的MIP，研究發(fā)現(xiàn)，HDI/CB[6]-(OH)12/茶堿的摩爾比為6:3:2時(shí)，MIP具有最大的吸附容量。MIP對(duì)茶堿分子表現(xiàn)出特異性吸附和非特異性吸附兩種方式。以可可堿作為對(duì)照物時(shí)，MIP對(duì)茶堿的選擇性系數(shù)KMIP=2.37，NIP的選擇性系數(shù)KNIP=0.88，表明MIP對(duì)模板具有良好的識(shí)別能力。