納米TiO2基綠原酸印跡聚合物的制備及其吸附研究

譚先周，李 輝，，逯翠梅，李 貴

（1 吉首大學(xué)植物資源保護(hù)與利用湖南省高校重點實驗室，湖南 吉首 416000；2 吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000）

分子印跡識別的高選擇性來源于印跡聚合物基體中大量在大小、形狀及功能基等方面與目標(biāo)分子相匹配的結(jié)合位點[1]。印跡位點的這一特性展現(xiàn)了分子印跡技術(shù)在萃取分離、催化合成、色譜分析、毛細(xì)管電泳、藥物緩釋及傳感器等方面的優(yōu)異特性和美好前景[2-7]，但分子印跡技術(shù)在實際應(yīng)用中仍受到諸多因素的影響和制約，人們在不斷探尋新的制備技術(shù)以改善印跡識別效能，并提高其實際適用 性[8-9]。以納米TiO2、硅膠等材料為載體的表面印跡技術(shù)近年來受到了研究者們的關(guān)注和重視[10-14]。綠原酸是金銀花、杜仲等植物中的一種多酚化合物，具有抗菌、抗病毒、清除自由基等生物活性[15]。本文作者以納米TiO2為犧牲材料、綠原酸為模板、甲基丙烯酸（MAA）為功能單體、二甲基丙烯酸乙二醇酯為交聯(lián)劑制備了綠原酸印跡聚合物，并探討了其吸附效能。

1 實驗部分

1.1 試劑與材料

標(biāo)準(zhǔn)綠原酸（CGA，98%）和咖啡酸（CA，98%）購自中國藥品生物制品檢定所。其分子結(jié)構(gòu)示于 圖1。甲基丙烯酸（MAA）和二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）來自Sigma 公司。偶氮二異丁腈（AIBN，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心），氫氟酸（HF）、三氯甲烷、冰乙酸（湖南匯虹試劑有限公司），甲醇（AR，天津富宇精細(xì)化工有限公司），乙腈（AR，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）。Nano-TiO2（純度為99%，200 nm）購自上海匯精納米材料有限公司。杜仲葉采自湖南慈利縣江埡林場。杜仲葉甲醇提取物按如下方法制備：稱取5.0 g干燥的杜仲葉，粉碎，用三氯甲烷回流30 min，過濾，殘渣再用甲醇提取20 min，過濾后的濾液置于冰箱中備用。

圖1 綠原酸及咖啡酸的分子結(jié)構(gòu)

1.2 儀器與設(shè)備

FA2004 電子天平（上海精科天平公司）、KQ-250E 超聲振蕩器（昆山市超聲儀器有限公司）、LC-20A 高效液相色譜（日本島津公司）用于定性定量分析，WGH-30A 紅外光譜儀（上海勇規(guī)分析儀器有限公司）用于測定聚合物的紅外光譜。S-3400掃描電鏡用于觀測聚合物的表面形貌。

1.3 分子印跡聚合物的制備

1.3.1 納米TiO2表面制備分子印跡聚合物（T-MIP）

將1.0 mmol 綠原酸和4.0 mmol MAA 溶解到裝有10 mL 乙腈的50 mL 圓底燒瓶中，超聲處理2 min，通氬氣5 min?；旌衔锶芤红o置30 min 后，加入240 mg 納米TiO2，室溫下攪拌2 h 后，加入16 mmol EGDMA 和0.1 mmol AIBN，得到預(yù)聚合混合物。通入氬氣10 min，然后置于60 ℃水浴中，反應(yīng)24 h（保持通氬氣），冷卻到室溫，得疏松塊狀聚合物。聚合物依次用甲醇-乙酸混合液（體積比為8∶2）、乙醇和乙腈洗脫，直至洗脫液中檢測不出模板分子。將聚合物置于真空干燥箱中于323 K 干燥后，稍加研磨得顆粒狀分子印跡聚合物T-MIP。不加模板，按照同樣的步驟制得非印跡聚合物T-NIP。

1.3.2 制備中空分子印跡聚合物H-MIP

將如上制備的聚合物T-MIP 和T-NIP 分別裝入聚乙烯塑料燒杯中，加入3 mL 丙酮潤濕，再加入20 mL40%的HF，充分?jǐn)嚢?，反?yīng)20 h 后加入50 mL去離子水，過濾，用去離子水洗滌聚合物至洗脫液呈中性。固體物質(zhì)于60 ℃真空干燥，得到脫除了納米TiO2基質(zhì)的中空分子印跡聚合物H-MIP 和非印跡聚合物H-NIP。制備過程如圖2 所示。

圖2 分子印跡聚合物制備流程

1.4 等溫吸附

將10 mg 分子印跡聚合物T-MIP、H-MIP、T-NIP或H-NIP 分別加入到10 mL 不同濃度的綠原酸乙腈溶液中（綠原酸濃度分別為0.01 mmol/L、0.02 mmol/L、0.04 mmol/L、0.06 mmol/L、0.08 mmol/L、0.10 mmol/L、0.15 mmol/L、0.20 mmol/L、0.30 mmol/L、0.40 mmol/L），靜態(tài)吸附4 h 后，過濾，濾液用乙腈定容到5 mL，測試濾液中綠原酸濃度，由式（1）計算平衡吸附量qe（μmol/g）。

式中，C0為吸附質(zhì)初始濃度，mmol/L；Ce為平衡濃度，mmol/L；W 為聚合物質(zhì)量，g；V 為溶液體積，mL。

1.5 吸附選擇性

通過測定中空分子印跡聚合物H-MIP 和非印跡聚合物H-NIP 對模板及結(jié)構(gòu)類似物咖啡酸的靜態(tài)吸附量來研究分子印跡聚合物的選擇識別能力。測試時，底物初始濃度為0.1 mg/mL-1，吸附4 h 后，高效液相色譜測定溶液中底物濃度。分布系數(shù)（Kd，mL/g）定義為式（2）。

印跡聚合物對模板的選擇系數(shù)（k）和相對選擇系數(shù)（k′）分別定義為式（3）、式（4）。

式中，Kd(template)和 Kd(analogue)分別為模板及類似物的分布系數(shù)；MIPk 和NIPk 分別是印跡聚合物和非印跡聚合物的選擇系數(shù)。

1.6 樣品固相萃取

稱取20 mg 分子印跡聚合物H-MIP，填入微固相萃取器中。取10 mL 杜仲葉的甲醇提取液，分成兩份，每份5 mL。其中一份流經(jīng)微固相萃取器，收集濾液定容到5 mL；另一份作為對照。用高效液相色譜分析甲醇提取液和固相萃取濾液中的綠原酸 含量。

1.7 高效液相色譜分析

高效液相色譜用于定性和定量分析。C18 柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）為分離柱，甲醇-水-乙酸（20.3∶78.7∶1.0，體積比）混合物為流動相，流速為1.0 mL/min。進(jìn)樣體積為10 μL，檢測波長為278 nm。每次測定重復(fù)2 次，標(biāo)準(zhǔn)曲線法用于 定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子印跡聚合物的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 紅外光譜分析

圖3 納米二氧化鈦、印跡聚合物T-MIP 和H-MIP 的傅里葉紅外光譜

圖3 給出了納米TiO2、分子印跡聚合物T-MIP 和H-MIP 的傅里葉紅外光譜圖。波數(shù)1108 cm-1處是TiO2分子中的Ti—O 伸縮振動吸收峰，當(dāng)分子印跡聚合物在納米TiO2表面制備后，該吸收峰移到1106 cm-1處，而除去TiO2后的H-MIP 中，該吸收峰消失。T-MIP 紅外光譜中，波數(shù)3506 cm-1和2990 cm-1分別為羥基—OH 的O—H 伸縮振動和亞甲 基—CH2—中C—H 伸縮振動吸收，波數(shù)1746 cm-1、1497 cm-1、1390 cm-1和1230 cm-1處分別對應(yīng)于C=O、C=C、C—C 及C—O 鍵伸縮振動吸收。對于中空的分子印跡聚合物，羥基O—H 伸縮振動移動到3498 cm-1，亞甲基中的C—H 伸縮振動在3001 cm-1和2995 cm-1出現(xiàn)兩個吸收峰，而C=O、C=C、C—C 及C—O 鍵伸縮振動吸收則分別移到1748 cm-1、1496 cm-1、1392 cm-1和1232 cm-1處。該光譜顯示了在納米TiO2表面的成功印跡及納米TiO2作為犧牲材料的有效去除。

2.1.2 電鏡分析

印跡聚合物T-MIP 和非印跡聚合物T-NIP 及去除納米TiO2基質(zhì)后的中空分子印跡聚合物（H-MIP）和非印跡聚合物（H-NIP）的電鏡圖示于圖4 中?？梢钥吹?，溶解納米TiO2前，聚合物顆粒大小分布不均，形狀不規(guī)則，這可能是由于預(yù)聚合體系中存在多種相互作用及生成了一些低聚物而引起的。而當(dāng)納米TiO2被去除后，H-MIP 和H-NIP 均顯示了大量的小空洞，印跡位點分布于這些小空洞中，印跡位點及大量空穴的形成有利于分子印跡聚合物對目標(biāo)分子的選擇吸附。

2.2 聚合物的吸附性能

2.2.1 等溫吸附

圖5 顯示了分子印跡聚合物（T-MIP 和H-MIP）及非印跡聚合物（T-NIP 和H-NIP）的吸附等溫線?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孜餄舛认嗤瑫r，中空分子印跡聚合物H-MIP 吸附量最大，遠(yuǎn)高于H-NIP 的吸附能力，這是由于H-MIP 表面存有大量與模板分子匹配的 鍵合位點。另外，H-MIP 的吸附能力也高于T-MIP，這主要是由于溶解支持物后，生成了大量的微孔穴，印跡位點易于裸露出來，促進(jìn)了印跡聚合物對模板分子的吸附；同時，聚合物顆粒變小，比表面積增大，有利于吸附。

圖4 印跡聚合物及非印跡聚合物的掃描電鏡圖

為探究中空分子印跡聚合物H-MIP 的表面結(jié)合位點分布及位點均勻程度，分別用Langmuir 和Freundlich 模型對H-MIP 的實驗吸附等溫線進(jìn)行 擬合。見式（5）、式（6）。

式中，Ce為綠原酸的平衡濃度，mmol/L；qe為平衡吸附量，μmol/g；qm和KF為最大吸附量，μmol/g；KL為Langmuir 吸附常數(shù)，L/mmol；bF為吸附強(qiáng)度系數(shù)。

圖6 給出了H-MIP 的實驗等溫吸附值及兩種模型的擬合曲線。實點為H-MIP 的實驗吸附點，線為擬合曲線。擬合程度的好壞用R2來評價，其值越小表明擬合程度越好。

圖5 分子印跡聚合物（T-MIP 和H-MIP）及非印跡聚合物（T-NIP 和H-NIP）的吸附等溫線

圖6 H-MIP 實驗吸附等溫值（實點）及Langmuir（短虛線）和Freundlich（加號線）擬合曲線

式中，qi,Theory和 qi,Experimental分別是理論值和實驗值；n 為實驗點個數(shù)。

2.3 樣品應(yīng)用

圖7 顯示了杜仲葉甲醇提取液及其用分子印跡聚合物（H-MIP）吸附后濾液的高效液相色譜圖。保留時間20.88 min 和28.5 min 的峰分別是綠原酸和咖啡酸。通過比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)，杜仲葉的甲醇提取液經(jīng)分子印跡聚合物吸附后，綠原酸和咖啡酸的峰高均大幅降低，表明了印跡聚合物對目標(biāo)物綠原酸的高效吸附性能。

表1 分子印跡聚合物H-MIP 實驗吸附等溫值及Langmuir和Freundlich 擬合參數(shù)

表2 分子印跡聚合物H-MIP 和非印跡聚合物H-NIP 對模板的選擇識別

圖7 杜仲葉甲醇初提液及分子印跡聚合物（H-MIP）吸附后濾液的HPLC 圖

3 結(jié) 論

以TiO2為犧牲材料制備了綠原酸印跡聚合物（T-MIP、H-MIP）及非印跡聚合物面（T-NIP、H-NIP），用傅里葉紅外光譜和掃描電鏡對聚合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。通過靜態(tài)吸附研究，發(fā)現(xiàn)中空分子印跡聚合物H-MIP 對模板分子具有較強(qiáng)的吸附能力和較高的吸附選擇性（相對選擇系數(shù)為3.353）。Freundlich 模型比Langmuir 模型更適合描述H-MIP對模板的吸附行為。另外，將分子印跡聚合物H-MIP用于對杜仲甲醇提取液的綠原酸進(jìn)行固相微富集時，表現(xiàn)了較好的吸附效果。但中空分子印跡聚合物中印跡位點、空穴數(shù)目與吸附容量間的關(guān)系及支持載體TiO2對H-MIP 結(jié)構(gòu)和性能的影響仍有待進(jìn)一步研究。

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