對(duì)羥基苯甲酸分子印跡聚合物中模板分子的洗脫

劉小娟,姜夏云,吳鋒景，陶 琦，李 伍

(湖南工程學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，湘潭 411104)

對(duì)羥基苯甲酸分子印跡聚合物中模板分子的洗脫

劉小娟,姜夏云,吳鋒景，陶 琦，李 伍

(湖南工程學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，湘潭 411104)

以對(duì)羥基苯甲酸為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，采用懸浮聚合法制備對(duì)羥基苯甲酸分子印跡聚合物，通過索氏提取和超聲波/離心提取工藝洗脫模板分子，利用掃描電鏡對(duì)洗脫后的印跡聚合物進(jìn)行表征，并對(duì)洗脫后聚合物的吸附性能進(jìn)行評(píng)價(jià).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與索氏提取工藝相比，超聲波/離心提取工藝在16.5 h內(nèi)快速地洗脫印跡聚合物，洗脫后的印跡聚合物的形貌呈微球形狀，粒徑分布在0.5～6 μm之間，對(duì)模板分子具有良好的吸附性能.采取該方法可以快速檢測(cè)環(huán)境中的對(duì)羥基苯甲酸.

對(duì)羥基苯甲酸；分子印跡聚合物；索氏提??；超聲波/離心提取

對(duì)羥基苯甲酸 (4-Hydroxybenzoate，4-HB)是一種有機(jī)合成原料，主要應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)藥、農(nóng)藥和染料等領(lǐng)域，并且在防腐、殺菌等方面也有廣泛的應(yīng)用[1-3].對(duì)羥基苯甲酸屬于酚酸類物質(zhì)，具有致癌性，若處理不當(dāng)排放到環(huán)境中，會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染.目前檢測(cè)微痕量對(duì)羥基苯甲酸的常用方法是液相色譜法[4-5]，該法操作簡便、重現(xiàn)性好，準(zhǔn)確性高，但設(shè)備費(fèi)用高、前處理復(fù)雜、分離慢，不適合廣泛應(yīng)用.因此建立快速檢測(cè)對(duì)羥基苯甲酸的方法刻不容緩.

分子印跡技術(shù)是一項(xiàng)新興的分子識(shí)別技術(shù)，源于1940年P(guān)auling L[6]以抗原為模板合成抗體的設(shè)想.采用分子印跡技術(shù)制備的印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymer，MIP)[7]是模板分子與功能單體通過預(yù)聚作用，在交聯(lián)劑和引發(fā)劑存在的情況下，采用加熱或光照引發(fā)聚合形成的多聚物；當(dāng)使用一定條件除去聚合物中的模板分子后，會(huì)留下與模板分子結(jié)構(gòu)匹配的印跡孔穴，能選擇性地吸附模板分子.因此，MIP在傳感器[8]、固相萃取[9]、催化[10]等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景.然而，在制備MIP過程中模板分子的洗脫也相當(dāng)關(guān)鍵，模板分子的去除直接影響到MIP的識(shí)別性能及應(yīng)用，模板分子洗脫不完全會(huì)使MIP的分離能力下降，甚至發(fā)生模板分子滲漏而影響分子識(shí)別的準(zhǔn)確性[11].為了在環(huán)境中快速吸附檢測(cè)對(duì)羥基苯甲酸，本論文以對(duì)羥基苯甲酸為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，乙腈為溶劑，聚乙烯醇為分散劑，采用懸浮聚合法制備對(duì)羥基苯甲酸的分子印跡聚合物(4-HB-MIP).在模板分子洗脫工藝方面，對(duì)比索氏提取和超聲波/離心洗脫模板分子的效果，以便找到高效快捷洗脫對(duì)羥基苯甲酸的方法，提高印跡聚合物的洗脫效率.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

對(duì)羥基苯甲酸，丙烯酰胺(AM)，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)，百靈威科技有限公司；偶氮二異丁腈(AIBN)，聚乙烯醇，乙腈，甲醇，冰醋酸，西隴化工股份有限公司. 以上試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水.

上海元析UV-6000PC型紫外可見分光光度計(jì)；SU3500掃描電子顯微鏡(SEM)；XOSHZ-A型往復(fù)式水浴恒溫振蕩器.

1.2 4-HB-MIP的制備

將1.0 mmol的4-HB和4.0 mmol AM 溶解在10 ml乙腈中，在4 ℃冰箱內(nèi)過夜形成預(yù)聚合物，再加入20.0 mmol EGDMA配制成溶液A.將一定量的聚乙烯醇(1788 PVA)加到含有一定量蒸餾水的三口瓶中，加熱至90 ℃溶解，待溶液冷卻后加入少量的十二烷基磺酸鈉，然后逐滴加入溶液A以及少量的AIBN，通氮?dú)獠⒊?，?0 ℃下攪拌反應(yīng)24 h.待反應(yīng)完成后，將制備的聚合物用蒸餾水洗滌去除殘留的PVA，得到4-HB-MIP.而4-HB的非印跡聚合物(4-HB-Non-Molecucarly Imprinted Polymer，4-HB-NMIP)的制備方法同上，只是在制備過程中不加入模板分子.

1.3 4-HB-MIP的模板分子洗脫

1.3.1 索氏提取

準(zhǔn)確稱取1.5 g的4-HB-MIP于索式提取器中，用80 mL甲醇/醋酸(V/V，9∶1)混合溶液洗脫模板分子.設(shè)置放置索式提取器的恒溫水浴鍋的溫度為85℃，每8 h從索氏提取管中取樣一次，每次檢測(cè)提取液中4-HB的含量，計(jì)算4-HB每次的提取率；按每8 h換液一次，直到提取液中4-HB的含量接近為0.而對(duì)應(yīng)的4-HB-NMIP也按該方法進(jìn)行洗脫.

1.3.2 超聲波/離心提取

準(zhǔn)確稱取1.5 g 的4-HB-MIP于100 mL具塞錐形瓶中，加入50 mL甲醇/乙酸(9∶10，V/V)的混合溶液，在超聲波作用下超聲30 min，然后在4000 r/min的離心機(jī)中離心，取離心管上清液測(cè)試4-HB的含量.按每超聲/離心一次更換洗脫液，計(jì)算4-HB每次的提取率，直到離心管上清液的4-HB的含量接近為0.而對(duì)應(yīng)的4-HB-NMIP也按該方法進(jìn)行洗脫.

1.4 MIP的形貌表征

將經(jīng)過索氏提取和超聲波/離心提取的4-HB-MIP分別取50 mg 放在對(duì)應(yīng)的小燒杯中，加入1 mL乙醇后超聲分散，各取微量置于清潔處理過的玻片上，干燥后噴金，然后用掃描電鏡SEM對(duì)4-HB-MIP的表面形貌進(jìn)行表征.

1.5 吸附性能評(píng)價(jià)

分別稱取經(jīng)過索氏提取和超聲波/離心提取的4-HB-MIP和對(duì)應(yīng)的4-HB-NMIP各50 mg，置于100 mL具塞錐形瓶中，加入0.5 mmol/L 4-HB的甲醇溶液.在20 ℃下，于往復(fù)式水浴恒溫振蕩器中震蕩5 h后，取錐形瓶中的上清液稀釋至合適的倍數(shù)，測(cè)試其中的4-HB的含量，根據(jù)吸附前后溶液中4-HB含量的變化計(jì)算聚合物的吸附量，對(duì)比兩種洗脫工藝對(duì)模板分子的洗脫效果.

利用印跡聚合物吸附前后的濃度差值，可計(jì)算出4-HB-MIP和4-HB-NMIP的吸附量Q：

Q=(C0-C)V/W

其中Q為4-HB-MIP或4-HB-NMIP的吸附量(mmol/g);C0為4-HB的吸附前的濃度(mmol/L)；C為達(dá)到吸附平衡后上層清液中4-HB的濃度(mmol/L)；V為吸附溶液的體積(mL)；W為印跡聚合物的重量(g).

2 結(jié)果與討論

2.1 MIP洗脫模板分子的原理

分子印跡聚合物能夠吸附模板分子在于印跡孔穴內(nèi)固定排列的結(jié)合基團(tuán)與模板分子間的相互作用，它主要是功能單體與模板分子復(fù)合作用產(chǎn)生的，形式有共價(jià)鍵、π-π鍵和氫鍵[12-14]等，不同結(jié)合類型的作用也是不一樣的.其中，共價(jià)鍵只對(duì)專門的功能基團(tuán)有專一的結(jié)合性，在制備MIP過程中以共價(jià)鍵結(jié)合的方法能產(chǎn)生專一性較好的MIP，但MIP快速結(jié)合模板分子不是很理想，而以氫鍵作用制備的MIP，是當(dāng)前應(yīng)用最多和最方便的方法.因?yàn)闅滏I作用在很多物質(zhì)中存在，對(duì)比共價(jià)鍵作用，以氫鍵作用結(jié)合的MIP更容易洗脫.氫鍵存在于MIP外表面或內(nèi)表面時(shí)，模板分子容易被洗脫下來；但位于MIP內(nèi)部時(shí)，模板分子被網(wǎng)狀聚合物包裹，洗脫難度較大，易造成MIP使用過程模板滲漏，影響MIP的吸附性能[11].因此，常采用極性較高的溶劑反復(fù)洗脫模板分子，常用的溶劑有水、乙腈、氯仿和乙腈/乙酸等.

在4-HB-MIP制備的過程中，模板分子4-HB與功能單體AM之間以氫鍵預(yù)聚合作用的(圖1).因此，4-HB與聚合物4-HB-MIP之間的作用最終也是通過氫鍵形成的.文中選取甲醇/乙酸混合液作洗脫溶劑，其中甲醇極性較大，容易與MIP間形成較強(qiáng)的氫鍵，且添加一定量的乙酸可以增強(qiáng)溶劑的洗脫效果[15]，因此選取體積比為9∶1的甲醇/乙酸的混合液作為洗脫液.

圖1 4-HB與AM之間作用示意圖

2.2 4-HB的標(biāo)準(zhǔn)曲線建立

精確稱取13.8 mg(0. 1 mmol)的4-HB標(biāo)準(zhǔn)品于10 ml容量瓶中，用溶劑定容至刻度線，得到10 mmol/L的4-HB溶液.然后分別移取上述溶液0.5 ml、1 ml、2 ml、4 ml、6 ml和8 ml于相應(yīng)的10 ml容量瓶中，用溶劑稀釋至刻度線.以溶劑為空白，在254 nm處，測(cè)試紫外吸光度值A(chǔ)bs，繪制吸光度值隨濃度C變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖.其中，在洗脫模板分子時(shí)，以甲醇/乙酸(V/V，9∶1)混合液作溶劑；在吸附性能評(píng)價(jià)時(shí)，以甲醇作溶劑.工作曲線如下：以甲醇/乙酸(V/V，9∶1)作溶劑：Abs=18.216C+0.01009，R2=0.99946；以甲醇作溶劑：Abs=13.933C+0.06546，R2=0.99992.

2.3 4-HB-MIP的洗脫曲線

利用索氏提取和超聲波/離心提取工藝分別洗脫1.5 g的4-HB-MIP，并比較兩種工藝對(duì)模板分子4-HB的洗脫效果(見圖2和圖3).索氏提取工藝對(duì)4-HB-MIP洗脫的影響如圖2所示，在每8 h更換1次提取液的情況下，每次4-HB-MIP的模板分子提取率不同.洗脫三次(24 h)后的提取率為18.85%，在洗脫96 h后總的提取率才達(dá)到62.26%，洗脫144 h后總的提取率為90%以上，而要徹底洗脫完全則需要264 h.超聲波/離心提取工藝對(duì)4-HB-MIP洗脫的影響如圖3所示，按每次超聲30 min后進(jìn)行離心分離，洗脫兩次(1 h)后提取率可以達(dá)到54.29%，隨后每次提取率均低于10%.當(dāng)提取時(shí)間在10 h后，4-HB-MIP的模板分子總的提取率為90.75%，在超聲波/離心提取16 h后，模板分子4-HB提取率接近為零.從時(shí)間上考察4-HB-MIP的洗脫效果，索氏提取的時(shí)間是超聲波/離心提取時(shí)間的16倍；溶劑消耗量來看，索氏提取的消耗高于超聲波/離心提取工藝；而從洗脫次數(shù)考察，索氏提取的次數(shù)(33次)跟超聲波/離心提取次數(shù)(34次)接近；所以，比較溶劑消耗，洗脫時(shí)間和次數(shù)，超聲波/離心洗脫4-HB-MIP的工藝提取效率高于索氏提取洗脫工藝.

從圖2和圖3看到，隨著洗脫時(shí)間的增加，均會(huì)出現(xiàn)初始洗脫提取率較高，然后緩慢降低的過程.由于制備的分子印跡聚合物中的某些模板分子可能暴露在微粒的表面，因此容易洗脫干凈，提取率較高；而某些模板分子包裹在印跡聚合物的微粒內(nèi)部，需要足夠的傳質(zhì)推動(dòng)力和傳質(zhì)時(shí)間來洗脫模板分子，洗脫4-HB-MIP較難，提取率較低.因此，采用超聲波/離心提取工藝洗脫模板分子，可以在較短時(shí)間內(nèi)徹底洗脫4-HB，反映了超聲波/離心提取高效的特點(diǎn).

圖2 索氏提取工藝對(duì)4-HB-MIP洗脫的影響

圖3 超聲波/離心提取工藝對(duì)4-HB-MIP洗脫的影響

2.4 SEM表征

利用掃描電鏡分別表征索氏提取和超聲波/離心提取工藝洗脫4-HB-MIP后的形貌，如圖4和圖5所示.從圖中可知，經(jīng)過兩種工藝洗脫后的分子印跡聚合物的形貌基本未發(fā)生變化，均呈微球形狀，粒徑分布在0.5～6 μm之間，說明兩種洗脫工藝不會(huì)破壞印跡聚合物的結(jié)構(gòu).

圖4 索氏提取后的4-HB-MIP

圖5 超聲波/離心提取后的4-HB-MIP

2.5 吸附性能評(píng)價(jià)

利用經(jīng)過索氏提取和超聲波/離心提取洗脫的4-HB-MIP和4-HB-NMIP分別吸附0.5 mmol/L 4-HB的甲醇溶液，考察兩種洗脫工藝對(duì)印跡聚合物吸附模板分子4-HB的效果，如表1所示.

表1 4-HB-MIP/4-HB-NMIP 的吸附效果

從表1可知，無論采取索氏提取，還是超聲波/離心提取洗脫4-HB-MIP，只要印跡聚合物中模板分子洗脫較徹底，0.5 mmol/L 4-HB的甲醇溶液對(duì)這兩種聚合物的吸附效果基本上是接近的.同樣，4-HB-NMIP吸附4-HB的效果也基本類似.因此，采取超聲波/離心提取洗脫4-HB-MIP是一種較為高效快捷洗脫對(duì)羥基苯甲酸的方法，可以提高檢測(cè)環(huán)境中對(duì)羥基苯甲酸的效率.

3 結(jié)論

(1)對(duì)索氏提取和超聲波/離心提取洗脫工藝比較，超聲波/離心提取工藝的效率優(yōu)于索氏提取，能在16.5 h內(nèi)快速高效地洗脫4-HB-MIP，而索氏提取工藝則需264 h 完成洗脫.

(2)經(jīng)兩種提取工藝洗脫后的4-HB-MIP，印跡聚合物的形貌基本未發(fā)生變化，均呈微球形狀，粒徑分布在0.5～6 μm之間.

(3)對(duì)比索氏提取和超聲波/離心洗脫工藝，4-HB-MIP或者4-HB-NMIP對(duì)0.5 mmol/L 4-HB的甲醇溶液的吸附效果基本接近.但是采取超聲波/離心提取洗脫4-HB-MIP是一種較為高效快捷洗脫模板分子的方法，可以快速檢測(cè)環(huán)境中的對(duì)羥基苯甲酸.

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Removal of Template Molecules from Molecularly Imprinted Polymer ofp-hydroxybenzoic Acid

LIU Xiao-juan, JIANG Xia-yun, WU Feng-jing，TAO Qi，LI Wu，

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Molecularly imprinted polymer (MIP) for recognition ofp-hydroxybenzoic acid is synthesized by suspension polymerization. Acrylamide is used as functional monomer. The extraction of the template from MIP and adsorptive capacity to template are explored by comparative study. The ultrasonic/centrifugation extraction procedure for removing the template is completed in 16.5 h, as compared with the soxhlet extraction process in 264 h. The morphology of the extracted MIP is characterized by scanning electron microscopy, which shows that the MIP are microspheres and the diameters are between 0.5～6 μm. The MIP have higher adsorptive capacity than the non-molecularly imprinted polymer. In contrast with soxhlet extraction, the ultrasonic / centrifugation extraction procedure is more effective at rapid removal of template from molecularly imprinted polymer.

p-hydroxybenzoic acid; molecularly imprinted polymer; soxhlet extraction; ultrasonic / centrifugation extraction

2016-08-26

湖南省教育廳科研項(xiàng)目(16C0394)；湖南工程學(xué)院校級(jí)青年項(xiàng)目(09001001)；湖南工程學(xué)院大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目.

劉小娟(1981-)，女，碩士，工程師，研究方向：功能材料，E-mail:liuxiaojuan0923@163.com.

吳鋒景(1978-)，男，博士，工程師，研究方向：功能材料,E-mail:wfj2013@aliyun.com.

TB34

A

1671-119X(2017)01-0072-04