單分散苯胺分子印跡聚合物微球的合成與表征

馬衍東 鄭會保 劉運(yùn)傳 周燕萍 王康 王雪蓉 王倩倩 姚凱

摘? ? ? 要：? 以甲基丙烯酸為單體、二乙烯基苯為交聯(lián)劑、苯胺為模板分子，利用沉淀聚合法通過改變?nèi)軇┑葪l件制備了單分散苯胺分子印跡聚合物微球。通過掃描電子顯微鏡表征微球表面形貌并測量微球尺寸，通過納米粒度分析儀驗(yàn)證微球單分散性。經(jīng)氣相色譜表征，該分子印跡聚合物對苯胺最大靜態(tài)吸附量為12.98 mg/g，具備對苯胺分子的特異性識別能力。

關(guān)? 鍵? 詞：苯胺;單分散;聚合物微球

中圖分類號：TQ424.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）09-1955-04

Abstract： Monodisperse aniline molecularly imprinted polymer microspheres were prepared by precipitation polymerization using methacrylic acid as monomer， divinylbenzene as crosslinker and aniline as template molecules. The surface morphology of the microspheres was characterized by scanning electron microscopy，and the size of the microspheres was measured. The monodispersity of the microspheres was verified by a nanoparticle size analyzer. Characterization results of gas chromatography showed that the molecularly imprinted polymer had a maximum static adsorption capacity of 23.95 mg/g for aniline， and had the ability to specifically recognize aniline molecules.

Key words： Aniline; Monodisperse; Polymer microspheres

苯胺是一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥及精細(xì)化工中間體的合成。苯胺對人體表現(xiàn)出很強(qiáng)的血液、神經(jīng)及肝臟毒性，并且對人類膀胱有很強(qiáng)的致癌作用，有研究表明苯胺對人體亦存在很強(qiáng)的遺傳毒性[1]。隨著化工、材料等行業(yè)的不斷發(fā)展，苯胺在環(huán)境中的殘留量也在逐漸升高，嚴(yán)重威脅人類及其他生物的健康，中國環(huán)境監(jiān)測總站已將苯胺列為我國優(yōu)先控制的污染物[2]。因此特異性的識別和去除微量苯胺具有一定實(shí)際意義，同時(shí)符合綠色化工的要求。

分子印跡技術(shù)（MIT）是一種可針對特定分子設(shè)計(jì)并制備對該分子具有選擇性識別與特異性吸附能力的聚合物的技術(shù)，該技術(shù)具有高效選擇、專一識別性與構(gòu)效預(yù)定型等特點(diǎn)，是新型吸附材料的重要研發(fā)手段[3]。分子印跡技術(shù)主要分為本體印跡、原位印跡、乳液/懸浮印跡和沉淀印跡等[4-7]。本體印跡與原位印跡的優(yōu)點(diǎn)是制備過程簡單，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn);缺點(diǎn)是這兩種方法制備得到的印跡聚合物（MIPs）結(jié)構(gòu)難以控制，需要研磨才能使用且存在模板滲漏等問題，反而可能會引入污染物，因此近年來研究已較少。乳液/懸浮印跡可制備MIP微球，但這兩種方法制備過程復(fù)雜且成球率不穩(wěn)定。沉淀印跡法又稱非均相溶液聚合法，該方法預(yù)先將單體、交聯(lián)劑、模板等組分溶解在溶劑里，之后在溶劑中開始聚合反應(yīng)，聚合產(chǎn)物與溶劑不相溶，因此聚合物生長到一定尺寸后就會從溶液中脫出沉淀下來。沉淀印跡法具有制備過程簡單、產(chǎn)物為球形、單位吸附面積大等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的MIP制備方法，本文采用沉淀印跡制備苯胺MIP，并改變?nèi)軇┍壤陀昧靠疾霱IP的成球狀態(tài)。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 儀器與試劑

儀器：QUANTA200型掃描電子顯微鏡（購自荷蘭FEI公司）;Zetasizer Nano型ZSE動態(tài)光散射納米粒度分析儀（購自英國Malvern公司）;7890A型氣相色譜儀（購自美國Agilent公司）;XP205型電子分析天平（瑞士Mettler Toledo公司）。

試劑：甲基丙烯酸、二乙烯基苯、偶氮二異丁腈、苯胺（AR，購自上海阿拉丁有限公司）;甲醇、乙酸、乙腈、乙醇（HPLC，購自北京百靈威有限公司）。

1.2? 色譜條件

安捷倫7890A型氣相色譜儀配G4513型自動進(jìn)樣器，單次進(jìn)樣量為1 μL，分流比10∶1，載氣為高純氮?dú)?，色譜柱升溫程序?yàn)?0 ℃恒溫5 min再20 ℃/min升至200 ℃并保持5 min，汽化室溫度200 ℃，檢測器為FID檢測器，檢測溫度為250 ℃。

1.3? 實(shí)驗(yàn)過程

預(yù)處理過程：

偶氮二異丁腈（AIBN）溶于50 ℃熱的乙醇溶液中，磁力攪拌2 min趁熱過濾，而后冷卻結(jié)晶得到精制AIBN;乙腈使用前加鈉回流除水;苯胺在200 ℃下氮?dú)夥諊麴s提純。

分子印跡過程：

精確稱取0.01 mol甲基丙烯酸（MAA）與0.002 5 mol苯胺于250 mL圓底燒瓶中，40 kHz頻率超聲震蕩10 min使得MAA與苯胺充分混合，最后將燒瓶置于水浴恒溫振蕩器中35 ℃震蕩8 h，使得MAA與苯胺充分完成氫鍵自組裝過程。

之后向體系中加入一定量的溶劑，并加入0.05 mol二乙烯基苯（DVB），磁力攪拌均勻后置于60 ℃恒溫磁力攪拌油浴鍋中密封反應(yīng)12 h。通過觀察現(xiàn)象，該反應(yīng)體系在反應(yīng)1.5 h后可觀察到溶液顏色從無色透明變?yōu)橛乃{(lán)色，之后逐漸渾濁;3.2 h后反應(yīng)體系完全轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨?4 h后可觀察到反應(yīng)體系內(nèi)壁上出現(xiàn)肉眼可見的白色細(xì)微顆粒物且顆粒數(shù)目迅速增長，之后體系完全變渾濁，12 h后停止反應(yīng)。苯胺MIP的制備過程如圖1所示。

后處理步驟：

減壓抽濾上述反應(yīng)體系并在70 ℃下真空干燥，得到白色粉末狀產(chǎn)物。配制甲醇∶乙酸（v∶v=9∶1）極性洗脫液利用脂肪抽提器反復(fù)洗脫產(chǎn)物中的苯胺模板分子，連續(xù)洗脫48 h，之后更換洗脫液為純甲醇，洗脫24 h除去殘留乙酸，最后真空干燥產(chǎn)物，得到苯胺MIP?？瞻譓IP的制備過程與苯胺MIP一致，只是不加苯胺分子。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 苯胺MIP微球的成球條件

沉淀印跡成球率的影響因素主要有單體與交聯(lián)劑種類、溶劑的選擇、溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的選擇等。

在確定了單體與交聯(lián)劑種類，且選用前期研究得到的理想溫度與攪拌轉(zhuǎn)速的條件下，溶劑的選擇成為了影響苯胺MIP微球合成的主要因素。本文分別考察了不同溶劑配比與體積對苯胺MIP成球的影響。

2.1.1? 溶劑種類與配比對苯胺MIP成球的影響

為制備苯胺MIP微球，本研究前期分別嘗試使用乙酸、甲苯、甲醇、乙腈等溶劑等作為苯胺沉淀印跡備選溶劑，通過使用掃描電子顯微鏡考察得知：使用乙酸、甲苯與甲醇為溶劑制備出的MIP結(jié)構(gòu)松散，基本無球狀結(jié)構(gòu);而以乙腈為溶劑制備出的MIP具有球狀結(jié)構(gòu)。通過氣相色譜儀考察上述四種溶劑制備出的苯胺MIP對苯胺有無吸附能力，結(jié)果顯示以乙酸與甲苯制備出的MIP對苯胺基本沒有吸附能力，乙腈制備出的MIP微球有微弱吸附能力，甲醇中制備的MIP對苯胺有一定吸附能力。因此，在此基礎(chǔ)上主要研究甲醇與乙腈的復(fù)配溶劑對成球和吸附的影響。分別配制甲醇∶乙腈（v∶v=1∶2、1∶3、1∶4、1∶5）復(fù)配溶劑，考察MIP成球情況與對苯胺分子的吸附情況。

嚴(yán)格除水隔氧配制1 mmol/L甲醇中苯胺溶液，通過移液器分別精確移取5份每份20 mL該溶液至5支比色管中，其中一支作為參比，剩余四支分別加入在上述復(fù)配溶劑制備的苯胺MIP 20 mg，簡單考察吸附情況。同時(shí)利用掃描電子顯微鏡考察不同溶劑配比下MIP的成球情況。如表1所示。

通過表1可以看出，苯胺MIP在甲醇中制備才能表現(xiàn)出較穩(wěn)定的吸附能力，而在乙腈中制備的MIP吸附能力較弱，因此甲醇∶乙腈（v∶v=1∶2）時(shí)MIP對苯胺有一定吸附能力。而隨著乙腈含量的增加，所制備出的MIP對苯胺的吸附能力降低了，之后隨著乙腈的含量的不斷增加，MIP逐漸成球，而球形具備單位質(zhì)量最大的比表面積，因此MIP的吸附能力表現(xiàn)出增強(qiáng)，隨著乙腈的進(jìn)一步加入，MIP的吸附能力再次被減弱。

從成球情況上來看MIP微球趨向于在乙腈中成球，這是由于在沉淀聚合中只有當(dāng)溶劑的溶解度參數(shù)與聚合物本身相匹配時(shí)MIP才能成球，乙腈的溶解度參數(shù)為? 接近θ溶劑，因此對聚合物成球有較大幫助。綜合考慮以上因素，在甲醇∶乙腈（v∶v=1∶4）時(shí)制備出的MIP既具備球形結(jié)構(gòu)又具有較好的吸附能力，因此選擇該復(fù)配溶劑作為苯胺沉淀印跡的最佳溶劑。圖2給出上述表格中提到的MIP的三種典型結(jié)構(gòu)。

2.1.2? 溶劑體積對苯胺MIP成球的影響

在前置條件不變的前提下考察溶液體積對苯胺MIP識別能力的影響，固定甲基丙烯酸加入量為0.01 mol，二乙烯基苯加入量為0.05 mol，控制體系中溶劑的體積分別為20、40、60、80、100、120、140 mL考察溶液體積對MIP成球與識別能力的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 為不同溶劑對MIP成球及吸附能力的影響。

溶劑的用量低于40 mL時(shí)，反應(yīng)的類型更接近于本體聚合而非沉淀聚合，因此制備出的MIP不是球狀結(jié)構(gòu)。逐漸提升溶液的用量，反應(yīng)類型從本體聚合向溶液聚合轉(zhuǎn)化，但溶液量較少導(dǎo)致微球核心很難在溶液中穩(wěn)定懸浮生長，而是快速沉淀出來無法成球。繼續(xù)增加溶劑的用量反應(yīng)類型逐漸向沉淀聚合轉(zhuǎn)化，微球核心獲得了在溶液中穩(wěn)定生長的機(jī)會，直到體積增大到一定程度從溶液中析出成球。此后增大溶液的用量反應(yīng)體系仍會成球，但過多的溶液會稀釋反應(yīng)體系導(dǎo)致反應(yīng)開始后微球核心生長速度降低，反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化率也會降低，進(jìn)而影響到聚合物的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致對苯胺的識別能力降低。

2.2? 單分散苯胺MIP微球的粒徑表征

采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Zetasizer Nano ZSE型動態(tài)光散射納米激光粒度分析儀對合成的球形產(chǎn)物進(jìn)行粒度分析，具體測試方法為向5 mL二次水中精確加入100 mg苯胺印跡聚合物，超聲5 min后進(jìn)行粒度測試。該批苯胺分子印跡聚合物體積粒度分布圖如圖3所示。

從粒徑分布圖中可以看出，苯胺MIP微球的粒徑主要集中在2.6 μm左右，粒徑分布范圍為1.7～4.2 μm，其中高于2.6 μm的結(jié)構(gòu)可能是兩個(gè)苯胺MIP微球粘連在一起的表現(xiàn)，電鏡圖驗(yàn)證了這一猜想，通過使用smile view軟件統(tǒng)計(jì)電鏡圖中100個(gè)微球的粒徑，得到的結(jié)果為2.46 μm，輔證了動態(tài)光散射納米激光粒度分析儀的結(jié)果。同時(shí)從粒徑分布圖中可以清晰的看到，該MIP的粒徑分布范圍內(nèi)只有一個(gè)粒度峰，即該MIP為典型的單分散微球。

2.3? 吸附能力表征

在分子印跡聚合物吸附操作中，最常用的目標(biāo)分子稀釋劑為甲醇。首先利用安捷倫1μL微量進(jìn)樣器配制1 mmol/L甲醇中苯胺溶液，并精確稀釋至0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mmol/L，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。分子印跡聚合物的吸附量由以下公式得出：

2.3.1? 苯胺MIP動態(tài)吸附能力評價(jià)

精確稱取多份10 mg MIP置于具塞比色管中，分別加入1 mmol/L的甲醇中苯胺溶液20 mL，在水浴恒溫振蕩器中反復(fù)震蕩，每隔一定時(shí)間取出一支濾去MIP測苯胺殘余濃度，考察不同時(shí)間內(nèi)MIP對苯胺的吸附量大小。取樣時(shí)間間隔為10 min、30 min、1 h、2 h、3 h、4 h以此類推，直到苯胺苯MIP吸附至飽和為止。以苯胺MIP對溶液中苯胺的吸附量Q對時(shí)間t作圖得到苯胺MIP的吸附動力學(xué)曲線，其結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看到，前1.5 h內(nèi)其對苯胺分子的吸附量增長較快，1.5 h后吸附量增長速度逐漸降低，這主要是因?yàn)榍?.5 h的吸附主要發(fā)生在MIP微球表面，在表面快速達(dá)到飽和之后，溶液中的苯胺分子若想再想被吸附只能經(jīng)由MIP微球上的微孔捕捉或從表面經(jīng)甲醇溶液稍溶脹MIP微球后再被吸附。5 h到6 h處苯胺吸附量增長速度再次加快的原因可能是甲醇溶脹了MIP微球使得內(nèi)部苯胺吸附位點(diǎn)得以和甲苯結(jié)合。6 h后吸附增長速度變得緩慢，甚至出現(xiàn)下滑，可能是微球被過度溶脹少量孔穴的形狀發(fā)生改變從而解吸附部分苯胺，但總體上吸附6h后甲苯吸附量不再變化。

2.3.2? 苯胺MIP最大靜態(tài)吸附能力評價(jià)

精確稱取 8份（10 mg）苯胺MIP分別置于具塞比色管中，分別加入2 mmol/L的甲醇中甲苯溶液20 mL，超聲5 min，于水浴恒溫振蕩器中在室溫下振蕩 24 h 后，離心分離雜質(zhì)并用0.45 μm微孔濾膜除去其中殘留的印跡聚合物，測出苯胺殘留濃度并計(jì)算其吸附量分別為11.21、13.46、14.21、9.43 mg/g、12.75、15.73、13.35、13.66 mg/g。經(jīng)計(jì)算得其平均吸附量為12.98 mg/g。

2.3.3? 苯胺MIP特異性識別能力評價(jià)

分別配制1 mmol/L甲醇中甲苯溶液與1 mmol/L甲醇中苯酚溶液和1 mmol/L甲醇中苯胺溶液，使用與上述實(shí)驗(yàn)相同的條件考察苯胺分子印跡聚合物的特異性識別能力。結(jié)果如表3所示。

由表3 可知苯胺MIP對苯酚的吸附量很低，對甲苯有微弱的吸附，可能是甲苯與苯胺分子在空間上結(jié)構(gòu)大小相似所致。苯胺MIP對苯胺的吸附能力最強(qiáng)，符合最初的設(shè)計(jì)要求。

3? 結(jié) 論

采用沉淀印跡法以甲基丙烯酸為單體、二乙烯基苯為交聯(lián)劑、甲醇∶乙腈（v∶v=1∶4）為溶劑制備了苯胺MIP并對其成球條件進(jìn)行了考察。經(jīng)氣相色譜表征，該分子印跡聚合物對苯胺最大靜態(tài)吸附量為12.98 mg/g，具備對苯胺分子的特異性識別能力，在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥衛(wèi)生、快速痕量檢測等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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