羅丹明B分子印跡聚合物的合成及吸附性研究

紀淑娟，劉秀英，于穎超，張 旋，周 倩

（沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110866）

羅丹明B分子印跡聚合物的合成及吸附性研究

紀淑娟，劉秀英，于穎超，張 旋，周 倩

（沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110866）

以羅丹明B為模板分子，采用本體聚合法，以三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯為交聯劑，乙腈為致孔劑，制備具有印跡位點的聚合物。通過振蕩吸附實驗確定了適宜的單體種類，并對致孔劑的用量進行優化。采用掃描電鏡和紅外分析儀對其微觀形貌進行表征，并對聚合物進行平衡吸附和選擇性研究。結果表明，印跡聚合物對目標分子具有較高的選擇性和親和性，在質量濃度為15 μg/mL時，達到平衡，飽和吸附量為370.49 μg/g。吸附動力學研究表明，時間為150 min時吸附達到平衡。

分子印跡聚合物；羅丹明B；吸附等溫線

羅丹明B（Rhodamine B，RhB）又稱玫瑰紅B，或堿性玫瑰精，俗稱花粉紅，具有脂溶性，是一種具有鮮桃紅色的人工合成染料，常被用作調味品染色劑，使用了被其污染的調味品制作食品時會造成殘留。研究表明，羅丹明B對人和動物具有一定的毒性，它能夠刺激皮膚，眼睛及呼吸道[1]。1993年在歐美等國家和地區就已明令禁止用于食品加工中。中國衛生部將其列于《食品中可能違法添加的非食用物質和易濫用的食品添加劑品種名單（第一批）》中，禁止在食品中使用。目前，國內外對羅丹明B的檢測方法主要有高效液相色譜法、液相色譜-串聯質譜法、分光光度法等[2-8]。我國現有SN/T 2430—2010《進出品中羅丹明B的檢測方法》行業標準方法是采用液相色譜-串聯質譜法對進出口食品中羅丹明B進行定量或定性。然而，這些方法都需要進行復雜的預處理，而使用了被污染的調味料制作的食品中羅丹明B的殘留量往往較低，因此常規的樣品前處理方法對復雜的樣品中痕量的羅丹明B的凈化、富集效果并不理想。

分子印跡技術屬于超分子化學研究范疇，是指以某一特定的目標分子為模板，制備對該分子有特異選擇性識別的聚合物的過程。所制備的聚合物對目標分子具有高度的親和性，良好的化學和機械穩定性，對目標分子具有識別專一性等優點[9-10]。由于分子印跡聚合物的優點，該技術已被廣泛應用于表面印跡[11-12]、天然產物提取[13-14]、固相萃取[15-17]、傳感器[18-19]、藥物手性拆分[20-22]、印跡膜分離技術等領域[23-25]。本研究選取甲基丙烯酸為最佳功能單體，采用本體熱引發聚合的方法制備羅丹明B分子印跡聚合物，并采用掃描電子顯微技術對其微觀結構進行表征，對其吸附性進行了研究，為將其應用于食品分析中痕量檢測及樣品中羅丹明B的分離、富集提供重要的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羅丹明B（色譜純）、丁基羅丹明B（分析純）、麗絲胺羅丹明B（分析純）、羅丹明6G（分析純） 阿拉丁試劑（上海）有限公司；甲基丙烯酸（methacrylic acid，MAA）、偶氮二異丁腈（2,2'-azobis(2-methylpropionitrile)，AIBN）、甲基丙烯酸甲酯（methyl methacrylate，MMA）、乙腈（色譜純） 國藥集團化學試劑有限公司；丙烯酰胺（acrylamide，AM） 北京鼎國昌盛生物技術有限責任公司；2-乙烯基吡啶（2-vinylpyridine，2-Vp） 上海晶純試劑有限公司；三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯（trimethylolpropane triacrylate，TRIM） 美國Sigma公司；除特殊標記以外其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TU-1801型紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；TM-1000臺式掃描電鏡 日本日立公司；FT-IR 2000傅里葉紅外掃描儀 美國Thermo公司；DK-S26電熱恒溫水浴鍋、DZF-6050型真空干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；KQ100DB型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；H1605型臺式高速離心機長沙湘儀離心機儀器有限公司；分析天平 賽多利斯科學儀器有限公司；磁力攪拌器、混合器 德國IKA公司；HY-2調速多用振蕩器 國華電器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 羅丹明B分子印跡聚合物和非印跡聚合物的制備

RhB分子印跡聚合物（molecularly imprinting polymer，MIP）的制備采用本體聚合法，以熱引發的方式聚合。將1 mmol模板分子RhB和10 mmol 功能單體溶于乙腈中，置于混合器上混合均勻后于超聲波中超聲1 h，使其充分作用。再加入10 mmol TRIM和65 mg AIBN，用超聲波脫氣混合15 min，并通高純氮氣5 min后抽真空密封，放入恒溫水浴中60 ℃條件下聚合反應24 h。將所得聚合物研磨過200目篩，用甲醇洗脫至洗脫液無色，置于索氏提取器中，以10%的乙酸-甲醇溶液洗脫至洗脫液中無模板分子檢出，再用甲醇洗至中性，真空干燥后備用。

非印跡聚合物（non-imprinting polymer，NIP）的制備除不加模板分子外，其他同印跡聚合物。

1.3.2 分子印跡聚合物的表征

利用掃描電子顯微鏡表征MIP和NIP的微觀形貌，并對其進行比較分析。利用紅外光譜儀測定MIP和NIP的紅外譜圖，并進行分析。

1.3.3 吸附平衡結合性研究

準確稱取聚合物50 mg于7 mL的具塞離心管中，分別加入4 mL不同質量濃度的RhB-乙腈溶液，放入振蕩器20 ℃條件下振蕩6 h，9 000 r/min離心3 min，準確移取上清液，過微孔濾膜后于紫外-可見分光光度計，在波長552 nm處測定。根據吸光度計算吸附前后上清液中RhB的溶液質量濃度變化以及吸附量。

式中：Q為吸附量/（μg/g）；c0為吸附前溶液質量濃度/（μg/mL）；c為吸附后溶液質量濃度/（μg/mL）；V為吸附液體積/mL；m為聚合物的質量/g。

1.3.4 吸附動力學研究

準確稱取聚合物50 mg于7 mL的具塞離心管中，分別加入4 mL一定質量濃度的RhB-乙腈溶液，放入振蕩器20 ℃條件下振蕩，分別在不同平衡時間取樣，9 000 r/min離心3 min，準確移取上清液，過微孔濾膜后于紫外-可見分光光度計，在波長552 nm處測定。根據吸光度計算吸附前后上清液中RhB的溶液質量濃度變化及吸附量，研究吸附量隨時間變化關系。

1.3.5 吸附選擇性研究

準確稱取聚合物50 mg于7 mL的具塞離心管中，分別加入4 mL一定質量濃度的RhB、丁基RhB、麗絲胺RhB、羅丹明6 G的乙腈溶液，放入振蕩器20 ℃條件下振蕩6 h，9 000 r/min離心3 min，準確移取上清液，過微孔濾膜后于紫外-可見分光光度計測定。根據吸光度計算吸附前后上清液中目標物的溶液質量濃度變化以及吸附量。

1.3.6 脫附再生性研究

準確稱取聚合物50 mg于7 mL的具塞離心管中，分別加入4 mL質量濃度為9 μg/mL RhB-乙腈溶液，放入振蕩器20 ℃條件下振蕩3 h，9 000 r/min離心3 min，準確移取上清液，過微孔濾膜后于紫外-可見分光光度計，在波長552 nm處測定，按式（1）計算吸附量。測定后，將使用后的聚合物進行充分洗脫再生處理后，重復上述步驟。

2 結果與分析

2.1 分子印跡聚合物的制備

2.1.1 功能單體的選擇

聚合物制備過程中，模板分子和功能單體之間相互作用的強弱直接影響著分子印跡聚合物的專一性和結合性。如果模板分子和功能單體之間相互作用強，那么功能基團規律分布，這就使得聚合物合成過程中產生大量高選擇性的識別位點，大大提高印跡聚合物的結合選擇性；如果在功能單體和模板分子之間缺乏很好相互作用力，就會造成聚合物合成過程中產生大量非選擇性或弱選擇性的結合位點，從而降低聚合物的結合性。因此，功能單體的選擇對印跡材料的性能影響較大。按照1.3.1節方法，分別以MAA、MMA、2-Vp、AM為功能單體，合成了一系列RhB分子印跡聚合物（RhB-MIP）。研究表明，如圖1所示，以2-Vp為功能單體的混合溶液體系中，經聚合處理后，并不能得到很好地聚合并使反應體系變色，這可能是因為2-VP不適用于以RhB為模板分子的印跡體系。而以MAA、MMA、AM為功能單體的體系均能很好聚合，得到聚合物即MAA-MIP、MMA-MIP、AMMIP。根據吸附量對比分析，采用本體聚合法進行聚合時，MAA-MIP的選擇結合性能明顯好于MMA-MIP和AM-MIP。因此，確定MAA為適宜的功能單體。

圖1 MAA-MIP、MMA-MIP、2-Vp-MIP、AM-MIP的吸附量Fig.1 Adsorption capacities of MAA-MIP, MMA-MIP, 2-Vp-MIP and AM-MIP

2.1.2 致孔劑用量的選擇

聚合物制備過程中，致孔劑的用量對印跡材料的得率、均勻度和吸附結合性能均有較大影響。按照1.3.1節的實驗方法，改變致孔劑的用量分別為5、15、25、35 mL，合成了一系列印跡材料，結果如表1所示。5 mL體系的聚合物得率雖然較高，但所得聚合物的選擇結合性能相對較低，這可能是由于聚合物聚合度過高導致大量特異識別位點被包埋，使得目標分子不能接近。35 mL的體系中聚合物得率最低，且得到的聚合物松散，均勻度較差，MIP與NIP表觀形態差異較大，這可能是由于致孔劑用量過高，使得體系濃度降低，聚合度過低所致。15 mL和25 mL體系中，聚合物得率相近，經對比分析，15 mL體系中，聚合物的選擇結合性能相對較高。因此，確定15 mL為致孔劑的最佳用量。

表 1 致孔劑用量對聚合物性能的影響Table 1 Effect of porogen amount on the adsorption properties of MIP

2.1.3 聚合物的合成過程

以RhB為模板分子，MAA為功能單體，TRIM為交聯劑，采用本體聚合法，以熱引發方式制備了對RhB具有特定識別能力的印跡聚合物。RhB與MAA之間存在著氫鍵作用，經過預聚合作用后，RhB與MAA之間憑借這種價鍵力形成不穩定的共聚物，在反應體系中加入一定量的交聯劑與引發劑后，引發聚合反應，生成聚合度較高的高聚物，從而對RhB與MAA之間不穩定的價鍵作用起到固定作用。通過進一步的洗脫處理，打破RhB與MAA之間的價鍵作用，使得模板分子RhB從聚合物中被洗脫掉。洗脫處理后的聚合物形成了對模板分子RhB具有專一吸附性的立體空穴，對RhB分子產生強吸附作用，從而可以將其應用于對模板分子的再次吸附。印跡聚合物的合成過程見圖2。

圖2 羅丹明B分子印跡聚合物合成過程示意圖Fig.2 Schematic representation of the preparation of RhB-MIP

2.2 分子印跡聚合物的表征分析

2.2.1 電子顯微鏡微觀結構

圖3 MIP（a）和NIP（b）的掃描電鏡圖（×4 000）Fig.3 Scan electron micrography of MIP (a) and NIP (b) (× 4 000)

用掃描電鏡對聚合物的表觀形態和微觀結構進行4 000倍率的顯微觀察，由圖3可以看出，經研磨后的MIP與NIP，顆粒較小，且粒徑比較均勻。這可能是由于聚合物在合成過程中，聚合體系內存在相互作用，使得該體系中各組分分布更加有序，從而使獲得的聚合物更加均勻。也證明了聚合物經研磨過篩后，能夠得到粒徑均勻的聚合物，滿足進一步應用的需求。聚合物對模板分子吸附速度的大小主要受聚合物顆粒粒徑和均勻度的影響，這將有助于印跡聚合物對模板的吸附，降低聚合物深層空穴對目標分子的位阻。

2.2.2 紅外光譜分析

圖4 MIP和NIP的紅外譜圖Fig.4 IR spectra of MIP and NIP

由圖4可見，MIP和NIP的峰形基本一致。在MIP和NIP的紅外光譜中，3 435 cm-1為O—H的伸縮振動峰；2 973 cm-1處存在—CH2或—CH3的伸縮振動吸收峰；1 736 cm-1處有羰基的伸縮振動峰；1 683 cm-1處存在C=C振動吸收峰；以及1 147 cm-1處有C—O—C的對稱伸縮振動吸收峰。

2.3 聚合物的識別結合特性

2.3.1 吸附等溫結合曲線

為了進一步研究分子印跡聚合物對RhB的結合性，測定了MIP和NIP的吸附量對不同質量濃度RhB-乙腈溶液的吸附等溫線，結果如圖5所示。當RhB-乙腈溶液的質量濃度在6～10 μg/mL范圍內變化時，MIP的吸附量增加幅度較大，而當質量濃度在大于10 μg/mL時，吸附量增加幅度較小，趨于飽和。而NIP隨著RhB-乙腈溶液的質量濃度逐漸增加，吸附量幾乎沒有變化并遠低于MIP。MIP的飽和吸附量為370.49 μg/g。

圖5 MIP和NIP的吸附等溫線Fig.5 Adsorption isotherm curves of MIP and NIP

2.3.2 吸附動態結合曲線

由圖6可以看到，MIP的吸附量隨著吸附時間的延長迅速增加，在大于150 min時，吸附曲線趨于平緩，達到吸附平衡。而NIP在吸附過程中，隨著吸附時間的延長，吸附量較低且幾乎保持不變。吸附動力學研究表明，分子印跡聚合物對目標分子的捕捉過程可以在150 min內完成，平衡吸附時間較短，這可能是由于該條件下制備的聚合物聚合度適當，且過篩后能夠得到粒徑均勻的聚合物，從而縮短了吸附平衡時間，這為將其應用于食品中RhB檢測以及其他領域的分離和富集提供科學依據和參考。2.3.3 吸附選擇性

圖6 MIP和NIP的吸附動態結合曲線Fig.6 Dynamic adsorption curves of MIP and NIP

選取與RhB結構類似的化合物作為底物進行吸附選擇性研究，結果見圖7。同其他結構類似物相比，RhB分子印跡聚合物對RhB表現出了很高的選擇性。

圖7 MIP的吸附選擇性Fig.7 Adsorption selectivity of MIP

2.4 脫附再生性研究

按照1.3.6節方法，經過5次循環實驗，M I P對模板分子的吸附量分別為（231.69±2.28）、（2 3 3.2 1±2.6 3）、（2 3 2.5 2±2.1 3）、（230.45±2.28）、（230.59±2.87） μg/g，吸附量沒有明顯下降，說明該方法制備的聚合物具有良好地脫附再生性能。這為RhB在實際樣品中的殘留處理提供了很大的可能性。

3 結 論

以羅丹明B為模板分子，采用本體聚合的方式制備了具有印跡效應的聚合物，所得聚合物具有良好的穩定性。關于羅丹明B分子印跡聚合物雖已有報道[26]，但本實驗通過對單體和致孔劑用量的優化，使獲得的聚合物在相對較低質量濃度羅丹明B溶液中，仍能具有較好的吸附性，并對聚合物的再生性進行了初步的研究，這為將該聚合物應用于痕量分析提供了一定的參考依據。選取MAA、MMA、2-Vp、AM為不同功能單體制備了一系列聚合物，確定MAA為最佳功能單體。利用掃描電鏡和紅外分析儀進行表征分析，表明印跡聚合物和非印跡聚合物的微觀結構。等溫吸附結合實驗和選擇性實驗表明，印跡聚合物具有較好的吸附結合性和特異選擇識別性。在質量濃度為15 μg/mL時，達到平衡，飽和吸附量370.49 μg/g。吸附動力學實驗表明，吸附時間在大于150 min時，吸附達到平衡。脫附再生性實驗表明該聚合物具有一定的再生性，這對分子印跡聚合物的進一步的應用具有重要的參考意義。

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Preparation and Adsorption Properties of Rhodamine B Molecularly Imprinted Polymers

JI Shu-juan, LIU Xiu-ying, YU Ying-chao, ZHANG Xua n, ZHOU Qian
(College of Food, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Molecularly imprinted polymers (MIP) were prepared by bulk polymerization using rhodamine B (RhB) as the template, methacrylic acid (MAA) as the functional monomer, trimethylolpropane trimethacrylate (TRIM) as the crosslinker and acetonitrile as the porogen. Adsorption experiments were carried out on the MIP to select the optimum monomer and porogen amount. Scanning electron microscopy and infrared spectrometry were employed to observe the morphology of the polymers. Equilibrium adsorption and selectivity experiments were performed. The results revealed that the imprinted polymers showed better adsorption properties and selective recognition capacity. The maximum adsorption capacity was 370.49 μg/g at a concentration of 15 μg/mL. The equilibrium was reached in 150 minutes.

molecularly imprinted polymers; rhodamine B; adsorption isotherm

TQ317.4

A

1002-6630（2014）06-0012-05

10.7506/spkx1002-6630-201406003

2013-04-26

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD38B07）

紀淑娟（1960—），女，教授，博士，研究方向為食品質量控制。E-mail：jsjsyau@sina.com