羅丹明B 分子印跡聚合物的制備及分子識別性能研究

玄光善，孫欽勇，鄭曉

(青島科技大學 藥學系，山東 青島 266042)

分子印跡(Molecular imprinted)技術是從仿生學角度采用人工模擬方法制備對模板分子具有特異性識別作用的聚合物的技術［1］。由于分子印跡聚合物(Molecular Imprinted Polymers，MIPs)在識別性能上與天然的分子相比，具有使用壽命長、穩定性好、選擇性高、重復利用率好等優點，所以在化學仿生傳感器、催化、色譜分離、固相萃取、天然抗體模擬以及模擬酶催化［2-4］中顯示出廣泛的應用前景。

目前，印跡聚合物的制備方法主要采用溶液聚合和本體聚合的方法，且應用廣泛。所制得聚合物是塊狀，需要進行研磨、過篩，使得孔穴變形，破壞結合位點，顆粒不規整離效果低，模板分子的洗脫也造成一定的困難。這些存在的困難使后處理工作變得異常復雜繁瑣。同時對印跡分子的識別位點大都在聚合物內部被其包埋，受到內部的位阻影響較大，使得目標分子不易與可識別位點結合，造成結合速率低、對孔穴接近性差等現象。以硅膠為基質進行印跡，在具有分子印跡功能的同時且具有良好的熱穩定性、高結合速率、吸附性、選擇性、粒徑分布均勻等優點，因此，將識別位點固定在硅膠表面的表面分子印跡技術成為研究者關注的熱點［5-8］。

羅丹明B 是一種人工合成的三苯甲烷類堿性染料，但近幾年羅丹明B 不僅被用作食品添加劑，還作為調味品(尤其是辣椒粉和辣椒油)和染色劑。研究表明，羅丹明B 具有潛在的致癌性和致突變性，我國和歐盟都不允許在食品中使用。因此，對羅丹明B 的檢測方法提出了很高的要求，但樣品本身的復雜基質直接干擾儀器檢測，導致樣品提取、純化、富集非常困難［9］。因此制備羅丹明B 的分子印跡吸附材料，實現對其提取、純化、富集。本實驗以羅丹明B 為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)為交聯劑，采用表面修飾分子印跡法，制備對羅丹明B 具有特定親和選擇性的分子印跡聚合物，并用紅外對聚合物進行了表征，采用平衡結合實驗評價了分子印跡聚合物的吸附性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

硅膠(80 ～100 目)、羅丹明B、丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、乙腈等均為分析純;偶氮二異丁腈(AIBN，使用前經甲醇重結晶，真空干燥24 h 后備用)為化學純。

LabTech UV1000 紫外可見分光光度計;Bruker Tensor 27 紅外光譜儀;DZF 真空干燥箱;YP-102N電子天平。

1.2 聚合物的制備

1.2.1 活化硅膠取20 g 硅膠于250 mL 圓底燒瓶中，加入195 mL 10% HNO3溶液攪拌12 h，除去硅膠表面的無機雜質且增加硅膠表面的活性羥基數目，蒸餾水洗滌至中性，置于干燥環境中自然晾干。1.2.2 硅膠的表面修飾取15 g 的活化硅膠和20 mL 3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)分散于150 mL 甲苯中，超聲30 min 使活化硅膠充分分散開，反應在氮氣保護110 ℃下回流24 h，冷卻至室溫后，依次用甲苯、丙酮、乙醚、甲醇洗滌，60 ℃真空干燥過夜備用，得到表面修飾的硅膠。1.2.3 分子印跡聚合物制備取479 mg 羅丹明B(1 mmol)分散于50 mL 的乙腈中，攪拌下加入0.304 4 g 丙烯酰胺(4 mmol)，1.5 g N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)(10 mmol)和2 g 表面修飾的活化硅膠，超聲30 min 使其充分分散，最后加入0.05 g偶氮二異丁腈(AIBN)，氮氣鼓泡除氧5 min，放入恒溫電磁攪拌鍋中于60 ℃氮氣保護下聚合反應24 h，冷卻至室溫，將所得物抽濾，60 ℃真空干燥10 h，老化后，再用索氏提取在乙醇∶乙酸=90∶10 (V/V)中回流48 h 除去模板分子。合成空白印跡聚合物(Nips)制備過程與Mips 相同，只是不加模板分子。

1.3 聚合物的性能研究

1.3.1 印跡聚合物的吸附性能研究分別稱取100 mg Mips 和Nips 于10 mL 容量瓶中，分別加入10 mL 1 mmol/L 羅丹明B 的丙酮標準溶液，置磁力攪拌器上，室溫下振蕩吸附24 h，然后用0.22 μm微孔濾膜過濾，用紫外分光光度計在最大吸收波長550 nm 處測羅丹明B 在平衡吸附液中的游離濃度，根據前后溶液中底物的濃度變化，計算出聚合物對模板分子的吸附量Q(μmol/g)。

1.3.2 印跡聚合物的選擇吸附性以羅丹明123為底物，分別稱取每份100 mg Mips 和其對應空白聚合物于10 mL 容量瓶中，分別加入10 mL 1 mmol/L羅丹明123 的丙酮標準溶液，置磁力攪拌器上，室溫下振蕩吸附24 h，然后用0.22 μm 微孔濾膜過濾，用紫外分光光度計在最大吸收波長550 nm 處測羅丹明123 在平衡吸附液中的游離濃度，根據前后溶液中底物的濃度變化，計算出聚合物對羅丹明123的吸附量。

2 結果與討論

2.1 制備過程

羅丹明B 硅膠表面修飾分子印跡材料的制備過程見圖1。活化后的硅膠表面含有豐富的活性羥基，通過分子間的烷基化反應將3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)接枝到硅膠表面。在偶氮二異丁腈的誘發作用下，羅丹明B、功能單體丙烯酰胺和交聯劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺形成聚合物并涂附在硅球上。用乙醇∶乙酸(90∶10，V/V)作為洗脫劑將羅丹明B 從制備的聚合物中洗脫出去，在聚合物中形成具有聚合位點的孔穴。在非印跡聚合物中，由于與酰氧基相連的—CH2—CH2—CH2—的靈活性，使配體的方向容易發生變化，使得聚合物中的空穴大小不確定，導致聚合材料對模板分子無選擇性。

圖1 羅丹明B 分子印跡聚合物的制備過程Fig.1 Preparative process of the molecularly imprinted polymer of Rhodamine B

2.2 紅外光譜表征

圖2 分別為活化硅膠、修飾后的硅膠以及印跡聚合物的紅外光譜圖。

圖2 活化硅球、KH-570 修飾和印跡聚合物紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectrums of activated silica sphere，KH-570 modify and Mips

由圖2 可知，在1 102.74 cm－1觀察到的特征吸收峰為Si—O—Si 鍵和Si—O—H 鍵伸縮振動，在799 cm－1和470 cm－1觀察到的特征吸收峰為Si—O振動。通過比較SiO2和經KH-570 修飾后的波譜圖，發現波長為971 cm－1的Si—OH 吸收峰明顯減弱，接枝后的載體硅膠在1 723.61 cm－1和2 959.89 cm－1出現了一個新的特征吸收峰，這是KH-570 中的酯的碳氧雙鍵( C O )的伸縮振動吸收峰，可以證明硅膠表面成功的接枝了KH-570，O—H 鍵基團的伸縮振動吸收出現在3 433.83 cm－1，這表明硅烷醇基團進行不完全的硅烷化。Mips 光譜圖和經KH-570 修飾后的硅膠載體光譜圖上波數為2 850，2 959.89 cm－1的吸收峰歸屬為—CH2—的伸縮振動和彎曲振動，是交聯劑MBA 連接到硅膠載體的特征峰。

2.3 印跡聚合物對羅丹明B 的吸附性能研究

測定Mips 對羅丹明B 的結合速率，采用靜態平衡結合法，測定在25 ℃下不同時間內Mips 對羅丹明B 溶液的結合吸附量，吸附量隨時間的變化曲線見圖3。

圖3 聚合物的吸附動力學曲線Fig.3 The kinetic curve for the adsorption of Rhodamine B

由圖3 可知，在前60 min 內，印跡材料對羅丹明B 的吸附量迅速增加，此后增長緩慢，基本達到吸附平衡。這是由于Mips 的吸附行為是由特異性吸附和非特異性吸附共同作用的結果，開始時兩種作用同時進行，吸附較快，當非特異性吸附位點達到飽和后，起作用的主要是特異性吸附。

采用靜態吸附法測定Mips 和Nips 對羅丹明B的吸附等溫線，見圖4。

圖4 聚合物的吸附等溫曲線Fig.4 Curve of the adsorption of Rhodamine B

由圖4 可知，Mips 對羅丹明B 具有較強的吸附能力，而Nips 對羅丹明B 的吸附能力較弱。印跡聚合物材料對模板分子具有特異吸附性，這種吸附作用主要是來源于識別位點與模板分子間的空間互補作用。

2.4 印跡聚合物的選擇性能研究

特定的選擇吸附性是印跡聚合物最顯著的特征，模板分子被洗脫后留下與其形狀和結合部位相對應的孔穴，此孔穴可以對模板分子進行選擇性識別，即使是手型異構體也能夠識別出來。聚合物對底物的結合分配系數描述為:

Kd=Cp/Cs

式中 Cp——底物在聚合物上的結合量，μmol/g;

Cs——平衡吸附液中底物的濃度，mmol/L;

α=Kdi/Kdj

式中 ，Kdi/Kdj 分別為模板與結構類似物的結合分配系數。Kd 值越高，表明聚合物對該底物的結合量越大;α值越高，表明聚合物對底物的選擇性越好。

本實驗選擇和羅丹明B 結構相似的羅丹明123為底物，在平衡結合條件下，測定Mips 和Nips 對底物的結合分配系數Kd 和分離因子α，見表1。

表1 印跡和非印跡聚合物對羅丹明B 和羅丹明123 的選擇吸附性Table 1 Selective adsorption of Rhodamine B and Rhodamine 123 by Mips and Nips

由表1 可知，Mips 對羅丹明B 結合分配系數比羅丹明123 高，對底物的分離因子明顯比Nips 大，這充分說明在制備印跡聚合物中，由于模板分子的存在，聚合物母體中含有許多與模板分子性狀大小匹配，分子間作用力互補的立體孔穴，因而表現出對模板分子較好的親和選擇性。

3 結論

本研究以羅丹明B 為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)為表面接枝材料，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，采用表面分子印跡的方法合成了羅丹明B 分子印跡聚合物，并對其性能進行了研究。結果表明，該方法制備過程簡單，對底物吸附速度快，識別能力強，克服了傳統制備方法的缺點，具有良好的應用前景。

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