磁性分子印跡聚合物制備及其對環境水樣中雌二醇的特異性吸附性能研究

常夢珠，沈 翔，洪建和，何 崗

(中國地質大學(武漢)材料與化學學院，湖北 武漢 430074)

內分泌干擾物(EDCs)是一類通過阻斷或模仿激素的正常作用、影響激素的合成和代謝、改變激素的受體水平，從而干擾動物和人類內分泌系統功能的有機污染物質[1]。雌二醇(E2)是脊椎動物體內主要的雌激素，其含量異常會引起性行為改變、生育率降低、生殖異常、乳腺癌等問題[2-5]。此外，雌激素也會通過生物積累進入食物鏈，對環境和人類健康產生較大的威脅[6-7]。研究表明，E2主要通過人類和動物的尿液和糞便以活性游離、活性葡萄糖醛酸和硫酸鹽偶聯物的形式排出，分泌量最大的是孕婦和經期婦女，其中孕婦每天排泄的尿液和糞便中分別含有308 μg E2和202 μg E2，經期婦女每天排泄的尿液和糞便中分別含有4.66 μg E2和0.2 μg E2[8-10]。這些雌激素最終通過污水處理管網進入環境[9,11]。隨著世界人口的快速增加，污水排放量迅速上升，環境中存在的雌激素對環境產生的危害也越來越大，而高級氧化技術能夠快速去除環境中雌激素已引起人們廣泛的關注[12-14]。然而，準確地測定水處理樣品中殘余的低濃度雌激素還面臨挑戰[15-16]。

磁性分子印跡聚合物(MMIPs)作為一種新興的高性能材料[17-19]，將傳統的分子印跡聚合物與磁性納米顆粒復合，不僅具有與模板分子大小、形狀和官能團互補的特異性結合位點，可以特異性識別模板分子，而且在外加磁場的作用下，可快速地與溶液分離，大大簡化了復雜的分離步驟[20-23]。de Oliveira等[24]、Wang等[25]等開發了一種新型印跡方法，通過控制印跡位點位于或接近于印跡材料表面，從而增加有效印跡位點的個數，提高了印跡容量，并加快了傳質速率，有利于模板分子的擴散和洗脫，可實現對模板分子更高效率、更高選擇性的分離；Huang[26]等以雙酚A(BPA)作為模板分子、2-乙烯吡啶作為功能單體，采用本體聚合法成功合成了可對BPA選擇性識別的分子印跡高聚物，并將聚合微球應用于固相萃取吸附劑，為從復雜體系中分離與富集BPA提供了一種有效的方法。

基于上述研究，本文采用水熱法合成了磁性納米顆粒Ni0.5Zn0.5Fe2O4，采用TEOs、MPS對磁性顆粒進行修飾和改性，并以此為載體制備了能對E2特異性識別和吸附的磁性分子印跡聚合物(MMIPs)，并將制備的MMIPs應用于實際環境水樣中以驗證其抗干擾性，從而實現對實際環境水樣中E2的特異性識別和吸附。

1 材料與方法

1.1 試驗試劑和儀器

試驗試劑：硫酸亞鐵銨、硝酸鎳、硝酸鋅、尿素、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、乙醇、甲醇、氨水、正硅酸乙酯(TEOs)、甲基丙烯酰氧-丙基三甲氧基硅烷(MPS)、乙腈、雌二醇(E2)、丙烯酰胺(AM)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、偶氮二異丁腈(AIBN)、聚乙烯吡咯烷酮-K30(PVP-K30)。試驗所使用的藥品均為分析純且未經過任何處理。

試驗儀器：高效液相色譜儀、超高效液相色譜串聯質譜儀。

高效液相色譜條件如下：流動相為乙腈-水(60∶40，V/V)；流速為1 mL/min；檢測波長為281 nm；柱溫為25℃；進樣量為20 μL。

超高效液相色譜-串聯質譜條件色譜條件如下：①色譜條件：色譜柱為Hypersil GOLD C18(3.0 μm×3 mm×150 mm)；柱溫為40℃；流動相為水(A)-乙腈(D)；流速為0.25 mL/min；梯度洗脫條件為0～5 min 30% D、5～10 min 90%D、10～13 min 30% D；進樣量為10 μL。②質譜條件：離子源為加熱電噴霧電離源(HESI)；掃描方式為負離子掃描；電噴霧電壓為3.2 kV；S-lens自動增益水平為50%；離子傳輸管溫度為320℃；Full MS質量分辨率為70 000；M/Z為200～400；其他參數設為默認值。

本試驗所使用的水樣分別來自武漢市湯遜湖污水處理廠和某養殖場，其未經過濾直接保存在4℃環境下。

1.2 雌二醇磁性分子印跡聚合物的制備

(1) Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2@MPS(NSM)納米顆粒的制備：參考文獻[27]合成Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁性納米顆粒，將700 mg 磁性顆粒加至乙醇/水(4∶1，V/V)的混合溶液中，超聲20 min；攪拌下分別加入5 mL氨水、4 mL正硅酸乙酯，室溫下攪拌6 h，磁鐵收集產物，分別用乙醇和去離子水洗滌，60℃下真空干燥12 h，得到Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)納米顆粒；在圓底燒瓶中加入乙醇/水(3∶1，V/V)和少量KH570的混合溶液，室溫水解1 h，然后加入200 mg NS微粒并超聲分散，50℃下攪拌反應6 h，磁塊收集產物，分別用去離子水和乙醇洗滌，真空干燥12 h，得到NSM納米顆粒。

(2) 制備雌二醇磁性分子印跡聚合物(E2-MMIPs)：將0.25 mmol E2、2mmol AM溶于20 mL乙腈，室溫下攪拌1 h；然后加入100 mg NSM納米顆粒、20 mg PVP-K30，攪拌2 h；繼續加入30 mg AIBN、10 mmol EGDMA，通N230 min之后，密封，65℃下反應24 h；磁鐵收集產物，用甲醇/乙酸(9∶1，V/V)超聲洗脫模板分子，重復多次，直至高效液相色譜儀在洗脫液中檢測不到模板分子，最終得到雌二醇磁性分子印跡聚合物(E2-MMIPs)。采用同樣的方法合成不加模板分子的雌二醇磁性分子印跡聚合物(E2-MNIPs)。

1.3 吸附試驗

為探究E2-MMIPs的吸附等溫線，將20 mg E2-MMIPs加入到10 mL E2溶液中，E2溶液濃度分別為0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L、4 mg/L、5 mg/L、8 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L。將溶液放入振蕩箱中，在溫度為298K、轉速為200 r/min下振蕩30 min，外磁場沉淀后，取上清液，使用Agilent1220高效液相色譜儀測定。

為探究E2-MMIPs的吸附動力學，將20 mg E2-MMIPs加入到10 mL E2溶液(E2溶液濃度為20 mg/L)中，測定不同時間E2-MMIPs對E2的吸附量。其吸附量計算公式如下：

(1)

式中：Q為吸附材料的吸附容量(mg/g)；C0為E2的初始濃度(mg/L)；V為溶液的體積(L)；m為吸附材料的質量(g)；Ce為E2吸附平衡時的濃度(mg/L)。

1.4 實際水樣的測定

使用C18固相萃取小柱對兩種實際水樣進行萃取，甲醇/乙腈(1∶1,V/V)洗脫，N2吹掃至0.5 mL，甲醇定容至1 mL，采用HPLC-MS/MS對E2進行定性和定量測定。

2 結果與討論

2.1 材料的結構和熱穩定性

圖1為制備的Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)和E2-MMIPs樣品的透射電子顯微鏡(TEM)結構圖。

圖1 Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)和 E2-MMIPs的透射電子顯微鏡結構圖Fig.1 TEM image of Ni0.5Zn0.5Fe2O4,Ni0.5Zn0.5Fe2O4@ SiO2(NS) and E2-MMIPs

由圖1可見，Ni0.5Zn0.5Fe2O4納米顆粒的分散性較好，顆粒形狀近似球形[見圖1(a)]，SiO2包覆層厚度大約為10 nm[見圖1(b)]，E2-MMIPs成功地被多層包覆，且呈高度交聯的網狀結構[見圖1(c)、(d)]。

圖2為Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)和E2-MMIPs樣品的X射線衍射(XRD)圖譜。

圖2 Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)和 E2-MMIPs的X射線衍射圖譜Fig.2 XRD patterns of Ni0.5Zn0.5Fe2O4，Ni0.5Zn0.5Fe2O4@ SiO2(NS) and E2-MMIPs

由圖2可見，Ni0.5Zn0.5Fe2O4在2θ分別為35°、43°、56°、62°處有明顯且尖銳的衍射峰，歸屬立方晶系的特征峰，經過SiO2和MIPs包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4晶型沒有變化，但衍射峰強度有所下降，可能是由于表面包裹了分子印跡聚合物。

不同樣品的紅外光譜(FT-IR)圖見圖3。

由圖3可見，曲線1中587 cm-1處的吸收帶為Fe—O的伸縮振動；曲線2中的807 cm-1、954 cm-1和1 083 cm-1吸收帶分別對應于Si—O—Si和Si—O的拉伸振動，說明硅成功地接枝到Ni0.5Zn0.5Fe2O4納米顆粒表面，3 114 cm-1和3 674 cm-1處出現明顯的寬峰，是SiO2物理吸附水分子和表面的硅醇鍵所含的O—H伸縮振動峰，表明硅成功水解并形成了相應的硅醇鍵；曲線3中2 927 cm-1處的吸收帶與MPS中C=H的拉伸振動相對應，表明NS成功得到了改性，曲線4中1 727 cm-1處的吸收帶為C=O的伸縮振動，表明印跡聚合物層已經接枝到磁性顆粒上；曲線4和5中E2-MMIPs與E2-MNIPs的FT-IR光譜幾乎相同，這是由于E2-MMIPs去除模板分子后，它們的化學成分相似。

圖3 不同樣品的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra of different samples注：曲線1為Ni0.5Zn0.5Fe2O4樣品；曲線2為NS樣品；曲線3為NSM樣品；曲線4為E2-MMIPs樣品;曲線5為E2-MNIPs樣品

進一步，通過E2-MMIPs、E2-MNIPs樣品的熱重分析結果表明，E2-MMIPs樣品的質量損失主要包括三個階段：第一階段在100℃以內，主要為材料表面的吸附水散失，兩種材料損失基本一致；第二階段在250～350℃之間，主要為SiO2表面功能基團的快速分解；第三階段在350℃之間，主要為SiO2表面分子聚合物的分解。兩種樣品的質量損失趨勢比較相似，E2-MMIPs樣品的總損失比E2-MNIPs樣品少了4.92%，這可能是由于E2-MMIPs樣品表面存在分子印跡部位，這使E2-MMIPs樣品在200℃以下顯示出較好的熱穩定性。

圖4為E2-MMIPs和E2-MNIPs樣品的N2吸附-脫附等溫線。

圖4 E2-MMIPs和E2-MNIPs樣品的N2吸附-脫附 等溫線Fig.4 N2 adsorption-desorption isotherm of E2-MMIPs and E2-MNIPs

由圖4可見，E2-MMIPs和E2-MNIPs樣品的BET比表面積分別為96.84 cm2/g、12.63 cm2/g，孔體積為0.478 cm3/g，這可能是由于丙烯酰胺的—OH和—NH與E2之間形成了氫鍵，形成了復雜的特異性識別位點；E2-MMIPs樣品等溫線的急劇上升和小的滯后回線表明該材料存在介孔，這預示E2-MMIPs樣品具有優異的吸附性能。

圖5為不同樣品的磁滯回線。

圖5 不同樣品的磁滯回線Fig.5 Hysteresis loop of different samples注：a曲線為Ni0.5Zn0.5Fe2O4樣品;b曲線為NS樣品; c曲線為NSM樣品;d曲線為E2-MMIPs樣品

由圖5可見，室溫下，Ni0.5Zn0.5Fe2O4、NS、NSM、E2-MMIPs和E2-MNIPs樣品的飽和磁化強度分別為21.35 emu/g、10.46 emu/g、9.16 emu/g、4.23 emu/g和4.01 emu/g；E2-MMIPs樣品的磁性有所下降，這是由于其表面有非磁性包覆層；E2-MMIPs樣品負載前后矯頑力變化較小，歸屬于軟磁材料。磁性測試結果表明：雖然所合成的E2-MMIPs樣品的磁性有所下降，但仍能滿足回收利用的磁性要求(見圖5中插圖2)。

2.2 吸附試驗

2.2.1 功能單體與交聯劑比例的優化

功能單體結構單元中通常包括識別基團和聚合基團兩部分基團，因此合格的功能單體應同時具有與模板分子有較好的聚合能力和較強的識別作用。甲基丙烯酸作為功能單體時E2-MMIPs與E2-MNIPs對E2的吸附量相差最大，但是E2-MMIPs對E2的吸附量較小;而丙烯酰胺作為功能單體合成的聚合物對E2的吸附量大、且特異性吸附效果好，所以本次選擇丙烯酰胺作為功能單體進行吸附試驗。

模板分子、功能單體與交聯劑的比例會影響識別位點的穩定性、模板分子的去除效率以及網狀聚合物的機械強度。過低比例的交聯劑聚合物的孔徑較大，有利于模板分子的擴散和轉移，而過高比例的交聯劑聚合物的孔徑較小，會引起傳質阻力，從而影響對目標物質的吸附效果。本試驗探究了模板分子、功能單體與交聯劑不同比例的E2-MMIPs對E2的吸附效果，見表1。

表1 模板分子、功能單體與交聯劑不同比例的E2-MMIPs對E2的吸附效果

由表1可知，模板分子、功能單體與交聯劑的比例(摩爾比)為1∶8∶40時合成的聚合物E2-MMIPs對E2的吸附效果最好(吸附量QMMIPs為9.30 mg/g)。

2.2.2 E2-MMIPs與E2-MNIPs吸附性能的對比

針對E2-MMIPs和E2-ENIPs樣品，本試驗考察了不同吸附液濃度C對E2吸附效果的影響，見圖6。

圖6 不同吸附液濃度對E2吸附效果的影響Fig.6 Effect of adsorption concentration on the adsorption of E2

由圖6可見，隨著吸附液濃度的增加，兩種樣品對E2的吸附量Q迅速變大，當吸附液濃度增加到60 mg/L時，逐漸達到吸附平衡;E2-MMIPs樣品最大吸附量為23.83 mg/g，高于E2-MNIPs樣品，表明E2-MMIPs表面的識別位點對E2具有更好的化學和空間匹配度,而E2-MNIPs樣品與模板分子E2的相互作用可能主要是非特異性吸附。

針對E2-MMIPs和E2-ENIPs樣品，本試驗考察了不同接觸時間對E2吸附效果的影響，見圖7。

圖7 不同接觸時間對吸附E2的影響Fig.7 Effect of contact time on the adsorption of E2

由圖7可見，前20min內，兩種樣品對E2的吸附量迅速上升，到30 min時逐漸達到吸附平衡；E2-MMIPs樣品對E2的吸附量大于E2-MNIPs樣品，表明E2-MMIPs具有與模板分子E2相匹配的結合位點和孔穴，同時具有較強的選擇性吸附能力。

2.2.3 吸附等溫線分析

本文采用Langmuir和Freundlich等溫方程來評估E2-MMIPs和E2-MNIPs樣品的吸附行為。它們的線性吸附等溫方程如下：

(2)

(3)

式中：qe為吸附平衡時的吸附量(mg/g)；Ce為吸附平衡濃度(mg/L)；qm為最大吸附量(mg/g);b為Langmuir方程常數;n和Kf為Freundlich方程常數。

線性Freundlic模型對E2-MMIPs和E2-MNIPs樣品吸附E2的擬合曲線和各參數，見圖8和表2。

由圖8和表2可見，線性Freundlich模型擬合曲線的相關系數R2更高，說明其吸附類型更接近多層的、吸附位點不均勻的吸附。

表2 線性Langmuir模型和Freundlich模型的擬合參數

圖8 線性Freundlich 模型對E2-MMIPs和E2-MNIPs 樣品吸附E2的擬合曲線Fig.8 Fitting of linear Freundlich model for E2 adsorption

2.2.4 吸附動力學分析

吸附動力學研究是決定吸附劑能否大規模應用，且反映其可行性及效率的主要指標。本文采用線性準一級和準二級動力學方程對其吸附行為進行評估，并探討其機理。它們的線性吸附動力學方程如下：

ln(qe-qt)=lnqt-k1t

(4)

(5)

式中：qe為吸附平衡時的吸附量(mg/g);qt為t時刻的吸附量(mg/g);t為接觸時間(s);k1(min-1)和k2(g/mg·min)分別為準一級和準二級方程的速率常數。

線性準二級動力學方程對E2-MMIPs和E2-MNIPs樣品吸附E2的擬合曲線和各參數，見圖9和表3。

圖9 線性準二級動力學方程對E2-MMIPs和 E2-MNIPs樣品吸附E2的擬合曲線Fig.9 Fitting of linear pseudo second order kinetic equation to adsorption E2

表3 線性準一級和準二級動力學方程的擬合參數

由圖9和表3可見，準二級動力學方程擬合曲線的相關系數R2更高，且平衡吸附量qe,2(cal)比準一級動力學方程的更接近試驗值qe(exp)，說明該吸附過程更符合準二級動力學模型的吸附特征，其反應速率與濃度的平方成正比。

2.2.5 對水樣中E2的吸附性能分析

為了進一步探究E2-MMIPs的吸附抗干擾性，取污水廠污水和養殖廢水兩種不同水體，測定出養殖廢水中E2的含量為80 ng/L，而在污水廠污水中未檢出E2。在上述兩種水體及純水中加入E2，配置成濃度分別為1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L、4 mg/L、5 mg/L、8 mg/L和10 mg/L的加標溶液，用E2-MMIPs對其進行吸附。

圖10和圖11分別為未加標的兩種水樣的HPLC-MS/MS定性分析結果和三維熒光譜圖。

由HPLC-MS/MS定性分析結果(見圖10)可以看出:在兩種水體中均存在不同的E2類似物。三維熒光譜圖顯示(見圖11)，原始的污水廠污水主要在芳香族蛋白區出現峰，養殖廢水主要在腐殖酸區存在峰，且養殖廢水中出現的峰強度遠高于污水廠污水中的峰強度。由此可見，在這兩種實際水體中存在較大的有機基體干擾，可能會對E2-MMIPs在實際水體中對E2的吸附產生較大的干擾。

圖10 原始實際水樣的HPLC-MS/MS定性檢測結果Fig.10 HPLC-MS/MS qualitative detection of sewage and aquaculture wastewater

圖11 原始實際水樣的三維熒光譜圖Fig.11 Three-dimensional fluorescence spectrogramof actual water samples

圖12為E2-MMIPs對水樣中E2的吸附效果。

圖12 E2-MMIPs對水樣中E2的吸附效果Fig.12 Application of MMIPs in actual water samples

由圖12可見，E2-MMIPs對水樣中E2的吸附結果與三維熒光光譜圖和HPLC-MS/MS定性分析結果基本一致，即基體干擾越大的水體中E2-MMIPs對E2的吸附量下降得越多，養殖廢水中E2-MMIPs對E2的吸附量平均降低率為16.17 %，污水廠污水中E2-MMIPs對E2的吸附量平均降低率為5.61 %。由此可見，該E2-MMIPs在復雜的實際水體中對于E2的吸附具有較強的抗干擾性。

3 結 論

本文采用水熱法合成了磁性納米顆粒Ni0.5Zn0.5Fe2O4，采用SiO2和硅烷偶聯劑對其進行修飾和改性，以此為載體利用表面分子印跡技術制備了磁性分子印跡聚合物(E2-MMIPs)。所制備的E2-MMIPs具有良好的軟磁性，可以在30 s內從樣品基質中分離出來。通過對其吸附動力學的研究，推測了模板分子和功能單體之間的作用方式。此外，通過對E2-MMIPs吸附等溫線的擬合可知，該吸附為多層的、吸附位點不均勻的類型。通過試驗條件的優化證明丙烯酰胺作為功能單體，模板分子、功能單體與交聯劑的比例為1∶8∶40時合成的E2-MMIPs對E2具有最佳的吸附性能，對E2的最高吸附量可達23.83 mg/g，且E2-MMIPs比E2-MNIPs具有更好的特異性識別性能。進一步應用于實際環境水樣，結果表明：E2-MMIPs可以在復雜水體中對E2進行特異性吸附和識別，具有較強的抗干擾能力。