双酚A分子印迹固相萃取填料的设计与制备

摘要

分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymers，MIPs）是一种具有分子特异识别能力的交联聚合物。基于MIPs的固相萃取(Molecularly imprinted solid-phase extraction，MISPE)在分析、制备等领域有着优异的应用前景。酚类仿雌激素(如双酚A(bisphenolA，BPA))是一种内分泌干扰物（环境激素），能对动物及人类健康造成不良影响。对不同样本中环境激素的有效检测是针对性治理、去除和评价其毒性的首要依据，因而开展环境激素控制相关的样品前处理研究，具有重要的科学及现实意义。本文针对BPA固相萃取填料的要求，首先优化设计了BPA-MIPs体系。在此基础上，从实际应用及常规离线固相萃取填料发展的要求出发，分别采用沉淀聚合和接枝聚合方法获得了形态规整的BPA-MIPs微球并用于离线固相萃取，建立了相应的尿液中BPA检测前处理技术。论文的主要内容和创新之处如下:
　　 1.在文献总结的基础上，考虑被忽略而对印迹性能有重要影响的交联剂与模板间的相互作用，对BPA印迹体系的交联剂进行了优化。通过对常用交联剂与模版BPA相互作用的模拟与分析，发现在交联剂与模板间引入强度适当的(∏-∏)相互作用，可以实现BPA及其类似物己烯雌酚(diethylstilbestrol，DES)分子的高效印迹。
　　 模拟计算表明，常用交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(ethylene glycol dimethacrylate，EDMA)和季戊四醇三丙烯酸酯(pentaerythritol triacrylate，PETRA)与模板的作用模式与单体丙烯酰胺(acrylamide，AA)与模板的相互作用类似，主要为非方向性的范德华力及静电引力;而交联剂二乙烯基苯(divinylbenzene-80，DVB-80)与模板分子间主要依靠方向性的(∏-∏)作用。光谱实验证实了DVB-80与模板的相互作用方式。
　　 吸附试验表明，交联剂DVB-80与模板间的(∏-∏)作用有助于模板分子BPA和DES的高效印迹。相比EDMA和PRTRA作为交联剂所制备的BPA-MIPs，选用DVB-80制备的BPA-MIPs对BPA平衡吸附量分别为前两者的2.73和1.95倍，固相萃取BPA的印迹因子为7.34，分别为前两者的7.73和14.12倍;对BPA的特异性因子可达10.29，分别是前两者的4.74和2.05倍。类似的，相比EDMA和PRTRA作为交联剂所制备的DES-MIPs，DVB-80制备的DES-MIPs对DES的平衡吸附量分别为前两者的5.85和2.17倍，固相萃取DES的印迹因子为17.58，分别为前两者对应值的8.75和3.34倍;对DES的特异性因子可达9.25，分别是前两者对应值的3.89和2.30倍。
　　 2.针对一般本体印迹填料在应用中由于颗粒不定型所导致的稳定性差、反压高以及重现性低等问题，以非共价法成功制备了可用于固相萃取BPA的印迹微球。以优选的DVB-80为交联剂，采用制备过程简便、利于分子印迹的沉淀聚合方法，制备了平均粒径4.80±0.98μm的BPA-MIPs微球，并成功应用于尿液中BPA固相萃取。
　　 微球填料相对于无定型填料具有柱效高、稳定性好、反压低以及重现性优良等优点。沉淀聚合因无需添加稳定剂或分散剂而有利于分子的印迹过程。结合结构分析和吸附动力学实验，考察了以DVB-80为交联剂、沉淀聚合制备BPA印迹微球的方法。重点分析了沉淀溶剂（甲苯/乙腈）中甲苯比例对聚合物微球结构及印迹性能的影响;并在考察交联度、微球用量及淋洗剂体积对微球固相萃取结果影响的基础上，采用优化的过程对模拟实际样品进行处理，获得较好的效果。
　　 相比本体聚合得到的BPA-MIPs，BPA印迹微球比表面积和孔容显著增加10倍以上，平衡吸附量增加1倍以上;同时吸附平衡所需时间更短，仅为本体聚合对应值的50％。固相萃取评价中，沉淀聚合制备的BPA-MIPs微球印迹因子达到5.96，具有较好的特异选择性。同时，BPA-MIPs微球应用于加标1μMBPA尿液样品固相萃取时，淋洗剂为1mL乙腈，回收率可达94.72％±2.80％。对1mL加标0.01-1μMBPA尿液样品萃取时，测得的峰面积与加标浓度回归，得线性方程为:y=20660x-139，其中y表示面积，x表示浓度（μM），线性相关系数r2=0.9995。结合HPLC-DAD对目标物BPA检测的定量限和检出限分别约为3.33nM和1.00nM，低于国家检测标准(GB13116-91，GB14942-94，GB/T5009.99-2003)的限定值0.22μM。
　　 3.核-壳结构的表面接枝印迹材料在快速、痕量分析中有显著优势。在沉淀聚合制备BPA印迹微球的基础上，又首次合成了poly(DVB-80)表面接枝BPA-MIPs的单分散微球，具有优异的吸附性能。
　　 采用优选的交联剂DVB-80制备poly(DVB-80)载体球。该载体无需修饰步骤即可接枝，同时与表面接枝层又有优异的相容性。表面印迹层厚度通过前躯体中交联剂的浓度加以控制。当DVB-80在前躯体中的比例为1-2vol％时，得到的BPA-MIPs接枝层厚度为100nm-560nm。在吸附动力学试验中，所得核-壳结构的BPA-MIPs微球能较快达到吸附平衡，吸附饱和时间只需30min，远小于本体聚合及沉淀聚合对应的120min及60min。同时能更方便地脱去模板分子，固相萃取时可进行“原位在柱”洗脱。此工作为进一步开展痕量、快速的BPA分析提供了一种有潜力的样品前处理技术。

目录

声明

摘要

缩略术语注释表

第一章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 分子印迹聚合物的设计、制备和应用

1．2．1 分子印迹聚合物设计的基础理论

1．2．2 分子印迹聚合物体系设计

1．2．3 分子印迹聚合物微球的制备

1．2．4 分子印迹聚合物的应用

1．3 分子印迹填料在固相萃取中的应用进展

1．3．1 固相萃取简介

1．3．2 分子印迹填料在固相萃取中应用

1．4 本论文的主要内容

第二章 基于交联剂的协同作用实现BPA／DES的高效印迹

2．1 引言

2．2 计算以及实验

2．2．1 试剂及仪器

2．2．2 BPA／DES与单体及交联剂相互作用的模拟

2．2．3 BPA／DES与单体及交联剂相互作用的紫外光谱分析

2．2．4 BPA-MIPs／DES-MIPs的合成

2．2．5 BPA-MIPs／DES-MIPs的表面形貌和孔结构表征

2．2．6 BPA-MIPs／DES-MIPs的动态吸附性能

2．2．7 BPA-MIPs的静态吸附性能

2．2．8 BPA-MIPs／DES-MIPs的固相萃取实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 BPA／DES分子与单体及交联剂分子间相互作用的模拟

2．3．2 BPA／DES分子与单体及交联剂分子间相互作用的紫外光谱分析

2．3．3 BPA-MIPs的形貌分析

2．3．4 BPA-MIPs的孔结构分析

2．3．6 BPA-MIPs／DES-MIPs的固相萃取评价

2．3．7 BPA-MIPs对尿液中目标物的固相萃取评价

2．4 本章小结

第三章 基于交联剂DVB-80沉淀聚合离线固相萃取用BPA印迹微球

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂及仪器

3．2．2 BPA-MIPs微球的合成及表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 BPA-MIPs微球的制备溶剂优化

3．3．2 BPA-MIPs微球的孔结构以及比表面积分析

3．3．3 BPA-MIPs微球基团结构的红外分析

3．3．4 BPA-MIPs微球对BPA吸附动力学曲线

3．3．5 BPA-MIPs微球固相萃取性能评

3．3．6 BPA-MIPs微球对实际样品固相萃取性能分析

3．4 本章小结

第四章 poly(DVB-80)微球表面接枝BPA-MIPs壳层的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂及仪器

4．2．2 接枝BPA-MIPs微球的合成

4．2．3 接枝BPA分子印迹聚合微球的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 接枝BPA-MIPs微球的制备及条件优化

4．3．2 接枝BPA-MIPs微球的孔结构分析

4．3．3 接枝不同厚度BPA-MIPs微球的制备

4．3．4 接枝BPA-MIPs微球的红外分析

4．3．5 接枝BPA-MIPs微球对BPA吸附动力学曲线

4．3．6 接枝BPA-MIPs微球应用于固相萃取

4．4 本章小结

第五章 结论和展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

博士研究生期间发表的论文及成果

致谢