一种亲水性分子印迹聚合物的绿色制备方法

摘要

本发明一种亲水性分子印迹聚合物的绿色制备方法，属环境功能材料技术领域。以无毒、无害的乙醇为绿色溶剂，以四环素为模板分子，甲基丙烯酸和丙烯酰胺为双功能单体，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，偶氮二异丁腈为自由基引发剂，通过一锅法制备出亲水性分子印迹聚合物微球。通过多种表征手段，证明模板分子与聚合单体之间存在较强的作用力，并且影响聚合物的形貌以及粒径分布等参数。利用静态吸附实验来研究所制备印迹聚合物粒子对四环素的吸附平衡、动力学和选择性性能。结果表明利用本发明获得的亲水性分子印迹聚合物在水溶液中对四环素类抗生素具有较高的吸附容量和快速的吸附动力学性质以及特异性识别性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种亲水性分子印迹聚合物的绿色制备方法，属环境功能材料制备技术领域。

背景技术

分子印迹聚合物是通过分子印迹技术合成的对特定目标分子(模板分子)及其结构类似物具有特异性识别和选择性吸附的聚合物。分子印迹吸附剂的出现推动了分离技术的迅速发展。分子印迹技术是制备具有分子识别能力聚合物的新技术，主要步骤为：(1) 功能单体与模板分子在一定的条件下通过共价或非共价键的方式形成复合物；(2) 交联剂与功能单体进行交联聚合，形成三维交联的聚合物网络；(3) 通过物理或化学方法除去模板分子，聚合物网络中就形成形态和化学功能团与模板分子完美匹配的印迹孔穴。分子印迹吸附剂具有构-效预定性、特异识别性和广泛实用性，并且具有良好稳定性。分子印迹聚合物广泛应用于固相萃取、色谱分离、酶催化、传感器等领域。目前多数分子印迹聚合物的制备和应用都局限在有机溶剂中进行，并且天然的识别系统以及分子印迹聚合物所面临的实际应用环境则多是水性体系。因此研制亲水性印迹聚合物应用于水相识别体系是分子印迹技术的研究目标。

绿色化学(Green Chemistry)又称环境友好化学，要求设计、开发和应用新的工艺和方法，最大限度减少：①不可再生资源和有机溶剂的使用；②有毒副产品的产生；③能量消耗和气体排放。目前分子印迹吸附剂传统的制备过程不可避免使用乙腈、二氯甲烷、甲苯和N,N-二甲基酰胺等毒性有机溶剂或者使用大量的表面活性，存在环境隐患。绿色聚合体系是亟待探索，尤其是绿色溶剂的选择和应用，比如乙醇和水。

四环素类抗生素对革兰氏阳性和革兰氏阴性引起严重疾病具有很好的抗菌活性，因此广泛用于人类和动物的疾病预防和治疗或者作为家禽饲料添加剂。但是，四环素在体内消化吸收差，因此大部分没有参与新陈代谢而排除体外，动物排泄物中仍然保持着生物活性，在微生物中进行转移和传播并产生毒效应。由于四环素拥有光谱抗菌性能而且价格便宜，滥用四环素已经导致肉类农产品、生态环境中不安全残留。国内外学者研究已经证实了在土壤和水环境中存在四环素类抗生素残留，引起了环境生态学的广泛关注。因此，建立发展有效和经济处理手段来选择性移除环境中四环素类抗生素残留是极为重要的。

发明内容

本发明以无毒、无害的乙醇为绿色溶剂，以四环素为模板分子，以甲基丙烯酸和丙烯酰胺为功能单体，以N, N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，偶氮二异丁腈为自由基聚合引发剂，通过一锅法制备出亲水性分子印迹聚合物微球。通过多种表征手段，揭示聚合物的形貌以及粒径分布等参数。利用静态吸附实验研究所得印迹聚合物粒子对水环境中四环素的选择性去除性能。

     本发明采用的技术方案是：一种亲水性分子印迹聚合物的绿色制备方法，按照下述步骤进行：

按照甲基丙烯酸(MAA)：丙烯酰胺(AAM)：N, N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)的摩尔比为 (2-4):1:(0.3-0.6)，依次向三口圆底烧瓶中加入甲基丙烯酸和丙烯酰胺两种功能单体以及交联剂N, N’-亚甲基双丙烯酰胺。按照单体：乙醇质量比为(2.0-4.0):100的比例，向烧瓶中加入乙醇室温下搅拌溶解形成均相溶液，随后按照四环素(TC)：乙醇质量比为(0.02-0.08)：100的比例，加入四环素作为模板分子，室温下，避光预组装12小时；该溶液体系加热至60 ^oC，按照偶氮二异丁腈(AIBN)：乙醇质量比为(0.08-0.15):100的比例，加入偶氮二异丁腈引发聚合，60 ^oC下剧烈搅拌12-18小时。用乙醇反复洗涤反应产物，干燥，用体积比为9:1的甲醇：乙酸混合液索氏提取24 h，重复2-3次，脱除模板分子，洗涤至中性，并真空干燥。

不加四环素，采取同样制备方法和流程，获得非印迹聚合物。

本发明的技术优点：以无毒、无危害和价格便宜的乙醇为溶剂，以丙烯酰胺和N, N’-亚甲基双丙烯酰胺这种亲水性单体，通过简单的一锅法，制备出亲水性分子印迹聚合物粒子，并成功应用于水环境中四环素的选择性去除。

附图说明

图1 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)的扫描电镜图。从图中可知非印迹聚合物粒子呈现出单分散性且尺寸均一的球形，尺寸接近1.0 um；然而，印迹聚合物粒子呈现出不规则形态，团聚现象严重，由此推断可知，聚合过程中，模板分子的加入影响聚合物粒子的形貌。

图2 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)的红外光谱图。从图中可知洗脱模板后的印迹聚合物和非印迹聚合物红外谱图线性基本一致，3346 cm^-1和3204 cm^-1 为酰胺的-NH伸缩振动峰，1534 cm^-1 处的峰为-NH的形变振动峰，2981 cm^-1和2940 cm^-1为-CH₃和-CH₂的伸缩振动峰，1663 cm^-1 处峰为-HN-C=O中C=O和-COOH的C=O两者的重叠峰，说明偶氮二异丁腈成功引发自由基聚合。

图3 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)的粒径分布图。从图中可以看出非印迹聚合物粒径分布窄，大部分集中在1.0 um左右，而印迹聚合物粒径分布较宽，该结果与扫描电镜图相匹配。

图4 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)的接触角图。从图中可知印迹聚合物和非印迹聚合物的水接触角分别为27.3±0.1° and 27.8±0.2°，说明印迹聚合物和非印迹聚合物具有很好的亲水性。

图5 溶液pH值对印迹聚合物和非印迹聚合物吸附四环素的影响；四环素的化学结构式和pKa常数值 (插图)。从图中可知，当pH值为5.0时，吸附量达到最大值。

图6 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)吸附四环素的等温线图。从图中可知，随着温度和浓度的升高，印迹聚合物和非印迹聚合物对四环素的吸附量随之增加。同时，同一温度和同一浓度下，印迹聚合物对四环素的吸附量大于非印迹聚合物，表现出良好的特异性识别和分离性能，说明印迹聚合物中存在与四环素分子相匹配的活性位点。

图7 印迹聚合物和非印迹聚合物吸附四环素的动力学图。从图中可知，最初，随着接触时间的增加，印迹聚合物和非印迹聚合物对四环素的吸附量迅速增加；非印迹聚合物在100分钟以后逐渐趋于平衡，印迹聚合物在180分钟以后慢慢达到平衡。在整个时间范围内，印迹聚合物对四环素的吸附量都大于非印迹聚合物的吸附量，表现出良好选择性和快速的吸附平衡。

图8 四种对比抗生素的化学结构图(a)；印迹聚合物和非印迹聚合物对其他抗生素的吸附性能研究(b)；从图表中可知印迹聚合物对模板分子的吸附量最大，表现出良好的选择性识别和吸附性能。

 

具体实施方式

本发明中具体实施方案中吸附性能评价按照下述方法进行：利用静态吸附实验完成。将10 mL不同浓度的四环素溶液加入到离心管中，分别向其中加入10 mg印迹聚合物粒子和非印迹聚合物，恒温水浴中静置，考察了溶液pH值、吸附剂用量、接触时间、温度对四环素吸附的影响。吸附达到饱和后，通过离心收集，得到中上层清液，用紫外可见光光度计测得试液中未被吸附的四环素分子浓度，计算得到吸附容量。

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

量筒量取100 mL体积的乙醇，加入250 mL的三口圆底烧瓶中，按照甲基丙烯酸(MAA)：丙烯酰胺(AAM)：N, N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)的摩尔比为 3.0:1.0:0.48，依次向乙醇中加入甲基丙烯酸和丙烯酰胺两种功能单体以及交联剂N, N’-亚甲基双丙烯酰胺，这三种聚合单体的总质量为3.0 g，室温下搅拌溶解形成均相溶液，随后加入50 mg四环素(TC)作为模板分子，室温下，避光预组装12小时，该溶液体系加热至60 ^oC，加入100 mg 偶氮二异丁腈(AIBN) 引发聚合，60 ^oC下剧烈搅拌14小时。用乙醇反复洗涤反应产物，离心并干燥，用体积比为9:1的甲醇：乙酸混合液索氏提取24 h，重复2-3次，洗脱模板分子，乙醇和水洗涤至中性，并真空干燥。采取同样制备方法和流程，只是不加四环素，获得非印迹聚合物。

图1 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)的扫描电镜图。从图中可知非印迹聚合物粒子呈现出单分散性且尺寸均一的球形，尺寸接近1.0 um；然而，印迹聚合物粒子呈现出不规则形态，团聚现象严重，由此推断可知，聚合过程中，模板分子的加入影响聚合物粒子的形貌。

图2 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)的红外光谱图。从图中可知洗脱模板后的印迹聚合物和非印迹聚合物红外谱图线性基本一致，3346 cm^-1和3204 cm^-1 为酰胺的-NH伸缩振动峰，1534 cm^-1 处的峰为-NH的形变振动峰，2981 cm^-1和2940 cm^-1为-CH₃和-CH₂的伸缩振动峰，1663 cm^-1 处峰为-HN-C=O中C=O和-COOH的C=O两者的重叠峰，说明偶氮二异丁腈成功引发自由基聚合。

图3 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)的粒径分布图。从图中可以看出非印迹聚合物粒径分布窄，大部分集中在1.0 um左右，而印迹聚合物粒径分布较宽，该结果与扫描电镜图相匹配。

图4 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)的接触角图。从图中可知印迹聚合物和非印迹聚合物的水接触角分别为27.3±0.1° and 27.8±0.2°，说明印迹聚合物和非印迹聚合物具有很好的亲水性。

图5 溶液pH值对印迹聚合物和非印迹聚合物吸附四环素的影响；四环素的化学结构式和pKa常数值 (插图)。从图中可知，当pH值为5.0时，吸附量达到最大值。

图6 印迹聚合物(a)和非印迹聚合物(b)吸附四环素的等温线图。从图中可知，随着温度和浓度的升高，印迹聚合物和非印迹聚合物对四环素的吸附量随之增加。同时，同一温度和同一浓度下，印迹聚合物对四环素的吸附量大于非印迹聚合物，表现出良好的特异性识别和分离性能，说明印迹聚合物中存在与四环素分子相匹配的活性位点。

图7 印迹聚合物和非印迹聚合物吸附四环素的动力学图。从图中可知，最初，随着接触时间的增加，印迹聚合物和非印迹聚合物对四环素的吸附量迅速增加；非印迹聚合物在100分钟以后逐渐趋于平衡，印迹聚合物在180分钟以后慢慢达到平衡。在整个时间范围内，印迹聚合物对四环素的吸附量都大于非印迹聚合物的吸附量，表现出良好选择性和快速的吸附平衡。

图8 四种对比抗生素的化学结构图(a)；印迹聚合物和非印迹聚合物对其他抗生素的吸附性能研究(b)；从图表中可知印迹聚合物对模板分子的吸附量最大，表现出良好的选择性识别和吸附性能。

 

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明：

试验例1：取10ml初始浓度分别为10、30、50、60、80、100、120、150、200 μmol/L的四环素溶液加入到离心管中，分别加入5.0 mg印迹聚合物和非印迹聚合物，把测试液放在三个不同温度(298K，308K和318K)水浴中静置12.0 h后，离心收集上层清液，未被吸附的四环素分子浓度用紫外可见分光光度计测定，并根据结果计算出吸附容量。图6结果表明，随着温度和浓度的升高，吸附量逐渐增大，最终达到吸附平衡，而且印迹聚合物对四环素的吸附量始终大于非印迹聚合物，证明存在大量的印迹孔穴。

实验例 2：取10 ml初始浓度为100 μmol/L的四环素溶液加入到离心管中，分别加入5.0 mg 印迹聚合物和非印迹聚合物，把测试液放在25 ^oC的水浴中分别静置10、30、60、90、120、150、180、240、300和360分钟。静置完成后，离心收集上层清液，未被吸附的四环素分子浓度用紫外可见分光光度计测定，并根据结果计算出吸附容量。图7结果表明：印迹聚合物印迹和非印迹吸附剂对磺胺二甲嘧啶有较好的吸附动力学性能，2.0 h内基本达到吸附平衡。

试验例 3：选择磺胺二甲基嘧啶、头孢氨苄和环丙沙星为竞争吸附的抗生素类化合物。分别配置溶度为100 μmol/L上述三种抗生素。取10 ml配制好的溶液加入到离心管中，分别加入5.0 mg印迹聚合物和非印迹聚合物，把测试液放在25 ^oC的水浴中分别静置12 h。吸附达到饱和后，离心收集上层清液，未被吸附的各种竞争吸附抗生素浓度用Uv-vis测定。图8结果表明，印迹聚合物对四环素具有显著的特异性识别，吸附容量明显高于其它抗生素。