一种可选择性分离头孢氨苄的磁性酵母菌表面印迹吸附剂及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及一种可选择性分离头孢氨苄的磁性酵母菌表面印迹吸附剂及其制备方法和应用，属于材料制备及环境污染治理的技术领域。本发明先利用交联的壳聚糖将纳米γ-Fe

说明书

技术领域

本发明属于材料制备及环境污染治理的技术领域，涉及磁性酵母菌表面印迹聚合物及其制备方法领域，尤其涉及一种可选择性分离头孢氨苄的磁性酵母菌表面印迹吸附剂及其制备方法和应用。 

背景技术

头孢菌素，包括头孢氨苄，是一种β-内酰胺类抗菌素，被广泛用于治疗呼吸道感染、前列腺炎、尿道感染、皮肤和软组织感染。自从70年前，β-内酰胺类抗菌药物为最广泛使用的抗菌药物之一，并且广泛应用的抗生素的环境暴露提高了人们的关注。长期暴露于β-内酰胺类抗菌药物下已被证实可引起敏感的个体的过敏和有毒反应，并促进细菌传播，这对公众健康造成潜在的威胁。所以，分离去除环境中的抗生素类药物已是摆在我们面前刻不容缓的问题。 

分子印迹技术是指印迹分子先与功能单体反应形成复合物，然后在交联剂的存在下，聚合生成高度交联的刚性高分子聚合物，之后除去印迹分子，在聚合物的网络结构中留下具有特定结合能力的官能基团，可作为分子受体在众多印迹分子结构类似物中选择性地识别印迹分子。传统的印迹技术制备方法有一些缺点，如低的结合能和动力学速率，分别是由印迹聚合物的破碎和模板分子从厚的矩阵中扩散的障碍引起的。表面分子印迹技术可有效地克服这些缺点，并在材料的表面或接近表面处产生特定的结合位点。 

原子转移自由基聚合是一种可控/活性自由基聚合，是以低价态过渡金属配合物作为催化剂的活性可控聚合，它通过增长链自由基活性种与休眠种之间发生快速的可逆反应来控制体系的自由基浓度，从而实现分子量及其分布的控制，是制备具有精确末端官能团、预期分子量和预期链结构聚合物的新技术。表面引发原子转移自由基聚合可以确保共价键交联聚合物的制备，确保自由基聚合引发剂嫁接到支架材料上。作为一种典型的活性可控自由基聚合，原子转移自由基聚合已被应用到表面分子印迹技术，使聚合物接枝到不同的印迹支架材料表面上，例如硅胶、金、纳米膜和石墨等。酵母菌是一种很重要的很受关注的群体微生物之一。与上述印迹支架材料相比，酵母菌可降低合成材料的成本以及提高材料的相容性，具有成本低、容易获得和细胞壁含有丰富的活性官能团等优点。 

为了便于吸附剂的分离，将一些磁性元素加入到分子印迹聚合物中，所得的磁性分子印 迹聚合物(MMIPs)，可以用磁性分离这种方便、经济的方法来代替离心和过滤步骤。目前，将金属氧化物固定在酵母菌或用高分子材料包覆在酵母菌外围制备磁性复合材料，再利用原子转移自由基聚合方法，在磁性复合材料表面印迹获得的磁性印迹聚合吸附剂的研究尚未有报道。近期，发明人将磁性γ-Fe₂O₃固载在酵母菌表面，随后在其磁性复合材料表面实施印迹聚合过程。 

发明内容

本发明利用交联的壳聚糖将纳米γ-Fe₂O₃粒子包覆在酵母菌表面上，获得磁性酵母菌复合材料；在磁性酵母菌复合材料表面改性，获得磁性酵母菌复合材料引发剂；随后通过原子转移自由基聚合过程，以头孢氨苄为模板分子，甲基丙烯酸(MAA)为功能单体，乙二醇二(甲基丙烯酸)酯(EGDMA)为交联单体，氯化亚铜（CuCl）为催化剂，制备酵母菌磁性复合材料表面印迹吸附剂，并将吸附剂用于水溶液中头孢氨苄的选择性识别和分离。 

本发明采用的技术方案是： 

（1）磁性酵母菌复合材料的制备 

其制备步骤包括： 

步骤A.常温下将酵母菌分散在饱和氯化钠水溶液中，酵母菌与饱和氯化钠水溶液的质量与体积比为1g：(5-25)mL，搅拌30min形成酵母菌溶液； 

步骤B.以1g：(35~60)mL的比例称取壳聚糖分散于0.1mol/L醋酸溶液中，搅拌30min形成壳聚糖胶状液； 

步骤C.将所述的酵母菌溶液加入到所述的壳聚糖胶状液中，酵母菌与壳聚糖的质量比为1：0.5~2，随后加入与酵母菌质量比为0.1~0.5:1的γ-Fe₂O₃，搅拌1.5h后，加入体积比为20:0.5~2的石蜡油和司班-80，其中石蜡油与酵母菌的体积与质量比为(100~180mL):1g，乳化20~40min后，滴加与石蜡油体积比为(0.1~1.5):25的25%(v/v)戊二醛交联剂，在35~50℃下发生交联反应，1~2.5h； 

步骤D.用1.0mol L^-1的NH₃·H₂O调反应液pH值至9.0~10，在60-75℃反应0.5~1.5h，产生的棕色沉淀用永磁铁收集，并用正己烷、甲醇和双重蒸馏水洗4~6次后，在50~70℃条件下烘干，制得磁性酵母菌复合材料。 

（2）磁性酵母菌复合材料引发剂的制备 

其制备步骤包括： 

步骤A.将上述步骤制得的磁性酵母菌复合材料分散在体积比为(20~40):1的四氢呋喃和无水三乙胺混合溶液中，其中磁性酵母菌复合材料与无水三乙胺的质量与体积比为(0.5-2)g:1 mL，在冰浴中通氮气排空氧气处理； 

步骤B.在上述步骤A所述的溶液中逐滴加入与无水三乙胺体积比为0.6~2.5:1的异丁酰溴，室温反应10~15h，得到的磁性酵母菌引发剂用乙醇和蒸馏水洗3~5次，25~45℃真空烘干。 

（3）酵母菌磁性复合材料表面印迹吸附剂(MMIPs)的制备 

其制备步骤包括： 

步骤A.将头孢氨苄和甲基丙烯酸按质量与体积比为(0.5~2.5)g：4mL加入到体积比为10~15：2的甲醇和去离子水的混合液中，其中甲基丙烯酸与去离子水的体积比为1:5~15，混合溶液通氮气存储1.5h，形成预组装溶液； 

步骤B.将质量与体积比为1.0g:(3~5)mL的上述步骤制得的磁性酵母菌复合材料引发剂和乙二醇二(甲基丙烯酸)酯加入到所述预组装溶液中，其中乙二醇二(甲基丙烯酸)酯与甲基丙烯酸的体积比为5~16:1，在氮气气氛下搅拌30min，加入与乙二醇二(甲基丙烯酸)酯体积比为1:110~150的五甲基二乙烯三胺，随后快速加入氯化亚铜，氯化亚铜与五甲基二乙烯三胺的物质的量的比为0.5~2:1，在氮气保护下搅拌6~10h，获得的产物用永磁铁收集，乙醇和蒸馏水清洗三次； 

步骤C.将上述步骤B中获得的产物用索式提取50~60h，以体积比为75~95：20的甲醇和醋酸混合液做提取液，脱除模板分子头孢氨苄，在50~60℃下真空干燥。 

本发明中所述的酵母菌为酿酒酵母菌，其拉丁文名称为Saccharomyces Cerevisiae，购自安琪酵母股份有限公司。 

对应的磁性非印迹吸附剂(MNIPs)制备方法与上述相同，但不加模板分子头孢氨苄。 

按照上述方法制备而成的可选择性分离头孢氨苄的磁性酵母菌表面印迹吸附剂，对头孢氨苄具有吸附性、选择性识别和富集性能，且对外加磁场具有超顺磁性。 

这种可选择性分离头孢氨苄的磁性酵母菌表面印迹吸附剂的应用，可将制得的吸附剂应用于水溶液中头孢氨苄的选择性识别和分离。 

利用本发明采用表面原子转移分子印迹技术制备出的具有选择性识别作用的磁性印迹聚合物，对头孢氨苄具有很好的吸附性能、选择性识别和富集性能，而且对外加磁场表现出良好的超顺磁性。 

有益效果：由于印迹发生在磁性酵母菌复合材料表面，避免了部分模板分子因包埋过深而无法洗脱的问题，获得的印迹吸附剂机械强度高，识别点不易破坏，大大地降低了非特异性吸附，此外，表面官能团比较丰富的酵母菌价格便宜，无毒，易获得，以及具有很好的生物相容性；利用原子转移自由基聚合反应合成的磁性表面分子印迹聚合物，自由基反应具有 活性高，反应迅速、反应中副产物较少、所预测反应方向重现性好、产率高；通过一系列的吸附实验可证明磁性分子印迹对模板分子即头孢氨苄有很好的选择识别性能。 

附图说明

图1为实施例1中的磁性酵母菌(a)，磁性酵母菌-Br(b)和MMIPs(c)的红外谱图； 

图2为实施例1中的酵母菌(a)、磁性酵母菌(b)和MMIPs(c)的扫描电镜图； 

图3为实施例1中的磁性酵母菌(a)，MMIPs(b)和MNIPs(c)的热重分析(TGA)； 

图4为实施例1中磁性酵母菌和MMIPs的磁滞回线(a)，磁性分离前后的图片(b)和不同pH值条件的磁稳定性图示(c)。 

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。 

实施例1： 

（1）磁性酵母菌复合材料的制备 

步骤A.常温下将酵母菌分散在饱和氯化钠水溶液中，酵母菌与饱和氯化钠水溶液的质量与体积比为1g:5mL，机械搅拌30min后形成酵母菌溶液； 

步骤B.按1g:35mL的比例称取壳聚糖分散于0.1mol/L醋酸溶液中，机械搅拌0.5h，形成壳聚糖胶状液； 

步骤C.将所述的酵母菌溶液加入到所述的壳聚糖胶状液中，酵母菌与壳聚糖的质量比为1:0.5(g)，随后加入与酵母菌质量比为0.1:1(g)的γ-Fe₂O₃，搅拌1.5h后，加入体积比为20:0.5(mL)的石蜡油和司班-80，其中石蜡油与酵母菌的体积与质量比为100mL:1g，乳化20min后，滴加与石蜡油体积比为0.1:25(mL)的25%(v/v)戊二醛交联剂，在35℃下发生交联反应1h； 

步骤D.用1.0mol L^-1的NH₃·H₂O调反应液pH值至9.0~10，继续在60℃反应0.5h，产生的棕色沉淀用永磁铁收集，并用正己烷、甲醇和双重蒸馏水洗4~6次后，在50℃条件下烘干。 

（2）磁性酵母菌复合材料引发剂的制备 

其制备步骤包括： 

步骤A.将上述步骤制得的磁性酵母菌复合材料分散在体积比为20:1(mL)的四氢呋喃和无水三乙胺混合溶液中，其中磁性酵母菌复合材料与无水三乙胺的质量与体积比为0.5g:1mL，在冰浴中通氮气排空氧气； 

步骤B.在上述步骤A所述的溶液中逐滴加入与无水三乙胺体积比为0.6:1(mL)的异丁酰 溴，室温反应10h，得到的磁性酵母菌复合材料引发剂用乙醇和蒸馏水洗3~5次，25℃真空烘干。 

（3）酵母菌磁性复合材料表面印迹吸附剂(MMIPs)的制备 

其制备步骤包括： 

步骤A.将头孢氨苄和甲基丙烯酸按质量与体积比为0.5g:4mL加入到体积比为10:2(mL)的甲醇和去离子水的混合液中，其中甲基丙烯酸与去离子水的体积比为1:5(mL)，混合溶液通氮气存储1.5h，形成预组装溶液； 

步骤B.将质量与体积比为1.0g:3mL的带有引发剂的磁性酵母菌复合材料和乙二醇二(甲基丙烯酸)酯加入到上述预组装溶液中，其中乙二醇二(甲基丙烯酸)酯与甲基丙烯酸的体积比为5:1(mL)，在氮气气氛下搅拌30min，加入与乙二醇二(甲基丙烯酸)酯体积比为1:110(mL)的五甲基二乙烯三胺，随后快速加入氯化亚铜，氯化亚铜与五甲基二乙烯三胺的物质的量的比为0.5:1(mmol)，在氮气保护下搅拌6h，获得的产物用永磁铁收集，乙醇和蒸馏水清洗三次； 

步骤C.将上述步骤B中获得的产物用甲醇和醋酸的混合液为提取液索式提取50h，甲醇和醋酸体积比为75:20(mL)，脱除模板分子头孢氨苄，在50℃下真空干燥。 

对应的磁性非印迹吸附剂(MNIPs)制备方法与上述相同，但不加模板分子头孢氨苄。 

实施例2： 

（1）磁性酵母菌复合材料的制备 

步骤A.常温下将酵母菌分散在饱和氯化钠水溶液中，酵母菌与饱和氯化钠水溶液的质量与体积比为1g:25mL，机械搅拌30min后形成酵母菌溶液； 

步骤B.按1g:60mL的比例称取壳聚糖分散于0.1mol/L醋酸中，机械搅拌0.5h，形成壳聚糖胶状液； 

步骤C.将所述的酵母菌溶液加入到所述的壳聚糖的胶状液中，酵母菌与壳聚糖的质量比为1:2(g)，随后加入与酵母菌质量比为0.5:1(g)的γ-Fe₂O₃，搅拌1.5h后，加入体积比为20:2(mL)的石蜡油和司班-80，其中石蜡油与酵母菌的体积与质量比为180mL:1g，乳化40min后，滴加与石蜡油体积比为1.5:25(mL)的25%(v/v)戊二醛交联剂，在50℃下发生交联反应2.5h； 

步骤D.用1.0mol L^-1的NH₃·H₂O调反应液的pH值至9.0~10，继续在75℃反应1.5h，产生的棕色沉淀用永磁体收集，并用正己烷、甲醇和双重蒸馏水洗4~6次后，在70℃条件下烘干。 

（2）磁性酵母菌复合材料引发剂的制备 

其制备步骤包括： 

步骤A.将上述步骤制得的磁性酵母菌复合材料分散在体积比为40:1(mL)的四氢呋喃和无水三乙胺混合溶液中，其中磁性酵母菌复合材料与无水三乙胺的质量与体积比为2g:1mL，在冰浴中通氮气排空氧气； 

步骤B.在上述步骤A所述的溶液中逐滴加入与无水三乙胺体积比为2.5:1(mL)的异丁酰溴，室温反应15h，得到的磁性酵母菌引发剂用乙醇和蒸馏水洗3~5次，45℃真空烘干。 

（3）酵母菌磁性复合材料表面印迹吸附剂(MMIPs)的制备 

其制备步骤包括： 

步骤A.将头孢氨苄和甲基丙烯酸按质量与体积比为2.5g:4mL加入到体积比为15:2(mL)的甲醇和去离子水的混合液中，其中甲基丙烯酸与去离子水的体积比为1:15(mL)，混合溶液通氮气存储1.5h，形成预组装溶液； 

步骤B.将质量与体积比为1.0g:5mL的磁性酵母菌引发剂和乙二醇二(甲基丙烯酸)酯加入到上述预组装溶液中，其中乙二醇二(甲基丙烯酸)酯与甲基丙烯酸的体积比为16:1(mL)，在氮气气氛下搅拌30min，加入与乙二醇二(甲基丙烯酸)酯体积比为1:150(mL)的五甲基二乙烯三胺，随后快速加入氯化亚铜，氯化亚铜与五甲基二乙烯三胺的物质的量的比为2:1，在氮气保护下搅拌10h，获得的产物用永磁铁收集，乙醇和蒸馏水清洗三次； 

步骤C.将上述步骤B中获得的产物用甲醇和醋酸的混合液为提取液索式提取60h，甲醇和醋酸体积比为95:20(mL)，脱除模板分子头孢氨苄，在60℃下真空干燥。 

对应的磁性非印迹吸附剂(MNIPs)制备方法与上述相同，但不加模板分子头孢氨苄。 

试验例1： 

取10ml初始浓度为5mg/l、10mg/l、20mg/l、30mg/l、50mg/l、80mg/l、100mg/l、150mg/l和200mg/l的头孢氨苄溶液分别加入九个比色管中，加入10mg实施例2制备的磁性印迹吸附剂，另取10ml上述九个浓度的头孢氨苄溶液分别加入九个比色管中，分别加入10mg实施例2制备的磁性非印迹吸附剂，把所有测试液放在25℃的水浴中静置12h后，用永久磁铁分离，未吸附的头孢氨苄分子浓度用紫外可见光谱测定，并根据结果计算出吸附容量，磁性印迹吸附剂和磁性非印迹吸附剂的饱和吸附容量分别为34.67mg/g和15.02mg/g，结果表明，磁性印迹吸附剂的饱和吸附容量远高于磁性非印迹吸附剂，磁性印迹吸附剂对头孢氨苄的吸附效果明显，主要是因为磁性印迹吸附剂对印迹分子有良好的特异性。 

试验例2： 

取10ml初始浓度为100mg/l头孢氨苄溶液加入到比色管中，分别加入实施例2制备的10mg印迹和非印迹吸附剂，把测试液放在25℃的水浴中分别静置5、10、20、30、45、60、120和180min，静置时间完成后用永久磁铁分离，用紫外可见光谱测定上层清液中未吸附的头孢氨苄分子浓度，并根据结果计算出吸附容量进而分别根据准一级动力学方程(1)和准二级动力学方程(2)计算理论平衡吸附容量。 

ln(Q_e-Q_t)＝lnQ_e-k₁t                   (1) 

$\frac{t}{Q_t}=\frac{1}{k_2{Q}_e^2}+\frac{t}{Q_e}---\left(2\right)$

其中Q_e(mg/g)代表理论平衡吸附容量，Q_t(mg/g)代表t时刻的吸附容量，是k₁是准一级动力学吸附常数，k₂是准二级动力学吸附常数。 

根据理论平衡吸附容量与实际平衡吸附容量计算准一级动力学和准二级动力学平衡吸附容量的偏差R²，经计算得出印迹吸附剂的准一级动力学R²为0.9932，准二级动力学R²为0.9992，结果表明，准二级动力学比准一级动力学更适合印迹吸附剂对头孢氨苄的吸附过程，即化学吸附过程为吸附的决速度。 

试验例3： 

将头孢氨苄分别与四环素、磺胺嘧啶和氨苄西林混合溶于水中；在上述两两混合水溶液中，头孢氨苄、四环素、磺胺嘧啶和氨苄西林的浓度都为20mg/l；分别考察上述二元体系的竞争吸附，取10ml上述的混合水溶液分别加入到三个比色管中，分别加入实施例2制备的10mg印迹吸附剂或非印迹吸附剂，将全部测试液放在25℃的水浴中静置4.0h，静置完成后，用永久磁铁分离，未吸附的头孢氨苄浓度用紫外可见光谱测定；另配上述头孢氨苄、四环素、磺胺嘧啶和氨苄西林的单独水溶液，浓度均为20mg/l，之后步骤同上，结果表明，印迹吸附剂对头孢氨苄的吸附选择性明显高于对其它抗生素的吸附，印迹吸附剂和非印迹吸附剂对头孢氨苄的吸附在二元体系或单组分体系中有一定的影响，主要受体系中其它分子的结构和官能团等影响，但是印迹吸附剂的吸附率始终高于非印迹吸附剂的。 

图1为实施例1中的磁性酵母菌(a)，磁性酵母菌-Br(b)和MMIPs(c)的红外谱图，与图1a相比，1b图中在1713cm^-1和801cm^-1处产生两个新的峰，分别是原子转移自由基聚合引发剂的羰基和C-Br的伸缩振动产生的峰，表明原子转移自由基聚合引发剂成功接到磁性酵母菌上，从图1c中可看出，在1728、1257和1161cm^-1处有显著的峰，分别是羧基(MAA)的C=O拉伸振动、酯(EGDMA)的C-O对称和非对称拉伸振动，表明印迹聚合过程在磁性复合材料表面成功进行了； 

图2为实施例1中的酵母菌(a)、磁性酵母菌(b)和MMIPs(c)的扫描电镜图，如图2a所示，椭球形的酵母菌的直径约为4.1μm，图2b显示的磁性酵母菌的表面粗糙，并且核壳结构的壳聚糖包裹的酵母菌的平均直径有明显的增加，从图3c可看出，MMIPs呈球形并且表面比较光滑； 

图3为实施例1中的磁性酵母菌(a)，MMIPs(b)和MNIPs(c)的热重分析(TGA)结果，如图3所示，在初始温度范围内(<200℃)，减少的重量主要是由于残留水份的损失，磁性酵母菌、MMIPs和MNIP减少的重量分别为6.89%、12.06%和12.46%；随着温度增加到600℃，磁性酵母菌、MMIPs和MNIPs可观察到重量显著的损失，在这个阶段，MMIPs和MNIPs没有明显的差别，重量损失分别为66.9%和68.72%；磁性酵母菌、MMIPs和MNIPs的残留质量归因于碳或铁颗粒的热阻； 

图4为实施例1中磁性酵母菌和MMIPs的磁滞回线(a)，磁性分离前后的图片(b)和不同pH值条件的磁稳定性图示(c)，从图4(a)中可以看出，磁性酵母菌和MMIPs的两条曲线显示相似的形状和趋势，表明两个粒子都是超顺磁性的，室温下所得的磁性酵母菌和MMIPs的饱和磁化值(M_s)分别为1.385和1.229emu g^-1，由于磁性酵母菌表面存在印迹聚合物层，MMIPs的饱和磁化值低于磁性酵母菌的饱和磁化值；图4(b)可看出磁性酵母菌的磁性足够进行磁性分离；图4(c)估算了从MMIPs漏下的赤铁矿的量，pH值在5.0-11范围内，从MMIPs上泄露的铁(III)离子的量几乎为零，在低pH下有所增加。在pH为2.0的时候，从10mg的MMIPs泄露的铁(III)离子的量仅为0.0048毫克，表明MMIPs成功地阻止赤铁矿泄漏。