易 娜, 殷雄飛 , 趙 蓓 , 吳耀國, 胡思海

(1. 西北工業(yè)大學理學院應(yīng)用化學系, 陜西 西安 710129; 2. 中國建筑科學研究院, 北京 100013; 3. 陜西環(huán)境監(jiān)測中心站, 陜西 西安 710054)

1 引 言

分子印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymers, MIP)是對某一特定分析物在功能基團、分子尺寸、空間結(jié)構(gòu)具有“記憶功能”的結(jié)合位點,是對目標分子具有特定識別能力的合成聚合物[1]。MIP的穩(wěn)定性好,不受高溫、酸堿的影響,具有同天然生物分子識別系統(tǒng)(如酶和底物、抗原和抗體、受體和激素等)抵御惡劣環(huán)境影響的優(yōu)點,而且貯存條件溫和,能夠長時間地保留識別性能。正因為有上述優(yōu)點,MIP近年來在手性分離[2]、固相萃取[3-4]、膜分離[5]、食品[6-7]、仿生傳感器[8]等領(lǐng)域顯現(xiàn)出非常廣闊的應(yīng)用前景。

MIP的主要制備方法有: 本體聚合法[9]、溶脹聚合法[10-11]、懸浮聚合法[12]、沉淀聚合法[13]等。本體聚合法操作簡單、容易控制,但后處理過程復雜,所得顆粒聚合物的顆粒形狀不規(guī)則且印跡位點在研磨過程中會有所破壞,應(yīng)用性能也較差; 溶脹聚合法所制得的產(chǎn)物規(guī)整性好、單分散性好,但制備過程繁瑣、周期長,不適用于溶于水的模板分子; 懸浮聚合法制備方法簡單,但水相反應(yīng)體系會影響非共價印跡聚合物的特性,進而影響其識別性能。沉淀聚合法產(chǎn)率高、成本低、制備簡單,反應(yīng)體系中不需要加入穩(wěn)定劑或活性劑,因而聚合物表面潔凈,從而可避免了穩(wěn)定劑或活性劑對目標分子的非選擇性吸附。

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20),是一種高能量密度的籠型多環(huán)硝胺結(jié)構(gòu)化合物,CL-20在工業(yè)和軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使其受到越來越多研究者的關(guān)注[14]。然而杜文霞等[15]發(fā)現(xiàn),CL-20在一定劑量下可能改變老鼠染色體的完整性,并確定CL-20屬于遺傳毒物,即人體長時間反復接觸CL-20,有可能導致體細胞的突變。陳松林等[16]對CL-20的熱分解反應(yīng)動力學進行了研究,發(fā)現(xiàn)CL-20的熱安定性非常好,低溫下穩(wěn)定,在70℃下的有效儲存壽命為43.8年。CL-20的研制、生產(chǎn)、貯存、銷毀等過程必定會帶來一定的環(huán)境問題,必須采取一定的措施來處理,特別是對各個階段所產(chǎn)生廢水中的CL-20的處理。目前用分子印跡技術(shù)對含CL-20廢水進行處理研究的工作相對較少,故本研究采用沉淀聚合的方法,以CL-20為模板分子制備了CL-20-MIP,并對其結(jié)構(gòu)和識別性能進行了研究，以期該印跡聚合物微球可在含能材料的廢水處理、炸藥純化、爆炸品檢測等方面獲得應(yīng)用。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

CL-20,遼寧慶陽特種化工有限公司; 三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRIM),分析純,西亞試劑; 丙烯酰胺(AM),乙腈,95%乙醇,甲醇,乙酸均為分析純,天津市福晨化學試劑廠; 偶氮二異丁腈(AIBN),分析純,天津市光復精細化工研究所。

UV-2550紫外可見分光光度計,日本島津公司; Quanta 200掃描電子顯微鏡,荷蘭FEI公司。

2.2 實驗過程

2.2.1 CL-20印跡聚合物微球的制備

將0.25 mmol模板分子CL-20、1.75 mmol功能單體AM和65 mL乙腈加入250 mL的燒杯中,室溫下超聲振蕩后靜置過夜。稱取5 mmolTRIM和80 mg的AIBN,加入250 mL三口燒瓶中,然后將燒杯中的液體轉(zhuǎn)入燒瓶內(nèi),超聲脫氣10 min,再通氮氣15 min,于60 ℃攪拌,聚合反應(yīng)12 h,反應(yīng)混合物出現(xiàn)白色渾濁,室溫靜置后,抽濾,用甲醇/乙酸(9/1,V/V)洗滌,取白色粉末,置于索式提取器中,以丙酮為溶劑,提取8 h,洗脫聚合物中的模板分子及殘留的單體。洗脫完畢后,將未溶解的白色粉末于60 ℃真空干燥,得到CL-20印跡聚合物。

非印跡聚合物(Non-molecularly imprinted polymers, NMIP)的制備方法同上,只是反應(yīng)體系中不加入模板分子CL-20。

2.2.2 CL-20和AM的相互作用表征

分別配置0.03 mmol·L-1AM/乙醇溶液及0.06,0.08,0.10,0.12 mmol·L-1的CL-20/乙醇溶液。分別取上述不同濃度的CL-20/乙醇各8 mL,分別加入8 mL AM/乙醇溶液,每間隔30 min超聲5 min,充分作用5 h后,經(jīng)紫外可見分光光度計測定在200～400 nm范圍內(nèi)的吸光度,以95%乙醇做參比,觀察紫外吸收光譜的變化。

2.2.3 CL-20印跡聚合物微球吸附性能表征

稱取0.2 g CL-20-MIP加入到20 mL玻璃管中,然后加入10 mL不同初始濃度的CL-20/乙醇溶液,于室溫下振蕩吸附24 h,使吸附達到平衡,離心分離后,取上層清液,用紫外可見分光光度計測定在特征波長(λ=222 nm)處上清液的吸光度,利用標準曲線計算法計算吸附前后溶液濃度的變化,根據(jù)(1)式計算印跡聚合物對CL-20的去除率和吸附容量。

(1)

式中,qe為CL-20分子印跡聚合物對CL-20的吸附容量,mg·g-1；C0為吸附前溶液中CL-20的濃度,mg·L-1；Ce為吸附后溶液中CL-20的濃度,mg·L-1；V為CL-20溶液的體積,L；m為CL-20-MIP的質(zhì)量,g。

2.2.4 CL-20印跡聚合物吸附動力學

取0.2 g CL-20-MIP分別置于5支20 mL玻璃管中,加入10 mL濃度為1 mmol·L-1的CL-20/乙醇溶液,控制溫度為25 ℃,振蕩吸附,定時取樣,測定吸附后殘液的平衡濃度,趨于不變時,即可認為吸附達到平衡。非分子印跡聚合物的動力學同分子印跡聚合物的方法相同。

3 結(jié)果與討論

3.1 印跡聚合物的結(jié)構(gòu)

3.1.1 CL-20和AM的相互作用

CL-20是一種高密度多環(huán)硝胺立體籠型化合物[17]。其結(jié)構(gòu)上有六個硝基,由于硝基具有較強的吸電作用,而AM上的氨基具有一定的供電效果,因此,AM與CL-20之間存在較強的氫鍵作用。不同濃度的CL-20/乙醇溶液和AM/乙醇溶液的紫外吸收譜圖見圖1。在濃度為0.03 mmol·L-1的AM/乙醇溶液中,加入不同濃度等體積的CL-20/乙醇溶液,充分作用后的紫外吸收譜圖見圖2。

圖1 不同濃度的CL-20/乙醇與AM/乙醇溶液的紫外光譜圖

Fig.1 UV-visible spectra of AM/alcohol and CL-20/alcohol with different concentrations

圖2 不同CL-20/AM比例時CL-20/AM復合物的紫外吸收光譜圖

Fig.2 UV-visible spectra of CL-20/AM complex in alcohol with different AM/CL-20 ratio

對比圖1和圖2可以看出,在AM溶液中加入不同濃度的CL-20/乙醇溶液后,紫外吸收的峰型變窄,最大吸收波長從224.2 nm偏移到219.4 nm,最大吸收峰的強度較對應(yīng)濃度的CL-20溶液均有所降低,且隨著CL-20濃度的增加,降低幅度也在增大。這主要是AM和CL-20形成復合物后,紫外吸收出現(xiàn)變化,隨著AM溶液中CL-20濃度的增大,形成的復合物濃度也隨之增加,因此吸收峰強度增加,且波峰的波長發(fā)生紅移。

以上結(jié)果證實了AM和CL-20之間存在相互作用。

3.2 CL-20印跡聚合物微球的制備

通過對反應(yīng)條件的優(yōu)化,本實驗模板分子CL-20的用量為0.25 mmol,功能單體AM和交聯(lián)劑TRIM用量分別為1.75 mmol和5 mmol(即n(CL-20)∶n(AM)∶n(TRIM)=1∶7∶20),引發(fā)劑用量為0.08 g、溶劑乙腈用量為62.5 mL、反應(yīng)溫度為60 ℃時所制備的MIP微球的掃描電鏡結(jié)果如圖3a所示。從圖3a中可以觀察到,制得的聚合物微球球形度較好,微球之間相互獨立基本沒有團聚現(xiàn)象,微球粒徑約為1 μm。圖3b為相同反應(yīng)條件下制得的NMIP微球電鏡圖。從圖3b中可以看出,微球之間存在一定的團聚現(xiàn)象,微球的粒徑約為2 μm。

a. CL-20 MIP

b. NMIP

圖3 CL-20分子印跡和NMIP聚合物微球的電鏡圖

Fig.3 SEM photographs of CL-20 molecularly imprinted polymer microspheres

3.3 CL-20-MIP和NMIP的等溫吸附曲線

分別測定了CL-20-MIP微球和NMIP微球在不同濃度的CL-20/乙醇溶液中的吸附情況,見圖4。從圖4中可以看出, CL-20-MIP相對NMIP具有較強的特異性識別能力和較高的吸附量,MIP的平衡吸附量為14.02 mg·g-1,NMIP的平衡吸附量為6.67 mg·g-1,MIP對CL-20的吸附量為NMIP的2.1倍。NMIP對CL-20的吸附量是由表面物理吸附?jīng)Q定,而MIP的吸附量取決于非特異性吸附和特異性吸附,以特異性吸附為主,特異性吸附是由印跡空穴和結(jié)合位點共同作用而決定。

圖4 CL-20印跡聚合物和非印跡聚合物的等溫吸附曲線

Fig.4 Adsorption isotherm of CL-20-MIP and CL-20-NMIP for binding

圖5和圖6分別為CL-20分子印跡聚合物和非印跡聚合物的Langmuir吸附等溫線和Freundlich吸附等溫線。

(2)

(3)

式中，qe為平衡吸附量，mg·g-2;qm為飽和吸附量,mg·g-1;k為吸附平衡常數(shù);Ce為吸附達到平衡后CL-20的濃度,mg·L-1;kf為Freundlich吸附系數(shù),n為常數(shù)。

表1和表2分別給出了Langmuir和Freundlich方程對實驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果,結(jié)合圖5和圖6可知,CL-20分子印跡聚合物和非印跡聚合物微球的吸附性能相對較好地符合Freundlich吸附等溫線,印跡聚合物微球和非印跡聚合物微球的吸附強度1/n分別為0.68276,0.82659,在0.1～1之間,說明吸附過程較容易進行。由于CL-20印跡聚合物的吸附過程更適合于Freundlich等溫吸附模型 ,這說明該吸附過程是以化學反應(yīng)為主的過程。

a. MIP

b. NMIP

圖5 CL-20分子印跡聚合物和非印跡聚合物的Langmuir吸附等溫線

Fig.5 Langmuir isotherms of CL-20 to MIP and NMIP

a. MIP

b. NMIP

圖6 CL-20分子印跡聚合物和非印跡聚合物的Freundlich吸附等溫線

Fig.6 Freundlich isotherm of CL-20 to MIP and NMIP

表1 Langmuir吸附等溫線參數(shù)擬合

Table 1 Parameters fitting of Langmuir binding isotherm

Note:qmis the maximum sporption capacity (corresponding to complete monolayer coverage), mg·g-1;k1is the sorption affinity constant related to the binding energy of sporption, L·mg-1.

表2 Freundlich吸附等溫線參數(shù)擬合

Table 2 Parameters fitting of Freundlich binding isotherm

polymerregressionequation1／nＲ2ＭＩＰy＝0．68276x－0．173220．682760．88747ＮＭＩＰy＝0．82659x－1．15580．826590．98241

Note:nis constant.

3.4 CL-20-MIP和NMIP的吸附動力學曲線

圖7為CL-20-MIP和NMIP微球的吸附動力學曲線。從圖中可以看出,在前40 minMIP和NMIP微球?qū)δ繕朔肿游降乃俾屎芸?在75 min左右達到平衡。相對于NMIP而言,MIP的吸附量要高,其主要原因是MIP對模板分子具有特異的識別能力; 此外MIP微球的絕大部分印跡孔穴和印跡位點均位于微球的表面,可加快MIP與模板分子的結(jié)合。

圖7 CL-20印跡聚合物和非印跡聚合物的吸附動力學曲線

Fig.7 Adsorption dynamic curves of CL-20 to MIP and NMIP

圖8和圖9分別為CL-20分子印跡聚合物和非印跡聚合物的偽一級和偽二級動力學模型曲線。

偽一級動力學方程為: ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(4)

(5)

式中,qe為平衡吸附量,mg·g-1;qt為t時刻的吸附量,mg·g-1;k1和k2分別為偽一級、偽二級速率常數(shù),g·(mg·min)-1。

由表3和表4結(jié)果可知,偽二級動力學方程的相關(guān)系數(shù)大于一級反應(yīng)的相關(guān)系數(shù),說明印跡聚合物對CL-20的吸附反應(yīng)更符合偽二級反應(yīng)。

a. MIP b. NMIP

圖8 CL-20分子印跡聚合物和非印跡聚合物的偽一級動力學方程擬合結(jié)果

Fig.8 Fitting results of pseudo-first-order kinetic model of CL-20 MIP and NMIP

a. MIP b. NMIP

圖9 CL-20分子印跡聚合物和非印跡聚合物的偽二級動力學方程擬合結(jié)果

Fig.9 Fitting results of pseudo-second-order kinetic model of CL-20 MIP and NMIP

表3 偽一級動力學參數(shù)擬合

Table 3 Parameters fitting of pseudo-first-order kinetic model

polymerregressionequationＲ2ＭＩＰy＝0．02649x＋0．360470．85588ＮＭＩＰy＝0．01362x＋0．591080．89384

表4 偽二級動力學參數(shù)擬合

Table 4 Parameters fitting of pseudo-second-order kinetic model

polymerregressionequationqek2Ｒ2ＭＩＰy＝0．06022x＋2．0259216．60．00170．96295ＮＭＩＰy＝0．13894x＋2．500557．190．00630．92286

Note:qeis the equilibrium amount of CL-20 absorbed by CL-20-MIP;k2is the second-orderrate constant at the equilibrium.

3.5 CL-20-MIP的吸附選擇性

為了研究CL-20-MIP的吸附選擇性,選擇RDX、TNT作為競爭分子進行比較。通過靜態(tài)平衡吸附測定聚合物對這三種目標吸附物的吸附量,結(jié)果如表5。由表5可見,CL-20-MIP對CL-20的吸附量明顯高于RDX和TNT,CL-20-MIP表現(xiàn)出較好的選擇性。而NNIP對三種底物的吸附量都相對較小,主要原因是MIP內(nèi)部存在與模板分子CL-20在形狀、尺寸和功能上互補的分子印跡孔穴,以及與CL-20分子形成相互作用的結(jié)合位點,在印跡孔穴和結(jié)合位點共同作用下,MIP對CL-20具有選擇識別性能。

表5 不同底物在聚合物上的吸附量

Table 5 Adsorption of different substrates on polymer

substrateinitialconcentration／mmol·Ｌ－1ＱＭＩＰ／mg·g－1ＱＮＭＩＰ／mg·g－1ＣＬ?20114．026．77ＲＤＸ16．986．28ＴＮＴ18．467．46

4 結(jié) 論

(1) 以CL-20為模板,在CL-20∶AM∶TRIM摩爾比為1∶7∶20,致孔劑乙腈用量為62.5 mL時,采用沉淀聚合法制備了CL-20印跡聚合物。

(2) 對紫外吸收光譜的分析證實了CL-20與功能單體AM之間存在相互作用。用掃描電子顯微鏡觀察了印跡聚合物的微觀形貌,所得的印跡聚合物是分散性較好,粒徑約為1 μm的微球。

(3) CL-20印跡聚合物的吸附性能和識別性能。實驗結(jié)果表明,在1 mmol·L-1的CL-20/乙醇溶液中,印跡聚合物和非印跡聚合物的平衡吸附量分別為14.02 mg·g-1和6.77 mg·g-1。選擇性吸附實驗表明,印跡聚合物具有識別能力。

(4) 吸附熱力學實驗表明,CL-20-MIP和NMIP微球的吸附性能相對較好地符合Freundlich吸附等溫線。吸附動力學實驗表明,印跡聚合物對CL-20的吸附符合偽二級動力學模型。

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