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表面接枝法制備磁性鄰苯二甲酸二丁酯印跡聚合物及其識(shí)別性能研究

2017-04-14 02:58徐婉珍張梟明黃衛(wèi)紅聶儀晶楊文明
分析化學(xué) 2017年4期
關(guān)鍵詞:吸附劑選擇性

徐婉珍 張梟明 黃衛(wèi)紅 聶儀晶 楊文明

摘要采用表面接枝法對(duì)四氧化三鐵納米粒子表面進(jìn)行功能化修飾,以二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)為交聯(lián)劑,偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑,成功制備了對(duì)鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)具有特異識(shí)別性能的磁性表面印跡聚合物(MMIPs)。利用掃描電鏡、透射電鏡、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、元素分析、紅外光譜等對(duì)其進(jìn)行表征。BET測(cè)試結(jié)果表明,MMIPs的比表面積(380m2/g)大于MNIPs(324m2/g)。吸附動(dòng)力學(xué)、等溫線模型分析顯示,MMIPs對(duì)DBP的Sips等溫線模型相關(guān)系數(shù)R2=0.999,動(dòng)力學(xué)Pseudosecondorder模型相關(guān)系數(shù)(R2)為0.9797。對(duì)鄰苯二甲酸二烯丙酯(DAP)、DBP和鄰苯二甲酸二(2乙基己基)酯(DEHP)的印跡因子分別為1.53、2.21和1.39,對(duì)DBP具有較高的印跡因子和較好的識(shí)別性能。磁性分子印跡聚合物經(jīng)5次再生后,對(duì)DBP的吸附能力僅下降了12.3%,表明再生循環(huán)效果較好。

關(guān)鍵詞鄰苯二甲酸二丁酯;分子印跡聚合物;選擇性;吸附劑

1引言

鄰苯二甲酸酯類(lèi)物質(zhì)(Phthalateesters,PAEs),是鄰苯二甲酸及其醇類(lèi)物質(zhì)經(jīng)酯化反應(yīng),合成得到的一系列有機(jī)化合物。因其常用于增加材料的延展性、彈性和柔軟性,也被稱(chēng)為塑化劑或增塑劑(Plasticizer)。PAEs已被廣泛應(yīng)用到塑料制品的添加劑[1],亦作為農(nóng)藥、驅(qū)蟲(chóng)劑、化妝品等的生產(chǎn)原料[2,3]。研究表明,長(zhǎng)期接觸PAEs會(huì)對(duì)生物機(jī)體產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[4,5],其具有慢性毒性和急性毒性,可導(dǎo)致生物機(jī)體致畸、致癌、致突變等危害。

分子印跡技術(shù)(Molecularimprintingtechnology,MIT)是一種通過(guò)制備具有特殊選擇能力的材料來(lái)識(shí)別特定化學(xué)物質(zhì)(小分子或生物大分子等)的技術(shù)[6,7],已被大量應(yīng)用于分離吸附[8~11]、傳感器[12,13]、催化[14,15]、藥物傳輸[16,17]等領(lǐng)域。利用MIT技術(shù)制備的分子印跡聚合物(MIPs),具有對(duì)特定分子特異性識(shí)別的能力。MIPs對(duì)目標(biāo)檢測(cè)物具有很好的識(shí)別性能,能克服環(huán)境樣品中復(fù)雜基質(zhì)干擾等缺陷[18~23],在對(duì)痕量物質(zhì)的檢測(cè)中展示出準(zhǔn)確和靈敏等優(yōu)點(diǎn)。

在Fu[24]和Yilmaz等[25]的工作基礎(chǔ)上,本研究采用Febrianto等[26]對(duì)硅球羧基化的方法,制備出性能優(yōu)異的表面MIPs,用以識(shí)別DBP。由于DBP分子上的氧原子與甲基丙烯酸(MAA)的羧基易形成氫鍵[27],因此,將上述方法引入到DBPMIPs的制備過(guò)程。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器與試劑

LC2010A高效液相色譜儀(日本島津公司);NicoletNexus470傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)尼高力公司);MERLINCompact場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(德國(guó)卡爾蔡司公司);JEM2100HR透射電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社);No.735振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(美國(guó)Lakeshore公司);TRISTARII3020比表面和孔隙分析儀(美國(guó)MicromeriticsInstrument公司)。

鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸二異辛酯(DEHP)、鄰苯二甲酸二烯丙酯(DAP)、正硅酸四乙酯(TEOS)、3氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、N,N二甲基甲酰胺(DMF)、聚(4苯乙烯磺酸共聚馬來(lái)酸)鈉鹽(PSSMA)、乙腈(阿拉丁公司);偶氮二異丁腈(AIBN)、順丁烯二酸酐(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA,SigmaAldrich公司)。以上試劑均為分析純。甲醇(色譜純,美國(guó)TEDIA公司)。

2.2四氧化三鐵微球及二氧化硅包覆的四氧化三鐵微球的制備

四氧化三鐵(Fe3O4)微球的制備過(guò)程[28]簡(jiǎn)述如下:將2g聚(4苯乙烯磺酸共聚馬來(lái)酸)鈉鹽加入到80mL乙二醇溶劑的三口燒瓶中攪拌溶解,直至澄清。隨后加入FeCl3·6H2O(2.16g)和無(wú)水乙酸鈉(6g),攪拌至完全溶解。將上述混合溶液轉(zhuǎn)移到100mL含有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼高壓水熱反應(yīng)釜中,置于200℃的烘箱中,加熱反應(yīng)10h。取出反應(yīng)釜,冷卻至室溫,用乙醇和蒸餾水反復(fù)洗滌除去未反應(yīng)的反應(yīng)物和副產(chǎn)物,磁性分離便得到超順磁流體。

二氧化硅包覆的四氧化三鐵微球(Fe3O4@SiO2)制備過(guò)程[26]如下:取1mL儲(chǔ)備液,將其加入到裝有20mL乙醇、1mL水、1mL氨水混合液的燒瓶中,超聲分散均勻(約10min)。隨后加入TEOS乙醇溶液(0.5mLTEOS和5mL乙醇的混合液),繼續(xù)超聲攪拌90min,然后磁性分離,乙醇和水反復(fù)洗滌3次。最后,將分離產(chǎn)物置于真空干燥箱中,35℃下干燥12h,便可得到Fe3O4@SiO2。

2表面改性

將10.05mLAPTES加入到10mL溶有4.4g順丁烯二酸酐的DMF溶劑中。然后將500mgFe3O4@SiO2分散于150mLDMF溶劑中,超聲分散均勻。最后,將第一步中APTES和順丁烯二酸酐反應(yīng)后的混合液加入到上述分散液中,在30℃下攪拌反應(yīng)24h,然后用乙醇和水洗滌3次,在35℃下真空干燥12h,即可得到羧基化Fe3O4@SiO2,即Fe3O4@SiO2COOH。

2.4磁性表面分子印跡聚合物的合成

將500mg上述制備好的Fe3O4@SiO2COOH分散于裝有150mL乙腈溶劑中,超聲分散均勻。然后加入DBP(1mmol,0.27mL)振蕩1h,形成預(yù)組裝混合液。隨后,將4mmol(0.76mL)EGDMA和20mgAIBN加入到上述預(yù)組裝混合液中,超聲10min使其混合均勻,在60℃水浴條件下,攪拌反應(yīng)24h,然后磁性分離,分離產(chǎn)物用乙醇和水反復(fù)洗滌3次,將分離物65℃下真空干燥12h,便可得到磁性表面印跡聚合物(MMIPs)。磁性表面非印跡聚合物(MNIPs)在同樣的條件下得以制備,未加入模板分子。

2.5吸附實(shí)驗(yàn)

2.5.1吸附等溫線考察配制初始濃度分別為10,20,30,40,50,60,80和100mg/L的DBP標(biāo)準(zhǔn)乙醇溶液。然后將8份30mg的MMIPs(或MNIPs)分別加入到裝有5mL上述DBP標(biāo)準(zhǔn)溶液的玻璃管中;隨后,將裝有吸附劑和吸附液的玻璃管放入恒溫振蕩器中,于25℃下振蕩24h;最后,磁性分離并檢測(cè)上清液中DBP的含量。MMIPs對(duì)DBP的吸附量(qe,mg/g)可通過(guò)式(1)得到:

qe=V(C0-C)/m〖FH(1)

其中,C0(mg/L)是DBP的初始濃度,C(mg/L)是吸附完成后分離液中DBP的濃度;V(mL)是加入DBP溶液的體積;m(mg)是MMIPs(或MNIPs)的質(zhì)量。

2.5.2吸附動(dòng)力學(xué)考察分別稱(chēng)取30mgMMIPs(或MNIPs)分散于40mg/L(或50mg/L,60mg/L)的DBP乙醇溶液(5mL)中,然后將混合溶液置于恒溫振蕩器中振蕩(25℃,150r/min),在一定時(shí)間間隔(5、10、15、20、30、45、60、120和180min)內(nèi)磁性分離,檢測(cè)上清液中DBP的含量。不同時(shí)間內(nèi)印跡聚合物對(duì)DBP的吸附量可根據(jù)式(2)得到:

qt=V(C0-Ct)/m〖FH(2)

其中,qt(mg/g)和Ct(mg/L)分別是時(shí)間t時(shí)對(duì)DBP的吸附量和在時(shí)間t時(shí)溶液中DBP的濃度。

2.5.3選擇性分析DAP和DEHP作為DBP的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物。將印跡聚合物分別置于初始濃度為50mg/L的DAP、DBP和DEHP溶液中。吸附完成后,磁性分離上清液中所有PAEs的濃度由HPLC檢測(cè)得到。

2.5.4再生實(shí)驗(yàn)用甲醇乙酸溶液(9〖KG-3∶〖KG-51,V/V)作為洗脫液,將吸附到MMIPs中的DBP洗脫干凈,重復(fù)實(shí)驗(yàn),此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行5次。

3結(jié)果與討論

3.1MMIPs的制備

以PSSMA為添加劑,制備MMIPS。采用表面接枝的方法,修飾Fe3O4@SiO2表面,引入雙鍵。加入交聯(lián)劑EGDMA和引發(fā)劑AIBN,熱引發(fā)聚合反應(yīng),形成MMIPs,再通過(guò)甲醇乙酸洗脫液的洗脫除去DBP模板分子。合成原理如圖1所示。

3.2MMIPs及MNIPs的表征

圖2分別是Fe3O4(a),F(xiàn)e3O4@SiO2(b)和Fe3O4@SiO2COOH(c)的紅外光譜圖。如圖2a所示,581.3cm 1處是Fe3O4納米微球中〖JG(Fe〖ZJYO〖JG)鍵振動(dòng)產(chǎn)生的典型特征峰。在1097.1cm 1強(qiáng)的紅外吸收峰是〖JG(Si〖ZJYO〖ZJYSi〖JG)的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的;799.5和474cm 1處分別是〖JG(Si〖ZJYO〖JG)鍵對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和〖JG(Si〖ZJYO〖JG)鍵彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的峰型;這3處吸收峰是SiO2的典型特征峰(圖2b)。如圖2c所示,1714.4cm 1處是不飽和羧酸中〖JG(C〖ZJLX,YO〖JG)伸縮振動(dòng)峰,

表1分別是Fe3O4@SiO2,F(xiàn)e3O4@SiO2COOH及MMIPs表面元素成分的分析結(jié)果,

結(jié)合紅外光譜的分析結(jié)果,可以推測(cè)羧基基團(tuán)已成功修飾到微球表面。

由圖3A~3C可見(jiàn),F(xiàn)e3O4呈現(xiàn)出規(guī)則的球形,分散性好。由圖3E和3F的插圖可見(jiàn),MMIPs的表面比較粗糙,而MNIPs的表面較光滑。BET測(cè)試結(jié)果表明,MMIPs的比表面積為380m2/g,大于MNIPs(324m2/g),與SEM結(jié)果一致。

圖4是Fe3O4(a),F(xiàn)e3O4@SiO2(b),F(xiàn)e3O4@SiO2COOH(c)和MMIPs的磁滯回歸線,屬于“S”型回線,呈對(duì)稱(chēng),剩余磁化強(qiáng)度(Mr)分別為6.97、2.69、3.53和2.94emu/g;矯頑磁性值(Hc)分別為11.70,14.38,22.83和24.50Oe。此外,F(xiàn)e3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2COOH的飽和磁化強(qiáng)度值(分別為42.56和37.89emu/g),低于Fe3O4(55.09emu/g),因Fe3O4表面包覆了SiO2,進(jìn)一步羧基修飾后,F(xiàn)e3O4微球包埋,導(dǎo)致其磁性減弱。MMIPs的飽和磁化強(qiáng)度值為33.98emu/g。

3.3吸附等溫線分析

在25℃下,MMIPs和MNIPs對(duì)DBP的吸附等溫線見(jiàn)圖5。隨著DBP初始濃度的增加,MMIPs和MNIPs對(duì)DBP的吸2附量均增加,因DBP的初始濃度越大,吸附劑表面和吸附溶液的濃度差越大,吸附劑對(duì)DBP的吸附動(dòng)力越大。但相同濃度下MMIPs對(duì)DBP的吸附量遠(yuǎn)大于MNIPs,而且當(dāng)吸附溶液的初始濃度達(dá)到一定值后,MNIPs對(duì)DBP的吸附趨于飽和。

分別用Langmuir(3)、Freundlich(4)和Sips(5)等溫線模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。3種模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示:

qe=KLqmLCe/(1+KLCe)〖FH(3)

其中,qmL和kL分別是單層吸附的最大吸附量以及Langmuir常數(shù)。

qe=KFCe1/n〖FH(4)

其中,KF和n分別代表吸附強(qiáng)度的等溫參數(shù)和吸附能力。

qe=qms(asCe)〖SX(1〖n〖SX)/〖JB((1+(asCe)〖SX(1〖ns〖SX)〖JB))〖FH(5)

其中,as是吸附能量常數(shù)。ns用于表示吸附的均勻性。

由Langmuir[29]、Freundlich[30]和Sips[31]等溫線模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果如表2所示,相比Langmuir和Freundlich模型,3個(gè)模型擬合的相關(guān)系數(shù)(R2)分別是0.979、0.95和0.999,Sips模型擬合的線性相關(guān)系數(shù)均大于Langmuir和Freundlich模型,更接近于1,所以根據(jù)相關(guān)系數(shù)的值得到,Sips模型更適合擬合MMIPs的吸附等溫線模型。此外,在Sips模型中,1/ns值常用于表示吸附的不均一性,1/ns值越接近1,說(shuō)明吸附劑的表面越均一,MMIPs的1/ns=1.0031,與1非常接近,說(shuō)明DBP在印跡聚合物表面的吸附是非常均一的。

3.4動(dòng)力學(xué)分析

不同DBP初始濃度下,MMIPs及MNIPs對(duì)DBP的吸附動(dòng)力學(xué)曲線如圖6所示。在吸附初始階段,MMIPs和MNIPs對(duì)DBP的吸附量,隨著時(shí)間延長(zhǎng)而升高。隨著DBP初始濃度的增加,MMIPs及MNIPs對(duì)DBP的吸附平衡量增大,達(dá)到吸附平衡后,在3種不同濃度的吸附液中,MMIPs對(duì)DBP的吸附量均高于相應(yīng)的MNIPs。MMIPs的特異性結(jié)合的印跡識(shí)別位點(diǎn),致使其對(duì)DBP具有特異性親和效果。DBP初始濃度為50mg/L時(shí),MMIPs對(duì)DBP的吸附量約是MNIPs的2.5倍。

用Pseudofirstorder模型,Pseudosecondorder模型及Elovich方程進(jìn)行了擬合處理[32~34]。表達(dá)式如(6),(7)和(8)所示。擬合結(jié)果如表3所示。

qt=qe-qee k1t〖FH(6)

qt=〖SX(k2q2et〖1+k2qet〖SX)〖FH(7)

qt=〖SX(lnab+lnt〖b〖SX)〖FH(8)

其中,k1和k2分別指pseudofirstorder和pseudosecondorder方程的吸附速率常數(shù);t是吸附時(shí)間;a和b分別是初始吸附速率和表面覆蓋相關(guān)常數(shù)。

對(duì)于MMIPs,Pseudosecondorder動(dòng)力學(xué)模型更適合,2擬合結(jié)果相關(guān)系數(shù)最接近1,實(shí)驗(yàn)和理論qe值較接近,而其Elovich模型擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)低。而MNIPs則比較符合Pseudofirstorder動(dòng)力學(xué)模型。

3.5選擇性分析

為了考察MMIPs的吸附特異性,以DAP和DEHP作為DBP的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物進(jìn)行了一系列的選擇性批量吸附實(shí)驗(yàn)。通過(guò)印記因子(Imprintingfactor,IF)評(píng)價(jià)MMIPs對(duì)DBP的特異識(shí)別能力,印記因子的定義為MMIPs和MNIPs對(duì)目標(biāo)分子或結(jié)構(gòu)類(lèi)似物的吸附量之比。

如圖7所示,MNIPs對(duì)DBP及其結(jié)構(gòu)類(lèi)似物的吸附量沒(méi)有明顯區(qū)別,因?yàn)槠浔砻鏇](méi)有特異性識(shí)別位點(diǎn)存在,對(duì)DBP及其結(jié)構(gòu)類(lèi)似屬于非特異性吸附。然而,MMIPs對(duì)DBP的吸附量明顯高于它的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物,MMIPs對(duì)DAP、DBP和DEHP的IF值分別為1.53、2.21和1.39,可知MMIPs具有較高的印跡因子,說(shuō)明其對(duì)DBP具有很高的選擇性識(shí)別能力。MIPs對(duì)DBP高的特異識(shí)別性可歸結(jié)于兩個(gè)因素:(1)3種物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同,與DBP分子相比,DAP分子的空間結(jié)構(gòu)小于DBP,而DEHP的空間尺寸大于DBP,這使得DAP雖然容易進(jìn)入印跡位點(diǎn),并形成作用力,但這種相互作用不穩(wěn)定;(2)只有DBP分子的空間結(jié)構(gòu)和尺寸與MMIPs的印跡位點(diǎn)一致,形成較強(qiáng)的吸附作用,比較穩(wěn)定。

3.6吸附再生性分析

在50mg/LDBP乙醇溶液中,進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn),吸附過(guò)程與等溫線相同。以甲醇乙酸(9〖KG-3∶〖KG-51,V/V)混合液為洗脫液,進(jìn)行了5次吸附與解吸附實(shí)驗(yàn)。5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后,MMIPs對(duì)DBP的吸附能力下降,這是由于在反復(fù)的洗脫過(guò)程中,部分印跡空穴及其識(shí)別位點(diǎn)遭到不同程度的破壞。但其對(duì)DBP的吸附能力僅下降了12.3%,說(shuō)明制備的MMIPs具有良好的重復(fù)利用性。

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AbstractThemagneticmolecularlyimprintedpolymers(MMIPs),basedonthesurfaceofmagneticnanoparticlesbeingmodifiedbysurfacegrafting,havebeensuccessfullysynthesized,withdibutylphthalate(DBP)astemplatemolecule,ethyleneglycoldimethacrylate(EGDMA)ascrosslinkingagentandazobisisobutyronitrile(AIBN)asinitiator.Scanningelectronmicroscopy(SEM),transmissionelectronmicroscope(TEM),andelementalanalysiswereemployedtocharacterizetheMMIPs.ThestructureandmagneticpropertiesoftheMMIPswereinvestigatedbymeansofXraydiffractionandvibratingsamplemagnetometer.TheBETsurfaceareashowsthatMMIPsis380m2/gandMNIPsis324m2/g.Aseriesofstaticadsorptionexperimentswereconductedtoanalyzeitsadsorptionperformance,whichfollowedpseudosecondordermodelbythekineticanalysiswithcorrelationcoefficient(R2)0.9797,andSipsequationwithcorrelationcoefficient(R2)0.999bytheisothermalanalysis.Theimprintingfactorsofdiallylphthalate(DAP),DBPanddi2ethylhexylphthalate(DEHP)were1.53,2.21and1.39respectively,showingthatMMIPshadbetterrecognitionperformanceforDBP.TheexperimentofregenerationrecycleswithfivetimesshowedtheregenerationabilityofDBPwasonlyreducedby12.3%.

KeywordsDibutylphthalate;Molecularlyimprintedpolymer;Selectivity;Sorbent

(Received21November2016;accepted25January2017)

ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.21677064)

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