（材料学专业论文）甲氧苄氨嘧啶分子印迹膜制备及选择结合性研究.pdf

摘要 本论文利用本体聚合方法及其膜制备技术制备了以甲氧苄氨嘧啶为模板分 子的分子印迹聚合物膜。实验确定了制备分子印迹膜的最佳工艺条件以及各试剂 的配比关系。并通过紫外光谱、红外光谱、扫描电镜、平衡结合方法及s c a t c h a r d 分析对聚合物膜结合机理以及识别能力进行了研究。将分子印迹聚合物与聚砜共 混，利用相转化法制备了具有较好机械强度的药物分离共混膜，对影响膜性能的 因素进行了系统的探讨，并运用平衡结合方法和选择透过实验对它的结合性及选 择透过性进行了研究。 实验表明，优化后的工艺条件及试剂配比下，制备的分子印迹聚合物膜具有 较好的药物分离效果，对模板分子表现了优异的识别能力；s c a t c h a r d 分析表明， 该印迹聚合物膜只存在一类等价的结合位点。共混分子识别膜有较好的机械强度 和选择透过性，聚砜只起到了支撑膜的作用，对印迹聚合物的识别能力影响很小。 关键词：甲氧苄氨嘧啶聚砜 选择结合性分子印迹聚合物膜共混分子 识别膜 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , m o l e c u l a ri m p f i n t c dp o l y m e rm e m b r a n e sw i t hh i g h l ys e l e c t i v e b i n g i n gf o rt r i m e t h o p r i ma r es y n t h e s i z e db yn o u m e n o np o l y m e r i z a t i o na n dt e c h n i q u e o fm e m b r a n ep r e p a r a t i o n t h eb e s tp r e p a r i n gc o n d i t i o n sa n dr e a g e n tq u a n t i t ya r e c o n f n m e da c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t s t h el i n k i n gp r i n c i p l e sa n dr e c o g n i z i n ga b i l i t i e s a r ee x p l o r e db yu l t r a v i o l e ts p e c t r u m ，i n f r a r e ds p e c t r u m ，s c a ne l e c t r o - m i c r o s c o p el i n k e x p e r i m e n ta n ds c a t e h a r da n a l y s i s t h ee f f e c tf a c t o r sa r es t u d i e db yt h en u m b e r s t h e b l e n d i n gm e m b r a n e sw i t hg o o dm e c h i c a li n t e n s i t y a n dr e c o g n i t i o nf u n c t i o na r e s y n t h e s i z e dw i t hm i x i n gp s fa n dm o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e rb yu s i n gm o d a l i t y t r a n s f o r m t h el i n k i n gc h a r a c t e ra n ds e l e c t i v ep e r m e a t i o na r ce x p l o r e d t h ee x p e r i m e n t se x p r e s st h em o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e rm e m b r a n e sf o r t r i m e t h o p r i m a f t e r i m p r o v i n gp r e p a r i n gc o n d i t i o n s a n dr e a g e n tq u a n t i t yh a v e e x c e l l e n tr e c o g n i t i o ne f f e c tf o rt e m p l a t em o l e c u l a r s c a t c h a r da n a l y s i sp r o v e st h e m o l e c u l a ri m i p r i n t e dp o l y m e rm e m b r a n e sh a v eac l a s so ft h es a m eb i n d i n gs i t e sf o r t r i m e t h o p r i m t h ec o m p o s i t em e m b r a n e sh a v es t r o n gr e c o g n i t i o n f u n c t i o na n d s e l e c t i v ep e r m e a t i o n p s fi so n l ya ss u s t a i n i n gm e m b r a n ea n dh a sl i t t l ee f f e c t k e yw o r d ：t r i m e t h o p r i m p s fs e l e c t i v eb i n g i n gm o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r m e m b r a n e b l e n d i n gm o l e c u l a rr e c o g n i t i o nm e m b r a n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：肖哞签字日期：即7 牟r 目2 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：甫岫搴 签字日期：7 绎f 用工7 目 导师签名：彩乏 签字日期：舶7 f o f 学位论文的主要创新点 1 本实验确定了制备甲氧苄氨嘧啶型分子印迹聚合物膜的最佳工艺 条件，所选用新型溶剂和交联剂是制备具有较高选择结合性的分子印 迹膜的技术关键。 2 甲氧苄氨嘧啶聚合物与聚砜共混制备出具有良好的机械强度和优 异识别功能的药物分离共混膜。实验对共混识别膜对药物选择分离特 性进行研究。 第一章前言 第一章前言 1 1 分子识别及分子印迹技术概述 分子识别是指在复杂的混合体系中，依靠具有形状、大小和化学功能基与 客体分子互补的主体分子对客体分子的区别和结合。选择性是分子识别的重要 特征，它是从分子水平研究酶反应、信息传递以及在不同介质间的能量传递等 生物现象的重要化学概念。在漫长的生物进化过程中，分子识别发挥着特殊重 要的作用，生物体系中的酶、抗体和受体对底物、抗原和激素展现了特效的分 子识别作用。尽管酶、抗体和受体具有主体分子的特殊性能，但在实际应用中 这些生物分子具有制取复杂，稳定性差，存储和操作不便，在高温或其它恶劣 环境下易失去活性结合位点等缺点，从而极大地限制了它们在实际中的广泛应 用。因此制各简单，稳定性好，成本低，既具有预定选择性又具有与酶、抗体 和受体相类似的结合性的主体分子仿生模型己成为今日化学的焦点。 分子印迹也称分子烙印( m o l e c u l a ri m p r i n t i n g ) ，这一基本思想起源于人们对 抗体一抗原和酶一底物的专一性认识。而分子印迹技术这一概念则可追溯到 1 9 4 0 年，p a u l i n g 从免疫学角度提出的有机体在受到抗原入侵时可产生与之形成 多位点结合抗体的学说【1 1 。虽然此学说已被“克隆选择”理论所否定，但化学家 们却由此受到启发而发明了分子印迹技术。分子印迹技术又叫做分子模板技术 ( m o l e c u l a rt e m p l a t et e c h n i q u e ，m r i ) 即制备针对某一特定的目标分子( 模板分 子、印迹分子或烙印分子) 具有预定选择性和特殊亲和性的分子识别材料的技 术。它属于超分子化学中主客体化学范畴，是主体分子( 分子印迹聚合物) 对客 体分子( 模板分子) 的识别作用。分子印迹技术一般包含以下三个步骤：在一 定溶剂( 又称致孔剂，一般为非极性或弱极性的有机溶剂) 中，模板分子与功能 单体依靠官能团之间的共价或非共价作用形成主客体配合物；在大量交联剂 存在的情况下通过光引发或热引发聚合，使主客体配合物与交联剂通过自由基 共聚合在模板分子周围形成高交联的刚性聚合物；洗去模板分子，这样在聚 合物中便留下了与模板分子的大小和形状相匹配的立体孔穴，同时孔穴中含有 精确排列的与模板分子的官能团互补的由功能单体提供的功能基团。 由分子印迹技术制备得到的高分子化合物即分子印迹聚合物( m o l e c u l a r l y i m p r i n t e dp o l y m e r , m i p ) 具有：构效预定性( p r e d e t e r r a i n a t i o n ) 、特异识别性 ( s p e c i s cr e c o g n i t i o n ) 、广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) = 大特点，并且还具有抗恶劣 第一章前言 环境能力强、稳定性好、使用寿命长等优点。其中预定性决定了人们可以根据 不同的目的制备不同的m i p ，以满足各种不同的需要；识别性是因为m m 是按 照模板分子( t e m p l a t em o l e c u l a r ) 定做的，它具有特殊的分子结构和官能团，能 选择性地识别模板分子；而实用性则表现在它与天然的生物分子识别系统，如 酶与底物、抗原与抗体、受体与激素相比，具有抗恶劣环境的能力，高度的稳 定性和长的使用寿命，并且制备过程简单。 分子印迹技术从2 0 世纪3 0 年代提出至今，已有6 0 多年的历史。1 9 4 9 年 d i c k e y l 2 1 首次实验了染料在硅胶上印迹。但前4 0 年它的发展还比较缓慢，到 了2 0 世纪7 0 年代，随着w u l f 一3 1 、m o s b a c h 【4 l 和w h i t e c o m b e 【5 】等人在共价、非 共价以及共价一非共价混合型分子印迹聚合物制备技术方面的创新工作，分子 印迹技术领域才得到了蓬勃的发展。1 9 7 2 年w u l 一6 l 等人在高分子聚合物上成功 地实现了印迹，特别是到了1 9 9 3 年m o s b a c h 川等人在n a t u r e 上发表有关茶 碱分子印迹聚合物的报道后，使分子印迹聚合物除了原有的分离和催化的功能 外，又找到了与生物技术息息相关的多种生物传感技术及合成人工抗体等领域 的新应用，因此引起人们的广泛兴趣，进而取得迅速的发展。据1 9 9 7 年成立的 分子印迹学会 8 1 ( s o c i e t yo f m o l e c u l a ri m p r i n t i n g ) 的统计表明，到目前为止，全世 晃至少有1 0 0 个以上的学术机构和企事业团体在从事分子印迹聚合物研究工作 的国家，主要有瑞典、日本、德国、美国、乌克兰、中国、爱尔兰、印度、韩 国、澳大利亚、巴西、意大利、法国、新西兰等国家。分子印迹技术经过这些 年的不断改进和发展，已日趋成熟。利用分子印迹技术，已经合成出2 0 多种化 合物的分子印迹聚合物，如氨基酸及其衍生物、甘油酸及其衍生物、染料、芳 酮、多肽、二胺等l 卅。这些印迹高分子主要用做高效液相色谱中的固定相，对 合成过程中所使用的印迹分子进行选择，从而实现混合物特别是结构相近的手 性化合物的分离。另外，根据某些印迹高分子表现出来的特殊性能，也可以应 用于抗体仿生、酶催化及生物传感器等领域。由于m i t 在新型药物传递系统( d d s l 的设计上，光学活性药物的分离以及中药活性成分的分离上独具优势，使得分 子印迹技术在药学领域的应用越来越受到瞩目。近几年，人们又应用m r r 对控 制遗传的基因进行研究，也取得了不同程度的进展。总之，随着生物技术、电 子技术、合成手段和现代分析检测手段的迅猛发展，m 口的合成、表征方法和 理论系统的日趋完善，分子印迹技术的应用i ；i 景将更加光明。 1 2 分子印迹的结合作用及机理探讨 1 2 1 分子印迹的结合作用 2 第一章前言 分子印迹聚合物就是利用印迹分子( 待分离、识别物质的分子即模板分子) 和 具有官能团的功能单体首先通过分子间的共价作用力或非共价作用力形成可逆 的化合物或复合物；然后将化合物或复合物置于交联剂单体中，聚合成高度交联 的具有三维网络结构的高分子聚合物，并用适当的方法将模板分子从高分子聚合 物中释放出来，从而在聚合物中就形成了与模板分子立体结构相匹配的具有多重 作用点的孔穴，这个三维的孔穴可以选择性地重新与模板分子结合，对模板分子 表现出特效的选择性和识别能力。印迹过程如图1 1 所示。从本质上讲，m m 对模 板分子的识别来源于两个匹配，一是m p 的识别位点上具有同模板分子的化学官 能团相匹配的化学基团；二是m 口上具有同模板分子的立体结构相匹配的空间结 构。功能单体和模板分子周围的聚合物网络可以稳定和模板分子的结合，而对其 对映异构体则不能起到结合作用。根据模板分子同聚合物单体官能团之间的作用 形式的不同，分子印迹技术主要分为共价法与非共价法两种。 共价法又称为预组织法( p r e - o r g a n i z e da p p r o a c h ) 。该方法主要由w u l f f 等人创 立。在此法中，模板分子与单体通过共价键结合，在加入交联剂聚合后，再将模 板分子通过化学手段从聚合物网络上断开，其过程如图1 2 所示。该聚合物的制 备及以后的分子识别过程都依赖于单体与模板分子之间可逆的共价键。该法已被 应用于制备各种具有特异识别功能的聚合物，如糖类及其衍生物，甘油酸及其衍 生物，氨基酸及其衍生物，双醛类化合物等物质。非共价法又称为自组装法 岱e l f - a s s e m b l ya p p r o a c h ) 。m o s b a c h 等首次制备了非共价键型m i p 。聚合前模板分 子通过分子间的作用力，如氢键、静电、偶极、电荷转移、金属配位、疏水作用 等，与功能单体形成超分子复合物，然后进一步聚合、交联再除去模板分子，得 到非共价键型m 口，此过程如图i 3 所示。这种类型的印迹聚合物的制备或应用报 道很多，主要包括一些染料、二胺类、维生素、氨基酸及其衍生物、核酸和蛋白 质等。 豢i 霉 塑搭 图1 1 分子印迹技术过程意图 3 器 簪一 第一章前言 搿o + 饥 0 争萨 | 白| 魄击棋簟分予 站音横t 分子 图i - 2 共价法分子印迹过程 图1 3 非共价法分子印迹过程 4 睁睁 第一章前言 随着分子印迹研究的深入开展，共价法和非共价法已显示出其各自的优劣 性。其中共价法具有空间位置固定准确的特点，因而能够移走大量的模板分子， 但是，此过程中经历共价键的形成与断裂，所需的能量比较高，操作条件较为苛 刻，对模板分子的限制较大，适用范围比较狭窄。并且共价作用较强，结合与解 离速度缓慢，难以达到热力学平衡，不适合于快速识别；而非共价法由于使用超 分子作用制备仿生模型，其分子识别类似于天然生物分子。非共价法的分子印迹 系统具有多样性和普遍性，对模板分子的类型没有太多限制，可使用多种功能单 体，并且模板分子可以用很简单的方法除去，因而发展很快。但其专一性不如共 价结合作用强。除了这两种基本模式外，还可以把两种作用结合起来使用，即聚 合时单体与模板分子间的作用力是共价键，而在对模板分子的识别过程中，二者 间的作用是非共价作用。w h i t c o m b 等人【1 0 】就综合了共价和非共价法分子印迹技 术的优点创建了一种新的分子印迹技术，此种分子印迹制备技术不仅具有共价法 亲和性、专一性强的特点同时还具有非共价法操作条件温和的优点。 1 2 2 分子印技术对聚合物母体的要求1 1 1 l 聚合物母体应该具有如下的性能： 1 聚合物母体的硬度在除去印迹分子后应能使孔穴保持它们的形状，以使孔穴具 有高的选择性。 j 2 聚合物母体应有较高的柔顺性。这与第一点要求是相矛盾的，但它却是动力学 所必须的，使它能与要嵌进的底物迅速达到平衡。 3 通过生成专门的聚合物形态可得到既有尽可能高的交联度，又具有良好的底物 可近性。 4 聚合物颗粒应有良好的机械稳定性。这在许多应用中，例如，在h p l c 的催化 剂催化反应中的搅拌条件下尤为重要。 5 聚合物母体应有良好的热稳定性。这可以使印迹聚合物能在对动力学非常有利 的高温下使用。 1 2 3 分子印迹聚合物的结合机理【1 2 1 合成m 口时，印迹分子、单体和交联剂等通常溶于形成氢键能力较弱的溶剂 中。功能单体在聚合前和聚合过程中必须与印迹分子产生强烈的相互作用，形成 较大数量的识别位点。能产生多个作用点的印迹分子和功能单体易于生成高特异 性和亲和力的键合位点。聚合时，多个功能单体的联用在很多情况下可得到具有 更高识别能力的m i p 。但如果单体对印迹分子没有特殊的亲和力时，单体间的相 互结合将竞争单体与印迹分子的结合。根据识别位点的稳定性、完整性和可达到 5 第一章前言 性，将识别位点进行分类( 如图1 - 4 ) 。 图1 - 4 分子印迹聚合物识别位点的位置和属性 a 中孔和大孔的位点：大于2 r i m 的位点，底物易于到达；b 小孔位点：对于 小于2 n m 的位点，底物扩散比较慢：c 包埋在聚合物内部的位点：底物不能到达； d 聚结的位点：聚合时模板分子用量过大，形成的识别位点相互重叠，完整性不好， 此类位点的形成与模板分子间相互结合的程度有关；e 诱导的键合位点；f 非特 异性识别位点；g 残余模板分子：m i p 经仔细洗脱后，通常仍有1 模板分子残余 在聚合物中，当聚合物用于痕量物质定量分析前的样品准备时，残余模板分子的 渗露将导致错误的结论。 1 3 分子印迹聚合物的制备及表征 1 3 1 制备原料与试剂的选择 分子印迹聚合物的制备一般需要三种物质。一是待分离、识别物质的纯品即 模板分子。模板分子应能参加聚合反应，又易于在反应后除去，并且分子中含有 强极性基团的化合物易于制备高效能的m m ，如糖类、氨基酸类、核苷酸类、酶 等。二是带有官能团的聚合物单体，即功能单体。功能单体的选择主要由模板分 子决定，所选择的功能单体首先必须应与模板分子之间有较强的匹配作用，并且 在反应中它要与交联剂分子处于合适的位置才能使模板分子镶嵌于其中。在共价 法中常用的功能单体主要有含有乙烯基的硼酸或二醇以及含硼酸酯的硅烷混合 物等。而在非共价法中常用的功能单体有羧酸类，如甲基丙稀酸( m a a ) 、三氟甲 基丙稀酸( t f m a a ) 、4 乙烯基吡啶等。三是交联剂，为了使合成的m i p 具有一定 的硬度和形成稳定的结合位点，要求m i p 交联度应达n 7 0 9 0 。常见的交联剂 有二乙烯基苯( d v a ) 、乙二醇二甲基丙烯酸酯( e c d m a ) 。目前最常用的是乙二 醇二甲基丙烯酸酯，其价格便宜，容易纯化，而且非常适合分子印迹技术。 6 第一章前言 除此之外，还应选择适当的溶剂与萃取剂。在非共价型m 职的制备中，用溶 剂时首先考虑是否能够溶解模板分子，另外所采用的溶剂对常用的离子作用、氢 键作用以及m 口的形态是否有较大影响。因此，在模扳分子溶解度允许的情况下， 要尽量选择极性低，对氢键影响弱的溶剂如氯仿、甲苯等。但有时为了满足模板 分子的溶解度要求，也可选择乙腈、n ，n 二甲基甲酰胺( d m f ) 等作溶剂，尽管它 们对模板分子与功能单体之间形成的配合物的稳定性有一定的影响，但也能达到 分子识别的要求，只是会使选择性要略差一些。在洗脱模板分子时要用到萃取剂， 选择合适的萃取剂就可以将占据在识别位点上的绝大部分模板分子洗脱下来，常 用的萃取剂为乙酸，甲醇溶液。 1 3 2 制备方法 制备m 口的方法有：封管聚合、原位聚合、悬浮聚合、两步溶胀聚合、表面 印迹技术以及膜制备技术。 其中，封管聚合是一种最常用的制备方法即将模板分子、功能单体、交联剂 按一定比例溶解在溶剂中，并加入适量的引发剂；然后移入一封管中，采用超声 波脱气，通氮气除氧，在真空下经热引发( 6 0 - 1 2 0 ) 或紫外光照射引发聚合一定 时间得到块状聚合物。然后再经过粉碎、磨细、筛选等过程获得合适大小的粒子， 洗脱除去模板分子，真空干燥后就可得至u m i p 。 1 3 3 分子印迹聚合物表征 m i p 性质的表征到目前还没有一个统一的理论描述，主要原因是因为m 口的 应用范围很广泛，在不同的应用领域，可以有不同的表征方法。色谱固定相、手 性分离和固相萃取应用中，一般用分离系数a 、分离度r s 、保留时间t r 、结合常 数k a 、富集系数等来表征m 口的选择性的好坏，采用的仪器方法有高效液相色谱 ( h p i q 、质谱( m s ) 、核磁共振波谱( n m r ) 、傅立叶变换红外光谱( f r - m ) 和紫外 光谱c o y ) 等。而在化学传感器的应用中，则需要借用各种电化学参数如电流、电 容、电导、电压以及各种光学参数和质量参数如光强度和质量等来表征。其转换 装置有化学修饰场效应晶体管( c h e m i c a l l ym o d i f i e df i e l de f f e c tt r a n s i s t o r , c m f e t s ) 、光学积分仪( i n t e g r a t e do p t i c a l ) 、质量敏感装置( m a s s s e n s i t i v ed e v i c e s ) 如石英晶体微量天平( o u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c c s 。q c m s ) 和表面声波传感器 ( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ，s a w s ) ，在催化应用领域中则主要以催化效率、反应速 度、结合量等参数来描述m 口的催化活性。 1 3 3 1s c a t c h a r d 分析【1 3 】 7 第一章前言 s c a t c h a r d 分析可用于分子印迹聚合物对底物吸附脱附实验的表征。其表征 方程为s c a t c h a r d 方程： 0 4 底物浓度 = ( o 一- o ) k d ( 1 - 1 ) q = 底物吸附量( i ig ) 聚合物加入量( 曲 ( 1 2 ) l ( d 代表结合位点的离解常数，q 代表印迹聚合物对底物的结合量，q 。代表 最大表观结合量。 根据s c a t c h a r d 方程可计算最大表观结合量q 。，并做出评价印迹聚合物结 合性质的s c a t c h a r d 图，然后根据s c a t c h a r d 图可判断结合位点的数目。 1 3 3 2l a n g m u i rf r e u d l i c h 等温吸附分析【1 4 l l a n g m u i rf r c u d l i c h 等温吸附分析也可用于分子印迹聚合物对底物吸附脱附 实验的表征。其表征方程如下： b = n t a f r o l + n t f m( 1 3 ) m ：不均匀常数，m = l 均匀，m 对t m p 的结合能力明显大于p ( n i p m ) ，对于磺胺嘧啶和头孢氨苄，两种聚合物 膜对它们的结合能力相差不多，说明在甲氧苄氨嘧啶分子印迹聚合物膜中具有形 状和功能基团均可与t m p 相互补的孔穴，进一步证实了在分子印迹聚合物形成 过程中，模板分子与功能单体形成复合物对聚合物的选择性是至关重要的，虽然 p ( n i p 蛐与p ( i p m ) 有着同样的化学组成，但p ( n i p m ) 没有形状与功能基和模板分 子相互补的识别位点，羧基在p ( n i p m ) 中的分布是任意的，因此它仅靠弱的非选 择性吸附作用与底物相结合，选择性大大降低。 2 3 i s 结 通过实验确定了实验所需的药品和试剂的配比关系，以及实验工艺条件的确 定。运用选择结合实验证明了以药物甲氧苄氨嘧啶为模板制备的分子印迹聚合物 膜对甲氧苄氨嘧啶具有特异性的识别能力，对非模板分子的识别能力较差，且 s c a t c h a r d 图为一条直线，表明制备的聚合物膜只存在一类等价的结合位点，从 而只形成一种性质的特异性空穴。 第三章甲氧苄氨嘧啶，聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 第三章甲氧苄氨嘧啶，聚砜共混分子识别膜选择透过性研究 分子印迹聚合物因具有构效预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 、特异识别性 佑p e c i f i c r e c o g n i t i o n ) 、广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 三大显著特点，并且还具有抗恶 劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长等优点已被广泛应用于诸多领域，尤其利 用该技术制各的模板聚合物膜在药物分离和生物传感器领域已成为一个热门的 研究课题 4 4 j 。但在制备分子印迹聚合物时为了维持识别位点的空间结构需加入大 量的交联剂，使得得到的印迹聚合物膜柔韧性差，机械强度低，容易破碎，影响 了印迹聚合物膜的实际应用【4 5 l 。因此，人们正在努力寻找一种新方法，使得印迹 聚合物膜不但具有特异选择性，而且有良好的柔韧性，使其容易处理和使用。目 前，已有报道利用平板膜作为支撑膜，将模板聚合物涂覆于膜表面，在膜表面聚 合制备模板聚合物膜，例如，郭洪声等利用聚四氟乙烯膜为支撑膜制备了具有很 好选择透过性的聚合物膜【蚓。但通常情况下，聚合物与支撑膜之间仅靠弱的分子 间作用力，制备的识别膜经过多次使用，聚合物会从支撑膜上脱落，膜就不再具 有结合选择性。而本实验选用柔韧性非常好的聚砜膜与模板聚合物按一定比例进 行共混制备了共混分子识别膜，不仅具有良好的分子识别特性，而且保持着聚砜 膜本身的良好柔韧性和强度，也克服涂覆方法易脱落的问题，为分子识别膜在药 物分离方面的实际应用提供了新的实验结果。 3 1 实验部分 3 1 1 原料及试剂 聚砜( p s f ) ，n = 0 。5 5 o 6 ，上海曙光化工厂；n ，n 一二甲基甲酰胺( d m f ) ，分析 纯，天津化学试剂三厂；聚7 - - 醇( p e g ) ，m 。= 6 0 0 ，上海合成洗涤剂二厂；其它 试剂见2 1 1 。 3 。1 2 主要仪器 膜性能测试仪，天津工业大学自制；q u a n t a - 2 0 型扫描电子显微镜( s e m ) ， f e i 公司；其它仪器见2 1 2 。 3 1 3 药物甲氧苄氨嘧啶分子印迹聚合物膜p ( i p m ) 的制备 第三章甲氧苄氨嘧啶，聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 称取0 o s e s g ( o 1 2 5 m m 0 1 ) 甲氧苄氨嘧啶溶于0 3 5 m ln ，n _ 二甲基甲酰胺中，加 x 0 0 4 m l ( 0 5 r e t 0 0 1 ) 功能单体m a a ，于振荡器中充分反4 h ，再加入0 4 7 m 1 ( 2 5 m m 0 1 ) 交联剂e g d m a 和2 r a g 引发剂a i b n ，通氮气5 m i n 后，抽真空脱气1 0 r a i n ，然 后将该反应混合液涂敷于玻璃片上，再将玻璃片放入石英玻璃皿中，在氮气的保 护下以3 6 5 n m 紫外光照射6 h 后，将玻璃片取出即可得到厚度约为1 0 0 y m 均匀的 聚合物膜，将此聚合物膜用1 0 的乙酸一甲醇( v v ) 溶液反复洗涤，洗去模板分子 甲氧苄氨嘧啶，然后研磨成粉末，再过1 0 0 目筛，将此聚合物粉末真空干燥2 4 小时后待用。 非模板聚合物膜p ( n i p m ) 的制备除不加模板分子t m p 外，其余步骤同上。 3 1 4 甲氧苄氨嘧啶型聚砜共混分子印迹膜p s f ( i p m ) 的制备 将一定量干燥的聚砜溶于d m f 中，配制成铸膜液，再将p ( i f m ) 粉末加入到 铸膜液中，在恒温、恒速的搅拌条件下制备共混溶液。放置2 4 h 达到均一后真空 脱泡。在一定的温度和湿度下，将溶液浇铸在2 0 x 2 0 c m 的玻璃板上，用刮刀刮制 成平板膜，再将该膜浸入蒸馏水中，即得p s f ( i p i v 0 。将制得的膜保存在5 0 甘油 中待用。 3 1 5 扫描电子显微镜( s e m ) 观察 将膜片在5 0 ( 体积比) 的甘油中浸泡2 4 小时后，取出拭去膜表面的甘油，风 干，经液氮冷冻折断，镀金。用q u a n t a - 2 0 0 型扫描电子显微镜对膜片的表面以 及横断面的形貌结构进行观察。 3 1 6 膜结构与性能测试 采用天津工业大学自制的膜评价装置进行实验，见图3 - 1 。在设定的温度下， 水泵将纯水从蓄水池中送入到平板基体膜，在一定的压力下流经平板膜微孔，最 后流入量筒。通过测定一定时间内通过的水通量来计算单位时间的水通量，进而 计算出膜的孔径。 第三章甲氧苄氨嘧啶，聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 图3 - 1 膜性能测试仪 1 蓄水池2 温度计3 水泵 4 压力表5 平板膜6 量筒 3 1 6 1 水通量 采用天津工业大学膜分离工程研究所的超滤膜评价装置进行水通量的测 定。将有效面积为2 5 5 c m 2 聚砜膜在o 1 m p a 的压力下预压1 h ，水通量稳定后测 水的通量。按下式计算通量： 3 1 6 2 孔隙率 小 式中： 一透水速度( u m 2 s ) ； v 一透过液体积( l ) ； a 一膜的有效面积( m 2 ) ， t 一时间( s ) ( 3 - 1 ) 采用干、湿膜质量差法测定聚砜膜的孔隙率。分别测定湿、干膜的质量w l 、 w 2 ，按照下式计算孔隙率： f 。( w l - w o d , o x l 0 0 ( 3 2 ) v 式中：e 一膜的孔隙率； d h 2 0 w 水的密度( g m u ； v 一膜的表观体积( m l ) 3 1 6 3 膜孔径测定 第三章甲氧苄氨嘧啶，聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 目前有关测定膜孔径及其分布的方法很多，如压汞法、吸附法、滤速法、毛 细管凝聚法、泡压法、气体渗透法、电镜法等。不同方法测量所得数值往往差别 很大。这主要是由于各种膜孔的形状十分复杂，而各种方法都假定它们是某种理 想的形态，此外，有的滤膜的孔径和形态并不是一成不变的，有时会因水分，药 品或加热等因素造成膨胀或收缩变形。比较理想的方法就是在实际应用的环境下 或接近该条件下测定。滤速法就是满足上述条件的一种测试方法。滤速法的基础 是p o i s e u i l l i 定律m 。它是将粘性的不可压缩的牛顿型流体在通过毛细管时的运动 规律用半透膜推出的。它虽忽略了管壁的吸附作用，但能反映流通孔道的平均性 能。本文采用滤速法测定膜的孔径，其基本原理是根据p o i s e u i l l i 定律导出的 g u e r o u t e l f o r d f e r r y 方程【拈】，其计算方法为： ，一8 肚q s p( 3 - 3 ) 式中：r 一用滤速法测得的平均孔径( m ) ； e 一孔隙率( ) ； l 一膜厚度( m ) ； 芦一透过液粘度( p a s ) ； q 一单位时间通过单位面积的水体积流量( m n 2 s ) ； p 一膜两侧压差( p a ) 。 3 1 7p s f ( i p m ) 对t m p 的结合性质的测定 3 1 7 1p s f 膜和p s f ( n i p m ) 对t m p 结合量测定 分别称y 双l o o m g p s f ( i p m ) ( p ( i p m ) 含量为3 0 ) ，置于配制好的不同浓度的 t m p 为底物的d m f 溶液中。然后运用紫外光度法测定平衡结合量 4 9 1 。其实验步 骤如下：把盛装溶液的各锥形瓶放入振荡器中室温振荡1 5 h ，再将结合后的溶液 分别转移至离心试管中，高速离- 1 , 1 5 m i n 后取各离心管中上层清液3 m l 于容量瓶中 6 0 m 0 ，然后用d m f 稀释至一定体积。用紫外分光光度计在一定波长下测定平衡 吸附液中底物的游离浓度，根据前后底物物质的量的变化可计算出p s f ( i p m ) 对底 物t m p 的结合量q ，三次测定结果的平均值用于后面的讨论。 3 1 7 2p s f ( i p m ) ：和p s f ( n i p m ) 对1 m p 结合量测定 称取1 0 0 m gp s f ( i p m ) ( p ( i p m ) 含量3 0 ) ，置于配制好的同一浓度的t m p 为 底物的d m f 溶液中。然后运用紫外光度法测定不同时间的平衡结合量，步骤同 上。 非模板共混膜p s f ( n i p m ) 对底物的结合实验步骤与上相同，只是分别称取 l o o m g 的p s f ( n i p m ) 第三章甲氧苄氨嘧啶聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 3 1 8p s f ( i p m ) 对底物选择性的测定 选用甲氧苄氨嘧啶以及与甲氧苄氨嘧啶有相似抗菌作用药物的磺胺嘧啶和 头孢氨苄作为底物，并以d m f 为溶剂分别配制底物浓度固定的三种药品的底物 溶液( 浓度均为5 m m o l l ) 。然后，分别向三种底物溶液中加入1 0 0m gp s f ( i p m ) 及 1 0 0 m ge s f ( n i p m l ，再用平衡结合法进行结合量测定n 3 1 9 膜透过实验 将共混膜用胶牢固地粘附于两个可进行搅拌的1 0 m l 的玻璃池之间，保证两池 无渗漏，一池中加入底物的一定浓度的d m f 溶液，另一池中加入纯d m f ，2 5 下用分光光度计测定1 0 h 内透过聚合物膜的分析物浓度，并由此计算透过的分析 物量。 3 2 结果与讨论 3 2 1 铸膜液的组成 在相转化法制膜过程中，影响膜结构形态和最终性能的主要因素之一为溶 剂月# 溶剂体系的选择。用相转化法制备聚合物膜时，溶剂首先必须能将聚合物 完全溶解，其次溶剂又必须能与非溶剂完全互溶。对于高互溶性( 亲和性) 溶剂 非溶剂体系，通常可获得多孔膜，而对于低互溶性溶剂非溶剂体系，通常可获 得非多孔膜或具有致密表层和多孔底层的非对称膜。溶剂一般为d m f , d m a c ， n m p 等极性溶剂，非溶剂为水、醇类和酸类试剂。根据溶剂的选择原则，经综 合考虑选用吸湿性小，毒性小且价格相对便宜的n ，n - - x 甲基甲酰胺( d m f ) 作为 制膜的溶剂。 3 2 2 聚砜浓度对共混膜结构的影响 影响共混膜结构形态和性能的一个重要因素为聚砜的浓度，聚砜浓度的增 加将使所成膜的表层增厚、孔隙率和孔问互连度下降、孔径减小。同时聚砜浓度 的增加，可减弱膜内大孔结构的形成。对于多孔膜，在不同浓度下均发生瞬时液 液分相，但是对高浓度的制膜液，薄膜凝胶浴界面处的聚砜浓度较高，因而将 形成孔隙率较低的多孔表层，所形成膜的水通量也较小。对于具有致密表层和多 孔底层的非对称膜，通常采用互溶性较差的溶剂溶剂体系，经延时液液分相来 制备，聚砜浓度对膜结构形态和性能的影响十分明显，随着浓度的增加，膜的致 第三章甲氧苄氦嘧啶，聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 密表层将增厚，膜的渗透性将下降。 a 聚砜含量为1 8 b 聚砜含量为2 0 c 聚砜含量为2 2 图3 - 2 不同聚砜含量的扫描电镜图 第三章甲氧苄氨嘧啶，聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 图3 2 为不同聚砜含量的扫描电镜图，从图3 2 中可以明显看出，随着聚砜 含量增大，膜的孔径迅速降低，而根据测定的水通量也可以看出这一规律。从图 3 2 中可以看出，当聚合物含量为2 0 时膜孔分布比较均匀，膜孔径大小也较为 相似，可以说膜的形态非常好。 表3 1 是不同聚砜浓度对膜结构的影响。从表3 - 1 中可以看出，随着聚砜浓 度的增加，透水速度明显下降，而截流率变化不大。这是由于随着聚砜浓度的增 加，由它构成的聚合物网络密度增大，造成膜的孔径和孔隙率下降，而作为致孔 剂的添加剂并无改变，未造成膜孔径的明显变化。 表3 - 1 聚砜含量对膜性能的影响 添加剂：p e g ( 数均分子晕6 0 0 ) ,铸膜液温度：2 5 ；凝固浴温度：2 5 3 2 3 添加剂p e g 对膜。性能的影响 相转化法制备聚合物膜时，为了改善所成膜的结构形态和提高膜的性能，常 在制膜聚合物溶液加入添加剂( 第四组分) 。添加剂通常为聚合物的弱非溶剂，可 为醇类、酸类低分子试剂或p v p ，p e g 等高分子试剂。其添加量应确保聚合物溶 液的热力学稳定性和体系的完全互溶。随着添加剂的加入，改变了制膜体系相平 衡关系，使溶液的均相区间增加，使三元相图中起始组成的位置将向液液分相 区靠近，同时还可使液液分相过程由延时液液分相转变为瞬时，从而形成较高 孔隙率的多孔膜。在实际制膜时，经常使用的大分子添加剂，主要起到抑制膜内 大空泡结构的形成、提高膜的孔间连通度和膜孔隙率的作用，而且大分子添加剂 的存在增加了制膜液粘度，也抑制了膜液中高分子链的运动。 水溶性的添加剂，不仅由其在膜凝胶前所占的位置来影响膜的结构，而且 它还能影响聚砜在溶液中的分布状态，使制膜液与沉淀剂的亲和性增加而大大加 快非溶剂的侵入速度，促进相分离，从而影响膜的性能。本课题选用了聚乙二醇 ( p e g 6 0 0 ) 作为添加剂。表3 2 给出了聚合物中添加不同用量聚乙二醇( p e g 6 0 0 ) 的实验结果。 第三章甲氧苄氨嘧啶，聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 聚砜含量：2 0 ；凝固浴温度：2 5 ；铸膜液温度：2 5 结果表明，随着添加剂用量的增大，膜的孔径和透水速率明显增大，而截 留率开始变化不大，但其用量高于1 0 之后就明显下降，因此，为了得到性能较 好的膜，添加剂的用量应该控制在一定范围之内。 ap e g 含量为4 bp b g 含量为7 cpeg含量为10dp e g 含量为1 3 图3 3 不同添加剂口e g ) 含量的扫描电镜图 第二章甲氧苄氮嘧啶聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 图3 3 为不同添加剂( p e g ) 含量的扫描电镜图，从图3 3 中可以看出随着添加 剂p e g 的加入，膜孔径由小到大，当含量为1 3 时膜孔径明显减小，从表3 2 中可 看出，水通量随添加齐t j p e g 用量增加而明显增加，这说明膜的水通量增加不仅仅 在于孔径增大，还取决于膜孔之间相互连通程度。 3 2 4 空气湿度和浸没前空气中滞留时间对膜结构的影响 在蒸汽相中水的活性相似于在液相中，水蒸汽诱发相转化具有与液态水做 凝固浴的相似形态。因为所有其它组分的热力学状态是相同的，然而，两种情况 诱发相分离的热力学和动力学特性均有所不同。具有一定湿度的环境中，聚合物 溶液膜的纵向方向上的非溶剂、溶剂、聚合物浓度和活度梯度则产生非对称结构。 因为界面处溶剂一非溶剂的快速交换，膜表面的组分能够在极短时间内到达相分 离。此时膜的内部仍处于初始溶液状态，另外，膜表面致密皮层的形成阻碍了溶 剂一非溶剂的传质，将使聚合物溶液的相分离与表层相比需更长时间。在水蒸汽 诱发相分离中，三组分的浓度曲线平缓穿过聚合物膜，因为膜表层非溶剂的传质 的速率受到一定的限制。所以在湿度改变的情况下，得到膜的孔径也不断改变， 如果制膜环境湿度一定的情况下，浸没前空气中滞留时间对膜结构形态的影响是 不容忽略的。一般制膜湿度( r 脚在6 0 至u 6 5 ，空气中滞留时间在0 - 4 0 s 。滞留时 间增长将起到增加湿度的类似效果，但两者不能形成定性的关系。 铸膜液流涎成膜片以后，直接入水凝胶成膜。得到的是带皮层的不对称微孔 膜。如流涎后的铸膜液在空气中暴露一定时间，膜的孔径将进一步扩大。该过程 事实上控制了进入凝胶浴前铸膜液中聚合物的聚集凝胶状况。h y u n 等人和h a i l 等人研究了以水蒸汽诱导相分离膜的形态结构。他们得出随着空气中水蒸汽作为 沉淀剂进入到铸膜液中，铸膜液发生部分相分离。暴露时间越长，铸膜液吸收空 气中水分越多，致使相分离越彻底，生成膜的孔径就越大。但是当达到一定时间 后，有膜平均孔径反而减小的事实。空气中暴露时间太长，铸膜液中微胞过度地 合并以后，膜孔隙率下降，同时导致膜通量的下降。所以，为制取孔径分布较好 的膜，须选择适当的暴露时问。 第三章甲氧苄氨嘧啶，聚砜共混模板聚合物膜选择透过性研究 聚砜含量：2 0 ；凝固浴温度：2 5 ；铸膜液温度：2 5 3 2 5 膜厚度对膜结构的影响 膜厚对膜结构的影响见表3 4 。从表中可以看出，水通量和孔径随膜厚的增 加而急剧减小，但膜的孔隙率却随膜厚的增加而增加。表面致密层随膜厚的增加 而变厚，水通过时受到的阻