（化学工程专业论文）黄酮分子印迹硅胶微球的制备及其分子识别机理的研究.pdf

摘要 虽然吸附分离材料已广泛应用于物质纯化、分离、分析等各个领域，但是常 规吸附剂吸附选择性能不高。分子印迹技术是一种制备对特定分子具有专一识别 性能吸附剂的技术，近些年来广受人们重视，其研究已取得了很大的进展。但是 目前，水相印迹和识别困难以及所制得吸附剂强度低、不耐用的问题还没有彻底 解决。 为了克服以上问题，将溶胶一凝胶技术和分子印迹技术相结合，采用悬浮聚 合法在水相体系中制备分子印迹硅胶微球吸附剂。文中以氨丙基三乙氧基硅烷为 功能单体，四乙氧基硅烷为交联剂，选择具有药效功能的黄酮类化合物代表性物 质木犀草素为模板剂，通过两步反应，用经悬浮聚合法制备了分子印迹硅胶微球 吸附剂，并用s e m 电镜、粒度分析仪、f t i r 、元素分析对所制得的印迹硅胶微 球进行了分析和表征；采用静态吸附的方法对水相中印迹硅胶微球的吸附、解吸 条件进行了考察，并对其印迹和识别吸附的机理进行了探讨。 对制备工艺的研究结果表明，经过两步反应和悬浮聚合能在水性体系中制备 粒径为2 0 3 0 9 m 的分子印迹硅胶微球，并考察了功能单体和稳定剂的添加量， 反应温度，老化时间，分散介质组成和搅拌速度等因素对微球球形度和粒度的影 响；元素分析和f t i r 结果表明，印迹微球内部存在对模板分子具有识别功能的 官能团；静态吸附和解吸的实验结果说明该吸附剂具有较大的饱和吸附量、较快 的吸附解吸速率、较高的再生能力与吸附选择性。 研究还表明，此微球对模板分子的吸附较好的符合l a n g m u i r 单分子层吸附 模型，且吸附过程中有一定的焓变，对模板分子的吸附具有较高的分配系数。 关键词：分子印迹技术：硅胶微球；溶胶凝胶；吸附选择性； a bs t r a c t t i l ln o w , m a n ya d s o r b e n t sh a v e b e e nu s e dt os o l v es e p a r a t i o np r o b l e m si nm a n y f i e l d ss u c ha sp u r i f i c a t i o n ，s e p a r a t i o n ，a n a l y s i sa n ds oo n b u tt h ep r o b l e mo fl o w a d s o r p t i o ns e l e c t i v i t ys t i l le x i s t s w h i l em o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n i q u ei sb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yr e c o g n i z e da sap o w e r f u lt e c h n i q u eo fp r e p a r i n gs y n t h e t i cp o l y m e r st h a t c o n t a i nt a i l o r - m a d er e c o g n i t i o ns i t e sf o rc e r t a i nm o l e c u l e s s oi th a sb e e ng i v e na g r e a ta t t e n t i o nf r o ma l ls i d e si nr e c e n ty e a r sa n dg a i n e dag r e a tp r o g r e s st i l ln o w b u t t h ep r o b l e m so fi m p r i n t i n ga n dr e c o g n i t i o nd i f f i c u l t yi na q u e o u s p h a s e ，l o w m e c h a n i c a ls t r e n g t ha n d d u r a b i l i t yo ft h ep r o d u c th a v en o tb e e ns o l v e dc o m p l e t e l y i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，s o l g e lm e t h o d ，m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n i q u e a n ds u s p e n s i o np o l y m e r i z a t i o nm e t h o dw e r ee m p l o y e dt op r e p a r ean e wk i n do f m o l e c u l a r l yi m p r i n t e ds i l i c aa d s o r b e n tw i t hg o o ds p h e r i c a la p p e a r a n c e i nt h i st h e s i s ， u s i n gl u t e o l i n 舔t e m p l a t em o l e c u l e a m i n o p r o p y l t r i e t h o x y s i l a n e 舔f u n c t i o n a l m o n o m e r , t e t r a e t h o x y s i l a n e 嬲c r o s sl i n k i n ga g e n t ，t h em o l e c u l a r l yi m p r i n t e ds i l i c a m i c r o s p h e r e sw e r ep r e p a r e d s e m ，g r a n u l o m e t e r , f t i r , e l e m e n t a la n a l y s i sw e r e e m p l o y e dt oa s s a yt op r o d u c t t h ec o n d i t i o n so fa d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o nw e r e r e v i e w e du s i n gs t a t i ca d s o r p t i o nm e t h o d ，a n di m p r i n t i n ga n dr e c o g n i t i o nm e c h a n i s m w a sa l s os t u d i e d r e s e a r c ho ft h ep r e p a r a t i o np r o c e s ss h o w st h a tm o l e c u l a r l yi m p r i n t e ds i l i c a m i c r o s p h e r e sw i t h2 0 - - 3 0 p r nd i a m e t e rc a nb ep r e p a r e di na q u e o u sp h a s eb yt h i s m e t h o d f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h es p h e r i c i t ya n dp a r t i c l es i z eh a db e e ne x a m i n e d t h er e s u l t so fe l e m e n t a la n a l y s i sa n df t i ri n d i c a t et h a tt h e r ea r er e c o g n i t i o ng r o u p s i nt h em i c r o s p h e r e sa f t e ri m p r i n t i n g t h er e s u l to fs t a t i ca d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o n e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h i sa d s o r b e n th a sah i g hs a t u r a t i o na d s o r p t i o nc a p a c i t ya n d h i g hs e l e c t i v i t y h i g ha d s o r p t i o n - d e s o r p t i o nr a t ea n dr e p r o d u c t i v i t y t h er e s u l ta l s os h o w st h a tt h i sm o l e c u l a r l yi m p r i n t e ds i l i c a m i c r o s p h e r e s p r e p a r e di nt h i st h e s i sa d s o r bt h et e m p l a t ei nt h ew a yo fl a n g m u i r a n dt h e r ei sa d e c r e a s eo fe n t h a l p yd u r i n gt h ea d s o r p t i o np r o c e s s w h a t sm o r e ，t h e s em i c r o s p h e r e s a l s oh a v eh i 【曲p a r t i t i o nc o e f f i c i e n tt ot e m p l a t em o l e c u l e k e yw o r d s ： m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n o l o g y ；s i l i c am i c r o s p h e r e s ；s o l g e l ； a d s o r p t i o ns e l e c t i v i t y ； n 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，也不包含为获得苤鲞盘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：臻畏 签字日期：劲7 年月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗本堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘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： 素爱 签字日期：渺7 年月z 罗日 新躲多易弦 签字日期：乒夕1 年月z 垆 ， 第一章文献综述 1 1 吸附剂概述 第一章文献综述 吸附分离是自然界中最基本的过程之一。早在公元前3 0 0 0 年我们的先民就 注意到土壤和木炭的吸附现象，公元前3 0 0 多年亚里士多德注意到沙石层或岩层 可以纯化海水和咸水，到1 9 世纪5 0 年代两位英国的科学工作者首次观察到土壤 能与铵、钙和镁离子等多种“碱发生交换，并提出了“碱交换的概念。1 9 0 3 年俄国的植物学家发现了“色谱”现象。从此，作为物质分离基础的吸附分离材 料才引起了广大科学工作者的兴趣。此后，人们发现许多天然矿物质，如沸石、 木炭、纤维素等对复杂物质具有吸附分离作用。1 9 0 5 年人们首次合成了实用的 无机离子交换剂人工沸石，用于锅炉给水的软化。2 0 世纪4 0 年代合成的有 机离子交换树脂和随后的吸附树脂具有力学强度高、交换基团和形态的种类变化 范围大、交换容量高、交换动力学性能好等优点，使它们在吸附分离领域得到了 越来越广泛的应用。现在具有吸附分离功能的材料己形成了一个多学科交叉的功 能材料领域。这些材料既有合成的也有天然的，既有有机材料也有无机材料，包 括离子交换树脂、吸附树脂、活性碳纤维、聚合物载体等。这些材料已广泛应用 于物质纯化和分离、分析、水处理、环境控制、色谱分离、有机合成、生物医学 工程等方面，吸附分离材料的研制和应用已涉及到化学化工、环境科学、分析化 学、合成化学、生物化学、生物医药、电子工业等领域。 1 2 吸附剂的吸附作用 从科学的角度说，吸附( a d s o r p t i o n ) 作用是两个不可混合的物质相( 固体、 液体或气体) 之间的界面性质，在这种两相界面上一相的组分得到浓缩，或者两 相互相吸附形成界面薄膜。吸附作用基本上是界面上分子间或原子间作用力所产 生的热力学性质所决定的。而且吸附过程通常是一个放热过程，所放出的热，称 为该物质在固体表面上的吸附刻m 1 。 通过设计出对某种吸附质具有特定选择吸附作用的吸附剂，便可以将这种吸 附质从混合物中高选择性地分离出来。吸附的选择性在科学技术与工业生产的许 多方面具有重要应用价值。例如，具有特殊吸附能力的吸附剂通过专一性的吸附 作用可实现从复杂的生物混合物体系中对某种物质的快速检测【3 1 。 第一章文献综述 1 3 吸附剂的分类 吸附剂的分类有多种方法。从材料的化学结构角度分类，可以分为无机吸附 剂、有机吸附剂和碳质吸附剂。 ( 1 ) 无机吸附剂【4 】 无机吸附剂是指具有一定晶体结构的无机化合物，大多数是天然的无机物， 往往具有离子交换性质，通常称为无机离子交换剂。 早在公元前3 0 0 0 年，人们就注意到土壤中的离子交换现象。1 9 世纪5 0 年 代，t h o m p s o n 和w a y 报道了耕种过的泥土能与铵离子、钙离子和镁离子等多种 碱发生交换，提出“碱交换的概念。1 9 0 5 年，g a n s 首次合成了实用的无机离 子交换剂凝胶型的硅酸铝钠盐，称为人工沸石。2 0 世纪4 0 年代，人工合 成晶型沸石使无机离子交换剂更为人们所重视。以沸石为代表的无机吸附剂具有 特殊的耐辐射和耐高温等性能，尤其在污水处理和作为洗涤剂助剂得到广泛的应 用。 ( 2 ) 有机高分子吸附剂 有机高分子吸附分离材料主要是由烯类单体聚合所制得的。通过改变聚合单 体的组成和聚合的方法可以制得不同结构的吸附材料，这类材料还可以进一步用 化学的方法功能基化制得带有各种功能基团的吸附材料，因而种类更多，应用范 围更广。这类材料不但能像无机吸附剂那样通过阳离子交换机理和孔径选择性机 理吸附分离物质，而且吸附作用包括螯合、阴离子与阳离子间的电荷相互作用、 化学键合、范德华引力、偶极偶极相互作用、氢键等，是无机吸附材料不可比 拟的【副。 ( 3 ) 碳质吸附剂 碳质吸附剂是一类介于无机吸附剂和有机吸附剂之间的一类吸附材料，包括 活性炭、活性碳纤维以及炭化树脂等【3 1 。 1 4 吸附剂的应用以及存在的问题 目前，各种不同的吸附剂已经广泛应用在水的处理和净化、环境控制、医 用的有毒物质分离净化和药物的分离纯化等方面，并且随着技术的不断发展，吸 附剂也必将有更加广阔的发展前景。 其中吸附剂在中药有效成分的吸附分离方面是应用的一个很重要的方面。 近年来在些中药有效成分提取分离工艺中的成功应用，充分显示出吸附分离法 在中药现代化生产的进程中的重要促进作用。从目前的研究结果来看，吸附剂( 目 2 第一章文献综述 前主要是吸附树脂) 在此领域是大有用途的。到目前为止，黄酮类、皂苷类、生 物碱类、酯类、萜类等成分的分离都可以用吸附树脂法来解决。但是中药成分复 杂，一类中药成分中可能会包括成百甚至上千种化合物，用常规的吸附树脂很难 实现对单一物质的分离，往往只能有选择的分离一部分或者一类物质。比如在银 杏叶中提取黄酮类物质的工艺中，常采用a d s 1 6 和a d s - 1 7 ，这两种树脂就不 能区分黄酮苷和萜内酯，即使选择性较高的a d s f 8 树脂，虽然能区分黄酮苷和 萜内酯，在一定条件下只吸附黄酮苷而不吸附萜内酯，但是黄酮苷本身就是几十 种化合物的混合，而不同的黄酮成分的药理作用也有所不同，因此如何实现对中 药复杂体系中对单一物质的分离，即提高吸附剂的吸附专一性仍然是一个亟待解 决的问题l6 。 因此，人们进行了大量的研究工作来提高和改善吸附剂的吸附选择性，例如， 在基质材料上设计具有与吸附质能够专一结合的( 物理的和化学的) 功能基团； 通过模板分子印迹的方法合成对吸附质具有专一吸附特性的分子印迹材料。 1 5 表面化学修饰提高选择性 1 5 1 有机吸附剂表面的功能基化 有机吸附剂在吸附分离材料领域是很重要的一个方面，目前广泛应用于分离 领域的吸附剂大部分都是有机吸附剂，比如应用最多的树脂就是有机吸附剂。由 于树脂具有对有机物吸附选择性好，物理化学稳定性高，机械强度好，再生容易， 制备方便等优点，受到人们普遍重视。树脂的结构成分有多种，但绝大部分都是 聚苯乙烯构架。 目前用以改进树脂吸附选择性的方法主要是在苯环上进行一系列的亲电取 代反应( 比如氯甲基化、锂化、烷基化、硝化、酰化、磺化、卤化等反应) 制得 各种不同性能的树脂。其中氯甲基化和锂化反应是交联聚苯乙烯树脂化学修饰中 最为常用蒯3 1 。 1 5 2 无机吸附剂表面的化学修饰 硅胶是无机吸附剂中使用非常广泛的一种吸附剂。由于其具有化学惰性好、 表面积大、内部孔隙率高、吸附能力强等特点，常用于工业吸附和脱水吸附。大 量实际应用表明：硅胶对水有很高的吸附选择性；在一定条件下，对混合物 料可有选择性吸附；使用寿命长，很少与其它助剂发生作用；能迅速地吸附， 但在循环工作条件下可迅速的解吸，并且在吸附和解吸时不会产生腐蚀和有害 第一章文献综述 物；失效后再生技术易于实现；表面积大，并有较好的可控性。 但是作为一种极性吸附剂，纯硅胶的吸附选择性不高，因此人们采用了多种 方法来对硅胶进行改性【7 8 】以提高吸附选择性。通常，硅羟基的化学修饰主要有 以下3 种途径： ( 1 ) 通过氯化反应 除去了物理吸附水的硅胶，可以将其表面的硅羟基转化为活泼的硅氯基，生 成的s i c l 基可以与格氏试剂、有机锂化合物以及有机胺衍生物进行反应，引 入相应的烷基或衍生胺基，例如可以引入正丁基、正辛基、十八烷基以及芳香基 等。 ( 2 ) 通过氯硅烷与硅羟基的反应 通过氯硅烷可以将各种烷基链引入到硅胶表面，特别是引入长链正烷基或芳 香基。氯硅烷可以是单氯、二氯或三氯代硅烷，其烷基可以是c l - c 2 3 等。 ( 3 ) 通过烷氧基硅烷与硅羟基的反应 烷氧基硅烷( r o ) 3 s i r 的r 一般是- - c h 3 或一c 2 h 5 ，r 则可以是不同的基团。 反应一般分为两步进行，例如： - o e + ( c 印驴t c 吩铲掣淞也二望已s h s ；。叩s 啦h ，0 c 嘭0 h 生成的含有环氧基的硅氧烷可以继续与含有活泼氢的试剂反应，从而使硅胶 带上不同的基团。例如，有人【9 1 1 】采用一系列化学改性硅胶，如在硅胶表面引入 芳烃、肽氰、四苯基卟啉，来提高对富勒烯的分离效果。还有人1 1 2 - 1 3 1 以丫一( 乙 二胺基) 丙基三乙氧基硅烷为偶联剂合成c 6 0 键合硅胶，用于分离多环芳烃和杯 芳烃。 1 6 分子印迹技术提高选择性 分子印迹技术( m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n i q u e ，m i t ) 是一种制备对特定分 子具有专一选择吸附性材料的技术。由于m i t 模仿了生物界的钥匙和锁的作用 原理，使制备的材料( m i p ) 具有极高的吸附选择性。同时，m i p 又是人工合成 的高分子材料，不但具有非常好的稳定性，并且制备工艺简单。 1 6 1 分子印迹技术简介 分子印迹技术( m i t ) 是2 0 世纪末出现的一种制备高选择性吸附分离材料 的技术。它有三大显著的特点，即预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 、特异识别性 ( r e c o g n i t i o n ) 和广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。预定性决定了人们可以根据不同 4 第一章文献综述 的目的制备不同的m i p ，以满足各种不同的需要；特异识别性是因为m i p 是按 照模板分子( t e m p l a t em o l e c u l e ) 定做的，它具有特殊的分子结构和官能团，能 选择性的识别和吸附印迹分子；其广泛实用性表现在它与天然的生物分子识别系 统( 如酶和底物、抗原与抗体、受体与激素等) 相比，具有抗恶劣环境的能力， 表现出高度的稳定性和较长的使用寿命，且制备过程简单【1 4 】。 分子印迹技术最早起源于免疫学，在2 0 世纪4 0 年代p a u l i n g 曾试图用钥匙 理论解释免疫体系，虽然他的理论经后人实践证明是错误的，但他的理论中仍有 两点是正确的：( 1 ) 生物体所释放的物质与外来物质有相应的结合位点；( 2 ) 生 物体所释放的物质与外来物质在空间上相匹配。正是基于这两点假设，化学家们 发展了一项有效的分析技术称为分子印迹技术。 1 9 4 9 年，d i c k e y 首先提出了“分子印迹 这一概念，他用染料甲基橙印迹 分子，酸化硅酸盐溶液形成印迹胶体，干燥、洗去染料分子后得到的吸附材料对 甲基橙比对乙基橙吸附能力高两倍，而用乙基橙作印迹分子时，其结果则正好相 反。但这个现象在很长一段时间内没有引起人们的重视，直到1 9 7 2 年由w u l f f 研究小组首次报道了人工合成的有机分子印迹聚合物之后，这项技术才逐渐为人 们所认识，并于近些年得到飞速发展。在1 9 9 3 年，m o s b a c h ”】等人在( n a t u r e ) ) 上发表了有关茶碱分子m i p 的报道。并创立了非共价法( 自组织法) 。1 9 9 6 年， v u l f s o n 等人发展了一种“牺牲空间法 制得分子印迹聚合物的方法。j a k e u c h i 等1 9 9 9 年借用组合化学技术制备了除草剂的m i p 组合库。后来，p a g e 和j e n c k s 等人首先进行了分子印迹技术热力学的研究。2 0 0 4 年，t o m o k i 课题组又将紫外 射线引发合成反应用于制各分子印迹聚合物。 m i t 技术在分离领域具有很高的研究和应用价值，也引起国内学者的极大关 注。虽然我国从事这方面的研究时间还不长，但已经进行了一系列富有成效的研 究工作。国内的研究工作主要集中在非共价键作用的分子印迹材料和硅胶表面印 迹材料的研究，并将制备的m i p 应用于手性药物的分离、毒物的分析、传感器 的制备和酶固定化等方面【幡1 9 1 。北京大学化学与分子工程学院的谢建割2 0 】等人 将分子印迹技术应用到中草药活性组分的分离，并证实了m i t 技术用于直接分 离、提取中草药中有特定药效化合物的可行性。清华大学的孙瑞丰【2 1 1 对分子印 迹手性分离过程的热力学进行了研究，测定了分离过程的熵变、焓变和自由能变 化。潘勇f 2 2 1 以理想气体单分子层模型研究分子印迹技术的热力学和吸附原理， 为此项技术的应用开发提供了丰富的理论基础。 随着科学不断地发展，通过国内外众多科研工作者的研究探讨，分子印迹技 术已经得到长足的发展【2 3 - 2 4 1 ，并取得了丰硕的科研成果。但是分子印迹的原理和 动力学、热力学还不够成熟，需要大量的工作来研究探讨。因此，分子印迹技术 第一章文献综述 还有很大空间，等待科研工作者开发和利用。 1 6 2 球形m i p 的制备方法 目前大多数的m i p 均采用封管聚合的方法制得【2 6 】。其工艺过程是将模板分 子、功能单体、交联剂和引发剂按一定的比例溶解在惰性溶剂中，然后移入玻璃 安培瓶中，再超生脱气，通氮除氧，在真空下密封安培瓶，经加热或紫外光照射 引发聚合后得到块状聚合物。经研碎、过筛、洗脱等处理后得到所需粒径的m i p 粒子。该方法制备的m i p 对模板分子有良好的识别性能，实验装置和聚合过程 简单，合成操作条件易于控制。但其后续工作繁琐，研筛过程中产品有所损失( 一 般低于制备总量的5 0 ) ，所得的颗粒形状不规则，且分散性较差，用作色谱固 定相时其载流量和柱效率都较差。相比之下，单分散性好的球形分子印迹聚合物 ( s m i p ) ，具有产率较高、使用方便、色谱效果好等优点【2 7 1 ，以下是几种球形分 子印迹聚合物( s m i p ) 的制备方法。 1 分散聚合 分散聚合法是制备高分子球形吸附剂的一种常用的方法，用分散聚合法可以 制备出从纳米级到微米级的微球，且粒径分布均匀。1 9 9 9 年m o s b a c h i 2 8 】等人首先 采用分散聚合法制得了s m i p 。他们制备了一系列全氟代高聚物表面活性剂 ( p f p s ) ，并在具有化学惰性的全氟代碳化物分散体系中聚合得到粒径在1 5 1 a m 的微球。 m o s b a c h 等发现全氟烷烃类液体既没有极性，又和绝大多数有机溶剂不相 溶，便以其作为分散剂和聚氧乙烯高分子材料混合加入到聚合反应混合液中， 光引发聚合，定量的制得了微米级的单分散球形颗粒印迹聚合物。制备过程中通 过改变乳化稳定剂的用量，这样就可以控制乳化液中反应液滴的大小，从而控制 合成印迹微球的粒径。m o s b a c h 等通过这个方法成功地在5 5 0 出, n 范围内调整聚合 物的颗粒大小【2 9 j 。 这种方法的缺点是所用分散剂全氟化合物十分昂贵，在没有找到较为经济的 替代物之前很难推广。 2 悬浮聚合 悬浮聚合是将溶解有功能单体和引发剂的有机相和溶解有稳定剂的水相( 分 散剂) 经过高速搅拌，使其形成悬浊液，在悬浊液中，聚合在每一个小的有机液 滴中进行，同时高速搅拌，从而获得粒径较为均一的球形分子印迹聚合物。目前 这种方法被广泛的应用于色谱柱填料的工业生产中。此方法制备的分子印迹聚合 物不需要粉碎及研磨，印迹位点不容易被破坏。但是聚合反应中大量水或者其他 极性溶剂会和功能单体竞争结合模板分子，削弱功能单体与模板分子的结合强度 6 第一章文献综述 甚至破坏主客体配合物的形成，还会大量溶解模板分子、功能单体和交联剂，妨 碍在有机相里进行的聚合反应，影响印迹的效果。因此这种方法很少有人取得成 功。m a t s u ij 等人采用疏水的t r i a z i n ea t r a z i n e 为模板分子，水中悬浮聚合得到了 球形分子印迹聚合物 3 0 1 。由于他们采用的模板分子难溶于水，同时和功能单体 甲基丙烯酸有很强的离子作用，不易受到水相的影响，取得了很好的印迹效果。 该方法的特点是可得到形状规则的微球，并可通过调节乳化剂的用量控制粒 径在1 2 5 1 x m 范围内。制备过程通常都是在非极性体系中进行的，因此产物较适 合应用于非极性环境中【3 l 】。 。 3 沉淀聚合 沉淀聚合又称非均相溶液聚合，在低浓度的聚合反应中，通过低聚物的团聚 成核，并捕捉其他低聚物和单体逐渐长大成为粒径均一的微球聚合物【3 2 】。反应 的溶剂粘度必须非常低，这样才能保证单体分子和低聚物有较大的流动性，从而 避免过度的聚集。这种方法不需要在反应体系中另加入稳定剂，所以组分简单， 易于操作，得到的微球聚合物粒径均一，表面干净，不需进行研磨等费力的操作 步骤，减少了由这些步骤引起的聚合物的损失，m o s b a c h 等人运用这种方法成 功地在乙腈中印迹了雌二醇1 7 e s t r a d i o l ，所得球形印迹聚合物平均粒径0 3 微米 ( 3 3 】。随着反应液浓度的提高，聚合物的微观形貌从微球渐变为块状。实验结果 还表明，应用不同的模板分子也会影响聚合物的微观形貌。 4 多步溶胀悬浮聚合 多步溶胀悬浮聚合主要分为两个步骤：第一步采用无皂乳液聚合法合成粒径 较小的微球；第二步以此微球为种球，将其用一定的乳液进行多次溶胀，然后再 引发聚合得到粒径较大的微球。h a g i n a k a 等【弭3 5 1 在这一方面作了大量的工作。他 们首先采用无皂乳液聚合的方法制备了聚苯乙烯种球( 粒径约为l t t m ) ：然后再 将该种球在一定量的邻苯二甲酸二丁酯乳液中进行第一次溶胀，在由过氧化二苯 甲酰、苯、聚乙烯醇( p v a ) 和水制得的乳液中进行第二次溶胀，在由一定量的 交联剂( e d m a ) 、功能单体( 4 乙烯基吡啶) 、模板分子( s - n a p r o x e n ) 、p v a 和水制得的乳液中进行第三次溶胀；最后，加入还原剂引发聚合即得到单分散性 很好的聚合物微球，粒径约为8 r u n 。 这种方法的特点是聚合反应在水溶液中进行，所得印迹聚合物可应用于极性 环境中，这更能够满足诸如酶模拟等实际应用环境的要求，同时产物的规整性和 单分散性也很好。 5 表面模板聚合 表面模板聚合法是近年内出现的一种全新的方法。其制各过程如下：将含 有模板分子( 或离子) 的水相与含有交联剂、乳化剂、功能单体的油相混合，经 7 第一章文献综述 过超声处理形成w o 乳液；再将该乳液分散在外部水相中形成w o w 复合乳 液；然后加入引发剂引发聚合，即可得到聚合物微球，微球的粒径可控制在 1 0 1 0 0 9 m 之间。制备过程中，功能单体与模板分子在乳液界面处配合，形成的 配合物就留在反应界面。交联剂单体聚合后，这种配合物结构就印迹在了聚合物 的表面。因此，这种方法被称为表面模板聚合。其最大特点是结合位点在聚合物 表面，所以印迹聚合物与模板分子结合的速率比较快。 1 6 3 分子印迹吸附剂的新发展及存在的问题 迄今为止的分子印迹吸附剂主要是通过有机试剂交联聚合得到的有机分子 印迹吸附剂，最常使用也是最有效的交联剂有乙二醇二甲基丙烯酸酯( e d m a ) 、 三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯( t r i m ) 、季戊四醇三丙烯酸酷( p e t r a ) 等。但是这 些有机m i p 的制备和应用都局限在有机溶剂中进行，不能在水性环境中进行分子 的印迹和识别。清华大学姜勇【3 6 】等利用沉淀聚合法，以甲基丙烯酸为功能单体， 乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂首次成功合成了一种粒径均一的反乌头酸分子 印迹聚合物微球。天津大学张立永【27 】等则分别使用种子溶胀悬浮聚合法和悬浮 聚合法，以丙烯酰胺、2 乙烯基吡啶和2 丙烯酰胺2 甲基丙磺酸为功能单体，三 羟甲基丙烷三丙烯酸酯为交联剂，在水性体系中制备了粒径几十微米至几百微米 的多种球形分子印迹聚合物。而这些聚合物微球均为有机材料，所以仍然不能避 免有机材料固有的易溶胀、化学稳定性差和水相中难以识别等缺点。而天津大学 马振荣【37 】等采用溶胶凝胶法制备了无机二氧化硅分子印迹吸附剂，使得分子印 迹聚合材料从有机材料拓展到了无机材料。该方法以有机硅烷为功能单体，正硅 酸乙酯为交联剂，芦丁和大豆异黄酮为模板剂，通过协同水解、溶胶一凝胶、老 化和模板剂的洗脱等过程，制备了内置型硅质吸附剂，所得到吸附剂不仅解决了 水相中难以印迹和识别的困难，而且对模板分子具有很明显的选择吸附作用。但 是这个制备方法制备得到的分子印迹硅胶吸附剂是块状，仍须经研磨和筛分步骤 等处理后方可使用，因而产品产率低、形状不规则、机械强度低，使用起来不仅 麻烦而且使用过程中容易破损和掉屑，如果能够直接合成出机械强度相对较高的 球形分子印迹聚合物，这样不仪能简化制备步骤，而且能提高吸附剂的机械强度 和耐使用性。 1 7 本论文的工作 为了解决常规吸附剂吸附选择性不高，分子印迹聚合物在水相中无法印迹和 识别以及块状结构研磨后强度低的问题，本文在之前工作的基础【3 7 1 上，结合溶 8 第一章文献综述 胶凝胶法和分子印迹技术，采用悬浮聚合法制备分子印迹硅胶微球吸附剂，不 仅较好的解决了在水相中进行印迹和识别的困难，而且能得到形状规则、强度高、 耐使用的球形吸附剂。文中以氨丙基三乙氧基硅烷为功能单体【3 8 1 ，四乙氧基硅 烷为交联剂，选择具有药效功能的黄酮类化合物木犀草素为模板剂，通过两步反 应【3 1 1 ，用经悬浮聚合制备分子印迹硅胶微球吸附剂，并用s e m 电镜对所制得 的印迹硅胶微球进行观察，考察功能单体等工艺因素对硅胶微球形状的影响。通 过元素分析和f t i r 测试其制备和吸附过程中对微球表面的功能基团和化学键的 变化进行表征和分析。 同时，本文通过静态吸附和解吸实验，系统地考察时间、温度、溶液组成等 因素对此硅胶微球吸附剂吸附和解吸效果的影响，确定适宜的吸附和解吸条件； 通过选择性实验，考察该硅胶微球吸附剂对相似底物的选择吸附性能。最后， 通过数据拟合的方法，分析该硅胶微球的吸附过程，等温吸附曲线对l a n g m u i r 吸附模型的符合程度，并计算吸附过程中的吸附焓与分配系数。 9 第二章分子印迹硅胶微球的制备研究 2 1 前言 第二章分子印迹硅胶微球的制备研究 利用分子印迹技术来制备具有高选择性的分子印迹聚合物是目前研究的热 点之一，但是分子印迹聚合物存在着难以实现水相制备和识别的问题。本课题组 之前利用分子印迹技术成功的在水相中制备了硅质分子印迹聚合物，该材料用于 水相分离黄酮类分子取得了较好的效果。但是由于制备的产物为块状，必须经过 研碎、过筛得到所需大小的粒子后方可使用，而研磨会导致部分结合基团遭到破 坏，并使产品的分子识别与选择性能下降，所以采用这种方法所得的微粒不仅形 状不规则，机械强度低，使用容易掉屑，而且只能得到部分有用产品( 通常只有 2 0 ) ，造成巨大浪费，从而导致生产和使用成本增加。因此，如能制备出一种 具有均匀规则结构的球形分子印迹硅质吸附剂，就能较好的解决这些问题。 h 图2 1 木犀草素结构图 f i g 2 1s t m c t u r eo fl u t e o l i n 本文选用木犀草素为模板分子，木犀草素的化学名为3 ，4 ，5 ，7 一四羟基黄酮 ( 3 ，4 ，5 ，7 - - t e t r a l y d r o x y f l a n o n e ) ，化学式为c 1 5 h l 0 0 6 ，分子量为2 8 6 2 3 。它是一 种天然色素组分，具有杀菌，消炎，收敛等功能。此外，尚具有维生素p 的药理 功能。其天然品已应用于临床治疗止咳、祛痰消炎，有较好的疗效6 1 。 l o 第二章分子印迹硅胶微球的制备研究 2 2 实验 2 2 1 试剂 表2 1 主要实验试剂 t a b l e2 - 1m a j o rr e a g e n t s 2 2 2 仪器 表2 2 主要实验设备 t a b l e2 - 2m a j o re q u i p m e n t s 名称生产厂家 s h h w 21 4 2 0 三用恒温水箱 z d 2 6 7 永磁直流电动机 d w 一3 6 0 w 数显无极恒速搅拌器 s h z 一9 5 8 型循环水式多用真空泵 d l - - 2 0 2b s 电热恒温干燥箱 2 5 0 - - 9 3 2 0 电子天平 d z f 6 0 5 0 型真空干燥箱 上海申光仪器仪表有限公司 北京京伟电器有限公司 河南巩义市英峪予华仪器厂 河南巩义市英峪予华仪器厂 天津市中环实验电炉有限公司 瑞士p a go e r l i k o na gz u r i c h 卜海精宏实验设备有限公司 第二章分子印迹硅胶微球的制备研究 2 2 3 印迹硅胶微球的制备 2 2 3 1 实验流程图 功能单体 模板剂 鱼前驱妒一 初步水解。 丌t 1 7 舞f 甘吐占 聚硅氧烷立型立豳显_ 产品 干燥老化、脱模板 图2 2 实验制备流程图 f i g 2 - 2f l o wc h a r to ft h ep r e p a r a t i o n 2 2 3 2 前驱物的合成 将0 2 9 模板分子( 木犀草素) ( 7 r e t 0 0 1 ) 、2 5 m l 无水乙醇和不同体积的功能 单体( 氨丙基三乙氧基硅烷) 混合加入到三口烧瓶中，并在7 0 条件下搅拌回 流l o h 使单体和模板分子充分作用，此即为前驱物溶液。 2 2 3 3 聚硅氧烷溶胶的制备 取四乙氧基硅烷2 0 m l 和前驱物溶液加入到三口烧瓶中，然后按照四乙氧基 硅烷：无水乙醇= l ：2 的比例加入无水乙醇4 0 m l 。搅拌速度为3 0 0 r p m ，保持 初始温度为3 0 ，持续搅拌0 5 h ，然后加入一定量的环己烷做稳定剂和0 5 m l 氨水作催化剂，继续搅拌并升温至9 0 ，此过程中将内部的乙醇蒸出，密封持 续反应2 0 h ，最后再在1 4 0 真空条件下将挥发性组分蒸出。 2 2 3 4 印迹硅胶微球的制备 将上述产物逐步加入到1 0 0 m l 不同体积配比的乙醇水溶液中，并加入0 5 m l 氨水催化剂，在一定温度、一定搅拌速度的条件下，持续反应1 0 h ，然后收 集产品并在真空干燥箱中6 0 干燥老化一定时间。最后将所得产物放入索氏提 取器中用无水乙醇( 5 v v 乙酸) 回流提取2 4 h ，至馏出液中无模板分子为止。 再次干燥之后即得木犀草素分子印迹硅胶微球。 2 2 4 硅胶微球的形貌分析和形状观察 将干燥的硅胶微球均匀地涂敷在载玻片上，用离子溅射器对硅胶微球喷金。 采用j e m 1 2 0 e x 型电子显微镜配置的e m - a s i d i o 型扫描附件进行电镜分析。 第二章分子印迹硅胶微球的制备研究 2 2 5 平均球形度的测定 球形度是反映微球球形好坏的定量指标。平均球形度是指一批产品整 体球形状况的综合指标，一般不少于3 0 粒微球球形度的平均值。实验采 用x s t - 2 a 型双目摄影投影三功能生物显微镜测量。球形度计算如下： 平均球形度= 吾怒 以一，1 l ，“ 式中：d i 脚：第i 个微球的最短直径； 觑脚：第i 个微球的最长直径； 2 2 6 硅胶微球的粒度测定 取一定量的硅胶微球，在醇体系中，采用粒度分析仪，室温下测定微球的粒 度分布情况。 2 2 7 印迹硅胶微球的氮元素含量分析 在南开大学有机化学研究所通过v a n i o e l 元素分析仪器测定产品中氮元素 含量。 2 2 8 红外光谱分析 将硅胶微球在1 0 0 c 条件真空干燥1 0 h 以上，然后用k b r 压片法测得红外光 谱图。 2 3 结果与讨论 2 3 1 功能单体的添加量对硅胶微球形状的影响 在分子印迹聚合物的制备中，功能单体先与模板分子形成主一客体超分子配 合物，然后通过功能单体与交联剂的交联形成一定结构的聚合物。这样一来，模 板分子被洗脱以后，印迹孔穴中便形成与模板分子精确对应的识别位点。 正是由于功能单体能在聚合物中引入识别官能团，将模板分子引入到交联所 得的聚合材料中，在模板分子被提取出去后，模板分子的形状“记忆”到所得材 料的内部孔隙中，加上识别官能团的位置和构象的作用，能实现对目标物质分子 的识别吸附。参加反应的功能单体的数量越多，引入到产品中的识别官能团和脱 第二章分子印迹硅胶徽球的制备研究 去模板后的识别孔隙就会增加，但是由于功能单体的不对称性，功能单体的量必 然影响到所得硅胶微球的形状，表2 - 3 是不同功能单体量进行的实验。 表2 - 3 不同样品的实验条件 t a b | e 2 3c o n d i t i o n so f d i f f e r e n te x p e r i m e n t s 样品编号模板分子功能单体 n o 1 0 2 9 0 m l n 0 2 0 2 9 3 m l n o30 2 96 m l n 0 40 2 e9 m l 图2 - 3 n 0 1 样品的s e m 电镜图 f i g 2 - 3s e mi m a g eo f n os a m p l e 图2 _ 4 n 0 2 样品的s e m 电镜图 f i g 2 - 4s e mi m a g eo f n o 2s a m p l e 第二章分子印迹硅腔畿球曲耕备研究 图2 - 5 n o3 样品的s e m 电镜图 f i g2 - 5s e mi m a g eo f n o3s a m p l e 图2 - 6 n 0 4 样品的s e m 电镜图 f i g2 6s e mi m a g eo f n o4s a m p l e 四个样品s e m 电镜观察结果见图2 - 3 至图2 - 6 。从图中可以看出，随着功能 单体的添加量的增加，二氧化硅的成球效果越差。无功能单体参加时，其产物为 成球效果较好的硅胶微球，当添加功能单体的量为3 m l 时也仍然能成球，微球 的直径集中在2 0 3 0 1 m l 之间，当功能单体的量继续增加，所得产品的形状趋向不 规则，规成球效果越差。其中当功能单体数量为9 m l 时候，则基本是无规则形 状的颗粒了( 见图2 6 ) 。出现这种现象的原因，可能是功能单体含有的有机官能 团影响了硅胶的微球颗粒的生长均一性，使得成球变得困难。 硅胶微球形成的过程同溶液结晶过程类似，需要经历两个步骤：首先要产生 微观的核心颗粒作为生长的核心，然后这些核心逐渐长大，最后成为宏观的颗粒。 由于功能单体中的氨丙基基团的参与，导致核心生长的不均一性，最后的产品就 第二章分子印迹硅胶微球的制备研究 变为不规则的颗粒【4 2 1 。 2 3 2 反应温度对成球的影响 反应温度不仅能够加速反应的进行而且对微球的形状和结构能产生很大的 影响，在其他条件固定( 功能单体3 m l ，l m l 环己烷，老化时间4 天，搅拌速 度2 0 0 r p m ，8 0 e , 醇溶液) 的情况下，不同温度下进行实验，实验结果如表2 _ 4 所示。 表2 - 4 反应温度对成球的影响 t a b l e 2 - 4e f f e c to ft e m p e r a t u r