环丙沙星印迹聚合物的合成及吸附性能测定

陈令涛;朱义族;连广浒;薛思佑;蔡美强

【摘 要】Molecular imprinted polymer was synthesized by the suspension polymerization method using methyl acrylic acid as a functional monomer and ciprofloxacin as a temple.Fourier transform infrared spectrometer and scanning electron microscopy were used to characterize the polymer .The adsorption characteristics and selective recognition ability of the imprinted polymer were studied by using the equilibrium binding experiments.The results showed that in the concentration range of 10~250 mg/L there were two different kinds of binding sites in the polymer, one for the specific adsorption, the other for non-specific adsorption.Their dissociation constants were calculated to be Kd1=2.04 mg/L, Kd2=4.29 mg/L.The distribution coefficient KD was 3.18 and the separation factor was 3.61.%以甲基丙烯酸为功能单体，以环丙沙星为模板分子，采用悬浮聚合的方法合成分子印迹聚合物，并用傅里叶红外仪、扫描电镜对聚合物进行了表征。运用平衡结合实验研究了印迹聚合物的吸附特性和选择识别能力。结果表明：在10～250 mg／L的浓度范围内，聚合物中存在两种不同结合位点，一类为特异性吸附，另一类为非特异性吸附静态吸附，经计算它们的离解常数分别为Kd1＝2.04 mg／L， Kd2＝4.29 mg／L；分配系数KD 为3.18，分离因子α为3.61。可用于环丙沙星药物的分析与分离。

【期刊名称】《广州化工》 【年(卷),期】2015(000)023

【总页数】4页(P145-148)

【关键词】分子印迹技术;环丙沙星;模板分子;悬浮聚合 【作 者】陈令涛;朱义族;连广浒;薛思佑;蔡美强

【作者单位】浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江杭州 310035;浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江杭州 310035;浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江杭州 310035;浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江杭州 310035;浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江杭州 310035 【正文语种】中 文 【中图分类】X592

近年来，分子印迹聚合物由于其独特的物理和化学性质成为研究热点［1－2］，Wulff 等首次报道了印迹聚合物的合成［3］，Mosbach 等在英国《Nature》杂志发表了利用分子间非共价作用制备的茶碱分子印迹聚合物［4］。这种非共价合成方法应用广泛，操作简便，被广泛应用于色谱分析、固相萃取等领域，近年在生物传感器和膜技术等领域也有报道［5－8］。

环丙沙星是一种广泛使用的喹诺酮药物，具有广谱抗菌性，多用于治疗呼吸和胃肠系统感染疾病。以环丙沙星分子作为模板的印迹聚合物也引起了国内外越来越广泛的关注［9－11］。目前，环丙沙星MIP 多采用本体聚合、原位聚合、和悬浮聚合而成［12－17］。本体聚合方法优点在于操作简单方便，但是后处理过程繁琐，印迹聚合物利用率较低，制备的聚合物颗粒不规则，导致了分离能力的低下，难以大规模生产［18］;原位聚合一般用来制作色谱柱，该方法较为简单，没有繁琐的处理过程，制备的MIPs 均一性好，从而得到较好的离效果，但是柱压偏高限制了

其应用［19－20］;悬浮聚合制备方法简单易行、聚合周期短，聚合可以在水中进行，满足对水溶性分子的印迹要求［21－23］。

本实验以α－甲基丙烯酸为功能单体，三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，甲苯为致孔剂，用悬浮聚合法合成了环丙沙星分子印迹聚合物。另外，实验还对水中的环丙沙星及其结构类似物进行了分离，结果表明，所聚合环丙沙星分子印迹物在水中对微量环丙沙星与结构类似物能够快速基线分离，分离效果好，为水样中残留环丙沙星的去除提供了一种简便、有效的方法。 1 实验部分 1.1 仪器和试剂

三羟甲基三甲基丙烯酸酯(分析纯)，阿拉丁;氧氟沙星(分析纯)，阿拉丁;偶氮二异丁腈(分析纯)，阿拉丁;甲苯(分析纯)，阿拉丁;环丙沙星(分析纯)，阿拉丁;聚乙烯醇(分析纯)，阿拉丁;甲基丙烯酸(分析纯)，阿拉丁。

TU－19 紫外分光光度计，北京普析;Legend 离心机，德国Heraeus 公司;DF－101S 磁力搅拌器，杭州大卫;SHA－C 恒温水浴振荡器，江南仪器厂;S－4700 II 扫描电子显微镜，日本Hitachi 公司;Thermo NicoletIR200 傅立叶变换红外光谱仪，日本岛津公司。 1.2 实验方法

取0.2 g PVA 和40 mL 去离子水加入三口烧瓶中，90 ℃下加热搅拌到完全溶解，冷却备用。取0.5 mmol 环丙沙星、3.0 mmol 甲基丙烯酸和2.0 mmol TRIM 超声混合均匀，冰浴通氮气5 min 后加入三口烧瓶，再加入0.05 g AIBN，在氮气氛围中，于60 ℃，300 r/min 下搅拌反应24 h。反应后得到的聚合物用体积比9∶1 的甲醇/乙酸溶液超声清洗10 min 后离心，以除去剩余模板分子。该步骤重复3 ～4 次，直到无法用分光光度计检测出模板分子，再用甲醇超声清洗以除去剩余乙酸，该步骤重复三次，所得混合物于50 ℃下真空烘干24 h。非印迹聚合

物的合成除不加环丙沙星外同上。 1.3 印迹聚合物的表征

采用日本Hitachi 公司的S－4700 II 型扫描电子显微镜(SEM)来观察印迹聚合物的结构和形貌及分散特征，采用日本岛津公司的傅立叶变换红外光谱仪(FT－IR)对分子印迹聚合物进行化学结构的表征。 1.4 吸附性能的测定

称取环丙沙星分子印迹聚合物和非印迹聚合物各11 份，每份20 mg，置于250 mL 锥形瓶中，加入100 mL 不同底物浓度的水溶液，在恒温水浴振荡器中，于25℃振荡吸附8 h，静置后取上清液在276 nm 波长下测定底物的平衡浓度，根据吸附前后溶液中的浓度变化，计算聚合物吸附量Qe，绘制吸附等温线。使用Langmuir、Frundlich 以及Scatchard 方程对进行分析。 2 结果与讨论

2.1 印迹聚合物合成条件优化

图1 印迹聚合物制备示意图Fig.1 Preparation process of molecularly imprinted polymer

交联剂用量对分子印迹性能的影响:首先合成了CIP 与TRIM 摩尔比为1∶2 的聚合物，由于交联剂用量太少，聚合物交联程度不够，结构不稳定，容易在洗脱前后发生形变，影响合成的孔穴的结构，从而影响吸附效果，使聚合物吸附能力较差。随着TRIM 用量的增加，分子印迹聚合物的吸附量逐渐上升逐渐，在

n(CIP)∶n(TRIM)为1∶6 时吸附量较大且形成约为300 ～500 nm 的球状聚合物。当比例继续增大后，吸附量逐渐变小，分子印迹聚合物形成不规则块状且粒径增大。这可能是由于交联剂的用量过多时，溶液中游离的碳链过多，导致聚合物过度交联，形成大且不规则的块状聚合物，影响吸附效果。综上所述，当n(TRIM)∶n(CIP)为6∶1 时，所制得的聚合物对环丙沙星的结合特性最佳。

2.2 印迹聚合物SEM、FTIR 表征

图2 印迹聚合物SEMFig.2 SEM of molecularly imprinted polymer

由图2 可见，悬浮聚合法制得的环丙沙星分子印迹物粒径在200 ～500 nm 之间，且球形比较均匀，这说明在合成过程中对合成条件进行了良好的控制，使得悬浮聚合过程中分散均匀，反应速度适中，合成的粒径较小，增大了吸附的比表面积，极大的增大了吸附量。同时，合成的印迹聚合物微球有轻微的团聚现象，可能是由于分散剂用量不够、搅拌速率略低导致的，但是对最终的吸附效果影响不大。 图3 印迹聚合物吸附前、吸附后的红外图Fig.3 FTIR spectra of MIP before and after extraction of CIP

图3 为分子印迹聚合物吸附前和吸附后的红外光谱图，在3478 cm－1处为聚合物吸水的羟基伸缩振动峰，3044 cm－1处为苯环上C－H 键的伸缩振动峰，2866 cm－1 处为甲基的伸缩振动峰，1728 cm－1处为羧基的C=O 伸缩振动峰，1615 cm－1、1486 cm－1以及1373 cm－1处为苯环上C=C 双键的伸缩振动峰，1281 cm－1处为哌嗪基团上C－N 键的伸缩振动峰，1152 cm－1 处为C－O 键的伸缩振动峰，722 cm－1 处为N－H 键的伸缩振动峰，555 cm－1处为苯环上C－F 取代的伸缩振动峰。 2.3 印迹聚合物的吸附等温线及方程分析

图4 印迹聚合物、非印迹聚合物吸附等温线(A)、Langmuir 方程分析(B)、Frundlich 方程分析(C)、和Scatchard 方程分析(D)Fig.4 Adsorption isotherms of the MIP and NIP for CIP(A)，Langmuir plots(B)，Frundlich plots(C)and Scatchard plots(D)of the MIP

由图4A 可知，印迹聚合物和非印迹聚合物的的吸附量均随着浓度的增加而逐渐增大，但非印迹聚合物的增长明显慢于印迹聚合物的增长，在相同初始浓度下非印迹

聚合物的吸附量约为印迹物的吸附量的一半，这说明合成的印迹聚合物中产生了特异性的吸附孔穴，这些特异性的吸附孔穴决定了在吸附过程中印迹聚合物对模板分子的吸附量大于非印迹聚合物。本实验吸附效果良好，主要是由于合成的印迹聚合物大小在200 ～500 nm，比表面积巨大，极大地增加了吸附效果，同时，底物初始浓度的增大也促进吸附量增加［24］。

表1 不同等温吸附模型Table 1 Different isothermal adsorption model等温吸附模型Langmuir Frundlich Scatchard表达式 Ce/Qe=Qe/k+C/Qm

InQe=lnKf+(1/n)lnCe Q/Ce=(Qmax－Q)/Kd C度e ，是m吸g/附L达到平衡时，液相中的浓Q m eg /表g 示MIPs 对CIP 理论平衡吸附量，Kd 是结合位点的平衡离解常数参数Qm 是固相中的饱和吸附容量，mg/g Ce 为溶液中模板的平衡浓度，mg/L Qmax是结合位点的最大结合量Qm eg /是g 吸附达到平衡时，固相的浓度，Kf 和n 为Frundlich 吸附常数 Ce 是底物在液相中的平衡浓度

由图4B 可见Ce/Qe 对Ce 并不是良好的线性关系，对其分段作图可得两段线性关系良好的函数，Langmuir 吸附模型所描述的是表面上吸附分子间无相互作用的单分子层吸附假设，这从侧面证明了印迹聚合物对环丙沙星的吸附不是单分子层吸附。Frundlich 模型假设每一个吸附单位所代表的能量不一样，在液相吸附中，1/n 大于1 表明吸附为多层吸附，1/n 小于1 表明为单层吸附。由图4C 可得，R2=0.9955，1/n=1.88，说明印迹聚合物对模板分子的吸附是多层吸附。由图4D 可见，Qe/Ce与Qe 呈现明显的非线性关系，而在图的两端都有较好的线性关系，由此可以判断聚合物中存在不同的结合位点。由两端直线斜率和截距可求得高亲和力位点离解常数Kd1=2.04 mg/L，最大表观结合量370.3 mg/g，此类为特异性吸附位点，另一类非特异性低亲和力位点解离常数Kd2=4.29 mg/L，最大表观结合量94.3 mg/g。

2.4 印迹聚合物特异吸附性能的测定［27－28］

选用氧氟沙星为对比，测定印迹聚合物和非印迹聚合物度的对环丙沙星和氧氟沙星的吸附量，通过静态吸附分配系数KD 和分离因子α 来表征。 静态吸附分配系数KD 与分离因子α 定义为:

式中:CP——底物在聚合物上的浓度，mg/g CS——底物在溶液中的浓度，mg/mL i 和j——模板分子和底物 KD——MIP 对底物的吸附能力 α——MIP 对底物的的吸附选择性

表2 不同底物在MIP 和NIP 上的静态分配系数KD 和分离因子αTable 2 Distribution coefficient KD and separation factor α of different substrates on MIP and NIPMIPNIP底物(m KLDi//g)(m KLDj//g)α(m KLDi//g)(m KLDj//g)α环丙沙星3.18 0.88 3.61 1.18 1.07 1.10氧氟沙星1.96 1.67 1.17 1.07 1.17 0.91

由表2 可见，印迹聚合物的静态分配系数大于非印迹聚合物的，并且印迹聚合物对两种不同底物的分离因子均比非印迹聚合物大。这表明印迹聚合物对底物的选择性比非印迹聚合物强，由此可以推断，合成的印迹聚合物形成了对环丙沙星的结构有特异识别性的孔穴，而非印迹聚合物不存在这些孔穴，故而特异性较差。对比刘岩等的分离因子α=1.62 本实验合成印迹聚合物对环丙沙星的分离因子达到了3.61，主要是由于合成的印迹聚合物粒径较小，有效孔穴形成较多，吸附效果更好，特异性更强［24］。 2.5 印迹聚合物的吸附再生性

准确称取0.1 g 真空干燥的印迹聚合物，装入自制的吸附柱，以浓度1000 mg/L

的环丙沙星标准溶液为流动相进行吸附，测定流出液的吸光度，根据吸光度的变化计算吸附量，再用0.1 mol/L NaOH 溶液洗脱，蒸馏水洗至中性后，重复上述步骤。经过5 次使用，印迹聚合物的吸附量依然可以达到194.4 mg/g。与初次最大吸附量(210.6 mg/g)相比达到了初始吸附量的92.3%，与刘岩等的95.8%相比略有差距［24］。 3 结 论

采用悬浮聚合法制备了环丙沙星分子印迹聚合物，聚合物有良好的吸附效果，对环丙沙星的饱和吸附量达到210.6 mg/g，底物选择实验表明聚合物有良好的选择性，分离因子α 为3.61，Scatchard 等分析表明在印迹聚合物存在不同的吸附位点，并且聚合物可多次重复使用。本文制备工艺简单，操作方便，后处理不繁琐，适合去除水中残留的环丙沙星。 参考文献

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