一種分子印跡微球表面接枝親水性聚合物刷的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種分子印跡微球表面接枝親水性聚合物刷的制備方法，屬環境功能材料制備【技術領域】。以磺胺二甲基嘧啶為模板分子，4-乙烯基吡啶為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑，甲醇和水為溶劑，溴化銅/N,N,N',N,'N''-五甲基二亞乙基三胺/偶氮二異丁腈為引發體系引發反相原子轉移自由基沉淀聚合聚合，制備表面含有活性引發劑的分子印跡聚合物微球；以分子印跡聚合物微球為大分子引發劑，以溴化亞銅/N,N,N',N,'N''-五甲基二亞乙基三胺為催化劑，在甲醇/水混合溶劑中，表面引發原子轉移自由基聚合在分子印跡聚合物微球表面接枝親水性聚甲基丙烯酸羥乙酯刷子。本發明制備的分子印跡聚合物微球，具有較大的吸附容量，快速的吸附動力學性質和良好的選擇性吸附性能。
【專利說明】一種分子印跡微球表面接枝親水性聚合物刷的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種分子印跡微球表面接枝親水性聚合物刷的制備方法，屬環境功能材料制備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]磺胺類藥物(SAs)對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性引起嚴重疾病具有很好的抗菌活性，被廣泛用于人類疾病治療，畜牧業疾病的預防、治療和食品添加劑。濫用磺胺二甲嘧啶在環境中和生物體長期富集殘留，易造成高水平的抗藥性，嚴重可能會引起致癌和致畸等。國內外學者研究證實在土壤和水環境中存在磺胺類抗生素殘留，引起了環境生態學的廣泛關注。為此，及時檢測和有效分離水環境中磺胺類藥物變得極為重要，然而水環境中成分復雜，選擇性識別與分離磺胺類抗生素殘留顯得尤為重要。
[0003]分子印跡聚合物是通過分子印跡技術合成的對特定目標分子(模板分子)及其結構類似物具有特異性識別性能的聚合物。分子印跡吸附劑的出現推動了分離技術的迅速發展。分子印跡技術是制備具有分子識別能力聚合物的新技術，主要步驟為:(I)功能單體與模板分子在一定的條件下通過共價或非共價鍵的方式形成復合物；(2)交聯劑與功能單體進行交聯聚合，形成三維交聯的聚合物網絡；(3)通過物理或化學方法除去模板分子，聚合物網絡中就形成形態和化學功能團與模板分子完美匹配的印跡孔穴。分子印跡吸附劑具有構-效預定性、特異識別性和廣泛實用性，并且具有良好穩定性。分子印跡聚合物廣泛應用于固相萃取、色譜分離、酶催化、傳感器等領域。
[0004]目前，制備分子印跡聚合物最常用的方法是由自由基聚合，條件溫和、單體和模板分子廣泛。然而傳統自由基聚合存在內在的特性:引發速率慢、快速的鏈增長和終止反應，聚合物結構難以控制。因此制備的分子印跡聚合物結構不均一，給識別位點造成許多不利影響:位點分布不均一，親和力和選擇性低。最近，許多工作報道了活性可控聚合方式制備結構均一的聚合物。其中，原子轉移自由基聚合已經成功用于分子印跡聚合物的制備，用于分子印跡來提升印跡性能。然而目前印跡聚合物的制備大多在有機溶劑中如乙腈和氯仿進行，溶劑昂貴且有毒，并且天然的識別系統以及分子印跡聚合物所面臨的實際應用環境則多是水性體系。實現分子印跡水相合成和識別是一項巨大的挑戰同時也是意義重大的任務。
【發明內容】
[0005]本發明涉及一種分子印跡微球表面接枝親水性聚合物刷的制備方法，屬環境功能材料制備【技術領域】。首先，以磺胺二甲基嘧啶為模板分子，4-乙烯基吡啶為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑，甲醇和水為溶劑，溴化銅/N，N，N’，N，’ N’ ’ -五甲基二亞乙基三胺/偶氮二異丁腈為引發體系引發反相原子轉移自由基沉淀聚合聚合，制備表面含有活性引發劑的分子印跡聚合物微球；其次，以分子印跡聚合物微球為大分子引發劑，以溴化亞銅/ N, N, N’，N，’ N’ ’ -五甲基二亞乙基三胺為催化劑，在甲醇/水混合溶劑中，表面引發原子轉移自由基聚合在分子印跡聚合物微球表面接枝親水性聚甲基丙烯酸羥乙酯刷子。通過掃描電鏡、紅外光譜圖、接觸角等儀器設備表征制備的聚合物材料。通過吸附試驗研究親水性分子印跡聚合物微球對磺胺二甲基嘧啶的吸附平衡、動力學和選擇性識別性能。結果表明利用本發明制備的分子印跡聚合物微球，由于在表面成功接枝親水性聚合物刷，因此在水溶液中具有較大的吸附容量，快速的吸附動力學性質和良好的選擇性吸附性能。
[0006]本發明采用的技術方案是:一種分子印跡微球表面接枝親水性聚合物刷的制備方法，按照下述步驟進行:
(1)表面含活性引發劑印跡聚合物微球的制備
將水:甲醇體積比5.0 mL: (15-30) mL的混合溶劑加入到單口燒瓶中，按照磺胺二甲基嘧啶(SMZ):4-乙烯基吡啶(4-VP):乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)的摩爾比為(0.03-0.05 mmol): (0.25-0.40 mmol):(1.0-1.8 mmol)的比例，依次將磺胺二甲基嘧啶、4-乙烯基吡啶和乙二醇二甲基丙烯酸酯加入到溶劑體系，超聲脫氣并通氮氣一段時間，室溫下避光靜置，形成預組裝體系；按溴化銅(CuBr2):N，N，N’，N，’N’’_五甲基二亞乙基三胺(PMDETA):偶氮二異丁腈(AIBN)摩爾比為(0.04-0.06 mmol): (0.08-0.12 mmol):(0.12-0.18 mmol)的比例，依次加入溴化銅、N, N, N，，N，，N，，_五甲基二亞乙基三胺和偶氮二異丁腈，在氮氣保護下，60 &水浴振蕩器中以80-160 rpm的轉速振蕩反應8.0-16 h，打開塞子暴露于空氣中以終止反應，冷卻至室溫；用丙酮、乙醇與水反復洗滌產物，烘干，最終用甲醇:乙酸體積比為9:1的混合液索氏提取24 h，重復2-3次，脫除模板分子，室溫下真空干燥，得到表面含活性引發劑的分子印跡聚合物微球。非印跡聚合物微球的制備方法同上，只是不加磺胺二甲基嘧啶。
[0007](2)分子印跡微球表面接枝親水聚合物刷
按照甲醇:水的體積比(1.0-3.0 ml):(1.0-3.0 ml)的比例加入單口燒瓶中，按照溴化亞銅:N，N，N’，N，’N’’-五甲基二亞乙基三胺(PMDETA)的摩爾比為(0.06-0.08 mmol):(0.15-0.25 mmol)的比例，加入溴化亞銅和N, N, N’，N，’ N’ ’ _五甲基二亞乙基三胺，超聲形成均相溶液，隨后以溶液中0.25-0.5 mL/mL的比列，向其加入甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)，超聲脫氣，通氮氣，按照溶液中16-30 mg/mL的比例，向溶液中加入步驟(1)中所得聚合物微球，超聲分散，置于30-45 0C水浴鍋中，磁子劇烈攪拌，反應18-36小時，反應結束后，丙酮、乙醇和水反復洗滌產物，真空干燥，得到表面接枝親水聚合物刷的分子印跡聚合物。
[0008]非印跡聚合物微球接枝親水性聚合物刷的制備方法同上，只是采用非印跡聚合物微球為大分子引發劑。
[0009]本發明的技術優點:首先采用反相原子轉移自由基沉淀聚合，在不使用任何表面活性劑或乳化劑的條件下，合成出單分散性分子印跡聚合物微球，并且表面含有活性可引發官能團，不需要繁瑣的化學或物理改性，可以直接表面引發原子轉移自由基聚合接枝親水性聚合物刷。表面接枝親水性聚合物刷的分子印跡微球能夠應用于水相中的選擇性識別與分離磺胺類抗生素。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1印跡聚合物微球表面未接枝(a, b)和接枝(d，e)親水聚合物刷的掃描電鏡圖；非印跡聚合物微球表面未接枝(C)和接枝(f)親水聚合物刷的掃描電鏡圖。從I圖中可知印跡和非印跡聚合物微球都呈現單分散球形，從圖中分別選取150個微球以上，測量直徑，據計算可知印跡聚合物微球接枝前的平均直徑為3.994 um，多分散系數為1.093，接枝后平均直徑為4.036 um,多分散系數為1.099，按照球形計算親水性聚合物刷薄層尺寸為22 nm ;非印跡聚合物微球接枝前的平均直徑為3.529 um，多分散系數為1.112，接枝后平均直徑為3.568 um，多分散系數為1.101，按照球形計算親水性聚合物刷薄層尺寸為19.5nm。結果表明通過原子轉移自由基聚合兩步法成功制備了表面接枝親水性聚合物刷的分子印跡聚合物微球 。
[0011]圖2印跡聚合物微球表面接枝前(a)和接枝后(C)的紅外光譜圖；非印跡聚合物微球表面接枝前(b)和接枝后(d)的紅外光譜圖。從圖中可知接枝前后的印跡和非印跡聚合物微球的紅外譜圖線性基本一致，乙二醇二甲基丙烯酸酯的C=O伸縮振動出現在1728CnT1 處，以及 C-O-C 伸縮振動出現在 1258 and 1150 cnT1 處，2958 和 2989 cnT1 為-CH3和-CH2的伸縮振動峰，4-乙烯基吡啶的C=N伸縮振動峰出現在1600和1558 cnT1以及C=C峰在1460 cnT1處；接枝親水性聚合物之后,在651 cnT1處的C-Br峰值發生明顯降低,在3400 cnT1出現強峰，是甲基丙烯酸羥乙酯中的-OH的伸縮振動峰。結果分析表明:通過原子轉移自由基聚合成功合成分子印跡聚合物微球，并通過表面引發成功接枝聚甲基丙烯酸羥乙酯刷。
[0012]圖3印跡聚合物微球表面接枝前(a)和接枝后(b)的的接觸角圖；非印跡聚合物微球表面接枝前(C)和接枝后(d)的接觸角圖。從圖中可知印跡和非印跡聚合物微球接枝前的水接觸角分別為128.8°和122.7°，表面接枝聚甲基丙烯酸羥乙酯刷后的印跡和非印跡聚合物微球的水接觸角分別降低至60.18 °和59.27°，說明印跡和非印跡聚合物微球表面成功接枝上親水性聚合物刷。
[0013]圖4表面接枝前(a)和接枝后(b)的印跡聚合物微球在水中分散2小時的照片；表面接枝前(c)和接枝后(d)的非印跡聚合物微球在水中分散2小時的照片。從圖中可以看出未接枝的聚合物微球沉于瓶底，接枝親水性聚合物刷以后，在水中仍保持良好的分散性。
[0014]圖5接枝前后的印跡和非印跡聚合物微球對水溶液中磺胺二甲基嘧啶的吸附等溫線圖(a)，以及各濃度時接枝前后的印跡因子(印跡因子=印跡吸附量/非印跡吸附量)(b)。從圖5中可知，隨著溫度的升高，接枝前后的印跡和非印跡聚合物微球對磺胺二甲基嘧啶的吸附量隨之增加。接枝前后的印跡聚合物微球對磺胺二甲基嘧啶的吸附量大于非印跡聚合物微球；另外，接枝親水性聚合物刷后，由于降低了聚合物和磺胺二甲基嘧啶之間的疏水作用，吸附量有所下降，但印跡因子卻增大，表現出良好的特異性識別和分離性能，說明印跡聚合物中存在與分子相匹配的活性位點。
[0015]圖6接枝后的印跡和非印跡聚合物微球對水中磺胺二甲基嘧啶的吸附動力學圖。從圖6中可知，最初，隨著接觸時間的增加，對磺胺二甲基嘧啶的吸附量迅速增加；親水性非印跡聚合物微球在90分鐘以后逐漸趨于平衡，親水性印跡聚合物在120分鐘以后慢慢達到平衡。在整個時間范圍內，接枝親水聚合物刷的印跡聚合物微球對磺胺二甲基嘧啶的吸附量都大于同條件下的非印跡聚合物微球對磺胺二甲基嘧啶的吸附量，表現出良好選擇性和快速的吸附平衡。
[0016]圖7三種對比抗生素的化學結構圖，單組份抗生素溶液中，接枝前后的印跡和非印跡聚合物微球對三種抗生素的吸附性能研究(a);競爭抗生素存在下，接枝前后的印跡和非印跡聚合物微球對水溶液中磺胺二甲基嘧啶的吸附性能研究(b);如圖7可知接枝前后的印跡聚合物對磺胺二甲基嘧啶的吸附容量明顯高于其它抗生素，而且競爭抗生素的存在對磺胺二甲基嘧啶的吸附影響較小，說明具有良好的選擇性識別和分離性能。
【具體實施方式】
[0017]本發明中具體實施方案中吸附性能評價按照下述方法進行:主要利用靜態吸附實驗完成。將10 HiL不同濃度的磺胺二甲基嘧啶溶液加入到離心管中，分別向其中加入10 mg接枝前后印跡和非印跡聚合物微球，恒溫水浴中靜置，考察了溶液pH值、吸附劑用量、接觸時間、溫度對磺胺二甲基嘧啶吸附的影響。吸附達到飽和后，通過離心收集，得到中上層清液，用紫外可見光光度計測得試液中未被吸附的磺胺二甲基嘧啶分子濃度，計算得到吸附容量。
[0018]下面結合具體實施實例對本發明做進一步說明。
[0019](1)表面含活性引發劑印跡聚合物微球的制備
將5.0 mL水和25 mL甲醇的混合溶劑加入到單口燒瓶中，向溶劑中加入0.04 mmol磺胺二甲基嘧啶(SMZ)，0.32 mmol 4-乙烯基吡啶(4-VP)和1.6 mmol乙二醇二甲基丙烯酸酯，超聲脫氣并通氮氣一段時間，室溫下避光靜置，形成預組裝體系；加入0.05 mmol溴化銅(CuBr2): 0.10 mmol N, N, N’，N, ’ N’ ’ -五甲基二亞乙基三胺(PMDETA)和 0.15 mmol 偶氮二異丁腈(AIBN)，在氮氣保護下，60 ^水浴振蕩器中以120 rpm的轉速振蕩反應12 h，打開塞子暴露于空氣中以終止反應，冷卻至室溫；用丙酮、乙醇與水反復洗滌產物，烘干，最終用甲醇:乙酸體積比為9:1的混合液索氏提取24 h，重復3次，脫除模板分子，室溫下真空干燥，得到表面含活性引發劑的分子印跡聚合物微球。非印跡聚合物微球的制備方法同上，只是不加磺胺二甲基嘧啶。通過掃描電鏡(圖1)和紅外光譜(圖2)表征結果說明:反相原子轉移自由基沉淀聚合成功合成表面含有活性引發劑的分子印跡微球。
[0020](2)分子印跡微球表面接枝親水聚合物刷
將2.0 ml甲醇和2.0 ml水加入單口燒瓶中，隨后加入0.07 mmol溴化亞銅和0.21mmol N, N, N’，N，’ N’ ’ -五甲基二亞乙基三胺(PMDETA)，超聲形成均相溶液，加入1.5 mL甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)，超聲脫氣，通氮氣，向溶液中加入100 mg步驟(1)中所得聚合物微球，超聲分散，置于35 0C水浴鍋中，磁子劇烈攪拌，反應24小時，反應結束后，丙酮、乙醇和水反復洗滌產物，真空干燥，得到表面接枝親水聚合物刷的分子印跡聚合物。非印跡聚合物微球接枝親水性聚合物刷的制備方法同上，只是采用非印跡聚合物微球為大分子引發劑。圖1和圖2說明表明成功接枝親水性聚合物。圖3中接觸角測定接枝后聚合物球表面親水，且在水中具有良好的分散性能(如圖4所示)。
[0021]下面結合具體實施實例對本發明做進一步說明:
試驗例 1：取1Oml 初始濃度分別為 10、30、50、60、80、100、120、150、200 Mmol/L 的磺胺二甲基嘧啶溶液加入到離心管中，分別加入5.0 mg接枝前后的印跡和非印跡聚合物微球，把測試液放在298K的水浴中靜置12.0 h后，離心收集上層清液，未被吸附的磺胺二甲基嘧啶分子濃度用紫外可見分光光度計測定，并根據結果計算出吸附容量。從圖5中可知，隨著溫度的升高，接枝前后的印跡和非印跡聚合物微球對磺胺二甲基嘧啶的吸附量隨之增加。接枝前后的印跡聚合物微球對磺胺二甲基嘧啶的吸附量大于非印跡聚合物微球；另外，接枝親水性聚合物刷后，由于降低了聚合物和磺胺二甲基嘧啶之間的疏水作用，吸附量有所下降，但印跡因子卻增大，表現出良好的特異性識別和選擇性分離性能，說明印跡聚合物中存在與分子相匹配的活性位點。
[0022]實驗例2:取10 ml初始濃度為100 Mmol/L的磺胺二甲基嘧啶溶液加入到離心管中，分別加入5.0 mg接枝后的印跡和非印跡聚合物微球，把測試液放在25 °C的水浴中分別靜置5、10、20、30、45、60、90、120和150分鐘。靜置完成后，離心收集上層清液，未被吸附的磺胺二甲基嘧啶分子濃度用紫外可見分光光度計測定，并根據結果計算出吸附容量。從圖6中可知，最初，隨著接觸時間的增加，對磺胺二甲基嘧啶的吸附量迅速增加；親水性非印跡聚合物微球在90分鐘以后逐漸趨于平衡，親水性印跡聚合物在120分鐘以后慢慢達到平衡。在整個時間范圍內，接枝親水聚合物刷的印跡聚合物微球對磺胺二甲基嘧啶的吸附量都大于同條件下的非印跡聚合物微球對磺胺二甲基嘧啶的吸附量，表現出良好選擇性和快速的吸附平衡。
[0023]試驗例3:選擇四環素和頭孢氨芐為競爭抗生素，分別配置溶度為100 Mmol/L上述兩種單組份抗生素溶液，取10 ml配制好的溶液加入到離心管中，分別加入5.0 mg接枝前后的印跡和非印跡聚合物微球，把測試液放在25 °C的水浴中分別靜置12 h。吸附達到飽和后，離心收集上層清液，未被吸附的各種競爭抗生素濃度用Uv-vis測定。分別配制四環素-磺胺二甲基嘧啶和頭孢氨芐-磺胺二甲基嘧啶的雙組份溶液，經吸附試驗，高效液相色譜測定磺胺二甲基嘧啶的濃度。如圖7可知接枝前后的印跡聚合物對磺胺二甲基嘧啶的吸附容量明顯高于其它抗生素，而且競爭抗生素的存在對磺胺二甲基嘧啶的吸附影響較小，說明具有良好的選擇性識別和分離性能。
【權利要求】
1.一種分子印跡微球表面接枝親水性聚合物刷的制備方法，其特征在于按照下述步驟進行: (1)表面含活性引發劑印跡聚合物微球的制備 將水:甲醇體積比5.0:(15-30)的混合溶劑加入到單口燒瓶中，按照磺胺二甲基嘧啶:4-乙烯基吡啶:乙二醇二甲基丙烯酸酯的摩爾比為(0.03-0.05 ): (0.25-0.40 ):(1.0-1.8)的比例，依次將磺胺二甲基嘧啶、4-乙烯基吡啶和乙二醇二甲基丙烯酸酯加入到溶劑體系，超聲脫氣并通氮氣一段時間，室溫下避光靜置，形成預組裝體系；按溴化銅:N，N，N’，N，’N’’-五甲基二亞乙基三胺:偶氮二異丁腈摩爾比為(0.04-0.06): (0.08-0.12):(0.12-0.18 )的比例，依次加入溴化銅、N, N, N，，N，，N，，-五甲基二亞乙基三胺和偶氮二異丁腈，在氮氣保護下，60 &水浴振蕩器中以80-160 rpm的轉速振蕩反應8.0-16 h，打開塞子暴露于空氣中以終止反應，冷卻至室溫；用丙酮、乙醇與水反復洗滌產物，烘干，最終用甲醇:乙酸體積比為9:1的混合液索氏提取24 h，重復2-3次，脫除模板分子，室溫下真空干燥，得到表面含活性引發劑的分子印跡聚合物微球； (2)分子印跡微球表面接枝親水聚合物刷 按照甲醇:水的體積比(1.0-3.0):(1.0-3.0)的比例加入單口燒瓶中，按照溴化亞銅:N，N，N’，N，’N’’-五甲基二亞乙基三胺的摩爾比為(0.06-0.08 ): (0.15-0.25 )的比例，加入溴化亞銅和N，N，N’，N，’ N’ ’ -五甲基二亞乙基三胺，超聲形成均相溶液，隨后以溶液中0.25-0.5 (mL/mL)的比例，向其加入甲基丙烯酸羥乙酯，超聲脫氣，通氮氣，按照溶液中16-30 (mg/mL)的比例，向溶液中加入步驟(1)中所得聚合物微球，超聲分散，置于30-45°C水浴鍋中，磁子劇烈攪拌，反應18-36小時，反應結束后，丙酮、乙醇和水反復洗滌產物，真空干燥，得到表面接枝親水聚合物刷的分子印跡聚合物。
【文檔編號】C08F226/06GK103509158SQ201310467636
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2013年10月10日
【發明者】戴江棟, 鄒永立, 孟敏佳, 周志平, 趙春艷, 閆永勝 申請人:江蘇大學