四种氨基甲酸酯类杀虫剂分子印迹聚合物的合成及识别性能研究

姜兆林 段梦圆 金倩辉 谷伟恩

（中国刑警学院 辽宁 沈阳 110035）

四种氨基甲酸酯类杀虫剂分子印迹聚合物的合成及识别性能研究

姜兆林 段梦圆 金倩辉 谷伟恩

（中国刑警学院 辽宁 沈阳 110035）

以呋喃丹为模板分子，合成呋喃丹分子印迹聚合物，考察对呋喃丹、西维因、叶蝉散、速灭威的选择性，结果表明合成的分子印迹整体柱对呋喃丹、西维因、叶蝉散、速灭威均具有很好的选择性。可以利用结构上的相似性进行同类别物的一次性选择提取分离。

分子印迹 呋喃丹 氨基甲酸酯类杀虫剂 高效液相色谱

起源于20世纪40年代的免疫学的分子印迹技术理论，近年来，由于其预定性、识别性和实用性三大特性而发展极其迅速，现已在生物、医药、化学、固相萃取等多领域中展现广阔的应用前景。

氨基甲酸酯类杀虫剂，是目前使用量较大的杀虫剂，主要应用于粮食、蔬菜和水果的害虫防治。近年来，由于氨基甲酸酯类杀虫剂的广泛使用，由于呋喃丹引起的急性中毒案件较为多见，也有由西维因、叶蝉散、速灭威等引发中毒的，因此成为公安法化检验工作的一项重要的工作内容。

常用的氨基甲酸酯类杀虫剂的检测方法是高效液相色谱法，但其灵敏度较低。而常见的检材一般都是血检材、尿检材，检材杂质较多，所用的前处理方法如液-液萃取（LLE）和固相萃取（SPE）法都难以满足实际工作中的检测需要，分子印迹聚合物对于模板分子具有特异性识别的能力，因此合成氨基甲酸酯类杀虫剂的分子印迹聚合物对于提取和检验工作来说，具有很大的实际意义。

本文研究了氨基甲酸酯分子印迹整体柱的制备条件，包括模板分子的选择、功能单体的选择、模板分子和功能单体比例的优化，致孔剂的选择等。同时还对合成的分子印迹整体柱的色谱条件、色谱性能、选择性能等方面进行了研究。

本文以一种氨基甲酸酯类杀虫剂为模板分子，利用结构上的相似性进行同类别化合物的一次性选择提取。

1 实验部分

1.1 实验仪器条件及试剂

实验仪器及条件：655型日立液相色谱仪；日立紫外检测器；5cm液相色谱柱（中科院大连化学物理研究所）。

试剂：甲基丙烯酸（MAA）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）均为分析纯（ACROS公司），使用前经减压蒸馏除去阻聚剂；偶氮二异丁腈（AIBN，沈阳东陵精细化工有限工司，分析纯）；乙腈、冰醋酸（分析纯）、甲醇（色谱纯）；呋喃丹、西维因、叶蝉散、速灭威（购至公安部物证鉴定中心）。

1.2 分子印迹聚合物的合成

准确称取0.1mmol的模板分子于15mL试管中，以MAA为功能单体，EDMA为交联剂，模板分子∶功能单体∶交联剂为1∶4∶16，AIBN（4.0mg）为引发剂，在45℃水浴锅中恒温反应12h。合成分子印迹整体柱。

表1 不同模板分子（呋喃丹、西维因、速灭威）、不同功能单体的分子印迹聚合物的合成条件

以相同方法，不加模板分子，合成空白印迹柱。为了考察不同合成条件对分子印迹聚合物的亲和性和选择性的影响，分别对不同模板分子、不同功能单体所合成的分子印迹聚合物、不同比例的模板分子-交联剂所合成的分子印迹聚合物以及不同比例制孔剂合成的分子印迹聚合物进行了考察，见表1。

1.3 色谱条件的考察

将制备的分子印迹整体柱进行色谱性能研究，分别考察了不同流动相、不同流速的条件下整体柱对待测物质的保留行为。

1.3.1 流动相的考察

将处理好的氨基甲酸酯分子印迹整体柱接入液相色谱仪中，分别用甲醇-水（V/V，40∶60）、甲醇-水（V/V，45∶55）、乙腈-水（V/V，20∶80）、乙腈-水（V/V，30∶70）、乙腈-水（V/V，35∶65）、乙腈-水（V/V，40∶60）作为流动相，流速1.0mL/min，紫外检测器检测，检测波长254nm，进样10μL浓度为1.0mg/mL 速灭威、呋喃丹、西维因、叶蝉散标液，分别测量保留时间。

1.3.2 流速的考察

将处理好的氨基甲酸酯分子印迹整体柱接入液相色谱仪中，流动相为乙腈-水（V/V，30∶70），检测波长254nm，将流速分别调成0.5mL/min、0.8mL/min、1.0mL/min。进样10μL浓度为1.0mg/mL速灭威、呋喃丹、西维因、叶蝉散标准溶液，分别测量保留时间。

1.4 氨基甲酸酯类杀虫剂分子印迹聚合物选择性实验测定

合成的分子印迹整体柱作为液相色谱柱，首先用乙腈∶醋酸（V/V，9∶1）为流动相充分淋洗，以洗除聚合物中的印迹分子、致孔剂等物质，然后进行高效液相色谱分析，以乙腈-水（30∶70）做流动相，流速1.0mL/min，依次用浓度为1.0mg/mL的呋喃丹、西维因、叶蝉散、速灭威甲醇溶液进样检测，以分析分子印迹整体柱对四种氨基甲酸酯类杀虫剂的吸附效果。

2 结果与讨论

2.1 模板分子的考察

本实验共选择了4种氨基甲酸酯类杀虫剂：速灭威、呋喃丹、西维因、叶蝉散。结构式如下图1所示：

图1 4种氨基甲酸酯类杀虫剂的分子结构式

理论上，呋喃丹的结构中含有苯并呋喃环，而且2位上有两个甲基，因此分子结构在四者中最大，特异性结合后，所形成的孔穴也应最大；西维因因其萘环上无其它取代基而结构次之；叶蝉散、速灭威只含有一个苯环，分子结构应该较小。所以，如果根据结构推断，应当选择呋喃丹为模板分子合成分子印迹聚合物，这样，所形成的记忆空穴较大，4种氨基甲酸酯类杀虫剂均可进入空穴，与结合位点结合，从而达到一次性吸附4种氨基甲酸酯类杀虫剂的目的。但是，分子的立体结构以及空间效应比较复杂，再加上分子印迹合成原理的理论研还有待完善，因此本实验还需要通过实验的方法来进一步确定最佳的模板分子。

实验中分别选取呋喃丹、西维因、速灭威为模板分子，以MAA为功能单体，EDMA为交联剂，模板分子∶功能单体∶交联剂为1:4:16，AIBN（4.0mg）为引发剂，合成分子印迹整体柱，并利用液相色谱在相同的色谱条件下对其分离性能进行了表征，结果见表2。

表2 4种氨基甲酸酯类杀虫剂在3种分子印迹整体柱上的保留时间

由表2和图2可以看出，在呋喃丹分子印迹整体柱上，4种氨基甲酸酯的保留时间都较长，它们的色谱峰都可以与溶剂甲醇的色谱峰完全分离，也就表明呋喃丹分子印迹整体柱选择性最好。呋喃丹分子所形成的记忆孔穴较大，4种氨基甲酸酯均可进入与结合位点结合，在柱上保留时间较长，从而与溶剂分子很好分离。

图2 4种氨基甲酸酯分子在呋喃丹印迹柱上的保留时间（浓度1.0mg/mL、流速1.0mL/min）

由表2和图3可以看出，在西维因分子印迹整体柱上，4种氨基甲酸酯的分离也很符合我们的预想，整体柱对于西维因的保留时间最长，因为它和分子印迹聚合物的印迹空穴的结合是最精确的，速灭威、叶蝉散也可进入空穴，保留时间次之，而呋喃丹分子结构最大，不易进入，因而保留时间最短。

图3 4种氨基甲酸酯分子在西维因印迹柱上的保留时间（浓度1.0mg/mL、流速1.0mL/min）

由表2和图4可以看出，在速灭威分子印迹整体柱上，呋喃丹、西维因因为结构较大，难以进入印迹空穴而保留时间明显缩短，叶蝉散和速灭威的分子大小相近，因而可在柱上保留。

图4 4种氨基甲酸酯分子在速灭威印迹柱上的保留时间（浓度1.0mg/mL、流速0.5mL/min）

以上的实验结果均符合我们预先的设想，考虑到本实验的目的是为选择一种可同时吸附4种物质的分子印迹聚合物，最终选择呋喃丹为模板分子。

2.2 功能单体的考察

分子印迹聚合物的制备中，第一步便是模板分子与所选择的功能单体发生相互作用，形成稳定的复合物。本文使用的模板分子为氨基甲酸酯类杀虫剂，含有氨基，显碱性。大量文献总结，含有碱性官能团的模板分子（如含有氨基、羟基的）应选用酸性(例如MAA)的功能单体，含有酸性官能团的模板分子（如含有羧基）应选用碱性(例如4-VP)的功能单体。理论上，合成氨基甲酸酯的分子印迹聚合物应当选择用MAA为功能单体，但应进一步通过实验来确定最佳的功能单体和配比。本实验中，分别以MAA和4-VP作为功能单体，比较合成了分子印迹整体柱。结果表明，在相同的合成条件下，以4-VP为功能单体合成的分子印迹整体柱与以MAA作为功能单体合成的分子印迹整体柱相比，其颗粒细小，结构致密，接入液相色谱仪表现为柱压大。而以MAA为功能单体合成的分子印迹整体柱柱压下且稳定。因此，本实验选用MAA为功能单体。

2.3 模板分子-功能单体比例的选择

分子印迹聚合物的识别性能受模板分子与功能单体之间的比例的直接影响，若模板分子相对功能单体比例较小，得到的印迹聚合物会因为特异性识别位点数量少而使其识别能力较低，同时聚合物的非特异性吸附影响也较大；若模板分子相对功能单体比例较大，得到的聚合物的特异性识别能力也不高，同时对模板分子造成浪费，因而必须对二者的用量配比进行优化选择。

为选择最佳的合成条件，选取模板分子-单体-交联剂的比例分别为1∶4∶16、1∶8∶16得到分子印迹聚合物整体柱为MIP1、MIP2，选取流动相为甲醇∶水(V/V，40∶60)，检测波长为254nm，分别进行液相色谱实验。当模板分子-单体-交联剂的比例分别为1∶4∶16时，只有呋喃丹和西维因在分子印迹整体柱上表现出一定的选择性，而叶蝉散和速灭威均是随着溶剂甲醇出峰，并没有表现出选择性。当模板分子-单体-交联剂的比例分别为1∶8∶16时，4种物质均表现出选择性，色谱峰与溶剂峰分开。因此实验结果表明，随着功能单体比例的增大，MIP的选择性增强，本实验采用的比例是1∶8∶16合成的MIP，结果令人满意。

2.4 致孔剂的种类与比例的选择

致孔剂首先要能够溶解模板分子、功能单体、引发剂以及交联剂；其次，可以使聚合物具有孔状结构，增加整体柱的通透性；最后，不会与模板分子竞争功能单体的功能基团，阻碍特异性识别位点的形成。本实验采用的是水相溶剂—甲醇：水体系作为致孔剂。

在甲醇：水体系中，甲醇和水的配比对整个聚合物的影响非常大，这是因为甲醇和水所起的作用是不同的，甲醇系致大孔分子，而水系致小孔分子。实验中发现，当水占得比例较大时，合成的整体柱柱压极大，逐渐降低水的比例后，柱压有所缓解。而且，模板分子呋喃丹微溶于水，易溶于有机溶剂，随着致孔剂中水的比例增大，呋喃丹的溶解度也随之降低。当甲醇：水达到8∶1时，呋喃丹分子印迹整体柱的通透性较好且柱压基本维持不变，而且整体柱对于4种氨基甲酸酯的选择性吸附能力较好。综合考虑整体柱的通透性和柱效两方面因素，最终选取甲醇∶水（8∶1）为致孔剂。

2.5 分子印迹聚合物选择性能表征

以合成的呋喃丹整体柱和空白柱为液相色谱柱，选用浓度均为1mg/mL的呋喃丹进样检测，比较印迹柱与空白柱的吸附效果，结果见图5和图6。

图5 呋喃丹分子印迹整体柱对呋喃丹的吸附情况

图6 空白柱对呋喃丹的吸附情况

以合成的呋喃丹整体柱为液相色谱柱，以浓度均为1.0mg/mL的4种物质的混合标准溶液，分子印迹整体柱对4种氨基甲酸酯类杀虫剂的选择性吸附效果，结果见图7。

图7 4种氨基甲酸酯的混合标准溶液（浓度1.0mg/mL、流速0.1mL/min）

呋喃丹与西维因的结构类似，大小相近，按照分子印迹理论以呋喃丹为模板分子合成的分子印迹聚合物应该对西维因具有很好的记忆效果，实验结果也证明了本实验合成的呋喃丹分子印迹整体柱对西维因具有很好的记忆效果，甚至比呋喃丹的记忆效果还好，保留时间更长，这是由于在呋喃丹的苯并呋喃环上2位上有两个甲基，而西维因的萘环上没有其它取代基，要比呋喃丹空间结构稍小，因此，在实验中表现出西维因的印记效果比呋喃丹强。而该分子印迹整体柱对与叶蝉散、速灭威记忆效果和选择性吸附的能力要稍差与呋喃丹与西维因，这可能是由于叶蝉散、速灭威的分子结构与呋喃丹的分子结构相比较小，虽然它们的结合位点都与呋喃丹一致，但是与整个分子印迹聚合物的空穴的结合力较弱，就表现出相对较弱的记忆效果。但是从整体上来说，呋喃丹分子印迹整体柱对4种氨基甲酸酯仍具有较好的保留效果和选择性吸附能力。

3 结论

实验中最终以呋喃丹为模板分子，α-甲基丙烯酸（MAA）为功能单体，偶氮异丁腈（AIBN）为引发剂，乙二醇双甲基丙烯酸酯（EDMA）为交联剂，制备合成了呋喃丹分子印迹整体柱。该整体柱在以乙腈-水（V/V，30∶70） 为流动相，流速为1.0mL/min时，对呋喃丹、西维因、叶蝉散、速灭威表现出具有很好的选择特异性吸附，尤其是对西维因和呋喃丹。

这为分子印迹材料在公安系统中对氨基甲酸酯类杀虫剂中毒案件中检材的分离提供了一种分离材料。

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