S-布洛芬磁性分子印迹膜的吸附及拆分性能

徐文慧,袁亚莉,李玉慧,李　乐,周智慧,张宗波

(南华大学 化学化工学院， 湖南 衡阳 421001)

S-布洛芬磁性分子印迹膜的吸附及拆分性能

徐文慧,袁亚莉*,李玉慧,李乐,周智慧,张宗波

(南华大学 化学化工学院， 湖南 衡阳 421001)

摘要：以S-布洛芬为模板分子、3-氨丙基三乙氧基硅烷为功能单体、正硅酸乙酯为交联剂，采用溶胶凝胶法成功制备了对S-布洛芬具有特异选择识别功能的磁性分子印迹聚合物，并且分别采用红外(IR)光谱、扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)对其结构进行了表征.通过紫外(UV)光谱研究了其对S-布洛芬的吸附性能，并且建立了高效液相色谱(HPLC)手性流动相法研究其对布洛芬的拆分.结果表明，该磁性分子印迹聚合物具有良好的磁响应性，在外加磁场下可实现快速分离；S-布洛芬分子印迹复合膜对S-布洛芬具有较好的选择结合性，其结合量达到68.3 mg/g；每100 mg复合膜可使外消旋布洛芬的分离度增加2.1%.

关键词：S-布洛芬；磁性分子印迹聚合物；吸附；手性拆分

分子印迹技术(MIT)指制备对某一特定模板分子具有选择性的聚合物技术，因其特有的预定性、识别性和实用性，近几年来在分离科学、药物富集、酶催化、生物传感、大分子识别等方面得到了广泛的应用[1-7]，但是分子印迹材料在应用中存在分离难这一突出问题.磁性分子印迹技术是把无机磁性材料和分子印迹技术结合在一起形成的一种新型的技术.磁性分子印迹聚合物具有一定的顺磁性，同时也具有分子印迹聚合物的特性，可以在外加磁场作用下实现简单分离，这就使MIT的应用领域得到进一步拓展.磁性分子印迹技术被广泛应用到细胞学、生物工程、生物医药和磁性材料等领域，尤其在手性分子拆分领域取得了突破性的进展[8-15].

手性药物由于其不同对映体具有不同的药理特性，在实际应用中往往需要制备得到光学纯的单一对映体药物，这对提高药物效力、减少药物的毒副作用等具有非常重要的意义.布洛芬(ibuprofen)是目前全球销量最大的非甾体消炎镇痛类药物，存在两种光学对映体，其杀菌活性主要由S-ibuprofen产生，而主要的毒副作用几乎都由R-ibuprofen引起，因此对布洛芬对映体的拆分十分必要.本文作者制备了S-布洛芬磁性印迹膜，采用IR、SEM、XRD对该印迹膜的结构进行了表征，使用UV研究了磁性印迹膜对S-布洛芬的吸附性能，并采用HPLC手性流动相法研究了磁性印迹膜对布洛芬的拆分性能.

1实验部分

1.1　仪器和试剂

FA2004型电子天平、DS-3510DTH型超声波破碎仪、JJ-1型增力电动搅拌器、101-4B型电热鼓风干燥箱、IR Prestige-21型傅立叶红外光谱仪、Y-2000型X射线衍射仪、S-4800型扫描电镜、SHY-2A型水浴恒温振荡器、UV-8500型紫外/可见分光光度计、PHS-3C型pH计、LC-20AT型日本岛津高效液相色谱仪： Agilent TC-C18柱(250 mm × 4.6 mm，5 μm).

S-布洛芬和布洛芬(上海芯苒化工科技有限公司)、四水合柠檬酸钠、硝酸钠、氢氧化钠、七水硫酸亚铁、25%氨水、无水乙醇、蒸馏水、正硅酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、盐酸、磷酸、羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD，上海晶纯生化科技股份有限公司)、甲醇(色谱纯)、乙腈(色谱纯)、超纯水.

1.2　实验方法

1.2.1纳米Fe3O4颗粒的制备

分别称取1.470 2 g四水合柠檬酸钠，0.800 0 g氢氧化钠和17.000 0 g硝酸钠加入三口烧瓶中，再加入100 mL蒸馏水，边搅拌边水浴加热至100 ℃，迅速加入2.780 2 g七水合硫酸亚铁，反应1 h后停止，在磁铁的作用下分离产物，用蒸馏水洗涤黑色产物数次，置于60 ℃真空干燥箱干燥过夜.

1.2.2Fe3O4@SiO2纳米颗粒的制备

称取0.500 0 g Fe3O4于三口烧瓶中，加入80 mL乙醇和20 mL蒸馏水，超声分散30 min后依次加入4 mL正硅酸乙酯和5 mL氨水(25%)，搅拌下室温反应7 h，确保正硅酸乙酯完全分解生成SiO2，并包覆于Fe3O4表面.用磁铁分离产物，蒸馏水洗涤数次，置于60 ℃真空干燥箱干燥过夜.

1.2.3S-布洛芬磁性印迹膜的制备

取0.100 0 gS-布洛芬、2 mL 3-氨基丙基三乙氧基硅烷和30 mL乙醇加入三口烧瓶中，搅拌30 min使之分散均匀；向上述溶液加入4 mL正硅酸乙酯，继续搅拌20 min；依次加入0.500 0 g Fe3O4@SiO2粉末和1 mL 0.01 mol/L盐酸溶液，在室温下反应12 h；用磁铁分离固体产物，反复洗涤，置于干燥箱中干燥.

将干燥后的产物置于索氏提取器中，用甲醇/乙酸(体积比为9∶1)混合溶液洗脱24 h 除去模板分子，再用甲醇清洗，即得到以S-布洛芬为模板的分子印迹复合膜(MMIP).

除不加模板分子之外，其他条件和上述制备过程一致，制备磁性非分子印迹膜(MNIP).

1.3　吸附实验

1.3.1静态吸附实验

分别精确称取20 mg MMIP和20 mg MNIP加入锥形瓶中，然后加入10 mL不同浓度S-布洛芬乙醇溶液；将锥形瓶置于水浴恒温振荡器中，震荡12 h后利用磁铁分离固体；使用紫外分光光度计测量上清液在波长263 nm处的吸光度，并通过下式计算MMIP的结合容量Q，mg/g:

(1)

式(1)中:M是S-布洛芬的摩尔质量，g/mol; V是布洛芬乙醇溶液体积，mL; m是MIMP的质量，g; c0和c分别是吸附前和吸附后布洛芬乙醇溶液浓度，mmol/L.

1.3.2动态吸附实验

分别精确称取20mgMMIP和20mgMNIP于锥形瓶中，加入浓度为2.5mmol/LS-布洛芬乙醇溶液.将锥形瓶置于水浴恒温振荡器中，每反应20min取样一次，用磁铁分离，利用紫外分光光度计测定上层清液在波长263nm处的吸光度，通过式(1)计算MMIP的结合容量Q.

1.4　MMIP对布洛芬拆分实验

1.4.1色谱分离条件

色谱分离柱为C18柱( 4.6mm×150mm,5μm)；流动相为水-甲醇-乙腈(体积比为78∶17∶5，含50mmol·L-1羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)和0.2%磷酸(质量分数)，pH=4.50)；流速为0.7mL·min-1；紫外检测波长为265nm，进量样为0.7μL；柱温为室温.

1.4.2实验步骤

精确称取100mgMMIP置于10mL25mmol/L外消旋体布洛芬甲醇溶液中.放置于水浴恒温振荡器中，震荡12h后，利用磁铁分离，取上层清液.分别对25mmol/L外消旋体布洛芬甲醇溶液和该上层清液进行布洛芬对映体的拆分测定.通过下式计算MMIP对布洛芬对映体吸附前后的分离度的影响.

式中：△tR为峰2和峰1的保留时间之差；W1和W2分别为峰1和峰2在峰底(基线)的峰宽.

2结果与讨论

2.1　MMIP的表征

2.1.1红外光谱分析

图1为Fe3O4，Fe3O4/SiO2和MMIP微球的红外光谱.比较曲线a，b和c可以看出，三个样品在576.72cm-1处均有Fe-O的振动峰，说明Fe3O4磁粒子一直存在于各样品中；曲线b和c在1 093.64cm-1处均有Si-O-Si的伸缩振动峰，说明Fe3O4磁粒子表面已包覆有SiO2；曲线c与b和a相比，由于洗脱去模板分子(S-布洛芬)的MMIP的表面形成了带有氨基的识别位点，所以在1 629.85cm-1和1 409.96cm-1处出现了N-H振动峰.

(a)Fe3O4; (b) Fe3O4 /SiO2; (c) MMIP.图1　样品的红外图谱Fig.1　FT-IR spectra of as-prepared samples

2.1.2SEM分析

图2　MMIP的SEM图Fig.2　SEM images of MMIP

采用高分辨扫描电镜分析印迹前后MMIP磁性微球的微结构，结果如图2所示.可以看出，与印迹前的颗粒比较，印迹后的MMIP磁性微球颗粒均匀，平均粒径约为200nm，分散性好，絮状的表面疏松多孔.这是因为S-布洛芬模板分子与3-氨丙基三乙氧基硅烷通过氢键发生相互作用，形成印迹膜分布在磁性颗粒的表面，当模板分子被洗脱后产生孔隙，从而使MMIP磁性微球对S-布洛芬表现出较好的识别性能.由于模板分子与3-氨丙基三乙氧基硅烷在微球表面发生印迹聚合作用，使得磁性微球稍有粘连现象.

2.1.3X射线粉末衍射分析

由图3可知，在Fe3O4/SiO2(a)、MNIP(b)和MMIP(c)三个样品中，于2θ=30.38°，35.65°，43.27°，53.89°，57.16°，62.87°等处均出现了Fe3O4的6个特征衍射峰,说明Fe3O4磁粒子的结构在修饰和印迹聚合过程中没有改变.图3中a、b、c比较，Fe3O4/SiO2(a)信号明显更强，b和c中由于模板分子与3-氨丙基三乙氧基硅烷在Fe3O4/SiO2磁性微球表面的印迹聚合致使衍射峰强度降低，说明了磁性微球表面已经形成了印迹聚合物.

(a)Fe3O4/SiO2; (b) MNIP; (c) MMIP.图3　样品的X射线粉末衍射图Fig.3　XRD spectra of as-prepared samples

2.2　MMIP对S-布洛芬吸附性能的影响

2.2.1S-布洛芬的浓度

图4　S-布洛芬浓度对吸附量的影响Fig.4　Effect of different concentrations of S-ibuprofen on adsorption

在初始浓度为1.0、1.5、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5mmol/L的S-布洛芬乙醇溶液中，分别加入20mgMMIP和MNIP复合磁性粒子，考察了复合磁性纳米粒子对S-布洛芬的吸附效果.由图4可知，MMIP对S-布洛芬的吸附量随S-布洛芬浓度的增大而增大，而MNIP对S-布洛芬的吸附量随S-布洛芬浓度的增大变化不明显，两者比较说明了MMIP对S-布洛芬有一定的特异性吸附，而MNIP合成时没有加模板分子，对S-布洛芬的吸附不明显.

2.2.2吸附时间

分别在初始浓度为2.5mmol/L的S-布洛芬乙醇溶液中加入20mgMMIP和MNIP复合磁性粒子，每隔20min对其吸附进行测定.由图5可知，在2h以内，MMIP对S-布洛芬的吸附量随时间的延长而增加，2h以后吸附量基本稳定，最高吸附量为68.3mg/g.这说明MMIP对S-布洛芬有特异性吸附；随着吸附时间的延长，MMIP对S-布洛芬的吸附量渐渐增加，直至达到吸附平衡.而随着吸附时间增加，MNIP对S-布洛芬的吸附量基本没有增加，说明合成时没有加模板的MNIP对S-布洛芬没有特异性吸附.

图5　时间对吸附量的影响Fig.5　Effect of shaking time on adsorption

2.3　HPLC手性流动相法研究MMIP对布洛芬的拆分性能

为了研究印迹聚合物对布洛芬对映体的手性拆分性能，以浓度为50mmol·L-1的HP-β-CD为手性添加剂，利用HPLC分别对25mmol/L外消旋体布洛芬甲醇溶液和经MMIP吸附的25mmol/L外消旋体布洛芬甲醇溶液的上层清液进行布洛芬对映体的拆分测定.在图6中曲线a、b分别为外消旋体布洛芬溶液吸附前后的液相色谱图，由图可见，经MMIP吸附后R-布洛芬色谱峰(第一峰)没有变化，而S-布洛芬的色谱峰(第二峰)强度明显降低，表明MMIP对S-布洛芬具有特异性吸附，可以应用于对外消旋体布洛芬的手性拆分.根据实验所得的数据(表1)计算，原液中布洛芬对映体的分离度(R)是1.38，加入MMIP吸附后布洛芬对映体的分离度是1.41. 通过吸附前后分离度计算可知，100mg的该磁性印迹膜可使外消旋布洛芬的分离度增加2.1%.

图6　布洛芬溶液(a)和MMIP吸附原液后的上层液(b)的高效液相色谱图Fig.6　The HPLC chromatograms of the upper liquid before and after MMIP adsorption

表1　MMIP对布洛芬对映体的分离度的影响Table 1　Effect of MMIP on resolution of ibuprofen

3结论

本文作者以S-布洛芬为模板分子，3-氨丙基三乙氧基硅烷为功能单体，正硅酸乙酯为交联剂，采用溶胶凝胶法制备了对S-布洛芬具有特异选择识别功能的磁性分子印迹聚合物，并考察该印迹聚合膜的结合性能和手性拆分性能.结果表明，该膜对模板分子S-布洛芬具有特异的结合能力，其结合量达到68.3mg/g；每100mg的该膜可使外消旋布洛芬的分离度增加2.1%，这将有利于外消旋布洛芬的分离.

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[责任编辑：毛立群]

The adsorption and separation performance of

S-ibuprofen magnetic molecularly imprinted membrane

XU Wenhui，YUAN Yali*，LI Yuhui，LI Le，ZHOU Zhihui，ZHANG Zongbo

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，Hunan,China)

Abstract:Magnetic molecularly imprinted polymer with the specific identification function was synthesized in sol-gel process with S-ibuprofen as template molecule,APTES as functional monomer,and ethyl orthosilicate as cross linking agent.The structure of magnetic molecularly imprinted polymer of S-ibuprofen was characterized by infrared absorption spectrum (IR),scanning electron microscopy (SEM) and the X-ray diffraction (XRD),respectively.The research of adsorption and separation performance of S-ibuprofen magnetic molecularly imprinted membrane was implemented by ultraviolet (UV) and high performance liquid chromatography (HPLC) with chiral mobile phase.The results indicated that the magnetic molecularly imprinted polymers have good magnetic response and achieve rapid separation in addition to magnetic field; S-ibuprofen molecularly imprinted composite membrane has a good selection to S-ibuprofen,the binding capacity achieve to 68.3 mg/g; every 100 mg film can increase the degree of separation of ibuprofen by 2.1%.

Keywords:S-ibuprofen; magnetic molecularly imprinted polymer; adsorption; chiral separation

作者简介：徐文慧(1988-)，女，硕士生，从事磁性纳米印迹材料的制备以及性能的研究.*通讯联系人，E-mail:yuanyali6439@163.com.

基金项目：湖南省科技厅项目(2014FJ6097).

收稿日期：2014-10-19.

中图分类号：O652.6

文献标志码：A

文章编号：1008-1011(2015)02-0201-05