沉淀聚合法合成拟除虫菊酯类分子印迹聚合物及其吸附性能研究

黄志鹏,宋立新,沈妍铮，李媛媛，施枫椿，位艳艳，游利琴,何 娟*

(1.河南工业大学 化学化工与环境学院，河南 郑州 450001；2.河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450001)

除虫菊酯中含有的杀虫剂是一种从干菊花中提取的物质，拟除虫菊酯是除虫菊酯衍生的一类合成有机杀虫剂，与传统的农药相比，拟除虫菊酯类农药的毒性更低，稳定性更高并且具有广泛的抗病虫害性，被广泛应用于农业中。目前拟除虫菊酯类农药已经成为市场上的三大杀虫剂之一[1-3]。由于拟除虫菊酯应用广泛，且残留的拟除虫菊酯可通过食物链进入生物体内，并对水生生物有很大的毒性，进而可能对人体造成不良影响[4-7]。为了降低食品被污染的风险，很有必要开发一种高灵敏并且简便的检测拟除虫菊酯类农药残留的方法。

目前对拟除虫菊酯的检测方法主要有气相色谱、液相色谱、气相色谱-质谱联用、液相色谱-质谱联用[8-10]等。但是由于食品中的基质非常复杂，而且样品中目标物的含量很低，故需要有效的样品前处理过程以实现目标物质的提取和富集[11-13]。分子印迹聚合物(MIPs)是一种具有特异性识别能力的聚合物，其通过对模板分子的预聚合、聚合、洗脱等一系列过程，得到具有高度特异性的三维识别空腔，通过空腔的吸附和解吸达到对目标物特异分离与富集的目的[14-15]，可用于前处理过程。然而，对于拟除虫菊酯类物质，采用目标物本身作为模板分子时，不仅毒性较大，可能对操作人员和环境造成危害，而且会造成模板泄露，进而导致假阳性。所以需要选择一种目标物的结构类似物作为模板分子，以保证能够选择性吸附目标物，而且不影响目标物质的检测结果[16]。

本文采用拟除虫菊酯的结构类似物二苯醚-联苯共晶作为替代模板，使用沉淀聚合的方法，通过聚合得到对拟除虫菊酯有选择性吸附能力的MIPs，对其进行表征和吸附性能研究，并与非印迹聚合物(NIPs)的吸附性能进行了对比。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UV3600紫外-可见分光光度计(岛津(中国)有限公司)；HHS-11-4恒温水浴锅(杭州汇尔仪器有限公司)；S312-90数显恒速搅拌器(上海垒固仪器有限公司)；FED720强制循环热对流多功能烘箱(上海宾德实验设备有限公司)；2SK双机水环式真空泵(无锡四方真空设备有限公司)；BSA电子天平(Sartorious公司)；ASE-200(美国Dionex公司)。

二苯醚-联苯共晶(ACROS公司产品(北京百灵威有限公司))；4-乙烯基吡啶(4-vp，分析纯，Johnson Matthey公司)；乙二醇二甲基丙烯酸酯( EDMA，分析纯，Johnson Matthey公司产品(阿拉丁试剂有限公司))；甲醇、乙醇、丙酮(色谱纯，北京世纪瑞维发展有限公司)；乙腈(色谱纯，南京化学试剂公司)；偶氮二异丁腈(AIBN，分析纯，天津市凯通化学试剂公司)；三氯甲烷(分析纯，开封黄海化工有限公司)；拟除虫菊酯类标准样品(100 μg·mL-1，农业部环境保护科研监测所研制)：联苯菊酯(石油醚)GSB G23065-94；甲氰菊酯(石油醚)GSB G23031-92；氯菊酯(石油醚)GSB G23034-92；氯氰菊酯(石油醚)GSB G23033-92；氰戊菊酯(石油醚)GSB G23032-92；毒死蜱(丙酮)GSB05-1877-2008。

1.2 聚合物的合成

取0.918 mL(3 mmol)二苯醚-联苯共晶、1.944 mL(18 mmol) 4-vp以及15 mL 氯仿于250 mL三口烧瓶中，超声10 min，然后加入11.286 mL(60 mmol)EDMA并超声10 min，最后加入100 mL乙醇以及95.2 mg AIBN，在70 ℃油浴锅中磁力搅拌反应8 h，抽滤，烘干，得到淡白色粉末状颗粒。

将合成的聚合物用甲醇-乙酸(9∶1，体积比)溶液洗脱至洗脱液中检测不到模板分子，更换纯甲醇作为洗脱液，洗至洗脱液呈中性，烘干聚合物备用。

使用相同方法(不添加替代模板)合成非印迹聚合物。

1.3 聚合物等温吸附曲线的测定

称取16份印迹聚合物(每份0.025 g)于10 mL离心管中，编号1～16，分别加入质量浓度为5～80 μg· mL-1的联苯菊酯(用10%甲醇溶解)溶液5 mL，封口并涡旋1 min，静置15 h。使用紫外分光光度计依次测定每份聚合物上清液的吸光度，并计算吸附后溶液中联苯菊酯的质量浓度。根据吸附前后溶液中的联苯菊酯质量浓度计算聚合物的吸附量Q。Q(μg· g-1)=(C0-C1)m-1V，式中：C0为联苯菊酯吸附前的质量浓度(μg ·mL-1)；C1为联苯菊酯吸附后的质量浓度(μg· mL-1)；V为联苯菊酯标准液的体积(mL)；m为印迹聚合物的质量(g)。

非印迹聚合物测定方法同上。

1.4 聚合物吸附量的测定

称取20份印迹聚合物(每份0.025 g)于10 mL离心管中，编号1～20，分别加入5 mL 20 μg·mL-1的联苯菊酯溶液。放置不同时间后测定溶液的吸光度，并换算成联苯菊酯的质量浓度，根据公式Q=(C0-C1)m-1V计算聚合物不同吸附时间的吸附量Q。

1.5 聚合物的选择性实验

称取0.015 g印迹聚合物，加入毒死蜱、甲氰菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯、氯菊酯、联苯菊酯混合标准溶液10 mL(各标准溶液的质量浓度均为0.9 μg·mL-1)，封口并涡旋1 min，静置10 h。测定吸附后溶液的质量浓度,根据公式Q=(C0-C1)m-1V计算吸附量Q。

使用同样方法测定非印迹聚合物的吸附量Q。

2 结果与讨论

2.1 反应溶剂的选择

反应溶剂的用量决定了反应体系中模板的浓度，减少溶剂用量可以提高模板浓度，从而产生更多的结合位点，但是溶剂用量过少则会影响聚合物的沉淀生成。在实验过程中维持模板分子∶功能单体∶交联剂(摩尔比)=1∶6∶20，分别使用乙腈、三氯甲烷、乙醇作为反应溶剂，所得3种聚合物的吸附量分别为2 010、2 220、2 678 μg·g-1，可知乙醇作为反应溶剂时制备的聚合物对模板分子的吸附效果最好。对乙醇的用量进行了优化，在乙醇用量分别为80、100、120 mL时，所得3种聚合物的吸附量分别为2 338、2 565、2 506 μg·g-1，故选择乙醇用量为100 mL。

2.2 正交实验

为了得到吸附效果更佳的二苯醚-联苯聚合共晶印迹聚合物，经单因素优化，分别确定模板分子与功能单体的比例(摩尔比)范围为1∶4～1∶8，模板分子与交联剂的比例(摩尔比)为1∶20～1∶40，引发剂用量范围为1%～2%，温度范围为60～70 ℃。在此基础上采用4因素3水平的正交实验，对聚合物的合成条件进行进一步优化。其中因素A为模板分子与功能单体的比例；因素B为模板分子与交联剂的比例；因素C为引发剂的用量(%)；因素D为聚合反应温度(℃)，正交实验结果如表1所示。由表1可知，聚合反应的最佳反应条件为A2B1C1D3，即模板∶功能单体∶交联剂=1∶6∶20，引发剂用量为单体与交联剂质量和的1%，聚合温度为70 ℃。

表1 正交实验结果Table 1 Results of orthogonal experiment

2.3 聚合物的性能表征

使用扫描电镜对合成的聚合物进行表征，由图1可以看出：合成的MIPs(图1A)和NIPs(图1B)均为细小球形颗粒，并且疏松多孔，具有较大的比表面积，为聚合物的良好吸附性能提供了基础。

2.4 聚合物等温吸附的测定

图2 MIPs和NIPs的等温吸附线Fig.2 Adsorption isotherms of MIPs and NIPs

图3 MIPs和NIPs聚合物的选择性吸附Fig.3 Selective adsorption of MIPs and NIPs polymersA.chlorpyrifos，B.bifenthrin，C.fenpropathrin，D.cypermethrin，E.permethrin，F.fenvalerate

按照“1.3”方法进行等温吸附实验，结果如图2所示。由图可看出，随着标准溶液质量浓度的增大，MIPs和NIPs的吸附量均增大，且二者的吸附量之差也逐步增大。其中当联苯菊酯的结构类似物二苯醚-联苯共晶的质量浓度为60 μg· mL-1时，MIPs的吸附达到饱和，吸附量Q为6 041 μg· g-1，而此时NIPs的吸附量为3 264 μg· g-1。这是因为MIPs中具有模板分子的孔穴，吸附性能更佳。

2.5 聚合物吸附量的测定

按照“1.4”方法进行吸附量的测定，发现随着吸附时间的延长，MIPs的吸附量逐渐增大，7 h后基本达到吸附平衡，说明MIPs对联苯菊酯的结构类似物二苯醚-联苯共晶的吸附达到饱和，此时的吸附量为3 325 μg·g-1。

2.6 选择性实验

按照“1.5”方法测定了MIPs和NIPs两种聚合物对非拟除虫菊酯类农药毒死蜱和拟除虫菊酯类农药联苯菊酯、甲氰菊酯、氯菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯的选择性吸附能力，结果显示，MIPs对上述6种农药的吸附量分别为259、316、311、271、305、298 μg·g-1，而对应的NIPs的吸附量则为169、188、181、183、151、142 μg·g-1(图3)。可知MIPs聚合物对拟除虫菊酯类农药的吸附量大于非拟除虫菊酯类农药，且MIPs的吸附量均大于NIPs。这是由于替代模板与拟除虫菊酯类物质有相似的结构，且MIPs存在能与拟除虫菊酯类结合的功能基团和能与拟除虫菊酯类分子互补的特异性孔穴。说明在MIPs合成的过程中替代模板发挥了印迹效应，而且合成的MIPs能够选择性识别、吸附目标物质。

3 结 论

采用替代模板二苯醚-联苯共晶合成分子印迹聚合物，最佳合成温度为70 ℃，参与反应的模板分子∶功能单体∶交联剂(摩尔比)=1∶6∶20，引发剂用量为1%。在最佳条件下合成的MIPs对拟除虫菊酯类农药的最大吸附量为316 μg· g-1，对相同浓度的非拟除虫菊酯类农药吸附量为259 μg· g-1，说明MIPs对拟除虫菊酯类农药有特异性吸附和选择识别能力。