新型三维磁性豆甾醇印迹聚合物制备及其性能研究

闫亮 丁旺莎 杨仕锃 王兆玉 李嘉豪 张月

摘   要：以多壁碳纳米管和氧化石墨烯三维磁性复合材料为载体，豆甾醇为模板分子，多巴胺为功能单体，制备新型三维磁性豆甾醇印迹复合萃取材料。采用扫描电镜、红外光谱和X射线衍射对该复合材料进行表征和分析，结果表明：在三维磁性材料表面成功接枝印迹层。采用紫外可见光谱仪对该印迹复合材料的吸附性能进行探讨，结果表明：三維磁性印迹复合材料对豆甾醇表现出特异性吸附性能，最大吸附量为11.24  mg/g。

关键词：石墨烯;碳纳米管;豆甾醇;三维磁性材料;分子印迹

分子印迹是指制备对某一特定的目标分子具有特异选择性的分子印迹聚合物（Molecular Imprinting Polymer，MIPs）的技术[1]。因其对目标分子具有特异选择性识别能力，MIPs已广泛用于萃取分离、化学/生物传感和人工抗体等领域[2]。最近，有科研工作者以多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotube，MWNTs）为基材，结合印迹技术，制备具有高选择性和高吸附容量的碳纳米管-分子印迹聚合物（MWNTs-MIPs）。

新型磁性三维印迹复合材料借助碳纳米管和石墨烯的比表面积优势，制备出具有更高的吸附容量的三维印迹萃取材料[3]。但是目前的磁性碳基三维基质材料在制备过程中还有结构不稳定和制备能耗较大的问题，限制了分离领域的使用[4]。最近有报道采用水热法制备磁性碳基三维印迹纳米复合材料，这种水热法制备的复合材料具有较强的稳定性，为新型磁性碳基表面三维印迹纳米复合材料的广泛应用提供了可能性。

植物甾醇具有降低血清胆固醇、消炎、退热和抗癌等药理功效，也是活性成分研究中的重要对象。本研究采用石墨烯/碳纳米管三维复合材料为支撑基质，结合纳米表面印迹技术，在温和条件下研制出高吸附性能和快速吸附的石墨烯/碳纳米管三维质表面豆甾醇印迹复合萃取材料，并对其吸附性能进行研究。

1    实验部分

1.1  试剂与仪器

多壁碳纳米管（直径为20～50 nm，纯度大于95%）购自深圳比尔科技公司;石墨烯（GO）、豆甾醇（Stig）、β-谷甾醇（β-Sito）、胆固醇（Chol）、三羟甲基氨基甲烷（Tris）、多巴胺购自阿拉丁公司;硫酸、硝酸、乙酸、FeCl3·6H2O、高锰酸钾、5%过氧化氢溶液、柠檬酸钠、肼购自长沙化学试剂公司。除特殊说明外，所用试剂均为分析纯;实验用水为二次蒸馏水。

Zeiss Sigma HD扫描电镜（德国蔡司公司），FT-IR傅里叶红外光谱仪（日本岛津公司），高效液相色谱仪（日本岛津公司），DZF-6020型真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）。

1.2  实验过程

1.2.1  三维磁性复合材料制备

将1.0 g多壁碳纳米管加入20.0 mL 65%硝酸和60.0 mL 98%硫酸混合溶液中，超声1 h，升温至80 ℃反应2 h，过滤得到活化的碳纳米管。再将制得的200.0 mg GO和200.0 mg活化碳纳米管分散在160.0 mL去离子水中超声3 h。将3.2 g FeCl3·6H2O和5.9 g柠檬酸钠分别加入到40.0 mL和80.0 mL去离子水中，在磁力搅拌下逐滴加入上述混合液，再加入12.0 mL肼继续搅拌30 min。将混合物转移至100.0 mL反应釜中，180 ℃下反应12 h。采用0.45 µm薄膜过滤，用去离子水和乙醇各洗涤3次，80 ℃真空干燥24 h，得最终产物。

1.2.2  三维磁性印迹复合材料制备

取400.0 mg三维复合材料和400.0 mL Tris缓冲液于圆底烧瓶中，超声5 min，加入100.0 mg豆甾醇和360.0 mg多巴胺。机械搅拌8 h，将产物过滤，先用水洗涤3次，然后用乙酸/甲醇（体积比为2∶8）混合液反复洗涤，接着用乙醇反复冲洗至收集的洗脱液在豆甾醇溶液标准紫外峰处没有明显的吸收。真空干燥12 h，制备出三维磁性印迹复合材料（3D-MMIPs）。

在不加入豆甾醇的前提下，采用同样的方法，制备出三维磁性非印迹复合材料（3D-MNIPs）。

1.3  吸附性能研究

1.3.1  动态吸附过程

取20 mg 3D-MMIPs 或3D-MNIPs分别置于吸附管中，加入10.0 mL 50.0 mg/L的豆甾醇标准溶液，在室温下吸附5～180 min，外加磁场分离，用0.45 μm的微孔薄膜过滤，收集上清液，以无水乙醇作参比，用紫外可见光谱仪测定豆甾醇质量浓度。

1.3.2  静态吸附过程

取20 mg 3D-MMIPs或3D-MNIPs分别置于吸附管中，分别加入10 mL 10～50 mg/L 豆甾醇溶液，在室温下吸附2 h，外加磁场分离，取上清液用紫外可见光谱仪测定豆甾醇质量浓度。

1.3.2  选择性研究

取10.0 mg 3D-MMIPs加入2.0 mL质量浓度均为25 mg/L的豆甾醇、胆固醇和β-谷甾醇混合溶液中吸附30 min，取上清液，用高效液相色谱测定豆甾醇、胆固醇和β-谷甾醇的质量浓度。

2    结果与讨论

2.1  三维印迹聚合物制备

3D-MMIPs的制备过程如图1所示。先对多壁碳纳米管羧酸化得到MWNTs-COOH;再采用水热还原法在GO和MWNTs复合材料表面接枝Fe3O4纳米颗粒，使GO和MWNTs复合材料具有磁性能。在三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，加入上述三维磁性复合材料（3D-M-composite），以多巴胺为功能单体，豆甾醇为模板分子，通过多巴胺在弱碱性环境中的自聚合反应，接着用水洗出未反应的多巴胺，再用乙酸/甲醇（2∶8，v/v）混合溶液将模板分子豆甾醇从印迹聚合物中洗脱出来，最后再用蒸馏水洗涤3次。这样印迹聚合物中就形成对豆甾醇具有特异性识别的印迹位点，成功地制备出新型三维豆甾醇磁性印迹复合材料（3D-MMIPs）。

2.2  聚合物表征

2.2.1  形貌分析

采用扫描电子显微镜对GO（A）、MWNTs（B）、3D-M-composite（C）、3D-MMIPs（D）的形貌进行了表征，结果如图2所示。由图2可知，GO（A）为单层片状结构;MWNTs（B）为管状结构，并且相互缠绕，杂乱地堆砌在一起，碳纳米管的粒径大约为30 nm，3D-M-composite（C）为碳纳米管和石墨烯的磁性杂化材料，在其表面能明显观察到磁性的Fe3O4微球。与图3D-M-composite（C）相比，3D-MMIPs（D）中碳纳米管的管径明显增大，约为68 nm，证明成功地合成了新型三维豆甾醇磁性印迹聚合物，由此可以估算出印迹层的厚度约为19 nm。

2.2.2  红外光谱分析

图3中谱线MWNTs（b）和3D-M-composite（c）中618 cm-1处为Fe-O的收缩振动峰，这表明Fe3O4纳米粒子成功地接枝在石墨烯和碳纳米管复合材料表面;3D-MMIPs（d）中1 444 cm-1处为饱和碳氢键的弯曲振动峰，970 cm-1处反式取代烯烃，这表明豆甾醇成功修饰到3D-M-composite上。

2.3  聚合物吸附性能研究

2.3.1  动态吸附

图4是3D-MMIPs对豆甾醇吸附容量对时间的关系图。如图4所示，吸附开始时，3D-MMIPs表面存在大量的结合位点，使它能够快速、良好地与豆甾醇结合。在吸附40 min前3D-MMIPs对豆甾醇的吸附速率增加很快。随着时间的增加，豆甾醇结合了绝大多数的识别位点，因此，吸附速率慢慢降低，直到60 min的时候，基本不再增加。这表明当时间达到60 min时，3D-MMIPs的印迹孔穴对豆甾醇的吸附达到饱和。

2.3.2  静态吸附

为了对该印迹材料的吸附容量进一步研究，采用静态平衡吸附实验探讨3D-MMIPs和3D-MNIPs对豆甾醇的吸附等温线，吸附容量由如下公式求得：

式中，Q表示聚合物的吸附量，mg/g;C0和C分别为溶液吸附前豆甾醇的浓度和吸附饱和后豆甾醇的质量浓度，mg/L;V表示溶液的体积，mL;W表示聚合物的质量，mg。由图5（A）可知，3D-MMIPs对目标分子豆甾醇的吸附性能明显优于3D-MNIPs对豆甾醇的吸附，主要是由于印迹聚合物壳层内含有对模板分子具有特异吸附的结合位点，通过官能团与模板分子之间的氢键作用结合，增大了吸附容量。

采用Langmuir等温吸附模型对3D-MMIPs的吸附进一步拟合，结果如图5（B）所示。Langmuir等温吸附方程如下：

其中Q（mg/g）为豆甾醇的平衡吸附量，Qmax（mg/g）是等温吸附方程的饱和吸附量，Ce（mg/L）是吸附平衡时豆甾醇质量浓度，K（L/mg）为吸附平衡常数。以Ce/Q为Y轴，Ce为X轴作图，拟合曲线图，可以计算出K=0.026 L/mg，Qmax=11.24 mg/g。

2.3.3  选择性能研究

为考察3D-MMIPs和3D-MNIPs对豆甾醇的选择吸附性能，选择与豆甾醇结构相似的胆固醇和β-谷甾醇作为竞争分子。结果如图6所示，3D-MMIPs对豆甾醇的吸附量为7.59 mg/g，高于对胆固醇（3.18 mg/g）和β-谷甾醇（3.08 mg/g）的吸附量。3D-MMIP对豆甾醇、胆固醇和β-谷甾醇的印迹因子分别为2.41、1.25和1.14，3D-MMIP对胆固醇和β-谷甾醇的选择性因子分别为1.93和2.11。这表明3D-MMIP表面有很多对豆甾醇具有特异性结合的位点，可以与豆甾醇的结构互补，实现选择性吸附。

3    结语

采用多壁碳纳米管和氧化石墨烯的复合材料作为载体，将Fe3O4磁性粒子修饰到复合材料表面;再利用水热法对磁性复合材料进行包覆。通过扫描电镜、傅立叶变换红外光谱等方法对该印迹复合材料进行了表征，结果证明印迹层成功地包覆在三维磁性复合材料表面。吸附性能实验研究表明该三维磁性印迹材料对豆甾醇具有高选择性和高吸附容量，其中饱和吸附容量为11.24 mg/g。

[参考文献]

[1]胡   品，熊振湖，刘建明.分子印迹β-环糊精聚合物选择性识别水中的双酚A[J].高等学校化学学报，2012，33（9）：2 111-2 116.

[2]饶   维，蔡   蓉，陈   星，等.氧化石墨烯表面新型磁性四溴雙酚A印迹复合材料的制备及吸附性能[J].高等学校化学学报，2013，34（6）：1 353-1 359.

[3]闫   亮.三维碳基磁性印迹萃取材料制备及其性能研究[D].吉首：吉首大学，2017.

[4]王   璇，张程琨，何金兴.分子印迹固相微萃取纤维材料的制备研究进展[J].化工新型材料，2018，46（6）：235-238.