磁性分子印迹聚合物制备及其对环境水样中雌二醇的特异性吸附性能研究

常梦珠，沈 翔，洪建和，何 岗

(中国地质大学(武汉)材料与化学学院，湖北 武汉 430074)

内分泌干扰物(EDCs)是一类通过阻断或模仿激素的正常作用、影响激素的合成和代谢、改变激素的受体水平，从而干扰动物和人类内分泌系统功能的有机污染物质[1]。雌二醇(E2)是脊椎动物体内主要的雌激素，其含量异常会引起性行为改变、生育率降低、生殖异常、乳腺癌等问题[2-5]。此外，雌激素也会通过生物积累进入食物链，对环境和人类健康产生较大的威胁[6-7]。研究表明，E2主要通过人类和动物的尿液和粪便以活性游离、活性葡萄糖醛酸和硫酸盐偶联物的形式排出，分泌量最大的是孕妇和经期妇女，其中孕妇每天排泄的尿液和粪便中分别含有308 μg E2和202 μg E2，经期妇女每天排泄的尿液和粪便中分别含有4.66 μg E2和0.2 μg E2[8-10]。这些雌激素最终通过污水处理管网进入环境[9,11]。随着世界人口的快速增加，污水排放量迅速上升，环境中存在的雌激素对环境产生的危害也越来越大，而高级氧化技术能够快速去除环境中雌激素已引起人们广泛的关注[12-14]。然而，准确地测定水处理样品中残余的低浓度雌激素还面临挑战[15-16]。

磁性分子印迹聚合物(MMIPs)作为一种新兴的高性能材料[17-19]，将传统的分子印迹聚合物与磁性纳米颗粒复合，不仅具有与模板分子大小、形状和官能团互补的特异性结合位点，可以特异性识别模板分子，而且在外加磁场的作用下，可快速地与溶液分离，大大简化了复杂的分离步骤[20-23]。de Oliveira等[24]、Wang等[25]等开发了一种新型印迹方法，通过控制印迹位点位于或接近于印迹材料表面，从而增加有效印迹位点的个数，提高了印迹容量，并加快了传质速率，有利于模板分子的扩散和洗脱，可实现对模板分子更高效率、更高选择性的分离；Huang[26]等以双酚A(BPA)作为模板分子、2-乙烯吡啶作为功能单体，采用本体聚合法成功合成了可对BPA选择性识别的分子印迹高聚物，并将聚合微球应用于固相萃取吸附剂，为从复杂体系中分离与富集BPA提供了一种有效的方法。

基于上述研究，本文采用水热法合成了磁性纳米颗粒Ni0.5Zn0.5Fe2O4，采用TEOs、MPS对磁性颗粒进行修饰和改性，并以此为载体制备了能对E2特异性识别和吸附的磁性分子印迹聚合物(MMIPs)，并将制备的MMIPs应用于实际环境水样中以验证其抗干扰性，从而实现对实际环境水样中E2的特异性识别和吸附。

1 材料与方法

1.1 试验试剂和仪器

试验试剂：硫酸亚铁铵、硝酸镍、硝酸锌、尿素、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、乙醇、甲醇、氨水、正硅酸乙酯(TEOs)、甲基丙烯酰氧-丙基三甲氧基硅烷(MPS)、乙腈、雌二醇(E2)、丙烯酰胺(AM)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、偶氮二异丁腈(AIBN)、聚乙烯吡咯烷酮-K30(PVP-K30)。试验所使用的药品均为分析纯且未经过任何处理。

试验仪器：高效液相色谱仪、超高效液相色谱串联质谱仪。

高效液相色谱条件如下：流动相为乙腈-水(60∶40，V/V)；流速为1 mL/min；检测波长为281 nm；柱温为25℃；进样量为20 μL。

超高效液相色谱-串联质谱条件色谱条件如下：①色谱条件：色谱柱为Hypersil GOLD C18(3.0 μm×3 mm×150 mm)；柱温为40℃；流动相为水(A)-乙腈(D)；流速为0.25 mL/min；梯度洗脱条件为0～5 min 30% D、5～10 min 90%D、10～13 min 30% D；进样量为10 μL。②质谱条件：离子源为加热电喷雾电离源(HESI)；扫描方式为负离子扫描；电喷雾电压为3.2 kV；S-lens自动增益水平为50%；离子传输管温度为320℃；Full MS质量分辨率为70 000；M/Z为200～400；其他参数设为默认值。

本试验所使用的水样分别来自武汉市汤逊湖污水处理厂和某养殖场，其未经过滤直接保存在4℃环境下。

1.2 雌二醇磁性分子印迹聚合物的制备

(1) Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2@MPS(NSM)纳米颗粒的制备：参考文献[27]合成Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁性纳米颗粒，将700 mg 磁性颗粒加至乙醇/水(4∶1，V/V)的混合溶液中，超声20 min；搅拌下分别加入5 mL氨水、4 mL正硅酸乙酯，室温下搅拌6 h，磁铁收集产物，分别用乙醇和去离子水洗涤，60℃下真空干燥12 h，得到Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)纳米颗粒；在圆底烧瓶中加入乙醇/水(3∶1，V/V)和少量KH570的混合溶液，室温水解1 h，然后加入200 mg NS微粒并超声分散，50℃下搅拌反应6 h，磁块收集产物，分别用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥12 h，得到NSM纳米颗粒。

(2) 制备雌二醇磁性分子印迹聚合物(E2-MMIPs)：将0.25 mmol E2、2mmol AM溶于20 mL乙腈，室温下搅拌1 h；然后加入100 mg NSM纳米颗粒、20 mg PVP-K30，搅拌2 h；继续加入30 mg AIBN、10 mmol EGDMA，通N230 min之后，密封，65℃下反应24 h；磁铁收集产物，用甲醇/乙酸(9∶1，V/V)超声洗脱模板分子，重复多次，直至高效液相色谱仪在洗脱液中检测不到模板分子，最终得到雌二醇磁性分子印迹聚合物(E2-MMIPs)。采用同样的方法合成不加模板分子的雌二醇磁性分子印迹聚合物(E2-MNIPs)。

1.3 吸附试验

为探究E2-MMIPs的吸附等温线，将20 mg E2-MMIPs加入到10 mL E2溶液中，E2溶液浓度分别为0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L、4 mg/L、5 mg/L、8 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L。将溶液放入振荡箱中，在温度为298K、转速为200 r/min下振荡30 min，外磁场沉淀后，取上清液，使用Agilent1220高效液相色谱仪测定。

为探究E2-MMIPs的吸附动力学，将20 mg E2-MMIPs加入到10 mL E2溶液(E2溶液浓度为20 mg/L)中，测定不同时间E2-MMIPs对E2的吸附量。其吸附量计算公式如下：

(1)

式中：Q为吸附材料的吸附容量(mg/g)；C0为E2的初始浓度(mg/L)；V为溶液的体积(L)；m为吸附材料的质量(g)；Ce为E2吸附平衡时的浓度(mg/L)。

1.4 实际水样的测定

使用C18固相萃取小柱对两种实际水样进行萃取，甲醇/乙腈(1∶1,V/V)洗脱，N2吹扫至0.5 mL，甲醇定容至1 mL，采用HPLC-MS/MS对E2进行定性和定量测定。

2 结果与讨论

2.1 材料的结构和热稳定性

图1为制备的Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)和E2-MMIPs样品的透射电子显微镜(TEM)结构图。

图1 Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)和 E2-MMIPs的透射电子显微镜结构图Fig.1 TEM image of Ni0.5Zn0.5Fe2O4,Ni0.5Zn0.5Fe2O4@ SiO2(NS) and E2-MMIPs

由图1可见，Ni0.5Zn0.5Fe2O4纳米颗粒的分散性较好，颗粒形状近似球形[见图1(a)]，SiO2包覆层厚度大约为10 nm[见图1(b)]，E2-MMIPs成功地被多层包覆，且呈高度交联的网状结构[见图1(c)、(d)]。

图2为Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)和E2-MMIPs样品的X射线衍射(XRD)图谱。

图2 Ni0.5Zn0.5Fe2O4、Ni0.5Zn0.5Fe2O4@SiO2(NS)和 E2-MMIPs的X射线衍射图谱Fig.2 XRD patterns of Ni0.5Zn0.5Fe2O4，Ni0.5Zn0.5Fe2O4@ SiO2(NS) and E2-MMIPs

由图2可见，Ni0.5Zn0.5Fe2O4在2θ分别为35°、43°、56°、62°处有明显且尖锐的衍射峰，归属立方晶系的特征峰，经过SiO2和MIPs包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4晶型没有变化，但衍射峰强度有所下降，可能是由于表面包裹了分子印迹聚合物。

不同样品的红外光谱(FT-IR)图见图3。

由图3可见，曲线1中587 cm-1处的吸收带为Fe—O的伸缩振动；曲线2中的807 cm-1、954 cm-1和1 083 cm-1吸收带分别对应于Si—O—Si和Si—O的拉伸振动，说明硅成功地接枝到Ni0.5Zn0.5Fe2O4纳米颗粒表面，3 114 cm-1和3 674 cm-1处出现明显的宽峰，是SiO2物理吸附水分子和表面的硅醇键所含的O—H伸缩振动峰，表明硅成功水解并形成了相应的硅醇键；曲线3中2 927 cm-1处的吸收带与MPS中C=H的拉伸振动相对应，表明NS成功得到了改性，曲线4中1 727 cm-1处的吸收带为C=O的伸缩振动，表明印迹聚合物层已经接枝到磁性颗粒上；曲线4和5中E2-MMIPs与E2-MNIPs的FT-IR光谱几乎相同，这是由于E2-MMIPs去除模板分子后，它们的化学成分相似。

图3 不同样品的红外光谱图Fig.3 Infrared spectra of different samples注：曲线1为Ni0.5Zn0.5Fe2O4样品；曲线2为NS样品；曲线3为NSM样品；曲线4为E2-MMIPs样品;曲线5为E2-MNIPs样品

进一步，通过E2-MMIPs、E2-MNIPs样品的热重分析结果表明，E2-MMIPs样品的质量损失主要包括三个阶段：第一阶段在100℃以内，主要为材料表面的吸附水散失，两种材料损失基本一致；第二阶段在250～350℃之间，主要为SiO2表面功能基团的快速分解；第三阶段在350℃之间，主要为SiO2表面分子聚合物的分解。两种样品的质量损失趋势比较相似，E2-MMIPs样品的总损失比E2-MNIPs样品少了4.92%，这可能是由于E2-MMIPs样品表面存在分子印迹部位，这使E2-MMIPs样品在200℃以下显示出较好的热稳定性。

图4为E2-MMIPs和E2-MNIPs样品的N2吸附-脱附等温线。

图4 E2-MMIPs和E2-MNIPs样品的N2吸附-脱附 等温线Fig.4 N2 adsorption-desorption isotherm of E2-MMIPs and E2-MNIPs

由图4可见，E2-MMIPs和E2-MNIPs样品的BET比表面积分别为96.84 cm2/g、12.63 cm2/g，孔体积为0.478 cm3/g，这可能是由于丙烯酰胺的—OH和—NH与E2之间形成了氢键，形成了复杂的特异性识别位点；E2-MMIPs样品等温线的急剧上升和小的滞后回线表明该材料存在介孔，这预示E2-MMIPs样品具有优异的吸附性能。

图5为不同样品的磁滞回线。

图5 不同样品的磁滞回线Fig.5 Hysteresis loop of different samples注：a曲线为Ni0.5Zn0.5Fe2O4样品;b曲线为NS样品; c曲线为NSM样品;d曲线为E2-MMIPs样品

由图5可见，室温下，Ni0.5Zn0.5Fe2O4、NS、NSM、E2-MMIPs和E2-MNIPs样品的饱和磁化强度分别为21.35 emu/g、10.46 emu/g、9.16 emu/g、4.23 emu/g和4.01 emu/g；E2-MMIPs样品的磁性有所下降，这是由于其表面有非磁性包覆层；E2-MMIPs样品负载前后矫顽力变化较小，归属于软磁材料。磁性测试结果表明：虽然所合成的E2-MMIPs样品的磁性有所下降，但仍能满足回收利用的磁性要求(见图5中插图2)。

2.2 吸附试验

2.2.1 功能单体与交联剂比例的优化

功能单体结构单元中通常包括识别基团和聚合基团两部分基团，因此合格的功能单体应同时具有与模板分子有较好的聚合能力和较强的识别作用。甲基丙烯酸作为功能单体时E2-MMIPs与E2-MNIPs对E2的吸附量相差最大，但是E2-MMIPs对E2的吸附量较小;而丙烯酰胺作为功能单体合成的聚合物对E2的吸附量大、且特异性吸附效果好，所以本次选择丙烯酰胺作为功能单体进行吸附试验。

模板分子、功能单体与交联剂的比例会影响识别位点的稳定性、模板分子的去除效率以及网状聚合物的机械强度。过低比例的交联剂聚合物的孔径较大，有利于模板分子的扩散和转移，而过高比例的交联剂聚合物的孔径较小，会引起传质阻力，从而影响对目标物质的吸附效果。本试验探究了模板分子、功能单体与交联剂不同比例的E2-MMIPs对E2的吸附效果，见表1。

表1 模板分子、功能单体与交联剂不同比例的E2-MMIPs对E2的吸附效果

由表1可知，模板分子、功能单体与交联剂的比例(摩尔比)为1∶8∶40时合成的聚合物E2-MMIPs对E2的吸附效果最好(吸附量QMMIPs为9.30 mg/g)。

2.2.2 E2-MMIPs与E2-MNIPs吸附性能的对比

针对E2-MMIPs和E2-ENIPs样品，本试验考察了不同吸附液浓度C对E2吸附效果的影响，见图6。

图6 不同吸附液浓度对E2吸附效果的影响Fig.6 Effect of adsorption concentration on the adsorption of E2

由图6可见，随着吸附液浓度的增加，两种样品对E2的吸附量Q迅速变大，当吸附液浓度增加到60 mg/L时，逐渐达到吸附平衡;E2-MMIPs样品最大吸附量为23.83 mg/g，高于E2-MNIPs样品，表明E2-MMIPs表面的识别位点对E2具有更好的化学和空间匹配度,而E2-MNIPs样品与模板分子E2的相互作用可能主要是非特异性吸附。

针对E2-MMIPs和E2-ENIPs样品，本试验考察了不同接触时间对E2吸附效果的影响，见图7。

图7 不同接触时间对吸附E2的影响Fig.7 Effect of contact time on the adsorption of E2

由图7可见，前20min内，两种样品对E2的吸附量迅速上升，到30 min时逐渐达到吸附平衡；E2-MMIPs样品对E2的吸附量大于E2-MNIPs样品，表明E2-MMIPs具有与模板分子E2相匹配的结合位点和孔穴，同时具有较强的选择性吸附能力。

2.2.3 吸附等温线分析

本文采用Langmuir和Freundlich等温方程来评估E2-MMIPs和E2-MNIPs样品的吸附行为。它们的线性吸附等温方程如下：

(2)

(3)

式中：qe为吸附平衡时的吸附量(mg/g)；Ce为吸附平衡浓度(mg/L)；qm为最大吸附量(mg/g);b为Langmuir方程常数;n和Kf为Freundlich方程常数。

线性Freundlic模型对E2-MMIPs和E2-MNIPs样品吸附E2的拟合曲线和各参数，见图8和表2。

由图8和表2可见，线性Freundlich模型拟合曲线的相关系数R2更高，说明其吸附类型更接近多层的、吸附位点不均匀的吸附。

表2 线性Langmuir模型和Freundlich模型的拟合参数

图8 线性Freundlich 模型对E2-MMIPs和E2-MNIPs 样品吸附E2的拟合曲线Fig.8 Fitting of linear Freundlich model for E2 adsorption

2.2.4 吸附动力学分析

吸附动力学研究是决定吸附剂能否大规模应用，且反映其可行性及效率的主要指标。本文采用线性准一级和准二级动力学方程对其吸附行为进行评估，并探讨其机理。它们的线性吸附动力学方程如下：

ln(qe-qt)=lnqt-k1t

(4)

(5)

式中：qe为吸附平衡时的吸附量(mg/g);qt为t时刻的吸附量(mg/g);t为接触时间(s);k1(min-1)和k2(g/mg·min)分别为准一级和准二级方程的速率常数。

线性准二级动力学方程对E2-MMIPs和E2-MNIPs样品吸附E2的拟合曲线和各参数，见图9和表3。

图9 线性准二级动力学方程对E2-MMIPs和 E2-MNIPs样品吸附E2的拟合曲线Fig.9 Fitting of linear pseudo second order kinetic equation to adsorption E2

表3 线性准一级和准二级动力学方程的拟合参数

由图9和表3可见，准二级动力学方程拟合曲线的相关系数R2更高，且平衡吸附量qe,2(cal)比准一级动力学方程的更接近试验值qe(exp)，说明该吸附过程更符合准二级动力学模型的吸附特征，其反应速率与浓度的平方成正比。

2.2.5 对水样中E2的吸附性能分析

为了进一步探究E2-MMIPs的吸附抗干扰性，取污水厂污水和养殖废水两种不同水体，测定出养殖废水中E2的含量为80 ng/L，而在污水厂污水中未检出E2。在上述两种水体及纯水中加入E2，配置成浓度分别为1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L、4 mg/L、5 mg/L、8 mg/L和10 mg/L的加标溶液，用E2-MMIPs对其进行吸附。

图10和图11分别为未加标的两种水样的HPLC-MS/MS定性分析结果和三维荧光谱图。

由HPLC-MS/MS定性分析结果(见图10)可以看出:在两种水体中均存在不同的E2类似物。三维荧光谱图显示(见图11)，原始的污水厂污水主要在芳香族蛋白区出现峰，养殖废水主要在腐殖酸区存在峰，且养殖废水中出现的峰强度远高于污水厂污水中的峰强度。由此可见，在这两种实际水体中存在较大的有机基体干扰，可能会对E2-MMIPs在实际水体中对E2的吸附产生较大的干扰。

图10 原始实际水样的HPLC-MS/MS定性检测结果Fig.10 HPLC-MS/MS qualitative detection of sewage and aquaculture wastewater

图11 原始实际水样的三维荧光谱图Fig.11 Three-dimensional fluorescence spectrogramof actual water samples

图12为E2-MMIPs对水样中E2的吸附效果。

图12 E2-MMIPs对水样中E2的吸附效果Fig.12 Application of MMIPs in actual water samples

由图12可见，E2-MMIPs对水样中E2的吸附结果与三维荧光光谱图和HPLC-MS/MS定性分析结果基本一致，即基体干扰越大的水体中E2-MMIPs对E2的吸附量下降得越多，养殖废水中E2-MMIPs对E2的吸附量平均降低率为16.17 %，污水厂污水中E2-MMIPs对E2的吸附量平均降低率为5.61 %。由此可见，该E2-MMIPs在复杂的实际水体中对于E2的吸附具有较强的抗干扰性。

3 结 论

本文采用水热法合成了磁性纳米颗粒Ni0.5Zn0.5Fe2O4，采用SiO2和硅烷偶联剂对其进行修饰和改性，以此为载体利用表面分子印迹技术制备了磁性分子印迹聚合物(E2-MMIPs)。所制备的E2-MMIPs具有良好的软磁性，可以在30 s内从样品基质中分离出来。通过对其吸附动力学的研究，推测了模板分子和功能单体之间的作用方式。此外，通过对E2-MMIPs吸附等温线的拟合可知，该吸附为多层的、吸附位点不均匀的类型。通过试验条件的优化证明丙烯酰胺作为功能单体，模板分子、功能单体与交联剂的比例为1∶8∶40时合成的E2-MMIPs对E2具有最佳的吸附性能，对E2的最高吸附量可达23.83 mg/g，且E2-MMIPs比E2-MNIPs具有更好的特异性识别性能。进一步应用于实际环境水样，结果表明：E2-MMIPs可以在复杂水体中对E2进行特异性吸附和识别，具有较强的抗干扰能力。