华法林分子印迹聚合物的制备及其吸附性能的分析

王慧格，宋立新，张云霞，李媛媛，游利琴，何 娟∗

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

华法林是双香豆素类衍生物,广泛用于预防和治疗人类血栓[1-2]。但华法林存在一些缺点,如治疗窗窄,过量使用可能会导致血栓或栓塞;孕妇使用华法林会对胎儿的骨骼发育产生严重影响;华法林疗效与不良反应个体差异较大等,因此需对华法林的含量进行严密监测[3-5]。

分子印迹技术是以目标物分子或其结构类似物为模板分子,使之与功能单体接触,两者在共价键或非共价键的作用下形成预聚物,然后在引发剂的作用下,预聚物和交联剂发生聚合反应,在模板分子周围形成高度交联的三维网状聚合物,然后用洗脱剂将模板分子从聚合物中移去,即得到分子印迹聚合物(MIP)[6-11]。MIP对目标物质具有选择特异性,不易受基质的影响,且能够重复使用。MIP的主要合成方法有悬浮聚合法和本体聚合法,但本体聚合法存在易爆聚使产物不达标的缺点。目前,使用分子印迹技术制备华法林印迹聚合物的报道较少。本工作采用悬浮聚合法[12-15],用华法林分子作为模板分子合成MIP,并对其吸附性能进行了试验,合成的MIP有望作为测试样品中华法林含量的前处理材料,为华法林的检测提供技术参考。

1 试验部分

1．1 仪器与试剂

岛津 UV-2450 型紫外-可见分光光度计;BS 210S型电子天平;DHG-9070A 型电热恒温古风干燥箱;SU 8000型高分辨场发射扫描电镜;JJ-1100w型精密增力电动型搅拌机;Vortex-QL-902型旋涡混合器。

华法林标准储备溶液:500 mg·L－1,称取0．05 g的华法林,用甲醇溶解并定容至100．0 m L。香豆素-3-羧酸溶液、7-乙酰氧基-4-甲基香豆素的配制方法同上。

华法林标准溶液:15 mg·L－1,称取120μL 的华法林标准储备溶液,加入280μL 甲醇,用水定容至4．0 m L。

华法林、香豆素-3-羧酸溶液、7-乙酰氧基-4-甲基香豆素混合标准溶液:15 mg·L－1,称取120μL的3种物质的储备溶液,加入40μL甲醇,用水定容至4．0 m L。

华法林的纯度大于98．0%;甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、二乙烯苯(DVB,交联剂)、过氧化苯甲酰(BPO,引发剂)、三氯甲烷(CHCl3)、甲醇、乙酸均为分析纯,聚乙烯醇相对分子质量为27 000;香豆素-3-羧酸的纯度大于98．0%;7-乙酰氧基-4-甲基香豆素的纯度大于98．0%;试验用水为去离子水。

1．2 仪器工作条件

紫外-可见分光光度计检测波长为306 nm,扫描范围为200～400 nm,光谱通带宽度为15 nm。

1．3 试验方法

1．3．1 MIP和非分子印迹聚合物(NIP)合成

称取华法林0．308 g,加入15 m L 三氯甲烷,0．649 m L GMA,超声5 min,再加入8．499 m L 的DVB,0．17 g含2%(占单体和交联剂质量加和的百分比)BPO 的三氯甲烷溶液,超声20 min。将混合溶液置于恒压漏斗中,在不断机械搅拌下,逐滴加入到含有10 g·L－1聚乙烯醇溶液100 m L的250 m L三口烧瓶中,滴加完成后,在80℃下反应8 h。反应结束后,倾出上清液,将得到的聚合物转移至烧杯中,用沸水反复洗涤,除去聚合物表面的聚乙烯醇,至上层液体澄清透明为止,得到了淡黄色的微球颗粒,在60 ℃干燥。取全部干燥好的固体,用体积比为4∶1的甲醇-乙酸溶液150 m L,在90 ℃下用索氏提取器回流洗脱华法林,每隔3 h取4 m L 洗脱液,用紫外-可见分光光度计检测洗脱液中华法林的含量,直至检测不出华法林为止,然后将索氏提取器中的溶液换为甲醇,除去残留乙酸,得到的MIP 在60 ℃烘干。

NIP的合成方法同上,除了不加入华法林。

1．3．2 吸附性能试验

1)不同华法林质量浓度

在0．5,1,5,8,10,15,20,30 mg·L－1的华法林溶液(介质为体积分数为10%甲醇溶液)4 m L中各加入MIP 10 mg,涡旋1 min,静置180 min。按仪器工作条件测量吸附前后的吸光度,用公式(1)计算吸附量:

式中:Q为吸附量,mg·g－1;ρ1 为起始质量浓度,mg·L－1;ρ2 为吸附后溶液的质量浓度,mg·L－1;V为吸附溶液的体积,m L;m为MIP的质量,mg。

NIP的吸附量测试方法同上。

为了进一步研究 MIP 的静态吸附过程,按照Langmuir方程,绘制了等温吸附曲线,以考察MIP对华法林的吸附性能。

式中:ρe为平衡质量浓度,mg·L－1;Qe为平衡吸附量,mg·g－1;k为Langmuir模型常数,mg·L－1;Qm为聚合物对华法林的最大吸附量,mg·g－1。

2)不同吸附时间

分别称取10 mg MIP置于7个10 m L 的离心管中,各加入15 mg·L－1的华法林标准溶液4 m L,在室温下分别静置吸附15,30,60,90,120,180,300 min后,以4 000 r·min－1转速离心1 min,取上清液,经0．22μm 滤膜过滤,按仪器工作条件测量吸附前后的吸光度,用公式(1)计算吸附量。

利用准二阶动力学模型研究了其动态吸附过程,以判断MIP对华法林的吸附过程是属于化学吸附还是物理吸附。

式中:t为吸附时间,min;Qt为任意吸附时间t下的吸附量,mg·g－1;k2为准二阶动力学模型吸附的速率常数,min－1;Qcal为理论吸附量,mg·g－1。

1．3．3 选择性吸附试验方法

称取10 mg的 MIP 于10 m L 离心管中,加入15 mg·L－1的华法林、香豆素-3-羧酸溶液、7-乙酰氧基-4-甲基香豆素混合标准溶液4 m L,振荡,在室温下吸附180 min。按仪器工作条件测量吸附前后的吸光度,并用公式(1)计算MIP的吸附量。

NIP的吸附量的测定方法同上。

通过印迹因子(IF)和选择性系数(SC)来分析MIP对华法林的选择性,根据公式(4),验证MIP的选择性[16-17]。

式中:QMIP为 MIP 对华法林的吸附量,mg·g－1;QNIP为NIP对华法林的吸附量,mg·g－1。

式中:w华法林为吸附目标物质华法林的质量分数,mg·g－1;w香豆素类为吸附竞争物质香豆素类的质量分数,mg·g－1。

2 结果与讨论

2．1 模板与交联剂比例的优化

MIP合成过程中,模板与交联剂的比例会对聚合物的刚性以及吸附量产生一定影响,如果加入的交联剂的比例过小,聚合物的刚性结构较为脆弱,易碎,残留到溶液中,不利于分离;交联剂比例过大,会导致聚合物中模板分子所占比例小,使MIP的吸附量减小。试验考察了不同模板与交联剂比例下合成的MIP对华法林吸附量的影响,见图1。

图1 模板-交联剂和吸附量的变化曲线Fig．1 Curve showing relationship between template-crosslinker ratio and amount adsorbed

由图1可知:随着模板-交联剂物质的量之比的增大,吸附量先增大后减小,当物质的量之比为1∶50时,吸附量较大,试验选择的模板和交联剂的物质的量之比为1∶50。

2．2 正交试验优化

为了对合成条件进一步优化,在单因素试验的基础上,设计了正交试验。其中A 为不同反应温度,分别为80,85,90 ℃;B 为模板(华法林)与单体GMA)的物质的量之比,分别为1∶4,1∶5,1∶6;C为模板(华法林)与交联剂(DVB)的物质的量之比,分别为1∶40,1∶50,1∶60;D 为引发剂BPO 用量,分别为1%,1．5%,2%(质量分数,占单体和交联剂质量和的百分比),具体试验条件见表1。

由表1可知:和B、C、D 因素相比,A 因素吸附量平均值的极差最大,说明温度对合成聚合物的吸附量的影响最大。比较表中各因素的平均值,A 因素中,80 ℃时的吸附量最大,试验选择80 ℃作为反应温度。同理可确定引发剂的最佳用量为2%,模板∶单体∶交联剂的最佳物质的量之比为1∶5∶60。

表1 正交试验结果Tab．1 Results of orthogonal test

2．3 聚合物的表征

为了确定合成的MIP的形貌特征,对其进行了扫描电镜表征,见图2。

图2 MIP的扫描电镜图Fig．2 Scanning electron microscopy images of MIP

由图2(a)可以看出:MIP 呈球形,表面没有破损且有小孔存在,保证了MIP良好的吸附性能。在图2(b)中,可看出合成的MIP颗粒较为均匀。

2．4 MIP和NIP的吸附性能

MIP和NIP 对不同质量浓度华法林溶液的吸附量曲线及MIP 对不同质量浓度华法林溶液的等温吸附曲线见图3。

图3 不同质量浓度的华法林溶液下,MIP和NIP的吸附量曲线和MIP的Langmuir等温吸附曲线Fig．3 Adsorption curves of MIP and NIP and Langmuir isotherm adsorption curve of MIP under different mass concentrations of warfarin solutions

由图3(a)可知:随着华法林质量浓度的增加,MIP和NIP的吸附量都逐渐增大,当华法林质量浓度为20 mg·L－1时,继续增加华法林的质量浓度,吸附量不再变化,达到了吸附平衡,且MIP 的吸附量始终高于NIP;由图3(b)可知,Langmuir等温吸附曲线是一条直线,吸附等温方程为y＝0．337 0x＋0．610 5,相关系数为0．991 1,说明此吸附过程符合Langmuir模型,吸附类型为单分子层吸附[18]。

吸附时间对MIP吸附量及MIP的准二级动力学模型曲线见图4。

图4 不同吸附时间下MIP的吸附量曲线和MIP的准二级动力学模型曲线Fig．4 Adsorption curves of MIP and pseudosecond-order kinetic model curve of MIP under different adsorption time

由图4(a)可知:随着吸附时间的增大,MIP 的吸附量先增大后减小,在180 min时取得较大吸附量。由图4(b)可知:准二级动力学模型曲线是一条直线,方程为y＝0．423 8x＋2．879,相关系数为0．991 5,说明该吸附是一个化学相互作用的过程,吸附速率受到模板与聚合物结合能力的影响,为其特异性识别提供了依据[17]。

2．5 选择性吸附

对合成的分子印迹聚合物进行选择性测定,见表2。

表2 MIP和NIP的选择性吸附测试结果Tab．2 Results of test for selectivity of MIP and NIP

由表2可知:印迹因子均大于1,说明 MIP 对3种化合物的吸附量比NIP 的大;且对比 MIP 对3种香豆素类物质的吸附量的大小,发现MIP对华法林的吸附量最大,说明MIP 有较好的选择特异性。NIP对各物质的吸附量相近,说明其没有特异选择能力。当选择性系数大于1时,可认为MIP对华法林具有良好的选择性,其中 MIP 对7-乙酰氧基-4-甲基香豆素和华法林之间的选择性更好,而对香豆素-3-羧酸和华法林之间的选择性较差,可能是由于香豆素-3-羧酸的结构较小,更容易被吸附。

本工作通过悬浮聚合法,以华法林作为模板分子,合成了MIP,通过单因素试验,正交试验确定了最佳合成条件,通过Langmuir和准二级动力学模型对其吸附性能进行了考察。本方法合成的MIP对华法林的吸附性能好,选择特异性高,可作为处理华法林的材料。