茶碱分子印迹聚酰亚胺纳米纤维膜的制备与表征

吕建峰,　许振良,　马晓华（华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,膜科学与工程研发中心,上海200237）



茶碱分子印迹聚酰亚胺纳米纤维膜的制备与表征

吕建峰,许振良,马晓华
（华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,膜科学与工程研发中心,上海200237）

摘 要:以聚酰胺酸（PAA）溶液为原料,采用静电纺丝法制备了聚酰胺酸纳米纤维膜（PAAM）,热处理脱水后获得聚酰亚胺纳米纤维膜（PIM）。采用PIM表面预涂覆聚甲基丙烯酸（PMAA）,以茶碱（THO）为模板分子、偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）为交联剂、氯仿为溶剂,在PIM表面进行了热交联反应,制备了THO分子印迹聚酰亚胺纳米纤维复合膜（PIMIM）。讨论了纺膜条件,并用傅里叶红外光谱与扫描电镜分别表征了PIMIM的结构和形态,比较了THO的洗脱方式。结果表明：较佳的纺膜条件为纺丝电压15.0 k V、接收距离12.0 cm和纺丝液流量0.5 m L/h。以PIM为支撑体,获得了聚酰亚胺纳米纤维间有分子印迹层的PIMIM。PIMIM对THO的静态吸附结合容量达144μmol/g,对THO与可可碱（TB）的选择性分离因子达1.96。对PIMIM循环再生,索氏提取法优于超声洗脱法。

关键词:分子印迹膜；纳米纤维；静电纺丝；聚酰亚胺

Key words：molecularly imprinted membrane；nanofiber；electrospinning；polyimide

分子印迹膜技术将分子印迹技术与膜技术相结合,从而实现了膜的分子特异性识别与分离。静电纺丝法制备的纳米纤维膜具有比表面积与孔隙率较大等优势,将其应用于分子印迹膜技术,具有广泛的应用前景［1-2］。目前,关于分子印迹纳米纤维膜的制备过程主要是：先利用沉淀聚合法制备纳米微球［3-7］,再使微球通过物理混合进入高分子聚合物载体溶液,最后通过静电纺丝将分子印迹纳米微球固定在高分子纳米纤维载体上［8-13］。因此,所制的分子印迹膜面临着微球上印迹位点被高分子载体物质堵塞的问题,导致有效位点大幅度降低,即使纳米纤维上通过化学或物理方法开孔,也有较大的技术难度。

茶碱（THO）和可可碱（TB）是同分异构体,均为临床医药,但其药效不尽相同。THO具有强心、扩张冠状动脉、兴奋中枢神经系统等作用,常用于治疗支气管哮喘、支气管炎等。TB具有利尿、松弛平滑肌等作用。因此,研究如何有效分离这两种物质具有较大的医学意义。

关于THO或其他模板分子印迹复合膜的制备研究［14-16］,一般采用有机或无机材料的平板或中空纤维微滤膜为基膜,采用热引发或紫外引发聚合的方法生成功能分离层,目前尚鲜见以高分子纳米纤维膜为基膜制备分子印迹膜的有关研究。

考虑到分子印迹膜的抗溶胀性能和循环利用,以及对模板分子有更大吸附结合容量（更多印迹位点）,本文采用静电纺丝法［17-18］制备了耐化学性好、抗溶胀性强、比表面积大的聚酰亚胺纳米纤维基膜（PIM）。采用PIM表面预涂覆聚甲基丙烯酸（PMAA）与表面热引发交联反应两步法制备了THO分子印迹聚酰亚胺纳米纤维膜（PIMIM）,并对膜的静态吸附量和动态选择性分离因子进行了测试。

1　实验部分

1.1试剂

不锈钢滤网：300目（48μm）,上海怡翔金属制品有限公司；聚酰胺酸（PAA）溶液（溶剂为N,N-二甲基乙酰胺）：w＝16.0%,常州福润特塑胶新材料有限公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）：w≥98.0%,Acros Organic公司；甲基丙烯酸（MAA）：w≥99.0%,Acros Organic公司；偶氮二异丁腈（AIBN）、氯仿、乙醇、乙酸：分析纯,国药集团化学试剂有限公司；THO、TB：w≥99.0%,Sigma公司,其分子结构式如下所示：

1.2实验过程

1.2.1 PIM的制备 量取15 m L PAA溶液于25 m L一次性注射器,静置脱泡后,以不锈钢滤网为接收基层,用深圳市通力微纳科技有限公司的高压静电纺丝仪纺膜12.0 h后得到PAAM,备用。图1为梯度升温热处理程序图,对PAAM进行脱水环化处理,得到不锈钢滤网支撑的PIM,备用。

图1　PAAM热处理程序Fig.1 Heat treatment program of PAAM

1.2.2 聚甲基丙烯酸（PMAA）乙醇溶液的制备及预涂覆 在90.0 g乙醇中加入10.0 g MAA、0.05 g AIBN,采用溶液聚合法,60℃反应24 h,得到无色透明、黏稠的PMAA乙醇溶液。将其用乙醇稀释,配成w（PMAA）分别为0.02,0.04,0.06,0.08,0.10的溶液。称取5份1.0 g PIM,分别浸入10.0 m L上述不同质量分数的PMAA溶液中,超声10 min,取出放入烘箱60℃烘干24 h,烘干前后的质量差即为PMAA的有效涂覆质量。

1.2.3 THO分子印迹聚酰亚胺纳米纤维膜（PIMIM）的制备 称取THO 0.09 g（0.5 mmol）、EDMA 1.98 g（20.0 mmol）、AIBN 0.033 g（0.2 mmol）,加入10.0 m L氯仿,超声混合30 min,充氮脱氧10 min。将已预涂覆PMAA的PIM浸入上述溶液中,放入冰箱冷藏12 h后取出,置于充满氮气的三角瓶中密封,60℃反应24 h。用乙酸的乙醇溶液（乙酸的体积分数为10%）100 m L超声洗脱30 min,重复5次以上,再用乙醇洗去残留的乙酸,直至紫外可见分光光度计下（272 nm）检测不到THO为止,即得到PIMIM,其制备机理如图2所示。非分子印迹膜（PINIM）的制备不添加THO,其他操作步骤与PIMIM的制备方法相同。

图2　THO分子印迹膜层的制备机理Fig.2 Reaction mechanism of THO molecularly imprinted membrane layer

1.3测试与表征

用日本Hitachi公司S-3400N型扫描电子显微镜观察膜的表面形态；用美国热电科学仪器公司Nicolet 5700型傅里叶红外光谱仪表征膜的结构变化；用贝士德仪器科技（北京）有限公司3 H-2000PB型泡压法滤膜孔径分析仪测试膜的孔径；用日本岛津公司UV-1800型紫外可见分光光度计测试乙醇溶液中THO或TB的吸光度。

称取1.0 g PIMIM浸没于15.0 m L预先配制的1.0 mmol/L的THO乙醇溶液中24 h,在紫外可见分光光度计下（272 nm）,检测吸附前后溶液中THO吸光度的变化。根据公式（1）计算PIMIM对THO的吸附结合容量（Q,μmol/g）：

其中：co与ce分别是吸附前后料液中THO的浓度,mmol/L；V是料液体积,m L；m是PIMIM的分子印迹层质量,g。

将THO与TB的混合乙醇溶液（THO、TB的进料液浓度均为1.0 mmol/L）,采用错流过滤方式,检测膜的选择性分离因子。图3为THO与TB分离过程的渗透机理示意图（促进渗透）［19］：THO优先吸附到PIMIM的三维空穴,在浓度梯度推动下进入渗透液侧,而大部分TB不能顺利通过,则被截留在进料液侧。

图3　PIMIM对THO和TB的选择性渗透Fig.3 Selective permeance of PIMIM for THO and TB

将分子印迹膜封装于组件,由蠕动泵将混合料液从膜功能层侧流过,空白溶液乙醇从膜下侧支撑层侧流过,一定时间后取用渗透液,紫外测试THO与TB的含量。根据公式（2）计算膜对THO的选择性分离因子（α）：

其中：α为选择性分离因子；cTHOe与cTHO0分别为THO在渗透液中的浓度与初始浓度,mmol/L；cTBe与cTB0分别为TB在渗透液中的浓度与初始浓度,mmol/L。

2　结果与讨论

2.1聚酰胺酸纳米纤维膜（PAAM）的电纺条件

保持滚筒滚动速率300 r/min、纺针移动速率40 cm/min和纺膜时间12 h不变,不同纺膜电压（V）、接收距离（d）和纺丝液流量（F）得到的PAAM的SEM照片如图4所示。在电纺过程中,当电压为18.0 k V 时,纺丝针头喷出的聚合物存在较为严重的鞭动现象,这可能是电压增大导致静电斥力增强的结果；而12.0 k V和15.0 k V比较稳定。当纺丝液流量为1.0 m L/h时,由于纺膜过程中溶剂挥发量不够,收集到的纤维重新溶解,形成大面积密闭聚合物层；而0.5 m L/h和0.7 m L/h比较合适。接收距离也是影响溶剂挥发量的重要因素。综上比较,较佳的静电纺丝条件为：15.0 k V、12.0 cm和0.5 m L/h。

图4　纺膜电压、接收距离和纺丝液流量对PAAM形态的影响Fig.4 Effects of electrospun voltages,receiving distances and spinning dope flow rates on shapes of PAAM

2.2膜表面的形态与结构

图5为PAAM、PIM和PIMIM的SEM图。PAAM在热处理之后,纳米纤维直径明显增大,可能是亚胺化过程中相对细小的纤维之间相互黏结成较粗的纤维。在涂覆PMAA及热交联反应后,在聚酰亚胺纳米纤维间隙之间存在大量新的聚合物层。

图5　PAAM（a）、PIM（b）和PIMIM（c）的SEM图Fig.5 SEM images of PAAM（a）,PIM（b）and PIMIM（c）

表1为PAAM、PIM和PIMIM的孔径对比,PAAM热处理之后得到PIM,平均孔径变大。PIMIM平均孔径减小,这是分子印迹聚合物层填充了大部分纳米纤维间隙的结果。

图6为PAAM、PIM和PIMIM的FT-IR谱图,PAAM在高温亚胺化后,吸收峰有明显变化。PAAM的红外谱图中,1 717、1 654 cm－1处分别为PAAM的CO的不对称伸缩和对称伸缩振动,1 536、1 215 cm－1处分别为CO—NH的不对称伸缩和对称伸缩振动。PIM的红外谱图中,PAAM的吸收峰明显减弱,相应的聚酰亚胺的特征峰增强,1 775、1 717 cm－1处分别为聚酰亚胺的CO不对称伸缩和对称伸缩振动,1 374、723 cm－1处分别为C—N伸缩和C O的弯曲振动。PMIM的红外图谱中,2 988 cm－1处为聚合反应后PMAA羧基的O—H伸缩振动,峰宽而散。交联剂EDMA与PMAA热交联反应后,在1 300～1 000 cm－1有明显的吸收带：1 246、1 049 cm－1处分别为C—O—C的不对称振动和对称振动。

表1　PAAM、PIM和PIMIM的孔径对比Table 1 Pore diameter contrast of PAAM,PIM and PIMIM

图6　PAAM、PIM和PIMIM的FT-IR谱图Fig.6 FT-IR spectra of PAAM,PIM and PIMIM

2.3分子印迹膜的结合性能与分离因子

图7为PIM、PINIM和PIMIM对THO与TB的结合容量对比。PIM和PINIM对THO与TB均有较低的结合容量,无明显的选择性。PIMIM的结合容量（对THO达到144μmol/g）明显高于PIM与PINIM 的,且对THO与TB的结合容量有明显差异,具有选择性。

图8为PIMIM和PINIM对THO与TB的动态分离过程中,渗透液浓度与过滤时间的关系曲线。在0～180 min,渗透液中THO与TB浓度均上升,其中PIMIM渗透液中THO浓度上升最快,这也表明了THO与TB分离过程属于促进渗透机理。在180 min以后均达到稳定,且PIMIM渗透液中THO（0.263 mmol/L）与TB（0.134 mmol/L）浓度比值最大时,分离因子达到1.96,明显高于PINIM的（α＝1.11）。

图7　PIM、PINIM和PIMIM对THO与TB结合容量Fig.7 THO or TB binding capacities of PIM,PINIM and PIMIM

2.4分子印迹膜制备的反应配比

根据文献［15］,制备茶碱分子印迹膜的最佳反应配比为：n（THO）∶n（MAA）∶n（EDMA）∶n（AIBN）＝1∶4∶20∶0.4,溶剂CHCl3用量：每0.5 mmol THO为10 m L。采用上述配比,在PIM上制备分子印迹层,结果表明：印迹层质量仅为PIM质量的0.001,且分离因子仅为1.4。原因可能是印迹层含量过低,绝大部分THO与TB都从纳米纤维间隙中透过,分离效果不良。因此,本文提出了改进方案,在PIM上预涂覆PMAA,再通过热引发交联反应两步法制备PIMIM,其他试剂用量与文献［15］保持一致。表2为PMAA涂覆质量与分离因子的关系,结果表明：随着PMAA预涂覆溶液质量分数w（PMAA）的增加,PMAA有效涂覆量增加,分离因子先增加后减少,当w（PMAA）＝0.08时,折算n（MAA）∶n（EDMA）＝1∶5.3,分离因子最高为1.96。

图8　渗透液浓度与过滤时间的关系Fig.8 Relationship between permeate concentration and filtration time

表2　PMAA涂覆质量与分离因子的关系Table 2 Relationship between PMAA coating mass and separation factor

2.5分子印迹膜的循环利用性能

图9为PIMIM首次（PIMIM-1）用于分离THO与TB混合体系后,用超声洗脱和索氏提取24 h后循环利用的分离因子与过滤时间的关系图（超声洗脱2次、3次使用膜分别为PIMIM-2a、PIMIM-3a；索氏提取2次、3次使用膜分别为PIMIM-2b、PIMIM-3b）。在使用5 h后,PIMIM-1、PIMIM-2a、PIMIM-3a、PIMIM-2b、PIMIM-3b的分离因子分别下降了12.8%、31.1%、41.0%、16.1%和24.6%。这说明在循环利用过程中索氏提取法的PIMIM分离因子下降速率明显低于超声洗脱法的。

图9　PIMIM超声洗脱后（a）与索氏提取后（b）的循环利用分离性能Fig.9 PIMIM recycling separation performance after ultrasonic washing（a）and soxhlet extraction（b）

3　结　论

（1）以聚酰胺酸溶液为原料,采用静电纺丝与热处理法制备了聚酰亚胺纳米纤维膜,较佳纺膜条件为：纺丝电压15.0 k V、接收距离12.0 cm和纺丝液流量0.5 m L/h。

（2）采用功能单体的聚合物溶液预涂覆与热引发交联反应两步法,在聚酰亚胺纳米纤维膜表面成功制备茶碱分子印迹聚合物层,该聚合物层对茶碱的静态吸附结合容量最大可达144μmol/g,对茶碱与可可碱的动态选择性分离因子达1.96。

（3）印迹膜在循环利用过程中,采用索氏提取法相比于超声洗脱法,其分离因子的衰减程度更小,有望实现膜的多次循环利用。

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Preparation and Characterization of Theophylline Molecularly Imprinted Polyimide Nanofiber Membrane

LÜJian-feng,XU Zhen-liang,MA Xiao-hua
（State Key Laboratory of Chemical Engineering,Membrane Science and Engineering Research and Development Laboratory,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China）

Abstract：Polyamide acid nanofiber membrane（PAAM）was prepared through electrospinning method using polyamide acid（PAA）solution as the raw material.Polyimide nanofiber membrane（PIM）was prepared by heat dehydration from PAAM.Using theophylline（THO）as the template molecule,azobisisobutyronitrile（AIBN）as the initiator,ethylene glycol dimethacrylate（EDMA）as the crosslinker,chloroform as the solvent,THO molecularly imprinted polyimide nanofiber composite membrane（PIMIM）were synthesized by surface thermal crosslinking reaction on PIM,which was pre-coated by polymethacrylic acid（PMAA）.Electrospinning conditions were investigated.The structure and morphology of PIMIM were characterized by FT-IR and SEM.Methods of THO elution were compared.Results showed that better electrospinning conditions were electrospun voltage 15.0 k V,receiving distance 12.0 cm,and spinning dope flow rate 0.5 m L/h.Using PIM as the support,PIMIM was a composite membrane containing the molecularly imprinted layer.Static adsorption binding capacity of PIMIM for THO was 144μmol/g,and the selective separation factor of THO and theobromine（TB）was 1.96.For the cyclic regeneration of PIMIM,Soxhlet extraction method was superior compared to ultrasound washing method.

作者简介：吕建峰（1990-）,男,浙江绍兴人,硕士生,主要从事分子印迹膜制备的研究工作。E-mail：1193779311@qq.com

基金项目：国家自然科学基金（21406060,21176067,20076009）

收稿日期：2015-12-11

文章编号:1008-9357（2016）01-0091-007

DOI：10.14133/j.cnki.1008-9357.2016.01.012

中图分类号:O633

文献标志码:A

通信联系人：许振良,E-mail：chemxuzl@ecust.edu.cn