基于葫芦[6]脲的分子印迹聚合物的制备及其选择性吸附研究

＊许海珍 张宁 黄晓玲

（1.内蒙古自治区环境监测总站乌兰察布分站 内蒙古 012000 2.内蒙古大学化学化工学院 内蒙古 010021）

分子印迹聚合物（MIP）通过选择适当的交联剂、功能单体及模板，在聚合物中，定向构建特异性的识别位点。移除模板后，在该聚合物上产生印迹腔或结合位点，其与模板互补，因此，MIP可以特异性的捕获目标分子[1]。因此，MIP被认为是模拟抗体、酶或天然受体作为识别元件的候选材料，已广泛应用于色谱分离、固相萃取、模拟酶催化、化学仿生传感器、膜分离技术以及药物投递系统等领域[2-4]。

目前，MIP大多在有机溶液中才能表现出优异的分子识别性能，很少适用于水溶液。然而，从经济发展及生态环境保护等各方面考虑，迫切需要研发适用于水溶液体系的MIP材料[5-6]。

目前研究者使用含有脒[7]、胍[8]、脲[9]、环糊精[10]等特殊基团的功能单体，可以增强模板分子与印迹空穴内功能基团间的非共价相互作用，提高分子印迹材料在水相中的选择识别性。葫芦[6]脲（CB[6]）是一类人工合成的大环主体，与许多物质在水溶液中形成稳定的主-客体配合物，其水溶液中的键合稳定常数（K=108-1012M-1）与天然抗体-抗原相当[11]。因此，可以将CB[6]大环应用于水溶液中分子印迹聚合物的选择性识别，本论文选择CB[6]-(OH)12和HDI作为功能单体，茶碱作为模板，制备基于CB[6]的MIP，将模板洗脱后，获得了具有与茶碱相匹配的印迹空腔，该MIP材料，对于茶碱具有较高选择性。

1.实验部分

(1)试剂与仪器

CB[6]-(OH)12实验室自制[11]；HDI，天津风船试剂有限公司；茶碱，可可碱，阿拉丁试剂有限公司。

红外光谱用红外光谱仪测试，型号NEXUS-6700。MIP形貌通过扫描电子显微镜测试，型号为日立公司S-4800，样品喷金。茶碱浓度采用紫外波谱仪测试，型号德国Analytikjiena的SPECORD 50。茶碱与可可碱的相对含量通过高效液相色谱仪测试（HPLC），型号为UltiMate 3000。

(2)分子印迹聚合物(MIP)及非印迹聚合物(NIP)的制备

CB[6]-(OH)12（0.3g）与茶碱以3:2的摩尔比混合，置于100mL干燥的克氏烧瓶中，加入30mL无水DMSO，除氧，60℃反应12h后注入0.9mmol的HDI，再反应12h后抽滤，固体用去离子水和丙酮洗涤3次，得到MIP1。改变HDI加入量，如表1所示，重复以上实验，分别得到MIP2，MIP3，MIP4。用甲醇索氏提取48h，得到固体，真空烘干。非分子印迹聚合物制备过程中，不加模板分子，除此之外，与上述过程相同。

(3)静态吸附方法

分别将20mg吸附材料加入到10mL茶碱溶液（100mg/L）中，恒温震荡24h。取上层清液测271nm的紫外吸收，得到茶碱的浓度，通过公式（1）计算茶碱的平衡吸附量（Q，mg/g）。

式中，C0和Ce分别为茶碱的初始浓度和平衡浓度，mg/L；V为溶液体积，L；W为吸附剂质量，g。

(4)选择性吸附方法

以可可碱作为对照物，测定了MIP和NIP对茶碱的选择性。将5mL浓度均为100mg/L的茶碱和可可碱混合，将20mg吸附材料（MIP或NIP）加上述混合溶液中，恒温振荡4h，取上层清液，由HPLC测定溶液中剩余的茶碱和可可碱的相对含量。

2.结果与讨论

(1)配比优化

利用CB[6]-(OH)12的羟基与异氰酸酯基反应，以茶碱为模板，反应方程，如图1所示。分别考察了HDI与CB[6]-(OH)12不同配比时，茶碱的平衡吸附量。由表1可知，MIP2分子印迹聚合物的吸附容量最大，为4.69mg/g。因此，后续将依照该样品的配比合成MIP，即HDI/CB[6]-(OH)12/茶碱的摩尔比为6:3:2。

表1 MIP的投料比及平衡吸附浓度

图1 MIP的合成方程式图

(2)MIP和NIP的红外光谱

由图2a可知，CB[6]-(OH)12在1737cm-1为CB[6]羰基伸缩振动吸收峰；1476cm-1为C-N伸缩振动吸收峰。图2b为茶碱的红外谱图，1715cm-1为N-H伸缩振动吸收峰，1567cm-1为C=N-伸缩振动吸收峰。图2c可知，NIP在1739cm-1为CB[6]羰基的伸缩振动吸收峰，图2d中，MIP在1739cm-1为CB[6]羰基的伸缩振动吸收峰，并且在1715cm-1和1567cm-1为茶碱的吸收峰，由此可知，分子印迹聚合物成功合成。

图2 红外谱图（a）CB[6]-(OH)12；（b）茶碱；（c）NIP；（d）带茶碱模板的MIP

通过索氏提取可以将茶碱去掉，获得的去模板-MIP，该聚合物可以与茶碱再结合，得到再吸附-MIP。图3b和3c分别为去模板-MIP和再吸附-MIP红外谱图。由图3b可知，去掉茶碱后，1715cm-1和1567cm-1的吸收峰明显变弱，说明茶碱残留量很低。将茶碱与MIP再结合后，在1715cm-1和1567cm-1重新出现较强的吸收峰（图3c），说明MIP可以很好的去模板及结合模板。

图3 聚合物红外谱图（a）茶碱-MIP；（b）去模板-MIP；（c）再吸附-MIP

(3)MIP的形貌

图4为MIP的扫描电镜图，由图中可知MIP为100～500nm分散较均匀的纳米颗粒，其比表面积较大，因而其吸附能力较强。

图4 MIP扫描电镜图

(4)MIP的吸附性能研究

由图5可知，MIP的吸附容量均大于NIP的吸附容量。利用Scatchard方程（2）对图5的吸附等温线进行分析，结果如图6和图7所示。

图5 聚合物对茶碱分子的吸附等温线（a）MIP；（b）NIP

图6 MIP的Scatchard方程曲线

图7 NIP的Scatchard方程曲线

图6为MIP的Scatchard方程图，MIP曲线可以分两段拟合成两条直线，说明MIP存在两种亲和力不同的吸附类型，一种是亲和力较强的特异性吸附，另一种是亲和力较弱的非特异性吸附，通过拟合方程，得到MIP的解离平衡常数KdMIP=14.86L/mg，最大表观吸附容量QmaxMIP=4.63mg/g；NIP的解离平衡常数KdNIP=32.67L/mg，最大表观吸附容量QmaxNIP=4.35mg/g；QmaxMIP＞QmaxNIP，说明在MIP中，存在与茶碱分子相匹配的识别位点，从而使得MIP的吸附容量增加[12]。

(5)选择性吸附

选择可可碱作为竞争分子，分别研究MIP及NIP对茶碱与可可碱混合溶液的选择性吸附，并通过高效液相色谱法进行表征，如图7所示,为吸附后的高效液相色谱图，保留时间较短的为可可碱，保留时间较长的为茶碱，分别计算色谱峰的积分面积，将其分别标记为A茶碱和A可可碱，通过下式可以计算选择性系数K=A茶碱/A可可碱，MIP的选择性系数KMIP=2.37，NIP的KNIP=0.88。因此，MIP对茶碱具有较好的选择性，而NIP对于可可碱和茶碱不具有非常显著的选择性，此结果再次证明，通过此方法所合成的MIP具有良好的印迹效果[12]。

图8 MIP与NIP对茶碱与可可碱混合溶液吸附后的液相色谱图

3.结论

本论文以HDI和CB[6]-(OH)12为功能单体，以茶碱为模板，制备了一种基于CB[6]大环的MIP，研究发现，HDI/CB[6]-(OH)12/茶碱的摩尔比为6:3:2时，MIP具有最大的吸附容量。MIP对茶碱分子表现出特异性吸附和非特异性吸附两种方式。以可可碱作为对照物时，MIP对茶碱的选择性系数KMIP=2.37，NIP的选择性系数KNIP=0.88，表明MIP对模板具有良好的识别能力。