DES磁性分子印跡材料的制備及其吸附分離性能

袁新華, 劉 帥, 孟付良, 陳澤宇, 覃 遠, 徐春雨, 費宏偉

(1. 江蘇大學 材料科學與工程學院, 江蘇 鎮江 212013; 2. 杭摩新材料集團股份有限公司, 浙江 湖州 313310; 3. 常州浩達科技股份有限公司, 江蘇 常州 213133)

雌激素是指一類可影響動植物生命系統的類固醇激素.它們結構相似,進入人體后,可作用于內分泌系統、視覺系統、代謝系統和生殖系統等,干擾內分泌激素的合成和代謝,影響身體功能,破壞人體內環境的協調和穩定.己烯雌酚(DES)是一種人工合成的雌激素物質,被用于畜牧養殖業動物疾病治療中.動物使用后,可使動物體內蛋白質同化,促進動物生長,因而被一些廠家濫用.研究[1-2]證明,DES具有致畸性和致癌性.2019年12月27日,DES被我國列入食品動物中禁止使用的藥品.對樣品直接進行DES檢測時,干擾物會影響檢測結果可靠性,因此檢測前需進行前處理.

分子印跡技術(molecular imprinting technology,MIT)是模擬抗體-抗原或酶-底物之間的相互作用,對印跡分子進行專一性識別的技術[3],就如同鑰匙與鎖之間的對應關系.表面分子印跡技術是為了增加模板分子的識別位點、提高傳質速度而發展起來的一種新的分子印跡技術.該技術是以固體材料為載體,在其表面進行聚合反應[4].聚合得到的識別位點大多位于聚合物表面,吸附與解吸附比較容易,同時可提高分子印跡聚合物對目標分子的可接近性.制備表面分子印跡聚合物方法有化學接枝法[5]、犧牲硅膠法[6]等,常用載體有二氧化硅、碳納米管等[7].化學接枝法是目前應用比較廣泛的一種表面印跡技術,即在改性后固體材料表面進行聚合反應,得到分子印跡材料.目前,將表面分子印跡技術應用于有害物吸附方面的研究取得了較大進展[8-10],但對人工合成雌激素DES的研究報道還比較少.

為此,本課題組采用表面分子印跡技術,將磁性材料(Fe3O4)作為載體,以DES為印跡分子,制備DES磁性分子印跡聚合物(MMIP),另外還制備DES磁性非分子印跡聚合物(MNIP),采用透射電鏡、振動樣品磁強計和吸附試驗等方法進行對比,旨在對DES磁性分子印跡聚合物的吸附分離性能進行探究.

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器設備

六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)、無水乙酸鈉(NaAc)、聚乙二醇2000(PEG2000)、乙二醇(EG)、正硅酸四乙酯(TEOS)、濃氨水、無水乙醇、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)、甲基丙烯酸(MAA)、己烯雌酚、甲苯、乙腈、甲醇和乙酸等試劑購自國藥集團.雌二醇(E2)、雙酚A(BPA)、偶氮二異丁腈(AIBN)和乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)等試劑購自上海麥克林生化科技有限公司.所有試劑皆為分析純(AR).

儀器和設備主要包括JEM-2100透射電子顯微鏡(日本電子株式會社)、Nicolet MX-1E傅立葉紅外變換光譜儀(賽默飛有限公司)、UV-2800紫外可見分光光度計(日本島津公司)、NOVA3000e比表面積與孔隙率分析儀(美國康塔公司)和Squid-VSM振動樣品磁強計(美國Quantum Design公司).

1.2 MMIP和MNIP的合成

1.2.1Fe3O4納米粒子的合成

利用溶劑熱法制備Fe3O4納米粒子.將8.7 g的FeCl3·6H2O加入175 mL的乙二醇溶液中,超聲溶解后再加入5.1 g聚乙二醇2000和19.1 g的無水乙酸鈉,在50 ℃下進行磁力攪拌,使其完全溶解,并混合均勻.將上述溶液倒入聚四氟乙烯反應釜中,把反應釜放入不銹鋼外套中,然后放入烘箱,升溫至200 ℃,反應8 h.所得產物用乙醇洗滌后,置于50 ℃烘箱中干燥12 h,制得Fe3O4納米粒子.

1.2.2納米Fe3O4表面改性

將200 mL乙醇和50 mL水加入三口燒瓶中,再加入0.3 g的Fe3O4納米粒子,超聲分散30 min,以400 r/min的轉速進行機械攪拌.將4 mL質量分數為28%的氨水加入該三口燒瓶,攪拌5 min,并混合均勻.同時將5 mL的TEOS溶液緩慢滴加到燒瓶中,滴加結束后,室溫下繼續攪拌6 h.產物用磁鐵收集,再用乙醇和蒸餾水洗滌,得到SiO2-Fe3O4納米粒子,將其放于烘箱中干燥10 h,待用.

1.2.3SiO2-Fe3O4納米粒子的表面改性

取120 mL甲苯加入三口燒瓶中,再加入0.3 g的SiO2-Fe3O4納米粒子.超聲分散均勻后,進行攪拌,同時緩慢滴加9 mL硅烷偶聯劑MPS.滴加結束后,將燒瓶置于65 ℃水浴鍋中,機械攪拌反應24 h,攪拌速率300 r/min,產物用磁鐵收集,用乙醇和蒸餾水洗滌后,置于真空干燥箱中干燥12 h,得到MPS-SiO2-Fe3O4納米粒子.

1.2.4MMIP與MNIP的合成

在100 mL三口燒瓶中加入65 mL乙腈、100 mg的DES和128 μL的MAA,混合均勻后密封,置于室溫黑暗環境中,預組裝12.0 h.預組裝過程中,模板分子與功能單體的功能基團通過分子間的相互作用,形成具有多重作用位點的配合物,聚合后這種作用保存下來,更好地形成特異性空腔.再加入200 mg的MPS-SiO2-Fe3O4納米粒子載體.超聲分散均勻后,在攪拌的同時,加入60 mg的AIBN和1.478 mL的EGDMA溶液.然后將燒瓶置于水浴鍋中,升溫到65 ℃,機械攪拌下反應24.0 h,攪拌速率300 r/min.產物用磁鐵收集后,分散在50 mL甲醇-乙酸洗脫液里,每隔0.5 h更換一次洗脫液,直至固體納米材料上的DES洗脫干凈.最后用乙醇和水洗滌固體納米材料上的乙酸,得到MMIP,將MMIP置于50 ℃烘箱中干燥12.0 h待用.

DES磁性非分子印跡聚合物(MNIP)制備過程和MMIP一樣,區別是制備中不加印跡分子DES.

1.3 MMIP和MNIP的吸附試驗

1.3.1吸光度對質量濃度的線性擬合

配制質量濃度分別為2.5、5.0、10.0、20.0、25.0、50.0和60.0 mg/L的DES乙醇溶液.利用紫外可見分光光度計測定各質量濃度下DES乙醇溶液的紫外吸收光譜.根據最大吸收波長確定特征吸收波長,以溶液質量濃度為橫坐標,以特征波長處的吸光度為縱坐標,繪制吸光度-質量濃度曲線,進行線性擬合,得到線性方程.

1.3.2MMIP和MNIP的靜態吸附試驗

配制質量濃度分別為25、50、100、150、200和300 mg/L的DES乙醇溶液,各取10 mL溶液分別加入6個離心管中.再各取20 mg的MMIP和MNIP分別加入上述離心管.將離心管置于恒溫震蕩箱中,25 ℃下振蕩12 h.吸附平衡后,使用磁鐵將吸附材料與溶液快速分離,并取適量上清液進行稀釋.因為溶液的初始濃度已知,添加一定量溶劑就可以將其質量濃度稀釋到吸光度-質量濃度線性方程要求的質量濃度線性范圍內.將稀釋后的溶液置于比色皿中,測定溶液在DES乙醇溶液紫外吸收光譜的特征吸收波長242 nm處的紫外吸光度,并根據紫外吸光度DES溶液質量濃度方程計算平衡質量濃度.采用下式計算平衡吸附量：

(1)

式中：Qe為平衡吸附量,mg/g;ρ0為DES溶液初始質量濃度,mg/L;ρe為DES溶液平衡質量濃度,mg/L;m為吸附材料質量,mg;V為吸附溶液體積,mL.

1.3.3MMIP和MNIP的動態吸附試驗

分別取10 mL質量濃度為200 mg/L的DES溶液加入12個離心管中,平均分成兩組,將20 mg的MMIP和MNIP分別加入6個離心管中.將離心管置于恒溫震蕩箱中,每隔10、20、40、60、100和200 min從每組中取出1個離心管.用磁鐵分離、澄清渾濁溶液,取適量上清液,將其濃度稀釋到吸光度-質量濃度線性方程要求的濃度線性范圍內.測定溶液在DES乙醇溶液的特征吸收波長242 nm處紫外吸光度,通過DES溶液吸光度-質量濃度方程計算溶液質量濃度,采用式(1)計算其動態吸附量,此時ρe為動態吸附后的質量濃度,得到的就是動態吸附量.

1.3.4MMIP和MNIP的選擇性吸附試驗

各取20 mg的MMIP和MNIP,分別加入10 mL的DES、E2和BPA初始質量濃度均為200 mg/L的混合溶液中,25 ℃條件下置于震蕩箱中振蕩12 h.振蕩結束后,通過磁鐵吸附分離材料與溶液.取適量上清液,將其稀釋到吸光度-質量濃度線性方程要求的濃度線性范圍.測定溶液在DES乙醇溶液紫外吸收光譜的特征吸收波長242 nm處紫外吸光度,由式(1)計算MMIP和MNIP對不同吸附質的平衡吸附量.

1.3.5MMIP和MNIP的再生循環試驗

在兩個分別盛有10 mL初始質量濃度為200 mg/L的DES溶液燒瓶中,各加入20 mg的MMIP和MNIP進行震蕩吸附.吸附3 h達到平衡后,使用磁鐵將印跡材料與溶液進行分離,并取適量上清液進行稀釋,再用紫外分光光度計測定吸光度,計算DES溶液平衡質量濃度.用V(甲醇)/V(乙酸)=9 ∶1的混合溶液洗脫吸附質DES,利用磁鐵分離印跡材料,然后倒掉洗脫液.該操作重復6次,檢查最后洗脫液中DES的紫外吸收光譜,沒有DES的特征吸收峰,可將其認定為脫附完全.最后通過乙醇洗滌來除去乙酸,并繼續在DES乙醇溶液中進行吸附,得到平衡吸附量.將吸附-脫附過程重復6次,分離操作均采用磁鐵進行快速分離,從而檢測MMIP和MNIP的再生循環性能.

2 試驗結果與分析

2.1 MMIP的合成路線

MMIP的合成路線如圖1所示,其中R是表面接枝的硅烷偶聯劑官能團的縮寫.

圖1 MMIP合成路線示意圖

首先采用溶劑熱法在200 ℃下制備Fe3O4納米粒子,然后在其表面沉積二氧化硅,再利用MPS對其進行表面接枝改性,制備分子印跡載體.將功能單體與模板分子進行自組裝后,與磁性載體一起,加入交聯劑、引發劑進行聚合反應.最后脫除模板分子,得到磁性分子印跡材料.由于MNIP只是沒有加模板分子DES,DES的存在與否影響的是特異性腔位的形成,因而不影響MNIP合成結果.

2.2 磁強度分析及磁性分離

為了研究MMIP的磁性吸附和分離效果,用振動磁強計對樣品(Fe3O4、SiO2-Fe3O4、MMIP)磁性進行了測試,同時對MMIP吸附后的磁性分離效果進行拍照.圖2為Fe3O4、SiO2-Fe3O4和MMIP的磁滯回線.圖3為MMIP磁性分離效果照片.

圖2 Fe3O4、SiO2-Fe3O4和MMIP的磁滯回線

圖3 MMIP磁性分離效果照片

由圖2可知,Fe3O4、SiO2-Fe3O4和MMIP幾乎無磁滯現象,矯頑力為0,具有超順磁性,說明制備的材料利用磁鐵進行磁性分離時,在磁場作用后不再有剩磁,因而可重復用于吸附和脫附操作,三者的飽和磁化強度分別為460、380和268 kA/m.這是因為SiO2在Fe3O4表面沉積,形成二氧化硅層,導致SiO2-Fe3O4磁化強度下降.功能單體與交聯劑在改性后的二氧化硅層表面進行聚合反應,在表面形成分子印跡層,使得MMIP磁化強度再次降低.

由圖3可知：沒有外加磁場時,MMIP在溶液中懸浮,呈現渾濁液體;外加磁鐵后,MMIP可在17 s內與溶液實現快速分離,溶液變得澄清透明,無需對MMIP進行離心操作,即可直接將MMIP用于紫外吸收測試,表明在外加磁場下可實現MMIP與溶液的快速分離.

2.3 透射電鏡譜圖

Fe3O4、SiO2-Fe3O4和MMIP的透射電鏡(TEM)譜圖如圖4所示.由圖4a、b可知,Fe3O4納米粒子分散性較好,直徑約為300 nm.圖4c為正硅酸乙酯水解后,在成核劑Fe3O4粒子表面沉積、生長得到的SiO2-Fe3O4納米粒子,可明顯觀察到Fe3O4納米粒子表面的二氧化硅薄層,厚度約為30 nm.由圖4d可知,磁性載體包覆層十分明顯,其厚度約為60 nm,MMIP印跡層厚度約為30 nm,說明成功制備出DES磁性分子印跡聚合物.

圖4 透射電鏡譜圖

2.4 比表面積檢測法(BET)分析

表1為MMIP和MNIP的比表面積和孔徑數據匯總表.由表1可知,MMIP的比表面積和孔徑均比MNIP大.這是因為MMIP脫除印跡分子后,遺留下的特異性空腔會被氮氣占據,使MMIP比表面積增大,空腔也使材料孔徑變大.而MNIP未使用模板分子,不存在特異性空腔.

表1 MMIP和MNIP的比表面積和孔徑數據匯總表

2.5 紅外光譜

圖5 紅外光譜圖

2.6 DES標準曲線的擬合

在一定范圍內,物質的紫外吸收峰值和質量濃度呈線性關系.測定不同DES質量濃度ρ下DES乙醇溶液紫外吸收光譜,確定特征波長(見圖6),并繪制吸光度與質量濃度之間相互轉換的線性關系方程曲線(見圖7).

圖6 不同DES質量濃度下DES乙醇溶液紫外吸收光譜圖

圖7 吸光度與DES質量濃度線性關系擬合曲線

圖6中,最大波長242 nm處的吸收峰不會隨著DES質量濃度的增加而發生紅移,但吸光度逐漸遞增,因而DES紫外特征吸收波長為242 nm.試驗中均在242 nm處測定DES紫外吸收峰.根據質量濃度和對應吸光度,擬合出的線性方程為y=0.057 8x+0.084 6,確定吸光度與質量濃度間的線性轉換.

2.7 MMIP和MNIP的靜態吸附

MMIP和MNIP在25 ℃下靜態平衡吸附量曲線如圖8所示.

圖8 MMIP和MNIP對DES的靜態平衡吸附量曲線

由圖8可知：隨著DES初始質量濃度增加,MMIP和MNIP對DES的平衡吸附量逐漸增加;MNIP和MMIP在DES中初始質量濃度分別約為150、200 mg/L時,達到最大平衡吸附量,這是因為分子印跡材料MMIP不僅有表面吸附,還有深層吸附,而MNIP主要是表面吸附,因此較快達到吸附飽和.由圖8還可知,同一初始質量濃度下,MMIP對DES的平衡吸附量始終大于MNIP.這是因為模板分子的加入,使分子印跡材料MMIP表面和內部存在著DES專一性空腔,不僅有物理吸附,同時還有化學吸附,吸附時可對DES進行專一性選擇.而MNIP制備中沒有加入DES,對DES的吸附主要是物理吸附,沒有專一性結合位點.

2.8 MMIP和MNIP的動態吸附

圖9為MMIP和MNIP對DES初始質量濃度為200 mg/L的乙醇溶液動態吸附量曲線.

圖9 MMIP和MNIP對DES乙醇溶液的動態吸附量曲線

由圖9可知：一定質量濃度的DES溶液中,印跡材料和非印跡材料吸附量均隨著時間t的增加而增加;t<60 min時MMIP吸附量增加較快,吸附速度變化較大,t=60 min時達到最大吸附量的90%以上,t>60 min時吸附量增加緩慢,100 min后吸附量不再增加,吸附達到平衡;t<40 min時MNIP吸附量增加較快,吸附速度也較快,t=40 min時達到最大吸附量的90%以上,t>40 min時吸附量增加緩慢,直至達到吸附平衡;吸附量增加階段,MMIP吸附速度始終大于MNIP.開始吸附時,MMIP和MNIP通過物理吸附均可對DES進行吸附,前期吸附速度較快.由于MMIP表面具有特異性結合位點,因而可通過氫鍵進行化學吸附.又因為模板分子的脫除而在表面和淺表層留下印跡空腔,所以在表面吸附飽和后,MMIP會緩慢進行內部選擇性吸附.MNIP沒有印跡位點,只能進行物理吸附,導致MNIP達到吸附平衡的時間早于MMIP.結合位點的存在使MMIP前期吸附速度大于MNIP.MMIP平衡吸附量之所以大于MNIP,也是由于特異性印跡位點對DES的選擇性吸附造成的.

2.9 MMIP和MNIP的選擇性吸附

為說明磁性分子印跡材料的識別能力,在純DES溶液以及DES與BPA、E2的混合液中進行MMIP和MNIP的選擇性吸附對比.不同溶液中,二者對DES的選擇性平衡吸附量對比情況見圖10.

圖10 MMIP和MNIP的選擇性平衡吸附量對比

由圖10可知：純DES溶液中,MMIP對印跡分子DES吸附量最高,為4.89 mg/g;與純DES溶液相比,MMIP在另外兩種混合溶液中對DES的吸附量明顯減少,這是BPA和E2干擾的結果,且對E2的吸附量最少;MNIP對3種物質吸附量基本相等,不具選擇性,且吸附量始終小于MMIP.

表2為MMIP和MNIP對BPA、E2、DES選擇性吸附量及MMIP對BPA、E2、DES的印跡因子數據匯總.

表2 MMIP和MNIP的選擇性吸附量及印跡因子匯總

印跡因子越大,選擇性吸附能力越強.由表2可知,MMIP對DES的印跡因子最大,可見其對DES具有較強的選擇性識別能力.由于MMIP在除去模板分子后,表面留有特異性作用位點以及與模板分子相匹配的空腔,可對模板分子進行專一性識別吸附,MMIP對DES吸附效果最好.BPA與DES結構很相似,因而MMIP對其吸附量大于對E2吸附量.MNIP的吸附主要依靠物理吸附,表面沒有選擇性和特異性作用,因而吸附量均較小.

2.10 MMIP和MNIP的再生循環性能

再生循環性能是判斷吸附材料是否具有實際應用價值的重要因素.將MMIP和MNIP分別加入10 mL的DES初始質量濃度為200 mg/L的溶液中進行吸附反應,達到吸附平衡后測定其平衡吸附量.然后洗脫模板分子,外加使用磁鐵進行材料分離后,進行相同條件下的再吸附.將吸附-脫附過程重復6次,考察再生循環性能.不同再生循環次數下MMIP和MNIP的平衡吸附量對比如圖11所示.

圖11 MMIP和MNIP的可再生性能對比

由圖11可知,隨著再生循環次數增加,MMIP對DES吸附量緩慢減少,而MNIP吸附量沒太大變化.MMIP吸附量減少原因可能是多次再生循環后,印跡空腔被占據或者破壞,導致結合位點減少.結果表明：MMIP再生循環6次后,吸附量仍可達到最大吸附量的90.2%.可見,MMIP具有較好的再生循環性能.

3 結 論

1) 將磁性材料和表面分子印跡技術相結合,成功制備了MMIP,其飽和磁化強度為268 kA/m,無磁滯現象,矯頑力為0 A/m,表現出超順磁性.

2) 室溫下,MMIP對DES靜態最大吸附量為7.1 mg/g,在60 min時可達到最大吸附量90%以上,MMIP對DES的印跡因子為3.70,因而MMIP對DES具有特異性識別能力.

3) MMIP再生循環6次后,吸附量仍可達到最大吸附量90.2%,因而具有良好再生循環性能.