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1、 本科生毕业论文（设计）题 目：表面接枝分子印迹聚合物微球的合成及评价专业代码：作者姓名：学 号：单 位：化学化工学院09级5班指导教师： 2013年5月20日 原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名：日期 指 导 教 师 签 名：日期 目录摘要1Abstract2前言31. 实验部分51.1 仪器和试剂51.1
2、.1仪器51.1.2试剂51.2 聚苯乙烯-二乙烯苯微球表面合成 Iniferter51.3 表面接枝印迹微球的合成61.4 表面接枝印迹微球的平衡吸附实验及Scatchard分析61.5 接枝后印迹微球中羧基含量的测定72. 结果与讨论72.1 聚苯乙烯-二乙烯苯微球表面 Iniferter 的合成及分析82.2 聚苯乙烯-二乙烯苯球表面印迹层合成条件的选择82.3 聚苯乙烯-二乙烯苯球表面印迹微球的亲和能力102.4 聚苯乙烯-二乙烯苯球表面印迹微球的选择性123. 结论14参考文献15致 谢16摘要 将聚苯乙烯-二乙烯苯微球表面功能基化, 引入引发转移终止剂, 以活性自由基聚合方式研究了
3、球形树脂表面合成印迹聚合物的方法。 在紫外光引发下, 以左旋麻黄碱为印迹分子, 甲基丙烯酸为功能单体, 在接枝 Iniferter 后的微球表面进行分子印迹聚合物接枝实验, 并使用不同的反应条件, 探讨了表面接枝印迹层微球制备条件对于识别能力的影响。 平衡吸附的结果表明, 表面接枝聚苯乙烯-二乙烯苯微球对于印迹子具有亲和能力及选择性, 其识别能力来自于印迹得到的识别位点。关键词：分子印迹聚合物表面接枝；引发转移终止剂；聚苯乙烯-二乙烯苯微球载体；左旋麻黄碱Abstract The method of surface grafting of molecularly imprinted polym
4、er on the spherical resin with the living radical polymerization was studied. The surface of poly-styrene-co-divinylbenzene resin was grafted with iniferter. Under the radiation of UV light, using ()-ephedrine as the template, methacrylic acid as functional monomer, molecularly imprinted polymer was
5、 grafted on the surface of the resin. The influence of the synthetic conditions on the property of the material was investi- gated. The re-binding experimental result showed that the imprinted polymer grafted resin has affinity and selectivity for the template molecule. The recognition resulted from
6、 the imprinting process. KeyWords: surface grafting of molecularly imprinted polymer; iniferter; micro-spherical poly-St-DVB resin; ()-ephedrine 表面接枝分子印迹聚合物微球的合成及评价前言分子印迹是集高分子合成、分子识别、仿生生物工程等学科优势而发展起来的一门边缘学科, 是制备具有识别功能材料的技术。 由于具有可预定的选择性、识别性等优点, 分子印迹聚合物(molecular imprinted poly-mer, MIP)被应用于色谱分离、固相提取、
7、生物传感器、选择性催化等众多领域的研究中。 比较成熟的分子印迹聚合物合成方法是溶液聚合(封管聚合)法。 若应用于色谱分离固定相, 需要将得到的聚合物经过研磨和筛分。 这个方法的缺点是磨和筛分过程费时、费力、损失较多, 得到的无定形颗粒的粒径不均匀, 在色谱过程中传质效率低, 影响了固定相的分离效率。 表面分子印迹技术是把具有识别位点的印迹层结合在基质表面的印迹方法, 这种方法合成的分子印迹材料的形状由基质材料决定。 若采用一定颗粒尺寸的球形载体材料进行表面印迹, 得到的印迹材料可以直接用于色谱分离, 免去了研磨、筛分等工序。 另外, 表面印迹形成较薄的印迹层可减小色谱过程的传质阻力。 Tama
8、yo等使用引发转移终止剂(Iniferter)合成了硅胶表面接枝印迹聚合层, 并对印迹层进行了研究。 Rckert等在利用引发转移终止剂进行接枝印迹工作中, 发现以硅胶印迹微球作为色谱固定相, 能够分离 -氨基-N-苯基苯丙酰胺的光学异构体, 而聚苯乙烯-二乙烯苯微球接枝印迹材料却没有在色谱分离中显示印迹效果。 由于聚苯乙烯-二乙烯苯微球比硅胶微球具有更广的 pH 适用范围, 发展高分子微球表面接枝印迹的方法可以扩大表面印迹微球的应用领域, 并对于接枝印迹的方法进行进一步的探讨。 将Iniferter 接在基质球表面,可以使 Iniferter 裂解形成的活性自由基部分接在基质球上,引发聚合物
9、接枝；而形成的惰性自由基部分在溶液中, 只起到链终止及转移的作用,不引发聚合,以避免在基质球外产生非理想聚合。另外,可以通过反应时间控制印迹层厚度。引发转移终止剂分为光引发型和热引发型两种。由于光引发有利于在印迹合成中形成稳定的印迹分子-功能单体复合物,研究中采用了含有二乙基二硫代氨基甲酰氧基(DC)基团的光引发转移终止剂。本研究以引发转移终止剂引发聚合的方法在聚苯乙烯-二乙烯苯微球表面进行了接枝印迹层的研究, 并探讨了不同的合成条件对表面接枝印迹微球的结合能力和选择性的影响。通过表面引入Iniferter 的方法,合成了表面接枝印迹聚合物的聚苯乙烯-二乙烯苯微球材料。实验结果说明,得到的印迹
10、微球对于印迹分子具有识别能力, 即具有亲和能力及立体选择性。由于表面接枝印迹方法有利于不同形式识别材料的制备, 更方便于实际应用,是印迹技术有待于发展的领域之一。在本文实验条件下, 以DVB 为交联剂得到更好的印迹效果。与封管聚合合成的整体印迹聚合物的比较说明, 表面接枝微球的识别位点亲和能力较差,需采用改进引发方式及合成条件的方法提高识别能力,有待于进一步的研究工作。1. 实验部分1.1 仪器和试剂1.1.1仪器高效液相色谱仪(由 Shimadzu-LC-4A 输液泵和 TSP-UV-100 紫外检测器组成)；紫外-可见分光光度计(Shimadzu-UV-240)；红外光谱仪 (AVATAR
11、-360,Nicolet)； 压汞仪(PASCAL 440 SERIES, Thermo Finni-gan)；元素分析仪(Elementar Vario EL, Elementar)；扫描电子显微镜(Shimadzu SS-550)；高压汞灯(400 W, 天津英泽科技, 波长范围为 200600 nm, 主波长为 365nm)。1.1.2试剂左旋麻黄碱盐酸盐()-ephedrine hydrochlo-ride(医疗配方使用, 赤峰艾克制药科技有限责司)；右旋伪麻黄碱盐酸盐()-pseudoephedrine hydrochlo-ride(标准品, 中国药物生物品检定所)。 左旋麻黄碱盐酸
12、盐和右旋伪麻黄碱盐酸盐在使用前均被转化为自由碱。 氯甲基化聚苯乙烯-二乙烯苯微球(南开大学和成公司提供, 交联度为 60%, 粒径范围: 200360 目, 氯含量为 1。03 mmol/g)；-甲基丙烯酸(-methacrylic acid,MAA, 分析纯, 天津大茂化学试剂厂), 使用前经减压蒸馏处理； 二乙基二硫代氨基甲酸钠(分析纯, 上海化学试烟台云开化工有限责任公司)； 二乙烯苯(divinylbenzene, DVB, 80%, Fluka,USA)； EDMA 和 DVB 在使用前使用稀 NaOH 水溶液洗涤除去酚类阻聚剂。 其它试剂均为分析纯。()-麻黄碱印迹聚合物 P2-6
13、由本研究组提供, 是以左旋麻黄碱()-ephedrine作为印迹分子, MAA 和EDMA 分别为功能单体及交联剂, 偶氮二异丁腈为引发剂, 封管聚合后经研磨过 360 目筛制得的颗粒。1.2 聚苯乙烯-二乙烯苯微球表面合成 Iniferter将二乙基二硫代氨基甲酸钠 2.8 g 溶解在 50 mL 无水乙醇中, 加入 8.4 g 氯甲基化聚苯乙烯-二乙烯苯微球,50 下回流反应 50 h。 反应结束后抽滤, 以乙醇进行提取,挥发溶剂后,于40 下真空干燥备用。1.3 表面接枝印迹微球的合成在印迹接枝合成中以()-麻黄碱为印迹分子,MAA 为功能单体,分别使用两种交联剂(EDMA 和DVB)、
14、不同的交联剂/功能单体比以及不同的溶剂(见表1),在接枝了 Iniferter 的聚苯乙烯-二乙烯苯微球表面进行印迹接枝实验。 印迹接枝时,在圆底烧瓶中将印迹化合物()-麻黄碱溶于一定量的溶剂中, 加入功能单体、交联剂,并加入 1.2 g 接枝 Iniferter 的聚苯乙烯-二乙烯苯微球, 超声振荡,通氮气除氧,密封后将圆底烧瓶接在旋转仪上旋转, 紫外光照射下反应。 反应瓶与紫外灯的距离为16 cm,并以恒温水浴控制反应温度(以 DVB和 EDMA 为交联剂的反应温度分别为 45 和 20 )。反应后抽滤,先后用 10%醋酸-无水乙醇及无水乙醇抽提印迹微球,挥发溶剂后,于40 真空干燥备用。
15、聚苯乙烯-二乙烯苯表面接枝非印迹聚合物的合成方法除不加模板分子外其余条件同相应的接枝印迹层聚合物。1.4 表面接枝印迹微球的平衡吸附实验及Scatchard分析配置一系列()-麻黄碱-乙腈标准溶液,用紫外-可见分光光度计在 220 nm 波长处测定()-麻黄碱吸光度,绘制出浓度-吸光度标准曲线。称取 12 份左右印迹接枝后的微球(每份约 30 mg),分别置于 10 mL 磨口锥形瓶中,加入 5.0mL不同浓度的()-麻黄碱-乙腈标准溶液(0.514.0 mmol/L),在振荡器中振荡24 h。将吸附后的混合物高速离心,移取上层清液, 稀释一定倍数后,在 220 nm 波长下测定平衡吸附后自由
16、()-麻黄碱的浓度。由公式 B(CC)V/m 计算印迹微球的结合量。式中: B 为单位质量吸附剂的吸附 量 (mol/g )；C 为 ( )- 麻黄碱溶液的起始浓度(mmol/L）C 为 吸附后溶液中()- 麻黄碱的浓度(mmol/L)；V为所加()-麻黄碱溶液的体积(mL)；m 为印迹微球的质量(g)。 用()-伪麻黄碱-乙腈标准溶液为吸附溶液进行印迹微球对()-伪麻黄碱的吸附测定(方法同上)。非印迹微球对()-麻黄碱的吸附量的测定同印迹微球测定方法。根据 Scatchard方程: B/ephedrine(BmaxB)/KD 计算接枝微球对分析物的结合常数。式中B为吸附平衡时接枝印迹微球对分
17、析物的吸附量(mol/g)； Bmax 为最大表观结合位点数(mol/g)；ephedrine为平衡时未吸附的 分 析 物 的浓度 (mmol/L )；KD为平衡离解常数(mol/L)。1.5 接枝后印迹微球中羧基含量的测定准确称量 30 mg 印迹微球置于锥形瓶中，加入 0.18mol/LNaOH溶液3.0 mL 及无水乙醇 7.0 mL，密塞后在恒温振荡器中振荡24 h，使 NaOH 与印迹层中羧基充分反应。高速离心后精密移取上层清液 5.0 mL，以百里酚蓝为指示剂， 用 0.01 mol/LHCl 溶液滴定未反应的NaOH。聚合物中羧基含量以公式 C (CV2CV)/mpolymer
18、进行计算。式中，C 为聚合物中羧基含量(mol/g )；C 为NaOH 溶液浓度(mol/L)；C为HCl 溶液浓度(mol/L)；V 为所用的NaOH 溶液的体积(L)；V 为所消耗的 HCl 溶液的体积(L)；mpolymer为印迹微球的质量(g)。2. 结果与讨论 研究工作以在聚苯乙烯-二乙烯苯微球表面导入引发转移终止剂, 再加入印迹预聚合溶液引发聚合的方法,在基质球表面接枝印迹聚合层。以引发转移终止剂进行的自由基聚合具有可控/活性自由基聚合的特点,即可以对聚合分子量有较好的控制。将Iniferter 接在基质球表面,可以使 Iniferter 裂解形成的活性自由基部分接在基质球上,引发
19、聚合物接枝；而形成的惰性自由基部分在溶液中, 只起到链终止及转移的作用,不引发聚合,以避免在基质球外产生非理想聚合。另外,可以通过反应时间控制印迹层厚度。引发转移终止剂分为光引发型和热引发型两种。由于光引发有利于在印迹合成中形成稳定的印迹分子-功能单体复合物,研究中采用了含有二乙基二硫代氨基甲酰氧基(DC)基团的光引发转移终止剂。2.1 聚苯乙烯-二乙烯苯微球表面 Iniferter 的合成及分析在进行印迹接枝之前, 首先通过聚苯乙烯-二乙烯苯微球表面的氯甲基和 N,N-二乙基二硫代氨基甲酸钠反应, 在基质球表面接枝 N,N-二乙基二硫代氨基甲酸苄酯(BDC)基团。 反应方程式如下:反应后，进
20、行了接枝微球的红外光谱测定, 并比较反应前后微球的红外光谱图。 接枝 Iniferter 后的微球红外光谱图中出现的 1207.3 cm 峰(推测为 CS 的伸缩吸收峰), 1301.8,1355.8,1417.5 cm峰(为 CS 伸缩振动与CN 伸缩振动之间相互作用的吸收峰), 说明在基质球表面接枝了BDC 基团。接枝 Iniferter 后的聚苯乙烯-二乙烯苯微球元素分析测得的氮质量分数为 1.54%, 以公式 C/(mmol/g)a/MN1000 计算 Iniferter 接枝量(式中, C为每克微球含Iniferter 的摩尔数, a 为氮元素的质量分数, MN 为氮元素的原子量),
21、 得到 Iniferter 的接枝量为 1.10 mmol/g。反应前的氯甲基化聚苯乙烯-二乙烯苯微球中氯含量为1.03 mmol/g , 可以推测氯甲基基本完全转化为Iniferter。2.2 聚苯乙烯-二乙烯苯球表面印迹层合成条件的选择本研究组曾以封管聚合的方法, 以()-麻黄碱为印迹分子, MAA 为功能单体, EDMA 为交联剂, 合成了具有识别特性的()-麻黄碱印迹聚合物。为了便于比较,在表面印迹接枝的合成中,仍使用()-麻黄碱作为印迹分子, MAA 为功能单体, EDMA 为一种交联剂。在选择溶剂时,考虑到甲苯有利于聚苯乙烯-二乙烯苯微球的溶胀, 便于预聚溶液进入微球内孔,采用甲苯
22、或甲苯/乙腈作为溶剂。分子印迹聚合物的骨架结构主要是由交联剂支撑, 交联剂的性能与聚合物性质(包括形态及非特异亲合性)也有很大关系。在实验中选择了两种交联剂: EDMA 和 DVB。因为 DVB 的活化能比 EDMA高,通过实验选择适合这两种交联剂反应的温度:以DVB 为交联剂聚合时温度为45 ,EDMA为交联剂时温度为20 。实验以表面带有 Iniferter 的聚苯乙烯-二乙烯苯球为引发剂(同时也是表面接枝的载体), 在基质球表面接枝了()-麻黄碱的印迹聚合物层, 印迹聚合层的形成用图式 1 表示(以 EDMA 作交联剂为代表)。并在不加印迹分子的条件下, 以同样合成条件聚合得到接枝非印迹
23、聚合层的微球。 2.3 聚苯乙烯-二乙烯苯球表面印迹微球的亲和能力 为了评价表面接枝印迹微球的结合特性,以平衡吸附的方法测定了其对于印迹分子的亲和能力和选择性。通过平衡吸附实验,得到表面接枝印迹层微球对()-麻黄碱吸附等温线(图 1)。从图1看出, 在低浓度范围, PS-MIP4 对()-麻黄碱的亲和能力大于其它接枝印迹微球,但在高浓度范围, 4种接枝印迹微球的亲和能力相差不大,说明本研究所使用的不同印迹接枝条件(即反应溶剂、交联剂及交联剂/功能单体比例的不同)没有对亲和能力产生明显影响。为了研究表面接枝印迹微球的印迹效果, 将两种表面接枝印迹微球(PS-MIP3 和 PS-MIP4)对()-
24、麻黄碱的吸附与接枝非印迹层微球进行了对照(图 2, 3)。PS-MIP3, PS-MIP4 对()-麻黄碱的吸附量都大于其相应的非印迹微球。 由于表面接枝印迹微球与相应的非印迹微球制备过程的差别仅在于接枝印迹微球合成时加入了印迹分子, 这个结果说明印迹微球高结合能力来源于印迹过程。 由于微球的结合容量与功能单体在聚合物中的含量有关, 虽然印迹微球与非印迹微球相比采用除有印迹分子外、其它条件相同的接枝过程, 但印迹微球和非印迹微球仍可能有不同的功能单体含量。 为了排除印迹微球高结合容量来自于微球中功能单体比例高的可能性,对于几种印迹微球的羧基含量进行了测定(表 2)。 从测定结果看, 表面接枝印
25、迹层微球与其相应的非印迹层微球的羧基含量很相近。说明表面接枝印迹层微球对印迹分子的高亲和能力不是因为有较高的功能单体含量, 而是来源于聚合物中结合位点的不同。2.4 聚苯乙烯-二乙烯苯球表面印迹微球的选择性以平衡吸附实验比较了表面接枝印迹微球对()-麻黄碱和其立体异构体()-伪麻黄碱的选择性。结果说明两种印迹微球(PS-MIP3, PS-MIP4)对于()-麻黄碱的吸附强于对()-伪麻黄碱的吸附(图 2, 3), 合成的聚苯乙烯-二乙烯苯表面接枝印迹层微球具有选择性。同时对吸附数据进行了 Scatchard 分析,表面接枝印迹层微球的 Scatchard 曲线可以拟合成两条不同斜率的直线,说明
26、表面接枝印迹微球中可以分为高亲和力和低亲和力两种结合位点。而表面接枝非印迹层微球吸附的Scatchard 曲线为一条直线,说明在表面接枝非印迹微球中只有一类结合位点, 这种现象符合印迹与非印迹聚合物结合位点的特点, 即印迹聚合物的结合位点具有更大的非均一性。表面接枝印迹层微球及表面接枝非印迹微球对()-麻黄碱结合的离解平衡常数 KD 和最大表观结合位点数 Bmax 列于表 3。 从 Scatchard 分析结果看,PS-MIP3 和PS-MIP4 对()-麻黄碱结合的离解平衡常数都小于 PS-NIP3, PS-NIP4, 说明PS-MIP3 和PS-MIP4具有更强的亲和能力。 为了比较表面接
27、枝印迹微球和封管聚合合成的()-麻黄碱印迹聚合物的识别能力, P2-6相应的数据也列于表3中(平衡吸附实验同样在室温下以乙腈为溶剂进行)。 PS-MIP3 和 PS-MIP4 对麻黄碱的平衡离解常数都大于 P2-6, 最大结合位点数都小于P2-6。 与 PS-MIP3 和 PS-MIP4 相比, P2-6 印迹聚合物的功能单体含量较高(以羧基含量计算, 为 2.2 mmol/g),因此结合容量高是必然存在的现象。而在低亲和力位点处 PS-MIP3 和 PS-MIP4的解离平衡常数较高, 说明表面接枝印迹微球的位点结合能力较差, 与功能单体的含量无关, 其形成原因有待于进一步探讨。将表面接枝印迹
28、层微球(PS-MIP3, PS-MIP4)以干法装入 150 mm4.6 mm不锈钢色谱柱, 作为色谱固定相,进行对于()-麻黄碱和()-伪麻黄碱的分离实验, 但未能对两者实现很好的分离。 球形印迹聚合物的颗粒大、亲和力较低及结合位点少可能均为这种现象的原因。为了分析基质球对于选择性的影响, 测定了氯甲基化聚苯乙烯-二乙烯苯微球对()-麻黄碱和()-伪麻黄碱的吸附。氯甲基化聚苯乙烯-二乙烯苯微球对于()-麻黄碱没有选择性, 表面接枝非印迹层后(以 PS-NIP4 为例),对于()-麻黄碱的结合能力变化不大(图 4), 进一步证明了印迹接枝微球的选择性来自于印迹过程。3. 结论通过表面引入Ini
29、ferter 的方法,合成了表面接枝印迹聚合物的聚苯乙烯-二乙烯苯微球材料。实验结果说明,得到的印迹微球对于印迹分子具有识别能力, 即具有亲和能力及立体选择性。由于表面接枝印迹方法有利于不同形式识别材料的制备, 更方便于实际应用,是印迹技术有待于发展的领域之一。在本文实验条件下, 以DVB 为交联剂得到更好的印迹效果。与封管聚合合成的整体印迹聚合物的比较说明, 表面接枝微球的识别位点亲和能力较差,需采用改进引发方式及合成条件的方法提高识别能力,有待于进一步的研究工作。 参考文献1 Kempe, M.；Mosbach, KJ. Chromatogr .A 1995, 694, 3.2 Gubit
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35、a ,H Sanbe. J . Chromatogr. A ,2001 ,913 :141-146.致 谢感谢我的指导老师张艳老师，她渊博的学识，严谨细致的科学态度和一丝不苟的作风让我终生受益；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无限的启迪。她正直、坦荡、热情的性格也将是我今后学习的榜样，正是由于张老师的具体指导，才使本论文顺利完成，在此表示衷心的感谢!感谢师姐对我的热心帮助和指导，在实验的过程中她给与我许多有益的建议和无私的帮助，她勤恳、耐劳、细致入微的钻研态度一直是我学习中的榜样。没有她的帮助和支持，我的论文是很难顺利完成的。在此对她表示真诚的谢意!在论文即将完成之际，我衷心感谢那些可敬的师长、同学、朋友给了我莫大的帮助和鼓舞。你们的支持和关怀永远是我前进的动力。 刘文龙 2013年6月于聊城大学东校区16