等离子体引发聚合制备片段印迹聚合物及应用研究_刘强.pdf

202311技术应用与研究122Modern Chemical Research当代化工研究等离子体引发聚合制备片段印迹聚合物及应用研究刘强1 赵飞2 王亚萍3 王爱香3（1.山东敏德化工有限公司 山东 2764012.山东泓润安全技术服务有限公司 山东 2764013.临沂大学化学化工学院 山东 276000）摘要：本文以N-苄氧羰基-D-谷氨酸为模板分子，以丙烯酰胺为单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，利用辉光放电电解等离子体代替传统化学引发剂引发聚合制备印迹聚合物。扫描电镜结果表明等离子体引发制得的分子印迹聚合物粒径小、表面积大，用于微囊藻毒素测定，结果令人满意。关键词：等离子体引发；片段印记；N-苄氧羰基-D-谷氨酸；微囊藻毒素LR中图分类号：O6 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.11.037Preparation and Application of Fragment Imprinted Polymer by Plasma Initiated PolymerizationLiu Qiang1,Zhao Fei2,Wang Yaping3,Wang Aixiang3 (1.Shandong Minde Chemical Co.,Ltd.,Shandong,2764012.Shandong Hongrun Safety Technology Service Co.,Ltd.,Shandong,2764013.School of Chemistry&Chemical Engineering,Linyi University,Shandong,276000)Abstract：This article imprinted polymers are prepared with N-carbobenzoxy-D-glutamic acid as template molecule,acrylamide as monomer,N,N-methylene bis-acrylamide as crosslinking agent,by the glow discharge plasma in place of the conventional chemical initiator.SEM results indicate that molecular imprinted polymers initiated by plasma had smaller particle size and larger surface area than non-imprinted polymer.It has been applied to the determination of microcystin in cyanobacteria and ores with satisfactory result.Key words：plasma；fragment imprinting；N-carbobenzoxy-D-glutamic acid；microcystin LR引言分子印迹技术具有应用广泛和实用性强特点1。近几年，片段印迹聚合成为研究热点，片段印迹技术是利用与目标分子结构相似的片段作为代替模板分子，而不是目标分子本身合成分子印迹聚合物，聚合物能对目标分子及其结构相似片段进行选择性识 别2-4。辉光放电电解等离子体的工作条件简单，操作方便，只需在常压下电解，产生的等离子体更容易引入溶液5。目前，微囊藻素（Microcystin，MC）是蓝藻产生的对人类健康危害极大的一种有机物毒素。近年来，水体富营养化越来越严重，水体中蓝藻数量急剧增多，微囊藻毒素的含量增加明显。本文鉴于辉光放电电解等离子体引发聚合的优点，利用微囊藻毒素结构的一部分N-苄氧羰基-D-谷氨酸为模板，采用分子印迹技术合成具有特殊识别功能的印迹分子聚合物来检测水体中的微囊藻毒素，具有无需引发剂、灵敏度高和快速等特点。1.试验部分(1)实验仪器和试剂主要试验仪器见表1。主要试剂：丙烯酰胺（AR天津市福晨化学试剂厂）；N-苄氧羰基-D-谷氨酸（CP阿拉丁试剂）；微囊藻毒素MC-LR（E-LR-c100 mi-crocystin LR95%by HPLC，产地中国台湾地区）；N,N-亚甲基双丙烯酰胺（CP国药集团化学试剂有限公司）；过硫酸钾（AR陕西宝华科技有限责任公司）；无水硫酸钠（AR天津金汇太亚化学试剂有限公司）；硫酸亚铁（AR天津市科密欧化学试剂有限公司）；二次蒸馏水；甲醇（AR天津市科密欧化学试剂有限公司）。表1 实验所用仪器汇总仪器型号厂家直流稳压电源LW100J上海力友电气有限公司集热式恒温磁力搅拌器DF-101S郑州科创仪器有限公司台式高速离心机TG16-WS长沙湘仪离心机仪器有限公司202311技术应用与研究123Modern Chemical Research当代化工研究仪器型号厂家真空干燥箱DZF-6051上海一恒科学仪器有限公司高效液相色谱P1201大连依利特傅里叶红外光谱仪IR200Thermo fisher公司扫描电子显微镜S3400N日本日立公司(2)实验方法N-苯氧羰基-D-谷氨酸分子印迹聚合物的制备量取60mL二次水于四口瓶中，加入0.1458g N-苄氧羰基-D-谷氨酸，搅拌至完全溶解，然后加入丙烯酰胺0.2197g，在30下进行预聚合，23h后加入2.3290g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，持续搅拌30min后通入N2，将装置内的空气排尽。将装置移至冷水浴，边搅拌边通660V直流电引发聚合，通电时间为20min。放电结束后将反应装置移至90的水浴锅中，在N2环境中持续反应24h。在不加模板分子的情况下，利用上述方法制备空白聚合物（Non-imprinted Polymers，NIPs）。化学引发剂引发制备印迹聚合物：用过硫酸钾代替等离子体，其它试剂和条件不变。模板分子的洗脱将反应后的产物沉淀用1:1甲醇水溶液洗涤抽滤，利用9:1的甲醇乙酸混合溶液索氏提取72h，去除印迹聚合物中的模板分子。产物用乙醇抽滤后放通风橱抽干，放入真空烘箱内烘48h。高效液相色谱法测定微囊藻毒素ODS-3色谱柱（416mm250mm，5m）；流动相：V（甲醇）:V（超纯水）=63:37；流速：1mL/min；进样量：20L；柱温：25；检测波长是239nm。聚合物特性表征A.红外光谱（FT-IR）红外光谱表征采用IR200 FT-IR光谱仪，用溴化钾与聚合物混合物做压片，4cm-1为分辨率，在4000 400cm-1波数范围进行扫描。B.电镜扫描（SEM）在样品座上用双面胶把干燥聚合物固定，采用真空喷金，利用S3400N型SEM以10kV加速电压进行扫描。吸附性能向不同浓度的微囊藻毒素MC-LR甲醇溶液中加入一定量的分子印迹聚合物，间隔一定时间，震荡离心，取上清液，测定MC-LR的浓度，绘制吸附量随浓度变化曲线，利用曲线计算吸附量。2.结果与讨论(1)辉光放电等离子体引发聚合辉光放电电解等离子体引发聚合对聚合物产率和性能影响最大的是放电电压和放电时间。辉光放电电压的影响在辉光放电过程中，控制其他实验条件不变，改变电压，考察电压对聚合物的影响。因为电压太低，辉光放电产生的等离子体少，引发聚合产率较低；电压太高，阳极放热多温度高，容易损坏电极，故选取的电压值为：580V、620V、660V。结果表明，随着放电电压的升高，产率增加，吸附量增大。因此，实验放电电压选择660V。辉光放电时间的影响固定其他实验条件不变，改变放电时间，放电时间取12min、16min、20min、24min。结果表明，随着放电时间延长，产率和吸附量都增加，20min时产率和吸附量达到最大值。因此，放电时间选择20min。(2)产品表征红外光谱分析由图1可知，在3400cm-1和1659cm-1左右分别出现了很强的吸收峰，其分别为N-H吸收峰和C=O吸收峰，印迹聚合物和空白聚合物的红外吸收光谱图相同，表明模板分子已经洗脱干净。图1 空白聚合物和印迹聚合物的红外光谱图形貌表征对所得产品进行电镜扫描，由图2可以看出：空白聚合物颗粒较大，表面粗糙，印迹聚合物颗粒较小，比表面积大，因此印迹聚合物对目标分子表现出更大的吸附能力和更快的吸附速度。a.等离子体引发空白聚合物的SEM；b.等离子体引发印迹聚合物的SEM图2 等离子体引发制备聚合物的扫描电镜图(3)动力学吸附测试微囊藻毒素的测定微囊藻毒素的种类较多，本实验选择其中的一种续表202311技术应用与研究124Modern Chemical Research当代化工研究微囊藻毒素RR（MC-RR）为目标分子，考察所得印迹聚合物的吸附能力。配制浓度分别为：0.25g/mL，0.5g/mL，0.75g/mL，1.0g/mL，2.0g/mL的MC-RR溶液，以蒸馏水作空白试剂，测量其峰面积。然后以MC-RR浓度（g/mL）为横坐标，以相应的峰面积为纵坐标，绘制标准曲线。05101520253035400306090120150 MIPS NIPSQ/(g/g)t/min0.250.500.751.001.251.501.752.00010000200003000040000500006000070000A/(uv.s)C/(g/mL)图3 MC-RR峰面积-浓度标准曲线图4 动力学吸附曲线如图3所示，N-苄氧羰基-D-谷氨酸浓度在0.25 2g/mL范围内与A呈良好的线性关系，回归方程为：A=32221C-1249.6(C=g/mL)，相关系数为r=0.9979，测定11次空白实验的信号，计算标准偏差N为3，根据 3N/S（标准曲线斜率）计算出检出限D=2.7910-7g/L。动力学吸附测试取两份2mL 2g/mL的MC-RR溶液，分别加入0.02g等离子体引发N-苯氧羰基-D-谷氨酸分子印迹聚合物和空白聚合物，以150r/min的速度在25恒温振荡5min，10000r/min离心30min，取上清液。重复上述实验，振荡时间分别为10min，20min，40min，60min。用高效液相色谱法测其峰面积。根据工作曲线计算微囊藻毒素的初始浓度和振荡后的浓度，根据公式（1）求出吸附量。WVCC)(Q0=（1）式中，Q：吸附量（g/g）；C0：吸附前溶液（g/mL）；C：吸附后溶液（g/mL）；V：溶液体积（mL）；W：聚合物质量（g）。从图4可以看出，空白聚合物的吸附量小于分子印迹聚合物的吸附量，空白聚合物的吸附达到饱和后，目标分子脱附又被释放到溶液中，而印迹聚合物对模板分子的吸附牢固不易脱附，充分表明了印迹聚合物良好的亲和性和结合能力。(4)热力学吸附测试 准确称取等离子体引发制备的印迹聚合物、引发剂引发制备的印迹聚合物、空白聚合物0.01g，加入1mL不同浓度的MC-RR溶液，以150r/min的速度25恒温振荡24h，离心30min，转速为10000r/min，取上清液。利用高效液相色谱仪测定其峰面积，再根据标准曲线计算出吸附后溶液中MC-RR的浓度。由吸附前后溶液中MC-RR浓度的变化，计算出不同浓度下MIPs的吸附量，绘制吸附量随浓度变化的曲线。0.000.250.500.751.001.251.501.752.00020406080100120140Q/g/g)C/(g/mL)MIPS-GDE NIPS-Chem NIPS-GDE图5 热力学吸附曲线由图5可以看出，随着MC-RR的浓度的增加，吸附量逐渐增大。吸附量最高的是等离子体引发的分子印迹聚合物，次之的是引发剂引发的聚合物，等离子体引发的空白聚合物吸附量最低。3.结语用辉光放电电解等离子体引发聚合成功制备了N-苄氧羰基-D-谷氨酸分子印迹聚合物，最佳放电电压为660V，最佳放电时间为20min。聚合得到的片段印迹聚合物对微囊藻毒素具有较强的亲和力和较快的吸附速度，聚合物与模板分子结合具有高的牢固性。吸附结果看出，分子印迹聚合物对模板分子吸附量由等离