丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC, 上海广创景进出口有限公司), 分析纯; N, N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA, 上海原液生物科技有限公司), 分析纯;环己烷(天津市风船化学试剂科技有限公司), 分析纯;山梨醇酐单硬脂酸酯(Span-60, 天津市光复精细化工研究所), 分析纯;过硫酸铵(APS, 国药集团化学试剂有点公司), 分析纯;硫氰酸胺(NH₄SCN, 成都化学试剂厂), 分析纯;硝酸钠(NaNO₃, 北京红星化工厂), 分析纯;碘化钾(KI, 天津大茂化学试剂厂), 分析纯;其它试剂均为市售分析纯试剂。

UV-2602型紫外可见分光光度计(上海尤尼柯公司);1700型傅里叶红外光谱仪(FTIR, 美国Perkin-Elmer公司);438VP型扫描电子显微镜(SEM, 英国LEO公司);XSZ-4型带有测微尺的光学显微镜(双目生物显微镜, 太原光学仪器厂);DM6236P型非接触式转速测定器(深圳市胜利高电子科技有限公司)。

在装有搅拌, 冷凝管, 导气管的四口烧瓶中, 加入40 mL的环己烷, 再向其中加入1.8 g分散剂Span-60, 构成连续相油相。 将4.3 mL丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、0.23 g N, N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和0.51 g硫氰酸胺溶于8 mL蒸馏水中构成水相。 在油相中通N₂气30 min, 以排除体系内的空气, 并将其加热到55 ℃。 在水相中再加入0.025 g的引发剂过硫酸铵, 溶解后转移至一恒压滴液漏斗中, 以一定的速度缓慢滴加到在搅拌状态下的油相中, 10 min内滴加完毕, 然后将体系温度迅速升温至65 ℃。 控制搅拌速率在400 r/min附近, 在N₂气保护下使悬浮聚合反应进行4 h。 反应结束后, 趁热过滤, 得到透明微球。 用环己烷多次洗涤微球, 除去物理吸附在微球表面的分散剂;然后用浓度为2 mol/L的NaCl溶液多次浸泡洗涤印迹微球, 以脱除模板离子SCN^-(用硝酸铁溶液检测, 直至洗涤液为无色为止), 真空干燥至恒重, 即得硫氰酸根阴离子印迹微球IIPMs(经干燥, 微球的体积会明显收缩)。

为进行性能对比, 也在不加模板硫氰酸胺的条件下, 采用反相悬浮聚合法制备了非印迹微球(NIPMs), 即DAC的交联聚合微球CPDAC。

采用KBr压片法测定SCN^-阴离子印迹微球IIPMs的红外光谱图, 表征其化学结构;使用扫描电子显微镜(SEM), 分别观察反相悬浮聚合时不加模板离子SCN^-所制得的交联微球NIPMs与印迹微球IIPMs的形貌, 比较相互间差异。

1.4.1 等温结合实验 首先采用静态法考察印迹微球对SCN^-的结合特性.先测定印迹微球对SCN^-离子的结合动力学行为, 确定结合达到平衡的时间为3 h, 在此基础上, 进行等温结合实验。 配制浓度系列变化(1~7 mmol/L)的硫氰酸胺溶液, 将25 mL浓度不同的溶液分别置于若干具塞锥形瓶中, 加入准确称量的约0.03 g的印迹微球IIPMs, 在恒温振荡器中于25 ℃下振荡3 h, 使微球充分溶胀, 并使之对SCN^-离子的结合达到平衡, 离心分离, 采用硝酸铁分光光度法测定上清液中硫氰酸根的平衡浓度, 按照式(1), 计算印迹微球IIPMs对SCN^-的平衡结合量 Q_e(mmol/g), 并绘制等温结合线。

Qe=(c0-ce)×V1000m (1)

式中, c₀、 c_e分别为结合前后溶液中硫氰酸根的浓度(mmol/L); V为吸附液体积(mL); m为印迹微球IIPMs的质量(g)。

硝酸根、碘离子与硫氰酸根离子均是是一价阴离子, 故选用N O3- 和I^-作为参比离子, 考察SCN^-阴离子印迹微球的离子识别特性。 使用印迹微球, 对硝酸根和碘离子进行同样的等温结合实验, 绘制等温结合曲线。采用紫外分光光度法分别测定上清液中N O3- 离子和I^-离子的浓度。

上述3种离子测定方法简述如下:1)SCN^-离子的测定:在25 mL的容量瓶中加入1 mL待测硫氰酸根溶液(浓度范围为1~7 mmol/L), 再加入5 mL浓度为0.05 g/L的硝酸铁储备液(pH值为1~2), 蒸馏水定容混匀, 在波长为 λ=450 nm处测定其吸光度, 利用已测定的工作曲线计算所测溶液中SCN^-离子的浓度;2) N O3- 离子的测定:将1 mL待测硝酸根溶液(浓度范围为1~7 mmol/L)加入100 mL容量瓶中, 蒸馏水稀释定容, 于 λ=210 nm处测定吸光度, 利用其工作曲线计算所测溶液中N O3- 离子的浓度;3)I^-离子的测定:将0.2 mL的待测碘离子溶液(浓度范围为1~7 mmol/L)移取至25 mL的容量瓶中, 蒸馏水定容后, 于 λ=226 nm处测定其吸光度, 利用已测定的工作曲线计算所测溶液中I^-离子的浓度。

1.4.2 竞争吸附实验 配制各组分浓度均为6 mmol/L的SCN^-/N O3- 和SCN^-/I^-两种二元混和溶液。 将25 mL混合溶液分别置于具塞锥形瓶中, 加入0.03 g的离子印迹微粒IIPMs, 在恒温振荡器中于25 ℃下振荡3 h, 使混和溶液中的两组分在微粒表面进行竞争性吸附。 离心分离, 测定两混和溶液上清液中SCN^-离子(硝酸铁分光光度法)、N O3- 离子及I^-离子的平衡浓度, 按式(2)计算两种混和溶液中各组分离子的分配系数^[24,25]。

Kd=Qece (2)

式中, K_d(L/g)为某组分离子的分配系数; c_e(mmol/L)为上清液中该离子的平衡浓度; Q_e(mmol/g)为该离子的平衡结合量。

按式(3)计算离子印迹微球IIPMs相对于两种对比离子对SCN^-离子的选择性系数 k。 k的大小标志着印迹材料对模板分子或离子的识别选择系数, 它是评价印迹材料对模板物质识别性能最重要的性能指标之一。式中, K_d(SCN^-)为SCN^-离子的分配系数, K'_d为某一对比离子的分配系数。

k=Kd(SCN-)K'd (3)

1.4.3 重复使用性能的考察 在进行等温结合实验后, 用浓度为2 mol/L的NaCl溶液多次浸泡洗涤离子印迹微球IIPMs, 完全脱除模板离子SCN^-(用硝酸铁溶液检验至洗液中无红色络合物形成), 真空干燥至恒重后, 再重复进行等温结合实验, 测得饱和结合量。重复进行多次, 绘制饱和结合量与使用次数之间的关系曲线, 评价印迹微球的重复使用性能。

在反相悬浮体系的水相液滴中, 凭借强静电相互作用(或离子交换作用), 单体DAC与SCN^-阴离子紧密地相互作用为离子对;水滴中的过硫酸盐分解产生自由基;该自由基引发DAC及交联剂MBA发生交联聚合反应, 形成交联微球, 与此同时, SCN^-阴离子被包埋于交联网络中;除去模板离子后, 在聚合物微球中留下了大量的SCN^-阴离子印迹空穴, 从而形成了SCN^-阴离子印迹微球IIPMs。 在水相液滴中形成阴离子印迹微球IIPMs的物理化学过程及其微观结构如Scheme 1所示。

Scheme 1

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	Scheme 1 Physiochemical process to prepare SCN- anion-imprinted microspheres

2.2.1 红外光谱图1给出了离子印迹微球IIPMs的红外光谱。 在谱图中显示出了交联共聚微球结构中单体DAC单元与交联剂MBA单元的所有特征吸收:1)1769 cm^-1处的强峰吸收来自于DAC单元酯羰基的吸收, 1202 cm^-1处的峰

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	图1 离子印迹微球IIPMs的红外光谱Fig.1 FTIR spectrum of ion-imprinted microspheres

归属于酯基中C—O键的振动吸收, 2972和2872 cm^-1处的峰分别归属于聚合物主链上亚甲基及次甲基的C—H键的伸缩振动吸收, 2083 cm^-1处的吸收带应归属于季铵基团中C—N—C的特征吸收, 3455 cm^-1处的峰来自于季铵阳离子吸附水O—H键的伸缩振动吸收。 2)1670 cm^-1处的吸收峰是MBA单元酰胺羰基的伸缩振动吸收峰(酰胺Ⅰ带), 而3087 cm^-1处的吸收峰为MBA单元仲酰胺基团中N—H键的变性振动吸收(酰胺Ⅱ带), 1050 cm^-1处的吸收峰应该为酰胺基团中C—N键的振动吸收。 上述谱峰数据充分说明, 在反相悬浮聚合体系中, 阳离子单体DAC与交联剂MBA发生了交联共聚合, 形成了离子印迹微球IIPMs。

2.2.2 微球形貌图2给出了交联微球NIPMs和离子印迹微球IIPMs湿态时的SEM照片。 从图2可以看出, 交联微球即非印迹微球NIPMs不仅球形度良好, 大小尺寸分布比较均匀, 粒径在200 μm附近, 而且表面十分光滑;而离子印迹微球IIPMs虽然球形度也比较好, 粒径也在200 μm附近, 但表面坑洼不平, 比较粗糙, 笔者认为, 这可能是在交联聚合过程中聚合链网络中存在模板离子引起的。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	图2 交联微球NIPMs( A)和离子印迹微球IIPMs( B)湿态时的扫描电子显微镜照片Fig.2 SEM images of crosslinked microspheres( A) and ion-imprinted microspheres( B) in wet condition

2.3.1 等温结合曲线 分别使用非印迹微球NIPMs和SCN^-阴离子印迹微球IIPMs对SCN^-、N O3- 和I^- 3种阴离子进行了等温吸附实验,图3给出了非印迹微球NIPMs对3种阴离子的等温吸附线,图4则给出了离子印迹微球IIPMs对3种阴离子的等温结合线。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	图3 非印迹微球NIPMs对3种阴离子的吸附等温线Fig.3 Adsorption isotherms of non-imprinted microspheres NIPMs for three anions a. SCN-; b.N O3- ; c.I-

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	图4 印迹微球IIPMs对3种阴离子的的结合等温线Fig.4 Binding isotherms of imprinted microspheres IIPMs for three anio a.SCN-; b.N O3- ; c.I-

图3显示, 非印迹微球NIPMs对3种阴离子均具有高的吸附量, 且吸附容量相差不多, 饱和吸附量在2.7~2.9 mmol/g的范围, 显然吸附没有选择性。 非印迹微球NIPMs内部, 在无规交联网络中键联有大量的季铵阳离子, 微球在水介质中会发生高度的溶胀行为, 对水介质中的阴离子具有高度的可接近性, 在静电相互作用(或离子交换作用)下, 会强烈地将水介质中的阴离子吸引至溶胀微球的交联网络中, 导致高吸附容量。 SCN^-、N O3- 和I^-同为一价阴离子, 溶胀的非印迹微球NIPMs对它们具有相似的静电相互作用力, 因此具有相似的吸附容量。

但是,图4显示, 经SCN^-阴离子印迹而形成的印迹微球IIPMs, 对3种阴离子的等温结合曲线发生了实质性的变化: 1)印迹微球IIPMs对两种对比阴离子的结合容量大大降低, N O3- 离子的最高吸附量由2.80 mmol/g降至1.45 mmol/g, I^-离子的最高吸附量由2.70 mmol/g降至0.89 mmol/g。 这表明印迹微球IIPMs对N O3- 和I^-离子结合能力很低;2)印迹微球IIPMs对于模板SCN^-离子仍然保持了高的结合能力, 饱和结合量高达3.28 mmol/g(192 mg/g), 充分表明印迹微球IIPMs可特异地识别、选择性地结合SCN^-离子。 其原因在于印迹微球IIPMs内部分布有大量SCN^-离子印迹空穴(如Scheme 1所示), 当这些微球在水介质中高度溶胀后, 这些空穴的尺寸大小与空间构型均恢复至离子印迹时的情况, 即它们不仅在尺寸大小方面与SCN^-离子高度匹配, 而且在空间构型方面与SCN^-离子也是高度匹配的, 因而显现出对模板离子SCN^-特异的识别能力与优良的结合亲和性。 但是, 高度溶胀后的微球IIPMs内部, 印迹空穴与两种对比阴离子则是不匹配的, 故结合容量大大降低, 只是由于印迹微球IIPMs中季铵离子的非特异性吸附作用, 使得印迹微球对N O3- 和I^-离子显现出一定的结合容量。表1列出了3种阴离子的离子半径和几何构型。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 3种阴离子的离子半径和几何构型 Table 1 Ionic radius data and geometrical configuration of three anions Anion SCN- N O3- I- Ionic radius/nm 0.215 0.190 0.135 Linear Trigonal planar Spherical Anion geometry

表1 3种阴离子的离子半径和几何构型 Table 1 Ionic radius data and geometrical configuration of three anions

SCN^-离子是直线型离子, N O3- 离子是平面三角型离子^[24,25], I^-离子则是球形离子。 尽管SCN^-离子的离子半径(0.215 nm)大于N O3- 离子(0.190 nm)^[24,25]和I^-离子(0.135 nm)^[26]的离子半径, 但由于SCN^-离子印迹空穴在空间构型方面与N O3- 和I^-离子的几何构型极为不匹配, 印迹空穴对这两种对比离子不能容纳、不能结合, 从而导致低的结合容量。

2.3.2 选择性系数 使用非印迹微球NIPMs和印迹微球IIPMs, 对两种二元混合液分别进行了竞争吸附实验,表2与表3列出了两体系中各组分离子的分配系数及两种微球对SCN^-离子的选择性系数。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 SCN-/N O3- 体系及SCN-/I-体系分配系数与选择性系数数据 Table 2 Distribution coefficient and selectivity coefficient data for SCN-/N O3- and SCN-/I-systems Adsorbing material System of SCN-/I- System of SCN-/N O3- NIP-microsphere IIP-microsphere NIP-microsphere IIP-microsphere Adsorbate SCN- I- SCN- I- SCN- N O3- SCN- N O3- Kd/(L·g-1) 1.112 1.114 1.140 0.168 1.112 1.087 1.121 0.342 k 1.00 6.78 1.02 3.54

表2 SCN-/N O3- 体系及SCN-/I-体系分配系数与选择性系数数据 Table 2 Distribution coefficient and selectivity coefficient data for SCN-/N O3- and SCN-/I-systems

从表2的数据可以看出, 使用非印迹微球NIPMs在两种二元混合液中进行吸附实验时, 相对于N O3- 和I^-离子, 该微球对SCN^-离子的选择性系数均近似等于1, 意味着溶胀的微球NIPMs内部对每一种阴离子都有很强的竞争吸附能力, 未呈现出任何识别选择性。 而当使用微球IIPMs时, 相对于N O3- 和I^-离子, 该印迹微球对SCN^-离子的选择性系数分别为3.54和6.78, 显示出对SCN^-离子很强的竞争吸附能力, 换言之, 印迹微球IIPMs对SCN^-离子拥有专一的识别选择性, 其原因仍在于印迹空穴与模板离子高度的匹配性。

2.4.1 单体与模板离子摩尔比的影响 在1.2节所述的制备体系中, 固定单体DAC的用量, 系列地改变模板SCN^-离子的投加量, 测定所制备的印迹微球IIPMs对SCN^-离子的选择性系数k(相对于N O3- 离子), k与对二者之间摩尔比的关系曲线示于图5。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	图5 微球IIPMs的选择性系数与DAC和SCN-离子摩尔比之间的关系曲线Fig.5 Selectivity coefficient of IIPMs as function of molar ratio of DAC to SCN- ion Molar percent of MBA:7%

图中显示, 随着DAC和SCN^-离子摩尔比的增大, 即随着模板SCN^-离子的投加量的减少, 印迹微球IIPMs对SCN^-离子的选择性系数在不断降低。 这是由于减少SCN^-离子的投加量, 会减少微球内SCN^-离子印迹空穴的数量, 导致印迹微球IIPMs对SCN^-离子选择性系数的降低。 为得到选择性好的印迹微球, 应增大SCN^-离子的投加量(即减小DAC和SCN^-离子摩尔比 )。 但实验发现, 当DAC和SCN^-离子摩尔比减小到小于3.0后, 反相悬浮体系不能成球, 故本研究选择3:1为适宜的DAC和SCN^-离子的摩尔比。

2.4.2 单体与交联剂摩尔比的影响 在1.2节所述的制备体系中, 固定单体DAC的用量及SCN^-离子的投加量, 系列地改变交联剂MBA的用量, 测定所制备的印迹微球IIPMs对SCN^-离子的选择性系数 k(相对于N O3- 离子), k与MBA的用量(表示为MBA所占摩尔百分比)之间的关系曲线示于图6。

图6显示, 随着交联剂MBA用量的增加, 微球IIPMs的选择性系数呈现先增大后减小的趋势, 当MBA的摩尔分数为7%时, 微球IIPMs具有最大的选择性系数。 交联剂MBA用量的多少与印迹空穴的尺寸大小密切相关, 因而与印迹空穴与模板离子的相互匹配性密切相关, 故会显著影响印迹微球的选择性系数。 本研究选择7%摩尔分数为交联剂MBA的适宜用量。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	图6 微球IIPMs的选择性系数与MBA用量之间的关系曲线Fig.6 Selectivity coefficient of IIPMs as function of used amount of MBA n(DAC): n(SCN-)=3:1

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	图7 微球IIPMs对SCN-离子饱和结合量与重复使用次数的关系曲线Fig.7 Saturation binding amount of SCN- ion on IIPMs as function of reuse number

在进行等温结合实验后, 将印迹微球IIPMs内的模板SCN^-离子清除干净, 真空干燥后, 再重复进行等温结合实验,图7给出饱和结合量与使用次数之间的关系曲线。

从图7可以看出, 在印迹微球IIPMs重复使用前4次过程中, 对SCN^-离子的饱和结合量有较明显的下降(3.28→3.12 mmol/g), 第5次后, 饱和结合量稳定地维持在3.10 mmol/g(181 mg/g)的水平, 表明该阴离子印迹微球具有良好的重复使用性能。事实上, 本研究制备的印迹微球IIPMs对SCN^-离子的吸附容量远高于其它吸附剂, 比如用表面活性剂改性的生物质对SCN^-离子的吸附容量仅为8.6 mg/g^[4];含有ZnCl₂的活性碳对SCN^-离子的吸附容量仅为16.2 mg/g^[2];焙烧氢氧化镁铝对SCN^-离子的吸附容量则为96.7 mg/g^[3]。 其原因如上所述, 印迹微球IIPMs在水介质中高度溶胀, 不但对水介质中的阴离子具有高度的可接近性, 而且在SCN^-离子印迹空穴的专一识别与结合性能的驱动下, 水介质中的SCN^-离子会高效地被结合于印迹微球内部。