TecnaiG2 F20型透射电子显微镜(TEM,美国FEI公司),振动样品磁强计(VSM,美国量子公司Squid VSM型);Nexus 870型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR,青岛科诺达仪器有限公司);L600型高效液相色谱仪(HPLC,北京普析通用仪器有限责任公司)。

乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、3-丙基甲基丙烯酸酯(MPS)、4-乙烯基吡啶(4-VP)、纳米级磁性Fe₃O₄均为上海麦克林生化科技有限公司生产。

甲醇、乙腈、溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)均购自太仓沪试试剂有限公司。 正硅酸四乙酯(TEOS,西陇化工股份有限公司生产)、GA(北京百灵威科技有限公司生产)、乙醇(天津市恒兴化学试剂制造有限公司生产)、乙酸(广东光华化学厂有限公司生产)、丙酮(国药集团化学试剂有限公司)、偶氮异丁腈(AIBN,江苏强盛功能化学股份有限公司)。 2,4-二羟基苯甲酸、水杨酸、苯甲酸等均为分析纯试剂。

将50 mg纳米Fe₃O₄颗粒和500 mg CTAB分散于100 mL去离子水中,超声混匀30 min,然后在该溶液中缓慢加入1.0 mmol/L NaOH溶液450 mL,超声5 min后,于60 ℃机械搅拌30 min。 然后于液面下缓慢注入TEOS-乙醇(体积比为1:4)溶液2.5 mL,继续搅拌5 min。 室温下静置12 h,磁控分离收集Fe₃O₄@CTAB/SiO₂聚合物。 将收集的Fe₃O₄@CTAB/SiO₂聚合物分散于80 mL丙酮中,于80 ℃回流24 h,重复2次,且每次回流后须用去离子水反复清洗,最后50 ℃真空干燥8 h即得Fe₃O₄@mSiO₂聚合物。 将干燥的Fe₃O₄@mSiO₂聚合物置于MPS溶液(150 μL的MPS溶于40 mL 10%的乙酸溶液)中,于50 ℃机械搅拌5 h,磁控分离收集,用去离子水反复清洗,50 ℃真空干燥即得双键改性的Fe₃O₄@mSiO₂聚合物。 在N₂气吹扫保护下,将GA(0.25 mmol)与功能单体4-VP(1 mmol)溶于无水乙腈进行预组装,在4 ℃下静置12 h,备用。 然后,将双键改性的Fe₃O₄@mSiO₂聚合物(50 mg),交联剂EGDMA(5 mmol)和引发剂AIBN(20 mg)分散于致孔剂无水乙腈(15 mL)中,冰上操作,N₂气吹扫下将预组装溶液滴入上述溶液中,然后于60 ℃机械搅拌24 h。 聚合完成后,磁控收集Fe₃O₄@mSiO₂/MIP聚合物,用无水乙腈反复清洗至上清液透明,然后用甲醇-乙酸(体积比9:1)洗脱,直至完全脱除模板分子。 最后,用甲醇洗至中性,50 ℃真空干燥,即得MIP。 以相同步骤制备以SA为模板的MIP。

在不添加模板分子的情况下,重复以上实验步骤制备对照聚合物(NIP)。

采用FT-IR分析实验各阶段聚合物表面的接枝键合情况,通过TEM观测分子印迹聚合物结构与尺寸变化,通过VSM测定来评价分子印迹聚合物制备前后磁强变化。

分别准确称取0.2000 g GA等4种标准品于100 mL容量瓶中,去离子水定容得标准储备液。 标准储备液用去离子水稀释得到分别为0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、1.00和2.00 g/L的标准溶液,采用HPLC法检测。 以浓度为横坐标,峰面积为纵坐标,绘制标准曲线。

HPLC条件:色谱柱为Pgrandsil-STC-C₁₈(4.6 mm×250 mm,50 μm), V(流动相为甲醇): V(0.1%磷酸水溶液)=6.94,流速1.0 mL/min,检测波长273 nm,柱温25 ℃,进样量20 μL。

1.5.1 吸附热力学实验 配制一系列浓度的GA水溶液(0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、1.00、2.00和2.50 g/L),分别向3.00 mL的GA溶液中加入15 mg的MIP或NIP。 在不同温度(298、308和318 K)下恒温振荡3 h,待其充分吸附后,将吸附后的溶液磁控分离,取上清液过滤,再通过HPLC测定其峰面积,对照GA标准曲线,求出吸附后的溶液中GA浓度,平行测定3次。 GA的吸附量由式(1)计算。

Qe=(ρ-ρ0)Vm1

式中, Q_e(mg/g)为聚合物对目标物质的吸附量, ρ₀(g/L)和 ρ(g/L)分别是目标物质的始末质量浓度, V(mL)为目标物质水溶液的体积, m(g)为分子印迹聚合物的质量。

1.5.2 吸附动力学实验 在30.00 mL的GA溶液(2.00 g/L)中加入150 mg干燥后的MIP聚合物,置于318 K下恒温振荡,于不同时间段磁控分离取样,HPLC测定其峰面积,对照GA标准曲线,求出吸附后的溶液中GA浓度,平行测定3次。 GA的吸附量由式(1)计算。

1.5.3 选择吸附性实验 分别往3.00 mL的GA、BRA、SA、苯甲酸(BA)溶液(浓度均为2.00 g/L)中加入15 mg MIP。 同时置于318 K下恒温振荡3 h,待其充分吸附后,固液磁控分离,取上清进行HPLC分析。 计算该聚合物对4种物质的平衡吸附量,平行测定3次。 重复以上步骤,测定以SA为模板的印迹聚合物对这4种物质的吸附量。平衡吸附量由式(1)计算;采用印迹因子^[22]( α)评价聚合物的识别特异性, α的值由式(2)计算;用分离因子^[22]( β)衡量识别的选择性, β的值由式(3)计算。

α=QMIP/QNIP2

式中, Q_MIP和 Q_NIP分别为印迹和非印迹聚合物对GA 的吸附量(mg/g)。

β=Qtemplate/Qnon-template3

式中, Q_template和 Q_non-template分别为印迹纳米粒子对模板分子及干扰物的吸附量(mg/g)。

另外,取3.00 mL的GA、BRA、SA与BA混合标准溶液(质量浓度均为2.00 g/L),向混合溶液中加入15 mg MIP,置于318 K下恒温振荡3 h,用HPLC检测混合液中各组分吸附前后的浓度变化,评价MIP对这4种结构类似物的选择性吸附能力差异。

1.5.4 MIP对黑茶茶汤中GA的吸附 称取1.0000 g干燥黑茶茶叶,于90 ℃蒸馏水浸泡20 min,离心分离,得黑茶茶汤。 取3.00 mL黑茶茶汤加入35 mg的MIP,298 K震荡3 h,用HPLC检测吸附前后黑茶茶汤中GA的浓度变化。

2.1.1 红外光谱分析 采用红外光谱分析了聚合物制备各阶段纳米颗粒的接枝键合情况。 由图1可知,所有纳米颗粒在575 cm^-1附近均有吸收峰,为Fe₃O₄中Fe—O的特征吸收峰,说明后续聚合物成功包覆Fe₃O₄纳米颗粒。 将图1谱线 d与图1谱线 b红外光谱加以对比可以发现,Fe₃O₄@CTAB/SiO₂(图1谱线 d)聚合物在2920和2850 cm^-1处比Fe₃O₄@mSiO₂(图1谱线 b)聚合物多出两个明显的吸收峰,为CTAB的特征吸收峰,说明结合在Fe₃O₄表面的CTAB经过丙酮回流,已经洗脱完全。 从图1谱线 b可以看出,在1070 cm^-1左右的吸收峰为Si—O—Si反对称伸缩振动峰,表明二氧化硅层成功包裹在Fe₃O₄表面,而且CTAB也已经洗脱完全,从而推测在Fe₃O₄@mSiO₂聚合物表面形成的二氧化硅壳层为多孔结构。

图1

Fig.1

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	图1 分子印迹聚合物制备各阶段颗粒的红外光谱图 a.Fe3O4 nanoparticle; b.Fe3O4@mSiO2; c.Vinyl-modified Fe3O4@mSiO2; d.Fe3O4@CTAB/SiO2; e.MIPFig.1 Infrared spectra of surface molecularly imprinted polymers under producing process

2.1.2 透射电子显微镜分析 Fe₃O₄纳米颗粒、Fe₃O₄@mSiO₂和MIP的透射电镜如图2所示,可以清楚地看到聚合物的结构特点。 经TEM观测Fe₃O₄粒径约为200 nm,通过粒径分析仪检测粒径在180~220 nm的约占89%,粒径分布均匀。 从图2 B可以看出,Fe₃O₄@mSiO₂颗粒为核壳结构,Fe₃O₄表面包裹的半透明状SiO₂层约20 nm,且能明显看出均匀密布的孔道垂直分布于Fe₃O₄纳米颗粒的表面,与文献^[23]报道中的硅系介孔材料一致,说明成功制备了介孔尺寸的Fe₃O₄@mSiO₂;由图2 C知,MIP接近于球形,而且核壳结构明显,且修饰与印迹层厚度增大,粒径约为300 nm,后通过粒径分析仪检测粒径在270~330 nm的约占85%,粒径分布较均匀。 由此,通过聚合反应形成的聚合物已成功接枝到核壳结构外表面的SiO₂层上,这说明已经成功制得核壳型磁性表面分子印迹聚合物。

图2

Fig.2

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	图2 透射电子显微镜照片 A.Fe3O4; B.Fe3O4@mSiO2; C.MIPFig.2 The images of TEM

2.1.3 样品磁强测定图3为Fe₃O₄纳米颗粒和MIP的磁滞回线。 由图3可以看出,两条曲线的形态相似,没有剩磁,且矫顽磁力为零,说明二者均具有超顺磁性。 室温下,Fe₃O₄纳米颗粒和MIP的饱和磁化强度分别为74.7和63.6 emu/g,之所以MIP的饱和磁化强度比Fe₃O₄纳米颗粒的低,原因是其外表面包覆着非磁性外壳,对其磁响应产生了一定的影响。图3右下角的插图是MIP的磁控分离示意图,在没有外加磁场的情况下,MIP悬浮于水中,沉降速度缓慢;如果增加一个恒定磁场,MIP聚合物立即(15 s内)聚集到瓶壁,说明虽然MIP的磁性比Fe₃O₄纳米颗粒有所降低,但是对聚合物的快速磁控分离影响不大。

图3

Fig.3

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	图3 Fe3O4纳米颗粒与MIP的磁滞回线图 a.Fe3O4 nanoparticle; b.MIPFig.3 The magnetization curves of Fe3O4 nanoparticle and MIP. Inset:the magnetic separation of MIP under the external magnetic field

MIP和NIP在不同温度(298、308 和318 K)下的静态吸附曲线如图4和图5所示。 由图中可以看出,其吸附量随温度的升高而增加,原因可能是分子印迹聚合物在较高温度下聚合,在高温环境里有更好的吸附能力,与相关文献[24]报道的一致。 很明显,同一温度下,MIP的平衡吸附量比NIP的要大10倍以上。

图4

Fig.4

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	图4 MIP的静态吸附曲线Fig.4 The static adsorption curves of MIP

图5

Fig.5

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	图5 NIP的静态吸附曲线Fig.5 The static adsorption curves of NIP

分别对MIP和NIP在不同温度下对不同浓度的GA水溶液的静态吸附数据进行了Langmuir方程(4)和Freundlich方程(5)拟合,拟合结果如表1所示。 并用Scatchard模型(6)对318 K时的MIP静态吸附进行拟合,分析结果如图6。

图6

Fig.6

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	图6 Scatchard模型对MIP静态吸附分析Fig.6 Static adsorption analysis of MIP by Scatchard model

Langmuir吸附等温方程:

1Qe=1Qm+1QmKLρe4

Freundlich吸附等温方程:

Qe=Kf·ρe1/n5

Scatchard吸附等温方程:

Qeρe=QmKD-QeKD6

式中, Q_e、 Q_m分别为吸附平衡时GA的平衡吸附量(mg/g)、饱和吸附量(mg/g), ρ_e为吸附平衡时GA的质量浓度(g/L), K_L是Langmuir等温方程参数,代表表示吸附能力的强弱,其大小与吸附剂、吸附质的本性及温度高低有关; K_f是Freundlich吸附平衡常数,表示吸附剂一定时,吸附质为单位质量浓度时的吸附量; n为Freundlich特征吸附参数, K_D为离解常数。

由Langmuir和Freundlich方程拟合的参数如表1所示。 Langmuir方程被用于描述吸附质在吸附剂表面的单分子层吸附过程,Freundlich方程引入了吸附质分子在吸附过程中的相互作用,常用来描述多层吸附过程。 由表1可知,相比于Freundlich吸附等温方程,Langmuir吸附等温方程具有更高的相关系数( R²>0.99),且通过Langmuir方程计算的饱和吸附量 Q_m(cal)与实验所测得的饱和吸附量 Q_e(exp)更接近。 证明该聚合物对GA的吸附过程是一个单分子层吸附过程。 由Scatchard拟合曲线(图6)可以看出, Q_e/ ρ_e与 Q_e呈非线性相关性,但可将图中的散点分成两部分,分别进行线性回归,得到两条直线,表明MIP中主要存在两类不同的结合位点。 根据直线的斜率和截距,分别计算出两类结合位点的平衡离解常数 K_D和最大吸附量 Q_max。 对于高亲和力结合位点: K_D1=0.4893 g/L, Q_max1=52.517 mg/g;对于低亲和力结合位点: K_D2=0.2331 g/L, Q_max2=38.771 mg/g。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 Langmuir方程和Freundlich方程的参数 Table 1 Parameters of Langmuir equation and Freundlich equation T/K Langmuir model Freundlich model Qm(cal)/(mg·g-1) R2 KL n R2 Kf 298 MIP 34.843 0.998 3.827 3.053 0.914 23.661 NIP 3.516 0.996 4.998 4.074 0.901 2.692 308 MIP 36.496 0.996 4.807 3.171 0.915 26.182 NIP 3.998 0.998 5.276 4.302 0.885 3.083 318 MIP 37.736 0.994 5.761 3.379 0.892 28.030 NIP 4.361 0.998 5.525 4.486 0.865 3.386

表1 Langmuir方程和Freundlich方程的参数 Table 1 Parameters of Langmuir equation and Freundlich equation

MIP在318 K下的吸附动力学曲线如图7所示。 由图7可知,MIP对GA的吸附量随吸附时间的延长而增加,特别是在60 min前急剧上升,但由于吸附过程需要缓慢进入孔道与识别位点结合,所以最终在180 min左右趋于平衡;而NIP的吸附过程为非特异性吸附,所以吸附量比较小,在50 min左右就已经趋于平衡。

图7

Fig.7

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	图7 吸附动力学曲线 MIP:Fe3O4@mSiO2/MIP, NIP:Fe3O4@mSiO2/NIPFig.7 The adsorption kinetics curves of MIP and NIP

为了进一步研究MIP对GA的吸附动力学,将在318 K下的吸附数据用准一级方程和准二级方程进行拟合,得到表2的相关参数。 从表2可以看出,准二级动力学方程模型具有更高的相关系数( R²>0.99),且由准二级动力学方程计算的吸附量与实验所测得的吸附量很接近,可知MIP对GA的吸附行为符合准二级动力学方程,说明该吸附行为在一定浓度范围内吸附速率不仅与吸附质浓度正相关,而且与吸附剂MIP的量的大小正相关。 在吸附剂的量一定时,由于吸附剂表面的吸附位点数量有限,其吸附速率的增长受到限制,存在一个最大吸附速率。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 准一级、准二级动力学方程模拟参数(318 K) Table 2 Simulation parameters of pseudo first-order and pseudo two-order kinetic equations(318 K) Items Qe(exp)/(mg·g-1) Pseudo-first-order Pseudo-second-order R2 K1/min-1 Qe(cal)/(mg·g-1) R2 K2/(g·mg-1·min-1) Qe(cal)/(mg·g-1) MIP 34.830 0.978 0.042 32.911 0.996 0.002 36.232 NIP 3.302 0.996 0.089 3.254 0.999 0.110 3.342

表2 准一级、准二级动力学方程模拟参数(318 K) Table 2 Simulation parameters of pseudo first-order and pseudo two-order kinetic equations(318 K)

将分别以GA、SA为模板制得的MIP和NIP对GA、BRA、SA、BA的选择性吸附情况绘如图8和图9所示。 由图8和9可见,以GA为模板的MIP对GA表现出优异的选择性吸附作用,吸附量达35.58 mg/g,而对BRA、SA、BA的吸附量大大降低,分别为8.23、6.62和5.87 mg/g。 同样地,以SA为模板的MIP则对SA表现出优异选择性,对其它3种羟基苯甲酸类的吸附量很小。另外,NIP对各物质的吸附量无明显差别,说明MIP对模板分子具有较高的选择性吸附能力。 以GA为模板的MIP,GA初始浓度为2.00 mg/mL时,GA的其印迹因子 α=8.12,分离因子 β_GA/BRA=4.32, β_GA/SA=5.37, β_GA/BA=6.06。 取吸附前后GA、BRA、SA与BA混合标准溶液,经HPLC分析,对比发现GA浓度明显减少,而其它3种物质浓度基本没有变化,进一步表明制得的磁性分子印迹聚合物对GA(模板分子)存在特异吸附选择性,可以很好地从结构类似物中识别出GA。

图8

Fig.8

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	图8 GA为模板MIP和NIP选择性识别性能Fig.8 Selective recognition of MIP with GA as template and NIP

图9

Fig. Selective recognition of MIP with SA as template and NIP

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	图9 SA为模板MIP和NIP选择性识别性能

黑茶茶汤被MIP吸附前后的HPLC如图10所示。 通过GA标准溶液的HPLC图可知在保留时间约为6 min时为GA的色谱峰。比较吸附前后的色谱图发现,GA的峰面积变化很大,通过计算约有92.8%的GA已被MIP吸附,而黑茶中其它物质浓度基本保持不变,因此实验制得的MIP可从黑茶茶汤中选择性识别GA,可广泛用于GA的固相萃取。

图10

Fig.10

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	图10 MIP吸附黑茶茶汤中GA前后的液相色谱图Fig.10 HPLC of GA standard solution( a) and dark tea soup before( b) and after( c) adsorption of GA by MIP