蘇丹紅多孔分子印跡復(fù)合膜的制備及其性能研究

蔡良根，徐小艷*，龐 杰，孫遠(yuǎn)明，董 彬，羅曉敏

(1.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002；2.廣東省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642)

蘇丹紅多孔分子印跡復(fù)合膜的制備及其性能研究

蔡良根1，徐小艷2,*，龐 杰1，孫遠(yuǎn)明2，董 彬2，羅曉敏2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002；2.廣東省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642)

以聚偏氟乙烯(PVDF)微孔濾膜為支撐膜，蘇丹紅Ⅰ為模板分子，二甲基甲酰胺(DMF)和聚乙二醇20000(PEG2000)為致孔劑，采用紫外光引發(fā)原位聚合制備分子印跡復(fù)合膜(MICM)。通過掃描電鏡(SEM)和傅里葉變換衰減全反射紅外光譜(FITR-ATR)技術(shù)分析復(fù)合膜的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)，并探討膜結(jié)合、選擇滲透和穩(wěn)定性機(jī)理。結(jié)果表明蘇丹紅Ⅰ與MAA之間相互作用的兩個(gè)氫鍵構(gòu)成了特異性孔穴的結(jié)合位點(diǎn)，對蘇丹紅Ⅰ具有較強(qiáng)的結(jié)合能力；MICM表面呈多孔狀，對模板分子及其結(jié)構(gòu)類似物具有良好的選擇性和滲透性能；MICM可在溫度為30～80℃、pH值為1.5～10的條件下可穩(wěn)定使用。

分子印跡復(fù)合膜；蘇丹紅Ⅰ；原位聚合；多孔；性能

分子印跡膜有整體膜[1-2]和復(fù)合膜[3]兩種類型，是近些年才發(fā)展起來的用于分離及檢測目標(biāo)物的分子印跡新技術(shù)，其作為敏感材料與如今研究較熱的生物敏感材料相比，具有制備簡單、成本低、耐受性高，可多次重復(fù)使用，易于保存和應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，在分離富集[6]、固相萃取[7]和仿生傳感器[8-9]等應(yīng)用領(lǐng)域中有很廣闊的前景。1990年，Piletsky等[2]采用原位聚合法首次成功制備了分子印跡整體膜，實(shí)現(xiàn)了對腺苷酸的特異識(shí)別和分離。為了改善分子印跡整體膜膜通量小的缺點(diǎn)，Yoshikawa[10]、Kochkodan[6]、Pernites[11]等在相轉(zhuǎn)化、表面修飾和電化學(xué)等制備方法上做了大量富有成效地研究。目前，國內(nèi)外關(guān)于蘇丹紅分子印跡聚合物的研究已有一些報(bào)道[12-14]，但以PVDF膜為載體制備具有穩(wěn)定的多孔蘇丹紅分子印跡復(fù)合膜(SudanⅠ-MICM)并探討其結(jié)合、選擇滲透和穩(wěn)定性機(jī)理的研究鮮有報(bào)告。

由于表面修飾法對載體膜要求較苛刻，應(yīng)用難，且制備出的復(fù)合膜穩(wěn)定性差[15]。為此，本實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)用更為普遍的原位光引發(fā)聚合為制備方法，以PVDF膜為支撐膜，蘇丹紅Ⅰ為模板分子，通過添加線型高聚物PEG20000，改善傳統(tǒng)原位制備方法交聯(lián)度過高、通量小的缺點(diǎn)[1]，制備穩(wěn)定性好、選擇性強(qiáng)、結(jié)合能力高的多孔蘇丹紅Ⅰ-MICM，對于實(shí)現(xiàn)樣品中蘇丹紅的分離和快速檢測具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和利用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

聚偏氟乙烯微孔濾膜(PVDF膜，孔徑0.22μm直徑25mm)；蘇丹紅Ⅰ～Ⅳ(分析純) 阿拉丁化學(xué)試劑廠公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA，純度98%) 美國Sigma-aldrich公司；PEG20000 建陽生物科技有限公司；α-甲基丙烯酸(MAA)、偶氮二異丁腈(AIBN)、甲醇、正己烷、DMF(均為分析純) 天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

FOSS Soxtec 2055自動(dòng)索氏提取系統(tǒng) 美國福斯公司；KQ-100DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；KD200 型氮?dú)獯祾邇x 杭州奧盛儀器有限公司；U-3010 Spectrophotometer紫外-可見分光光度計(jì) 日本日立公司；FEI XL30 ESEM型掃描電鏡 荷蘭Philips電子光學(xué)儀器有限公司；VERTEX 70傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker公司。

1.3 方法

1.3.1 蘇丹紅分子印跡復(fù)合膜和非印跡復(fù)合膜的制備

將0.2mmol 蘇丹紅Ⅰ溶于1mL的DMF后加入0.8mmol MAA，室溫條件下自聚合30min，再分別加入4mmol EGDMA、20mg AIBN和30mg PEG20000，聚合液超聲波脫氣5min，充氮?dú)?0min，將PVDF膜放入聚合液中浸泡30min后取出置于兩塊硅烷化的干凈載玻片中間并擠壓至沒有氣泡。用250W紫外汞燈照射3h后，用甲醇浸潤至與玻璃片分開，即可得到蘇丹紅Ⅰ-MICM。采用索氏提取方法對模板分子進(jìn)行洗脫，直至洗脫液中測不出蘇丹紅后停止洗脫。將制備完成的蘇丹紅分子印跡復(fù)合膜真空干燥后保存在玻璃干燥皿中備用。

非分子印跡膜在不加模板分子的情況下，按照上述同樣的實(shí)驗(yàn)方法制備。

1.3.2 膜的表面形貌和結(jié)構(gòu)研究

用SEM和FTIR-ATR對PVDF膜、蘇丹紅Ⅰ-MICM和非分子印跡復(fù)合膜(NMICM)的表面形態(tài)和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行分析。

1.3.3 膜的結(jié)合性能研究

1.3.3.1 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

分別稱取25mg的蘇丹紅Ⅰ-MICM和NMICM于20μg/mL的蘇丹紅Ⅰ溶液中，振蕩吸附一定時(shí)間(15、30、60、120、210、330、480min)后，根據(jù)吸附前后溶液中底物濃度的變化得出相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上蘇丹紅Ⅰ-MICM的結(jié)合量Q。

1.3.3.2 吸附平衡實(shí)驗(yàn)及Scatchard分析

分別稱取25mg 蘇丹紅Ⅰ-MICM置于一系列不同質(zhì)量濃度的蘇丹紅Ⅰ溶液中，振蕩吸附1h后，根據(jù)吸附前后溶液中底物的質(zhì)量濃度變化得出蘇丹紅Ⅰ-MICM對不同溶度蘇丹紅溶液的結(jié)合量Q。

1.3.4 膜的滲透選擇性研究

分別將PVDF膜、蘇丹紅Ⅰ-MICM和NMICM置于自制的H形滲透裝置如圖1所示，左邊的供給池里加入80.0mL質(zhì)量濃度為100μg/mL的蘇丹紅Ⅰ～Ⅳ正己烷溶液，右邊的接受池中加入80.0mL的正己烷，每隔一定時(shí)間從接受池取一定體積的溶液，測定底物的濃度，然后根據(jù)膜面積和溶液體積計(jì)算滲透量P。

圖1 膜滲透裝置圖Fig.1 Membrane permeation device

1.3.5 膜的穩(wěn)定性研究

分別將25mg 蘇丹紅Ⅰ-MICM置于30～80℃的烘箱內(nèi)和0.1mol/L的HCl、HAc、NaOH、NH3·H2O和H2O溶液中2h，根據(jù)處理前后蘇丹紅Ⅰ-MICM結(jié)合性能的變化研究其穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜表面形貌特征

由掃描電鏡觀察PVDF膜、蘇丹紅Ⅰ-MICM和NMICM的表面形貌。如圖2所示，支撐膜PVDF膜呈中空纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膜的孔狀結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的圓形或橢圓形。當(dāng)以PVDF膜為支撐膜發(fā)生聚合后，支撐膜表面形貌發(fā)生了明顯變化，原有不規(guī)則的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消失，取而代之的是表面形成的一層具有一定孔穴的多孔聚合物膜，表面的暗處為支撐膜的孔穴，這表明了在PVDF膜的表面和內(nèi)部均發(fā)生了聚合反應(yīng)。對比蘇丹紅Ⅰ-MICM和NMICM的掃描電鏡圖，二者的表面形貌存在一定的差異。雖然兩者均在PDVF膜的表面形成了多孔聚合物膜，但是蘇丹紅Ⅰ-MICM所形成的孔穴更為規(guī)則，分布更為均勻，膜的表面也比較粗糙，這可能與蘇丹紅Ⅰ-MICM具有與模板分子大小與形狀相匹配的空穴有關(guān)，其較為粗糙的表面可能是洗脫的時(shí)候造成的。而非分子印跡復(fù)合膜之所以形成不均勻、不規(guī)則的孔穴，是由于致孔劑的致孔作用造成的。

圖2 電鏡掃描圖Fig.2 Scan electron micrographs of PVDF membrane, MICM and NMICM

2.2 膜表面結(jié)構(gòu)的研究

圖3為PVDF、蘇丹紅Ⅰ-MICM和NMICM的紅外圖譜，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，PVDF與蘇丹紅Ⅰ-MICM和NMICM中的特征吸收峰存在差異，說明經(jīng)過聚合作用PVDF膜的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。聚合上分子印跡層后，PVDF膜上的吸收峰位置和吸收強(qiáng)度均發(fā)生變化，如：在3578.08cm-1處出現(xiàn)羥基吸收峰，1668.65cm-1處的羰基吸收峰的吸收強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，1404.94cm-1的—CH2彎曲振動(dòng)峰和1179.94、876.37cm-1的—C—C—骨架振動(dòng)吸收峰的吸收強(qiáng)度均明顯降低，1070.85cm-1的平面搖擺峰消失。

圖3 傅里葉變換衰減全反射紅外光譜圖Fig.3 FTIR-ATR spectra of PVDF membrane, MICM and NMICM

蘇丹紅Ⅰ-MICM和NMICM紅外圖譜基本相同，說明蘇丹紅Ⅰ-MICM內(nèi)的蘇丹紅Ⅰ已被洗脫除去。相比NMICM，蘇丹紅Ⅰ-MICM的紅外圖譜中羥基和羰基的吸收峰均向低波長移動(dòng)，其中羥基從3578.08cm-1移動(dòng)至3568.24cm-1，羰基從1725.26cm-1移動(dòng)至1724.03cm-1。由于氫原子和電負(fù)性很大的N、O原子之間易產(chǎn)生氫鍵作用[16]，且羥基與羰基之間產(chǎn)生的氫鍵會(huì)使—C=O的頻率下降[17]，因此可以推斷，在蘇丹紅Ⅰ-MICM中，MAA中的羥基除了部分發(fā)生自身締合外，其余的羥基會(huì)與蘇丹紅Ⅰ中的偶氮鍵形成氫鍵，同時(shí)，MAA中的羰基也會(huì)與蘇丹紅Ⅰ中的羥基發(fā)生氫鍵作用，致使羥基與羰基的吸收頻率降低。蘇丹紅Ⅰ與MAA之間相互作用的這兩個(gè)氫鍵共同構(gòu)成了特異性孔穴的結(jié)合位點(diǎn)，這一推論與文獻(xiàn)[12,18-19]報(bào)道相一致。

2.3 膜的結(jié)合性能研究

2.3.1 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

圖4 蘇丹紅Ⅰ-MICM和NMICM的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.4 Kinetic curve of Sudan Ⅰ-MICM and NMICM for the adsorption of Sudan Ⅰ

如圖4所示，在前15min內(nèi)印跡膜的吸附量迅速增加，此后吸附量增加漸緩，60min后已基本達(dá)到平衡，由此可見，制備的分子印跡膜作為識(shí)別敏感層可以滿足快速分析檢測的要求。由于分子印跡聚合物是由交聯(lián)劑和功能單體所構(gòu)成的立體孔穴組成，其分布不可能完全均勻，必然存在深孔穴和淺孔穴。在開始吸附時(shí)，淺孔穴對印跡分子的結(jié)合較快，所以呈現(xiàn)出很快的結(jié)合速率，而一旦淺孔穴被飽和后，印跡分子向MICM的深孔穴傳質(zhì)有一定的位阻，以致使吸附速度下降，從而吸附量增加緩慢乃至達(dá)到平衡[18-19]。

2.3.2 吸附平衡實(shí)驗(yàn)及Scatchard分析

分別測定了蘇丹紅Ⅰ-MICM對蘇丹紅Ⅰ在0～600μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)的吸附容量并對吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行Scatchard方程分析，其結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，Scatchard曲線可分為兩段，兩條斜率不同的直線分別呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，擬合后，得到的線性方程分別為：Y=－2.4039x＋56.272(R2=0.9859)、Y=－0.3931x＋36.361(R2=0.9958)。說明在該濃度范圍內(nèi)，制備的蘇丹紅Ⅰ-MICM與蘇丹紅Ⅰ的作用并不是完全等價(jià)的，形成兩種不同的結(jié)合位點(diǎn)。由Scatchard曲線的斜率和截距可知蘇丹紅Ⅰ-MICM與蘇丹紅Ⅰ的高親和力結(jié)合位點(diǎn)的解離常數(shù)為：Kd1=2.5439mmol/L，飽和結(jié)合量Qmaxl=92.4981μmol/g。而低親和力結(jié)合位點(diǎn)解離常數(shù)為：Kd2=0.416mmol/L，飽和結(jié)合量Qmax2= 23.4086μmol/g。

圖5 蘇丹紅Ⅰ-MICM的吸附等溫曲線(A)和Scatchard 分析曲線(B)Fig.5 Adsorption curve and Scatchard plot analysis of Sudan Ⅰ on Sudan Ⅰ-MICM

2.4 膜的滲透選擇性研究

圖6 PVDF膜(A)、蘇丹紅Ⅰ-MICM(B)和NMICM(C)對4種蘇丹紅底物的時(shí)間-滲透量曲線圖Fig.6 Permeation amount vs. time curves of four Sudan dyes through PVDF membrane, Sudan Ⅰ-MICM and NMICM

從圖6可以看出，蘇丹紅Ⅰ～Ⅳ通過蘇丹紅Ⅰ-MICM的速率關(guān)系為：蘇丹紅Ⅰ＞蘇丹紅Ⅲ＞蘇丹紅Ⅱ＞蘇丹紅Ⅳ，對底物的滲透具有選擇性。這是因?yàn)樵诤铣煞肿佑≯E膜時(shí)，模板分子與功能單體形成預(yù)組織被包裹在聚合物中，在經(jīng)過極性溶劑的洗脫之后，形成的孔穴的空間結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點(diǎn)均與蘇丹紅Ⅰ一一對應(yīng)，當(dāng)?shù)孜锿高^膜時(shí)，溶液的滲透壓和結(jié)合位點(diǎn)提供了源源不斷的動(dòng)力，而互補(bǔ)的空間結(jié)構(gòu)起到篩選的作用。由于蘇丹Ⅱ～Ⅳ體積較大，受孔穴空間結(jié)構(gòu)和本身功能基團(tuán)的制約，與膜內(nèi)孔穴不完全匹配，所以通過蘇丹紅Ⅰ-MICM的速率就比蘇丹紅Ⅰ慢。由于致孔劑作用，NMICM內(nèi)形成的孔穴不具特異性，無規(guī)律，且其孔的大小大于分子印跡膜，不具選擇性，因此NMICM對4種蘇丹紅的滲透量均高于相應(yīng)的蘇丹紅Ⅰ-MICM，而且其對不同底物的滲透量大小主要由底物的分子質(zhì)量決定，由于從蘇丹紅Ⅰ～Ⅳ的分子質(zhì)量依次上升，所以蘇丹紅Ⅰ～Ⅳ在NMICM孔內(nèi)的滯留時(shí)間依次增加。而蘇丹紅Ⅰ～Ⅳ通過PVDF膜的速率明顯快于蘇丹紅Ⅰ-MICM和NMICM，且PVDF膜對4種蘇丹紅的滲透量并無太大區(qū)別，這是由于PVDF膜的孔徑大小(0.22μm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于印跡層所形成的孔穴，無法對4種蘇丹紅起到選擇滲透作用，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了PVDF膜表面印跡層的形成和特異性孔穴的存在。

2.5 膜的穩(wěn)定性研究

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在30～80℃內(nèi)，隨著溫度的升高，膜對蘇丹紅Ⅰ的吸附相對穩(wěn)定，吸附量從687.6806μg/g逐漸降低至673.4528μg/g，表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性。經(jīng)H2O(pH7)、HCl(pH1.5)、HAc(pH3)、NH3·H2O(pH10)處理后膜的吸附量分別為659.2249、621.2839、697.1659、644.997μg/g，在酸性和弱堿性條件下，膜表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性，但經(jīng)過NaOH(pH12.5)處理后，膜對蘇丹紅Ⅰ吸附量降低至452.9207μg/g，這可能是由于NaOH易與聚合材料中的羧基發(fā)生反應(yīng)，使膜上的部分氫鍵失活，導(dǎo)致吸附能力下降，因此在實(shí)際應(yīng)用和存儲(chǔ)時(shí)應(yīng)避免分子印跡膜長時(shí)間暴露于堿性環(huán)境中。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)制備的多孔分子印跡復(fù)合膜表面存在空間形狀和功能基團(tuán)均與模板分子蘇丹紅Ⅰ相匹配的特異性空穴，它們之間主要通過氫鍵相互作用，具有結(jié)合速率快，吸附容量高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能有效地選擇分離模板分子，并研究和討論了蘇丹紅Ⅰ～Ⅳ透過蘇丹紅Ⅰ-MICM的可能滲透機(jī)理和蘇丹紅Ⅰ-MICM在酸堿、高溫環(huán)境下的吸附性能，為其在連續(xù)分離技術(shù)和傳感器方面的應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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Preparation and Characterization of Porous Molecularly Imprinted Composite Membrane with Sudan Ⅰ as the Template

CAI Liang-gen1，XU Xiao-yan2,*，PANG Jie1，SUN Yuan-ming2，DONG Bin2，LUO Xiao-min2
(1. College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China；2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Food Quality and Safety, College of Food Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Molecularly imprinted polymer composite membrane (MICM) was prepared with PVDF membrane as the supporting membrane, Sudan Ⅰ as the template molecule, DMF and PEG20000 as the porogen through in-situ polymerization by UV irradiation. SEM and FITR-ATR spectroscopy were employed to describe surface feature and structure of the membrane. Three parameters such as binding capacity, selective permeation and stability of MICM were further discussed. The results showed that hydrogen bonds of Sudan Ⅰ and MAA could interact with each other and constitute the bonding sites in caves. The porous surface of MICM also exhibited higher permeation selectivity for the template molecule and its analogues. Furthermore, MICM can work steadily at 30–80 ℃ and pH 1.5–10.

molecularly imprinted composite membrane (MICM)；Sudan Ⅰ；in-situ polymerization；porous；characterization

TQ028.3；TS207.3

A

1002-6630(2013)18-0070-05

10.7506/spkx1002-6630-201318015

2012-09-21

廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培育項(xiàng)目(209030)

蔡良根(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称钒踩珯z測技術(shù)。E-mail：clg19880622@126.com

*通信作者：徐小艷(1977—)，女，高級實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)槭称钒踩珯z測技術(shù)。E-mail：yanzixu_2001@scau.edu.cn