華法林分子印跡聚合物的制備及其吸附性能的分析

王慧格，宋立新，張?jiān)葡迹铈骆?，游利琴，?娟?

(1．河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,鄭州450001; 2．河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院,鄭州450001)

華法林是雙香豆素類衍生物,廣泛用于預(yù)防和治療人類血栓[1-2]。但華法林存在一些缺點(diǎn),如治療窗窄,過量使用可能會(huì)導(dǎo)致血栓或栓塞;孕婦使用華法林會(huì)對(duì)胎兒的骨骼發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重影響;華法林療效與不良反應(yīng)個(gè)體差異較大等,因此需對(duì)華法林的含量進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測[3-5]。

分子印跡技術(shù)是以目標(biāo)物分子或其結(jié)構(gòu)類似物為模板分子,使之與功能單體接觸,兩者在共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵的作用下形成預(yù)聚物,然后在引發(fā)劑的作用下,預(yù)聚物和交聯(lián)劑發(fā)生聚合反應(yīng),在模板分子周圍形成高度交聯(lián)的三維網(wǎng)狀聚合物,然后用洗脫劑將模板分子從聚合物中移去,即得到分子印跡聚合物(MIP)[6-11]。MIP對(duì)目標(biāo)物質(zhì)具有選擇特異性,不易受基質(zhì)的影響,且能夠重復(fù)使用。MIP的主要合成方法有懸浮聚合法和本體聚合法,但本體聚合法存在易爆聚使產(chǎn)物不達(dá)標(biāo)的缺點(diǎn)。目前,使用分子印跡技術(shù)制備華法林印跡聚合物的報(bào)道較少。本工作采用懸浮聚合法[12-15],用華法林分子作為模板分子合成MIP,并對(duì)其吸附性能進(jìn)行了試驗(yàn),合成的MIP有望作為測試樣品中華法林含量的前處理材料,為華法林的檢測提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

島津 UV-2450 型紫外-可見分光光度計(jì);BS 210S型電子天平;DHG-9070A 型電熱恒溫古風(fēng)干燥箱;SU 8000型高分辨場發(fā)射掃描電鏡;JJ-1100w型精密增力電動(dòng)型攪拌機(jī);Vortex-QL-902型旋渦混合器。

華法林標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:500 mg·L－1,稱取0．05 g的華法林,用甲醇溶解并定容至100．0 m L。香豆素-3-羧酸溶液、7-乙酰氧基-4-甲基香豆素的配制方法同上。

華法林標(biāo)準(zhǔn)溶液:15 mg·L－1,稱取120μL 的華法林標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液,加入280μL 甲醇,用水定容至4．0 m L。

華法林、香豆素-3-羧酸溶液、7-乙酰氧基-4-甲基香豆素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:15 mg·L－1,稱取120μL的3種物質(zhì)的儲(chǔ)備溶液,加入40μL甲醇,用水定容至4．0 m L。

華法林的純度大于98．0%;甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、二乙烯苯(DVB,交聯(lián)劑)、過氧化苯甲酰(BPO,引發(fā)劑)、三氯甲烷(CHCl3)、甲醇、乙酸均為分析純,聚乙烯醇相對(duì)分子質(zhì)量為27 000;香豆素-3-羧酸的純度大于98．0%;7-乙酰氧基-4-甲基香豆素的純度大于98．0%;試驗(yàn)用水為去離子水。

1．2 儀器工作條件

紫外-可見分光光度計(jì)檢測波長為306 nm,掃描范圍為200～400 nm,光譜通帶寬度為15 nm。

1．3 試驗(yàn)方法

1．3．1 MIP和非分子印跡聚合物(NIP)合成

稱取華法林0．308 g,加入15 m L 三氯甲烷,0．649 m L GMA,超聲5 min,再加入8．499 m L 的DVB,0．17 g含2%(占單體和交聯(lián)劑質(zhì)量加和的百分比)BPO 的三氯甲烷溶液,超聲20 min。將混合溶液置于恒壓漏斗中,在不斷機(jī)械攪拌下,逐滴加入到含有10 g·L－1聚乙烯醇溶液100 m L的250 m L三口燒瓶中,滴加完成后,在80℃下反應(yīng)8 h。反應(yīng)結(jié)束后,傾出上清液,將得到的聚合物轉(zhuǎn)移至燒杯中,用沸水反復(fù)洗滌,除去聚合物表面的聚乙烯醇,至上層液體澄清透明為止,得到了淡黃色的微球顆粒,在60 ℃干燥。取全部干燥好的固體,用體積比為4∶1的甲醇-乙酸溶液150 m L,在90 ℃下用索氏提取器回流洗脫華法林,每隔3 h取4 m L 洗脫液,用紫外-可見分光光度計(jì)檢測洗脫液中華法林的含量,直至檢測不出華法林為止,然后將索氏提取器中的溶液換為甲醇,除去殘留乙酸,得到的MIP 在60 ℃烘干。

NIP的合成方法同上,除了不加入華法林。

1．3．2 吸附性能試驗(yàn)

1)不同華法林質(zhì)量濃度

在0．5,1,5,8,10,15,20,30 mg·L－1的華法林溶液(介質(zhì)為體積分?jǐn)?shù)為10%甲醇溶液)4 m L中各加入MIP 10 mg,渦旋1 min,靜置180 min。按儀器工作條件測量吸附前后的吸光度,用公式(1)計(jì)算吸附量:

式中:Q為吸附量,mg·g－1;ρ1 為起始質(zhì)量濃度,mg·L－1;ρ2 為吸附后溶液的質(zhì)量濃度,mg·L－1;V為吸附溶液的體積,m L;m為MIP的質(zhì)量,mg。

NIP的吸附量測試方法同上。

為了進(jìn)一步研究 MIP 的靜態(tài)吸附過程,按照Langmuir方程,繪制了等溫吸附曲線,以考察MIP對(duì)華法林的吸附性能。

式中:ρe為平衡質(zhì)量濃度,mg·L－1;Qe為平衡吸附量,mg·g－1;k為Langmuir模型常數(shù),mg·L－1;Qm為聚合物對(duì)華法林的最大吸附量,mg·g－1。

2)不同吸附時(shí)間

分別稱取10 mg MIP置于7個(gè)10 m L 的離心管中,各加入15 mg·L－1的華法林標(biāo)準(zhǔn)溶液4 m L,在室溫下分別靜置吸附15,30,60,90,120,180,300 min后,以4 000 r·min－1轉(zhuǎn)速離心1 min,取上清液,經(jīng)0．22μm 濾膜過濾,按儀器工作條件測量吸附前后的吸光度,用公式(1)計(jì)算吸附量。

利用準(zhǔn)二階動(dòng)力學(xué)模型研究了其動(dòng)態(tài)吸附過程,以判斷MIP對(duì)華法林的吸附過程是屬于化學(xué)吸附還是物理吸附。

式中:t為吸附時(shí)間,min;Qt為任意吸附時(shí)間t下的吸附量,mg·g－1;k2為準(zhǔn)二階動(dòng)力學(xué)模型吸附的速率常數(shù),min－1;Qcal為理論吸附量,mg·g－1。

1．3．3 選擇性吸附試驗(yàn)方法

稱取10 mg的 MIP 于10 m L 離心管中,加入15 mg·L－1的華法林、香豆素-3-羧酸溶液、7-乙酰氧基-4-甲基香豆素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液4 m L,振蕩,在室溫下吸附180 min。按儀器工作條件測量吸附前后的吸光度,并用公式(1)計(jì)算MIP的吸附量。

NIP的吸附量的測定方法同上。

通過印跡因子(IF)和選擇性系數(shù)(SC)來分析MIP對(duì)華法林的選擇性,根據(jù)公式(4),驗(yàn)證MIP的選擇性[16-17]。

式中:QMIP為 MIP 對(duì)華法林的吸附量,mg·g－1;QNIP為NIP對(duì)華法林的吸附量,mg·g－1。

式中:w華法林為吸附目標(biāo)物質(zhì)華法林的質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg·g－1;w香豆素類為吸附競爭物質(zhì)香豆素類的質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg·g－1。

2 結(jié)果與討論

2．1 模板與交聯(lián)劑比例的優(yōu)化

MIP合成過程中,模板與交聯(lián)劑的比例會(huì)對(duì)聚合物的剛性以及吸附量產(chǎn)生一定影響,如果加入的交聯(lián)劑的比例過小,聚合物的剛性結(jié)構(gòu)較為脆弱,易碎,殘留到溶液中,不利于分離;交聯(lián)劑比例過大,會(huì)導(dǎo)致聚合物中模板分子所占比例小,使MIP的吸附量減小。試驗(yàn)考察了不同模板與交聯(lián)劑比例下合成的MIP對(duì)華法林吸附量的影響,見圖1。

圖1 模板-交聯(lián)劑和吸附量的變化曲線Fig．1 Curve showing relationship between template-crosslinker ratio and amount adsorbed

由圖1可知:隨著模板-交聯(lián)劑物質(zhì)的量之比的增大,吸附量先增大后減小,當(dāng)物質(zhì)的量之比為1∶50時(shí),吸附量較大,試驗(yàn)選擇的模板和交聯(lián)劑的物質(zhì)的量之比為1∶50。

2．2 正交試驗(yàn)優(yōu)化

為了對(duì)合成條件進(jìn)一步優(yōu)化,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。其中A 為不同反應(yīng)溫度,分別為80,85,90 ℃;B 為模板(華法林)與單體GMA)的物質(zhì)的量之比,分別為1∶4,1∶5,1∶6;C為模板(華法林)與交聯(lián)劑(DVB)的物質(zhì)的量之比,分別為1∶40,1∶50,1∶60;D 為引發(fā)劑BPO 用量,分別為1%,1．5%,2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),占單體和交聯(lián)劑質(zhì)量和的百分比),具體試驗(yàn)條件見表1。

由表1可知:和B、C、D 因素相比,A 因素吸附量平均值的極差最大,說明溫度對(duì)合成聚合物的吸附量的影響最大。比較表中各因素的平均值,A 因素中,80 ℃時(shí)的吸附量最大,試驗(yàn)選擇80 ℃作為反應(yīng)溫度。同理可確定引發(fā)劑的最佳用量為2%,模板∶單體∶交聯(lián)劑的最佳物質(zhì)的量之比為1∶5∶60。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab．1 Results of orthogonal test

2．3 聚合物的表征

為了確定合成的MIP的形貌特征,對(duì)其進(jìn)行了掃描電鏡表征,見圖2。

圖2 MIP的掃描電鏡圖Fig．2 Scanning electron microscopy images of MIP

由圖2(a)可以看出:MIP 呈球形,表面沒有破損且有小孔存在,保證了MIP良好的吸附性能。在圖2(b)中,可看出合成的MIP顆粒較為均勻。

2．4 MIP和NIP的吸附性能

MIP和NIP 對(duì)不同質(zhì)量濃度華法林溶液的吸附量曲線及MIP 對(duì)不同質(zhì)量濃度華法林溶液的等溫吸附曲線見圖3。

圖3 不同質(zhì)量濃度的華法林溶液下,MIP和NIP的吸附量曲線和MIP的Langmuir等溫吸附曲線Fig．3 Adsorption curves of MIP and NIP and Langmuir isotherm adsorption curve of MIP under different mass concentrations of warfarin solutions

由圖3(a)可知:隨著華法林質(zhì)量濃度的增加,MIP和NIP的吸附量都逐漸增大,當(dāng)華法林質(zhì)量濃度為20 mg·L－1時(shí),繼續(xù)增加華法林的質(zhì)量濃度,吸附量不再變化,達(dá)到了吸附平衡,且MIP 的吸附量始終高于NIP;由圖3(b)可知,Langmuir等溫吸附曲線是一條直線,吸附等溫方程為y＝0．337 0x＋0．610 5,相關(guān)系數(shù)為0．991 1,說明此吸附過程符合Langmuir模型,吸附類型為單分子層吸附[18]。

吸附時(shí)間對(duì)MIP吸附量及MIP的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型曲線見圖4。

圖4 不同吸附時(shí)間下MIP的吸附量曲線和MIP的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型曲線Fig．4 Adsorption curves of MIP and pseudosecond-order kinetic model curve of MIP under different adsorption time

由圖4(a)可知:隨著吸附時(shí)間的增大,MIP 的吸附量先增大后減小,在180 min時(shí)取得較大吸附量。由圖4(b)可知:準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型曲線是一條直線,方程為y＝0．423 8x＋2．879,相關(guān)系數(shù)為0．991 5,說明該吸附是一個(gè)化學(xué)相互作用的過程,吸附速率受到模板與聚合物結(jié)合能力的影響,為其特異性識(shí)別提供了依據(jù)[17]。

2．5 選擇性吸附

對(duì)合成的分子印跡聚合物進(jìn)行選擇性測定,見表2。

表2 MIP和NIP的選擇性吸附測試結(jié)果Tab．2 Results of test for selectivity of MIP and NIP

由表2可知:印跡因子均大于1,說明 MIP 對(duì)3種化合物的吸附量比NIP 的大;且對(duì)比 MIP 對(duì)3種香豆素類物質(zhì)的吸附量的大小,發(fā)現(xiàn)MIP對(duì)華法林的吸附量最大,說明MIP 有較好的選擇特異性。NIP對(duì)各物質(zhì)的吸附量相近,說明其沒有特異選擇能力。當(dāng)選擇性系數(shù)大于1時(shí),可認(rèn)為MIP對(duì)華法林具有良好的選擇性,其中 MIP 對(duì)7-乙酰氧基-4-甲基香豆素和華法林之間的選擇性更好,而對(duì)香豆素-3-羧酸和華法林之間的選擇性較差,可能是由于香豆素-3-羧酸的結(jié)構(gòu)較小,更容易被吸附。

本工作通過懸浮聚合法,以華法林作為模板分子,合成了MIP,通過單因素試驗(yàn),正交試驗(yàn)確定了最佳合成條件,通過Langmuir和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)其吸附性能進(jìn)行了考察。本方法合成的MIP對(duì)華法林的吸附性能好,選擇特異性高,可作為處理華法林的材料。