巴特妥印跡聚合物納米微球的制備與表征

巴特妥印跡聚合物納米微球的制備與表征

分子印花技術(shù)將目標(biāo)測(cè)量作為印刷分子引入聚合材料，并在材料中建立選擇性吸附結(jié)合點(diǎn)，以合成具有選擇和識(shí)別能力的分子印花聚合物（mips）。這一特點(diǎn)使mips在鉻光刻中應(yīng)用于鉻光刻。巴比妥(BAR)是一種抗癲癇、抗驚厥及手術(shù)麻醉等藥物,由于該藥物可以促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)1理論計(jì)算方法采用Guassian09程序式中,ΔE2實(shí)驗(yàn)部分2.1化學(xué)試劑與試劑BAR,標(biāo)準(zhǔn)品,上海泛柯生物科技有限公司;MAA,分析純,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;AM,化學(xué)純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;4-Vpy,分析純,天津化學(xué)有限公司;MBAD,化學(xué)純,上海薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司;1,3-二甲基巴比妥酸(DMBA),標(biāo)準(zhǔn)品,成都格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司;2-硫代巴比妥酸(TMB),標(biāo)準(zhǔn)品,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;戊巴比妥鈉(PBS),標(biāo)準(zhǔn)品,北京普博斯生物科技有限公司;乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA),分析純,上海晶純?cè)噭┯邢薰?偶氮二異丁腈(AIBN),分析純,天津光復(fù)精細(xì)化工研究所;乙腈、甲醇與乙酸,分析純,北京化工廠.SHZ-88型水浴恒溫振蕩器(金壇市開(kāi)發(fā)區(qū)吉特實(shí)驗(yàn)儀器廠);JSM-5600型掃描電子顯微鏡(SEM,日本JEOL電子株式會(huì)社);TU-1901型雙光速紫外分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限公司);Spectrum100型傅里葉紅外光譜儀(上海珀金埃爾默儀器有限公司).2.2印跡分子與功能單體的反應(yīng)將1mmol(0.0184g)BAR溶于40mL乙腈中,按一定比例加入功能單體,超聲溶解后于室溫下放置24h,使印跡分子與功能單體充分反應(yīng);再按照功能單體與交聯(lián)劑摩爾比為1∶5加入交聯(lián)劑EDMA和0.020g引發(fā)劑AIBN,超聲0.5h,反應(yīng)物充分混勻后除氧密封,于333K恒溫水浴中反應(yīng)24h后得到聚合物沉淀.用體積比為8∶2的甲醇-乙酸混合溶液洗脫聚合物中的BAR,抽提至上清液無(wú)BAR為止,蒸干至恒重,得到BAR-MIPs.采用類(lèi)似方法在不加印跡分子下合成非印跡聚合物(NIPs).2.3聚合物的吸附稱(chēng)取20.0mgBAR-MIPs(NIPs)于三角瓶中,分別加入10mL不同濃度(0,10,20,40,60,80和100mg/L)的BAR甲醇溶液,超聲混勻后置于室溫下的水浴恒振蕩器中吸附24h.吸附結(jié)束后離心分離,靜置片刻后,取上清液用0.22μm的濾頭過(guò)濾,濾液通過(guò)紫外分光光度計(jì)測(cè)定吸光度,根據(jù)吸光度計(jì)算出游離的BAR濃度.根據(jù)吸附前后濃度的變化計(jì)算聚合物對(duì)目標(biāo)分子的吸附量Q(mg/g):式中,c2.4選擇底物的吸附劑及最佳配方分別稱(chēng)取20.0mgBAR-MIPs于三角瓶中,加入10mL含已知濃度的BAR,DMBA,TMB及PBS的甲醇溶液,超聲1min后于室溫下恒溫振蕩24h.吸附平衡后離心分離,稀釋后用紫外分光光度計(jì)在相應(yīng)波長(zhǎng)處測(cè)定樣品的吸光度,計(jì)算BAR-MIPs對(duì)各底物的吸附量及選擇因子α:式中,Q2.5mips的吸附量測(cè)定稱(chēng)取20.0mg的MIPs于三角瓶中,加入10mL已知濃度的BAR甲醇溶液,超聲1min后于不同溫度(293,298,303和313K)下恒溫振蕩24h后,測(cè)定樣品吸光度,計(jì)算不同溫度下MIPs的吸附量.2.6mips的穩(wěn)定性研究稱(chēng)取20.0mg的MIPs于三角瓶中,加入10mL不同濃度的BAR甲醇溶液,于不同溫度(293,303和313K)恒溫振蕩24h后,用紫外分光光度計(jì)測(cè)定平衡濃度,并將達(dá)到飽和的MIPs回收,用體積比為8∶2的甲醇-乙酸混合溶液洗脫,再用甲醇洗至中性,蒸干至恒重.重復(fù)上述步驟,研究MIPs在不同溫度下的使用壽命以及反復(fù)利用率.2.7掃描電子顯微鏡觀察取少量的聚合物懸浮液,用甲醇稀釋后超聲,使聚合物微球分散均勻,滴于硅片上自然晾干并噴金,通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察聚合物微球大小與形態(tài).3結(jié)果與討論3.1計(jì)算方法的選取BAR與功能單體間主要通過(guò)氫鍵進(jìn)行印跡聚合反應(yīng),而對(duì)氫鍵計(jì)算,不同泛函計(jì)算的精確度和可靠性不同.B3LYP方法雖然在分子幾何結(jié)構(gòu)上有很好的效果,但在氫鍵計(jì)算上存在一定的缺陷3.2生物降質(zhì)中paa的活性中心通過(guò)優(yōu)化BAR,MAA,AM,4-Vpy與MBAD分子幾何構(gòu)型并計(jì)算原子的自然鍵軌道電荷(NBO)分布,預(yù)測(cè)分子活性作用位點(diǎn).從NBO電荷布局(圖2)可以看出,BAR結(jié)構(gòu)中的羰基氧原子帶有較多的負(fù)電荷,分別為-0.602(O9),-0.586(O10)和-0.586(O11),這3個(gè)氧原子成為BAR結(jié)構(gòu)中的質(zhì)子受體;H7(0.469)和H8(0.469)帶有較多正電荷,成為質(zhì)子給體.由此可見(jiàn),BAR的活性中心主要為O9,O10,O11,H7,H8;同理,MAA的活性中心主要為O10(-0.611)和H12(0.561);AM的活性中心主要為O2(-0.610),H4(0.431)和H5(0.421);4-Vpy的活性中心主要為N6(-0.456),H7(0.233)和H10(0.233);MBAD的活性中心主要為O10(-0.652),O11(-0.652),H20(0.441)和H21(0.441).3.3bar酸質(zhì)體的氫鍵以印跡分子和功能單體的活性位點(diǎn)為依據(jù),借助于Gaussian09軟件,利用自洽反應(yīng)場(chǎng)中的Tomas極化連續(xù)模型模擬333K乙腈溶劑中BAR與不同功能單體的有效鍵合比例.模擬過(guò)程中,針對(duì)同一功能單體形成不同反應(yīng)比例的復(fù)合物,以相互作用位點(diǎn)越多及能量越低其復(fù)合物越穩(wěn)定為原則對(duì)復(fù)合物進(jìn)行優(yōu)化,其穩(wěn)定復(fù)合物結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.借助于以電子密度拓?fù)浞椒?AIM)理論由圖4可知,所有復(fù)合物中BAR反應(yīng)位點(diǎn)為H7,H8,O9,O10及O11;MAA反應(yīng)位點(diǎn)為—COOH基團(tuán)上的羰基氧原子與羥基氫原子.其中,MAA的C=O作為質(zhì)子受體與BAR質(zhì)子給體N—H氫鍵鍵合,MAA的O—H作為質(zhì)子給體與BAR質(zhì)子受體C=O氫鍵鍵合.如反應(yīng)摩爾比為1∶6的復(fù)合物[圖4(A)],BAR的O9作為質(zhì)子受體與MAA的質(zhì)子給體H49及H85形成2個(gè)氫鍵.BAR的H7作為質(zhì)子給體與MAA的質(zhì)子受體O47形成一個(gè)氫鍵.同理,AM[圖4(B)]的質(zhì)子受體與給體分別是酰胺基團(tuán)上的羰基氧原子與氫原子,如O27與H29;4-Vpy[圖4(C)]的質(zhì)子受體與給體分別是吡啶環(huán)上的氮原子與氫原子(如N31與H62);MBAD[圖4(D)]的質(zhì)子受體與給體分別是2個(gè)酰胺基團(tuán)上的羰基氧原子與氫原子(如O57與H66).該結(jié)果與上述NBO與MEP分析結(jié)論一致.從表2可見(jiàn),所有鍵鞍點(diǎn)處的ρ(r)與▽功能單體種類(lèi)及其與印跡分子間的反應(yīng)比例影響了MIPs的穩(wěn)定性、吸附性和選擇性.由表2可見(jiàn),BAR與MAA,AM,4-Vpy,MBAD的最佳反應(yīng)摩爾比分別為1∶6,1∶6,1∶3和1∶4,氫鍵數(shù)目分別為8,8,3和6,且MAA與BAR的氫鍵鍵長(zhǎng)(平均為0.1809nm)普遍低于AM(平均為0.1996nm).印跡分子與不同功能單體間氫鍵數(shù)目越多,氫鍵鍵長(zhǎng)越短,其相互作用越強(qiáng),形成的MIPs穩(wěn)定性及其對(duì)印跡分子的選擇吸附性越強(qiáng).因此,從氫鍵數(shù)目、鍵長(zhǎng)及反應(yīng)摩爾比來(lái)看,MAA與BAR氫鍵數(shù)目最多,鍵長(zhǎng)最短,反應(yīng)摩爾比最高,其次為AM,MBAD和4-Vpy.同時(shí),依據(jù)文獻(xiàn)[10]模擬計(jì)算BAR分別與MAA-AM混合功能單體及MAA-MBAD混合功能單體間相互作用的最終氫鍵數(shù)目分別為6和5,平均鍵長(zhǎng)分別為0.1871和0.1874nm.與MAA單獨(dú)作為功能單體相比,混合功能單體相互作用較弱.因此,反應(yīng)摩爾比為1∶6的BAR-MAA復(fù)合物有望用于制備更高穩(wěn)定性、選擇性及吸附性的MIPs.3.4多組復(fù)合能3.5功能單體對(duì)印跡聚合物吸附性的影響為驗(yàn)證上述模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性,分別制備了BAR與MAA,AM,4-Vpy及MBAD4種功能單體在最佳反應(yīng)比為1∶6,1∶6,1∶3和1∶4時(shí)形成的BAR-MIPs和NIPs及混合功能單體在相應(yīng)反應(yīng)摩爾比時(shí)形成的BAR-MIPs和NIPs,并測(cè)定其吸附性能(圖5).由圖5可見(jiàn),以MAA為功能單體的BAR-MIPs的吸附量最大,其次為AM,MBAD,4-Vpy,且以MAA為功能單體的BAR-MIPs吸附效果優(yōu)于混合功能單體.這說(shuō)明從MIPs的吸附性來(lái)看,MAA比其它功能單體更適合制備BAR-MIPs,也說(shuō)明合適的功能單體及印跡比例有助于提高合成的印跡聚合物吸附性.對(duì)于指定的印跡分子來(lái)說(shuō),合成MIPs時(shí)其印跡反應(yīng)比越大,則聚合物中形成的氫鍵數(shù)目越多,其空間結(jié)合作用位點(diǎn)越多,印跡聚合物也就越規(guī)則,而規(guī)則的聚合物有助于與印跡分子完全匹配,更好地識(shí)別印跡分子及其類(lèi)似物,從而使MIPs有更高的吸附性與選擇性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算模擬結(jié)果一致,進(jìn)一步證實(shí)了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性.與文獻(xiàn)[10]相比,沉淀聚合法合成的BAR-MIPs吸附性較好,原因可能在于通過(guò)原位聚合法合成的BAR-MIPs交聯(lián)度高,導(dǎo)致BAR-MIPs微球孔隙率低、穩(wěn)定性差,影響其吸附效果.3.6不同摩爾比可吸收聚合物的吸附3.7印跡聚合物的制備對(duì)MAA為功能單體的BAR-MIPs和NIPs進(jìn)行掃描電子顯微鏡表征,并進(jìn)行粒徑分布分析.由圖7可知,在乙腈溶劑中制備的BAR-MIPs[圖7(A)]和NIPs[圖7(B)]呈微球狀態(tài),粒徑均一,且分散性良好,此外,MIPs和NIPs平均粒徑分別為190和175nm,BAR-MIPs粒徑大于NIPs,這是由于印跡聚合時(shí),印跡分子與功能單體相互作用制備的BAR-MIPs存在一個(gè)與印跡分子相匹配的印跡孔穴,該孔穴使得印跡聚合物粒徑大于非印跡聚合物.3.8bar-mips和nips的吸附性能在相同實(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)BAR-MIPs和NIPs進(jìn)行等溫吸附性測(cè)定[圖8(A)].從圖8(A)可以看到,隨著B(niǎo)AR濃度的增加,BAR-MIPs對(duì)BAR的吸附量逐漸增加,當(dāng)BAR的初始濃度為100mg/L時(shí),無(wú)論是BAR-MIPs還是NIPs都達(dá)到最大飽和吸附量.此時(shí),BAR-MIPs最大飽和吸附量為10.6mg/g,大于NIPs的最大飽和吸附量(3.8mg/g).說(shuō)明BAR-MIPs中存在許多印跡孔穴,使BAR-MIPs擁有很高的親和性、特異吸附性及更大的吸附量,其吸附量明顯大于NIPs.為進(jìn)一步研究BAR-MIPs的吸附性能,以Q/c(Q為BAR-MIPs對(duì)BAR的吸附量;c為BAR濃度)對(duì)Q作圖,得到一條線性相關(guān)的Scatchard直線[圖8(B)],其方程為Y=0.27798-0.01579X.因此,BAR-MIPs結(jié)合點(diǎn)的離解平衡常數(shù)K3.9可靠性性能3.10mips對(duì)bar生長(zhǎng)的吸附特性為進(jìn)一步考察BAR-MIPs對(duì)BAR的選擇吸附性能,測(cè)定了BAR-MIPs(NIPs)對(duì)BAR及其類(lèi)似物的吸附量.印跡分子及其類(lèi)似物結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了BAR-MIPs吸附量的不同.表4為20mg的BAR-MIPs(NIPs)在100mg/L的印跡分子及其類(lèi)似物溶液中的吸附結(jié)果.可以看出,MIPs對(duì)BAR及其類(lèi)似物均有一定的吸附能力,但對(duì)BAR有較高的吸附量.原因在于BAR-MIPs中既有與BAR官能團(tuán)互補(bǔ)的功能基團(tuán),又有與BAR立體結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的特定孔穴;而B(niǎo)AR類(lèi)似物與BAR結(jié)構(gòu)間的差異使類(lèi)似物不能被印跡孔穴內(nèi)部基團(tuán)識(shí)別,或者其結(jié)構(gòu)較大而不能進(jìn)入孔穴內(nèi)部,只能被表面吸附或物理吸附.由表4還可見(jiàn),BAR-MIPs對(duì)DMBA,PBS,TMB的選擇因子分別為1.81,1.54,1.26,其中MIPs對(duì)DMBA的選擇因子最大,表明當(dāng)BAR與DMBA共存時(shí),MIPs對(duì)BAR有較強(qiáng)的特異性吸附;NIPs對(duì)DMBA,PBS,TMB的選擇因子分別為1.18,1.22,1.15,比較接近,且明顯低于MIPs對(duì)DMBA,PBS,TMB的選擇因子,說(shuō)明NIPs對(duì)底物的吸附作用是廣泛的,沒(méi)有選擇性.3.11吸附回收率和循環(huán)利用率表5為不同溫度下BAR-MIPs循環(huán)多次利用的吸附回收率.293K下循環(huán)利用5次的BAR-MIPs的吸附回收率為90.74%,303與313K下的循環(huán)利用率均低于293K,說(shuō)明隨著溫度的升高,MIPs穩(wěn)定性降低.此外,BAR-MIPs總體循環(huán)利用率均在84.87%上,可望用于樣品中BAR的檢測(cè).4分子活性位點(diǎn)采用量子化學(xué)模擬計(jì)算,研究了333K乙腈中BAR印跡分子與多種功能單體形成復(fù)合物的構(gòu)型、成鍵情況及印跡原理,闡明了BAR-MIPs印跡本質(zhì)及其印跡作用機(jī)理,優(yōu)化了各功能單體與印跡分子間的印跡比例,篩選了與印跡分子相互作用最強(qiáng)的功能單體.理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明,BAR與MAA相互作用最強(qiáng),其次為AM,MBAD,4-Vpy,且以MAA單獨(dú)作為功能單體的BAR-MIPs吸附效果優(yōu)于混合功能單體.采用沉淀聚合法制備最佳功能單體MAA在最佳反應(yīng)摩爾比1∶6下的BAR-MIPs,其平均粒徑為190nm,最大飽和吸附量為10.5mg/g.BAR-MIPs對(duì)BAR及其類(lèi)似物識(shí)別能力順序?yàn)锽AR>PBS>TMB>DMBA,對(duì)BAR呈現(xiàn)較好的選擇結(jié)合能力.研究結(jié)果為BAR-MIPs的選擇性分離、富集和檢測(cè)樣品中的BAR提供了理論與實(shí)驗(yàn)參考依據(jù).圖3為目標(biāo)分子的靜電勢(shì)(MEP)圖.圖3顯示了體系中電子云的布局情況,根據(jù)顏色的分布判斷分子活性位點(diǎn).從圖3標(biāo)尺可見(jiàn),原子負(fù)電性越強(qiáng),其MEP顏色越接近于紅色;正電性越強(qiáng),其MEP顏色越接近于藍(lán)色.顯然,BAR[圖3(A)]的正電荷主要集中在藍(lán)色區(qū)域,即與嘧啶環(huán)上氮原子相連的2個(gè)氫原子,其易與親核試劑反應(yīng)而得到電子;負(fù)電荷主要集中在最接近于紅色的區(qū)域,即BAR結(jié)構(gòu)中的羰基氧原子,易與親電試劑反應(yīng)而失去電子.由此可見(jiàn),BAR的主要活性中心為嘧啶環(huán)上的3個(gè)羰基氧原子及2個(gè)氫原子.同理,MAA[圖3(B)]的活性中心主要是羧基基團(tuán)的氫原子與羰基氧原子;AM[圖3(C)]的活性中心主要是酰胺基團(tuán)上的羰基氧原子與氫原子;4-Vpy[圖3(D)]的活性中心主要是吡啶環(huán)上的氮原子;MBAD[圖3(E)]的活性中心主要是2個(gè)酰胺基團(tuán)上的羰基氧原子與氫原子.說(shuō)明NBO電荷布局與MEP方法在活性位點(diǎn)的判斷上存在一致性和有效性.功能單體與印跡分子的相互作用強(qiáng)度是判斷印跡復(fù)合物穩(wěn)定性依據(jù).相互作用強(qiáng)度