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

分子印花技術將目標測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合點，以合成具有選擇和識別能力的分子印花聚合物（mips）。這一特點使mips在鉻光刻中應用于鉻光刻。巴比妥(BAR)是一種抗癲癇、抗驚厥及手術麻醉等藥物,由于該藥物可以促進動物生長1理論計算方法采用Guassian09程序式中,ΔE2實驗部分2.1化學試劑與試劑BAR,標準品,上海泛柯生物科技有限公司;MAA,分析純,天津市光復精細化工研究所;AM,化學純,國藥集團化學試劑有限公司;4-Vpy,分析純,天津化學有限公司;MBAD,化學純,上海薩恩化學技術有限公司;1,3-二甲基巴比妥酸(DMBA),標準品,成都格雷西亞化學技術有限公司;2-硫代巴比妥酸(TMB),標準品,國藥集團化學試劑有限公司;戊巴比妥鈉(PBS),標準品,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,上海晶純試劑有限公司;偶氮二異丁腈(AIBN),分析純,天津光復精細化工研究所;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(金壇市開發(fā)區(qū)吉特實驗儀器廠);JSM-5600型掃描電子顯微鏡(SEM,日本JEOL電子株式會社);TU-1901型雙光速紫外分光光度計(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;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,反應物充分混勻后除氧密封,于333K恒溫水浴中反應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BAR為止,蒸干至恒重,得到BAR-MIPs.采用類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.吸附結束后離心分離,靜置片刻后,取上清液用0.22μm的濾頭過濾,濾液通過紫外分光光度計測定吸光度,根據(jù)吸光度計算出游離的BAR濃度.根據(jù)吸附前后濃度的變化計算聚合物對目標分子的吸附量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在相應波長處測定樣品的吸光度,計算BAR-MIPs對各底物的吸附量及選擇因子α:式中,Q2.5mips的吸附量測定稱取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,測定樣品吸光度,計算不同溫度下MIPs的吸附量.2.6mips的穩(wěn)定性研究稱取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,用紫外分光光度計測定平衡濃度,并將達到飽和的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.重復上述步驟,研究MIPs在不同溫度下的使用壽命以及反復利用率.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,通過掃描電子顯微鏡觀察聚合物微球大小與形態(tài).3結果與討論3.1計算方法的選取BAR與功能單體間主要通過氫鍵進行印跡聚合反應,而對氫鍵計算,不同泛函計算的精確度和可靠性不同.B3LYP方法雖然在分子幾何結構上有很好的效果,但在氫鍵計算上存在一定的缺陷3.2生物降質(zhì)中paa的活性中心通過優(yōu)化BAR,MAA,AM,4-Vpy與MBAD分子幾何構型并計算原子的自然鍵軌道電荷(NBO)分布,預測分子活性作用位點.從NBO電荷布局(圖2)可以看出,BAR結構中的羰基氧原子帶有較多的負電荷,分別為-0.602(O9),-0.586(O10)和-0.586(O11),這3個氧原子成為BAR結構中的質(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,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為依據(jù),借助于Gaussian09軟件,利用自洽反應場中的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.模擬過程中,針對同一功能單體形成不同反應比例的復合物,以相互作用位點越多及能量越低其復合物越穩(wěn)定為原則對復合物進行優(yōu)化,其穩(wěn)定復合物結構見圖4.借助于以電子密度拓撲方法(AIM)理論由圖4可知,所有復合物中BAR反應位點為H7,H8,O9,O10及O11;MAA反應位點為—COOH基團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.如反應摩爾比為1∶6的復合物[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形成一個氫鍵.同理,AM[圖4(B)]的質(zhì)子受體與給體分別是酰胺基團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個酰胺基團上的羰基氧原子與氫原子(如O57與H66).該結果與上述NBO與MEP分析結論一致.從表2可見,所有鍵鞍點處的ρ(r)與▽功能單體種類及其與印跡分子間的反應比例影響了MIPs的穩(wěn)定性、吸附性和選擇性.由表2可見,BAR與MAA,AM,4-Vpy,MBAD的最佳反應摩爾比分別為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(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,氫鍵鍵長越短,其相互作用越強,形成的MIPs穩(wěn)定性及其對印跡分子的選擇吸附性越強.因此,從氫鍵數(shù)目、鍵長及反應摩爾比來看,MAA與BAR氫鍵數(shù)目最多,鍵長最短,反應摩爾比最高,其次為AM,MBAD和4-Vpy.同時,依據(jù)文獻[10]模擬計算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,平均鍵長分別為0.1871和0.1874nm.與MAA單獨作為功能單體相比,混合功能單體相互作用較弱.因此,反應摩爾比為1∶6的BAR-MAA復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多組復合能3.5功能單體對印跡聚合物吸附性的影響為驗證上述模擬計算的準確性,分別制備了BAR與MAA,AM,4-Vpy及MBAD4種功能單體在最佳反應比為1∶6,1∶6,1∶3和1∶4時形成的BAR-MIPs和NIPs及混合功能單體在相應反應摩爾比時形成的BAR-MIPs和NIPs,并測定其吸附性能(圖5).由圖5可見,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.這說明從MIPs的吸附性來看,MAA比其它功能單體更適合制備BAR-MIPs,也說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.對于指定的印跡分子來說,合成MIPs時其印跡反應比越大,則聚合物中形成的氫鍵數(shù)目越多,其空間結合作用位點越多,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,更好地識別印跡分子及其類似物,從而使MIPs有更高的吸附性與選擇性.實驗結果與計算模擬結果一致,進一步證實了理論計算的準確性.與文獻[10]相比,沉淀聚合法合成的BAR-MIPs吸附性較好,原因可能在于通過原位聚合法合成的BAR-MIPs交聯(lián)度高,導致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MAA為功能單體的BAR-MIPs和NIPs進行掃描電子顯微鏡表征,并進行粒徑分布分析.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,印跡分子與功能單體相互作用制備的BAR-MIPs存在一個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驗條件下,對BAR-MIPs和NIPs進行等溫吸附性測定[圖8(A)].從圖8(A)可以看到,隨著BAR濃度的增加,BAR-MIPs對BAR的吸附量逐漸增加,當BAR的初始濃度為100mg/L時,無論是BAR-MIPs還是NIPs都達到最大飽和吸附量.此時,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.為進一步研究BAR-MIPs的吸附性能,以Q/c(Q為BAR-MIPs對BAR的吸附量;c為BAR濃度)對Q作圖,得到一條線性相關的Scatchard直線[圖8(B)],其方程為Y=0.27798-0.01579X.因此,BAR-MIPs結合點的離解平衡常數(shù)K3.9可靠性性能3.10mips對bar生長的吸附特性為進一步考察BAR-MIPs對BAR的選擇吸附性能,測定了BAR-MIPs(NIPs)對BAR及其類似物的吸附量.印跡分子及其類似物結構差異導致了BAR-MIPs吸附量的不同.表4為20mg的BAR-MIPs(NIPs)在100mg/L的印跡分子及其類似物溶液中的吸附結果.可以看出,MIPs對BAR及其類似物均有一定的吸附能力,但對BAR有較高的吸附量.原因在于BAR-MIPs中既有與BAR官能團互補的功能基團,又有與BAR立體結構互補的特定孔穴;而BAR類似物與BAR結構間的差異使類似物不能被印跡孔穴內(nèi)部基團識別,或者其結構較大而不能進入孔穴內(nèi)部,只能被表面吸附或物理吸附.由表4還可見,BAR-MIPs對DMBA,PBS,TMB的選擇因子分別為1.81,1.54,1.26,其中MIPs對DMBA的選擇因子最大,表明當BAR與DMBA共存時,MIPs對BAR有較強的特異性吸附;NIPs對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DMBA,PBS,TMB的選擇因子,說明NIPs對底物的吸附作用是廣泛的,沒有選擇性.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.4分子活性位點采用量子化學模擬計算,研究了333K乙腈中BAR印跡分子與多種功能單體形成復合物的構型、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的功能單體.理論與實驗結果均表明,BAR與MAA相互作用最強,其次為AM,MBAD,4-Vpy,且以MAA單獨作為功能單體的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BAR及其類似物識別能力順序為BAR>PBS>TMB>DMBA,對BAR呈現(xiàn)較好的選擇結合能力.研究結果為BAR-MIPs的選擇性分離、富集和檢測樣品中的BAR提供了理論與實驗參考依據(jù).圖3為目標分子的靜電勢(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.從圖3標尺可見,原子負電性越強,其MEP顏色越接近于紅色;正電性越強,其MEP顏色越接近于藍色.顯然,BAR[圖3(A)]的正電荷主要集中在藍色區(qū)域,即與嘧啶環(huán)上氮原子相連的2個氫原子,其易與親核試劑反應而得到電子;負電荷主要集中在最接近于紅色的區(qū)域,即BAR結構中的羰基氧原子,易與親電試劑反應而失去電子.由此可見,BAR的主要活性中心為嘧啶環(huán)上的3個羰基氧原子及2個氫原子.同理,MAA[圖3(B)]的活性中心主要是羧基基團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個酰胺基團上的羰基氧原子與氫原子.說明NBO電荷布局與MEP方法在活性位點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度是判斷印跡復合物穩(wěn)定性依據(jù).相互作用強度