吡蚜酮分子印跡聚合物的制備及吸附性能表征

湯軼偉,高子媛,高靜紋,魏立巧,蘭建興,李 譯,高 雪,張德福,勵建榮

(渤海大學化學化工與食品安全學院,渤海大學食品研究院,遼寧省食品安全重點實驗室,遼寧錦州 121013)

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吡蚜酮分子印跡聚合物的制備及吸附性能表征

湯軼偉,高子媛,高靜紋,魏立巧,蘭建興,李 譯,高 雪,張德福,勵建榮*

(渤海大學化學化工與食品安全學院,渤海大學食品研究院,遼寧省食品安全重點實驗室,遼寧錦州 121013)

以吡蚜酮為模板分子,甲基丙烯酸為功能單體,乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑,偶氮二異丁腈為引發劑,采用本體聚合法制備了吡蚜酮分子印跡聚合物。實驗優化了模板分子與功能單體的摩爾比,通過吸附動力學和等溫吸附實驗對聚合物的吸附性能進行了表征,利用擬二級動力學模型和Scatchard分析研究了聚合物對目標物的吸附行為。實驗結果表明:模板分子與功能單體摩爾比為1∶4時,制備的吡蚜酮分子印跡聚合物具有較好的印跡效果,最優條件下聚合物的吸附容量為25.11mg/g,印跡因子為3.0,可在80min內達到吸附平衡(20mg/L)；聚合物對目標物的吸附行為符合擬二級動力學模型(R2=0.999),Scatchard分析結果表明聚合物在聚合過程中形成了較為明顯的印跡位點,對目標物呈現一致的親和力。

吡蚜酮,分子印跡聚合物,吸附性能

吡蚜酮(Pymetrozine,PYM)屬于吡啶類或三嗪酮類殺蟲劑,由瑞士Novartis AG公司于1988年研制開發而成,具有高效、低毒、選擇性高、對環境友好等優點,被廣泛應用在水稻、蔬菜、果樹、小麥等作物的蚜蟲、飛虱、葉蟬、粉虱、蝗蟲等刺吸式或咀嚼式口器類型害蟲的綜合防治中[1-2]。2009年,我國將該藥物列為重點推廣的高毒農藥替代產品。到目前為止,全國累計防治面積達1億畝次以上。然而,研究表明:吡蚜酮藥物對蚜蟲天敵蚜寄生蜂有一定的致死率,能使牛血清白蛋白構象發生改變、α-螺旋含量升高[3-4],可致鼠腫瘤、良性肝細胞瘤等[5],美國環境保護署已將吡蚜酮列為人類潛在致癌物[6]。

圖1 吡蚜酮結構式Fig.1 Chemical structure of pymetrozine

目前,檢測食品中吡蚜酮殘留的方法主要有氣相色譜法(GC)[5],高效液相色譜法(HPLC)[6-12],LC/MS/MS[13-14],脈沖極譜法[15]等。但是要滿足復雜基質中痕量吡蚜酮殘留的檢測要求,就要對樣品進行預處理和富集。固相萃取(SPE)是一項簡單有效的樣品前處理方法[16]。然而,傳統的SPE不能對目標物進行特異性吸附,所以在富集目標物時,物理化學性質相近的干擾物質被一同富集,這些物質可能會影響儀器分析結果的準確性或靈敏度。

分子印跡聚合物(MIPs)以其對目標物出色的識別能力受到了廣泛的關注[17],并且以MIPs為吸附劑的SPE已成功的應用在環境和生物樣品的預處理中[18]。本論文采用本體聚合法制備吡蚜酮分子印跡聚合物,優化了制備條件,考察了聚合物對目標物的吸附性能,為其在食品中痕量吡蚜酮的提取、凈化和富集過程中的應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

吡蚜酮(純度>98%) 山東沾化天元精細化工有限公司；甲基丙烯酸 沈陽市華東試劑廠；乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA) sigma公司；冰乙酸 天津市天力化學試劑有限公司；偶氮二異丁腈(AIBN)、乙腈、無水乙醇 天津市致遠化學試劑有限公司；甲醇,天津市康科德科技有限公司。本實驗所用試劑為分析純或色譜純。

紫外可見分光光度計(Cary50-Bio) 澳大利亞Victoria公司；單道微量可調移液器 德國Eppendorf；磁力攪拌器 德國IKA公司；真空干燥箱(DZF-6050) 上海一恒科技有限公司；電熱套 山東鄄城華魯電熱儀器有限公司。

1.2 吡蚜酮分子印跡聚合物的制備

準確稱取1mmol吡蚜酮于50mL圓底燒瓶中,加入30mL甲醇與乙腈(5∶1；v∶v)的混合溶劑,磁力攪拌直至吡蚜酮完全溶解,然后加入4mmol甲基丙烯酸功能單體,室溫連續攪拌3h,使模板分子與功能單體之間形成穩定的契合物,再加入15mmol交聯劑EGDMA和40mg引發劑AIBN,30min后充氮5min除氧密封,65℃下熱引發聚合24h。聚合物經研磨后用甲醇-乙酸(9∶2；v∶v)混合溶劑洗脫模板分子至洗脫液中無模板分子檢出為止,洗脫完畢的聚合物在60℃真空干燥箱中干燥24h后備用。非印跡聚合物制備過程同印跡聚合物,但在制備過程中未添加模板分子。

1.3 吸附性能研究

1.3.1 紫外吸收波長的確定及標準曲線的繪制 配制12.5mg/L的吡蚜酮甲醇溶液,在200～400nm波長范圍內吸收掃描,以吸收峰最高的波長為測定波長。

吡蚜酮標準曲線:分別配制濃度為12.5、6.25、3.125、1.56、0mg/L 5個濃度梯度的吡蚜酮甲醇溶液,在選定波長下測定吸光度值A,以A為縱坐標、濃度為橫坐標回歸標準曲線。

1.3.2 吸附性能表征 為了評價合成的吡蚜酮分子印跡聚合物對目標分子的吸附速率,對聚合物進行吸附動力學實驗。具體方法如下:準確稱取20mg吡蚜酮印跡聚合物于25mL容量瓶中,加入5mL濃度為20mg/L的吡蚜酮甲醇溶液,室溫下水平振蕩吸附一定時間(10、20、40、80、120、160min)后,溶液用0.45μm孔徑濾膜過濾后利用紫外分光光度計測定濾液中吡蚜酮的濃度,通過式(1)計算吸附容量。

式(1)

式中,Ci為初始濃度(mg/L),Cf為吸附后濾液濃度(mg/L),V為吸附溶液體積(L),W為聚合物用量(mg)。

為了評價分子印跡聚合物對目標分子的吸附能力,對聚合物進行等溫吸附實驗。具體方法如下:準確稱取20mg吡蚜酮印跡聚合物和非印跡聚合物于25mL容量瓶中,加入5ml不同濃度的吡蚜酮甲醇溶液(10～160mg/L),室溫下水平振蕩120min后,溶液用直徑為0.45μm的濾膜過濾,利用紫外分光光度計測定濾液中吡蚜酮的濃度,利用式(1)計算吸附容量。

印跡聚合物的吸附容量與非印跡聚合物吸附容量的比值即為印跡因子,可對分子印跡聚合物對目標物的選擇性進行評價。一般印跡因子越大,印跡聚合物的印跡效果越好。

1.4 數據處理

論文中的數據均由Origin8.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 紫外檢測條件的確定與標準曲線的繪制

濃度為12.5mg/L的吡蚜酮甲醇溶液紫外掃描圖如圖2所示。由圖2可見,吡蚜酮在波長為299nm時吸收強度較大,能滿足實際測定的需要。所以,實驗選取299nm波長為測定波長。

圖2 吡蚜酮標準溶液紫外掃描圖Fig.2 Spectra of standard solution of pymetrozine in ultraviolet spectrum region

在測定波長為299nm下,吡蚜酮甲醇溶液的標準曲線如圖3所示。由圖3可知,在測定濃度范圍內,濃度與吸光度值具有良好的線性關系。

圖3 吡蚜酮標準曲線Fig.3 The standard curves of pymetrozine

2.2 模板分子與功能單體比例優化

功能單體的用量在印跡聚合物的制備和吸附過程中起著極為重要的作用,它提供了與模板分子形成非共價鍵或共價鍵的功能基團。為了考察不同功能單體用量對聚合物吸附容量的影響,實驗選取不同摩爾比例(1∶2、1∶4、1∶6)的模板分子與功能單體合成吡蚜酮分子印跡聚合物,在濃度為20mg/L時其吸附容量如圖4所示。由圖4可見,模板分子與功能單體的摩爾比為1∶4時印跡聚合物的吸附容量(6.38mg/g)是非印跡聚合物吸附容量(2.5mg/g)的2.55倍,印跡效果最好。所以,實驗選擇模板分子與功能單體的摩爾比為1∶4合成吡蚜酮分子印跡聚合物。

圖4 不同模板分子與功能單體摩爾比 合成聚合物的吸附容量Fig.4 Adsorption capacity of imprinted polymers with different molar between template and monomer

2.3 吸附動力學表征

為了評價分子印跡聚合物對目標物的吸附速率,考察了聚合物在不同時間內對吡蚜酮吸附容量的變化,結果如圖5所示。由圖5可見,該聚合物對吡蚜酮有較快的傳質速率,對濃度為20mg/L的吡蚜酮溶液在20min內可達到吸附容量的90%,80min內基本達到吸附平衡。研究表明目標物的濃度越小,達到吸附平衡的時間越短。較短的吸附平衡時間有利于分子印跡聚合物的實際應用。

圖5 吡蚜酮分子印跡聚合物吸附動力學Fig.5 Kinetic uptake plot of imprinted polymer of pymetrozine

吸附動力學可以用擬二級動力學方程進行驗證。擬二級動力學模型可以用式(2)表示。

式(2)

其中,k為速率常數(mg/g·min)；qt為不同時間的吸附容量(mg/g)；qe為平衡時的吸附容量(mg/g)。t/qt對t作圖如圖6所示。由圖6可知,擬二級動力學方程的相關性系數R2為0.999,并且由實驗得到的qe值(6.9mg/g)與擬二級動力學方程得到的qe值(7.1mg/g)相接近,表明本吸附過程符合擬二級動力學模型。

圖6 擬二級動力學模型Fig.6 Pseudo-second-order kinetic model for adsorption of pymetrozine onto the MIPs

2.4 等溫吸附實驗

為了測定印跡聚合物和非印跡聚合物對目標分子吡蚜酮的吸附容量,進行了等溫吸附實驗,結果如圖7所示。由圖7可知,印跡聚合物和非印跡聚合物的吸附容量都隨著吡蚜酮溶液初始濃度的增加而增加。在吡蚜酮溶液濃度為160mg/L時,印跡聚合物的吸附容量(18.05mg/g)是非印跡聚合物的吸附容量(6.01mg/L)的3.0倍,說明分子印跡聚合物在制備過程中產生了很強的印跡效應,對吡蚜酮具有較好的選擇性吸附。

圖7 MIP和NIP等溫吸附曲線Fig.7 Adsorption isotherms of MIP and NIP

2.5 Scatchard分析

Scatchard模型是對受體平衡鍵合進行分析的一種數學方法(式3),常用來評價分子印跡聚合物的吸附特性[19]。

式(3)

其中：C是溶液的初始濃度,Q是達到吸附平衡時的吸附容量,Qmax是最大飽和吸附容量,Kd為結合位點的平衡解離常數。以Q/C對Q作圖,結果如圖8所示。由圖8可知,所得數據進行線性回歸可得到一條線性良好的直線,這說明在所研究的濃度范圍內,分子印跡聚合物對吡蚜酮分子呈現一致的親和力,且印跡聚合物對底物的識別是在特異性孔腔中進行的。由回歸方程y=-0.0185x+0.4646(R2=0.9671)的斜率和截距可求得印跡聚合物對吡蚜酮的飽和吸附容量Qmax為25.11mg/g,表明印跡聚合物對模板分子具有較高的結合容量,聚合過程中形成了比較明顯的印跡位點。

圖8 印跡聚合物的Scatchard曲線Fig.8 Linearized scatchard plot of MIP

3 結論

以吡蚜酮為模板分子,甲基丙烯酸為功能單體,在摩爾比為1∶4時制備的分子印跡聚合物具有較好的印跡效果,印跡因子為3.0；印跡聚合物對目標物具有較快的吸附速率,符合擬二級動力學模型(R2=0.999),在濃度為20mg/L時能在80min內達到吸附平衡,最大吸附容量為25.11mg/g,適合用于復雜樣品中痕量吡蚜酮殘留的提取、凈化與富集過程。

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Study on preparation and adsorption propertiesof pymetrozine molecularly imprinted polymers

TANG Yi-wei,GAO Zi-yuan,GAO Jing-wen,WEI Li-qiao,LAN Jian-xing,LI Yi,GAO Xue,ZHANG De-fu,LI Jian-rong*

(Food Science Research Institute of Bohai University,Food Safety Key Lab of Liaoning Province,College of Chemistry,Chemical Engineering and Food Safety,Bohai University,Jinzhou 121013,China)

A molecular imprinted polymer was prepared by bulk polymerization using pymetrozine as template,methylacrylic acid as monomer,azo-bio(isobutryonitrile)as initiator,ethylene glycol dimethacrylate as cross-linker. The molar ratio of template to monomer was optimized and the synthesized molecular imprinted polymer was characterized by isothermal adsorptions test and adsorption kinetics. The results indicated that the molecular imprinted polymer was 3.0 times of adsorption capacity than that of non-imprinted polymers,and could reach adsorption equilibrium within 80min at 20mg/L concentration. The adsorption behavior was studied using pseudo-second-order kinetic model(R2=0.999)and scatchard analysis and the results showed that the adsorption behavior abeyed pseudo-second-order kinetic model and the polymers with specific imprinted site formed during imprinting proceedings possess the same binding with the targets.

pymetrozine;molecular imprinted polymer;adsorption properties

2014-06-12

湯軼偉(1981-)，男，講師，研究方向：食品安全檢測技術。

*通訊作者:勵建榮(1964-)，男，博士，教授，主要從事水產品和果蔬貯藏加工、食品安全方面的研究。

國家“十二五”科技支撐計劃(2012BAD29B06)；遼寧省高校重大科技平臺“食品貯藏加工及質量安全控制工程技術研究中心”與“遼寧省食品安全重點實驗室”放課題資助項目(LNSAKF2011021)。

TS201.2

A

1002-0306(2015)05-0091-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.010