懸浮聚合法合成馬拉硫磷分子印跡聚合物的吸附性能研究

芮超凡,宋立新,陳 思，李媛媛，溫志兵，何 娟*,魏宏亮,谷克仁

(1.河南工業大學 化學化工與環境學院，河南 鄭州 450001；2.河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450001)

有機磷類農藥主要有馬拉硫磷、克線磷、特丁硫磷等，能夠高效防治病蟲害[1]，因其應用相當普遍，因此有機磷類農藥是目前農藥殘留的主要來源之一。通常被檢樣品中的農藥含量非常低[2]，而樣品基質中常含有大量干擾物質，因此有必要建立一種簡單、快速、有效的樣品前處理方法。

固相萃取技術是利用填充的固體吸附劑對液體樣品中的目標化合物進行吸附及解吸，最終達到對目標化合物分離和富集目的的一種樣品前處理技術[3-4]。目前商品化的固相吸附劑缺乏專一選擇性，對含復雜基質的樣品中痕量有機磷類農藥的提取凈化效率較低。而分子印跡固相萃取吸附劑作為一種新型固相萃取填料，能對目標分析物進行選擇性吸附而排除樣品基質的干擾，不僅能降低目標分析物的檢出限，還能提高痕量分析的精確性[5-6]。本文以馬拉硫磷為模板，采用懸浮聚合的方法合成馬拉硫磷分子印跡聚合物(MIPs)，對其進行結構表征和吸附性能檢測，并與合成的非印跡聚合物進行對比，測試其特異性吸附能力[7]。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

安捷倫7890氣相色譜，檢測器為 FPD(GC/FPD)；HP-5色譜柱(30 m×0.25 mm，1.4 μm)；JSM-6490LV掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)。

馬拉硫磷(原藥,國藥試劑有限公司)；α-甲基丙烯酸(α-MAA,上海麥克林生化科技有限公司)；乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA,上海麥克林生化科技有限公司)；偶氮二異丁腈(AIBN,科密歐試劑公司)；甲醇、乙醇、乙腈、正己烷和丙酮(上海阿拉丁試劑有限公司)均為色譜純。實驗用水為超純水。

1.2 馬拉硫磷分子印跡聚合物的合成方法

取馬拉硫磷0.067 mL(0.25 mmol)、MAA 0.170 mL(2 mmol)、EDMA 1.889 mL(10 mmol)加到1%聚乙烯醇溶液中，再加入AIBN 24.24 mg，在60 ℃下反應8 h，得到馬拉硫磷分子印跡聚合物。先將產物用甲醇-冰醋酸(體積比9∶1 )溶液洗脫模板分子，再用純甲醇洗脫至中性，烘干備用。

采用相同方法在不加入模板分子的情況下合成非印跡聚合物(NIPs)。

1.3 聚合物對模板分子馬拉硫磷的平衡吸附實驗

配制一系列1～100 μg/mL的馬拉硫磷水溶液，取20 mg的MIPs，分別加入上述質量濃度的馬拉硫磷溶液各4 mL，振蕩，靜置20 h，取上清液，N2吹干后，用1 mL正己烷溶解，進氣相色譜儀測定含量，計算出MIPs對不同底物濃度溶液的吸附量。

用與上述方法一致的步驟測定非印跡聚合物對不同濃度馬拉硫磷溶液的吸附量。

1.4 吸附速率實驗

分別取12組MIPs 20 mg于5 mL離心管中，編號為1～12，各加入2 μg/mL馬拉硫磷溶液4 mL，振蕩，靜置，1～8號離心管每隔1 h測定1次；9～12號離心管每隔2 h測定1次。計算吸附量。

1.5 聚合物的選擇性吸附實驗

配制濃度相同的滅線磷、特丁硫磷、甲拌磷、克線磷、樂果與馬拉硫磷混合溶液。取 20 mg MIPs于離心管中，加入混合溶液4 mL(6種有機磷標準溶液質量濃度均為5 μg/mL)，封口，靜置 20 h。用氣相色譜測定吸附前后溶液的濃度，通過下式計算MIPs對各底物的吸附量Q：Q=(C0-C)V/m。其中，Q(μg/mg)為聚合物對底物的吸附量；C0(μg/mL)為吸附前溶液濃度；C(μg/mL)為吸附后溶液濃度；V(mL)為待吸附溶液體積；m(mg)為聚合物的質量。

采用相同方法測定NIPs對6種有機磷的吸附量。

表1 正交實驗結果Table 1 Orthogonal experimental results

2 結果與討論

2.1 分子印跡聚合物的合成條件優化

通過測定合成的MIPs對馬拉硫磷的吸附量，采用正交試驗對合成條件進行了優化，其中因素A為模板分子與功能單體的比例(摩爾比)；因素B為模板分子與交聯劑的比例(摩爾比)；因素C為溫度(℃)；因素D為引發劑的用量(%)，如表1所示。

由直觀分析可以看出，最佳的反應條件為A3B1C1D1，即模板分子∶功能單體=1∶8，模板分子∶交聯劑=1∶40，溫度為60 ℃，引發劑用量為單體和交聯劑質量的1.0%。

圖1 MIPs的掃描電鏡圖Fig.1 The scanning electron micrographs of MIP

圖2 MIPs與NIPs對馬拉硫磷的吸附等溫線Fig.2 Isothermal adsorption of MIPs and NIPs to malathion

圖3 MIPs的Scatchard方程Fig.3 Scatchard equation of MIPs

2.2 馬拉硫磷分子印跡聚合物的性能表征

采用掃描電子顯微鏡對合成的MIPs進行表征，如圖1所示。由放大500倍的掃描電鏡圖可看出：合成的MIPs為球狀顆粒，直徑約為100 μm，具有較大的比表面積，為其良好的特異性吸附性能打下了基礎。

2.3 吸附性能測試

2.3.1平衡吸附實驗MIPs、NIPs對馬拉硫磷的吸附等溫線見圖2。由圖2可知，MIPs對馬拉硫磷的最大吸附量為4.62 μg/mg,NIPs對馬拉硫磷的最大吸附量為2.21 μg/mg。MIPs和NIPs對馬拉硫磷的吸附量隨著馬拉硫磷溶液濃度的升高而增大，而馬拉硫磷溶液濃度相同時，MIPs的吸附量比NIPs高。這表明，MIPs因特異性吸附作用對馬拉硫磷有著更強的親和力，這是印跡聚合物特異性吸附的體現。

將圖2中MIPs的平衡吸附實驗獲得的數據用于Scatchard分析。通過Scatchard方程式Q/C=(Qmax-Q)/Kd(其中C為吸附平衡濃度，Kd為結合位點的平衡離解常數，Q為聚合物吸附達到平衡時的吸附量，Qmax為結合位點的最大表現結合容量)，以Q/C對Q作圖得到MIPs的Scatchard曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出：Q/C對Q呈非線性關系，而圖中有兩部分分別呈現線性關系，表明印跡聚合物與馬拉硫磷的結合位點是非均一的，即有兩種不同類型的結合位點，為非特異性結合位點和特異性結合位點。

2.3.2模板分子與功能單體作用形式的推測馬拉硫磷分子中含有2個酯鍵，酯鍵中的氧原子均可與α-甲基丙烯酸中的氫原子作用形成氫鍵。根據馬拉硫磷分子結構的特點，在合成其印跡聚合物時，單體與馬拉硫磷分子的相互作用形式推測如圖4所示。

2.3.3吸附速率測試測定MIPs隨時間變化的吸附量，即吸附速率，結果如圖5所示。由圖可知，隨著時間的增加，MIPs的吸附量逐漸增加，7 h后吸附逐漸變緩，趨于飽和狀態，最終達到吸附平衡。

2.4 選擇性吸附研究

測定了MIPs和NIPs對馬拉硫磷、甲拌磷、克線磷、樂果、滅線磷、特丁硫磷的選擇性吸附。結果顯示，MIPs對滅線磷、甲拌磷、特丁硫磷、樂果、馬拉硫磷、克線磷的吸附量分別為3.87、3.75、3.57、4.00、4.44、3.61 μg/mg,而NIPs的吸附量分別為1.42、1.37、1.30、1.43、1.12、1.23 μg/mg。MIPs對模板分子馬拉硫磷的吸附量最大，表明MIPs有著與馬拉硫磷分子立體結構互補的特定孔穴，實現了對馬拉硫磷的特異性吸附；對其類似物的吸附量較小，說明MIPs有良好的選擇性吸附性能。而NIPs對各有機磷的吸附量差別不大，是非特異性吸附。

圖4 模板分子與功能單體的相互作用推測Fig.4 The possible interaction between the template and functional monomers

圖5 MIPs的吸附速率曲線Fig.5 Adsorption rate curve of MIPs

3 結 論

通過實驗得到最佳反應條件為模板分子∶功能單體∶交聯劑(摩爾比)=1∶8∶40，反應溫度60 ℃，引發劑用量1.0%。在最優條件下合成的MIPs對馬拉硫磷的吸附量為4.62 μg/mg，NIPs對馬拉硫磷的吸附量為2.21 μg/mg，表明MIPs對馬拉硫磷具有良好的吸附性能；選擇性吸附實驗表明，MIPs對馬拉硫磷的吸附量高于滅線磷、甲拌磷等結構類似物，說明MIPs有良好的選擇吸附性能。而NIPs的吸附量均小于MIPs，表明NIPs的吸附為非特異性吸附。

參考文獻：

[1] Harshit D,Charmy K,Nrupesh P.FoodChem.,2017,230:448-453.

[2] Luo J,Jiang S,Liu X.J.Phys.Chem.C,2016,117(36):18448-18456.

[3] Yao T,Li T F,Qin Y C,Wang J,Zhao Z,Gu X,She Y X.J.Instrum.Anal.(姚婷,李騰飛,秦玉昌,王靜,趙禎,谷旭,佘永新.分析測試學報),2015,34(2):237-244.

[4] Peng L Q,Ye L H,Cao J,Chang Y X,Qin L,An M R,Tan Z J,Xu J J.FoodChem.,2017,226:141-148.

[5] Sun R H,Wang T,Wang X,Ji W H.J.Instrum.Anal.(孫日晗,王濤,王曉,紀文華.分析測試學報),2017,36(6):750-755.

[6] Jrl G,Teixeira N,De F V,Sales M G,Sutherland D S.FoodChem.,2017,233:457-466.

[7] Chen N N,He J,Wu C J,Li Y Y,Suo A,Wei H L,He L J,Zhang S S.J.Sep.Sci.,2017,40(6):1327-1333.