沉淀聚合法合成擬除蟲菊酯類分子印跡聚合物及其吸附性能研究

黃志鵬,宋立新,沈妍錚，李媛媛，施楓椿，位艷艷，游利琴,何 娟*

(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)

除蟲菊酯中含有的殺蟲劑是一種從干菊花中提取的物質，擬除蟲菊酯是除蟲菊酯衍生的一類合成有機殺蟲劑，與傳統的農藥相比，擬除蟲菊酯類農藥的毒性更低，穩定性更高并且具有廣泛的抗病蟲害性，被廣泛應用于農業中。目前擬除蟲菊酯類農藥已經成為市場上的三大殺蟲劑之一[1-3]。由于擬除蟲菊酯應用廣泛，且殘留的擬除蟲菊酯可通過食物鏈進入生物體內，并對水生生物有很大的毒性，進而可能對人體造成不良影響[4-7]。為了降低食品被污染的風險，很有必要開發一種高靈敏并且簡便的檢測擬除蟲菊酯類農藥殘留的方法。

目前對擬除蟲菊酯的檢測方法主要有氣相色譜、液相色譜、氣相色譜-質譜聯用、液相色譜-質譜聯用[8-10]等。但是由于食品中的基質非常復雜，而且樣品中目標物的含量很低，故需要有效的樣品前處理過程以實現目標物質的提取和富集[11-13]。分子印跡聚合物(MIPs)是一種具有特異性識別能力的聚合物，其通過對模板分子的預聚合、聚合、洗脫等一系列過程，得到具有高度特異性的三維識別空腔，通過空腔的吸附和解吸達到對目標物特異分離與富集的目的[14-15]，可用于前處理過程。然而，對于擬除蟲菊酯類物質，采用目標物本身作為模板分子時，不僅毒性較大，可能對操作人員和環境造成危害，而且會造成模板泄露，進而導致假陽性。所以需要選擇一種目標物的結構類似物作為模板分子，以保證能夠選擇性吸附目標物，而且不影響目標物質的檢測結果[16]。

本文采用擬除蟲菊酯的結構類似物二苯醚-聯苯共晶作為替代模板，使用沉淀聚合的方法，通過聚合得到對擬除蟲菊酯有選擇性吸附能力的MIPs，對其進行表征和吸附性能研究，并與非印跡聚合物(NIPs)的吸附性能進行了對比。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

UV3600紫外-可見分光光度計(島津(中國)有限公司)；HHS-11-4恒溫水浴鍋(杭州匯爾儀器有限公司)；S312-90數顯恒速攪拌器(上海壘固儀器有限公司)；FED720強制循環熱對流多功能烘箱(上海賓德實驗設備有限公司)；2SK雙機水環式真空泵(無錫四方真空設備有限公司)；BSA電子天平(Sartorious公司)；ASE-200(美國Dionex公司)。

二苯醚-聯苯共晶(ACROS公司產品(北京百靈威有限公司))；4-乙烯基吡啶(4-vp，分析純，Johnson Matthey公司)；乙二醇二甲基丙烯酸酯( EDMA，分析純，Johnson Matthey公司產品(阿拉丁試劑有限公司))；甲醇、乙醇、丙酮(色譜純，北京世紀瑞維發展有限公司)；乙腈(色譜純，南京化學試劑公司)；偶氮二異丁腈(AIBN，分析純，天津市凱通化學試劑公司)；三氯甲烷(分析純，開封黃海化工有限公司)；擬除蟲菊酯類標準樣品(100 μg·mL-1，農業部環境保護科研監測所研制)：聯苯菊酯(石油醚)GSB G23065-94；甲氰菊酯(石油醚)GSB G23031-92；氯菊酯(石油醚)GSB G23034-92；氯氰菊酯(石油醚)GSB G23033-92；氰戊菊酯(石油醚)GSB G23032-92；毒死蜱(丙酮)GSB05-1877-2008。

1.2 聚合物的合成

取0.918 mL(3 mmol)二苯醚-聯苯共晶、1.944 mL(18 mmol) 4-vp以及15 mL 氯仿于250 mL三口燒瓶中，超聲10 min，然后加入11.286 mL(60 mmol)EDMA并超聲10 min，最后加入100 mL乙醇以及95.2 mg AIBN，在70 ℃油浴鍋中磁力攪拌反應8 h，抽濾，烘干，得到淡白色粉末狀顆粒。

將合成的聚合物用甲醇-乙酸(9∶1，體積比)溶液洗脫至洗脫液中檢測不到模板分子，更換純甲醇作為洗脫液，洗至洗脫液呈中性，烘干聚合物備用。

使用相同方法(不添加替代模板)合成非印跡聚合物。

1.3 聚合物等溫吸附曲線的測定

稱取16份印跡聚合物(每份0.025 g)于10 mL離心管中，編號1～16，分別加入質量濃度為5～80 μg· mL-1的聯苯菊酯(用10%甲醇溶解)溶液5 mL，封口并渦旋1 min，靜置15 h。使用紫外分光光度計依次測定每份聚合物上清液的吸光度，并計算吸附后溶液中聯苯菊酯的質量濃度。根據吸附前后溶液中的聯苯菊酯質量濃度計算聚合物的吸附量Q。Q(μg· g-1)=(C0-C1)m-1V，式中：C0為聯苯菊酯吸附前的質量濃度(μg ·mL-1)；C1為聯苯菊酯吸附后的質量濃度(μg· mL-1)；V為聯苯菊酯標準液的體積(mL)；m為印跡聚合物的質量(g)。

非印跡聚合物測定方法同上。

1.4 聚合物吸附量的測定

稱取20份印跡聚合物(每份0.025 g)于10 mL離心管中，編號1～20，分別加入5 mL 20 μg·mL-1的聯苯菊酯溶液。放置不同時間后測定溶液的吸光度，并換算成聯苯菊酯的質量濃度，根據公式Q=(C0-C1)m-1V計算聚合物不同吸附時間的吸附量Q。

1.5 聚合物的選擇性實驗

稱取0.015 g印跡聚合物，加入毒死蜱、甲氰菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯、氯菊酯、聯苯菊酯混合標準溶液10 mL(各標準溶液的質量濃度均為0.9 μg·mL-1)，封口并渦旋1 min，靜置10 h。測定吸附后溶液的質量濃度,根據公式Q=(C0-C1)m-1V計算吸附量Q。

使用同樣方法測定非印跡聚合物的吸附量Q。

2 結果與討論

2.1 反應溶劑的選擇

反應溶劑的用量決定了反應體系中模板的濃度，減少溶劑用量可以提高模板濃度，從而產生更多的結合位點，但是溶劑用量過少則會影響聚合物的沉淀生成。在實驗過程中維持模板分子∶功能單體∶交聯劑(摩爾比)=1∶6∶20，分別使用乙腈、三氯甲烷、乙醇作為反應溶劑，所得3種聚合物的吸附量分別為2 010、2 220、2 678 μg·g-1，可知乙醇作為反應溶劑時制備的聚合物對模板分子的吸附效果最好。對乙醇的用量進行了優化，在乙醇用量分別為80、100、120 mL時，所得3種聚合物的吸附量分別為2 338、2 565、2 506 μg·g-1，故選擇乙醇用量為100 mL。

2.2 正交實驗

為了得到吸附效果更佳的二苯醚-聯苯聚合共晶印跡聚合物，經單因素優化，分別確定模板分子與功能單體的比例(摩爾比)范圍為1∶4～1∶8，模板分子與交聯劑的比例(摩爾比)為1∶20～1∶40，引發劑用量范圍為1%～2%，溫度范圍為60～70 ℃。在此基礎上采用4因素3水平的正交實驗，對聚合物的合成條件進行進一步優化。其中因素A為模板分子與功能單體的比例；因素B為模板分子與交聯劑的比例；因素C為引發劑的用量(%)；因素D為聚合反應溫度(℃)，正交實驗結果如表1所示。由表1可知，聚合反應的最佳反應條件為A2B1C1D3，即模板∶功能單體∶交聯劑=1∶6∶20，引發劑用量為單體與交聯劑質量和的1%，聚合溫度為70 ℃。

表1 正交實驗結果Table 1 Results of orthogonal experiment

2.3 聚合物的性能表征

使用掃描電鏡對合成的聚合物進行表征，由圖1可以看出：合成的MIPs(圖1A)和NIPs(圖1B)均為細小球形顆粒，并且疏松多孔，具有較大的比表面積，為聚合物的良好吸附性能提供了基礎。

2.4 聚合物等溫吸附的測定

圖2 MIPs和NIPs的等溫吸附線Fig.2 Adsorption isotherms of MIPs and NIPs

圖3 MIPs和NIPs聚合物的選擇性吸附Fig.3 Selective adsorption of MIPs and NIPs polymersA.chlorpyrifos，B.bifenthrin，C.fenpropathrin，D.cypermethrin，E.permethrin，F.fenvalerate

按照“1.3”方法進行等溫吸附實驗，結果如圖2所示。由圖可看出，隨著標準溶液質量濃度的增大，MIPs和NIPs的吸附量均增大，且二者的吸附量之差也逐步增大。其中當聯苯菊酯的結構類似物二苯醚-聯苯共晶的質量濃度為60 μg· mL-1時，MIPs的吸附達到飽和，吸附量Q為6 041 μg· g-1，而此時NIPs的吸附量為3 264 μg· g-1。這是因為MIPs中具有模板分子的孔穴，吸附性能更佳。

2.5 聚合物吸附量的測定

按照“1.4”方法進行吸附量的測定，發現隨著吸附時間的延長，MIPs的吸附量逐漸增大，7 h后基本達到吸附平衡，說明MIPs對聯苯菊酯的結構類似物二苯醚-聯苯共晶的吸附達到飽和，此時的吸附量為3 325 μg·g-1。

2.6 選擇性實驗

按照“1.5”方法測定了MIPs和NIPs兩種聚合物對非擬除蟲菊酯類農藥毒死蜱和擬除蟲菊酯類農藥聯苯菊酯、甲氰菊酯、氯菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯的選擇性吸附能力，結果顯示，MIPs對上述6種農藥的吸附量分別為259、316、311、271、305、298 μg·g-1，而對應的NIPs的吸附量則為169、188、181、183、151、142 μg·g-1(圖3)。可知MIPs聚合物對擬除蟲菊酯類農藥的吸附量大于非擬除蟲菊酯類農藥，且MIPs的吸附量均大于NIPs。這是由于替代模板與擬除蟲菊酯類物質有相似的結構，且MIPs存在能與擬除蟲菊酯類結合的功能基團和能與擬除蟲菊酯類分子互補的特異性孔穴。說明在MIPs合成的過程中替代模板發揮了印跡效應，而且合成的MIPs能夠選擇性識別、吸附目標物質。

3 結 論

采用替代模板二苯醚-聯苯共晶合成分子印跡聚合物，最佳合成溫度為70 ℃，參與反應的模板分子∶功能單體∶交聯劑(摩爾比)=1∶6∶20，引發劑用量為1%。在最佳條件下合成的MIPs對擬除蟲菊酯類農藥的最大吸附量為316 μg· g-1，對相同濃度的非擬除蟲菊酯類農藥吸附量為259 μg· g-1，說明MIPs對擬除蟲菊酯類農藥有特異性吸附和選擇識別能力。