溫敏型分子印跡水凝膠的制備及對有機磷阻燃劑的吸附性

方 濤，李錦云，郭 明，王 瑞，孫立蘋

（1.浙江農林大學 化學與材料工程學院，浙江 杭州 311300；2.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 杭州 311300）

阻燃劑是賦予易燃物質難燃特性的功能性助劑，在避免火災發生、蔓延和保障人類生命財產安全中具有特殊作用[1]。隨著溴系阻燃劑的逐步禁用，有機磷阻燃劑(OPFRs)成為溴系阻燃劑的合適替代品，被廣泛用于建筑、紡織等行業[2]。其中氯代有機磷阻燃劑分子中含有阻燃元素磷及氯，其阻燃性比普通磷酸酯高得多。典型代表為磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP)、磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)和磷酸三(1, 3-二氯丙基)酯(TDCPP)[3]。OPFRs主要以物理共混方式分散在聚合物中，其與聚合物本身及添加組分不發生化學反應，在物品生產、使用等過程中較易通過揮發、磨損暴露等方式釋放至周圍環境中[4]。目前在室內塵土[5]、空氣、水體、土壤和生物體[6]中均有不同程度的檢出。研究表明：OPFRs普遍具有神經毒性[7]和致癌性[8]，對人體和環境生物造成危害。WOLSCHKE等[9]認為：TDCPP、TCPP和TCEP難以被光解，ZHONG等[10]報道TCPP難以降解。開展去除環境中OPFRs成為當前的關注點，其中吸附法仍是主流方法之一，尋找新型高效的去除OPFRs材料是研究熱點。智能水凝膠是一類受到外界環境刺激后自身性質會發生明顯變化的水凝膠[11]。溫度敏感型水凝膠的研究備受關注，在藥物控釋[12-13]、物質分離[14]、固定化酶[15]等生物醫學領域都有廣泛的應用。分子印跡技術[16](molecular imprinting technology，MIT)是將模板分子與功能單體相結合，在交聯劑作用下共聚得到固體介質，再通過物化法將模板分子洗脫，獲得與目標分子空間構型和功能基團排列相匹配的結合位點的分子印跡聚合物(molecular imprinting polymers，MIPs)。傳統MIPs依靠高交聯度來保持其印跡結構的剛性，但交聯度過高時可能降低生物相容性和溶脹性，導致聚合物中模板分子吸附和脫附困難[17]。溫敏水凝膠能夠響應環境溫度的變化，從而彌補傳統印跡聚合物的缺陷。研究發現：溫敏單體的加入可使分子印跡聚合物對模板分子的識別具有溫度可控性[16]，即在不同溫度下體積發生收縮溶脹，使印跡空腔結合模板分子的親和力發生變化[18]。同時，溫敏特性的引入可改善高交聯度MIPs的缺點，不僅能提高聚合物對目標分子的選擇吸附能力，還能感知溫度變化，實現對目標分子的自動識別或釋放[19]。近年來，MIPs優良的選擇吸附能力成為一種極具發展前景的吸附材料。然而，溫敏型分子印跡聚合物用于有機磷阻燃劑的選擇吸附研究還很少，其中，TCPP作為常用型有機磷化合物，將該技術用于水溶液中TCPP的吸附分離，可實現較好的效果。本研究以TCPP為模板分子，丙烯酸(AA)為功能單體，N-異丙基丙烯酰胺(NIPAm)為溫敏單體，采用自由基聚合法制備了具有溫敏特性的溫敏型分子印跡水凝膠(T-MIHs)。獲得的T-MIHs可在吸附去除水溶液TCPP的同時，達到高效選擇識別目的。通過測定水凝膠在不同溫度和不同底物溶液中的體積變化，研究T-MIHs對溫度及模板分子的響應性能，并對模板分子的吸附機制進行探討。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

N-異丙基丙烯酰胺(分析純，質量分數為98%)，丙烯酸(分析純，質量分數為99%)，N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(分析純，質量分數為98%)購于上海阿拉丁試劑有限公司；過硫酸銨(化學純，質量分數為98%)，二甲基亞砜(分析純，質量分數為99%)購于國藥集團化學試劑有限公司；磷酸三(2-氯丙基)酯購于上海邁瑞爾化學技術有限公司。

UV-2550型紫外分光光度計(Shimadzu，日本)；IRPrestige-21型傅立葉變換紅外光譜儀(Shimadzu，日本)；DF-101S型集熱式磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限公司，中國)；AVANCE Ⅲ HD-400M型核磁共振波譜儀(Bruker，瑞士)；Quanta 200FEG型環境掃描電子顯微鏡(FEI，美國)；真空干燥箱(北京益康科學儀器有限公司，中國)；SJIA-10N型冷凍干燥機(寧波市雙嘉儀器有限公司，中國)；DSC Q2000型差示掃描量熱儀(TA，美國)。

1.2 溫敏型分子印跡水凝膠的制備

參考文獻[20]制備溫敏水凝膠，并結合分子印跡技術制備T-MIHs。取0.48 mmol 模板分子TCPP、22.09 mmol溫敏單體 N-異丙基丙烯酰胺 (NIPAm)、21.86 mmol功能單體丙烯酸 (AA)、0.16 mmol 交聯劑N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)于10 mL試管中，加入2.5 mL二甲基亞砜并超聲溶解20 min，繼續加入0.04 mmol引發劑過硫酸銨(APS)，充分溶解混勻，試管浸入90 ℃油浴中反應10 min，得到8 g白色透明產物。反應完成后將所得水凝膠切成小塊先用50 mL甲醇∶乙酸為9∶1(體積比)的溶液洗脫3 d(隔12 h換1次洗脫液)，然后使用甲醇洗脫24 h，直到完全洗脫模板以及未反應的單體。將水凝膠60 ℃真空干燥，得到T-MIHs。作為對照制備溫敏非印跡水凝膠(T-NIHs)，按照T-MIHs的配比均勻混合制成AA/NIPAm前體液，然后加入一定量的過硫酸銨。除了不加模板分子TCPP，其他步驟和操作與TMIHs相同。

1.3 溫敏型分子印跡水凝膠的結構及形貌表征

采用傅里葉變換紅外光譜儀進行分析，掃描范圍為4 000～400 cm-1；將樣品冷凍干燥，研磨粉碎，采用核磁共振儀測試其13C核磁共振波(NMR)譜，H/X雙共振固體探頭，4 mm 二氧化鋯(ZrO2)轉子，轉速 5 kHz，檢測共振頻率 100.625 MHz，采樣時間 5.12 μs，循環延時 6.50 μs，掃描次數 4 096 次；樣品經冷凍干燥噴金后，用掃描電鏡在真空條件下對其表面形貌進行觀察。

1.4 溫敏型分子印跡水凝膠的溶脹性能測試

為了探究溫敏印跡水凝膠溫度響應機理，采用稱量法測定水凝膠在不同溫度蒸餾水中的平衡溶脹率(swelling ratio，Rs)。稱取7份干燥至恒量的T-MIHs及T-NIHs，在不同溫度下(20、25、30、35、40、45、50 ℃)置于10 mL蒸餾水中浸置平衡24 h。溫度條件采用恒溫水浴鍋控制，達溶脹平衡后，用濾紙拭干凝膠表面水分，記錄水凝膠在各個溫度的平衡質量m24h，均平行測定3次，計算平衡溶脹率Rs：

式(1)中：m24h是第24 小時水凝膠的質量，m0是初始時刻凝膠干燥至恒量時的質量。

1.5 溫敏型分子印跡水凝膠的熱性能分析

通過差示掃描量熱儀測定水凝膠的熱性能。稱取5～10 mg干燥樣品，氮氣氛圍(流量：60 mL·min-1)，升溫速率10 ℃·min-1，升溫范圍10～120 ℃。采集樣品在升溫過程中的質量變化，得到樣品的熱失重曲線，分析產物熱性能。

1.6 溫敏型分子印跡水凝膠的吸附性能研究

1.6.1 T-MIHs/T-NIHs對 TCPP 的吸附動力學研究 分別稱取 10 mg T-MIHs和 T-NIHs 置于 10 mL 離心管中，向離心管中加入 5 mL 1.5 mg·L-1的 TCPP 溶液，恒溫吸附，分別于 1、2、4、6、8、10、12、24、32、48、72 h時吸取上清液，用紫外分光光度計測其吸光度，求出吸附后TCPP的質量濃度。根據吸附前后溶液質量濃度變化，計算出水凝膠對模板分子的吸附量Q(mg·g-1)：

式(2)中：C0、Ct分別代表溶液初始質量濃度(mg·L-1)和某一時間的溶液質量濃度(mg·L-1)，V代表吸附溶液的體積(L)，m代表凝膠的質量(g)。

選擇準一級和準二級動力學模型對T-MIHs和T-NIHs的吸附特性進行線性擬合，表達式如下：

式(3)～(4)中：qe和qt分別為水凝膠吸附達到平衡時和t時對目標化合物的吸附量(mg·g-1)，k1和k2分別為準一級、準二級吸附速率常數。

1.6.2 T-MIHs/T-NIHs 對 TCPP 的等溫吸附研究 配置 0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9 mg·L-1的TCPP溶液于10 mL離心管中，各加入10 mg T-MIHs和T-NIHs，恒溫吸附24 h，使吸附達到平衡。取上清液用紫外分光光度計檢測其吸光度，計算吸附后TCPP的質量濃度。按式(2)計算凝膠對模板分子的吸附量Q(mg·g-1)。采用Langmuir和Freundlich吸附模型對T-MIHs和T-NIHs的等溫吸附特性進行線性擬合。等溫吸附線性方程如下：

式(5)～(6)中：Qmax和Qe分別為水凝膠飽和與平衡時的吸附量(mg·g-1)；Ce為靜態吸附平衡質量濃度(mg·L-1)；K和Kf分別為Langmuir和Freundlich吸附常數；n為特征常數(n越大，說明吸附強度越大，0＜n＜10。n＞1，有利于吸附；n=1，線性吸附；n＜1則不利于吸附)。

1.6.3 T-MIHs/T-NIHs對 TCPP 的選擇性吸附研究 選取 TDCPP、TCEP 為結構類似物。分別稱取 3 份10 mg T-MIHs和 T-NIHs置于離心管中，加入質量濃度為 1 mg·L-1的TCPP 和結構類似物溶液 4 mL，恒溫振蕩24 h，取上層清液，紫外分光光度計測其吸光度，并按式(2)計算出各自的吸附量。計算印跡因子(α)和選擇因子(β)，比較各自的印跡效果：

式(7)中：QT-MIHs代表印跡聚合物微球對底物的吸附量；QT-NIHs代表非印跡聚合物微球對底物的吸附量。

2 結果與討論

2.1 溫敏型分子印跡水凝膠的反應路線

T-MIHs的合成反應式如圖1。以TCPP為模板分子，NIPAm、AA分別為溫敏單體和功能單體，通過MBAA交聯制備T-MIHs。為使模板分子能固定在水凝膠內部，選擇TCPP與AA的羥基發生氫鍵預組裝，NIPAm與MBAA之間發生雙鍵加成反應，在甲醇/乙酸混合溶液中洗脫模板分子，得到三維網絡結構的T-MIHs。因模板分子被水凝膠聚合物印跡而留下獨特的空間結構，可作為識別活性位點而表現出特異識別性能，同時由于NIPAm的溫敏特性，隨著溫度變化，水凝膠表現出溶脹收縮性質。

圖1 溫敏型分子印跡水凝膠的合成路線Figure 1 Synthetic route of thermosensitive imprinting hydrogel

2.2 T-MIHs/T-NIHs的紅外光譜分析

由圖2可知：T-MIHs和T-NIHs分別在 1 632和 1 638 cm-1出現酰胺上的C＝O伸縮振動吸收峰[21-22]；1 398 cm-1出現異丙基的特征吸收峰，3 445 cm-1為—OH 伸縮振動峰[23]及—NH 伸縮振動峰的重疊峰[24]；2 928 及 2 926 cm-1附近為 MBAA上的—NH伸縮振動峰[19]。以上結果說明：單體AA、MBAA、NIPAm發生聚合，初步證明產物成功合成。同時 TCPP 在 2 992、2 879 cm-1附近出現—CH3、—CH2的 C—H 對稱伸縮振動吸收峰，1 459 cm-1附近為 C—H 的骨架振動，1 387 cm-1為—CH3的C—H彎曲振動，1 277 cm-1為P=O的伸縮振動特征吸收峰，1 017 cm-1附近出現P—O—C伸縮振動吸收峰，700 cm-1有較強吸收峰為C—Cl伸縮振動吸收峰[25]。這些具備TCPP官能團的特征吸收峰在T-MIHs和T-NIHs的紅外光譜圖中并未體現，說明TMIHs成功制備，模板分子已被完全除去。

圖2 T-MIHs(A)和 T-NIHs(B)的紅外光譜圖Figure 2 FT-IRspectra of T-MIHs(A) and T-NIHs(B)

2.3 溫敏型分子印跡水凝膠的核磁共振碳譜分析

由圖3可知：NIPAm的C6、AA的C1及MBAA的C1、C7(烯烴碳原子)峰強度減弱，而T-MIHs在13C譜化學位移(δ)為173處出現C4、C9和C11(羰基碳原子)的核磁波譜峰，δ=39處出現C5、C6、C7、C8、C10、C12、C13的碳骨架(亞甲基碳原子)核磁波譜峰，δ=19處為C1和C3(甲基碳原子)的核磁波譜峰。而C2處的次甲基碳原子因其含量較少，峰強度較低，故被甲基和亞甲基碳原子的波譜峰覆蓋。結果表明：水凝膠骨架成功制備。

圖3 溫敏印跡水凝膠的13C NMR 譜Figure 3 13C NMR of the temperature sensitive molecularly imprinted hydrogel

2.4 T-MIHs/T-NIHs的表觀形貌分析

從圖4A可以看出：T-MIHs表面粗糙不平整，這是由于模板分子洗脫過程中擴散造成的，水凝膠內部留有模板分子的識別位點孔狀結構，TCPP通過這些孔穴發生印跡作用，從而表現出特異選擇性。圖4B中T-NIHs相較于T-MIHs表面平滑，無明顯孔穴網絡結構，易造成非特異性吸附[21]。結果表明：制備得到的T-MIHs具有特異識別位點。

圖4 T-MIHs (A)和 T-NIHs (B)的掃描電鏡圖Figure 4 Scanning election microscopy images of T-MIHs (A) and T-NIHs (B)

2.5 T-MIHs/T-NIHs 的溶脹性能分析

以NIPAm為功能單體制備的水凝膠，可以感應環境溫度的刺激，在溶脹與縮水之間發生可逆性的體積變化。從圖5可見：T-MIHs對溫度變化具有明顯的刺激響應性，在45～50 ℃時凝膠的平衡溶脹率變化不大，但在40 ℃附近，溶脹率曲線的斜率發生了突躍。由此可認為：40 ℃左右即為水凝膠的低臨界溶液溫度(LCST)值。T-NIHs在不同溫度下的平衡溶脹率變化趨勢與T-MIHs基本相似，說明模板分子(TCPP)的引入對水凝膠的相變溫度影響較小。

圖5 T-MIHs和 T-NIHs 平衡溶脹率 (SR)隨溫度的變化Figure 5 Effect of temperature on swelling ratio (SR) of T-MIHs and T-NIHs

2.6 T-MIHs/T-NIHs 的熱性能分析

具有一定的溫敏特性，能隨外界溫度變化而發生體積相變，是由于凝膠與水相分離而產生的熱效應。從圖6可以看出：升溫過程中，T-MIHs在39 ℃左右出現吸熱峰，T-NIHs的相變溫度較低，在37 ℃左右出現吸熱峰，表明隨著溫度的升高，水凝膠不斷收縮。此結果與上述稱量法測定結果基本保持一致，表明吸熱峰越窄，去溶脹速率越高。結果證明制備的水凝膠保留PNIPAm的溫敏特性。由于NIPAm單體在聚合過程中引入其他單體會改變共聚物的LCST值，疏水性共聚單體會使低臨界溶液溫度(LCST)值降低，親水性共聚單體會使 LCST 值升高[26]，因此T-MIHs、T-NIHs的LCST值均略高于PNIPAm 的 LCST 值。

圖6 T-MIHs和 T-NIHs 的差示掃描量熱 (DSC)曲線Figure 6 Differential scanning calorimeter (DSC) curves of T-MIHs and T-NIHs

2.7 溫敏型分子印跡水凝膠的吸附性能

配制0.1～1.5 mg·L-1的TCPP/TCEP/TDCPP標準溶液，利用紫外分光光度計測量其吸光度，并繪制標準曲線(表1)。為進一步研究T-MIHs對TCPP的選擇識別和吸附能力，對其進行定量分析和理論模型構建，結果如圖7和表2所示。對比2個動力學方程的擬合結果，T-MIHs和T-NIHs的準一級動力學擬合相關系數(分別為0.952 5和0.955 3)均高于準二級動力學的線性擬合系數(分別為0.827 5和0.921 2)，這表明T-MIHs和T-NIHs的吸附過程更符合準一級動力學吸附特征，吸附速率分別為0.029 6和0.024 2 g·mg-1·min-1。

表1 甲醇中 OPFRs 的標準曲線方程Table 1 Standard curve equation of OPFRs in methanol

圖7 準一級動力學方程(A)和準二級動力學方程(B)擬合曲線圖Figure 7 Fitting curve diagram of Pseudo-first-order equation (A) and Pseudo-second-order equation (B)

表2 吸附動力學模型參數Table 2 Adsorption dynamic model parameter

從T-MIHs及T-NIHs的Langmuir方程(R2分別為 0.994 0和 0.991 4)和Freundlich方程(R2分別為0.986 2和0.991 0)的擬合相關系數(圖8和表3)可以看出：Langmuir吸附模型線性相關性高于Freundlich模型，故T-MIHs和T-NIHs對TCPP的等溫吸附過程更符合Langmuir模型。Langmuir模型的建立是基于單分子層吸附以及吸附質在吸附劑表面具有等同吸附能的假設，可以初步判斷T-MIHs及T-NIHs對TCPP的吸附均為化學吸附過程，其飽和吸附量分別為 116.686 1 和 54.083 3 mg·g-1。此外，結合吸收劑對污染物吸附能力的實例(表4)，結果表明TMIHs對溶液中TCPP具有優異的吸附效果。

圖8 Langmuir (A)和 Freundlich (B)等溫吸附模型擬合曲線Figure 8 Fitting curves of Langmuir (A) and Freundlich (B) isotherm adsorption models

表3 等溫吸附模型擬合參數Table 3 Adsorption isothermal equation parameters

表4 不同吸附劑對 TCPP 的吸附能力比較Table 4 Comparison of adsorption capacity of TCPP on different absorbents

為探究T-MIHs的特異識別性，選擇與TCPP結構類似的TCEP和TDCPP為吸附底物，通過平衡吸附實驗測定T-MIHs對3種化合物的平衡吸附容量，計算印跡因子α和選擇因子β。由圖9可見：相比于結構類似物，T-MIHs對模板分子的吸附容量最大，達 119.32 mg·g-1，印跡因子α和選擇因子β分別為3.75和2.75。原因是水凝膠內部存在與模板分子匹配的孔穴結構，表現出對模板分子的特異識別性；同時，T-MIHs對2種結構類似物的吸附容量較小，分別為38.08和40.86 mg·g-1，其印跡因子分別為1.21和1.32，是因為TCPP與TCEP和TDCPP具有結構相似性，導致T-MIHs對兩者均有吸收。而T-NIHs對3種化合物的吸附容量均較低，沒有顯著差異。原因是T-NIHs在制備中沒有加入模板分子，水凝膠內部不存在與其相匹配的印跡孔穴，屬于非特異性吸附。郭小偉等[30]研究也證明：T-MIHs網絡結構中形成了三維立體孔穴和識別位點，具有良好的印跡效果。

圖9 T-MIHs和 T-NIHs對不同底物的選擇性吸附效果Figure 9 The selective adsorption effect of T-MIHs and T-NIHs on different substrates

3 結論

以TCPP污染物為模板分子，本研究制備了1種具有溫度響應與高選擇識別性能于一體的T-MIHs。紅外光譜分析表明T-MIHs成功制備，模板分子已被完全除去；核磁共振證實了產物的水凝膠骨架成型；SEM電鏡證明制備的T-MIHs具有特異識別位點；熱重分析和溶脹性能分析得到T-MIHs最低臨界溶解溫度為39 ℃。吸附實驗表明：T-MIHs對TCPP的吸附行為符合準一級動力學模型和Langmuir吸附模型，且印跡吸附因子α為3.75，選擇吸附因子β為2.75。本研究制備的T-MIHs可為識別吸附水溶液中的有機磷阻燃劑TCPP提供有益的參考。