中空纤维分子印迹复合膜选择性分离萘普生对映体

邴乃慈 ，田 震，朱路平，李奕怀，靳海英，汪玲玲，王利军

（上海第二工业大学城市建设与环境工程学院，上海 201209）

中空纤维分子印迹复合膜选择性分离萘普生对映体

邴乃慈 ，田 震，朱路平，李奕怀，靳海英，汪玲玲，王利军

（上海第二工业大学城市建设与环境工程学院，上海 201209）

以聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维超滤膜为支撑膜，S-(+)-萘普生为模板分子，4-乙烯基吡啶为功能单体，制备了分子印迹复合膜。通过紫外光谱法研究了模板分子与功能单体之间的相互作用，比较了热聚合和光聚合两种引发方式对膜形貌和性能的影响。试验结果表明，分子印迹聚合物膜中存在着三维空间结构和功能基均与模板分子互补的孔穴组成的通道，该通道可选择性地透过S-(+)-萘普生，在压力和亲和力的协同作用下，最大分离因子可达6.19。

分子印迹技术；复合膜；S-(+)-萘普生；手性分离

0 引言

萘普生（naproxen），又名甲氧萘丙酸，因其毒性较低，副作用少而轻微，耐受性良好，成为全球最主要的和最畅销的解热镇痛药之一[1]。尽管从20世纪90年代起，naproxen就被世界上许多国家批准为非处方药，但是naproxen的分子结构中含有手性碳原子，存在一对光学活性对映异构体，其中S-(+)-构型的药效为R-(−)-构型的28倍。为了减少用药量、降低毒副作用，获得纯异构体的naproxen有着十分重要的意义。

从20世纪70年代发展起来的分子印迹技术，可以用于获得与模板分子在空间结构和结合位点上完美匹配的聚合物（即分子印迹聚合物，MIPs），由于其具有高选择性和可预见性等特点，在手性药物拆分领域一直倍受关注。因此，分子印迹技术为naproxen对映体的分离提供了一条新颖而有效的途径。王兵等[2]以丙烯酰胺为功能单体，利用分子印迹技术合成了对naproxen高选择性的分子印迹聚合物；Chen等[3]也采用4-乙烯基吡啶为功能单体，以S-(+)-naproxen为模板分子，将制得的分子印迹聚合物作为液相色谱固定相实现了对萘普生对映体的拆分。由于兼具分子印迹技术的高识别特异性以及膜技术便于连续操作和易于放大等特点，分子印迹膜已成为功能分离材料研究领域的一个重要发展方向，是进行大规模手性拆分非常有潜力的方法之一[4]。本文将分子印迹技术与膜技术结合起来制备了S-(+)-naproxen中空纤维分子印迹复合膜，尝试对萘普生对映体进行分离。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

S-(+)-naproxen和R-(−)-naproxen购于浙江仙居制药有限公司（纯度 ≥ 99.3 %）；四乙烯基吡啶（4-Vpy）购于美国Acros Organics公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）购于上海珊瑚化工厂；偶氮二异丁腈（AIBN）、二苯甲酮（BP）、三氯甲烷（CHCl3）、冰醋酸（CH3COOH）和甲醇（CH3OH）购于国药集团化学试剂公司；EDMA、4-Vpy在使用前去除阻聚剂，AIBN在使用前经重结晶获得化；PVDF中空纤维膜为实验室自制（孔隙率：70 % ；截留分子量：67 000；纯水通量：120 L/(m2·h·MPa)）。

所用仪器有：UV2550型紫外可见分光光度计（Shimadzu，日本）；V70傅立叶红外光谱仪（Bruker，德国）；JSM-6360 LV扫描电子显微镜（JEOL，日本）；膜性能测试装置（实验室自制）。

1.2 热聚合法制备S-(+)-naproxen分子印迹复合膜

将一定量的S-(+)-naproxen、4-Vpy溶于CHCl3中，再加入适量的EDMA和AIBN，超声助溶后即得到所需涂膜液。将PVDF中空纤维超滤膜经涂膜液中浸涂后，置于真空干燥箱60 ℃加热24 h。将聚合后的膜用CH3OH和CH3COOH溶液（9:1, 体积分数）反复洗脱，直至用紫外可见分光光度计在273 nm处检测不到S-(+)-naproxen分子为止，再用纯甲醇洗去膜表面残留的乙酸，即得到热聚合法S-(+)-naproxen分子印迹复合膜（MIMt）。

除不加模板分子外，制备热聚合非印迹膜（NIMt）的其余操作步骤同上。

1.3 光聚合法制备S-(+)-naproxen分子印迹复合膜

将PVDF中空纤维膜浸入一定浓度的BP-CHCl3溶液中30 min，取出晾干后将其放入盛有S-(+)-naproxen和4-Vpy的分子印迹预聚合溶液的表面皿中，再将表面皿置于自制的石英反应器中，在反应器中通入氮气排除氧气后，在冰水浴中进行紫外光辐照接枝聚合1 h。洗脱过程同1.2。洗脱后即可得到光聚合法S-(+)-naproxen分子印迹复合膜（MIMu）。

除不加模板分子外，制备光聚合非印迹膜（NIMu）的其余操作步骤同上。

1.4 膜选择性透过试验

将MIM或NIM做成组件连在渗透试验装置中，原料液中为100 mL的0.02 mmol·L-1S-(+)-naproxen（或R-(−)-naproxen）CH3COOH溶液，萃取液为100 mL的纯CH3COOH，用紫外可见分光光度计在273 nm处测定一定时间下膜两侧溶液的浓度，并据此计算透过量（所有实验值均平行测定三次）。

试验中将分离因子α定义为透过分子印迹复合膜和非印迹膜的底物（S-(+)-naproxen或者R-(−)-naproxen）浓度差之比。用下式表示：

2 结果与讨论

2.1 预聚合溶液的紫外光谱分析

在制备MIM的过程中，模板分子和单体之间相互作用力的强弱将会直接影响聚合后印迹皮层对目标分子的选择性和亲和性。用紫外光谱分析研究S-(+)-naproxen和4-Vpy的相互作用（如图1所示）。图1中显示了4-Vpy与S-(+)-naproxen之间有很强的相互作用，从理论上可以解释为：对S-(+)-naproxen而言，由于其萘环上连接羧基，整体表现为酸性，而碱性功能单体4-VPy上的N可以结合S-(+)-naproxen羧基解离下的氢离子，二者之间可以产生较强的离子键作用。

图1 S-(+)-naproxen与4-VPy作用的紫外吸收光谱Fig. 1 UV absorption spectra of S-(+)-naproxen and 4-VPy

2.2 引发聚合方式的选择

分子印迹聚合物对印迹分子的印迹效果主要取决于聚合物的结构，而不同的自由基引发方式和聚合条件对聚合物的结构有着很大的影响[5]。文中分别采用光引发和热引发的聚合方式制备了S-(+)-naproxen中空纤维分子印迹复合膜，比较了两种引发聚合方式对分子印迹复合膜识别性能的影响（见表1）。

表1 不同引发方式对S-(+)-naproxen分子印迹膜分离性能的影响Tab. 1 Influence of different polymerization method on separation capacity of S-(+)-naproxen MIM

从表1可知，采用热聚合方法得到的S-(+)-naproxen分子印迹复合膜的分离因子为5.27，高于光聚合法得到的膜的分离因子。但是通常情况下，光引发比热引发聚合得到的聚合物的性能更为优良，主要是由于自由基引发的聚合反应在较低的温度下，围绕在印迹分子周围的聚合物链的结构可以实现更为有序的排列，升高温度会导致功能单体的活性基团与模板分子之间的作用减弱[6]。而在本研究中热聚合反应的温差不大，有理由认为单体模板分子之间相互作用的变化是微乎其微的，所以采用低温光聚合方式在基膜表面引发聚合得到的分子印迹复合膜不一定会较热聚合方式制备的分子印迹复合膜的分离性能更好。而且在试验中我们发现，中空纤维膜的表面容易受光照不均的影响，因此导致部分膜表面聚合得不完全，而在热的氛围中，膜的每一个部分都可以均匀受热，聚合反应完全。同时，在光聚合的方式下，分子印迹预聚合溶液在膜表面的聚合速度快，导致模板分子与单体形成的配合物不稳定，使得合成的分子印迹膜的分离因子下降。因此在本研究中，热引发聚合是制备S-(+)-naproxen中空纤维分子印迹复合膜更好的方式。

2.3 膜的表面形态研究

应用扫描电镜表征了自制的PVDF中空纤维膜以及两种引发方式得到的S-(+)-naproxen分子印迹复合膜的断面及表面形貌（如图2所示）。

图2 膜的断面及表面扫描电镜图（A. 基膜；B. MIMt；C. MIMu）Fig. 2 SEM photographs of cross section and external surface of hollow fiber membrane ( A. initial membrane; B. MIMt; C. MIMu )

从图中可以看出PVDF中空纤维膜聚合前后膜的形态结构发生了明显变化。比较断面图（图2-A1, B1, C1）可以发现，支撑体PVDF中空纤维膜的内部结构无明显变化，说明在膜表面涂敷以及热聚合和光聚合均对支撑体PVDF没有破坏。聚合后皮层加厚，说明经光引发和热引发聚合后在基膜的表面均形成了印迹聚合物层。比较表面SEM图可以看出，基膜表面凹凸不平（见图2-A2），当以其为支撑膜进行表面聚合后，膜表面原有的孔结构消失，出现了层叠交联状的形貌。比较热聚合（图2-B2）和光聚合（图2-C2）的S-(+)-naproxen分子印迹膜可以看出，热聚合后的膜表面的分子印迹聚合物皮层更加均匀。

2.4 不同聚合方式的膜性能参数

基膜以及表面聚合后的分子印迹复合膜和非印迹膜的纯水通量（1 bar and 25 ℃）变化列于表2中。

表2 表面聚合前后纯水通量的变化Tab. 2 Changes in character of membrane after and before surface polymerization

由表2可以看出表面聚合前后纯水通量发生了明显的变化，热聚合及光引发聚合得到的分子印迹复合膜的纯水通量均明显降低，这是因为在膜表面引发聚合形成的印迹皮层使膜表面变得更加致密，导致纯水通量明显下降。与MIM相比，NIM的纯水通量下降得更为明显，这是由于预聚合溶液中不含模板分子，无论光引发聚合还是热聚合均是单纯地在膜表面形成了一个致密的聚合物皮层，从而造成纯水通量较小。与热聚合相比，光引发聚合的S-(+)-naproxen中空纤维分子印迹复合膜的纯水通量较大，原因可能是中空纤维膜的表面容易受光照不均，因此造成部分膜表面聚合得不完全，一方面导致与模板分子互补的特异性识别位点减少，另一方面导致皮层的厚度不均匀，存在着较薄的地方，扫描电镜照片（如图2）的结果也进一步证实了这个结果。

2.5 S-(+)-naproxen分子印迹复合膜的透过选择性

我们将膜内引入了纯甲醇，让底物的甲醇溶液通过壳程，研究了热聚合S-(+)-naproxen分子印迹复合膜对萘普生对映体的印迹效率和分离效果。分别测定了不同压力下S-(+)-naproxen和R-(−)-naproxen透过印迹膜和非印迹膜的量随时间变化的曲线（见图3 ～ 图5）。

图3 0 bar下MIMt及NIMt对底物的渗透量随时间变化曲线（底物：1, 3: S-(+)-naproxen; 2, 4: R-(−)-naproxen；1,2: MIMt; 3,4: NIMt）Fig. 3 Time-permeation amount of substrates through MIMt and NIMt under 0 bar pressure ( 1, 3: S-(+)-naproxen; 2, 4: R-(−)-naproxen; 1,2: MIMt; 3,4: NIMt )

图4 0.5 bar下MIMt及NIMt对底物的渗透量随时间变化曲线（底物：1, 3: S-(+)-naproxen; 2, 4: R-(−)-naproxen；1,2: MIMt; 3,4: NIMt）Fig. 4 Time-permeation amount of substrates through MIMt and NIMt under 0.5 bar pressure ( 1, 3: S-(+)-naproxen; 2, 4: R-(−)-naproxen; 1,2: MIMt; 3,4: NIMt )

图5 1 bar下MIMt及NIMt对底物的渗透量随时间变化曲线（底物：1, 3: S-(+)-naproxen; 2, 4: R-(−)-naproxen；1,2: MIMt; 3,4: NIMt）Fig. 5 Time-permeation amount of substrates through MIMt and NIMt under 1 bar pressure ( 1, 3: S-(+)-naproxen; 2, 4: R-(−)-naproxen; 1,2: MIMt; 3,4: NIMt )

如图3至图5所示，在相同的时间内，S-(+)-naproxen透过MIM的量和速度远远高于NIM，这是因为在基膜表面的印迹皮层中形成了与S-(+)-naproxen分子在三维空间结构和功能基上互补的孔穴通道，从而模板分子可以顺利地通过，并形成一种连续的、快速的传递过程。而在NIM中只有由致孔剂挥发而产生的不规则的孔穴，没有印迹识别位点，从而导致了模板分子的透过量相对较少。

在相同的时间内，S-(+)-naproxen透过印迹膜的量和速度均高于R-(−)-naproxen，最大的分离因子为6.19。由于在透过选择性试验中，溶液的往复循环使得吸附在膜表面的S-(+)-naproxen和R-(−)-naproxen分子不仅仅通过“溶解－扩散”扩散到膜的另一侧，也会被洗脱到溶液中去。因此，如果膜与底物分子间的亲和作用力强，那么这种底物分子从膜表面的脱附过程需要消耗更长的时间，所以与膜之间亲和作用力强的分子更多的是扩散到膜的另一侧去。由于MIM上存在着与S-(+)-naproxen分子在空间结构和功能基上相互补的三维孔穴，所以在亲和作用下，S-(+)-naproxen比R-(−)-naproxen更容易透过分子印迹复合膜。Dzgoev[7]等也观察到了CBZ-L-tyrosine和CBZ-D-tyrosine分子在通过CBZ-L-tyrosine分子印迹膜时的促进传递现象。卢春阳等[8]研究了邻香草醛和香草醛透过邻香草醛印迹膜的量和速度，证实了在有干扰物质香草醛存在时，邻香草醛在优先吸附的驱动下使得模板分子能够顺利地、连续而快速地通过聚合物膜。

随着压力的增大，单位时间内透过S-(+)-naproxen分子印迹膜和非印迹膜的S-(+)-naproxen及R-(−)-naproxen分子的量均有所增加，但是在压力和亲和力的协同共同作用下，S-(+)-naproxen表现出了更大的透过选择性。这也说明了在S-(+)-naproxen分子印迹膜中的渗透性是以亲和作用为主导的，压力的作用会促进模板分子从一个识别位点向另一个识别位点迁移，直至扩散到膜的另一侧。

3 结论

以S-(+)-naproxen为模板分子，分别采用光聚合和热聚合方式制备了中空纤维分子印迹复合膜。在光引发的条件下，分子印迹预聚合溶液在膜表面的聚合速度较快，容易造成模板和单体之间形成的配合物的不稳定，并且中空纤维膜的表面容易受光照不均，导致合成的印迹膜的分离因子下降；比较而言，热引发聚合方式更适合制备中空纤维分子印迹复合膜。紫外光谱分析表明，4-VPy是一种碱性功能单体，与S-(+)-naproxen上的羧基产生离子键作用，在有机溶剂中的作用力较强。随着压力的增大，单位时间内透过MIM和NIM的S-(+)-naproxen及R-(−)-naproxen的分子的量均有所增加，但是在压力和亲和力的协同共同作用下，S-(+)-naproxen表现出了更大的透过选择性，最大的分离因子可达6.19。

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[2] 张志良, 王兵. 分子识别材料D-萘普生印迹聚合物的制备与结构性能[J]. 高分子材料科学与工程, 2010, 26(9): 112-116.

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Hollow Fiber Imprinted Composite Membranes for Selective Separation of Naproxen Enantiomer

BING Nai-ci, TIAN Zhen, ZHU Lu-ping, LI Yi-huai, JIN Hai-ying, WANG Ling-ling, WANG Li-jun
( School of Urban Development and Environmental Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China )

Using polyvinylidene fluoride hollow fiber ultrafiltration membrane as the supported membranes and taking S-(+)-naproxen as the template，4-VPy as the functional monomer, the molecularly imprinted composite membrane were prepared. The interaction between template and functional monomer was studied by UV spectrum. The influences on configuration and performance of membranes prepared by thermal and photografting polymerization method were compared. The experiment results show there are paths in the molecularly imprinted membranes formed by the cavities with size and structure accommodated to S-(+)-naproxen and the maximum separation factor α of the membranes could reach 6.19 at the synergistic effect of pressure and affinity．

molecularly imprinted technique; composite membrane; S-(+)-naproxen; chiral separation

TQ028.8

A

1001-4543(2012)02-0092-06

2012-05-15;

2012-06-19

邴乃慈（1979－），女，辽宁人，副教授，博士，主要研究方向为环境友好功能材料，电子邮箱ncbing@eed.sspu.cn。

上海市教委创新项目（No. 09YZ446）