卡马西平印迹吸附剂的分子模拟与吸附机理

梁建军 何芹 郑怀礼 向冰彦

摘 要 分子模拟可为优选印迹吸附剂的功能单体提供理论指导。本研究构建了目标污染物卡马西平（模板分子）与14种功能单体的印迹识别体系，采用模拟淬火算法搜寻模板-单体相互作用的低能稳定构象，改善了现有研究在搜寻构象时易陷入局部势能阱的不足。分子模拟发现，功能单体衣康酸对卡马西平的结合能力最强;吸附实验结果表明，以其为单体制备的吸附剂在水溶液中的吸附量可达9.28 mg/g，在实际水样中也表现出较高的选择性，重复使用10次后，吸附量仅下降1.3%，吸附性能优于以传统单体甲基丙烯酸制备的吸附剂。模拟并测量了印迹体系的紫外光谱，结果表明，衣康酸和卡马西平之间形成了新的作用体系，分子模拟能够很好地预测二者在水溶液中的紫外光谱，但由于实际发生吸附时二者间会形成多种结合构象，分子模拟对相互作用体系的紫外光谱预测不够理想。能量计算和氢键分析表明，范德华力和静电作用在识别过程中起主要作用，红外分析印证了体系中存在氢键，识别位点位于衣康酸羧基和卡马西平酰胺之间，与分子模拟结果一致。

关键词 分子印迹; 分子模拟; 吸附机理; 水污染控制; 卡马西平

1 引 言

卡马西平（Carbamazepine，CBZ）属于药物及个人护理品类污染物（Pharmaceutical and personal care products，PPCPs），近年来在水环境中常被检测到[1，2]，在水体中具有高度难降解性[3]，可能通过食物链[4]和饮用水[5]被人体摄取，具有不可忽视的潜在生物毒性和健康风险[6，7]。常用水处理手段（如活性炭吸附、臭氧氧化）对CBZ的去除率低于40%[8]，效果不佳。近年来， 应用TiO2光催化、硫酸盐自由基、芬顿反应等高级氧化技术去除CBZ的研究已有报道，虽然去除率可达98%以上[9，10]，但高级氧化技术的选择性很差，在复杂实际水体中去除目标污染物的效率会大大降低[11]。改性吸附剂（如陶粒[12]、碳纳米管[13]等材料）也存在类似弊端，即吸附过程受共存溶解性有机物（Dissolved organic matter，DOM）干扰很大，不能优先去除环境危害较大的目标污染物，一定程度上限制了这些技术的实际应用。

分子印迹技术（Molecular imprinted technology，MIT）为复杂水环境中特定污染物的去除提供了新的解决思路。分子印迹体系中，模板分子（即目标污染物）与功能单体接触时会形成多重结合位点，达到专一性识别并吸附污染物的目的[14]。近年来出现了以CBZ为模板合成分子印迹聚合物（Molecular imprinted Polymer，MIP）的探究，制备时采用甲基丙烯酸（Methacrylic acid，MAA）为单体，合成的CBZ-MIP可用于富集尿液中CBZ[15]; 后续有研究对此单体的制备条件进行了优化，确定了模板-单体最佳比例（1∶4，n/n）[16]; 也有结合表面印迹技术，以Fe3O4为核、MAA为单体，制备磁性CBZ-MIP，并用于检测CBZ[17]; 或是以硅胶为载体，采用原位聚合法合成联锁型聚苯乙烯-硅膠聚合物，将其作为液相色谱的固定相，从尿液样品中高效分离CBZ[18]。目前，针对CBZ制备的印迹聚合物几乎都是用于污染物检测和物质分离萃取中，分子印迹聚合物在水处理领域也有巨大的应用潜力，已有一些采用分子印迹技术制备吸附剂，去除水中重金属[19]、染料[20]和内分泌干扰物[21，22]等污染物的报道。与污染物固相萃取和检测不同的是，水处理不仅要求所制备的印迹聚合物具有高度的特异识别性，还需要聚合物可在以水为溶剂的环境中具有优秀的吸附容量、较快的吸附速率、良好的重复利用性和生物安全性。

目前，制备CBZ-MIP时的单体几乎都采用MAA，MAA也是制备分子印迹聚合物时应用最早且最广泛的单体之一。单体作为直接识别模板的部位，对吸附剂的性能有重大影响[23]。为提高吸附剂性能，需选择契合目标污染物性质的单体。至今，尚未见对CBZ-MIP的单体进行优选的研究报道，而常规人工筛选实验存在盲目性大、耗时长、成本高的弊端。

分子模拟是利用计算机软件建立原子水平的分子模型模拟分子结构与行为，进而预测体系理化性质的方法，在优化印迹聚合物制备条件、研究识别机理等方面具有良好的应用潜能[24]。但目前分子模拟辅助印迹聚合物设计的研究还不够完善，各类研究采用的方法原理和选择标准尚无统一定论。就优选单体而言，一般需要单体和模板充分接近，以合适的取向在必要的部位相互契合而发生识别作用，通过计算可能出现的稳定构象中二者结合能，判断单体的优劣[25]。

目前，分子模拟优选单体时常采用数个分子进行局部优化后计算结合能，这种方法具有较大随机性，优化所得的低能构象受模板和单体的初始位置关系的影响不可忽视，筛选到的构象有可能为初始结构附近的局部势能最低点[27]，所以理论上需要进行大量平行实验，使单体能够以各种不同的构象接近模板，然后对二者的不同空间组合进行评价，才能得到有参考价值的最小能量结构，并进一步计算结合能。模拟淬火（Quench）算法有助于改善这一缺陷。模拟淬火算法是在动力学过程中进行升温和降温处理，使单体能够由局部势能极小值越过能垒，以不同的位置、取向与模板结合，从而扩大搜寻到的构象空间，找到发生吸附时最可能出现的低能稳定构象。至今，尚未见采用模拟淬火方法辅助分子印迹吸附剂设计的报道。

本研究采用模拟淬火算法搜寻模板-单体体系的低能构象，据此计算结合能，进而优选单体。采用分子模拟技术探究CBZ和单体特异性识别过程的微观机理，从理论上计算了印迹体系的紫外光谱，并结合实测光谱，从能量、作用力和吸附构象等角度分析了吸附机理。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

Ultimate 3000高效液相色谱仪、Nicolet iS5傅里叶变换红外光谱仪（美国Thermo Fisher公司）; SPECORD 200 PLUS紫外可见分光光度计（德国耶拿分析仪器股份公司）; MS-40顶置式搅拌器（杭州米欧仪器有限公司）; SB-4200DTS超声波清洗机（宁波新芝生物科技股份有限公司）; ZWY-240恒温振荡摇床（上海智城分析仪器制造有限公司）。Materials Studio 2017分子模拟软件（美国Accelrys公司）。

纳米级Fe3O4（50～300 nm）、卡马西平（CBZ，≥98.0%）、奥卡西平（OCBZ，≥98.0%）、硅酸四乙酯（TEOS，>99%）、氨水（≥25%，色谱级）、甲基丙烯酸（>99.0%，含250 mg/L MEHQ稳定剂）、衣康酸（AR）、偶氮二异丁腈（AIBN，99%，重结晶）、二甲基丙烯酸乙二醇酯（EDGMA，98%，含90～110 mg/L MEHQ稳定剂）、聚乙二醇-600（PEG-600，AR）、乙腈（AR）、甲醇（AR）和乙醇（AR）， 均购自上海阿拉丁试剂有限公司。

2.2 分子模拟优选功能单体

计算机分子模拟精度均为Fine。分别构建含有CBZ和14种单体的初始模型，模板-单体比为1∶4（n/n）。共进行300 ps模拟，步长1 fs，每5000步进行一次淬火处理，采用NVT系综和Nose控温函数。淬火温度是一个重要的模拟参数，既要使分子有足够能量越过能垒，又不能过高，致使单体和模板具有的能量太大，逸出模拟体系而无法相结合，综合考虑，本实验采用290 K作为淬火温度。淬火结束时将得到60个优化后的低能构象，考虑到实际发生吸附时，模板和单体很可能不是全部按照全局最低能量构象相结合，在60个低能构象中选择能量最低的5个模板-单体体系计算结合能平均值，方法为：

式中， Ebinding为模板与单体的结合能，Etotal为模板与单体的总能量，Etemplate为模板的能量，Emonomer为单体的能量。二者的结合能越大，该种单体对模板的吸附能力越强，据此优选单体， 并进行吸附剂的制备。

2.3 卡马西平磁性分子印迹吸附剂制备印迹吸附剂以纳米级Fe3O4为载体，以便从水溶液中快速分离，但纳米级Fe3O4比表面积巨大，易团聚，所以采用SiO2包裹，使其能够更均匀地分散，载体制备方法参照文献[28]。

印迹聚合物的制备参考文献[29]的方法并稍作改进：在60 mL甲醇-乙腈（1∶1，V/V）混合液中加入4 mmol单体与1 mmol模板CBZ，25℃下25 kHz超声分散30 min，制成预组装溶液，静置12 h，向其中加入0.5 g载体Fe3O4@ SiO2、20 mmol交联剂EGDMA、1.5 mL分散剂PEG-600和0.07 g引发剂AIBN。超声分散15 min后，通氮气30 min，充分排除氧气并密封，60℃机械搅拌24 h，进行热聚合。采用磁铁分离固体产物，并用甲醇和超纯水反复洗涤，去除未反应的单体，得到卡马西平分子印迹聚合物。以甲醇-乙酸（9∶1，V/V）为洗脱液索氏提取72 h，然后用超纯水洗涤产物，50℃下真空干燥12 h，得到卡马西平磁性印迹吸附剂CBZ-MIP。同时制备非印迹吸附剂（Non-imprinted Polymer Polymer，NIP）CBZ-NIP作为对照，方法和上述类似，只是在制备过程中不加模板分子。

2.4 吸附實验

进行静态吸附实验，从吸附量、吸附速度、吸附选择性、再生性等方面评价分子模拟所优选的单体制备的印迹吸附剂性能。常温下，CBZ在水中的溶解度为15 mg/L，但实验发现CBZ浓度高于10 mg/L后，若不加促溶剂，CBZ溶解困难，因此选择在0～10 mg/L范围进行实验。

在20 mL初始浓度为0.2～10 mg/L的CBZ溶液中，分别加入20 mg不同种类单体制得印迹吸附剂，置于恒温摇床中，在25℃以300 r/min振荡6 h进行吸附。吸附结束后，磁分离，分析上清液中CBZ浓度，计算吸附量Q和去除率η。

其中，Q为吸附剂对污染物的吸附量（mg/g），C0为污染物的初始浓度（mg/L），Ce为污染物的平衡浓度（mg/L），V为溶液体积（L），m为吸附剂质量（g）， η为去除率（%）。采用Langmuir和Freundlich等温模型进行拟合，表达式分别如下：

取20 mg吸附剂，加入20 mL 10 mg/L CBZ溶液，恒温振荡，在0.25、0.5、0.75、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、30和40 min时测试上清液中CBZ的浓度，采用拟一级和拟二级方程拟合吸附过程，计算方法分别为：

选择与CBZ结构相似的化合物奥卡西平（Oxcarbazepine， OCBZ，分子结构见图1）作为竞争污染物，分别取20 mg不同种类单体制得的MIP及相应NIP，加入20 mL 10 mg/L 的CBZ和OCBZ溶液，恒温振荡6 h后，分析上清液中污染物浓度。考虑到分子印迹吸附方法在饮用水处理过程中的应用前景主要是用于滤池过滤工艺后，所以溶液分别采用超纯水和水厂滤后水配制，以印迹因子α和选择因子β为指标描述吸附剂选择性能，其值越大，表明特异性吸附能力越强。

用甲醇-乙酸混合液（9∶1，V/V）对吸附达平衡的吸附剂进行洗脱再生，取20 mg再生后的吸附剂，加入到20 mL 10 mg/L CBZ溶液中再次进行吸附，6 h后计算吸附量，共进行10次吸附-洗脱再生循环。

2.5 光谱分析及液相色谱条件

印迹体系紫外光谱的分子模拟中，首先建立CBZ与单体纯物质及混合物的模型，考虑到在实际识别体系中，单体并不能完全按照实验所添加的模板-单体比例1∶4（n/n）进行反应，所以分别对比例为1∶1～1∶4（n/n）的混合物模型进行光学性质计算，密度泛函采用GGA-PBE，计算中考虑了水的溶剂效应。

对10 mg/L（42.3 μmol/L）CBZ溶液、169.3 μmol/L功能单体溶液及相应模板-单体混合液（1∶4， n/n）进行紫外光谱扫描，波长范围为190～350 nm。测定载体及吸附剂的傅立叶变换红外光谱，采用衰减全反射（Attenuated total reflection， ATR）采样，样品扫描次数为16次。

污染物标准样品的高效液相色谱图及保留时间见图2，检测条件为：进样量为20 μL，采用Waters PAH C18色谱柱（250 mm×4.6 mm， 5 μm），柱温35℃。其中，CBZ检测波长λ=285 nm，流动相为乙腈-水 （60∶40，V/V），流速为0.9 mL/min; OCBZ检测波长λ=254 nm，流动相为甲醇-水 （1∶1，V/V），流速为1.0 mL/min。

3 结果与讨论

3.1 分子模拟优选单体及吸附剂表征

14种单体与CBZ的结合能力模拟结果见电子版文后支持信息表S1，衣康酸（Itaconic acid，IA）与CBZ的结合能最大（190.28 kJ/mol），而目前文献中最常用的单体MAA与CBZ的结合能居中（166.18 kJ/mol）。分别以二者为单体、Fe3O4@ SiO2为载体，制备磁性印迹吸附剂IA-MIP、MAA-MIP及相应的NIP。载体及吸附剂的红外光谱如图3所示，1附近的吸收峰为FeO键的吸收峰，Fe3O4@SiO2谱线中1063 cm 1附近出现的大面积吸收为SiOSi键的不对称伸缩振动峰，表明纳米Fe3O4表面成功包覆了SiO2。相比载体而言，IA-MIP和MAA-MIP谱线中1722 cm 1附近出现的峰可能来自单体羧基中CO键的伸缩振动，1638 cm 1附近CC键吸收峰、1388 cm 1处CH键面内弯曲振动峰以及2954 cm 1处饱和CH键的对称伸缩振动峰可能来自交联剂EGDMA和单体，1146 cm 1附近COC键的吸收峰可能来自交联剂。通过热聚合反应，Fe3O4@SiO2载体表面观察到了单体和交联剂的官能团，表明成功形成了印迹聚合物层，进一步分析吸附剂的吸附性能。

3.2 吸附剂性能分析

3.2.1 等温吸附分析 静态吸附实验结果见图4，在相同初始浓度时，IA-MIP较MAA-MIP对CBZ的去除率更高。CBZ的初始浓度为10 mg/L时，IA-MIP的吸附量可达9.280 mg/g，而MAA-MIP的吸附量仅为5.558 mg/g，也高于文献[30]中在相似条件下制备的MAA-MIP在相近浓度下对CBZ的吸附量（<3 mg/g）; 平衡时， IA-MIP对CBZ的去除率>92%，而MAA-MIP的去除率仅为60%，故IA-CBZ的吸附能力更强，实验结果与分子模拟结果一致。两种NIP对CBZ的吸附量均约为3 mg/g，去除率<40%，吸附量和去除率均低于MIP，原因是NIP主要对CBZ产生非特异性吸附，没有选择性，吸附能力相对较弱。等温模型拟合发现Langmuir模型的拟合效果较差，Freundlich模型拟合较好（R2>0.98），说明吸附剂表面各处吸附能不同，吸附位点分布不均匀。

3.2.2 吸附动力学分析 吸附动力学实验结果见图5，初期吸附量增加很快，MIP及NIP均在12 min左右趋近平衡，后期吸附量缓慢增加，并逐渐达平衡，20 min后，上清液浓度不再变化。拟二级动力学模型相比拟一级动力学模型能更好地描述吸附过程（R2>0.99）。目前，水处理工艺中，常用吸附剂颗粒活性炭对CBZ的吸附平衡最短时间为24 h，在相近投加量和进水浓度条件下，20 min时，颗粒活性炭对CBZ的吸附量（<1.8 mg/L）[31]远低于IA-MIP。推测原因是，在MIP中结合位点大多分布在核壳型吸附剂表面，易于污染物分子接近，也有利于单体的特异性官能团快速结合CBZ，较快的吸附速率为印迹吸附剂在水处理中的实际应用垫定了基础。

3.2.3 吸附选择性 印迹吸附剂相比于其它类型吸附剂的最大优势在于其吸附的特异性，即使有多种共存物干扰，对目标污染物也可表现出优良的吸附性能。以OCBZ为干扰物进行了吸附实验（图6和表1），结果表明，由于在MIP中存在很多與CBZ形状、结构和功能基团相匹配的立体空穴，无论在纯水还是水厂滤后水配制的溶液中，IA-MIP对CBZ均具有高度的特异性识别能力（印迹因子α>3.58， 选择因子β>3.66），且高于MAA-MIP。实验还发现，滤后水配制的溶液中，IA-MIP的印迹因子和选择因子比纯水配制的溶液中有所增加。原因是滤后水中杂质的干扰使对照组IA-NIP的吸附量降低较多（下降11.8%），而IA-MIP的吸附量仍可达到8.739 mg/g（仅下降5.8%），MAA-MIP在滤后水中吸附量下降也不多。综上， IA-MIP的吸附选择性优于MAA-MIP。

3.2.4 印迹吸附剂的重复再生实验 在10次洗脱-吸附循环过程中，两种印迹吸附剂的吸附量都略有下降（图7），MAA-MIP的吸附量下降至5.221 mg/g（下降5.7%），IA-MIP的吸附量仅下降至9.163 mg/g（下降1.3%），IA-MIP的结构稳定性更高，更能满足水处理对吸附剂的要求。以上实验表明，IA-MIP吸附性能更优。

3.3 吸附机理

印迹体系的能量计算结果表明，体系中存在范德华力、静电作用力（含氢键）和长距离相互作用力。模板-单体之间的总作用力为190.28 kJ/mol，其中，范德华力和静电作用力在体系中贡献最大，分别为105.48和82.55 kJ/mol，是产生特异性吸附的主要原因，而长距离相互作用力的贡献相对较少，仅为2.25 kJ/mol。

印迹体系的氢键计算结果如图8，模拟发现IA-MIP印迹体系中可能存在4个有利于氢键生成的位点： IA分子羧基中的H可作为电子供体，与CBZ分子酰胺中CO上的O形成氢键; IA分子羧基中CO上的O可作为电子受体，与CBZ分子酰胺中NH2上的H形成氢键，有助于形成特异性识别位点。此外，由于IA分子中具有两个羧基官能团，与CBZ形成氢键的同时，其分子羧基中的O与另一个IA分子羧基中的H之间也可形成氢键，分子间氢键的形成使得吸附剂的结构更加稳固，所以IA-MIP重复利用效果较好。

对分别含有CBZ、IA的水溶液以及二者的混合溶液进行紫外光谱模拟计算和实验分析（图9）。实验发现，混合液在202和207 nm处出现了新的吸收峰，表明IA与CBZ之间确实存在相互作用，二者结合生成了新的吸收体系。

分子模拟对CBZ溶液和IA溶液的特征吸收峰预测精度很高，误差仅为1%和8%，但对于二者混合溶液（1∶4，n/n）的紫外光谱预测效果不理想。为探究模拟与实际结果不一致的原因，对不同模板-单体比例（1∶1～1∶4， n/n）的混合溶液进行紫外光谱模拟计算（图10），并且在同一比例下，考虑了数种可能出现的低能构象（在计算的所有低能构象中， IA羧基和CBZ酰胺之间均观测到氢键的存在）。模拟计算认为IA在结合CBZ时可能在190～227 nm附近出现新的吸收峰，该峰值位置受到单体模板结合比例和结合构象的影响。据此分析预测偏差较大的原因是： 在实际溶液中，CBZ并不能全部按照1∶4（n/n）结合成单体IA，可能存在1∶1、1∶2、1∶3（ n/n）， 甚至更为复杂的结合方式，即使在相同模板单体结合比的情况下，IA识别CBZ形成与其匹配的印迹空穴时，也可能出现多种结合构象。这导致了吸附剂表面各处吸附能不同、结合位点分布不均，与吸附等温线得出的结论一致。因此，本研究在采用模拟淬火搜寻低能构象时，也选择5个低能稳定结构综合分析结合能，尽量降低模拟的随机性，观测到的新吸收峰202与207 nm很可能就是多种构象共同存在的结果。

对吸附CBZ前后的IA-MIP进行红外光谱分析（图11），结果表明，羧酸中OH键面外弯曲吸收峰发生偏移（960 cm 1偏移到951 cm 1），羧酸中CO键吸收峰发生偏移（1724 cm 1偏移到1720 cm 1），原因可能是IA羧基和CBZ末端氨基之间， 以及IA分子间形成了氢键，有助于特异性识别位点的生成，也使印迹聚合物的结构更加稳定，这也印证了分子模拟的氢键分析和能量分析结果。

4 结 论

通过模拟淬火算法减小低能构象搜寻中的随机性，优选IA为单体制备了印迹吸附剂IA-MIP， 相比常用单体MAA制备的吸附剂MAA-MIP，IA-MIP对目标污染物CBZ表现出更强的吸附能力和特异性识别能力。吸附过程符合Freundlich等温模型和拟二级动力学模型，20 min内可快速达到平衡。IA-MIP能够高效吸附目标污染物主要是依靠范德华力的作用和氢键的生成，作用位点在IA的羧基和CBZ酰胺之间，IA分子间氢键的生成也使得IA-MIP具备更优良的再生性能，与分子模拟结果具有一致性。

在设计吸附剂时，分子模拟淬火算法有助于快速优选制备印迹吸附剂的单体，促进印迹吸附剂设计的快速化、理论化和低能耗发展。分子模拟技术有助于从能量和化学键生成等角度解释吸附过程的微观机理，并进一步完善印迹吸附的理论体系。

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