单分散苯胺分子印迹聚合物微球的合成与表征

马衍东 郑会保 刘运传 周燕萍 王康 王雪蓉 王倩倩 姚凯

摘      要：  以甲基丙烯酸为单体、二乙烯基苯为交联剂、苯胺为模板分子，利用沉淀聚合法通过改变溶剂等条件制备了单分散苯胺分子印迹聚合物微球。通过扫描电子显微镜表征微球表面形貌并测量微球尺寸，通过纳米粒度分析仪验证微球单分散性。经气相色谱表征，该分子印迹聚合物对苯胺最大静态吸附量为12.98 mg/g，具备对苯胺分子的特异性识别能力。

关  键  词：苯胺;单分散;聚合物微球

中图分类号：TQ424.3       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）09-1955-04

Abstract： Monodisperse aniline molecularly imprinted polymer microspheres were prepared by precipitation polymerization using methacrylic acid as monomer， divinylbenzene as crosslinker and aniline as template molecules. The surface morphology of the microspheres was characterized by scanning electron microscopy，and the size of the microspheres was measured. The monodispersity of the microspheres was verified by a nanoparticle size analyzer. Characterization results of gas chromatography showed that the molecularly imprinted polymer had a maximum static adsorption capacity of 23.95 mg/g for aniline， and had the ability to specifically recognize aniline molecules.

Key words： Aniline; Monodisperse; Polymer microspheres

苯胺是一種重要的化工原料，广泛应用于医药、农药及精细化工中间体的合成。苯胺对人体表现出很强的血液、神经及肝脏毒性，并且对人类膀胱有很强的致癌作用，有研究表明苯胺对人体亦存在很强的遗传毒性[1]。随着化工、材料等行业的不断发展，苯胺在环境中的残留量也在逐渐升高，严重威胁人类及其他生物的健康，中国环境监测总站已将苯胺列为我国优先控制的污染物[2]。因此特异性的识别和去除微量苯胺具有一定实际意义，同时符合绿色化工的要求。

分子印迹技术（MIT）是一种可针对特定分子设计并制备对该分子具有选择性识别与特异性吸附能力的聚合物的技术，该技术具有高效选择、专一识别性与构效预定型等特点，是新型吸附材料的重要研发手段[3]。分子印迹技术主要分为本体印迹、原位印迹、乳液/悬浮印迹和沉淀印迹等[4-7]。本体印迹与原位印迹的优点是制备过程简单，可实现批量生产;缺点是这两种方法制备得到的印迹聚合物（MIPs）结构难以控制，需要研磨才能使用且存在模板渗漏等问题，反而可能会引入污染物，因此近年来研究已较少。乳液/悬浮印迹可制备MIP微球，但这两种方法制备过程复杂且成球率不稳定。沉淀印迹法又称非均相溶液聚合法，该方法预先将单体、交联剂、模板等组分溶解在溶剂里，之后在溶剂中开始聚合反应，聚合产物与溶剂不相溶，因此聚合物生长到一定尺寸后就会从溶液中脱出沉淀下来。沉淀印迹法具有制备过程简单、产物为球形、单位吸附面积大等优点，是一种理想的MIP制备方法，本文采用沉淀印迹制备苯胺MIP，并改变溶剂比例和用量考察MIP的成球状态。

1  实验部分

1.1  仪器与试剂

仪器：QUANTA200型扫描电子显微镜（购自荷兰FEI公司）;Zetasizer Nano型ZSE动态光散射纳米粒度分析仪（购自英国Malvern公司）;7890A型气相色谱仪（购自美国Agilent公司）;XP205型电子分析天平（瑞士Mettler Toledo公司）。

试剂：甲基丙烯酸、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈、苯胺（AR，购自上海阿拉丁有限公司）;甲醇、乙酸、乙腈、乙醇（HPLC，购自北京百灵威有限公司）。

1.2  色谱条件

安捷伦7890A型气相色谱仪配G4513型自动进样器，单次进样量为1 μL，分流比10∶1，载气为高纯氮气，色谱柱升温程序为50 ℃恒温5 min再20 ℃/min升至200 ℃并保持5 min，汽化室温度200 ℃，检测器为FID检测器，检测温度为250 ℃。

1.3  实验过程

预处理过程：

偶氮二异丁腈（AIBN）溶于50 ℃热的乙醇溶液中，磁力搅拌2 min趁热过滤，而后冷却结晶得到精制AIBN;乙腈使用前加钠回流除水;苯胺在200 ℃下氮气氛围蒸馏提纯。

分子印迹过程：

精确称取0.01 mol甲基丙烯酸（MAA）与0.002 5 mol苯胺于250 mL圆底烧瓶中，40 kHz频率超声震荡10 min使得MAA与苯胺充分混合，最后将烧瓶置于水浴恒温振荡器中35 ℃震荡8 h，使得MAA与苯胺充分完成氢键自组装过程。

之后向体系中加入一定量的溶剂，并加入0.05 mol二乙烯基苯（DVB），磁力搅拌均匀后置于60 ℃恒温磁力搅拌油浴锅中密封反应12 h。通过观察现象，该反应体系在反应1.5 h后可观察到溶液颜色从无色透明变为幽蓝色，之后逐渐浑浊;3.2 h后反应体系完全转变为乳白色;4 h后可观察到反应体系内壁上出现肉眼可见的白色细微颗粒物且颗粒数目迅速增长，之后体系完全变浑浊，12 h后停止反应。苯胺MIP的制备过程如图1所示。

后处理步骤：

减压抽滤上述反应体系并在70 ℃下真空干燥，得到白色粉末状产物。配制甲醇∶乙酸（v∶v=9∶1）极性洗脱液利用脂肪抽提器反复洗脱产物中的苯胺模板分子，连续洗脱48 h，之后更换洗脱液为纯甲醇，洗脱24 h除去残留乙酸，最后真空干燥产物，得到苯胺MIP。空白MIP的制备过程与苯胺MIP一致，只是不加苯胺分子。

2  结果与讨论

2.1  苯胺MIP微球的成球条件

沉淀印迹成球率的影响因素主要有单体与交联剂种类、溶剂的选择、温度和搅拌转速的选择等。

在确定了单体与交联剂种类，且选用前期研究得到的理想温度与搅拌转速的条件下，溶剂的选择成为了影响苯胺MIP微球合成的主要因素。本文分别考察了不同溶剂配比与体积对苯胺MIP成球的影响。

2.1.1  溶剂种类与配比对苯胺MIP成球的影响

为制備苯胺MIP微球，本研究前期分别尝试使用乙酸、甲苯、甲醇、乙腈等溶剂等作为苯胺沉淀印迹备选溶剂，通过使用扫描电子显微镜考察得知：使用乙酸、甲苯与甲醇为溶剂制备出的MIP结构松散，基本无球状结构;而以乙腈为溶剂制备出的MIP具有球状结构。通过气相色谱仪考察上述四种溶剂制备出的苯胺MIP对苯胺有无吸附能力，结果显示以乙酸与甲苯制备出的MIP对苯胺基本没有吸附能力，乙腈制备出的MIP微球有微弱吸附能力，甲醇中制备的MIP对苯胺有一定吸附能力。因此，在此基础上主要研究甲醇与乙腈的复配溶剂对成球和吸附的影响。分别配制甲醇∶乙腈（v∶v=1∶2、1∶3、1∶4、1∶5）复配溶剂，考察MIP成球情况与对苯胺分子的吸附情况。

严格除水隔氧配制1 mmol/L甲醇中苯胺溶液，通过移液器分别精确移取5份每份20 mL该溶液至5支比色管中，其中一支作为参比，剩余四支分别加入在上述复配溶剂制备的苯胺MIP 20 mg，简单考察吸附情况。同时利用扫描电子显微镜考察不同溶剂配比下MIP的成球情况。如表1所示。

通过表1可以看出，苯胺MIP在甲醇中制备才能表现出较稳定的吸附能力，而在乙腈中制备的MIP吸附能力较弱，因此甲醇∶乙腈（v∶v=1∶2）时MIP对苯胺有一定吸附能力。而随着乙腈含量的增加，所制备出的MIP对苯胺的吸附能力降低了，之后随着乙腈的含量的不断增加，MIP逐渐成球，而球形具备单位质量最大的比表面积，因此MIP的吸附能力表现出增强，随着乙腈的进一步加入，MIP的吸附能力再次被减弱。

从成球情况上来看MIP微球趋向于在乙腈中成球，这是由于在沉淀聚合中只有当溶剂的溶解度参数与聚合物本身相匹配时MIP才能成球，乙腈的溶解度参数为  接近θ溶剂，因此对聚合物成球有较大帮助。综合考虑以上因素，在甲醇∶乙腈（v∶v=1∶4）时制备出的MIP既具备球形结构又具有较好的吸附能力，因此选择该复配溶剂作为苯胺沉淀印迹的最佳溶剂。图2给出上述表格中提到的MIP的三种典型结构。

2.1.2  溶剂体积对苯胺MIP成球的影响

在前置条件不变的前提下考察溶液体积对苯胺MIP识别能力的影响，固定甲基丙烯酸加入量为0.01 mol，二乙烯基苯加入量为0.05 mol，控制体系中溶剂的体积分别为20、40、60、80、100、120、140 mL考察溶液体积对MIP成球与识别能力的影响，结果如表2所示。

表2 为不同溶剂对MIP成球及吸附能力的影响。

溶剂的用量低于40 mL时，反应的类型更接近于本体聚合而非沉淀聚合，因此制备出的MIP不是球状结构。逐渐提升溶液的用量，反应类型从本体聚合向溶液聚合转化，但溶液量较少导致微球核心很难在溶液中稳定悬浮生长，而是快速沉淀出来无法成球。继续增加溶剂的用量反应类型逐渐向沉淀聚合转化，微球核心获得了在溶液中稳定生长的机会，直到体积增大到一定程度从溶液中析出成球。此后增大溶液的用量反应体系仍会成球，但过多的溶液会稀释反应体系导致反应开始后微球核心生长速度降低，反应最终转化率也会降低，进而影响到聚合物的结构，导致对苯胺的识别能力降低。

2.2  单分散苯胺MIP微球的粒径表征

采用英国Malvern公司生产的Zetasizer Nano ZSE型动态光散射纳米激光粒度分析仪对合成的球形产物进行粒度分析，具体测试方法为向5 mL二次水中精确加入100 mg苯胺印迹聚合物，超声5 min后进行粒度测试。该批苯胺分子印迹聚合物体积粒度分布图如图3所示。

从粒径分布图中可以看出，苯胺MIP微球的粒径主要集中在2.6 μm左右，粒径分布范围为1.7～4.2 μm，其中高于2.6 μm的结构可能是两个苯胺MIP微球粘连在一起的表现，电镜图验证了这一猜想，通过使用smile view软件统计电镜图中100个微球的粒径，得到的结果为2.46 μm，辅证了动态光散射纳米激光粒度分析仪的结果。同时从粒径分布图中可以清晰的看到，该MIP的粒径分布范围内只有一个粒度峰，即该MIP为典型的单分散微球。

2.3  吸附能力表征

在分子印迹聚合物吸附操作中，最常用的目标分子稀释剂为甲醇。首先利用安捷伦1μL微量进样器配制1 mmol/L甲醇中苯胺溶液，并精确稀释至0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mmol/L，并绘制标准曲线。分子印迹聚合物的吸附量由以下公式得出：

2.3.1  苯胺MIP动态吸附能力评价

精确称取多份10 mg MIP置于具塞比色管中，分别加入1 mmol/L的甲醇中苯胺溶液20 mL，在水浴恒温振荡器中反复震荡，每隔一定时间取出一支滤去MIP测苯胺残余浓度，考察不同时间内MIP对苯胺的吸附量大小。取样时间间隔为10 min、30 min、1 h、2 h、3 h、4 h以此类推，直到苯胺苯MIP吸附至饱和为止。以苯胺MIP对溶液中苯胺的吸附量Q对时间t作图得到苯胺MIP的吸附动力学曲线，其结果如图4所示。

從图4中可以看到，前1.5 h内其对苯胺分子的吸附量增长较快，1.5 h后吸附量增长速度逐渐降低，这主要是因为前1.5 h的吸附主要发生在MIP微球表面，在表面快速达到饱和之后，溶液中的苯胺分子若想再想被吸附只能经由MIP微球上的微孔捕捉或从表面经甲醇溶液稍溶胀MIP微球后再被吸附。5 h到6 h处苯胺吸附量增长速度再次加快的原因可能是甲醇溶胀了MIP微球使得内部苯胺吸附位点得以和甲苯结合。6 h后吸附增长速度变得缓慢，甚至出现下滑，可能是微球被过度溶胀少量孔穴的形状发生改变从而解吸附部分苯胺，但总体上吸附6h后甲苯吸附量不再变化。

2.3.2  苯胺MIP最大静态吸附能力评价

精确称取 8份（10 mg）苯胺MIP分别置于具塞比色管中，分别加入2 mmol/L的甲醇中甲苯溶液20 mL，超声5 min，于水浴恒温振荡器中在室温下振荡 24 h 后，离心分离杂质并用0.45 μm微孔滤膜除去其中残留的印迹聚合物，测出苯胺残留浓度并计算其吸附量分别为11.21、13.46、14.21、9.43 mg/g、12.75、15.73、13.35、13.66 mg/g。经计算得其平均吸附量为12.98 mg/g。

2.3.3  苯胺MIP特异性识别能力评价

分别配制1 mmol/L甲醇中甲苯溶液与1 mmol/L甲醇中苯酚溶液和1 mmol/L甲醇中苯胺溶液，使用与上述实验相同的条件考察苯胺分子印迹聚合物的特异性识别能力。结果如表3所示。

由表3 可知苯胺MIP对苯酚的吸附量很低，对甲苯有微弱的吸附，可能是甲苯与苯胺分子在空间上结构大小相似所致。苯胺MIP对苯胺的吸附能力最强，符合最初的设计要求。

3  结 论

采用沉淀印迹法以甲基丙烯酸为单体、二乙烯基苯为交联剂、甲醇∶乙腈（v∶v=1∶4）为溶剂制备了苯胺MIP并对其成球条件进行了考察。经气相色谱表征，该分子印迹聚合物对苯胺最大静态吸附量为12.98 mg/g，具备对苯胺分子的特异性识别能力，在环境保护、医药卫生、快速痕量检测等方面具有潜在的应用价值。

参考文献：

[1]陈玲玲，廖立敏.苯胺类化合物毒性的QSAR研究[J].计算机与应用化学，2017，34（12）：934-939.

[2] 蒋伟，朱洪坤，清江.苯胺对小鼠成纤维细胞L929的体外毒性评价[J].生态毒理学报，2018，13（05）：256-261.

[3]管杰，孙玲娜，徐琴，等.分子印迹型二氧化钛及其复合材料的合成和应用[J].化学进展，2018，30（11）：1749-1760.

[4]Aijaz Ahmad Malik，Chanin Nantasenamat，Theeraphon Piacham.Molecularly imprinted polymer for human viral pathogen detection [J].Materials Science and Engineering C，2017，77 （8）：1341–1348.

[5]Baojiao Gao，Lulu Chen，Yanbin Li.Preparation of surface imprinted material of single enantiomer of mandelic acid with a new surface imprinting technique and study on its chiral recognition and resolution properties [J].Journal of Chromatography A，2016，1443 （4）：10–20.

[6]Dongmei Li，Qinghua Hea，Yonghong He，et al.Molecular imprinting sensor based on quantum weak measurement [J].Biosensors and Bioelectronics，2017，94 （8）：328–334.

[7] Saeedeh Ansaria，Majid Karimi.Recent configurations and progressive uses of magnetic molecularly imprinted polymers for drug analysis [J].Talanta，2017，167 （5）：470–485.