一种光响应分子印迹材料、制备方法及应用与流程

1.本发明属于检测材料制备技术领域，具体涉及一种光响应分子印迹材料、制备方法及应用。


背景技术：

2.磺胺抗生素，作为一类传统抗菌药物，一直被广泛应用，尤其是在畜牧业领域经常被用作兽药。但由于其大量滥用，导致许多动物源性食品、自然水体和土壤中被检测出磺胺抗生素残留，将通过生态链影响人体内正常菌群，甚至会导致肾脏受损等健康危害。
3.分子印迹技术是利用分子印迹聚合物模拟酶-底物或抗体-抗原之间的相互作用，对目标分子进行专一识别的技术，制备的分子印迹聚合物可作为固相萃取剂，特异性分离/富集目标物。但是，分子印迹材料的制备过程中，去除模板分子通常需要较长的周期，效率低。为了解决这个问题，近年来，利用外界刺激(温度、ph和光等条件)来控制吸附和洗脱，刺激响应印迹材料已成为了研究热点。
4.光响应性印迹材料的制备方法是将光敏基团引入聚合物中，其中偶氮苯发色团的研究比较多。光响应原理是偶氮苯结构在光辐照下会发生顺反异构，其中反式结构比较稳定，但在紫外光照射下会由反式结构向顺式结构转变。顺式结构不稳定，在黑暗或可视光照下会迅速向反式结构转变。光响应印迹材料就是利用其发生顺反异构这一原理实现对目标分子特异性识别和释放。当聚合物暴露在紫外光照条件下时其反式结构转变成了顺式结构，由此导致了目标分子和聚合物之间的作用力被破坏，从而目标分子被释放出来。当聚合物再次暴露在可视光照射下，其顺式结构会恢复为反式结构，印迹空腔也被恢复到原来的样子，可以利用光照来调控目标分子的吸附和释放。光响应性印迹材料既提高了去除模板分子的效率，同时光敏单体的引入，也提升了印迹材料的选择性能。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的分子印迹材料去除模板分子效率低、选择性差的问题，本发明提供了一种基于5-[(4-(甲基丙烯酰氧乙基偏苯三酸酐)苯)二氮烯]间苯二酸的光响应分子印迹材料及其制备方法，制备出的印迹纳米颗粒表现出良好的光响应性、选择性，解决现有方法制备印迹纳米粒子效率低和选择性差的问题。
[0006]
本发明是通过如下技术方案实现的：
[0007]
一种光响应分子印迹材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]
步骤1：二氧化硅的制备：取去离子水于烧瓶中，加入无水乙醇进行混合，加入磁力搅拌转子搅拌后，加入氨水，搅拌5min后，将正硅酸四乙酯的乙醇溶液缓慢滴入烧瓶，反应10h后，离心，用水和乙醇清洗3次，干燥，备用；
[0009]
步骤2：二氧化硅表面接枝改性：将步骤1中制备的二氧化硅超声分散在甲苯中，再加入硅烷偶联剂，通氮气，加热反应48h后，离心，用水和乙醇清洗3次，干燥，备用，记为sio2@mps；
[0010]
步骤3：光敏单体5-[(4-(甲基丙烯酰氧乙基偏苯三酸酐)苯)二氮烯]间苯二酸的合成：将5-氨基异酞酸和氢氧化钠溶解于去离子水中，在冰浴和搅拌条件下加入亚硝酸钠溶液，并搅拌10min；再逐滴加入盐酸溶液，冰浴反应1h，得到混合溶液a；然后，取另一个烧瓶加入苯酚和氢氧化钠的水溶液，在0℃冰水浴中进行搅拌，得溶液b；将混合溶液a用塑料滴管逐滴加入到溶液b中，滴加完成后继续在冰水浴中搅拌3h，待反应结束后，用4mol
·
l-1
的盐酸进行中和，沉淀出粗产物；粗产物由乙醇水溶液重结晶得到中间产物，记为hpdia；
[0011]
将三乙胺、二甲氨基吡啶和hpdia溶于四氢呋喃中，并置于冰水浴中冷却至0℃，加入甲基丙烯酸酐，常温反应24h；反应结束后，将溶剂蒸发，加入去离子水；再用盐酸将溶液中和，收集沉淀得到粗产物；粗产品经乙醇水溶液重结晶后得到光敏单体5-[(4-(甲基丙烯酰氧乙基偏苯三酸酐)苯)二氮烯]间苯二酸，记为mapdia。
[0012]
步骤4：光响应分子印迹材料的制备：首先，将添加模板分子磺胺二甲基嘧啶和mapdia完全溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，在黑暗中预聚合12h，得预聚合溶液；在烧瓶中，用超声波将步骤2中表面接枝后的sio2@mps分散到预聚合溶液中；不断搅拌并混合均匀；然后，加入甲基丙烯酸乙二醇酯和偶氮二异丁腈，并用氮气脱气30分钟；最后，于70℃避光反应24h，反应结束后离心洗涤并干燥，索氏提取48h，真空干燥，备用，记为mips。
[0013]
进一步地，在步骤1中，所述去离子水、无水乙醇、氨水、正硅酸四乙酯、无水乙醇的用量分别为45-55ml，45-55ml，5-15ml，3-7ml，5-15ml。
[0014]
进一步地，在步骤2中，所述二氧化硅、甲苯、硅烷偶联剂的用量比为0.3-0.5g：80-120ml：3-7ml。
[0015]
进一步地，在步骤3中，去离子水、5-氨基异酞酸、氢氧化钠、亚硝酸钠溶液、盐酸溶液、苯酚、氢氧化钠、三乙胺、二甲氨基吡啶、hpdia、四氢呋喃、甲基丙烯酸酐、去离子水的用量比为20-40ml，4-6g，50-60mmol，5-15ml，20-40ml，2-4g，80-120mmol、1-3ml，0.2-0.3mmol，1-2g，40-60ml，0.8-1.5ml，80-120ml。
[0016]
进一步地，在步骤5中，磺胺二甲基嘧啶、mapdia、n,n-二甲基甲酰胺、二氧化硅、甲基丙烯酸乙二醇酯、偶氮二异丁腈的用量比为20-40mg，130-150mg，40-60ml，0.5-1.5g，0.3-0.5ml，10-30mg。
[0017]
所述的光响应分子印迹材料的制备方法制备的光响应分子印迹材料。
[0018]
所述光响应分子印迹材料用于检测、富集或分离水样中的磺胺二甲基嘧啶。
[0019]
本发明的有益效果如下：
[0020]
(1)基于载体表面合成分子印迹材料，能使制备的材料具有大的比表面积和良好的吸附能力，能富集/分离痕量实际样品中的磺胺二甲基嘧啶。
[0021]
(2)引入光敏性单体5-[(4-(甲基丙烯酰氧乙基偏苯三酸酐)苯)二氮烯]间苯二酸，它可以发生光致异构化的偶氮苯结构，能通过改变照射波长，其偶氮苯基团可发生光致异构化结构改变，可达到富集和检测环境中磺胺二甲基嘧啶的目标。
[0022]
(3)所制备的光响应分子印迹材料对磺胺二甲基嘧啶具有较好的选着性，吸附率高，同时利用360nm、440nm的光照反复照射吸附脱附效果无衰减，可重复使用。
附图说明
[0023]
图1中(a)、(b)分别为实施例2制备的sio2的扫描电镜图、透射电镜图，(c)、(d)分
别为实施例2制备的sio2@mips的扫描电镜图、透射电镜图。
[0024]
图2为实施例2制备的sio2,sio2@mps,mips纳米粒子的红外光谱图。
[0025]
图3为实施例2制备的mips和nips的氮气吸脱附图。
[0026]
图4实施例2制备的mapdia在(a)365nm光辐照和(b)440nm光辐照下的紫外-可视光谱变化。
[0027]
图5实施例2制备的mips在(a)365nm光辐照和(b)440nm光辐照下的紫外-可视光谱变化。
[0028]
图6实施例2制备的mips和nips的吸附等温线。
[0029]
图7实施例2制备的mips/nips吸附数据的langmuir(a)和freundich(b)模型拟合。
[0030]
图8实施例2制备的mips和nips的吸附动力学。
[0031]
图9实施例2制备的mips对smz、sd、smx和dbp的光调控释放和吸附。
[0032]
图10实施例2制备的mips对smz、sd、smx和dbp的吸附选择性分析。
具体实施方式
[0033]
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
[0034]
实施例1：
[0035]
步骤1：二氧化硅的制备：取去离子水45ml于烧瓶中，然后加入45ml无水乙醇进行混合，加入磁力搅拌转子搅拌后，加入5ml氨水，搅拌5min。将3ml正硅酸四乙酯溶在5ml无水乙醇中，再缓慢滴入烧瓶，反应10h后，离心，用水和乙醇清洗3次，干燥，备用。
[0036]
步骤2：二氧化硅表面接枝改性：取上述步骤1中制备的二氧化硅0.3g，超声分散在80ml甲苯中。然后，将3ml硅烷偶联剂加入溶液中，通氮气，加热反应48h后，离心，用水和乙醇清洗3次，干燥，备用，记为sio2@mps。
[0037]
步骤3：光敏单体5-[(4-(甲基丙烯酰氧乙基偏苯三酸酐)苯)二氮烯]间苯二酸的合成：首先，用20ml去离子水将4g 5-氨基异酞酸和50mmol氢氧化钠进行溶解，然后在冰浴和搅拌条件下加入5ml浓度为0.23g
·
ml-1
亚硝酸钠溶液，并搅拌10min。接着逐滴加入20ml浓度为4mmol
·
l-1
的盐酸溶液，冰浴反应1h得到混合溶液a。然后，在另一个烧瓶中加入2g苯酚和80mmol氢氧化钠的水溶液,并在0℃冰水浴中进行搅拌，得溶液b，并将混合溶液a用塑料滴管逐滴缓慢地加入到溶液b中，滴加完成后继续在冰水浴中搅拌3h。反应结束后，用4mol
·
l-1
的盐酸对反应溶液进行中和，粗产物沉淀出来。粗产物由乙醇水溶液重结晶得到中间产物，记为hpdia。
[0038]
将1ml三乙胺、0.2mmol二甲氨基吡啶和1g hpdia溶于40ml四氢呋喃中，并将其在冰水浴中冷却至0℃，然后加入0.8ml甲基丙烯酸酐，常温反应24h。反应结束后，将溶剂蒸发，并加入100ml去离子水。最后，用盐酸将溶液中和，并收集沉淀得到粗产物。粗产品经乙醇水溶液重结晶后得到光敏单体5-[(4-(甲基丙烯酰氧乙基偏苯三酸酐)苯)二氮烯]间苯二酸，记为mapdia。
[0039]
步骤4：光响应分子印迹材料的制备：首先，将20mg磺胺二甲基嘧啶和130mg mapdia完全溶解于40ml n,n-二甲基甲酰胺中，在黑暗中预聚合12h。在烧瓶中，用超声波将0.05g步骤2中接枝后的二氧化硅sio2@mps分散到上述n,n-二甲基甲酰胺溶液中。然后，不断搅拌并与预聚合溶液混合。然后，将0.3ml甲基丙烯酸乙二醇酯和10mg偶氮二异丁腈加入
mapdia完全溶解于50ml n,n-二甲基甲酰胺中，在黑暗中预聚合12h。在烧瓶中，用超声波将0.1g步骤2中接枝后的二氧化硅分散到上述n,n-二甲基甲酰胺溶液中。然后，不断搅拌并与预聚合溶液混合。然后，将0.4ml甲基丙烯酸乙二醇酯和20mg偶氮二异丁腈加入到烧瓶中，并用氮气脱气30分钟。最后，70℃避光反应24h，反应结束后离心洗涤并干燥，索氏提取48h，真空干燥，备用，记为mips。
[0049]
根据以上步骤及工艺，不添加模板分子磺胺二甲基嘧啶制备非印迹聚合物nips作为对比例。
[0050]
图3为实施例2所制备光响应分子印迹材料的氮吸附-解吸等温线图；如图3所示，mips的氮吸附-解吸等温线符合典型的iv类等温线。与nips相比，mips中有滞回环，这表明由于模板分子的洗脱，mips具有了多孔结构。根据吸附-脱附数据计算得到的mips的比表面积为60.39m2·
g-1
，孔径尺寸大多是2nm左右。
[0051]
图5为实施例2所制备的光响应分子印迹材料的光辐照下的紫外-可视光谱变化图；如图5(a)和(b)所示。mips的反式
→
顺式和顺式
→
反式异构化速率比mapdia慢，原因可能是交联后聚合物基体内部相互作用变得复杂，影响了偶氮苯结构的重定向。
[0052]
图6为实施例2所制备光响应分子印迹材料的吸附等温线图；图6是在常温条件下mips和nips对不同初始浓度的磺胺二甲基嘧啶(简写smz)的吸附等温线。随着浓度增大吸附质界面压力越大，更容易吸附在吸附剂表面。从图上可以很明显看出mips比nips具有更好的吸附效果，这是因为印迹聚合物的模板分子的洗脱会使mips表面存在大量印迹孔穴，使其变成多孔结构，提高了其吸附性能，而nips中不存在这些孔穴。以上实验也说明了印迹效应对材料吸附性能具有明显提高。
[0053]
图7为实施例2所制备光响应分子印迹材料的吸附模型拟合图；如图7所示，langmuir等温模型与实验数据吻合较好(r2＝0.955)，mips的最大吸附量为28.82mg
·
g-1
，远远大于nips(14.29mg
·
g-1
)。
[0054]
图8为实施例2所制备光响应分子印迹材料的吸附动力学图；从图8可发现mips的吸附容量在80min内迅速增加，100min内达到平衡，吸附速率快，这是因为mips的制备采用了表面印迹法，模板分子洗脱后形成的印迹空腔都在材料表面，使得吸附过程吸附质传质阻力减小，从而加快吸附速率；这也说明印迹效应对材料吸附性能的提高。
[0055]
图9为实施例2所制备光响应分子印迹材料的光调控释放和吸附图；如图9所示，mips与磺胺甲恶唑(简写smz)溶液混合，避光振荡，吸附平衡时，30％的smz被mips吸附。然后用365nm的光辐照材料2h后，吸附比例由30％降至17％，有13％的smz被释放出来。这是因为辐照使偶氮苯从反式转为顺式，smz和聚合物之间的氢键被破坏，目标分子被释放。然后再用440nm的光进行辐照2h后吸附比例由17％提高到29％，这是因为在440nm辐照条件下偶氮苯结构会从顺式结构恢复到反式结构，从而使得印迹空腔结构与目标分子匹配，氢键作用力可以形成。此外，在365nm和440nm下交替辐照了4次，其吸附和释放性能没有明显减弱，可以重复使用，这对于固相吸附剂非常重要。
[0056]
图10为实施例2所制备光响应分子印迹材料的吸附选择性图；如图10所示，mips对smz的吸附量最大，磺胺嘧啶(简写sd)和磺胺甲噁唑(简写smx)次之，邻苯二甲酸二丁酯(简写dbp)最小。这是因为模板分子与mips之间可以形成氢键作用力，空腔结构与smz匹配。而对于sd和smx来说，它们与模板分子一样都是磺胺类药物，分子结构相似，但其与smz相比少
了两个-ch3，空腔结构不匹配，造成吸附量减小。对于dbp，其与模板分子的结构相差太大，只能依靠分子间作用力造成的物理吸附，因此其吸附量最低。另外，无论对哪种物质的吸附，mips的吸附量更大，并且nips对这四种物质的吸附量差别较小。这是因为mips表面具有印迹空腔，是一个多孔结构，所以比nips吸附量大。nips主要发生物理吸附没有特异性，所以对几种物质的吸附量差别不大。另外，印迹因子(if)是一个评价印迹材料特异性吸附的参数。
[0057]
实施例3：
[0058]
步骤1：二氧化硅的制备：取55ml去离子水于烧瓶中，然后加入55ml无水乙醇进行混合，加入磁力搅拌转子搅拌后，将15ml氨水加入。搅拌5min后，将7ml正硅酸四乙酯溶在15ml无水乙醇中缓慢滴入。反应10h后，离心，用水和乙醇清洗3次，干燥，备用。
[0059]
步骤2：二氧化硅表面接枝改性：将0.5g上述步骤1中制备的二氧化硅超声分散在120ml甲苯中。然后，将7ml硅烷偶联剂加入溶液中，通氮气，加热反应48h后，离心，用水和乙醇清洗3次，干燥，备用，记为sio2@mps。
[0060]
步骤3：光敏单体5-[(4-(甲基丙烯酰氧乙基偏苯三酸酐)苯)二氮烯]间苯二酸的合成：首先，用40ml去离子水将6g 5-氨基异酞酸和60mmol氢氧化钠进行溶解。然后，在冰浴和搅拌条件下加入15ml浓度为0.23g
·
ml-1
亚硝酸钠溶液，并搅拌10min。接着逐滴加入27ml浓度为4mmol
·
l-1
的盐酸溶液。冰浴反应1h得到混合溶液。然后，在另一个烧瓶中加入2.86g苯酚和100mmol氢氧化钠的水溶液并在0℃冰水浴中进行搅拌，并将上一步得到的混合溶液用塑料滴管逐滴缓慢地加入到上述苯酚溶液中，滴加完成后继续在冰水浴中搅拌3h。反应结束后，用4mol
·
l-1
的盐酸对反应溶液进行中和，粗产物沉淀出来。粗产物由乙醇水溶液重结晶得到中间产物，记为hpdia。
[0061]
将3ml三乙胺、0.3mmol二甲氨基吡啶和2g hpdia溶于60ml四氢呋喃中，并将其在冰水浴中冷却至0℃，然后加入1.5ml甲基丙烯酸酐。常温反应24h。反应结束后，将溶剂蒸发，并将120ml去离子水加入。最后，用盐酸将溶液中和，并收集沉淀得到粗产物。粗产品经乙醇水溶液重结晶后得到光敏单体5-[(4-(甲基丙烯酰氧乙基偏苯三酸酐)苯)二氮烯]间苯二酸，记为mapdia。
[0062]
步骤4：光响应分子印迹材料的制备：首先，将40mg磺胺二甲基嘧啶和150mg mapdia完全溶解于60ml n,n-二甲基甲酰胺中，在黑暗中预聚合12h。在烧瓶中，用超声波将0.15g步骤2中接枝后的二氧化硅分散到上述n,n-二甲基甲酰胺溶液中。然后，不断搅拌并与预聚合溶液混合。然后，将0.5ml甲基丙烯酸乙二醇酯和30mg偶氮二异丁腈加入到烧瓶中，并用氮气脱气30分钟。最后，70℃避光反应24h，反应结束后离心洗涤并干燥，索氏提取48h，真空干燥，备用，记为mips。
[0063]
非印迹聚合物(sio2@nips)以相同的方式合成，但没有添加模板分子磺胺二甲基嘧啶，记为nips。